[发明专利]一种基于大规模结点群的通信组织方法及其中继器

说明书

技术领域

本发明涉及嵌入式工业控制领域，尤其涉及一种基于大规模结点群的通信组织方法及其中继器。

背景技术

在电力电子装置中常需要在恶劣的电气环境中进行远距离通讯，采用RS-485总线是一种比较广泛的做法。

RS-485总线接口电路因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通信速率高等优点广泛应用于工业监测监控等领域。RS-485总线支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络。有关总线上允许连接的收发器数量，标准并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载。每单位负载的最大输入电流是1.0mA/-0.8mA，相当于约12KΩ。为了扩展总线结点数，器件生产厂商增大收发器输入电阻。例如：输入电阻增加至48KΩ以上(1/4单位负载)，结点数就可增加至128个，96KΩ的输入电阻允许结点数可到256个。但要传输更远的距离或更多的通信结点就必须使用中继器。而一般的中继器，都只是简单地重复上层结点传输字节，不但价格昂贵而且不具备传输的管理功能，无法应用于大规模嵌入式结点集群。

当今世界，工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制。在进入网络时代的今天，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。Modbus协议就是工业控制器的网络协议中的一种。

Modbus协议是Modicon公司于1978年发明的一种用于电子控制器进行控制和通讯的通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以进行通信。它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。Modbus协议包括：ASCII(美国信息交换码)、RTU(远程终端设备)、PLUS(高速现场总线网)和TCP等，并没有规定物理层。对于串行链路的Modbus系统，其物理接口可以选用RS232或RS485。最常用的接口RS485是两线制接口。其规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶校验等信息，而Modbus的ASCII、RTU协议则在此基础上规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式。其中RTU模式主要通过主从方式工作在串行总线上，在同一个网络中有一个主设备及最多达247台从设备。

Modbus协议定义了常用公共功能码，同时为协议扩展预留了地址空间。目前国内外的技术主要是扩展Modbus地址域，在数据域增加物理地址信息，使Modbus协议由支持255个从结点增加到65535个。但这些扩展方式都只是简单地增加总地址的长度，不但无法支持几万个嵌入式结点的集群，更无法支持集群的控制和管理，而且冗长的全局地址也加重了结点的识别负担。

发明内容

本发明提供了一种基于大规模结点群的通信组织方法及其中继器，本发明建立大型嵌入式网络结点群的架构方式，并且建成了大规模结点群控制网络，在此基础之上，给出集群结点通讯及控制的可行方法，实现集群结点的可靠控制，详见下文描述：

一种基于大规模结点群的通信组织方法，所述通信组织方法包括以下步骤：

构建结点群架构部分，获取满足结点数约束条件的网络拓扑结构；

通过地址映射，获取终端结点全局地址与局部地址的映射关系；

对帧结构和中继协议进行扩展，实现对大规模结点群的通信组织。

所述构建结点群架构部分，获取满足结点数约束条件的网络拓扑结构具体为：

结点群中的主控器通过中继器与终端相联，呈现树形拓扑结构；通过两层中继器的中继，多个局域网络组合成嵌入式结点群；网络中只存在一个主控器，其与第一层的中继器组成的局域网处在整个嵌入式结点群的最顶端；局域网络中的结点数目小于等于总线接口数量。

所述通过地址映射，获取终端结点全局地址与局部地址的映射关系具体为：

结点群为一棵完全m叉树，

N＝(S1-1)*m²+(S2-1)*m+S3

其中，N为全局地址编号，序列号为S1-S2-S3。

所述帧结构扩展具体为：

通过中继功能码、原有的功能码、数据字段和校验码对帧结构进行扩展。

所述中继协议扩展具体为：

所述中继协议扩展包括：中继下行规约和中继上行规约，在原有协议的基础上加入了局部寻址及二次确认策略；

所述二次确认策略发生在终端结点执行完协议数据单元中的操作之后，对主控器的协议数据单元指令的确认；第二次的确认帧通过中继器打包成上行帧，上传至主控器。