用于水下仿真系统的多功能通信装置及其数据转发方法与流程

本发明涉及一种多功能通信装置，尤其是用于控制水下仿真系统中各模型之间进行通信的多功通信模块。还涉及一种该通信装置的数据转发方法。

背景技术：

全球对于能源的需求持续增加，世界范围内对于深海油气的开发活动越来越活跃。深海油气的开发过程包括兴建大量水面油气生产平台、开发水下生产系统以及水下生产控制系统。在开发水下生产控制系统的过程中需要建立相应的仿真系统，仿真系统中不同的仿真模型之间的通讯协议不同，因此阻碍了各仿真模型之间的通信。对于水下生产控制仿真系统而言，利用各种合适的仿真软件对水下生产控制系统各部分进行仿真模型建立并实现各部分之间的相互通讯对模拟整个控制系统功能、研究其不同工艺下的性能具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种用于水下控制仿真系统通信的多功能接口模块，能够实现水下控制仿真系统中具有不同通信协议的仿真模型之间的通信。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术手段：一种用于水下仿真系统的多功能通信装置，包括中央控制器、通信协议转换子模块以及针对不同类型通信协议对应设置的通信接口；

所述通信接口包括以下类型的接口：分别用于模拟信号输入、输出的AI接口、AO接口，分别用于数字信号输入、输出的DI接口、DO接口，TCP/TP接口、CANopen接口、RS422接口以及RS485接口；

所述通信接口用于接收包含有转发请求的初始数据信息；每一通信接口都对应连接有接口数据收发模块，所述接口数据收发模块用于将包含有转发请求的初始数据转发给中央控制器；

所述中央控制器内设有数据解析模块与中断模块，所述数据解析模块用于从包含有转发请求的初始数据信息中解析出待转发的数据信息，并对比得出发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系；所述中断模块用于对比待转发数据的优先级，并根据优先级高低顺序将数据信息、协议转换关系打包发送给所述通信协议转换子模块；

所述通信协议转换模块用于根据发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系，将待转发的数据信息从发送方通信协议转换为接收方通信协议并将转换成接收方通信协议后的终态数据信息依次通过中央控制器、与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块以及通信接口进行转发。

优选的，所述通信协议转换子模块内包含若干个协议转换子模块，每一协议转换子模用于针对一种发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系进行通信协议的转换；每个协议转换子模块都设有对应的地址编码，每个协议转换子模内均设有用于对解析后的数据信息分别执行语法转换、语义转换以及时序转换的语法转换单元、语义转换单元以及时序转换单元。

进一步的，所述通信协议转换子模块包括分别对应以下协议转换关系的协议转换子模块：TCP/IP—CANopen、TCP/IP—RS422、TCP/IP—RS485、TCP/IP—AO、TCP/IP—DO，CANopen—RS422、CANopen—RS485、CANopen—AO、CANopen—DO，RS422—RS485、RS422—AO、RS422—DO，RS485—AO、RS485—DO，AI—TCP/IP、AI—CANopen、AI—RS422、AI—RS485、AI—DO，DI—TCP/IP、DI—CANopen、DI—RS422、DI—RS485、DI—AO。

优选的，所述中断模块包括中断允许寄存单元与中断优先级寄存单元；所述中断允许寄存单元用于开放或关闭对中断请求的允许，并暂存被允许的包含有中断请求的数据信息；所述中断优先级寄存单元用于读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来。

进一步的，所述中央控制器内还设有中断反馈模块、读写控制模块以及数据压缩模块，所述读写控制模块用于根据优先级的顺序将包含有中断请求的初始数据信息发送给中央控制器内的数据解析模块，或者将包含有中断请求的终态数据信息发送给数据压缩模块，并向所述中断反馈模块发送表示读写完成的完成指令；所述中断反馈模块用于将完成指令反馈给中断优先级寄存单元。

优选的，具有若干数据解析模块和若干数据压缩模块。

本发明的另一目的在于提供一种用于水下仿真系统的多功能通信装置的数据转发方法，具体包括如下步骤：

步骤1：对应于发送方通信协议的通信接口接收包含有转发请求的初始数据信息并发送给与之对应的接口数据收发模块，接口数据收发模块将包含有转发请求的初始数据信息发送给中央控制器内的中断模块；

步骤2：中断模块对比优先级，发送给中央控制器内的数据解析模块进行数据解析，并从中解析出待转发的数据信息以及发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系型，再发送给通讯协议转换模块；

步骤3：通信协议转换子模块根据优先级以及发送方与接收方的通讯协议类型之间对应的协议转换关系，将待转发的数据信息从发送方通信协议转换为接收方通信协议并将转换成接收方通信协议后的终态数据信息发送给中央控制器；

步骤4：中央控制器将终态数据信息发送给与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块，再由接口数据收发模块发送给对应的通信接口进行转发。

优选的，所述通信协议转换子模块内包含若干个协议转换子模块，每一协议转换子模用于针对一种发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系进行通信协议的转换；每个协议转换子模块都设有对应的地址编码，每个协议转换子模内均设有用于对解析后的数据信息分别执行语法转换、语义转换以及时序转换的语法转换单元、语义转换单元以及时序转换单元；

步骤2中：中央控制器解析出待转发的数据信息以及发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系后，根据发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系，为待转发的数据信息生成与之一一对应的寻址编码；所述寻址编码用于匹配代表相同协议转换关系的地址编码；

步骤3中：通信协议转换子模块根据寻址编码来匹配地址编码，从而为解析后的数据信息匹配协议转换子模块；协议转换子模块内的语法转换单元、语义转换单元以及时序转换单元分别对解析后的数据信息进行语法转换、语义转换以及时序转换；

优选的，所述中断模块包括中断允许寄存单元与中断优先级寄存单元；所述中断允许寄存单元用于开启或关闭对中断请求的允许，并暂存被允许的包含有中断请求的数据信息；所述中断优先级寄存单元用于读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来；

所述中央控制器内还设有中断反馈模块、读写控制模块以及数据压缩模块，所述读写控制模块用于根据优先级的顺序将包含有中断请求的初始数据信息发送给控制器内的数据解析模块，或者将包含有中断请求的终态数据信息发送给数据压缩模块；所述读写控制模块用于向中断反馈模块发送表示读写完成的完成指令；所述中断反馈模块用于将完成指令反馈给中断优先级寄存单元；

步骤1中：先由中断允许寄存单元开启对中断请求的允许，然后接收接口数据收发模块发送的包含有中断请求的初始数据信息，并暂存被允许的包含有中断请求的初始数据信息；再由中断优先级寄存单元读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的初始数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来，然后根据优先级高低顺序顺次转发给读写控制模块，再由读写控制模块转发给中央控制器内的数据解析模块；读写控制模块每完成一次转发就通过中断反馈模块向中断优先级寄存单元发送一条完成指令，中断优先级寄存单元接收到完成指令后就将已完成转发的初始数据信息删除，使下一待转发的初始数据信息变成最高优先级；；

步骤3中：中断允许寄存单元接收并暂存通信协议转换子模块发送的包含有中断请求的终态数据信息；之后，再由中断优先级寄存单元读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的初始数据信息以及终态数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来，然后根据优先级高低顺序顺次转发给读写控制模块，再由读写控制模块转发给中央控制器内的数据压缩模块或者数据解析模块；读写控制模块每完成一次转发就通过中断反馈模块向中断优先级寄存单元发送一条完成指令，中断优先级寄存单元接收到完成指令后就将已完成转发的初始数据信息或终态数据信息删除，使下一待转发的初始数据信息或终态数据信息变成最高优先级；

步骤4中：数据压缩模块将终态数据信息压缩成数据包后发送给与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块，再由接口数据收发模块发送给对应的通信接口进行转发。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的用于水下仿真系统的多功能通信装置能够接收与发送不同类型的通信协议，并且能将发送方通讯协议转换成接收方通信协议，从而实现具有不同通信协议的仿真模型之间的通信。

2、本发明中的通信协议转换子模块内针对每种发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系均设有对应的协议转换子模块，这样能提高转换通信协议的效率与准确性。

3、本发明中的中断模块使得数据的接收与发送均按优先级顺序进行，这样能有效避免信息冲突以及因信息冲突导致的数据损坏。

附图说明

图1为本具体实施方式1的用于水下仿真系统的多功能通信装置的结构示意图；

图2为本具体实施方式1的数据转发流程图；

图3为具体实施方式1中的通信协议转换子模块的结构示意图；

图4为具体实施方式2的中央控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

具体实施方式1

如图1所示，一种用于水下仿真系统的多功能通信装置，其特征在于：包括中央控制器、通信协议转换子模块以及针对不同类型通信协议对应设置的通信接口；

所述通信接口包括以下类型的接口：分别用于模拟信号输入、输出的AI接口、AO接口，分别用于数字信号输入、输出的DI接口、DO接口，TCP/TP接口、CANopen接口、RS422接口以及RS485接口；

所述通信接口用于接收包含有转发请求的初始数据信息；每一通信接口都对应连接有接口数据收发模块，所述接口数据收发模块用于将包含有转发请求的初始数据转发给中央控制器；

所述中央控制器内设有数据解析模块与中断模块，所述数据解析模块用于从包含有转发请求的初始数据信息中解析出待转发的数据信息，并对比得出发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系；所述中断模块用于对比待转发数据的优先级，并根据优先级高低顺序将数据信息、协议转换关系打包发送给所述通信协议转换子模块；

所述通信协议转换模块用于根据发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系，将待转发的数据信息从发送方通信协议转换为接收方通信协议并将转换成接收方通信协议后的终态数据信息依次通过中央控制器、与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块以及通信接口进行转发。

上述用于水下仿真系统的多功能通信装置中，所述通信协议转换子模块内包含若干个协议转换子模块，每一协议转换子模块用于针对一种发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系进行通信协议的转换；每个协议转换子模块都设有对应的地址编码，每个协议转换子模块内均设有用于对解析后的数据信息分别执行语法转换、语义转换以及时序转换的语法转换单元、语义转换单元以及时序转换单元。

如图3所示，通信协议转换子模块包括分别对应以下协议转换关系的协议转换子模块：TCP/IP—CANopen、TCP/IP—RS422、TCP/IP—RS485、TCP/IP—AO、TCP/IP—DO，CANopen—RS422、CANopen—RS485、CANopen—AO、CANopen—DO，RS422—RS485、RS422—AO、RS422—DO，RS485—AO、RS485—DO，AI—TCP/IP、AI—CANopen、AI—RS422、AI—RS485、AI—DO，DI—TCP/IP、DI—CANopen、DI—RS422、DI—RS485、DI—AO。这些协议转换子模块能够对协议转换关系中的两种通信协议进行双向转换，如对应于RS422—CANopen的转换关系，即可将作为发送者通信协议的RS422转换成作为接收者通信协议的CANopen，也可将作为发送者通信协议的CANopen转换成作为接收者通信协议的RS422。上述协议转换子模块对应的地址编码为P1、P2……P24。

本具体实施方式中的用于水下仿真系统的多功能通信装置的数据转发方法按照如下步骤进行，如图2所示：

步骤1：对应于发送方通信协议的通信接口接收包含有转发请求的初始数据信息并发送给与之对应的接口数据收发模块，接口数据收发模块将包含有转发请求的初始数据信息发送给中央控制器内的中断模块；

步骤2：中断模块对比优先级，发送给中央控制器内的数据解析模块进行数据解析，并从中解析出待转发的数据信息以及发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系型，再发送给通讯协议转换模块。具体的：中央控制器解析出待转发的数据信息以及发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系后，根据发送方与接收方的通讯协议类型之间的协议转换关系，为待转发的数据信息生成与之一一对应的寻址编码；所述寻址编码用于匹配代表相同协议转换关系的地址编码。

步骤3：通信协议转换子模块根据发送方与接收方的通讯协议类型之间对应的协议转换关系，将待转发的数据信息从发送方通信协议转换为接收方通信协议并将转换成接收方通信协议后的终态数据信息发送给中央控制器。其中，协议转换子模块根据寻址编码来匹配地址编码，从而为解析后的数据信息匹配协议转换子模块；协议转换子模块内的语法转换单元、语义转换单元以及时序转换单元分别对解析后的数据信息进行语法转换、语义转换以及时序转换。

步骤4：中央控制器将终态数据信息发送给与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块，再由接口数据收发模块发送给对应的通信接口进行转发。

本发明的多功能通信装置：可实现点对点（一个发送方对一个接收方）、点对多的（一个发送方对多个接收方）、多对多（多个发送方对多个接收方）以及多对点（多个发送方对一个接收方）的数据转发。

针对点对点，例如，发送方是CANopen通信协议，接收方为RS422通信协议，数据解析模块解析出包含CANopen—RS422协议转换关系的待转发数据发送给通信协议转换模块，通信协议转换模块将该待转发的数据信息分配到与CANopen—RS422协议转换关系对应的协议转换子模块内进行通信协议转换。

针对点对多，例如，发送方同样是CANopen通信协议，接收方分别为RS422通信协议以及RS485通信协议, 数据解析模块解析出保护两种协议转换关系的待转发数据：CANopen—RS422与CANopen—RS485，通信协议转换模块将该待转发的数据信息分别分配到与CANopen—RS422、CANopen—RS485协议转换关系分别对应的两个协议转换子模块内进行通信协议转换。

针对多对多，例如发送方有两个，分别是CANopen通信协议、模拟信号输入协议，与之对应的通信接口为CANopen接口、AI接口；接收方分别是TCP/IP通信协议、数字信号输出协议，与之对应的通信接口为TCP/IP接口、DO接口。中央控制器内的中断模块判断两个发送方的初始数据信息的优先级后，按照优先级高低依次发给数据解析模块进行处理，假设CANopen通信协议的优选级高于模拟信号输入协议，解析出的协议转换关系为、AI—TCP/IP、AI—DO，那么数据解析模块先解析出与CANopen通信协议有关的通信协议转换关系，如CANopen—TCP/IP、CANopen—DO，然后发送给通讯协议转换模块，通信协议转换模块将其分配到对应的TCP/IP—CANopen、CANopen—DO协议转换子模块内进行处理。数据解析模块解析完与CANopen通信协议有关的协议转换关系后，再解析出与模拟信号输入协议有关的协议转换关系，如AI—TCP/IP、AI—DO，然后发送给通讯协议转换模块，通信协议转换模块将其分配到对应的AI—TCP/IP、AI—DO协议转换子模块内进行处理。

通信协议转换模块每完成一次协议转换就发送回控制器，再由控制器分配到与接收方通信协议对应的接口数据收发模块以及通信接口进行转发。

针对多对点，例如根据优先级从高到低的顺序发送方分别是TCP/IP通信协议、CANopen通信协议以及RS422通信协议，接收方为RS485通信协议，那么中断模块根据优先级顺序将对应的初始数据信息发送给数据解析模块，则数据解析模块顺次解析出TCP/IP—RS485、CANopen—RS485以及RS42—RS485协议转换类型，然后顺次发送给通讯协议转换模块进行处理。

为了提高数据解析的效率，可以增加数据解析模块的数量，这样就能实现对初始状态数据的同步解析，大大提高了数据转发速度。

具体实施方式2

如图4所示，本具体实施方式与具体实施方式1中的用于水下仿真系统的多功能通信装置所不同的是：所述中断模块包括中断允许寄存单元与中断优先级寄存单元；所述中断允许寄存单元用于开放或关闭对中断请求的允许，并暂存被允许的包含有中断请求的数据信息；所述中断优先级寄存单元用于读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来。所述中央控制器内还设有中断反馈模块、读写控制模块以及数据压缩模块，所述读写控制模块用于根据优先级的顺序将包含有中断请求的初始数据信息发送给中央控制器内的数据解析模块，或者将包含有中断请求的终态数据信息发送给数据压缩模块，并向所述中断反馈模块发送表示读写完成的完成指令；所述中断反馈模块用于将完成指令反馈给中断优先级寄存单元。

本具体实施方式中的用于水下仿真系统的多功能通信装置的数据转发方法与具体实施方式2中的数据转发方法所不同的是：

步骤1中：先由中断允许寄存单元开启对中断请求的允许，然后接收接口数据收发模块发送的包含有中断请求的初始数据信息，并暂存被允许的包含有中断请求的初始数据信息；再由中断优先级寄存单元读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的初始数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来，然后根据优先级高低顺序顺次转发给读写控制模块，再由读写控制模块转发给中央控制器内的数据解析模块；读写控制模块每完成一次转发就通过中断反馈模块向中断优先级寄存单元发送一条完成指令，中断优先级寄存单元接收到完成指令后就将已完成转发的初始数据信息删除，使下一待转发的初始数据信息变成最高优先级；

步骤3中：中断允许寄存单元接收并暂存通信协议转换子模块发送的包含有中断请求的终态数据信息；之后，再由中断优先级寄存单元读取中断允许寄存单元中的包含有中断请求的初始数据信息以及终态数据信息并判断其优先级，并从高优先级到低优先级对其进行排序并暂存起来，然后根据优先级高低顺序顺次转发给读写控制模块，再由读写控制模块转发给中央控制器内的数据压缩模块或者数据解析模块；读写控制模块每完成一次转发就通过中断反馈模块向中断优先级寄存单元发送一条完成指令，中断优先级寄存单元接收到完成指令后就将已完成转发的初始数据信息或终态数据信息删除，使下一待转发的初始数据信息或终态数据信息变成最高优先级；

步骤4中：数据压缩模块将终态数据信息压缩成数据包后发送给与接收方的通信协议相应的接口数据收发模块，再由接口数据收发模块发送给对应的通信接口进行转发。

为了提高数据压缩的效率，可以增加数据压缩模块的数量，这样就能实现对终态数据信息进行同步压缩，大大提高了数据转发速度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。