[发明专利]一种实时响应网络控制系统

说明书

技术领域

本发明属于工业智能控制领域对硬件系统实现实时控制的一种解决方案。

背景技术

在智能工业控制领域，随着设备系统复杂度的增加，对其进行有效、稳定和可靠的控制成为工业控制领域需要解决的课题。尤其在高端医疗设备、航空、高档汽车、楼宇自动化等领域，系统执行节点多而且复杂，实现控制的难度随产品功能的提高而加大。

嵌入式数据处理技术目前已成为工业控制领域实现设备控制的发展方向，具有实时功能的CAN或实时以太网技术为工业控制网络的实现提供了硬件基础。CAN为控制器局域网（Controller Area Network）的简称，参见《Controller Area Network-Basics, Protocols, Chips and Application》，作者Konrad Etschberger，书中对CAN进行了基本的描述，不过未对特定领域给出设计实现方案。

实现一种实时的网络控制系统，它的所有节点都可以根据功能需要自由组合进行通信成为复杂系统控制的有效方式。这种通信建立在一定的协议基础上，通过报文发送和接收进行。

软件的模块化设计是适应复杂系统功能需要而在高端智能设备有广阔的应用前景。这种设计的软件程序内核小、标准化，具有可配置性、组合性、系列性和升级性。

软件的在线升级技术为设备的升级换代和服务提供了延长产品生命周期和提高产品功能的极具性价比的可能性。它可以对网络中的节点设备软件进行升级而无需更换节点设备中的任何硬件，对于目前工业领域内设备升级换代需要花成本更换部件才可以进行以及服务成本占比大的状况会有实质性的改变。

发明内容

本发明提供了一种实时响应网络的控制方法，目的在于实现该网络控制系统内的所有节点都可以根据功能需要自由组合进行通信，控制相关节点执行指令并对节点软件程序进行在线升级。

图1是本发明的网络结构图，其工作原理如下：

该网络中的每一个设备均可作为一个独立的节点存在，每一个节点都有微处理器和外部接口，网络中节点的数量可根据设备应用需要设置，原则上不大于100个。网络中至少有一个是配置节点，配置节点具有用户操作界面和存储设备，它可以对所有节点运行环境和参数进行设置并对其软件程序进行在线升级。网络中的节点又分为主节点和从节点，主节点负责发送控制指令给网络的其它节点并监控其操作状态，从节点接收指令并反馈操作状态给主节点。主节点与配置节点可以合二为一，也可单独指定。配置节点可以把网络上的节点配置成主节点或从节点。

图2为本发明的硬件结构图，它由微处理器（MCU）、静态RAM存储器、外部Flash存储器、外部EEPROM存储器、CAN收发器、USB接口、CAN接口、以太网接口、内部总线和硬件接口及其终端构成。CAN控制器目前在主流的微处理器中都有集成，如ARM架构的NXP23XX系列芯片。由于采用嵌入式微处理器、符合CAN2.0 A/B标准的网络结构和短报文处理、系统内各节点间的距离不超过12米，通信处理能力最大可达到1Mbps的波特率，具有实时性。

图3是节点的软件架构图，其工作流程如下：

该软件架构分为三个层次，第一层是应用层，包括系统服务应用、错误处理和故障监测应用、传感器应用、执行器应用、配置与管理应用、在线升级应用和其它外设应用；第二层是服务层，包括系统功能模块、存储器功能模块、输入输出功能模块和通信功能模块；第三层是驱动层，是包含并支持硬件的驱动程序集。应用层通过调用服务层实现驱动层对硬件的控制。被控制的硬件包括传感器（MCU接收光耦、温度传感器的输入信号）、执行器（MCU输出信号到电机驱动装置，状态灯、风扇控制）和外设（人机交互设备，如LCD显示和键盘输入）。

各节点采用统一的通信接口，可根据设备使用需求选择CAN或以太网接口，CAN接口的节点通信依据CANOpen或自定义的CAN协议进行。

根据设备功能需要，网络中的配置节点把与这次通信内容相关的节点配置为主节点或从节点，通过报文发送和反馈实现节点通信，没有通信需求的节点处于空闲状态而不受其它正在进行通信节点的干扰。各节点的通信采用广播方式进行，一个节点发送指令，所有节点都在收听，但只是有需求的节点接收该指令，指令执行后回复其执行后的状态到网络上。每个节点都采用嵌入式程序操作方式，但配置节点可以不止于嵌入式操作系统，如采用Windows操作系统或类UNIX操作系统。