一種基于大規模結點群的通信組織方法及其中繼器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及嵌入式工業控制領域，尤其涉及一種基于大規模結點群的通信組織方 法及其中繼器。
【背景技術】
[0002] 在電力電子裝置中常需要在惡劣的電氣環境中進行遠距離通訊，采用RS-485總 線是一種比較廣泛的做法。
[0003] RS-485總線接口電路因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉、通信速率高等優點廣 泛應用于工業監測監控等領域。RS-485總線支持半雙工或全雙工模式，網絡拓撲一般采用 終端匹配的總線型結構，不支持環型或星型網絡。有關總線上允許連接的收發器數量，標準 并沒有做出規定，但規定了最大總線負載為32個單位負載。每單位負載的最大輸入電流 是I. 0mA/-0. 8mA，相當于約12ΚΩ。為了擴展總線結點數，器件生產廠商增大收發器輸入電 阻。例如：輸入電阻增加至48ΚΩ以上（1/4單位負載），結點數就可增加至128個，96ΚΩ 的輸入電阻允許結點數可到256個。但要傳輸更遠的距離或更多的通信結點就必須使用中 繼器。而一般的中繼器，都只是簡單地重復上層結點傳輸字節，不但價格昂貴而且不具備傳 輸的管理功能，無法應用于大規模嵌入式結點集群。
[0004] 當今世界，工業控制已從單機控制走向集中監控、集散控制。在進入網絡時代的今 天，工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。Modbus協議就是工業控制器的網絡協議中 的一種。
[0005] Modbus協議是Modicon公司于1978年發明的一種用于電子控制器進行控制和通 訊的通訊協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備 之間可以進行通信。它的開放性、可擴充性和標準化使它成為一個通用工業標準。Modbus 協議包括：ASCII (美國信息交換碼）、RTU(遠程終端設備）、PLUS (高速現場總線網）和TCP 等，并沒有規定物理層。對于串行鏈路的Modbus系統，其物理接口可以選用RS232或RS485。 最常用的接口 RS485是兩線制接口。其規定了連接器針腳、接線、信號電平、波特率、奇偶校 驗等信息，而Modbus的ASCII、RTU協議則在此基礎上規定了消息、數據的結構、命令和應答 的方式。其中RTU模式主要通過主從方式工作在串行總線上，在同一個網絡中有一個主設 備及最多達247臺從設備。
[0006] Modbus協議定義了常用公共功能碼，同時為協議擴展預留了地址空間。目前國內 外的技術主要是擴展Modbus地址域，在數據域增加物理地址信息，使Modbus協議由支持 255個從結點增加到65535個。但這些擴展方式都只是簡單地增加總地址的長度，不但無法 支持幾萬個嵌入式結點的集群，更無法支持集群的控制和管理，而且冗長的全局地址也加 重了結點的識別負擔。
【發明內容】
[0007] 本發明提供了一種基于大規模結點群的通信組織方法及其中繼器，本發明建立大 型嵌入式網絡結點群的架構方式，并且建成了大規模結點群控制網絡，在此基礎之上，給出 集群結點通訊及控制的可行方法，實現集群結點的可靠控制，詳見下文描述：
[0008] 一種基于大規模結點群的通信組織方法，所述通信組織方法包括以下步驟：
[0009] 構建結點群架構部分，獲取滿足結點數約束條件的網絡拓撲結構；
[0010] 通過地址映射，獲取終端結點全局地址與局部地址的映射關系；
[0011] 對幀結構和中繼協議進行擴展，實現對大規模結點群的通信組織。
[0012] 所述構建結點群架構部分，獲取滿足結點數約束條件的網絡拓撲結構具體為：
[0013] 結點群中的主控器通過中繼器與終端相聯，呈現樹形拓撲結構；通過兩層中繼器 的中繼，多個局域網絡組合成嵌入式結點群；網絡中只存在一個主控器，其與第一層的中繼 器組成的局域網處在整個嵌入式結點群的最頂端；局域網絡中的結點數目小于等于總線接 口數量。
[0014] 所述通過地址映射，獲取終端結點全局地址與局部地址的映射關系具體為：
[0015] 結點群為一棵完全m叉樹，
[0016] N = (Sl-I) *m2+(S2-l)*m+S3
[0017] 其中，N為全局地址編號，序列號為S1-S2-S3。
[0018] 所述幀結構擴展具體為：
[0019] 通過中繼功能碼、原有的功能碼、數據字段和校驗碼對幀結構進行擴展。
[0020] 所述中繼協議擴展具體為：
[0021] 所述中繼協議擴展包括：中繼下行規約和中繼上行規約，在原有協議的基礎上加 入了局部尋址及二次確認策略；
[0022] 所述二次確認策略發生在終端結點執行完協議數據單元中的操作之后，對主控器 的協議數據單元指令的確認；第二次的確認幀通過中繼器打包成上行幀，上傳至主控器。
[0023] 一種基于大規模結點群的通信中繼器，所述中繼器包括：主控器、RS485接口，所 述通信中繼器還包括：電源隔離電路、信號隔離電路、以及總線偏置電路；
[0024] 所述電源隔離電路和所述信號隔離電路用于分別對所述主控器、RS485接口的電 源和信號進行隔離；所述總線偏置電路用于對所述RS485接口進行短路及旁路保護。
[0025] 所述主控器還包括：靜態擴展內存和鎖存器。
[0026] 本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明致力于解決現行RS485組網方式限 制了通訊結點數及網絡擴展的問題，基于RS485總線提出了一種基于大規模結點群的通信 組織方法。在嵌入式串行總線的基礎上，組建大規模嵌入式結點集群并建立其通訊和控制 方式，最終形成一整套管理系統。
[0027] 1、可擴展嵌入式結點群拓撲結構，摒棄傳統的中繼方式，引入局域網的概念，支持 網絡的伸縮擴展；
[0028] 2、結點集群網絡中繼協議，具有簡單、靈活和可伸縮的特點，適應網絡的變化需 求，進一步提高集群網絡通訊控制的可靠性；
[0029] 3、以一對多的控制模型為基礎，建立中繼協議的映射規則以及查詢反饋等機制， 實現網絡的差錯管理及信息的正確傳遞；
[0030] 4、針對網絡特點，構造執行中繼協議的中繼器硬件，達到信息穩定傳輸的目的。
【附圖說明】
[0031] 圖1示出結點群架構圖；
[0032] 圖2示出第一中繼層幀結構；
[0033] 圖3示出第二中繼層幀結構；
[0034] 圖4示出中繼二次確認過程；
[0035] 圖5示出中繼異常反饋過程；
[0036] 圖6示出中繼器主控電路；
[0037] 圖7示出中繼器電源隔離電路（上行與下行接口接法類似）；
[0038] 圖8示出中繼器485芯片信號隔離電路（上行與下行接口接法類似）；
[0039] 圖9示出485總線偏置電路（左為下行接口，右為上行接口）。
【具體實施方式】
[0040] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0041] 實施例1
[0042] 針對上述目的、目標，本發明提出的方法大致分為五個部分：即結點群架構、地址 映射、幀結構擴展、中繼協議擴展和中繼器硬件設計。首先要完成結點群架構部分，找到滿 足結點數約束條件的網絡拓撲結構。隨后通過地址映射，找到終端結點全局地址與局部地 址的映射關系。之后，通過幀結構擴展和中繼協議擴展，建立結點群管理和控制的協議支 持，實現基于大規模結點群的通信組織。其主體部分如下：
[0043] 一、結點群架構；
[0044] 網絡拓撲結構如圖1所示，結點群中唯一的主控器通過中繼器與終端相聯，呈現 樹形拓撲結構。主控器并不直接與終端通信，而是只與同一局域網內中繼器交換信息。中 繼器起到連接主控器與終端的作用，并按照擴展的中繼層規約轉發主控器給終端的指令， 同時負責掃描下層結點和上傳反饋信息。每31個結點組成一個局域網絡，每個中繼器與30 個子結點（中繼結點或終端結點）相連。通過兩層中繼器的中繼，多個局域網絡組合成一 個最多能容納27000個終端的嵌入式結點群。網絡中只存在一個主控器，其與第一層30個 中繼器組成的局域網處在整個嵌入式結點群的最頂端。
[0045] 由于RS485總線接口的限制，因此每個局域網絡中的結點數目小于等于32,本發 明實施例以31個結點進行說明，具體實現時，本發明實施例對此不做限制。
[0046] 二、地址映射；
[0047] 所有終端結點按圖1所示從左至右依次排列并編號，便形成終端結點在全局范圍 內的地址，圖1中以"B+編號"表示，如B30。局部地址是從結點在局域網內的編號，該編號 在不同的局部網絡中可重復利用。記錄從主控器到終端結點的路徑中各結點的局部編號， 便可得到終端結點特有的序列號，如B30的序列號為1-1-30。在嵌入式結點群拓撲結構固 定的情況下，每個終端結點對應唯一的一串序列號，且序列號與全局地址存在 對應關 系。采用圖1架構，結點群為一棵完全m叉樹，不妨設終端結點的全局地址編號為N，序列號 為S1-S2-S3。在完全m叉樹的條件下，不難得到N與S1、S2、S3的關系：
[0048] N = (Sl-I) *m2+(S2-l)*m+S3
[0049] 從理論上可以證明，在已知m的情況下，Sl、S2、S3和N可以相互推導。給出由N 得到Sl、S2、S3的計算過程的偽碼表示：
[0050] N% m2== 0 ? SI = (int) (N/m2) :S1 = (int) (N/m2+l)；
[0051] H = N-(Sl-I) *m2;
[0052] if (F = (H% m))S3 = F ；
[0053] else S3 = m ；
[0054] S2 = (H-S3)/m+l
[0055] 三、幀結構擴展：
[0056] 通過修改Modbus F1DU (協議數據單元）結構，添加中繼層規約，在兼容原有協議的 條件下實現對嵌入式結點集群的支持。上文中已給出了終端結點全局地址N與其序列號 S1-S2-S3的關系。事實上，序列號中已經包含了從主控器到終端的路由信息。按照預設的 集群架構，主控器了解全局的拓撲結構，可預先計算好各終端結點的序列號，在需要與終端 進行通信時，再按預定的規則填入Modbus幀中。在地址域中，分別將S1、S2、S3表示為Addr SUAddr S2、Ad