[發明專利]一種基于大規模結點群的通信組織方法及其中繼器

有效

• 申請號: 201510013093.6
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104580466B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 車明;周海洋
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L12/44
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

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

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。

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1.0mA/-0.8mA，相當于約12KΩ。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48KΩ以上(1/4單位負載)，結點數就可增加至128個，96KΩ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。

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。

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。

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

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：

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：

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；

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；

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。

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：

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。

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：

結點群為一棵完全m叉樹，

N＝(S1-1)*m²+(S2-1)*m+S3

其中，N為全局地址編號，序列號為S1-S2-S3。

所述幀結構擴展具體為：

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。

所述中繼協議擴展具體為：

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；

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。