专利名称：一种实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及现场总线领域，尤其涉及现场总线拓扑结构实时重构的通 信单元。
背景技术：
在工业生产和自动化技术中，现场总线通信系统的应用日益广泛，现
场设置的执行用户设备，如数控装置、伺服驱动器、1/0模块、传感器等。
在这种现场总线通信方案中，所有用户设备通过现场总线互联成网络。
通常，经由现场总线进行的数据交换按照主从原则执行。在现场总线 网络中，主导总线上的数据传输的用户设备称为主单元，如数控装置。而 被动执行数据传输的用户设备称为从单元，即它们只被允许应主单元要求
确认收到信号或者转发信号，如数控系统中的伺服驱动器或I/O设备。
通常，为了避免布线复杂化，具有主从结构的现场总线网络采用环形 拓扑结构，所有总线用户都连接到一个环形传输链路，如图1所示。
通常，为了提高总线通信的可靠性，采用冗余通信方式，在图1所示 的环形网络中，数据是双向流动的，即同一个数据报文同时从主单元的两 个端口发出，依次通过各从单元后，又回到主单元的两个端口，其中主单
元的端口 a接收端口 b发出的数据，主单元的端口 b接收端口 a发出的数 据，在通信正常情况下，主单元在两组数据中取一组，另一组作为备用。 若一组数据出现错误，则取另一组备用数据。
在这种环形拓扑结构中，主单元将需要发送给各从单元的数据信息信 号按照一定的规则封装成一个数据包发送给环形传输链路，环形网络中各 从单元在数据包经过时，无需接收全部数据包，而是在报文经过其节点时只下载属于本单元的数据，将需要上传的数据插入至报文的相应位置，并 将数据包转发给与其相连的下一个单元，数据包最后由主单元的另一个端 口接收。
通常，对于如图1所示的环形网络，当通信线路产生故障而使通信中 断时，各单元通过监视两个传输环路上的信号，与故障邻近的单元可通过 内部重构，实现对通信网络的重新配置，从而避免通信系统中较大区域的 故障甚至是整体故障。
如美国专利文献US4，663，748描述了一种处理链路故障的方法，对于 具有主从结构的通信系统中，从单元具有两个处理模块，这两个处理模块 在所有情况下均连接于两条通信链路上，处理通过的数据报文。此外，在 从单元内设置可触发的耦合部件，当链路故障发生时，其通过监视两个传 输环上的信号并相应地转接通信系统，对通信系统进行重新配置。
德国专利文献DE10312卯7A1提出了一种从单元的设置方式在数据 传输方向的每个通信链路上，首先设置一处理单元，然后设置一个具有两 个输入端和一个输出端的多路复用器。该多路复用器在所有情况下都将其 输入端与从单元的两个处理模块连接，并将其输出端与相应的通信链路连 接。正常操作下，两个多路复用器中的每一个均接通设置在相应通信链路 上的处理模块。故障模式下，当相应通信链路上产生链路故障时，则位于 另一通信链路上的处理模块被接通。从单元的这种设计使通信系统在故障 情况下基本上实现了实时的重新配置。
中国专利文献CN101176313.A提出了另一种从单元(用户)的设置方
式主单元通过相向操作的两条通信链路与各从单元(用户)串联成双环 结构，从单元(用户)具有一个处理单元和一个由两个多路复用器构成的 可触发的耦合器件。正常模式下，处理单元接收端口 0的数据分组并从端 口 1发送到相应传输链路，另一传输链路上的数据分组仅简单地流经该从 单元(用户)。故障模式下，当相应端口传输媒体产生中断时，处理单元接 收端口 0 (端口 1)的数据分组并从端口 0 (端口 1)发送到相应传输链路。 故障模式下通信系统的重新配置由从单元(用户)内可触发的耦合器件来实现。
但是，德国专利文献DE10312907A1和中国专利文献CN101176313.A
中的可触发的耦合部件由两个多路复用器构成，两个多路复用器均需要选 通控制信号，结构上不够灵活。中国专利文献CN101176313,A采用一个处 理单元，仅处理一条传输链路上的数据分组，另一传输链路上的数据分组 仅简单地流经该从单元(用户)，只是传输链路的双环结构，而没有实现真 正意义上的数据信息信号的双环结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单 元，该通信单元可在现场总线通信系统中作为从单元，实现数据信息信号 的双环冗余结构。
本发明提供的实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单元，包括第一、 第二数据处理模块和二个端口， 二个端口均设有接收模块和发送模块，其 中任一端口的接收模块均通过第一数据处理模块或第二数据处理模块与另
一端口的发送模块连接，其特征在于在第一、第二数据处理模块之间设 置有双向电子开关。
本发明采用一个双向电子开关即可实现数据流向的灵活切换。具有双 环结构的主从通信系统中采用两个处理模块，分别处理各自通信链路上的 数据信息信号，真正提高了一次通信操作中的数据信息信号冗余度，实现 数据信息信号双环结构。
随着CPLD (复杂可编程逻辑器件)和FPGA (现场可编程门阵列)的 发展，在单芯片上实现这种结构的通信单元实施容易，也不会带来多大的 耗费。
图l为环形拓扑结构示意图2为本发明提供的通信单元的结构示意图3为正常模式的信息链路示意图4为故障模式1的信息链路示意图5为故障模式2的信息链路示意图6为通信系统拓扑结构实时重构示意图。
具体实施例方式
双环形拓扑结构的现场总线，环路中多个通信单元通过两条相向操作 的通信链路相互连接，形成双环结构。
如图2所示，本发明提供的通信单元3包括二个端口 a、 b，第一、第 二数据处理模块4、 5，以及双向电子开关6， 二个端口a、 b均包括接收模 块和发送模块，分别记为第一、第二接收模块RX-a、 RX-b，第一、第二发 送模块TX-a、 TX-b。
第一、第二接收模块RX-a、 RX-b用来接收第一、第二通信链路l、 2 上的信息信号，并将接收到的信息信号传输至第一、第二数据处理模块4、
双向电子开关6连接在第一、第二数据处理模块4、 5之间，实现信息 信号的关断和双向导通。通信链路正常情况下，双向电子开关6处于断开 状态；通信链路故障情况下，双向电子开关6处于闭合状态。如果是端口b 侧链路发生故障，则第一数据处理模块4的输出信息信号通过双向电子开 关6传输至第一发送模块TX-a;如果是端口 a侧链路发生故障，则第二数 据处理模块5的输出信息信号通过双向电子开关6传输至第二发送模块 TX-b。
第一、第二数据处理模块4、 5接收第一、第二接收模块RX-a、 RX-b 传送来的信息信号，对信息信号进行数据处理操作，包括数据上传、数据 下载、数据转发以及应答等，并将处理后的信息信号传输至与其导通的第 二、第一发送模块TX-b、 TX-a。第一、第二发送模块TX-a、 TX-b用来将第二、第一数据处理模块5、 4完成相应理操作后的信息信号发送至第二、第一通信链路2、 1。
正常模式下，如图3所示，该双向电子开关6处于断开状态，第一通 信链路1上的信息信号从端口 a的第一接收模块RX-a传输至第一数据处理 模块4，经过相应的数据处理操作后，再通过端口b的第二发送模块TX-b 发送至第一通信链路1的后向通道;第二通信链路2上的信息信号从端口 b 的第二接收模块RX-b传输至第二数据处理模块5，经过相应的数据处理操 作后，再通过端口 a的第一发送模块TX-a发送至第二通信链路2的后向通 道。
故障模式下，该双向电子开关6处于闭合状态。如图4所示，如果是 端口 b侧的链路发生故障，则第一通信链路1上的信息信号从端口 a的第 一接收模块RX-a传输至第一数据处理模块4，经过相应的数据处理操作后 经由双向电子开关6通过端口 a的第一发送模块TX-a发送至返回链路(此 时正常模式下的第二通信链路2端口 a侧为返回链路)；
如图5所示，如果是端口 a侧的链路发生故障，则第二通信链路2上 的信息信号从端口 b的第二接收模块RX-b传输至第二数据处理模块5，经 过相应的数据处理操作后经由双向电子开关6通过端口 b的第二发送模块 TX-b发送至返回链路(此时正常模式下的第一通信链路1端口 b侧为返回 链路)。
通过上述具有双环拓扑结构的容错通信系统中的通信单元设计，当通 信单元某一侧传输媒体发生中断时，通信单元可以实时重新配置，保证通 信系统在链路故障情况下的无故障操作。
在现场总线通信系统中采用本发明提供的通信单元作为从单元，主单 元可采用现有结构，主单元通过两条相向操作的通信链路与首尾从单元相 互连接，形成双环结构。主单元具有一个发送控制模块和一个接收控制模 块，发送控制模块与两个发送模块相连，接收控制模块与两个接收模块相 连。主单元的接收模块和发送模块分别与首尾从单元的发送模块和接收模 块相连，构成具有相向操作的双环拓扑结构。主单元发送控制模块将带有有效数据的数据分组通过其发送模块送入两条相向操作的通信链路，各从 单元对数据分组进行相应处理后，返回至主单元接收模块，由接收控制单 元模块对返回数据分组进行相应处理。
在这种拓扑结构的现场总线通信系统中，主单元与从单元之间、从单 元与从单元之间通过两条相向操作的通信链路相互连接。主单元主导通信
链路上的通信操作，通过发送拓扑结构识别帧和从单元地址编码帧，流经 两条通信链路和各从单元后返回主单元的状态，确定通信系统的拓扑结构、 从单元数目，并对从单元完成编址操作。
如图6所示，当从单元I与从单元II之间的传输链路发生故障时，从 单元I与从单元II内部实时重新配置，实现了通信系统拓扑结构的实时重 构，由环形拓扑结构重构为双线形拓扑结构。根据传输链路发生故障的位 置不同(如从单元I与主单元之间)，环形拓扑结构也可重构为单线形拓扑 结构。
随着CPLD (复杂可编程逻辑器件)和FPGA (现场可编程门阵列)的 发展，单一芯片的规模越来越大，CPLD/FPGA开发工具智能化、功能强大， 本发明提供的通信系统的从单元可在一片CPLD/FPGA上实现。
本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据实施 例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此， 凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都 落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单元，包括第一、第二数据处理模块(4、5)和二个端口(a、b)，二个端口(a、b)均设有接收模块和发送模块，其中任一端口的接收模块均通过第一数据处理模块或第二数据处理模块与另一端口的发送模块连接，其特征在于在第一、第二数据处理模块之间设置有双向电子开关(6)。
全文摘要
本发明公开了一种实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单元，包括第一、第二数据处理模块和二个端口，二个端口均设有接收模块和发送模块，其中任一端口的接收模块均通过第一数据处理模块或第二数据处理模块与另一端口的发送模块连接，在第一、第二数据处理模块之间设置有双向电子开关。本发明采用一个双向电子开关即可实现数据流向的灵活切换。具有双环结构的主从通信系统中采用两个处理模块，分别处理各自通信链路上的数据信息信号，真正提高了一次通信操作中的数据信息信号冗余度，实现数据信息信号双环结构。
文档编号H04L12/437GK101631059SQ20091006165
公开日2010年1月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者周会成, 周向东, 唐小琦, 唐玉枝, 宝 宋, 欢 胡, 金宏星, 陈吉红, 陈天航 申请人:华中科技大学;武汉华中数控股份有限公司