CN115567617A - 一种通讯扩展方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种通讯扩展方法及装置，涉及工业通讯领域，应用于控制器，该方法包括：按照下位设备的私有协议建立自身与下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；按照以太网的网络协议建立自身与主站在以太网中的网络连接；通过数据分区映射关系读取下位设备的第一通讯信息，并将第一通讯信息由私有协议转换为网络协议后发送给主站；当收到主站的第二通讯信息，将第二通讯信息由网络协议转换为私有协议后通过数据分区映射关系发送给下位设备。本申请中通信时不需要将通信数据转换为控制命令，解析时间短，多设备通信的扫描时间较短，可满足高实时性的通信要求。

Description

一种通讯扩展方法及装置

技术领域

本发明涉及工业通讯领域，特别涉及一种通讯扩展方法及装置。

背景技术

当前，在工业通讯领域，设备与网络使用的通讯协议经常不一致，为了保证设备与网络的正常通信，需要建立设备和网络之间的通讯方案，传统的通讯方案多是以透传的形式，直接将各通信协议下的通信数据转换为对应设备的控制命令，该方法中网络中多设备通信的扫描时间较久，且在转换为控制命令时必须对通信数据进行解析，可见设备接收到通信数据的延迟较久，对于具有高实时性通信要求的设备来说，传统的通讯方案难以满足设备需求。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高实时性的通讯扩展方法及装置。其具体方案如下：

一种通讯扩展方法，应用于控制器，包括：

按照下位设备的私有协议，建立自身与所述下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与所述下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；

按照以太网的网络协议，建立自身与主站在所述以太网中的网络连接；所述网络协议为一种结合TSN技术的实时以太网协议；

通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息，并将所述第一通讯信息由所述私有协议转换为所述网络协议后发送给所述主站；

当收到所述主站的第二通讯信息，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备。

优选的，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息的过程，包括：

根据当前目标通信模式，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息；

相应的，所述将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备的过程，包括：

根据当前所述目标通信模式，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备；

其中，所述目标通信模式包括循环通信模式和/或瞬时通信模式。

优选的，所述通讯扩展方法还包括时间同步，所述时间同步包括：

通过PTP协议支持，为不同站点的通讯信息建立相同的通信时间基准；

所述站点包括所述主站和所述以太网中的其他站点，所述通讯信息包括所述主站发送的所述第二通讯信息和其他所述站点发送的通讯信息。

优选的，所述按照以太网的网络协议，建立自身与主站在所述以太网中的网络连接之后，还包括：

根据时间分割标准，分时执行所述循环通信模式、和/或所述瞬时通信模式、和/或所述时间同步。

优选的，所述通讯扩展方法还包括：

通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站。

优选的，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站的过程，包括：

当收到所述下位设备的异常信号，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站。

优选的，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站的过程，包括：

当收到所述主站的诊断信息，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息，并将所述设备状态信息和自身的状态信息一起发送给所述主站。

相应的，本申请还公开了一种通讯扩展装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

第一处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述通讯扩展方法的步骤。

优选的，所述通讯扩展装置还包括：

第一端口，用于连接所述第一处理器和下位设备；

第二端口，用于连接所述第一处理器和一个或多个站点，所述站点至少包括主站，所有所述站点均位于同一个以太网中。

优选的，所述通讯扩展装置还包括：

第二处理器，用于建立网络协议的通讯链路；

所述第一处理器和所述第二端口通过所述第二处理器连接。

本申请公开了一种通讯扩展方法，应用于控制器，包括：按照下位设备的私有协议，建立自身与所述下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与所述下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；按照CC-Link IE TSN协议，建立自身与主站在以太网中的网络连接；通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息，并将所述第一通讯信息由所述私有协议转换为网络协议后发送给所述主站；当收到所述主站的第二通讯信息，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备。本申请中基于下位设备的私有协议建立控制器自身与下位设备的数据分区映射，通信时不需要将通信数据转换为控制命令，解析时间短，基于时间同步协议建立与以太网中主站的连接，多设备通信的扫描时间较短，可满足下位设备和主站高实时性的通信要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种通讯扩展方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中一种数据分区映射关系的关系示意图；

图3为本发明实施例中一种通讯扩展***的结构分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的通讯方案多是以透传的形式，直接将各通信协议下的通信数据转换为对应设备的控制命令，该方法中网络中多设备通信的扫描时间较久，且在转换为控制命令时必须对通信数据进行解析，可见设备接收到通信数据的延迟较久，对于具有高实时性通信要求的设备来说，传统的通讯方案难以满足设备需求。

本申请中基于下位设备的私有协议建立控制器自身与下位设备的数据分区映射，通信时不需要将通信数据转换为控制命令，解析时间短，基于时间同步协议建立与以太网中主站的连接，多设备通信的扫描时间较短，可满足下位设备和主站高实时性的通信要求。

本发明实施例公开了一种通讯扩展方法，应用于控制器，参见图1所示，包括：

S1：按照下位设备的私有协议，建立自身与下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；

可以理解的是，此处下位设备为具有拥有各自私有协议的设备，具体包括工控设备和仪器仪表等具有内部处理器和存储区域的可交流设备，以满足数控机床、汽车等工业领域的要求，变频器就是一种典型的可使用本通讯扩展方法与主站通讯的工控设备。进一步的，下位设备通过控制器与主站连接，控制器实施本通讯扩展方法实现下位设备和主站之间通信的高实时性需求。

该实施例中下位设备的硬件不需要更改，由控制器执行步骤S1的动作即可达到与下位设备通讯的目的。

S2：按照以太网的网络协议，建立自身与主站在以太网中的网络连接；所述网络协议为一种结合TSN技术的实时以太网协议；

进一步的，本实施例中将结合TSN技术的实时以太网协议作为网络协议与以太网连接，具体的，实时以太网协议可选用profinet、ethcat等架构的实时以太网协议，并结合TSN技术来实现。本实施例优选CC-Link IE TSN协议，能够解决传统方案不能很好地支持时间同步和流量调度特性特性的问题，从而满足工业以太网中的各种应用。

具体的，在以太网中，控制器自身作为一个站点，其与主站、其他站点的连接拓扑，包括星型、环形、线型、混合型等结构，以太网中站点的拓扑结构自由度较高。本实施例通过TSN技术，保证当前高实时性通信要求的同时，能与其他开放式网络进行通信，多种不同下位设备的网络协议在同一链路共存，同时满足控制通信和信息通信的要求，实现一网到底。

S3：通过数据分区映射关系读取下位设备的第一通讯信息，并将第一通讯信息由私有协议转换为网络协议后发送给主站；

S4：当收到主站的第二通讯信息，将第二通讯信息由网络协议转换为私有协议后通过数据分区映射关系发送给下位设备。

可以理解的是，步骤S1和S2没有必然的先后顺序，步骤S3和S4也没有必然的先后顺序，图1的顺序安排仅为一种示例，本实施例在实现时不一定要严格按照图1进行，只要满足步骤S3和S4在步骤S1和S2之后进行即可。

可以理解的是，步骤S3和S4分别描述了不同方向的通讯信息的处理方式，其中第一通讯信息从下位设备传至主站，过程中通过数据分区映射关系读取下位设备的第一通讯信息，然后将其有私有协议转换为网络协议后发送到主站；第二通讯信息从主站传至下位设备，过程中第二通讯信息有网络协议转换为私有协议，然后通过数据分区映射关系发送到下位设备。

可以理解的是，CC-Link IE TSN协议具有以下特性：采用时间同步的方式，在规定的时间内同时向两个方向传送输入和输出的数据帧，从而缩短网络整体的循环数据更新的时间；提供流量控制，允许在同一个网络中存在多个通信周期，即针对不同的下位设备通讯速率要求设置不同的通道。因此，本实施例中主站和下位设备之间的通信存在多种通信模式，各通信方式的数据分时间片进行处理，在处理时数据分区映射也将根据不同的通信模式进行设置。进一步的，以太网产生拥塞时可优先处理优先级别更高的网络数据，这里的网络数据包括循环通信模式的网络数据、瞬时通信模式的网络数据、PTP协议相关的网络数据。

具体的，通过数据分区映射关系读取下位设备的第一通讯信息的过程，包括：

根据当前目标通信模式，通过数据分区映射关系读取下位设备的第一通讯信息；

相应的，将第二通讯信息由网络协议转换为私有协议后通过数据分区映射关系发送给下位设备的过程，包括：

根据当前目标通信模式，将第二通讯信息由网络协议转换为私有协议后通过数据分区映射关系发送给下位设备；

其中，目标通信模式包括循环通信模式和/或瞬时通信模式。

需要注意的是，同一时刻控制器只能选择一种目标通信模式，不同的通信模式可在不同时间段分时通信。

可以理解的是，数据分区映射关系的分区主要以通信模式作为依据，对于同一个通信模式，控制器的通讯存储区域中某一个分区和下位设备的设备存储区域某一个分区具有映射关系。循环通信模式用于实现对实时性要求较高的周期性的通信功能，主要针对下位设备，分读写两种类型。以图2所示的一种数据分区映射关系为例，在单个通信周期内，控制器将第二通讯信息记录到通讯存储区域cycle区的write区，然后控制器迅速刷新下位设备以通知下位设备，下位设备根据write区的数据处理刷新设备存储区域的控制区的数据，处理过程中包括将需要反馈的信息写入控制区的状态区，通讯存储区域cycle区的read区对应状态区的数据更新，控制器通过私有协议读取read区数据，如果读出有效数据则将其作为第一通讯信息转换为网络协议形式发送到主站。过程中read区数据在循环通信剩余时间片中从下位设备的控制区刷新得到，实时性更高。

可以理解的是，瞬时通信模式通常基于SLMP协议实现，用于实现对实时性要求较低的信息通信，在数据分区映射关系中，控制器的通讯存储区域中transient区对应下位设备的信息区用于瞬时通信模式。

进一步的，本实施例中时间同步协议的数据处理允许不同的设备具有不同的实时性要求，因此所述通讯扩展方法还包括时间同步，时间同步包括：

通过PTP协议支持，为不同站点的通讯信息建立相同的通信时间基准；

不同站点包括主站和以太网中的其他站点，通讯信息包括主站发送的第二通讯信息和其他站点所发送的通讯信息。

可以理解的是，在控制器与主站连接之后，控制器还可以连接以太网中的其他站点，并与其他站点进行通讯，这些不同站点所发送给控制器的通讯信息，将在控制器中利用PTP协议支持建立统一的通信时间基准。

可以理解的是，PTP协议的支持为不同站点的通讯数据建立了精准的时间基准，消除了网络突发流量对授时精度的干扰，提高了对下位设备控制的实时性性能。

进一步的，所述按照以太网的网络协议，建立自身与主站在以太网中的网络连接之后，还包括：

根据时间分割标准，分时执行循环通信模式、和/或瞬时通信模式、和/或时间同步。

具体的，时间分割标准可选802.1Qbv协议标准，该协议标准属于TSN技术，且具有根据流量调整分配的能力。除此外，本实施例中时间分割标准也可选择其他的协议标准，此处不作限制，只要保证循环通信模式、瞬时通信模式、时间同步对应不同的执行时间即可。

本申请公开了一种通讯扩展方法，应用于控制器，包括：按照下位设备的私有协议，建立自身与所述下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与所述下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；按照CC-Link IE TSN协议，建立自身与主站在以太网中的网络连接；通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息，并将所述第一通讯信息由所述私有协议转换为网络协议后发送给所述主站；当收到所述主站的第二通讯信息，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备。本申请中基于下位设备的私有协议建立控制器自身与下位设备的数据分区映射，通信时不需要将通信数据转换为控制命令，解析时间短，基于网络协议建立与以太网中主站的连接，多设备通信的扫描时间较短，可满足下位设备和主站高实时性的通信要求。

本发明实施例公开了一种具体的通讯扩展方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。

具体的，通讯扩展方法还包括：

通过数据分区映射关系读取下位设备的设备状态信息并发送给主站。

可以理解的是，设备状态信息可反映下位设备的状态是否正常。如果下位设备存在问题导致控制器和下位设备之间的读写控制异常，下位设备的设备存储区域的状态区将存储错误码，以便向上反馈提醒信号。一般情况下，控制器执行本实施例的方法、对下位设备进行读写操作时，可检测到下位设备的异常信号，对当前读写操作标记异常，防止阻塞；此外，下位设备产生异常时，除了对控制器发送异常信号外，可直接将要回复给控制器的读写数据替换为设备异常的错误码，从而控制器在对下位设备进行读写操作时，检测到下位设备的异常信号的同时，读取到下位设备返回的设备异常的错误码，可用于故障诊断。

进一步的，为了防止等待，可选择瞬时通信模式发送该信息，如图2所示，通讯存储区域的transient区中划出一个区域transmit diagnose用于与设备存储区域的信息区中状态区、配置区交互，确定设备状态信息。

进一步的，下位设备的设备状态信息可以是主站下发了诊断信息后下位设备反馈给主站的，也可以是下位设备自检到异常后主动发送到主站的设备状态信息。

因此，通过数据分区映射关系读取下位设备的设备状态信息并发送给主站的过程，包括：

当收到下位设备的异常信号，通过数据分区映射关系读取下位设备的设备状态信息并发送给主站。

或者，通过数据分区映射关系读取下位设备的设备状态信息并发送给主站的过程，包括：

当收到主站的诊断信息，通过数据分区映射关系读取下位设备的设备状态信息，并将设备状态信息和自身的状态信息一起发送给主站。

可以理解的是，如果下位设备正常，则不会生成异常信号，同时设备状态信息为空，控制器在识别到异常信号不存在后确定当前下位设备正常；如果下位设备异常，则会生成异常信号，同时设备状态信息中出现错误码，控制器在接收到异常信号后读取设备状态信息的错误码和下位设备当前运行状态信息，将异常信息、错误码、下位设备当前运行状态信息、自身的状态信息一起发送给主站用于故障诊断。

可以理解的是，控制器将下位设备的状态信息发送给主站的过程中，可以同时将自身的状态信息与下位设备的状态信息打包后一起发送，提高设备定位的准确性，减少维护操作工时。

相应的，本申请实施例还公开了一种通讯扩展装置，参见图3所示，包括：

存储器10，用于存储计算机程序；

第一处理器11，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述通讯扩展方法的步骤。

在一些具体的实施例中，所述通讯扩展装置还包括：

第一端口P1，用于连接所述第一处理器11和下位设备；

第二端口P2，用于连接所述第一处理器11和一个或多个站点，所述站点至少包括主站，所有所述站点均位于同一个以太网中。

在一些具体的实施例中，所述通讯扩展装置还包括：

第二处理器12，用于建立网络协议的通讯链路；

所述第一处理器11和所述第二端口P2通过所述第二处理器12连接。

在一些具体的实施例中，所述通讯扩展装置还可包括：

状态端口，用于将所述下位设备的复位引脚和/或异常状态引脚与所述第一处理器11连接。

可以理解的是，本实施例中第一处理器11可选择CPU实现，第二处理器12连接于第二端口P2和第一处理器11之间，选择具有时间同步协议功能支持的以太网控制器实现，存储器10可选择flash或其他可存储介质，存储器10中除了存储计算机程序外，还存有涉及下位设备和以太网的协议栈，例如CC-Link IE TSN协议栈、TCP/IP协议栈等；第一端口P1、第二端口P2、第三端口根据连接对象和相应的协议进行选择，例如第一端口P1可选SPI协议的端口，第二端口P2通常为RJ45端口，同时，一个通讯扩展装置可包括多个第二端口P2，分别连接不同的站点，这些站点属于同一个以太网。

进一步的，通讯扩展装置上还可设置状态指示电路13，以指示自身或下位设备的当前状态，状态指示电路可通过GPIO线与第一控制器11连接。

可以理解的是，本实施例中通讯扩展装置的结构简单，PCB布局要求低，不需要单独的以太网芯片，节省了硬件成本。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种通讯扩展方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种通讯扩展方法，其特征在于，应用于控制器，包括：

按照下位设备的私有协议，建立自身与所述下位设备之间的通讯连接，并建立自身的通讯存储区域与所述下位设备的设备存储区域之间的数据分区映射关系；

按照以太网的网络协议，建立自身与主站在所述以太网中的网络连接；所述网络协议为一种结合TSN技术的实时以太网协议；

通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息，并将所述第一通讯信息由所述私有协议转换为所述网络协议后发送给所述主站；

当收到所述主站的第二通讯信息，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备。

2.根据权利要求1所述通讯扩展方法，其特征在于，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息的过程，包括：

根据当前目标通信模式，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的第一通讯信息；

相应的，所述将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备的过程，包括：

根据当前所述目标通信模式，将所述第二通讯信息由所述网络协议转换为所述私有协议后通过所述数据分区映射关系发送给所述下位设备；

其中，所述目标通信模式包括循环通信模式和/或瞬时通信模式。

3.根据权利要求2所述通讯扩展方法，其特征在于，还包括时间同步，所述时间同步包括：

通过PTP协议支持，为不同站点的通讯信息建立相同的通信时间基准；

所述站点包括所述主站和所述以太网中的其他站点，所述通讯信息包括所述主站发送的所述第二通讯信息和其他所述站点所发送的通讯信息。

4.根据权利要求3所述通讯扩展方法，其特征在于，所述按照以太网的网络协议，建立自身与主站在所述以太网中的网络连接之后，还包括：

根据时间分割标准，分时执行所述循环通信模式、和/或所述瞬时通信模式、和/或所述时间同步。

5.根据权利要求1至4任一项所述通讯扩展方法，其特征在于，还包括：

通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站。

6.根据权利要求5所述通讯扩展方法，其特征在于，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站的过程，包括：

当收到所述下位设备的异常信号，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站。

7.根据权利要求5所述通讯扩展方法，其特征在于，所述通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息并发送给所述主站的过程，包括：

当收到所述主站的诊断信息，通过所述数据分区映射关系读取所述下位设备的设备状态信息，并将所述设备状态信息和自身的状态信息一起发送给所述主站。

8.一种通讯扩展装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

第一处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述通讯扩展方法的步骤。

9.根据权利要求8所述通讯扩展装置，其特征在于，还包括：

第一端口，用于连接所述第一处理器和下位设备；

第二端口，用于连接所述第一处理器和一个或多个站点，所述站点至少包括主站，所有所述站点均位于同一个以太网中。

10.根据权利要求9所述通讯扩展装置，其特征在于，还包括：

第二处理器，用于建立网络协议的通讯链路；

所述第一处理器和所述第二端口通过所述第二处理器连接。

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