[發明專利]一種低成本高速通信總線及其傳輸控制方法

有效

• 申請號: 201911140471.1
• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN111008169B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 熊光亞;景波云;解祥富;徐高志;姜曉;葉紀青;陶力維;楊東;張雷
• 申請（專利權）人: 南京南瑞水利水電科技有限公司
• 主分類號: G06F13/42
• 分類號: G06F13/42;G06F13/28;G05B19/042;H04L12/40;H04L5/14
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 戴夢茹

本發明公開了一種低成本高速通信總線，包括主控設備和從設備，主控設備和從設備之間通過串行數據傳輸總線連接；串行數據傳輸總線有兩路，一路用于傳輸所述主控設備向所述從設備發送的指令，另一路用于傳輸所述從設備向所述主控設備發送的應答數據；主控設備和從設備中均包括核心微控制單元，核心微控制單元連接兩個RS485控制器實現全雙工數據收發。設備中無需采用專用高速通信芯片，絕大部分現有設備在原有基礎上再擴一個RS485控制器即可實現高速通信，改造成本低。還公開了一種低成本高速通信總線傳輸控制方法，通過在傳輸報文中設計特定轉義字符以及增加補償字節，使報文適合采用DMA方式進行傳輸，大幅提升總線傳輸速率。并設計了總線自恢復機制。

技術領域

本發明屬于應用PLC的自動化監控領域，具體涉及一種低成本高速通信總線及其傳輸控制方法。

背景技術

目前在應用PLC的自動化監控領域，針對實時高精度運動控制的需求日益增加，這要求主控設備和IO設備之間具備極高的數據傳輸速度，盡可能減少傳輸時間，從而降低數據傳輸延時帶來的控制誤差。而傳統的中小型PLC采用的低速通信總線已不能滿足高精度運動控制的需求；部分大型PLC采用專用的通信器件滿足主控和IO設備之間的高速通信，但專用器件價格高昂，并且很多專用器件是定制開發的，通用性較差，不能很方便的集成到其它設備中。

在一些對控制精度要求較高的工控系統中，主控設備和IO設備之間必須具有極低的數據傳輸延時，才能確保主控設備能夠快速應答外部輸入信號的變化，并以極短的時間將控制信號輸出到控制機構，以確保控制對象的動作誤差滿足系統需求。在這種工控系統中，要求主控設備輪詢IO設備的周期小于5ms，因此一般采用大型PLC作為核心設備，主要是由于大型PLC的主控設備和IO設備之間一般采用專用的串行通信總線，傳輸速度極高。國際知名 PLC廠商如施耐德、GE、貝加萊等的高端產品，其主控設備和IO設備之間都是基于其獨立研制的串行總線通信，并且采用了獨立研制的通信芯片，總線通信速率高達一般高達 20～50Mbps。這些總線的通信協議是不對外公開的，并且通信芯片也不對外銷售。而另外一些PLC廠商的產品則采用公開的Profibus總線作為主控設備和IO設備之間的通信方式，這種通信總線是由西門子公司主導研發的，主控設備和IO設備都需要集成Profibus通信芯片，通信速率最高可達12Mbps，一般也能滿足高精度運動控制的需求。

無論是采用專用的通信總線或是公開的Profibus總線，這兩種通信總線在本質上是基本相同的，其通信架構如圖4所示，其主要工作流程如下：

1)主控設備或IO設備的MCU和專用的通信芯片之間通過并行總線進行交互；

2)通信芯片負責將主控設備或IO設備發送的數據封裝為符合串行總線傳輸協議的數據包，并發送到串行總線上；

3)通信芯片負責接收串行總線上的協議數據包并進行解析，若數據包中的地址與自身節點地址一致，則將協議數據包還原為發送端的原始數據包，并通過并行總線發送給自身節點的MCU。

Profibus通信芯片的價格已經接近低端PLC IO設備的物理成本，為PLC主控設備和所有配套的IO設備增加一塊Profibus芯片，設備總體成本預計要增加。近50％～80％左右，價格方面的競爭力將大幅降低。

Profibus對外提供的接口是并行總線，需要PLC主控設備和IO設備的處理器具備并行接口，而低端PLC IO設備的核心處理器一般采用較低端的單片機或ARM處理器，本身硬件資源有限，無法提供多余的引腳用于并行通信，因此大多數IO設備要兼容Profibus的通信方式需要更換資源更豐富的處理器，并且還需要對設備的嵌入式軟件進行較為復雜的調整。因此產品升級所需的時間和物理、人力成本都不菲。

發明內容

本發明提供了一種低成本高速通信總線及其傳輸控制方法，解決了通信速度和成本的技術問題。