可扩展的通信系统及方法与流程

本发明涉及控制系统通信总线领域，更具体地，涉及一种可扩展的通信系统及方法。

背景技术：

随着现代工业的不断发展，工业控制系统已广泛应用在化工、冶金、电力等众多行业，在降低生产能耗和提高生产效益方面发挥着十分重要的作用。通信总线用于控制系统的控制器、通信模块和IO模块之间的高速实时通信，通信总线包括若干个机架总线，机架总线上有一个主设备和若干个从设备，通信总线实现主设备与从设备之间的高速实时通信。随着现代工业向着大规模化的趋势发展，在通信总线上需要连接越来越多的从设备，这就需要通信总线具有灵活、低成本、高效率的可扩展性，在物理上延伸通信总线节点的控制范围，方便组成具有大量总线通信节点的总线网络。

现有的星形扩展方式在主机架上安装主扩展模块，在从机架上安装从扩展模块。主扩展模块上有若干个扩展接口，从扩展模块有一个扩展接口。所有从扩展模块的扩展接口都连接到主扩展模块，以此进行总线的扩展。

但是，这种星形扩展方式需要复杂和高成本的扩展模块，且由于主扩展模块的扩展接口数量有限，能支持的从机架数量也十分有限，不能有效地对通信总线进行扩展。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了可扩展的通信系统及方法，具体技术方案如下：

一种可扩展的通信系统，所述通信系统包括多条机架总线与多个总线交换模块；

所述机架总线包括一个总线转接模块与多个总线设备；

每一个所述总线交换模块包括一个上行交换接口、一个下行交换接口和多个机架交换接口；下级总线交换模块通过所述上行交换接口与相邻的上级总线交换模块的下行交换接口相连；

所述总线转接模块，用于接收对应机架总线上的总线设备发送的差分信号，将所述差分信号转换为单向差分发送信号，并将所述单向差分发送信号发送至对应的总线交换模块的交换接口；

所述总线交换模块，用于通过交换接口接收所述总线转接模块发送的单向差分发送信号，对所述单向差分发送信号进行预设处理，得到单向差分接收信号，并将所述单向差分接收信号通过除所述交换接口之外的其他交换接口，发送至对应的总线转接模块，使所述总线转接模块将所述单向差分接收信号发送至对应的多个总线设备。

优选的，所述总线转接模块包括：双向差分收发器与单向差分收发器；

所述双向差分收发器，用于在接收状态下，接收所述机架总线上的总线设备发送的差分信号，将所述差分信号转换为单端信号，并将所述单端信号发送至所述单向差分收发器；在发送状态下，将所述单向差分收发器发送的单端信号转换为所述差分信号，并将所述差分信号发送至对应的机架总线上的多个总线设备；

所述单向差分收发器包括单向差分发送器和单向差分接收器，所述单向差分发送器用于将所述双向差分收发器发送的单端信号转换为单向差分发送信号，并将所述单向差分发送信号发送至对应的所述总线交换模块的交换接口；所述单向差分接收器用于将所述总线交换模块发送的单向差分接收信号转换为单端信号，并将所述单端信号发送至所述双向差分收发器。

优选的，所述机架总线上有一条数据方向控制线RTS，连接所述机架总线上的总线设备与总线转接模块，并与一个上拉电阻相连，当RTS信号为高电平时，所述总线转接模块的双向差分收发器为发送状态；当RTS信号为低电平时，所述总线转接模块的双向差分收发器为接收状态。

优选的，所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括：单向差分发送器与单向差分接收器。

优选的，所述总线交换模块基于FPGA实现，所述单向差分发送器与所述单向差分接收器通过将所述FPGA的IO口配置成差分端口来实现。

优选的，所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括一个数据整形侦听模块；

所述数据整形侦听模块，用于对所对应的交换接口进行侦听，当所述交换接口的单向差分接收器接收的信号后，对所述信号进行整形，并将整形后的信号与所述对应交换接口的接收状态进行输出。

优选的，所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括一个选通功能模块，每一个选通功能模块对应一个通道；

所述选通功能模块，用于以除自身通道外的其他所有通道的所述整形后的信号和接收状态作为输入信号，并输出所述整形后的信号，使所述整形后的信号经过FPGA的IO口转换成单向差分发送信号进行输出。

一种可扩展的通信方法，所述方法应用于上述可扩展的通信系统，所述方法包括：

接收机架总线上的总线设备发送的差分信号；

将所述差分信号转换为单向差分发送信号发送至对应的总线交换模块的交换接口；

对所述单向差分发送信号进行预设处理，得到单向差分接收信号；

将所述单向差分接收信号通过除所述交换接口之外的其他交换接口，发送至对应的总线转接模块；

将所述单向差分接收信号发送至对应的多个总线设备。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明提供的可扩展的通信系统包括多条机架总线与多个总线交换模块，每个机架总线上都有一个总线转接模块，将来自总线设备的信号转换为单向差分发送信号并发送至总线交换模块，每一个所述总线交换模块包括一个上行交换接口、一个下行交换接口和多个机架交换接口，当其中一个交换接口接收到信号时，将该信号进行预设处理后通过其他交换接口发送到相应的总线转接模块，使该总线转接模块将所述信号发送到相应的多个总线设备，实现了多个机架总线上总线设备与总线设备之间的扩展通信，下级总线交换模块通过上行交换接口与相邻的上级总线交换模块的下行交换接口相连，实现了对通信总线节点的灵活扩展。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种可扩展的通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的机架总线的拓扑结构图；

图3为本发明实施例公开的总线转接模块的工作原理图；

图4为本发明实施例公开的总线交换模块的工作原理图；

图5为本发明实施例公开的总线交换模块的信号接收工作原理图；

图6为本发明实施例公开的总线交换模块的信号发送工作原理图；

图7为本发明实施例公开的可扩展的通信方法流程图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例公开了一种可扩展的通信系统，所述通信系统包括(2m+1)条机架总线与多个总线交换模块，其中m为正整数，所述机架总线与所述总线交换模块相连；

所述每条机架总线包括一个总线转接模块与多个总线设备；

具体的，每个总线设备均有唯一的链路地址。总线设备通过令牌调度的方式实现与其他总线设备之间的通信，同时保证整个总线链路上同一时刻最多只有一个总线设备在发送信号。

每一个所述总线交换模块包括一个上行交换接口、一个下行交换接口和m个机架交换接口；下级总线交换模块通过所述上行交换接口与相邻的上级总线交换模块的下行交换接口相连；

以下以机架总线上的总线设备1,1向其他总线设备发送信号为例，说明可扩展通信系统的工作原理，及各个模块的作用：

所述总线转接模块1，接收机架总线上的总线设备1,1发送的差分信号，将所述差分信号转换为单向差分发送信号，并将所述单向差分发送信号发送至对应的总线交换模块的机架交换接口1；

所述总线交换模块0#，用于通过机架交换接口1接收总线设备1,1对应的总线转接模块1发送的单向差分发送信号，对所述单向差分发送信号进行预设处理，得到单向差分接收信号，并将所述单向差分接收信号通过除机架交换接口1之外的其他交换接口，发送至对应的总线转接模块，使所述总线转接模块将所述单向差分接收信号发送至对应的多个总线设备。

具体的，所述总线转接模块1将总线设备1,1发送的信号转接成单向、一对一的单向差分发送信号发送到所述总线交换模块0#上。

可以理解的是，下级总线交换模块通过所述上行交换接口与相邻的上级总线交换模块的下行交换接口相连，如图1所示，总线交换模块1#通过上行交换接口与总线交换模块0#相连，实现机架总线的扩展。且每一个总线交换模块包括多个机架交换接口，满足了总线通信节点的扩展通信需求，且根据需要可以灵活的增减总线交换模块的数量以控制总线设备的连接数量，使总线通信节点的扩展更加灵活。

本发明实施例公开的可扩展的通信系统，能够实现在总线设备向其他总线设备发送信号时，保证整个总线链路上同一时刻最多只有一个总线设备在发送数据。

需要说明的是，同一机架总线上的总线设备与总线设备之间进行通信不需要经过所述总线转接模块与所述总线交换模块。

请参阅图2，图2为机架总线的拓扑结构图，机架总线为双向差分总线diff+和diff-，Rt为阻抗匹配电阻，总线上的总线设备均有一个双向差分收发器。所有的总线设备和总线转接模块均通过该双向差分收发器进行数据交互。差分总线的两端都增加了阻抗匹配电阻Rt，用于保证差分总线信号传输的稳定性，提高其抗干扰能力。机架总线上有一条数据方向控制线RTS，连接所有的总线设备和总线转接模块。RTS接入一个上拉电阻Rup，总线上总线设备不向总线发送数据时，RTS信号默认为高电平，所述双向差分收发器处于发送状态；当总线上总线设备需要向总线发送数据时，将RTS信号拉低，RTS信号为低电平，所述双向差分收发器为接收状态。

请参阅图3，图3为总线转接模块100的工作原理图。

所述总线转接模100包括：双向差分收发器101与单向差分收发器102；所述双向差分收发器101与所述单向差分收发器102单端信号侧的单端输入信号Din分别和对方的单端输出信号Rout相连，两个单端信号线各接一个上拉电阻Rup，使总线信号有一个默认的电平，双向差分收发器101的差分信号连接到机架的双向差分总线，其信号收发方向由RTS控制。

所述双向差分收发器101，在接收状态下，接收所述机架总线上的总线设备发送的差分信号，将所述差分信号转换为单端信号，并将所述单端信号发送至所述单向差分收发器102；在发送状态下，将所述单向差分收发器102发送的单端信号转换为所述差分信号，并将所述差分信号发送至对应的机架总线上的多个总线设备；

所述单向差分收发器102包括单向差分发送器103和单向差分接收器104，所述单向差分发送器103用于将所述双向差分收发器101发送的单端信号转换为单向差分发送信号Tx+&Tx-，并将所述单向差分发送信号Tx+&Tx-发送至对应的所述总线交换模块的交换接口；所述单向差分接收器104用于将所述总线交换模块发送的单向差分接收信号Rx+&Rx-转换为单端信号，并将所述单端信号发送至所述双向差分收发器101。

请参阅图4，所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括：单向差分发送器与单向差分接收器。

优选的，所述总线交换模块基于FPGA实现，所述单向差分发送器与所述单向差分接收器通过将所述FPGA的IO口配置成差分端口来实现。通过线缆相连的单向差分发送器的单向差分发送信号Tx+&Tx-和单向差分接收器的单向差分接收信号Rx+&Rx-相连，当基于FPGA的所述总线交换模块中的一个交换接口收到通信信号时，对所述通信信号进行预设处理，得到单向差分接收信号，并将所述单向差分接收信号转发到其他交换接口输出。

需要说明的是，所述单向差分发送器与所述单向差分接收器也可以由专用的芯片来实现。

请参阅图5，总线交换模块的FPGA数据接收工作原理框图中，输入的单向差分接收信号Rx+&Rx-通过FPGA的IO口转换成内部单线信号。所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括一个数据整形侦听模块，所述数据整形侦听模块对所对应的交换接口进行侦听，当所述交换接口的单向差分接收器接收的信号后，对所述信号进行整形，并将整形后的信号Rx与所述对应交换接口的接收状态Stau进行输出。

需要说明的是，所述接收状态是该交换接口是否接收到信号的标志，如果接收到信号，则所述接收状态为1，如果没有接收到信号，则所述接收状态为0。

请参阅图6，总线交换模块的FPGA信号发送工作原理框图中，所述总线交换模块的上行交换接口、下行交换接口与每一个机架交换接口都包括一个选通功能模块，每个数据选通功能模块对应一个通道，每个数据选通功能模块都以除本身通道外的其他所有通道的所述整形后的信号Rx和接收状态Stau作为输入信号，当其中一个通道的接收状态为1是，则选通该个通道，并将该通道对应的整形后的信号Rx作为数据选通功能模块的数据输出，数据选通功能模块输出后的信号经过FPGA的IO口又转换成单向差分发送信号Tx+&Tx-进行输出。

基于上述实施例公开的总线转接模块与总线交换模块，请参阅图7，本发明实施例公开了一种应用于所述可扩展的通信系统的可扩展的通信方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤S101：接收机架总线上的总线设备发送的差分信号；

步骤S102：将所述差分信号转换为单向差分发送信号发送至对应的总线交换模块的交换接口；

步骤S103：对所述单向差分发送信号进行预设处理，得到单向差分接收信号；

步骤S104：将所述单向差分接收信号通过除所述交换接口之外的其他交换接口，发送至对应的总线转接模块；

步骤S105：将所述单向差分接收信号发送至对应的多个总线设备。

具体的，总线转接模块接收机架总线上的总线设备发送的差分信号，并将所述差分信号转换为单向差分发送信号发送至对应的总线交换模块的交换接口；总线交换模块对所述单向差分发送信号进行预设处理，得到单向差分接收信号，并将所述单向差分接收信号通过除所述交换接口之外的其他交换接口，发送至对应的总线转接模块；总线转接模块将所述单向差分接收信号发送至对应的多个总线设备。

本发明实施例公开的可扩展的通信方法为总线设备经过总线转接模块与总线交换模块，向多个总线设备发送信号的过程，该通信方法灵活高效，总线设备的数量可以根据实际需要进行扩展，满足了大量通信节点的扩展要求。

需要说明的是，同一机架总线上的总线设备与总线设备之间进行通信不需要经过所述总线转接模块与所述总线交换模块。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。