CN105450489A - 输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业控制技术领域，一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法，所述通信方法，包括以下步骤：步骤1、初始化设置，系统上电后，主站对各从站进行初始化设置，若初始化不成功进行步骤2故障处理，若初始化成功进行步骤3环网通信，通信过程中只需一次帧传输可完成主站与各从站的数据交换，若出现故障，则切换通信方式进行步骤4点对点通信，用于辅助环网通信，通信过程中可自动恢复为环网通信；当通信过程中遇到不可恢复故障时，进行步骤5终止通信。本发明的通信过程采用输出优先实现最短报文递推传输，数据区采用动态分配方式，主站根据净输出值的降序排列为从站重新编址，提供了最优的数据传输路径，减少了传输过程的时间浪费，可大大提高数据传输效率。

Description

输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法，属于工业控制技术领域。

背景技术

在工业控制技术领域中，单个控制单元很难满足多点分布式协同控制系统的需求，对于多点分布式协同控制系统，各站点之间需要通过大量的通信才能进行多点采集协同控制，随着网络技术和现场总线技术的不断发展，已有多种技术能够实现多点分布式协同控制。

目前工业控制技术领域中应用较广泛的通信协议有Modbus、Profibus、MPI、TCP、UDP、EtherCAT等，基于以上协议组成的通信系统，多数采用总线方式连接，进行点对点通信，协议设计简单，接线方便，但只能实现主站与从站之间的逐一通信，各从站之间无法直接通信，大大限制了数据同步速度，当总线上的从站过多时会导致系统的同步延时较长、主站频繁通信工作负担较大，逻辑控制效率较低。

基于以上协议组成的通信系统中，有的还使用交换机进行网络连接，与串口通信的系统相比其通信速率有了大幅度的提高，但其协议设计复杂，成本较高，各站点仍然采用点对点的通信方式，需要复杂的处理机制完成站点之间的协同控制；有的也采用环网方式连接，环网连接有效的解决了点对点通信的不足，减轻了主站的工作负担，但多数环网通信的数据帧为各站点分配了指定的映射长度，系统中每个站点只需要获取少量的数据信息却要花费大量的时间接收、处理、转发同等长度的数据帧，导致映射过程中报文的利用率不高，有大量的传输浪费，此外，环网通信过程中任意站点或线路出现故障，都会导致通信中断，故网络可靠性较差。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法。该通信方法能够实现环网和点对点两种通信方式，通信过程中采用输出优先实现最短报文递推传输，减少了主站的工作负担，提高了报文利用率，同时具有完善的网络冗余功能和自恢复功能，以保证数据通信的实时性和可靠性，解决了现有通信技术设计复杂、传输效率低、可靠性低等问题。

为了实现上述发明目的，解决现有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化设置，现场总线系统上电后，共享总线上连接的各站点开始工作，主站对共享总线上的各从站进行初始化设置，至少包括从站扫描，节点地址配置和参数配置；主站扫描总线上的所有从站，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构，所述网络拓扑结构中的从站均称为有效从站；若初始化设置成功，则进行步骤3，开始数据通信；若初始化过程中有故障，则进行步骤2，进行故障处理。

步骤2、故障处理，主站会根据通信过程中记录的故障码，判别故障类型，处理故障，并发送报警信息。

步骤3、环网通信，主站会周期性的发送环网通信帧，并通过环网通信帧完成主站和从站、从站和从站之间的数据交换，由于采用环网通信方式，一条数据帧要装载系统中所有站点的映射信息，系统中从站的数量越多，数据帧的长度就越大，为减少报文传输时间，本系统中主站利用重新编址后的从站顺序组装通信数据，采用输出优先的方式，在数据区中只装载需要写给各从站的物理输出资源的映射信息，保证只传输有效数据信息，最后将组装好的数据校验打包发送给第一个从站；所述环网通信帧会依次被每个从站接收处理，从站接收后会裁剪数据帧，截取自身物理输出的映射信息，添加物理输入的映射信息，并将重组后的数据帧发送给下一个从站或主站，整个传输过程数据帧长度会因各从站的信息需求自动的变化，减少了传输过程中的冗余信息；在环网通信过程中，若出现故障，则返回步骤2进行故障处理，若经故障处理确认环网通信中断，则进行步骤4，切换为点对点通信，保证网络的可靠性。

步骤4、点对点通信，用于辅助环网通信完成主站和从站之间的数据交换，通信过程中，主站会采用轮询方式按照节点地址从小到大的顺序依次对有效从站发送点对点通信帧，通信过程中一次帧传输可以完成主站与其中一个从站的数据交换；主站会根据有效从站的设备地址组装点对点通信数据，并将数据校验打包生成点对点通信帧发送到共享总线上；所述点对点通信帧将会被总线上的所有从站接收，各从站对接收到的数据帧进行过滤，若数据帧的目标地址不是该从站的设备地址则丢弃，否则接收，从数据区中提取自身物理输出的映射信息并将物理输入的映射信息写入数据区中，对数据重新校验打包，生成响应数据帧，发送至共享总线待主站接收；主站接收到目标从站的响应数据帧后，会以轮询方式和下一个从站通信；所述点对点通信过程中，主站会周期性的检测网络状态，若网络恢复则返回步骤1中的子步骤(a)，扫描共享总线上的所有从站，若所有从站都为有效从站，并且历史从站全部在线，则切换到步骤3恢复环网通信，否则返回到步骤2进行故障处理。

步骤5、通信终止，当通信过程中遇到不可恢复故障时，主站将切换为空闲状态，不发送任何数据帧，整个通信系统停止工作；在空闲状态中，主站会通过人机交互模块等待上位机的启动命令，接收到启动命令后返回步骤1，重新进行初始化工作。

所述步骤1中的初始化设置具体包括以下子步骤：

(a)从站扫描，系统上电后，主站会对总线上的所有从站进行全地址扫描，按照设备地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送扫描帧，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构；主站有两种扫描方式：首次扫描和自恢复扫描，若为首次扫描即主站中没有存储历史从站信息时，主站会根据扫描上的所有从站确认网络拓扑结构；若为自恢复扫描即主站中已存储历史从站信息时，主站会对重新扫描上的从站进行信息比对：扫描上的从站的设备类型和设备地址与主站中存放的历史从站信息相同，则为有效从站，否则为无效从站；若为无效从站，则记录故障码，说明网络拓扑结构有异常，待扫描完毕后进行步骤2，进行故障处理。

(b)节点地址配置，主站按子步骤(a)所确定的网络拓扑结构对连接到总线上的各从站进行节点地址配置，主站会根据各从站的I/O资源计算各从站的净输出值，所述净输出值是指各从站的物理输出与物理输入的差值进行降序排列，以净输出值的排列顺序为各从站配置节点地址，此外，主站也为自己分配了一个节点地址即最后一个从站的节点地址加1；在节点地址配置过程中，若有配置超时或负响应，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成节点地址配置并进行下一子步骤。

(c)参数配置，主站会根据自身的参数信息对共享总线上所有从站进行统一的参数配置，配置参数均为系统的公共参数；主站会按照节点地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置，配置参数中分为两类，一类是立即生效参数，另一类是系统重新上电生效参数；若参数配置失败，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成参数配置并进行下一子步骤。

(d)初始化设置成功，进行步骤3，各个站点之间进行环网通信。

所述步骤2中的故障处理具体为：在通信过程中，主站的通信管理模块会根据主站的故障检测模块记录的故障码，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤4继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤5，停止通信。

所述步骤3中的环网通信帧包括节点地址、帧类型、数据区长度、数据区和校验码；所述环网通信帧采用输出优先方式传输，数据帧会先经过净输出值最大的从站，然后经过净输出值次大的从站，依次经过所有从站，最终由净输出值最小的从站回给主站处理；通信过程中，所述环网通信帧的数据区采用动态分配方式，所述动态分配方式是指数据帧经过各从站时，从站会先从数据区起始地址中获取输出数据，再从数据区的尾地址起插入输入数据，并修改数据长度；全过程数据区长度会由多变少，又由少变多，保证传输数据均为有效数据，减少了传输过程的时间浪费；所述环网通信帧会以递推方式经过所有从站，最终回给主站处理，每个通信周期中，主站只需发送一条数据帧就可以完成与所有从站的数据交换，从而控制共享总线上的所有从站，实现高速的环网通信控制。

所述步骤4中的点对点通信帧包括设备地址、帧类型、数据区和校验码；通信过程中，主站按照节点地址从小到大的顺序，先根据节点地址最小的从站的映射信息组装了一条只有该从站输出数据的点对点通信帧，发送给该从站；节点地址最小的从站接收到数据帧后从数据区指定地址中获取自身的输出数据，并将自身的输入数据插入数据区，重新校验打包发送给主站；主站接收到该从站的响应数据帧后解析处理，然后根据节点地址次小的从站的映射信息重新组装点对点通信帧与节点地址次小的从站进行数据交互，依次类推，主站采用轮询方式与总线上的所有从站进行数据交换。

所述步骤3、4通信过程中除了调用环网通信帧和点对点通信帧以外，还调用了多种类型的数据帧，这些数据帧的内容包括依次连接的目的地址，为节点地址或设备地址、帧类型、数据区和校验码，数据帧种类包括：

(1)设备扫描帧，用于步骤1子步骤(a)中，初始化设置时主站逐一地址的发送设备扫描帧，扫描共享总线上的所有从站，用于获取从站的设备类型和物理资源的数量，确认网络拓扑结构。

(2)扫描响应帧，用于步骤步骤1子步骤(a)中，响应主站发送的设备扫描帧，所述数据帧的帧类型字段与设备扫描帧相同，从站接收设备扫描帧后，会根据自身的设备地址选择接收或丢弃，若接收则将自身的设备类型和物理资源的数量发送给主站。

(3)节点地址配置帧，用于步骤1子步骤(b)中，扫描完成后，主站会按照节点地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送节点地址配置帧；从站接收处理节点配置帧后会给主站发送对应的响应帧，同时从站需要将节点地址保存，用于后续的参数配置和数据通信。

(4)参数配置帧，用于在步骤1子步骤(c)中，配置节点地址后，主站根据节点地址对有效从站进行参数设置，主站采用广播方式发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置。

所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统，包括主站、共享总线及第1、2…n从站，所述主站，作为系统的核心控制单元，包括同步处理模块、人机交互模块、通信管理模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块、点对点通信模块、故障检测模块及主站数据传输模块；所述通信管理模块分别与同步处理模块、人机交互模块、故障检测模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块相连，所述从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块均与主站数据传输模块相连，所述主站数据传输模块通过自身的RS485接口与共享总线相连；所述第1、2…n从站，作为主站的扩展IO模块，包括第1、2…n从站数据传输模块及分别与第1、2…n从站数据传输模块相连的第1、2…n通信解析模块，所述第1、2…n从站数据传输模块通过自身的RS485接口分别与共享总线相连。

本发明有益效果是：一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，包括以下步骤：1、初始化设置，2、故障处理，3、环网通信，4、点对点通信，5、通信终止。与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明的环网通信帧采用输出优先实现最短报文递推传输，数据区采用动态分配方式，保证传输数据均为有效数据，减少了传输过程的时间浪费，可大大提高其数据传输效率。(2)本发明中，主站会根据净输出值的降序排列为各从站重新编址，提供了最优的数据传输路径，进一步提高其数据传输效率。(3)本发明采用环网通信方式，从站之间可以相互进行数据通信，只需一次帧传输，就可以完成主站与所有从站的数据交换，大大减轻了主站的负担，提高了主站的控制逻辑的执行效率。(4)本发明可通过在点对点通信过程中传输点对点通信帧，只需一次帧传输，可以完成主站与其中一个指定从站的数据交换，其通信方式简单，利于开发。(5)本发明利用共享总线的物理接线优势，实现了环网通信和点对点通信之间的网络冗余和自恢复功能，主站会周期性的检测网络状态，保证了数据通信的可靠性。

附图说明

图1是本发明HEBus高效现场总线系统网络拓扑结构示意图。

图2是本发明HEBus高效现场总线系统结构示意图。

图3是本发明方法步骤流程图。

图4是本发明方法步骤3中环网通信时的数据帧格式示意图。

图5是本发明方法步骤4中点对点通信时的数据帧格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，HEBus高效现场总线系统的网络拓扑结构，包括主站共享总线及第1、2…n从站，在物理连接上采用总线连接方式，即主站和各从站通过自身的RS485接口连接到数据总线上。在数据通信上采用环网通信方式，数据帧的处理路径为：主站、节点地址为1的第1从站S-1、节点地址为2的第2从站S-2、节点地址为3的第3从站S-3、……、节点地址为n的第n从站S-n、主站，在处理路径上构成了一个环型结构。确认系统的网络拓扑结构后，主站会根据各从站净输出值的降序排列顺序，为各从站分配节点地址。

如图2所示，一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统，包括主站、共享总线及第1、2…n从站，所述主站，作为系统的核心控制单元，包括同步处理模块、人机交互模块、通信管理模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块、点对点通信模块、故障检测模块及主站数据传输模块。所述同步处理模块与通信管理模块相连，主要用于同步各从站的物理资源，将各从站的物理资源有序的映射到主站中，由主站统一管理和控制。所述人机交互模块与通信管理模块相连，主要用于监控系统的工作状态，作为上位机与总线系统的接口。所述通信管理模块作为主站的中央处理器，分别与同步处理模块、人机交互模块、故障检测模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块相连，主要用于完成整个通信系统的状态调度和管理，对其他模块进行管理和控制。其中，所述从站扫描模块主要用于扫描共享总线上的所有从站，确认网络拓扑结构。所述故障检测模块主要用于检测整个通信过程中发生的故障。所述节点地址配置模块主要用于对有效从站进行节点地址配置，给每个从站分配唯一的节点地址。所述参数配置模块主要用于对从站进行参数配置。所述环网通信模块主要用于完成主站和从站之间的环网通信。所述点对点通信模块主要用于辅助所述环网通信模块完成主站和从站之间的数据交换。所述从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块均与主站数据传输模块相连，所述主站数据传输模块通过自身的RS485接口与共享总线相连，主要用于从共享总线上收发数据帧。

所述第1、2…n从站，作为主站的扩展IO模块，包括第1、2…n从站数据传输模块及分别与第1、2…n从站数据传输模块相连的第1、2…n通信解析模块，主要用于解析并处理由从站数据传输模块接收的数据帧。所述第1、2…n从站数据传输模块通过自身的RS485接口分别与共享总线相连，同所述主站数据传输模块功能相同，用于从共享总线上收发数据帧。

如图2所示，一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，包括以下步骤：

步骤1、现场总线系统上电后，共享总线上连接的各站点开始工作，主站对共享总线上的各从站进行初始化设置，至少包括从站扫描，节点地址配置和参数配置；主站扫描总线上的所有从站，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构，所述网络拓扑结构中的从站均称为有效从站；若初始化设置成功，则进行步骤3，开始数据通信；若初始化过程中有故障，则进行步骤2，进行故障处理。

步骤2、故障处理，主站会根据通信过程中记录的故障码，判别故障类型，处理故障，并发送报警信息。

步骤3、环网通信，环网通信主站会周期性的发送环网通信帧，由于采用环网通信方式，一条数据帧要装载系统中所有站点的映射信息，系统中从站的数量越多，数据帧的长度就越大，为减少报文传输时间，本系统中主站利用重新编址后的从站顺序组装通信数据，采用输出优先的方式，在数据区中只装载需要写给各从站的物理输出资源的映射信息，保证只传输有效数据信息，最后将组装好的数据校验打包发送给第一个从站；所述环网通信帧会依次被每个从站接收处理，从站接收后会裁剪数据帧，截取自身物理输出的映射信息，添加物理输入的映射信息，并将重组后的数据帧发送给下一个从站或主站，整个传输过程数据帧长度会因各从站的信息需求自动的变化，减少了传输过程中的冗余信息；

具体通信过程为主站的通信管理模块会通知环网通信模块根据有效从站的映射信息组装通信数据，并由主站数据传输模块将数据校验打包成数据帧发送到共享总线上；所述数据帧将会被总线上的所有从站接收，各从站利用自己的数据传输模块过滤接收到的数据帧，若数据帧的目标节点地址为该从站的节点地址，则对接收的数据进行校验，若校验正确，进行缓冲存储，并通知通信解析模块对该数据进行解析；通信解析模块从数据区起始地址截取物理输出的映射信息并将对应的物理输入的映射信息插入数据区尾地址中，并将节点地址加1，通过所述从站数据传输模块对修改后的数据进行重新校验打包，生成新的数据帧发送给下一个节点地址的站点。

在环网通信过程中，若出现故障，则返回步骤2进行故障处理；若经故障处理确认环网通信中断，则进行步骤4，切换为点对点通信，保证网络的可靠性。

步骤4、点对点通信，用于辅助环网通信完成主站和从站之间的数据交换，通信过程中，主站会采用轮询方式按照节点地址从小到大的顺序依次对有效从站发送点对点通信帧，通信过程中一次帧传输可以完成主站与其中一个从站的数据交换；主站会根据有效从站的设备地址组装点对点通信数据，并将数据校验打包生成点对点通信帧发送到共享总线上；所述点对点通信帧将会被总线上的所有从站接收，各从站对接收到的数据帧进行过滤，若数据帧的目标地址不是该从站的设备地址则丢弃，否则接收，从数据区中提取自身物理输出的映射信息并将物理输入的映射信息写入数据区中，对数据重新校验打包，生成响应数据帧，发送至共享总线待主站接收；主站接收到目标从站的响应数据帧后，会以轮询方式和下一个从站通信；

具体通信过程为主站的通信管理模块会通知点对点通信模块根据有效从站的设备地址组装点对点通信数据，并由主站数据传输模块将数据校验打包成数据帧发送到共享总线上；所述数据帧将会被总线上的所有从站接收，各从站利用自己的数据传输模块对接收到的数据帧进行过滤，若数据帧的目标地址不是该从站的设备地址则丢弃，否则对接收的数据进行校验，若校验正确，进行缓冲存储，并通知通信解析模块对该数据进行解析，通信解析模块会从数据区中提取自身物理输出的映射信息并将对应的物理输入的映射信息写入数据区中，通过所述从站数据传输模块对数据进行重新打包、校验，生成响应数据帧，并发送至共享总线待主站接收。主站接收到目标从站的响应数据帧后，会以轮询方式和下一个从站通信。

在点对点通信过程中，主站会周期性的检测网络状态，确认网络拓扑结构是否已经恢复，若恢复则自动切换回环网通信方式。在本实例中，系统转为点对点通信后，主站发送点对点通信帧依次与所有从站通信。当某个从站连续5次没有响应，则认为该从站掉线，为提高通信的实时性，以后不再每轮扫描该从站，而是每隔20轮与掉线从站通信一次，如果掉线从站有响应，则下一轮继续通信，连续三次都有响应，则认为该设备在线，如果所有从站都在线，则返回步骤1子步骤(a)，扫描共享总线上的所有从站，若所有从站都为有效从站，并且历史从站全部在线，则切换回步骤3恢复环网通信，否则返回步骤2进行故障处理。

步骤5、通信终止，当通信过程中遇到不可恢复故障时，主站将切换为空闲状态，不发送任何数据帧，整个通信系统停止工作。在空闲状态中，主站会通过人机交互模块等待上位机的启动命令，接收到启动命令后返回步骤1，重新进行初始化工作。

所述步骤1中，初始化设置具体包括以下子步骤：

(a)从站扫描：系统上电后，主站会对总线上的所有从站进行全地址扫描，按照设备地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送扫描帧，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构；主站有两种扫描方式：首次扫描和自恢复扫描，若为首次扫描即主站中没有存储历史从站信息时主站会存储每个从站的设备类型和物理资源的数量，建立新的网络拓扑结构。若为自恢复扫描即主站中已存储历史从站信息时，主站会对重新扫描上的所有从站进行信息比对：扫描上的从站的设备类型和设备地址与主站中存放的历史从站信息相同，则为有效从站，否则为无效从站；若有无效从站，则记录故障码，说明网络拓扑结构有异常，待扫描完毕后进行步骤2，进行故障处理；否则，即完成设备扫描，进行下一子步骤；

(b)节点地址配置：如图1所示，主站按子步骤(a)所确定的网络拓扑结构对连接到总线上的各个从站进行节点地址配置，主站分配给从站的节点地址是连续且不重复的，主站会根据各从站的I/O资源计算各从站的净输出值(所述净输出值是指各从站的物理输出与物理输入的差值)进行降序排列，以净输出值的排列顺序为各从站配置节点地址。其中同一类型的从站之间根据设备地址从小到大的顺序分配节点地址，主站配置完所有从站后也会给自己分配一个节点地址，该节点地址为n+1。在进行环网通信时，主站和其他n个从站会组成一个有n+1个节点的环型网络。采用这种分配方式为后续的环网通信帧的动态分配提供了基础。在节点地址配置过程中，若有配置超时或负响应，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成节点地址配置并进行下一子步骤；

(c)参数配置：主站会根据自身的参数信息对共享总线上所有从站进行统一的参数配置，配置参数均为系统的公共参数，包括：映射保持时间、通信参数等。主站采用广播方式发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置，配置参数中分为两类，一类是立即生效参数，如映射保持时间，另一类是系统重新上电生效参数，如通信参数；若参数配置失败，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成参数配置并进行下一子步骤。

(d)初始化设置成功，进行步骤3，各个站点之间进行环网通信。

所述步骤2中，故障处理具体为：在通信过程中，主站的通信管理模块会根据主站的故障检测模块记录的故障码，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤4继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤5，停止通信。

所述步骤3中，通过环网通信帧完成主站和从站、从站和从站之间的数据交换，如图4所示，本实例中环网通信帧的节点地址为1字节(内容为1～255)，帧类型为1字节(内容为0x43)，数据区长度为2字节(内容为数据区字节数)，数据区为0～512字节(内容为各从站映射的输出、输入数据)，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)。环网通信帧采用输出优先方式传输，数据帧会先经过净输出值最大的第1从站s-1，然后经过净输出值次大的第2从站s-2，依次经过所有从站最终由净输出值最小的第n从站s-n回给主站处理。通信过程中，所述环网通信帧的数据区采用动态分配方式，所述动态分配方式是指数据帧经过各从站时，从站会先从数据区起始地址中获取输出数据，再从数据区的尾地址起插入输入数据，并修改数据长度；全过程数据区长度会由多变少，又由少变多，保证传输数据均为有效数据，减少了传输过程的时间浪费。如图4所示，本实例中，首先主站根据各从站的映射信息组装了一条只有输出数据的环网通信帧发送给第1从站s-1，第1从站s-1接收后从数据区起始地址中获取自身的输出数据，再从数据区的尾地址起插入自身的输入数据并修改数据长度，将节点地址加1，重新校验打包发送给第2从站s-2；第2从站s-2重复第1从站s-1的工作将数据帧发给第3从站s-3，依次类推，这条环网通信帧以递推方式经过了所有从站，最终回给主站处理。每个通信周期中，主站只需发送一条数据帧就可以完成与所有从站的数据交换，从而控制共享总线上的所有从站，实现高速的环网通信控制。此外，传输过程中，也大大减少了主站的工作负荷，提高了主站的控制逻辑的执行效率。

所述步骤4中，通过点对点通信帧完成主站和从站之间的数据交换，如图5所示，所述点对点通信帧的设备地址为1字节(内容为1～255)，帧类型为1字节(内容为0x44)，数据区为0～512字节(内容为各从站映射的输出、输入数据，可附带各从站的映射信息)，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)。主站按照节点地址从小到大的顺序依次对指定设备地址的有效从站发送点对点通信帧，通信过程中一次帧传输可以完成主站与其中一个指定从站的数据交换。如图5所示，主站先根据第1从站s-1的映射信息组装了一条只有第1从站s-1的输出数据的点对点通信帧发送给第1从站s-1；第1从站s-1接收到数据帧后从数据区指定地址中获取自身的输出数据，并将自身的输入数据插入数据区，重新校验打包发送给主站；主站接收到第1从站s-1的响应数据帧后解析处理，并根据第2从站s-2的映射信息重新组装点对点通信帧与第2从站s-2进行数据交互，依次类推，主站采用轮询方式与总线上的所有从站进行数据交换。

整个通信过程中除了调用环网通信帧和点对点通信帧以外，还调用了多种类型的数据帧，这些数据帧的内容包括依次连接的目的地址(为节点地址或设备地址)、帧类型、数据区和校验码，数据帧种类包括：

设备扫描帧，用于步骤1子步骤(a)中，初始化设置时主站逐一地址的发送设备扫描帧，扫描共享总线上的所有从站，用于获取从站的设备类型和物理资源的数量，确认网络拓扑结构。设备扫描帧的目的地址为1字节(内容为1～255，是从站的设备地址)，帧类型为1字节(内容为0x41)，数据区为0字节(无需数据内容)，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)。

扫描响应帧，用于步骤1子步骤(a)中，响应主站发送的设备扫描帧，所述数据帧的帧类型字段与设备扫描帧相同，表示该数据帧为设备扫描帧的响应帧。从站接收设备扫描帧后，会根据自身的设备地址选择接收或丢弃，若接收则将自身的设备类型和物理资源的数量发送给主站。扫描响应帧的目的地址为1字节(内容为1～255，是从站的设备地址)，帧类型为1字节(内容为0x41)，数据区为6字节(内容为从站设备类型和物理资源的数量)，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)。本实例中，数据区字段的从站设备类型为1字节(内容为1～255，表示设备类型对应的ID)，物理资源的数量为4字节，每个字节对应一种物理资源的数量，共包括数字量输入(DI)、模拟量输入(AI)、数字量输出(DQ)、模拟量输出(AQ)4种物理资源。

节点地址配置帧，用于步骤1子步骤(b)中，扫描完成后，主站会按照节点地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送节点地址配置帧。从站接收处理节点配置帧后会给主站发送对应的响应帧，同时从站需要将节点地址保存，用于后续的参数配置和数据通信。节点地址配置帧的目的地址为1字节(内容为1～255，是从站的设备地址)，帧类型为1字节(内容为0x42)，数据区为1～512字节(内容为需配置的节点地址，可附带物理资源映射数量，映射地址等映射信息)，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)。

参数配置帧，用于步骤1子步骤(c)中，配置节点地址后，主站根据节点地址对有效从站进行参数设置，主站采用广播方式发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置，确保所有从站的通信参数都与主站的通信参数保持一致。参数配置帧的目的地址为1字节(内容为1～255，是从站的节点地址)，帧类型为1字节(内容为0x45)，数据区为0～512个字节，校验码为2字节(内容为数据帧的循环冗余校验码)；参数信息字段的内容可根据不同实例的需要调整，本实例中该字段包括映射保持时间、通信参数，其中，所述映射保持时间是指主站与从站之间保持映射的时间，即通信过程中，从站会实时监测总线上是否有数据帧，若在映射保持时间内没有任何数据帧则认为系统通信已经终止，从站会自动关闭物理输出，等待主站重新建立连接；本实例中通信参数字段主要包括通信波特率、校验位、数据位、停止位，从站获取通信参数后会存储到FLASH中，不会立即使用，保证了当前通信不会受到新的通信参数的影响，新的通信参数重新上电后生效。

上述数据帧的过滤、校验打包工作都由主、从站的数据传输模块完成。

所述步骤1子步骤(b)中，主站在进行节点地址配置之前，会根据各从站的物理输入输出资源计算各从站的净输出值进行降序排列，以净输出值的排列顺序为各从站配置节点地址。具体的计算方法如下：

本实例中，使用变量DiNum，AiNum，DqNum，AqNum代表4种物理资源DI，AI，DQ，AQ的映射数量。

在环网通信帧中，以字为单位分配从站的映射空间，使用num0，num1，num2，num3分别代表每个从站的4种物理资源所占有的映射空间的字长度，由于DI、DQ的映射资源是一位一位的，如果不够整数个字，需要按照整字处理，具体计算公式为：

a)num0＝(DqNum+15)/16(1)

b)num1＝AqNum(2)

c)num2＝(DiNum+15)/16(3)

d)num3＝AiNum(4)

由公式(1)、(2)、(3)和(4)得出每个从站的净输出值为：

e)y＝num0+num1–num2–num3(5)

节点地址分配根据净输出值的降序排列顺序分配，净输出值越大节点地址越小。这种输出优先的分配方法，保证了传输过程中数据帧的最短化，节省了传输时间，减少了数据帧传输过程中的时间浪费。

本发明优点在于：一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统及通信方法，通信过程采用输出优先实现最短报文递推传输，数据区采用动态分配方式，主站根据净输出值的降序排列为从站重新编址，提供了最优的数据传输路径，减少了传输过程的时间浪费，可大大提高数据传输效率。

Claims (7)

1.一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、初始化设置，现场总线系统上电后，共享总线上连接的各站点开始工作，主站对共享总线上的各从站进行初始化设置，至少包括从站扫描，节点地址配置和参数配置；主站扫描总线上的所有从站，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构，所述网络拓扑结构中的从站均称为有效从站；若初始化设置成功，则进行步骤3，开始数据通信；若初始化过程中有故障，则进行步骤2，进行故障处理；

步骤2、故障处理，主站会根据通信过程中记录的故障码，判别故障类型，处理故障，并发送报警信息；在通信过程中，主站的通信管理模块会根据主站的故障检测模块记录的故障码，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤4继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤5，停止通信；

步骤3、环网通信，主站会周期性的发送环网通信帧，并通过环网通信帧完成主站和从站、从站和从站之间的数据交换，由于采用环网通信方式，一条数据帧要装载系统中所有站点的映射信息，系统中从站的数量越多，数据帧的长度就越大，为减少报文传输时间，本系统中主站利用重新编址后的从站顺序组装通信数据，采用输出优先的方式，在数据区中只装载需要写给各从站的物理输出资源的映射信息，保证只传输有效数据信息，最后将组装好的数据校验打包发送给第一个从站；所述环网通信帧会依次被每个从站接收处理，从站接收后会裁剪数据帧，截取自身物理输出的映射信息，添加物理输入的映射信息，并将重组后的数据帧发送给下一个从站或主站，整个传输过程数据帧长度会因各从站的信息需求自动的变化，减少了传输过程中的冗余信息；在环网通信过程中，若出现故障，则返回步骤2进行故障处理，若经故障处理确认环网通信中断，则进行步骤4，切换为点对点通信，保证网络的可靠性；

步骤4、点对点通信，用于辅助环网通信完成主站和从站之间的数据交换，通信过程中，主站会采用轮询方式按照节点地址从小到大的顺序依次对有效从站发送点对点通信帧，通信过程中一次帧传输可以完成主站与其中一个从站的数据交换；主站会根据有效从站的设备地址组装点对点通信数据，并将数据校验打包生成点对点通信帧发送到共享总线上；所述点对点通信帧将会被总线上的所有从站接收，各从站对接收到的数据帧进行过滤，若数据帧的目标地址不是该从站的设备地址则丢弃，否则接收，从数据区中提取自身物理输出的映射信息并将物理输入的映射信息写入数据区中，对数据重新校验打包，生成响应数据帧，发送至共享总线待主站接收；主站接收到目标从站的响应数据帧后，会以轮询方式和下一个从站通信；所述点对点通信过程中，主站会周期性的检测网络状态，若网络恢复则返回步骤1中的子步骤(a)，扫描共享总线上的所有从站，若所有从站都为有效从站，并且历史从站全部在线，则切换到步骤3恢复环网通信，否则返回到步骤2进行故障处理；

步骤5、通信终止，当通信过程中遇到不可恢复故障时，主站将切换为空闲状态，不发送任何数据帧，整个通信系统停止工作；在空闲状态中，主站会通过人机交互模块等待上位机的启动命令，接收到启动命令后返回步骤1，重新进行初始化工作。

2.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于：所述步骤1中的初始化设置具体包括以下子步骤：

(a)从站扫描：系统上电后，主站会对总线上的所有从站进行全地址扫描，按照设备地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送扫描帧，获取从站的设备类型和物理资源，确认网络拓扑结构；主站有两种扫描方式：首次扫描和自恢复扫描，若为首次扫描即主站中没有存储历史从站信息时，主站会根据扫描上的所有从站确认网络拓扑结构；若为自恢复扫描即主站中已存储历史从站信息时，主站会对重新扫描上的从站进行信息比对：扫描上的从站的设备类型和设备地址与主站中存放的历史从站信息相同，则为有效从站，否则为无效从站；若为无效从站，则记录故障码，说明网络拓扑结构有异常，待扫描完毕后进行步骤2，进行故障处理；

(b)节点地址配置：主站按子步骤(a)所确定的网络拓扑结构对连接到总线上的各从站进行节点地址配置，主站会根据各从站的I/O资源计算各从站的净输出值，所述净输出值是指各从站的物理输出与物理输入的差值进行降序排列，以净输出值的排列顺序为各从站配置节点地址，此外，主站也为自己分配了一个节点地址即最后一个从站的节点地址加1；在节点地址配置过程中，若有配置超时或负响应，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成节点地址配置并进行下一子步骤；

(c)参数配置：主站会根据自身的参数信息对共享总线上所有从站进行统一的参数配置，配置参数均为系统的公共参数；主站会按照节点地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置，配置参数中分为两类，一类是立即生效参数，另一类是系统重新上电生效参数；若参数配置失败，则进行步骤2，进行故障处理；否则，完成参数配置并进行下一子步骤；

(d)初始化设置成功，进行步骤3，各个站点之间进行环网通信。

3.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于：所述步骤2中的故障处理具体为：在通信过程中，主站的通信管理模块会根据主站的故障检测模块记录的故障码，判别故障类型，对现场总线系统进行故障处理，若故障可恢复，则通过步骤4继续通信，若故障不可恢复，则进行步骤5，停止通信。

4.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于：所述步骤3中的环网通信帧包括节点地址、帧类型、数据区长度、数据区和校验码；所述环网通信帧采用输出优先方式传输，数据帧会先经过净输出值最大的从站，然后经过净输出值次大的从站，依次经过所有从站，最终由净输出值最小的从站回给主站处理；通信过程中，所述环网通信帧的数据区采用动态分配方式，所述动态分配方式是指数据帧经过各从站时，从站会先从数据区起始地址中获取输出数据，再从数据区的尾地址起插入输入数据，并修改数据长度；全过程数据区长度会由多变少，又由少变多，保证传输数据均为有效数据，减少了传输过程的时间浪费；所述环网通信帧会以递推方式经过所有从站，最终回给主站处理，每个通信周期中，主站只需发送一条数据帧就可以完成与所有从站的数据交换，从而控制共享总线上的所有从站，实现高速的环网通信控制。

5.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于：所述步骤4中的点对点通信帧包括设备地址、帧类型、数据区和校验码；通信过程中，主站按照节点地址从小到大的顺序，先根据节点地址最小的从站的映射信息组装了一条只有该从站输出数据的点对点通信帧，发送给该从站；节点地址最小的从站接收到数据帧后从数据区指定地址中获取自身的输出数据，并将自身的输入数据插入数据区，重新校验打包发送给主站；主站接收到该从站的响应数据帧后解析处理，然后根据节点地址次小的从站的映射信息重新组装点对点通信帧与节点地址次小的从站进行数据交互，依次类推，主站采用轮询方式与总线上的所有从站进行数据交换。

6.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统通信方法，其特征在于：所述步骤3、4通信过程中除了调用环网通信帧和点对点通信帧以外，还调用了多种类型的数据帧，这些数据帧的内容包括依次连接的目的地址，为节点地址或设备地址、帧类型、数据区和校验码，数据帧种类包括：

(1)设备扫描帧，用于步骤1子步骤(a)中，初始化设置时主站逐一地址的发送设备扫描帧，扫描共享总线上的所有从站，用于获取从站的设备类型和物理资源的数量，确认网络拓扑结构；

(2)扫描响应帧，用于步骤步骤1子步骤(a)中，响应主站发送的设备扫描帧，所述数据帧的帧类型字段与设备扫描帧相同，从站接收设备扫描帧后，会根据自身的设备地址选择接收或丢弃，若接收则将自身的设备类型和物理资源的数量发送给主站；

(3)节点地址配置帧，用于步骤1子步骤(b)中，扫描完成后，主站会按照节点地址从小到大的顺序依次对指定地址的从站发送节点地址配置帧；从站接收处理节点配置帧后会给主站发送对应的响应帧，同时从站需要将节点地址保存，用于后续的参数配置和数据通信；

(4)参数配置帧，用于在步骤1子步骤(c)中，配置节点地址后，主站根据节点地址对有效从站进行参数设置，主站采用广播方式发送参数设置帧，完成总线上所有从站的参数配置。

7.根据权利要求1所述一种输出优先实现最短报文的HEBus高效现场总线系统，包括主站、共享总线及第1、2…n从站，其特征在于：所述主站，作为系统的核心控制单元，包括同步处理模块、人机交互模块、通信管理模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块、点对点通信模块、故障检测模块及主站数据传输模块；所述通信管理模块分别与同步处理模块、人机交互模块、故障检测模块、从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块相连，所述从站扫描模块、节点地址配置模块、参数配置模块、环网通信模块及点对点通信模块均与主站数据传输模块相连，所述主站数据传输模块通过自身的RS485接口与共享总线相连；所述第1、2…n从站，作为主站的扩展IO模块，包括第1、2…n从站数据传输模块及分别与第1、2…n从站数据传输模块相连的第1、2…n通信解析模块，所述第1、2…n从站数据传输模块通过自身的RS485接口分别与共享总线相连。