CN111464466A - 一种多总线网络通信架构 - Google Patents

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吴先宇
谭文若
杨俊�
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Abstract

本申请涉及一种多总线网络通信架构，所述架构包括：以太网路由器节点、主站节点和从站节点，以太网路由器节点桥接数据管理中心和主站节点，主站节点通过M‑LVDS总线连接多个从站节点，从站节点与多个终端设备通信，实现了一种数据管理中心、以太网路由器节点、主站节点、从站节点和终端设备级联的网络结构。该多总线网络通信架构可提高总线通信链路的通信带宽利用效率，可通过配置节点数量和节点连接关系优化网络部署方式，还可通过配置从站节点为不同类型的终端设备提供接入能力，能够避免对终端设备在接入方式、数量、总线类型等方面的限制，实现灵活的网络规模伸缩，适应于更多的应用环境。

Description

一种多总线网络通信架构
技术领域
本申请涉及总线网络通信技术领域，特别是涉及一种多总线网络通信架构。
背景技术
随着电子通信***中设备数量和类型的增加，为满足设备间实时、可靠的数据传输需求，越来越多的电子通信***都采用了总线通信技术，以实现***中对各设备的最优化的通信控制。随着设备的数据类型和设备间传输协议格式的发展，设备采用的总线类型也呈现多样化发展，如工业上应用较多的RS485总线、汽车上应用较多的CAN总线、高速通信应用较多的LVDS总线等。
由于不同类型总线间通信方式存在差异，目前各类电子通信***在实现不同总线类型设备间的通信时，大多在收发设备上增加了相应的数据格式转换模块；并且为了降低设备的复杂度，大多数电子通信***只采用一到两种总线进行通信。这种通信方式受到其选用的总线类型及总线驱动能力的限制，设备间布线数量较多且总线通信带宽的利用效率不高。此外，当接入设备类型或数量变化时，采用上述通信方式的***需要相应地更换或升级设备，并相应调整布线、接入点数量等，限制了***的灵活性，使其难以适应复杂多变的各类应用环境。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够优化***的网络部署方式、增加***灵活度，并提高总线通信带宽利用效率的总线网络通信架构。
一种多总线网络通信架构，包括：以太网路由器节点、主站节点和从站节点。
以太网路由器节点包括网桥模块，网桥模块用于桥接数据管理节点和主站节点；
主站节点包括主站以太网通信模块和主站M-LVDS通信模块，主站节点通过主站以太网通信模块与路由器节点通信，通过主站M-LVDS通信模块与从站节点通信；
从站节点包括从站M-LVDS通信模块和终端设备总线通信模块，从站节点通过从站M-LVDS通信模块与主站节点通信，通过终端设备总线通信模块与终端设备通信。
其中一个实施例中，与一个主站节点通信的从站节点的数量不大于32个。
其中一个实施例中，以太网路由器节点的通信速率为自适应100M/1000M。
其中一个实施例中，主站节点的数量不大于32个。
其中一个实施例中，终端总线通信模块包括差分总线通信接口，差分总线通信接口包括LVDS、CAN、RS485。
其中一个实施例中，一个从站节点的终端总线通信模块使用一种差分总线通信接口。
其中一个实施例中，主站节点还包括主站控制指令解析模块，主站控制指令解析模块解析通过主站以太网通信模块接收到的控制指令，根据控制指令通过主站M-LVDS通信模块向从站节点转发控制指令；
从站节点还包括控制指令解析模块，从站控制指令解析模块解析通过从站M-LVDS通信模块收到的控制指令，根据控制指令通过终端设备总线通信模块向终端设备转发控制指令。
其中一个实施例中，主站节点还包括主站数据解析模块，主站数据解析模块解析通过主站M-LVDS通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包通过主站以太网通信模块发送给以太网路由器节点；
从站节点还包括从站数据解析模块，从站数据解析模块解析通过从站总线通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包通过从站M-LVDS通信模块发送给主站节点。
上述多总线网络通信架构使用以太网路由器节点桥接数据管理中心和主站节点，主站节点通过M-LVDS总线通信链路连接多个从站节点，从站节点通过终端总线通信模块与多个终端设备通信，实现了一种数据管理中心、以太网路由器节点、主站节点、从站节点和终端设备级联的网络结构。采用上述多总线网络通信架构，可通过配置各级节点的数量和接入关系优化网络部署方式，包括灵活地增减与数据管理中心通信的终端设备数量、实现网络规模伸缩等；主站节点通过M-LVDS总线通信链路与多个从站节点通信，可提高主站节点和从站节点间总线通信链路的通信带宽利用效率；通过配置从站节点的终端设备总线通信模块可接入不同类型的终端设备，可适应更多的应用环境。上述多总线网络通信架构避免了传统总线通信方式对终端设备的接入方式、数量、总线类型等方面的限制，增加了***的灵活性，也解决了其总线通信链路通信带宽利用效率低的问题。
附图说明
图1为一个实施例中多总线网络通信架构的应用场景图；
图2为一个实施例中多总线网络通信架构的组成示意图；
图3为另一个实施例中多总线网络通信架构的组成示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的多总线网络通信架构可以应用于如图1所示的应用环境中，其中，数据管理中心通过通信网络与多个终端设备通信，数据管理中心可以但不限于是各种服务器、个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑，终端设备可以是信号采集器或信号控制器，如温度信号采集、压力信号采集、振动信号采集、电机控制、电磁阀控制等。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种多总线网络通信架构，以该架构应用于图1中的通信网络为例进行说明，该多总线网络通信架构包括以太网路由器节点、主站节点和从站节点。
以太网路由器节点包括网桥模块，网桥模块用于桥接数据管理节点和主站节点。网桥是一种对帧进行转发的技术，根据MAC地址分区块，将网络的多个网段在数据链路层连接起来，并且可隔离碰撞。具体地，以太网路由器节点主要实现根据消息中的目的IP地址将消息转发给对应设备的功能：当收到来自数据管理中心的消息时，根据其中IP地址将其转发给对应的一个或多个主站节点；当收到来自主站节点的消息时，根据其中的IP地址将其转发给数据管理中心。
主站节点包括主站以太网通信模块和主站M-LVDS通信模块，主站节点通过主站以太网通信模块与以太网路由器节点通信，通过主站M-LVDS通信模块与从站节点通信。M-LVDS即多点低电压差分信号，是一种可以提供多点间连接能力的总线通信方式。相对于同样可以提供多点间连接能力的RS-485和CAN总线来说，M-LVDS能够以更低的功耗实现更高速的通信链路，其最高通信速率可达200Mbps。本实施例的主站节点和多个从站节之间选用M-LVDS链路进行通信，可以利用差分信号抗电磁干扰能力强的特点，使***可适用于更加严苛的环境；可为主站节点和从站节点间提供更高通信速率，缩短数据传输时间、允许更大的数据传输量；由于M-LVDS对驱动电压的要求比其他类型的多点连接总线更低，还可降低对主站节点驱动能力的要求。
从站节点包括从站M-LVDS通信模块和终端设备总线通信模块，从站节点通过从站M-LVDS通信模块与主站节点通信，通过终端设备总线通信模块与终端设备通信。具体地，从站节点可以通过终端设备总线通信模块与多个终端设备通信，并且可以通过配置终端设备总线通信模块提供不同类型总线间的物理层、链路层解析与转换功能，以接入采用不同类型总线的终端设备。
上述多总线网络通信架构采用以太网路由器节点、主站节点、从站节点级联的网络结构实现了终端设备与数据中心间的通信，与传统方式中终端设备通过总线通信链路直接与数据中心通信相比，上述架构可根据终端设备的位置、数据、连接参数及其相互关系优化网络部署方式，实现更灵活的网络规模扩展，具体体现在：
通过配置终端设备接入的从站节点和从站节点接入的主站节点，可以提供满足不同接入需求和应用场景的多层次基础网络架构。具体地，终端设备可以是同属于一个***的模块、设备或子***，也可以是相互独立的设备或***，根据其位置、功能、数据类型等接入不同的从站节点，为设备数量较多的分布式***、多功能***、多数据类型***等提供基础网络框架；从站节点可根据需要选择接入的主站节点，以提供灵活度更高的多层级网络框架；主站节点通过以太网路由器与数据管理中心通信，由于以太网通信没有驱动电压的限制，因此其通信距离较总线通信链路更远，可支持远程的***控制、数据分析等网络功能需求。
通过增加从站节点、主站节点、以太网路由器节点可接入更多的终端设备，可提供支持大规模***及***规模扩展的基础网络架构。由于M-LVDS链路最高可提供200M的通信带宽，因此可通过增加接入一个主站节点的从站节点数量提供更多的终端设备接入端口；并且由于多个从站节点复用一条M-LVDS链路，适当增加从站节点的数量还可提高主站节点与从站节点间的通信链路利用效率。主站节点、以太网路由器和数据管理中心间采用以太网通信链路，通过配置以太网路由器端口或增加以太网路由器数量可增加主站节点和从站节点的数量，从而增加终端设备接入数量。上述架构在增加终端设备接入数量时不改变已有节点的接入关系，提供了更方便的网络规模扩展能力。
其中一个实施例中，与一个主站节点通信的从站节点的数量不大于32个。由于受驱动能力限制，一条M-LVDS总线最多支持驱动32个节点。当从站节点的数量不大于32个时，一个主站节点只需要设置一条M-LVDS总线就能和全部从站节点通信，可以进一步简化主站节点的设备，降低***实现成本。
其中一个实施例中，以太网路由器节点的通信速率为自适应100M/1000M。由于主站节点与从站节点间的通信速率最高为200Mbps，使用自适应100M/1000M的网卡可以确保提供足够的通信带宽，并在通信网络中数据传输量较小时降低***功耗。
其中一个实施例中，主站节点的数量不大于32个。考虑到以太网路由器节点的带宽和处理能力，主站节点的数量不大于32个，以确保数据管理中心和终端设备之间的数据传输具有足够的实时性、完整性和可靠性，避免出现网络吞吐量降低、数据包时延加大、丢包概率增大等问题。
其中一个实施例中，终端总线通信模块包括差分总线通信接口，差分总线通信接口包括LVDS、CAN、RS485。从站节点可以根据终端设备类型配置其终端总线通信模块，以适应不同的应用环境要求。LVDS、CAN、RS485是常用的几种差分总线类型：LVDS总线是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术，可以实现点对点或点对多点的连接，大量应用于雷达、基站、交换器、医用超声波影像设备、数字影印机等领域；CAN总线是目前应用范围最广的差分总线，主要应用在汽车内部控制***与各检测和执行机构间的数据通信，并正在向自动控制、航空航天、航海、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展；RS485能够应用于恶劣的电磁环境，主要应用在工业控制自动化、智能仪表等领域。在从站节点的终端总线通信模块中配置上述几种类型的差分总线通信接口可确保本实施例中的多总线网络通信架构满足大多数***的应用需求。
其中一个实施例中，一个从站节点的终端总线通信模块使用一种差分总线通信接口。可以根据***的具体情况将采用同一类总线的终端设备接入一个从站节点，使从站节点的终端总线通信模块只需配置一种差分总线通信接口，降低从站节点的复杂度和设备成本。
其中一个实施例中，主站节点还包括主站控制指令解析模块，主站控制指令解析模块解析通过主站以太网通信模块接收到的控制指令，根据控制指令通过主站M-LVDS通信模块向从站节点转发控制指令；从站节点还包括控制指令解析模块，从站控制指令解析模块解析通过从站M-LVDS通信模块收到的控制指令，根据控制指令通过终端设备总线通信模块向终端设备转发控制指令。
具体地，主站节点通过解析控制指令获取其中的从站节点地址，将控制指令转发给对应的从站节点；从站节点接收到控制指令后，从中解析出终端设备地址，将控制指令经数据格式转换后发送给对应的终端设备。通过上述过程，可实现接收来自数据管理中心的控制指令，经各级节点解析和转发，最终发送至指定终端设备的过程，实现控制该终端设备其进行相应操作的目的。
其中一个实施例中，主站节点还包括主站数据解析模块，主站数据解析模块解析通过主站M-LVDS通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包，通过主站以太网通信模块发送给以太网路由器节点；从站节点还包括从站数据解析模块，从站数据解析模块解析通过从站总线通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包，通过从站M-LVDS通信模块发送给主站节点。
具体地，从站节点从各终端设备接收到上传的数据，经过格式转换发送给主站节点，再由主站节点经过数据格式转换将其通过以太网路由器节点转发给数据管理中心节点，实现将终端设备采集到的数据上传至数据管理中心的目的。
其中一个实施例中，包括32个主站节点，每个主站节点通过M-LVDS通信模块与32个从站节点通信，共有1024个从站节点。以终端设备采用RS485总线通信链路、提供终端设备接入能力的RS485接入模块最多可驱动100个接入设备为例：当终端设备直接与数据管理中心通信时，RS485接入模块设置在数据管理中心，***最多可接入100个终端设备；当采用本实施例的多总线网络通信架构时，RS485接入模块设置在各从站节点，***最多可接入102400个终端设备。由此可见，本实施例可极大地扩展***规模，并且非常易于实施。
其中一个实施例中，如图3所示，包括3个主站节点和7个从站节点，其中主站节点1、主站节点2和主站节点3分别通过3条M-LVDS总线与4个、2个和1个从站节点通信，从站节点的终端设备总线通信模块使用LVDS接口与终端设备通信，并且使用高速FPGA实现M-LVDS和LVDS之间的数据转换和协议处理。通过试验检测，随着接入各从站节点的终端设备数量的变化，主站节点1-3的M-LVDS通信带宽利用率在89％～91％之间，即实际通信带宽可达M-LVDS通信带宽的90％左右。可以看出，通过主站节点、从站节点、终端设备级联的方式，可以充分利用主站节点与从站节点间M-LVDS总线的传输能力，提供更高的通信带宽，实现供更大的数据吞吐量。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多总线网络通信架构，所述架构包括：以太网路由器节点、主站节点和从站节点，
所述以太网路由器节点包括网桥模块，所述网桥模块用于桥接数据管理节点和所述主站节点；
所述主站节点包括主站以太网通信模块和主站M-LVDS通信模块，所述主站节点通过所述主站以太网通信模块与所述路由器节点通信，通过所述主站M-LVDS通信模块与所述从站节点通信；
所述从站节点包括从站M-LVDS通信模块和终端设备总线通信模块，所述从站节点通过所述从站M-LVDS通信模块与所述主站节点通信，通过所述终端设备总线通信模块与终端设备通信。
2.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，与一个所述主站节点通信的所述从站节点的数量不大于32个。
3.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，所述以太网路由器节点的通信速率为自适应100M/1000M。
4.根据权利要求3所述的架构，其特征在于，所述主站节点的数量不大于32个。
5.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，所述终端总线通信模块包括差分总线通信接口，所述差分总线通信接口包括LVDS、CAN、RS485。
6.根据权利要求5所述的架构，其特征在于，一个所述从站节点的所述终端总线通信模块使用一种所述差分总线通信接口。
7.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，
所述主站节点还包括主站控制指令解析模块，所述主站控制指令解析模块解析通过所述主站以太网通信模块接收到的控制指令，根据所述控制指令通过所述主站M-LVDS通信模块向所述从站节点转发所述控制指令；
所述从站节点还包括从站控制指令解析模块，所述从站控制指令解析模块解析通过所述从站M-LVDS通信模块收到的所述控制指令，根据所述控制指令通过所述终端设备总线通信模块向所述终端设备转发所述控制指令。
8.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，
所述主站节点还包括主站数据解析模块，所述主站数据解析模块解析通过所述主站M-LVDS通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包通过所述主站以太网通信模块发送给所述以太网路由器节点；
所述从站节点还包括从站数据解析模块，所述从站数据解析模块解析通过所述从站总线通信模块接收的数据，按照预设的格式生成数据包通过所述从站M-LVDS通信模块发送给所述主站节点。
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