CN117971749A - 基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统及架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统及架构方法，包括：硬件PCB板层，定义了各种硬件电路逻辑，且对外引出N种插针接口，供各类传感器接入；虚拟总线通过模拟硬件总线的方式定义硬件PCB板层上的插针接口，实现各类传感器的统一接入；传感器层通过编写驱动代码，使接入虚拟总线的各类传感器能够驱动运行；抽象接口层定义有不同的抽象接口，抽象接口配置为实现不同业务逻辑调用不同的传感器；业务层根据产品功能配置不同的业务模块；上位机层，用以数据展示和业务模块的功能展示。本发明实现了巡检机器人标准化和批量化制造，具有扩展硬件模块的能力。

Description

基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统及架构方法

技术领域

本发明涉及巡检机器人模块化设计技术领域，具体涉及基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统及架构方法。

背景技术

现有巡检机器人开发技术中，对于模块化是个硬性条件，模块化有利于巡检机器人生成制造标准化。

目前实现模块化的方案中，主要以硬件模块化为主，比如：硬件电路模块化、硬件组件模块化等等。典型的硬件电路模块化如图1所示，由图中可见，在硬件电路中，由一根总线贯穿所有硬件，所有硬件通过这根总线进行数据传输和交互，从而达到硬件可扩展性。虽然这种方式扩展性极强，但是对于硬件电路板来说，其还有不少问题：

问题1：硬件电路板PCB迭代的版本会无穷无尽，难以维护和管理；

问题2：每次PCB板迭代，相对应的软件版本也需随之发版，软件版本难以维护和管理；

问题3：软件版本的开发需要依赖PCB板的硬件相关功能，软件版本中充斥着大量的功能宏定义，版本越多，宏定义越多越乱；

问题4：PCB板电路逻辑复杂，没有精简，极易出故障，并且出现故障无法快速恢复；

问题5：PCB板版本众多，无法进行批量化、标准化制造生产，阻碍生产效率。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，本发明提供了基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统及架构方法，其具有扩展示强、稳定可靠、模块间各自隔离、基本无第三方库的依赖等等优点，达到了巡检机器人标准化和批量化制造、具有扩展硬件模块的能力。

技术方案：本发明所述基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，包括：

硬件PCB板层，用于定义硬件电路逻辑，以及对外引出N种插针接口，供各类传感器接入；

嵌入式软件下位机层，包括虚拟总线、传感器层、抽象接口层和业务层；所述虚拟总线通过模拟硬件总线的方式定义硬件PCB板层上的插针接口，实现各类传感器的统一接入；所述传感器层通过编写驱动代码，使接入虚拟总线的各类传感器能够驱动运行；所述抽象接口层定义有不同的抽象接口，所述抽象接口配置为实现不同业务逻辑调用不同的传感器；所述业务层用于获取上位机层下发的机型配置，根据机型配置设置业务模块，所述业务模块通过调用所述传感器层实现业务逻辑；

上位机层，根据业务逻辑定制机型配置，将机型配置下发至所述嵌入式软件下位机层，以及数据展示。

进一步完善上述技术方案，所述虚拟总线通过在硬件PCB板上定义了一根虚拟通信通道，该虚拟通信通道支持不同的数据传输协议，不同的数据传输协议在硬件层面与硬件PCB板上不同的插针接口对应，在软件层面与不同的传感器驱动代码相关联，驱动各类传感器工作。

进一步地，所述虚拟通信通道上配置有流量控制策略，通过流量控制策略控制不同传感器经虚拟总线传输数据的速率和流量。

进一步地，所述传感器层根据各类不同的传感器配置有不同的传感器驱动代码；所述抽象接口层包括接口抽象层、接口适配层，所述接口抽象层根据业务种类抽象出不同的业务接口，将属于同一业务种类的不同传感器统一业务接口，所述接口适配层根据接口抽象层调用相应传感器的驱动，实现具体接口的适配。

进一步地，所述传感器需要根据机型进行接线配置，所述接线配置流程如下：

选择巡检机器人的基准机型以获取对应机型的接线配置或从零开始定义新机型的接线配置，以确定机型的接线方式；

嵌入式下位机根据接线配置来初始化程序，并进行程序自检；如果自检正常，但是相关接线配置需要微微调整，则更改相关配置，如果接线不正常导致自检失败，需要检查不正确的接线配置并进行修改；

确定正确的接线配置提供给嵌入式下位机软件运行时使用，嵌入式下位机软件根据接线配置初始化各类传感器，并实时控制这些传感器或实时采集这些传感器的数据。

用于实现上述基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统的架构方法，包括如下步骤：

S1、根据业务种类选择硬件PCB板和各类传感器，定义硬件PCB板的硬件电路逻辑，并引出N种插针接口连接各类传感器，在上位机层根据业务逻辑定制机型配置；

S2、构建传感器驱动层，为不同传感器提供软件驱动；

S3、构建虚拟总线，在虚拟总线上配置不同的数据传输协议，不同的数据传输协议在硬件层面与硬件PCB板上不同的插针接口对应，在软件层面与不同的传感器驱动相关联，驱动各类传感器工作；

S4、构建接口抽象层，根据业务种类抽象出不同的业务接口，使得属于同一业务种类的传感器在接口抽象层中统一；构建接口适配层，根据接口抽象层接口统一性，调用不同的传感器驱动，使得不同传感器的驱动能够适配到接口抽象层对应的业务接口；

S5、构建业务层，根据上位机层下发的机型配置设置业务模块；

S6、在上位机层进行相关的数据展示。

进一步地，所述传感器需要根据机型进行接线配置，所述接线配置流程如下：

选择巡检机器人的基准机型以获取对应机型的接线配置或从零开始定义新机型的接线配置，以确定机型的接线方式；

嵌入式下位机根据接线配置来初始化程序，并进行程序自检；如果自检正常，但是相关接线配置需要微微调整，则更改相关配置，如果接线不正常导致自检失败，需要检查不正确的接线配置并进行修改；

确定正确的接线配置提供给嵌入式下位机软件运行时使用，嵌入式下位机软件根据接线配置初始化各类传感器，并实时控制这些传感器或实时采集这些传感器的数据。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过硬件PCB板层，将各类传感器统一集成在一块板子上，实现了“一板多器”的效果，大大提高了开发效率，不同传感器通过虚拟总线统一接入，使系统具有良好的整体集成性。虚拟总线技术使传感器的接入更加灵活，可以随时适配新的传感器，无需对硬件做大规模修改，业务层通过机型配置定制业务逻辑，实现了系统的灵活性和定制性；虚拟总线技术屏蔽了硬件差异性，使得系统具有通用性，可以适应多种传感器和不同硬件配置的巡检机器人产品线；虚拟通信通道的流量控制策略确保了对数据传输速率和流量的有效控制，使得系统能够实现低延时的效果，满足对实时性的需求。

传感器的模块化抽象接口技术和抽象接口层的设计使得上层业务层能够统一调用不同传感器的功能接口，提高了系统的灵活性和可维护性。通过接线配置流程进行传感器的连接，使系统易于配置，用户可以根据具体需求选择基准机型或定义新机型，并通过简单的流程确定机型的接线配置，确保系统正确运行。

本发明将各种硬件传感器根据业务能力抽象出一套标准的接口，达到巡检机器人生产的平台化、批量化和标准化；每增加一种传感器，只需要插入到所定义业务能力中即可，达到即插即用的效果，提高生产效率；软件开发的流程比较明确，能有效提高软件开发效率。

本发明提供了一种高扩展性、高稳定性、高隔离性和高可移植的巡检机器人模块化控制系统，其具有扩展示强、稳定可靠、模块间各自隔离、基本无第三方库的依赖等等优点，达到了巡检机器人标准化和批量化制造、具有无限扩展硬件模块的能力，实现了软件定义机器人的目的。

附图说明

图1是现有硬件电路模块化典型原理图；

图2是本发明提供的系统总体分层架构图；

图3是本发明中分布式虚拟总线原理示意图；

图4是本发明中传感器模块化抽象接口原理图；

图5是本发明中集成多传感器接线配置流程图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明定义了一种平台化集成多传感器的方式，统一管理各种接入的传感器，并将各种传感器进行业务分类，达到“一板多器”效果，极大地提升了开发效率。

所谓的“一板多器”，其中的“一板”的意思为：只需要一块硬件PCB板即可，在一块板子上定义出若干类型的硬件接口出来对接各种传感器就行，电路板无需复杂的电路逻辑，所有的逻辑交给软件层面来实现；其中“多器”的意思是：这一块板子能接入N多种传感器，所有传感器都通过软件层面定义的统一业务接口进行接入。这样做的好处是：减小硬件层面的故障率和增加硬件层面的扩展性。

如图2所示的架构图，整体分为三层：硬件PCB板层、嵌入式软件下位机层和上位机层。

1、硬件PCB板层：定义了各种硬件电路逻辑，此处电路逻辑尽可能简单，只实现单一功能，比如电源管理功能、开关机管理功能、充电管理功能、交换机网络功能、电机控制功能，这些功能电路功能逻辑简单，不能复杂，并对外引出N种插针接口，供各类传感器接入。

2、嵌入式软件下位机层：嵌入式软件层分为四个层次：虚拟总线、传感器层、抽象接口层和业务层。

2.1、虚拟总线：软件层面定义一根虚拟总线，所有外设传感器都接入此虚拟总线上，达到一种承上启下的作用；

2.2、传感器层：这一层是各类传感器的驱动层，通过编写驱动代码，使接入虚拟总线的各类传感器能正常驱动运行起来；

2.3、抽象接口层：这一层从各种业务的角度定义了不同的抽象接口，供上层业务层进行调用，接口层的实现部分去调用不同传感器的各种驱动接口，从而达到业务接口统一化的目的，这样做的好处是适配新增一款传感器只需要适配该传感器的驱动部分，业务部分无需变动，达到灵活适配、无限扩展的目的；

2.4、下位机业务层：这一层就是各种业务模块逻辑，包括：运动控制模块、充电管理模块、地图管理模块、环境采集模块、机型配置模块、升级模块等等，根据不同的产品线所包含的业务模块是不尽相同的，不同产品线所需的业务模块通过上位机层的机型配置下发过来进行配置。下位机业务层和上位机层进行通信，作为底层支撑来满足上位机层的业务相关展示。

3、上位机层：上位机层就是各种数据展示、各种定制化的业务逻辑模块等等，通过定制化的开发达到不同的展现形式。

二、分布式架构的虚拟总线技术

嵌入式软件层通过模拟硬件总线的方式，定义一根虚拟总线出来，所有外设接入此虚拟总线，通过虚拟总线上的各种传感器协议进行对接，软件编写相关协议的驱动代码，从而驱动各种传感器进行工作。

通过虚拟总线，软件层面屏蔽了硬件的差异性，比如电机类传感器是使用CAN物理接口接入板子，这时候就只需要定义PCB板上哪几个插针是CAN1口，该传感器将CAN线接入CAN1口，虚拟总线就从CAN1口所对应的插针进行供电和数据传输。

如图3所示，虚拟总线上传输的数据协议可以五花八门，并能通过数据流量控制从而达到低延时的效果。大多数的传感器是通过Modbus协议进行数据传输的，此类传感器一般用作数据采集使用；而一般电机传感器使用的是CAN协议，此类传感器需要有低延时的要求。这时候，虚拟总线可以降低Modbus协议的传输速率，控制此类数据的流量，使传输通道尽可能清空出来留给CAN协议数据的传输，这样就能达到低延时的效果，并且流量控制的策略可配置，从而达到灵活配置的效果。

三、传感器模块化抽象接口技术

各类传感器接入后，对于上层业务层来说，如何真正使用该传感器是个问题，从图4可以看出，最底层的传感器驱动层，就是各类不同传感器的具体驱动实现，每种传感器所适配的驱动都是各不相同的，比如电机类传感器需要适配不同电机厂商的驱动、电池类传感器需要适配不同电池BMS厂商的驱动。

为了使最上层业务层能统一不同种类业务调用的方便性和抽象性，各类传感器会抽象出不同的业务接口，比如电机类传感器抽象出“电机相关业务接口（前进、后退、GOTO位置点、使能、去使能等等）”；电池类传感器抽象出“电池BMS相关业务接口（获取当前电量值、电流值、电压值等等）”。

抽象接口分为接口抽象层和接口适配层。

1、接口抽象层：根据不同业务种类抽象出不同的业务接口，比如电机类接口有：前进、后退、获取当前位置、配置电机参数等等接口；比如环境采集类接口有：获取不同气体值、配置环境采集的阈值等等接口；

2、接口适配层：接口抽象层接口统一了，但是具体接口的实现部分需要区分不同的传感器，比如电机类接口，在实现电机类接口的时候，需要根据相关接线配置来调用不同电机的驱动接口，比如电机接的是零差品牌的电机，接口适配层需要调用零差品牌的私有协议驱动接口；如果电机接的是研控品牌的电机，接口适配层需要调用研控品牌的相关协议驱动接口。

四、集成多传感器接线配置流程

通过这种平台化方式去生产巡检机器人产品线，对于每款机型的巡检机器人，其接线方式是不同的，比如：机型A接入了电池类传感器、电机类传感器和环境采集类传感器；机型B接入了电池类传感器、电机类传感器，但没有接入环境采集类传感器，而另外接入了避障雷达这种传感器。也就是说每款机型会有一份对应的机型接线配置，通过这个配置，软件程序才能知道如何运行。

如图5所示，对于如何集成多传感器的接线配置流程如下：

第一步：需要选择一个基准机型，此基准机型会带出此款机型的接线配置；当然也可以从零开始进行接线配置从而可以定义一款新机型；

第二步：嵌入式下位机根据接线配置来初始化程序，并进行程序 自检；

第三步：如果自检正常，但是相关接线配置需要微微调整，则更改相关配置；

第四步：如果接线不正常导致自检失败，那么需要重新检查不正确的接线配置进行修改；

第五步：最后就是确定一个机型的接线配置出来，这份接线配置是提供给嵌入式下位机软件运行时刻使用的，嵌入式下位机软件根据这份接线配置来进行初始化各类传感器、并实时控制这些传感器、或实时采集这些传感器的数据。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，其特征在于，包括：

硬件PCB板层，用于定义硬件电路逻辑，以及对外引出N种插针接口，供各类传感器接入；

嵌入式软件下位机层，包括虚拟总线、传感器层、抽象接口层和业务层；所述虚拟总线通过模拟硬件总线的方式定义硬件PCB板层上的插针接口，实现各类传感器的统一接入；所述传感器层通过编写驱动代码，使接入虚拟总线的各类传感器能够驱动运行；所述抽象接口层定义有不同的抽象接口，所述抽象接口配置为实现不同业务逻辑调用不同的传感器；所述业务层用于获取上位机层下发的机型配置，根据机型配置设置业务模块，所述业务模块通过调用所述传感器层实现业务逻辑；

上位机层，根据业务逻辑定制机型配置，将机型配置下发至所述嵌入式软件下位机层，以及数据展示。

2.根据权利要求1所述的基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，其特征在于：所述虚拟总线通过在硬件PCB板上定义了一根虚拟通信通道，该虚拟通信通道支持不同的数据传输协议，不同的数据传输协议在硬件层面与硬件PCB板上不同的插针接口对应，在软件层面与不同的传感器驱动代码相关联，驱动各类传感器工作。

3.根据权利要求2所述的基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，其特征在于：所述虚拟通信通道上配置有流量控制策略，通过流量控制策略控制不同传感器经虚拟总线传输数据的速率和流量。

4.根据权利要求1所述的基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，其特征在于：所述传感器层根据各类不同的传感器配置有不同的传感器驱动代码；所述抽象接口层包括接口抽象层、接口适配层，所述接口抽象层根据业务种类抽象出不同的业务接口，将属于同一业务种类的不同传感器统一业务接口，所述接口适配层根据接口抽象层调用相应传感器的驱动，实现具体接口的适配。

5.根据权利要求4所述的基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统，其特征在于，所述传感器需要根据机型进行接线配置，所述接线配置流程如下：

选择巡检机器人的基准机型以获取对应机型的接线配置或从零开始定义新机型的接线配置，以确定机型的接线方式；

嵌入式下位机根据接线配置来初始化程序，并进行程序自检；如果自检正常，但是相关接线配置需要微微调整，则更改相关配置，如果接线不正常导致自检失败，需要检查不正确的接线配置并进行修改；

确定正确的接线配置提供给嵌入式下位机软件运行时使用，嵌入式下位机软件根据接线配置初始化各类传感器，并实时控制这些传感器或实时采集这些传感器的数据。

6.用于实现权利要求1所述的基于分布式架构虚拟总线技术的业务控制系统的架构方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据业务种类选择硬件PCB板和各类传感器，定义硬件PCB板的硬件电路逻辑，并引出N种插针接口连接各类传感器，在上位机层根据业务逻辑定制机型配置；

S2、构建传感器驱动层，为不同传感器提供软件驱动；

S3、构建虚拟总线，在虚拟总线上配置不同的数据传输协议，不同的数据传输协议在硬件层面与硬件PCB板上不同的插针接口对应，在软件层面与不同的传感器驱动相关联，驱动各类传感器工作；

S4、构建接口抽象层，根据业务种类抽象出不同的业务接口，使得属于同一业务种类的传感器在接口抽象层中统一；构建接口适配层，根据接口抽象层接口统一性，调用不同的传感器驱动，使得不同传感器的驱动能够适配到接口抽象层对应的业务接口；

S5、构建业务层，根据上位机层下发的机型配置设置业务模块；

S6、在上位机层进行相关的数据展示。

7.根据权利要求6所述的架构方法，其特征在于，所述传感器需要根据机型进行接线配置，所述接线配置流程如下：

选择巡检机器人的基准机型以获取对应机型的接线配置或从零开始定义新机型的接线配置，以确定机型的接线方式；

嵌入式下位机根据接线配置来初始化程序，并进行程序自检；如果自检正常，但是相关接线配置需要微微调整，则更改相关配置，如果接线不正常导致自检失败，需要检查不正确的接线配置并进行修改；

确定正确的接线配置提供给嵌入式下位机软件运行时使用，嵌入式下位机软件根据接线配置初始化各类传感器，并实时控制这些传感器或实时采集这些传感器的数据。