CN117714433A - 基于通信总线的多级节点通信系统、数据透传及升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字信息的传输技术领域，具体涉及一种基于通信总线的多级节点通信系统、数据透传及升级方法。本发明系统包括基于通信总线、通信协议相连的网络拓扑结构，网络拓扑结构包括主机、通过CAN/FDCAD总线与主机相连的多级节点、与节点相连的传感器组，以及与主机通过UDP/WIFI无线连接的客户端，主机自动检测并识别传感器组类型并分配ID号，读取多级节点的信息和传感器数据，下发控制命令或者配置传感器组；当节点有新版本固件时，主机下发更新包到节点进行在线升级；本发明方法利用数据完整性校验保证数据传输的安全；通过改进基于特定的通信协议并通过通信总线进行连接的网络拓扑结构，进行数据透传和在线升级。

Description

基于通信总线的多级节点通信系统、数据透传及升级方法

技术领域

本发明涉及数字信息的传输技术领域，具体涉及一种基于通信总线的多级节点通信系统、数据透传及升级方法。

背景技术

现场总线系统属于数字通信系统，CAN/FDCAD总线与主机相连，实现主从式通信，从而得到的网络拓扑结构具有实时性、可靠性差，故障率高的优点。随着技术进步，主机需要响应客户端对多级节点的数据快速反馈，而多级节点可能采用多种不同的接口。如何实现数据的透传和在线升级是目前需要解决的问题。为了解决这些问题，现有专利中，公开号为CN 202211613471.0，其公开了一种多通道CANFD总线通信装置和方法，其通过AXI总线向写CANFD总线控制器IP核中写数据，并依次往总线上发送数据。但该方案采用的是复杂的通信协议和优化技术，增加系统的复杂性和开发成本，可能会面临频谱拥堵和干扰问题；另外，如果数据量很大，可能需要使用更复杂的校验方法来确保数据的完整性；特别是在网络拥堵或不稳定的情况下，如果数据包丢失或损坏，可能需要重新发送整个数据块，进一步增加了网络负担和处理时间。由于现有技术存在硬件和软件层面的检测或识别缺陷，无法可靠的视线热插拔功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于通信总线的多级节点通信系统、数据透传及升级方法。

本发明的技术方案为：

一种基于通信总线的多级节点通信系统，包括基于通信总线、通信协议相连的网络拓扑结构，网络拓扑结构包括主机、通过CAN/FDCAD总线与主机相连的多级节点、与节点相连的传感器组，以及与主机通过UDP/WIFI无线连接的客户端，其中：

主机，自动检测并识别传感器组类型并分配ID号，读取多级节点的信息和传感器数据，下发控制命令或者配置传感器组；当节点有新版本固件时，主机下发更新包到节点进行在线升级；

传感器组，包括角速度传感器、磁场强度传感器、肌电传感器和脉冲肌肉刺激传感器；

多级节点，包括通过SPI接口与角速度传感器相连的节点1、通过I2C接口与磁场强度传感器相连的节点2、通过ADC模块与肌电传感器相连的节点3，以及通过PWM模块与脉冲肌肉刺激传感器相连的节点4。

本技术方案通过改进基于特定的通信协议并通过通信总线进行连接的网络拓扑结构，进行数据透传和在线升级。在网络拓扑结构中，主要有主机，以及通过CAN/FDCAD总线与主机相连接的多级节点。每个节点都与一个或多个传感器组相连。此外，还包括一个通过UDP/WIFI无线连接的客户端，客户端与主机相连；主机具有自动检测并识别传感器组类型并分配ID号的功能，不仅能读取多级节点的信息和传感器数据，还能下发控制命令或配置传感器组。如果节点需要更新固件版本，主机将通过下发更新包的方式对其进行在线升级。传感器组主要包括角速度传感器、磁场强度传感器、肌电传感器以及脉冲肌肉刺激传感器；多级节点包括四种不同类型的节点，节点在起到数据中继的作用，利用数据完整性校验保证数据传输的安全，节点接收来自传感器的数据并将其传输到主机或其他设备。

在其中一些实施例中，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间、多级节点与多级节点之间均采用高速低延时通信，整体通信带宽大于20Mbps，通信延时小于10ms，节点的数量最多为128个。

本技术方案中整体通信带宽可以传输大量的数据，满足系统对数据处理的需求；且节点数量越多，满足整体通信的复杂性和处理要求，也可以兼顾系统的稳定性和效率等需求。

在其中一些实施例中，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间均支持热插拔，主机自动检测和识别类型和分配ID号，避免相互冲突。

本技术方案中主机具备自动检测和识别各节点类型的能力，并为每个节点分配一个唯一的ID，从而有效避免潜在的相互冲突；不仅增强了系统的便捷性和可维护性，还确保了整个系统运行的高效性和稳定性。

本发明的技术方案为：

一种基于通信总线的多级节点通信系统的数据透传方法，包括如下步骤：

S1、传感器组向客户端透传原始数据，包括如下小步：

S11、传感器组的各传感器节点通过接口分别向对应的节点发送传感器的RawData，RawData采用32位浮点的存储方式；

S12、多级节点收到RawData连同数据和校验打包为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S13、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；数据段保持不变，重新打包为一个UDP包；

S14、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，主机通过CAN/FDCAD总线连接多级节点，不同类型的节点具有不同的通信接口，用来访问传感器组获取RawData；

S2、客户端向传感器组透传控制执行数据，包括如下小步：

S21、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，并发送对应的传感器的执行数据；

S22、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；执行数据加入RawData，重新打包为一个UDP包；

S23、多级节点收到UDP包，反向编译拆分为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S24、对应ID的传感器节点接收到CanFD包后，校验数据并找到对应寄存器，写入执行数据，执行数据成功更改，完成数据透传与完整性校验。

本技术方案通过两个主要步骤完成数据透传与完整性校验：首先，传感器组向客户端透传原始数据，其中每个传感器节点通过特定接口向对应节点发送RawData，然后多级节点将RawData打包成CanFD包，主机根据接口不同划分数据包并打上时间戳，最后客户端通过无线连接获取数据。其次，客户端向传感器组透传控制执行数据，其中客户端无线发送执行数据，主机将数据打包成UDP包，多级节点收到UDP包后反向编译并写入执行数据。

在其中一些实施例中，所述步骤S1和步骤S2中，传感器组与客户端之间的数据透传依靠CanFD包、UDP包的完整性校验机制，完整性校验机制无需复杂的协议栈和编程逻辑，从而避免丢包和错位。

本技术方案通过使用简单的协议栈和编程逻辑确保了数据的完整性和准确性，避免了丢包和错位的情况；CanFD包和UDP包的完整性校验机制通常采用CRC(循环冗余校验)算法，通过提前计算出CRC校验码并附加在数据包的末尾，收到数据包后，使用相同的算法重新计算CRC校验码，并与接收到的校验码进行比较，如果两个校验码不同，则认为数据包是损坏的，需要进行错误处理。

本发明的技术方案为：

一种基于通信总线的多级节点通信系统的升级方法，包括如下步骤：

S3、多级节点上线之后，主机请求节点的信息；

节点信息包含设备类型、版本号；

S31、如果无固件更新，则正常分配ID，进入步骤S1或步骤S2；

S32、如果有固件更新，则执行更新相关流程，进入步骤S4；

S4、主机分块将固件和对应Flash地址发送，每发送一块后都等待节点校验并应答；

如果未应答意味着校验失败，则触发重新发送；

如果错误次数过多，则更新失败；

S5、全部固件写入后，主机对节点下发复位命令，并等待节点上线；升级流程结束。

本技术方案适用于需要在线进行固件更新和设备管理的分布式系统，通过分块发送和校验的方式来处理固件更新，并使用复位命令来使新固件生效；可以确保系统的稳定性和可用性，同时也可以提高系统的维护效率。

在其中一些实施例中，所述步骤S3中，主机向节点请求升级，主机对大块数据拆包发送，实现对传感器组的在线升级功能。

本技术方案中主机需要将大块数据拆分成多个小的数据包，每个数据包包含一部分原始数据。

在拆包的过程中，主机通常会添加一些额外的信息，例如数据包的序列号、校验数据等。这些信息可以帮助主机和节点在传输过程中对数据包进行正确的排序和校验，以确保数据的完整性和准确性。

在其中一些实施例中，所述步骤S4中，设置应答ASK的时间，超时未应答，则停止等待继续进入S31进行固件更新；

设置超时的次数，错误次数过多，则停止等待进入S5，更新失败。

本技术方案中通过设置应答ASK的时间，系统可以确定节点是否在规定时间内对请求进行了响应。如果超过了规定的时间，系统会停止等待并进入S31进行固件更新。这可以避免由于等待过长时间导致的更新延迟或阻塞。设置超时的次数可以控制系统在错误情况下的容忍程度。如果错误次数超过了设定的限制，系统会停止等待并进入S5，更新失败；可以防止在错误情况下持续等待和尝试更新，从而避免浪费资源并提高系统的可靠性。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)实现多节点之间的高速低延时通信，整体通信带宽大于20Mbps，通信延时小于10ms，节点数量最多为128个；

(2)实现数据透传与完整性校验，不需要复杂的协议栈和编程逻辑，避免丢包和错位；

(3)对大块数据拆包发送，实现对终端节点的在线升级功能；

(4)支持热插拔，自动检测和识别设备类型和分配ID号，避免设备冲突。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明系统的总架构图。

图2是本发明数据透传方法的流程原理框图。

图3是本发明升级方法的流程原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于通信总线的多级节点通信系统，包括基于通信总线、通信协议相连的网络拓扑结构，网络拓扑结构包括主机、通过CAN/FDCAD总线与主机相连的多级节点、与节点相连的传感器组，以及与主机通过UDP/WIFI无线连接的客户端，其中：

主机，自动检测并识别传感器组类型并分配ID号，读取多级节点的信息和传感器数据，下发控制命令或者配置传感器组；当节点有新版本固件时，主机下发更新包到节点进行在线升级；

传感器组，包括角速度传感器、磁场强度传感器、肌电传感器和脉冲肌肉刺激传感器；

多级节点，包括通过SPI接口与角速度传感器相连的节点1、通过I2C接口与磁场强度传感器相连的节点2、通过ADC模块与肌电传感器相连的节点3，以及通过PWM模块与脉冲肌肉刺激传感器相连的节点4。

本技术方案通过改进基于特定的通信协议并通过通信总线进行连接的网络拓扑结构，进行数据透传和在线升级。在网络拓扑结构中，主要有主机，以及通过CAN/FDCAD总线与主机相连接的多级节点。每个节点都与一个或多个传感器组相连。此外，还包括一个通过UDP/WIFI无线连接的客户端，客户端与主机相连；主机具有自动检测并识别传感器组类型并分配ID号的功能，不仅能读取多级节点的信息和传感器数据，还能下发控制命令或配置传感器组。如果节点需要更新固件版本，主机将通过下发更新包的方式对其进行在线升级。传感器组主要包括角速度传感器、磁场强度传感器、肌电传感器以及脉冲肌肉刺激传感器；多级节点包括四种不同类型的节点，节点在起到数据中继的作用，利用数据完整性校验保证数据传输的安全，节点接收来自传感器的数据并将其传输到主机或其他设备。

在其中一些实施例中，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间、多级节点与多级节点之间均采用高速低延时通信，整体通信带宽大于20Mbps，通信延时小于10ms，节点的数量最多为128个。

本技术方案中整体通信带宽可以传输大量的数据，满足系统对数据处理的需求；且节点数量越多，满足整体通信的复杂性和处理要求，也可以兼顾系统的稳定性和效率等需求。

在其中一些实施例中，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间均支持热插拔，主机自动检测和识别类型和分配ID号，避免相互冲突。

本技术方案中主机具备自动检测和识别各节点类型的能力，并为每个节点分配一个唯一的ID，从而有效避免潜在的相互冲突；不仅增强了系统的便捷性和可维护性，还确保了整个系统运行的高效性和稳定性。

实施例2

如图2所示，在实施例1基础上，本实施例提供了一种基于通信总线的多级节点通信系统的数据透传方法，包括如下步骤：

S1、传感器组向客户端透传原始数据，包括如下小步：

S11、传感器组的各传感器节点通过接口分别向对应的节点发送传感器的RawData，RawData采用32位浮点的存储方式；

S12、多级节点收到RawData连同数据和校验打包为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S13、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；数据段保持不变，重新打包为一个UDP包；

S14、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，主机通过CAN/FDCAD总线连接多级节点，不同类型的节点具有不同的通信接口，用来访问传感器组获取RawData；

S2、客户端向传感器组透传控制执行数据，包括如下小步：

S21、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，并发送对应的传感器的执行数据；

S22、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；执行数据加入RawData，重新打包为一个UDP包；

S23、多级节点收到UDP包，反向编译拆分为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S24、对应ID的传感器节点接收到CanFD包后，校验数据并找到对应寄存器，写入执行数据，执行数据成功更改，完成数据透传与完整性校验。

本技术方案通过两个主要步骤完成数据透传与完整性校验：首先，传感器组向客户端透传原始数据，其中每个传感器节点通过特定接口向对应节点发送RawData，然后多级节点将RawData打包成CanFD包，主机根据接口不同划分数据包并打上时间戳，最后客户端通过无线连接获取数据。其次，客户端向传感器组透传控制执行数据，其中客户端无线发送执行数据，主机将数据打包成UDP包，多级节点收到UDP包后反向编译并写入执行数据。

在其中一些实施例中，所述步骤S1和步骤S2中，传感器组与客户端之间的数据透传依靠CanFD包、UDP包的完整性校验机制，完整性校验机制无需复杂的协议栈和编程逻辑，从而避免丢包和错位。

本技术方案通过使用简单的协议栈和编程逻辑确保了数据的完整性和准确性，避免了丢包和错位的情况；CanFD包和UDP包的完整性校验机制通常采用CRC(循环冗余校验)算法，通过提前计算出CRC校验码并附加在数据包的末尾，收到数据包后，使用相同的算法重新计算CRC校验码，并与接收到的校验码进行比较，如果两个校验码不同，则认为数据包是损坏的，需要进行错误处理。

实施例3

如图3所示，在实施例2基础上，本实施例提供了一种基于通信总线的多级节点通信系统的升级方法，包括如下步骤：

S3、多级节点上线之后，主机请求节点的信息；

节点信息包含设备类型、版本号；

S31、如果无固件更新，则正常分配ID，进入步骤S1或步骤S2；

S32、如果有固件更新，则执行更新相关流程，进入步骤S4；

S4、主机分块将固件和对应Flash地址发送，每发送一块后都等待节点校验并应答；

如果未应答意味着校验失败，则触发重新发送；

如果错误次数过多，则更新失败；

S5、全部固件写入后，主机对节点下发复位命令，并等待节点上线；升级流程结束。

本技术方案适用于需要在线进行固件更新和设备管理的分布式系统，通过分块发送和校验的方式来处理固件更新，并使用复位命令来使新固件生效；可以确保系统的稳定性和可用性，同时也可以提高系统的维护效率。

在其中一些实施例中，所述步骤S3中，主机向节点请求升级，主机对大块数据拆包发送，实现对传感器组的在线升级功能。

本技术方案中主机需要将大块数据拆分成多个小的数据包，每个数据包包含一部分原始数据。

在拆包的过程中，主机通常会添加一些额外的信息，例如数据包的序列号、校验数据等。这些信息可以帮助主机和节点在传输过程中对数据包进行正确的排序和校验，以确保数据的完整性和准确性。

在其中一些实施例中，所述步骤S4中，设置应答ASK的时间，超时未应答，则停止等待继续进入S31进行固件更新；

设置超时的次数，错误次数过多，则停止等待进入S5，更新失败。

本技术方案中通过设置应答ASK的时间，系统可以确定节点是否在规定时间内对请求进行了响应。如果超过了规定的时间，系统会停止等待并进入S31进行固件更新。这可以避免由于等待过长时间导致的更新延迟或阻塞。设置超时的次数可以控制系统在错误情况下的容忍程度。如果错误次数超过了设定的限制，系统会停止等待并进入S5，更新失败；可以防止在错误情况下持续等待和尝试更新，从而避免浪费资源并提高系统的可靠性。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于通信总线的多级节点通信系统，其特征在于，包括基于通信总线、通信协议相连的网络拓扑结构，网络拓扑结构包括主机、通过CAN/FDCAD总线与主机相连的多级节点、与节点相连的传感器组，以及与主机通过UDP/WIFI无线连接的客户端，其中：

主机，自动检测并识别传感器组类型并分配ID号，读取多级节点的信息和传感器数据，下发控制命令或者配置传感器组；当节点有新版本固件时，主机下发更新包到节点进行在线升级；

传感器组，包括角速度传感器、磁场强度传感器、肌电传感器和脉冲肌肉刺激传感器；

多级节点，包括通过SPI接口与角速度传感器相连的节点1、通过I2C接口与磁场强度传感器相连的节点2、通过ADC模块与肌电传感器相连的节点3，以及通过PWM模块与脉冲肌肉刺激传感器相连的节点4。

2.如权利要求1所述的基于通信总线的多级节点通信系统，其特征在于，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间、多级节点与多级节点之间均采用高速低延时通信，整体通信带宽大于20Mbps，通信延时小于10ms，节点的数量最多为128个。

3.如权利要求1或2所述的基于通信总线的多级节点通信系统，其特征在于，所述多级节点与主机之间、多级节点与传感器组之间均支持热插拔，主机自动检测和识别类型和分配ID号，避免相互冲突。

4.一种基于通信总线的多级节点通信系统的数据透传方法，采用如权利要求1-3任意一项所述的基于通信总线的多级节点通信系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、传感器组向客户端透传原始数据，包括如下小步：

S11、传感器组的各传感器节点通过接口分别向对应的节点发送传感器的RawData，RawData采用32位浮点的存储方式；

S12、多级节点收到RawData连同数据和校验打包为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S13、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；数据段保持不变，重新打包为一个UDP包；

S14、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，主机通过CAN/FDCAD总线连接多级节点，不同类型的节点具有不同的通信接口，用来访问传感器组获取RawData；

S2、客户端向传感器组透传控制执行数据，包括如下小步：

S21、客户端通过UDP/WIFI无线连接主机，并发送对应的传感器的执行数据；

S22、主机根据CANFD接口的不同，将其划分为不同区域的数据包，并打上时间戳；执行数据加入RawData，重新打包为一个UDP包；

S23、多级节点收到UDP包，反向编译拆分为一个CanFD包，CanFD包包括：将传感器节点、传感器类型、数据ID、数据长度为RawData的长度；

S24、对应ID的传感器节点接收到CanFD包后，校验数据并找到对应寄存器，写入执行数据，执行数据成功更改，完成数据透传与完整性校验。

5.如权利要求4所述的基于通信总线的多级节点通信系统的数据透传方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S2中，传感器组与客户端之间的数据透传依靠CanFD包、UDP包的完整性校验机制，完整性校验机制无需复杂的协议栈和编程逻辑，从而避免丢包和错位。

6.一种基于通信总线的多级节点通信系统的升级方法，采用如权利要求1-3任意一项所述的基于通信总线的多级节点通信系统，其特征在于，包括如下步骤：

S3、多级节点上线之后，主机请求节点的信息；

节点信息包含设备类型、版本号；

S31、如果无固件更新，则正常分配ID，进入步骤S1或步骤S2；

S32、如果有固件更新，则执行更新相关流程，进入步骤S4；

S4、主机分块将固件和对应Flash地址发送，每发送一块后都等待节点校验并应答；

如果未应答意味着校验失败，则触发重新发送；

如果错误次数过多，则更新失败；

S5、全部固件写入后，主机对节点下发复位命令，并等待节点上线；升级流程结束。

7.如权利要求6所述的基于通信总线的多级节点通信系统的升级方法，其特征在于，所述步骤S3中，主机向节点请求升级，主机对大块数据拆包发送，实现对传感器组的在线升级功能。

8.如权利要求6所述的基于通信总线的多级节点通信系统的升级方法，其特征在于，所述步骤S4中，设置应答ASK的时间，超时未应答，则停止等待继续进入S31进行固件更新；

设置超时的次数，错误次数过多，则停止等待进入S5，更新失败。