一种基于大规模结点群的通信组织方法及其中继器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及嵌入式工业控制领域，尤其涉及一种基于大规模结点群的通信组织方 法及其中继器。
【背景技术】
[0002] 在电力电子装置中常需要在恶劣的电气环境中进行远距离通讯，采用RS-485总 线是一种比较广泛的做法。
[0003] RS-485总线接口电路因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通信速率高等优点广 泛应用于工业监测监控等领域。RS-485总线支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用 终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络。有关总线上允许连接的收发器数量，标准 并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载。每单位负载的最大输入电流 是I. 0mA/-0. 8mA，相当于约12ΚΩ。为了扩展总线结点数，器件生产厂商增大收发器输入电 阻。例如：输入电阻增加至48ΚΩ以上（1/4单位负载），结点数就可增加至128个，96ΚΩ 的输入电阻允许结点数可到256个。但要传输更远的距离或更多的通信结点就必须使用中 继器。而一般的中继器，都只是简单地重复上层结点传输字节，不但价格昂贵而且不具备传 输的管理功能，无法应用于大规模嵌入式结点集群。
[0004] 当今世界，工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制。在进入网络时代的今 天，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。Modbus协议就是工业控制器的网络协议中 的一种。
[0005] Modbus协议是Modicon公司于1978年发明的一种用于电子控制器进行控制和通 讯的通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备 之间可以进行通信。它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。Modbus 协议包括：ASCII (美国信息交换码）、RTU(远程终端设备）、PLUS (高速现场总线网）和TCP 等，并没有规定物理层。对于串行链路的Modbus系统，其物理接口可以选用RS232或RS485。 最常用的接口 RS485是两线制接口。其规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校 验等信息，而Modbus的ASCII、RTU协议则在此基础上规定了消息、数据的结构、命令和应答 的方式。其中RTU模式主要通过主从方式工作在串行总线上，在同一个网络中有一个主设 备及最多达247台从设备。
[0006] Modbus协议定义了常用公共功能码，同时为协议扩展预留了地址空间。目前国内 外的技术主要是扩展Modbus地址域，在数据域增加物理地址信息，使Modbus协议由支持 255个从结点增加到65535个。但这些扩展方式都只是简单地增加总地址的长度，不但无法 支持几万个嵌入式结点的集群，更无法支持集群的控制和管理，而且冗长的全局地址也加 重了结点的识别负担。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种基于大规模结点群的通信组织方法及其中继器，本发明建立大 型嵌入式网络结点群的架构方式，并且建成了大规模结点群控制网络，在此基础之上，给出 集群结点通讯及控制的可行方法，实现集群结点的可靠控制，详见下文描述：
[0008] 一种基于大规模结点群的通信组织方法，所述通信组织方法包括以下步骤：
[0009] 构建结点群架构部分，获取满足结点数约束条件的网络拓扑结构；
[0010] 通过地址映射，获取终端结点全局地址与局部地址的映射关系；
[0011] 对帧结构和中继协议进行扩展，实现对大规模结点群的通信组织。
[0012] 所述构建结点群架构部分，获取满足结点数约束条件的网络拓扑结构具体为：
[0013] 结点群中的主控器通过中继器与终端相联，呈现树形拓扑结构；通过两层中继器 的中继，多个局域网络组合成嵌入式结点群；网络中只存在一个主控器，其与第一层的中继 器组成的局域网处在整个嵌入式结点群的最顶端；局域网络中的结点数目小于等于总线接 口数量。
[0014] 所述通过地址映射，获取终端结点全局地址与局部地址的映射关系具体为：
[0015] 结点群为一棵完全m叉树，
[0016] N = (Sl-I) *m2+(S2-l)*m+S3
[0017] 其中，N为全局地址编号，序列号为S1-S2-S3。
[0018] 所述帧结构扩展具体为：
[0019] 通过中继功能码、原有的功能码、数据字段和校验码对帧结构进行扩展。
[0020] 所述中继协议扩展具体为：
[0021] 所述中继协议扩展包括：中继下行规约和中继上行规约，在原有协议的基础上加 入了局部寻址及二次确认策略；
[0022] 所述二次确认策略发生在终端结点执行完协议数据单元中的操作之后，对主控器 的协议数据单元指令的确认；第二次的确认帧通过中继器打包成上行帧，上传至主控器。
[0023] 一种基于大规模结点群的通信中继器，所述中继器包括：主控器、RS485接口，所 述通信中继器还包括：电源隔离电路、信号隔离电路、以及总线偏置电路；
[0024] 所述电源隔离电路和所述信号隔离电路用于分别对所述主控器、RS485接口的电 源和信号进行隔离；所述总线偏置电路用于对所述RS485接口进行短路及旁路保护。
[0025] 所述主控器还包括：静态扩展内存和锁存器。
[0026] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明致力于解决现行RS485组网方式限 制了通讯结点数及网络扩展的问题，基于RS485总线提出了一种基于大规模结点群的通信 组织方法。在嵌入式串行总线的基础上，组建大规模嵌入式结点集群并建立其通讯和控制 方式，最终形成一整套管理系统。
[0027] 1、可扩展嵌入式结点群拓扑结构，摒弃传统的中继方式，引入局域网的概念，支持 网络的伸缩扩展；
[0028] 2、结点集群网络中继协议，具有简单、灵活和可伸缩的特点，适应网络的变化需 求，进一步提高集群网络通讯控制的可靠性；
[0029] 3、以一对多的控制模型为基础，建立中继协议的映射规则以及查询反馈等机制， 实现网络的差错管理及信息的正确传递；
[0030] 4、针对网络特点，构造执行中继协议的中继器硬件，达到信息稳定传输的目的。
【附图说明】
[0031] 图1示出结点群架构图；
[0032] 图2示出第一中继层帧结构；
[0033] 图3示出第二中继层帧结构；
[0034] 图4示出中继二次确认过程；
[0035] 图5示出中继异常反馈过程；
[0036] 图6示出中继器主控电路；
[0037] 图7示出中继器电源隔离电路（上行与下行接口接法类似）；
[0038] 图8示出中继器485芯片信号隔离电路（上行与下行接口接法类似）；
[0039] 图9示出485总线偏置电路（左为下行接口，右为上行接口）。
【具体实施方式】
[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0041] 实施例1
[0042] 针对上述目的、目标，本发明提出的方法大致分为五个部分：即结点群架构、地址 映射、帧结构扩展、中继协议扩展和中继器硬件设计。首先要完成结点群架构部分，找到满 足结点数约束条件的网络拓扑结构。随后通过地址映射，找到终端结点全局地址与局部地 址的映射关系。之后，通过帧结构扩展和中继协议扩展，建立结点群管理和控制的协议支 持，实现基于大规模结点群的通信组织。其主体部分如下：
[0043] 一、结点群架构；
[0044] 网络拓扑结构如图1所示，结点群中唯一的主控器通过中继器与终端相联，呈现 树形拓扑结构。主控器并不直接与终端通信，而是只与同一局域网内中继器交换信息。中 继器起到连接主控器与终端的作用，并按照扩展的中继层规约转发主控器给终端的指令， 同时负责扫描下层结点和上传反馈信息。每31个结点组成一个局域网络，每个中继器与30 个子结点（中继结点或终端结点）相连。通过两层中继器的中继，多个局域网络组合成一 个最多能容纳27000个终端的嵌入式结点群。网络中只存在一个主控器，其与第一层30个 中继器组成的局域网处在整个嵌入式结点群的最顶端。
[0045] 由于RS485总线接口的限制，因此每个局域网络中的结点数目小于等于32,本发 明实施例以31个结点进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
[0046] 二、地址映射；
[0047] 所有终端结点按图1所示从左至右依次排列并编号，便形成终端结点在全局范围 内的地址，图1中以"B+编号"表示，如B30。局部地址是从结点在局域网内的编号，该编号 在不同的局部网络中可重复利用。记录从主控器到终端结点的路径中各结点的局部编号， 便可得到终端结点特有的序列号，如B30的序列号为1-1-30。在嵌入式结点群拓扑结构固 定的情况下，每个终端结点对应唯一的一串序列号，且序列号与全局地址存在 对应关 系。采用图1架构，结点群为一棵完全m叉树，不妨设终端结点的全局地址编号为N，序列号 为S1-S2-S3。在完全m叉树的条件下，不难得到N与S1、S2、S3的关系：
[0048] N = (Sl-I) *m2+(S2-l)*m+S3
[0049] 从理论上可以证明，在已知m的情况下，Sl、S2、S3和N可以相互推导。给出由N 得到Sl、S2、S3的计算过程的伪码表示：
[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、帧结构扩展：
[0056] 通过修改Modbus F1DU (协议数据单元）结构，添加中继层规约，在兼容原有协议的 条件下实现对嵌入式结点集群的支持。上文中已给出了终端结点全局地址N与其序列号 S1-S2-S3的关系。事实上，序列号中已经包含了从主控器到终端的路由信息。按照预设的 集群架构，主控器了解全局的拓扑结构，可预先计算好各终端结点的序列号，在需要与终端 进行通信时，再按预定的规则填入Modbus帧中。在地址域中，分别将S1、S2、S3表示为Addr SUAddr S2、Ad