一种用于信息物理系统的实时通讯机制技术方案

本发明专利技术公开了一种用于信息物理系统的实时通讯机制，所述通讯机制包括RCP报文协议、RCP数据交换机制、RCP数据交换算法；其中RCP报文协议定义了控制帧、模拟量控制帧、开关量控制帧、发送信息帧、发送状态帧、状态读取帧、状态应答帧、模拟量读取帧、模拟量应答帧、开关量读取帧、开关量应答帧和确认帧12种数据帧传输格式、节点数据应答机制和DOC校验规则；所述RCP数据交换机制为信息物理系统中的节点基于RCP交换机实现数据通讯，节点与RCP交换机的通讯接口采用RS422方式、若干个RCP交换机采用级联方式实现多节点的数据交换，RCP交换机拥有波特率自动识别功能；该通讯机制使用便捷，运行可靠的数据传输机制。

【技术实现步骤摘要】
一种用于信息物理系统的实时通讯机制
本专利技术属于自动控制
，具体涉及一种用于信息物理系统的实时通讯机制。
技术介绍
进入21世纪以来，随着处理器运算速度和工业仪表智能化水平的不断提高，在网络带宽不断延伸的情况下，控制多个物理对象的控制和检测仪表可通过多种通信方式组成一个网络化的信息物理系统(CPS)。为了满足复杂闭环系统控制算法的运算需求，作为CPS中智能节点的各个仪表在完成已有功能的同时，需实时获取系统中其它节点的控制和检测信息，并将自身运行状态信息发送到需要的节点。在必要情况下，CPS中的节点需直接控制其他节点的执行机构进行远端控制。在CPS中所有节点都有实时通讯需求的情况下，为了实现各个节点通过底层网络相互作用并相互影响，有必要设计一种满足CPS中各个节点实时控制需求的通讯机制，为实现CPS的网络化协同控制提供支持。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种用于信息物理系统的实时通讯机制，该通讯机制使用便捷，运行可靠的数据传输机制。该机制包括两部分内容，即报文的定义及数据交换算法。报文的定义描述了节点之间传输数据的格式，即数据帧格式的定义。本专利技术CPS中节点间数据的发送与接收方式采用请求、应答机制。数据发送方发出的数据帧分为控制帧、请求帧、应答帧和确认帧4种形式。数据交换算法是一种在数据交换装置上运行的数据转发程序，通过该程序各个节点可实现系统中任意节点之间的数据传输。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种数据传输协议和数据交换算法，所述的通讯机制包括RCP报文协议、RCP数据交换机制和RCP数据交换算法；其中RCP报文协议定义了控制帧、模拟量控制帧、开关量控制帧、发送信息帧、发送状态帧、状态读取帧、状态应答帧、模拟量读取帧、模拟量应答帧、开关量读取帧、开关量应答帧和确认帧12种数据帧传输格式、节点数据应答机制和DOC校验规则；所述RCP数据交换机制为信息物理系统中的节点基于RCP交换机实现数据通讯，节点与RCP交换机的通讯接口采用RS422方式、若干个RCP交换机采用级联方式实现多节点的数据交换，RCP交换机拥有波特率自动识别功能；RCP数据交换算法是基于RCP报文协议、RCP交换机制和端口映射表的数据转发程序，RCP交换机的端口映射表记录了RCP交换机通讯端口与节点物理地址的对应关系。优选地，根据RCP数据交换机制制作的数据交换装置，数据交换装置按照RCP数据帧中的目的地址进行数据帧的转发，装置包括硬件和软件两部分；硬件部分由FPGA、一个高性能数字信号处理器和9个全双工的RS422通讯接口电路组成；其中8个RS422通讯接口电路用于与通讯节点的连接，1个RS422通讯接口电路用于两个交换设备的级联；高性能信号处理器实现数据帧的校验和转发过程。RS422通讯接口电路既可将通讯数据以差分的形式输出，也可将线路上的差分数据接收到内部缓存中；每个RS422通讯接口的4个接口信号(T+、T-、R+、R-)直接连接到交换装置的对应端口上。每个节点通讯端口的第1脚和第2脚分别定义为T+和T-，第3脚和第4脚分别定义为R+和R-；级联通讯端口的第1脚和第2脚分别定义为R+和R-，第3脚和第4脚分别定义为T+和T-。优选地，FPGA用于存储接收到的数据和即将发送的数据、端口波特率识别及RS422接口选择电路，处理器实现数据的交换及转发机制；RS422接口电路实现TTL数据与差分数据的转换。优选地，RCP数据交换算法如下：1）读取所有端口的帧接收计数器值，将其最大值对应端口接收缓冲区的数据帧读取出来；2）对该数据帧做DOC校验，若校验错误则丢弃该帧，回到第一步；3）通过首字节对帧格式进行判断，若是应答帧则判断该帧的目的地址是否在端口映射表里；若不在将该帧的源地址放到该端口对应的映射表里，若在则按目的地址对应端口转发该数据帧；4）通过首字节判断不是应答帧，则判断该帧的目的地址否在端口映射表里；若在则按照指定端口转发该数据帧，不在则将该帧发送到所有端口；5）返回到第一步继续执行该算法。RCP报文协议包括CPS节点之间数据传输结构的描述、发送数据帧和应答帧的定义、通讯网络物理结构和数据发送和应答机制。数据交换算法是建立在本专利技术描述RCP报文协议基础上的数据转发机制。本专利技术使用时，CPS中的节点通过数据交换机实现不同节点之间的数据交换。数据交换机在每个通讯端口与CPS中节点物理地址绑定的情况下，按照每个数据帧的目的地址进行对应数据的转发。本专利技术的有益效果在于：本专利技术属于信息物理系统中的一种实时数据传输机制。通过本专利技术，系统中的节点可实现相互控制与信息共享。本专利技术为实现网络化协同控制提供了底层通讯的技术支持。附图说明图1为本专利技术基于RCP数据传输方式的节点互联示意图。图2为具有RCP传输功能的数据交换装置结构图。具体实施方式实施例：本专利技术定义的报文格式分为控制帧、模拟量控制帧、开关量控制帧、发送信息帧、发送状态帧、状态读取帧、状态应答帧、模拟量读取帧、模拟量应答帧、开关量读取帧、开关量应答帧和确认帧12种形式，其描述在下文中给出。控制帧控制帧为CPS中某一节点为了通过网络控制其他节点输出通道的数据帧，其格式如下：其中，各个字段的含义为：FD1:1个字节的帧格式定义，0x15表示不需应答，0x25表示需应答；DA:6个字节的节点物理地址，该帧中表示数据帧的目的地址；SA:6个字节的节点源地址，该帧中表示数据帧发出的节点地址；LEN:该数据帧中LEN后的字节长度，用2个字节表示；AOCHS:控制其他节点的模拟通道数量，用1个字节表示；AODATA：控制其他节点的模拟量数据，字节数为4×ACHS；No表示通道序号，ADH表示高8位字节，ADL表示低8位字节。KOCHS:控制其他节点的开关量通道数量，用1个字节表示；KODATA：控制其他节点的开关量数据，字节数为2×DCHS；No表示通道序号，D为0x00表示状态0，D为0xff表示状态1。DOC：双字节校验字，字节数为2；如果发送字节数为偶数，该字为所有由连续两个字节组成字的双字累加和（不包括进位）。如果发送字节数为奇数，该字为所有由前端连续两个字节组成字的双字累加后，再加上最后一个字节与0xff00之和（不包括进位）。END：12个字节的0xff表示帧结束标志。模拟量控制帧模拟量控制帧为某一节点为了通过网络控制其他节点多个模拟输出通道的数据帧，其格式如下：FD2:帧格式，用1个字节表示，0x35不需应答，0x45需应答；其他字段定义如控制帧。开关量控制帧开关控制量帧为某一节点为了通过网络控制其他节点多个数字输出通道的数据帧，其格式如下：FD3:帧格式，0x55不需应答，0x65需应答；其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于信息物理系统的实时通讯机制，其特征在于：所述通讯机制包括RCP报文协议、RCP数据交换机制、RCP数据交换算法；其中RCP报文协议定义了控制帧、模拟量控制帧、开关量控制帧、发送信息帧、发送状态帧、状态读取帧、状态应答帧、模拟量读取帧、模拟量应答帧、开关量读取帧、开关量应答帧和确认帧12种数据帧传输格式、节点数据应答机制和DOC校验规则；所述RCP数据交换机制为信息物理系统中的节点基于RCP交换机实现数据通讯，节点与RCP交换机的通讯接口采用RS422方式、若干个RCP交换机采用级联方式实现多节点的数据交换，RCP交换机拥有波特率自动识别功能；RCP数据交换算法是基于RCP报文协议、RCP交换机制和端口映射表的数据转发程序，RCP交换机的端口映射表记录了RCP交换机通讯端口与节点物理地址的对应关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于信息物理系统的实时通讯机制，其特征在于：所述通讯机制包括RCP报文协议、RCP数据交换机制、RCP数据交换算法；其中RCP报文协议定义了控制帧、模拟量控制帧、开关量控制帧、发送信息帧、发送状态帧、状态读取帧、状态应答帧、模拟量读取帧、模拟量应答帧、开关量读取帧、开关量应答帧和确认帧12种数据帧传输格式、节点数据应答机制和DOC校验规则；所述RCP数据交换机制为信息物理系统中的节点基于RCP交换机实现数据通讯，节点与RCP交换机的通讯接口采用RS422方式、若干个RCP交换机采用级联方式实现多节点的数据交换，RCP交换机拥有波特率自动识别功能；RCP数据交换算法是基于RCP报文协议、RCP交换机制和端口映射表的数据转发程序，RCP交换机的端口映射表记录了RCP交换机通讯端口与节点物理地址的对应关系。


2.根据权利要求1所述的信息物理系统的实时通讯机制，其特征在于：根据RCP数据交换机制制作的数据交换装置，数据交换装置按照RCP数据帧中的目的地址进行数据帧的转发，装置包括硬件和软件两部分；硬件部分由FPGA、一个高性能数字信号处理器和9个全双工的RS422通讯接口电路组成；其中8个RS422通讯接口电路用于与通讯节点的连接，1个RS422通讯接口电路用于两个交换设备的级联；高性能信号处理器实现数据帧的校验和转发过程；RS422通讯接口电路既可将通讯数据以...

【专利技术属性】
技术研发人员：颉新春，孙采鹰，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15