CN102833112B - 一种具有环网功能的通信管理机 - Google Patents
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Abstract
一种具有环网功能的通信管理机，包括内嵌有协议转换模块的CPU、以太网通信模块、以太网交换模块、串口通信模块、存储模块和电源模块，其特征在于CPU还内嵌有以太网环网算法模块和WEB配置模块，以太网交换模块包括至少两个以太网接口。通过内嵌自主快速环网算法，增加了以太网环网连接的拓扑结构，并且自主环网算法遵循STP和RSTP标准，具有环网功能。将多个分散的通信节点的通信管理机与终端组网采用环网连接方式，显著简化了工业现场的布线长度和通信设备数量，降低了成本，还简化了组网步骤，组网更加灵活，施工更加方便。相比于现有的星形、树形等传统拓扑结构，通信可靠性也有明显提高，可以广泛应用于各类变配电自动化系统。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备，特别是涉及一种具有环网功能的通信管理机。
背景技术
通信管理机是一种嵌入式智能通信装置，一般包括CPU、以太网通信模块、以太网交换模块、串口通信模块、存储模块和电源模块。用于采集和转发自动化系统如变配电现场所有的设备数据，并通过用户指定的通讯协议以及以太网或/和串口通讯介质集中送往远方监控主机，同时将远方监控主机的命令传递给各测控装置，实现监控主机对整个现场的远程控制与整定。一些CPU内嵌有协议转换模块的通信管理机，还可以解决自动化系统中各种不同通信协议、不同通信标准的转换解析以及相应异构系统之间的设备通信互联与互动操作。然而，在智能设备安装比较分散或者数量比较多的变配电现场，需要将多个通信管理机通过以太网交换机连接到监控主机上，所述以太网交换机是基于以太网传送数据的交换机，其结构是每个端口都直接与所述通信管理机相连，并且工作在全双工方式，交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的所述通信管理机都能独立进行无冲突地传送数据，所述以太网是采用共享总线型传送媒体方式的局域网。然而，将多个分散安装在相应通信节点的通信管理机的组网是采用如图1所示的星型连接方式，不仅走线多，布线麻烦，施工成本和维护成本高，而且每个通信管理机只有一条线路与以太网交换机连接，一旦这条线路出现断开故障，这个通信管理机就不能与监控主机通信。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述通信管理机采用星形连接方式与以太网交换机连接的缺陷，提供一种具有环网功能的通信管理机。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种具有环网功能的通信管理机，包括内嵌有协议转换模块的CPU、以太网通信模块、以太网交换模块、串口通信模块、存储模块和电源模块，用于采集和转发自动化系统所有的设备数据，并通过用户指定的通讯协议以及以太网或/和串口通讯介质集中送往远方监控主机，同时将远方监控主机的命令传递给各测控装置，实现监控主机对整个现场的远程控制与整定，并解决自动化系统中各种不同通信协议、不同通信标准的转换解析以及相应异构系统之间的设备通信互联与互动操作，所述通信协议包括通用异步接收/发送装置(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，缩略词为UART)通信协议和以太网通信协议。
这种具有环网功能的通信管理机的特点是：
所述CPU还内嵌有以太网环网算法模块和WEB配置模块。
所述以太网环网算法模块采用自主环网算法，执行生成树协议(Spanning Tree Protocol，缩略词为STP)和快速生成树协议(RapidSpanning Tree Protocol，缩略词为RSTP)，具有环网功能，使多个分散安装在相应通信节点的通信管理机的组网采用以太网环网连接方式与所述以太网交换机连接，在以太网工作正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块将自动阻塞一条链路作为备用链路，即断开其中一条链路，在另外一条链路工作不正常时再启用，以确保网络正常工作。
所述WEB配置模块用于配置串口相关参数及工作模式，以及以太网环网端口及环网类型，通信管理机通过以上参数配置按照对应参数进行数据包的解析和打包，实现UART通信协议和以太网通信协议之间的互相转换，所述参数包括设备名称、型号，软件版本和IP地址。
所述以太网交换模块包括至少两个以太网接口，其中的任意两个用于环网连接的以太网接口，分别与环网连接在依次为前后的另外两个通信管理机中的以太网交换模块的一个以太网接口逐一连接呈环状，排列在前面的一个通信管理机的第二个以太网接口与依次排列其后的另一个通信管理机的第一个以太网接口互相连接，排列在最后的一个通信管理机的第二个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第二个通信交换用以太网接口连接，排列在最前面的一个通信管理机的第一个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第一个通信交换用以太网接口连接；其中的第三个以太网接口用于直接与监控主机互联，或者通过以太网交换机实现和监控主机互联。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述以太网交换模块是执行自主冗余环网协议的以太网交换模块，具有以太网链路兀余与故障快速自动恢复能力，自愈时间在20ms以内，当以太网工作不正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块自动阻塞的备用链路在20ms以内自动启用，快速恢复链路通信，以确保网络正常工作。
优选的是，所述以太网交换模块是基于浏览器简易管理的以太网交换模块，用于向所述串口通信模块进行数据采集和协议转换，其包括设有至少两个PHY接口的Switch芯片，以及与至少两个以太网接口分别连接的至少两个RJ45和/或光纤收发模块，所述Switch芯片的至少两个PHY接口分别通过至少两个以太网接口与所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块一一对应连接，还通过介质无关接口(Media Independent Interface，缩略词为MII)与所述CPU连接，通信协议为标准以太网协议，所述Switch芯片实现多个以太网接口的扩展，并实现以太网数据包在不同以太网接口之间的交换。
所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块分别与所述电源模块连接，所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块和对应的以太网RJ45接口或者光纤接口连接实现通信，其中RJ45接口通信距离约100m，光纤接口通信距离为2～120km。
所述串口通信模块包括至少两个RS232/RS485/RS422电路，所述RS232/RS485/RS422电路的物理层接口为RS232和/或RS485和/或RS422，分别与CPU的至少两个UART接口连接，通信协议为标准UART协议。
所述串口通信模块的物理层接口RS232、RS485和RS422还分别与多种类型的数据采集终端连接进行通信，其中RS485和RS422的同一个串口以菊花链结构与多个同类型的数据采集终端连接进行通信，用于从数据采集终端获取数据。
本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
所述CPU是采用ARM公司的Cortex-M3处理器内核结构的CPU。
所述以太网接口是以太网光接口和以太网电接口中的一种。
优选的是，所述以太网接口是和内部电路电气隔离的以太网接口，以便应用在复杂的工业环境中。
优选的是，所述串口通信模块包括两个RS232/RS485/RS422电路，且设有两个隔离电路，所述两个RS232/RS485/RS422电路分别通过两个UART接口与所述两个隔离电路连接，所述两个隔离电路再通过CPU的两个UART接口与所述CPU连接。
所述存储模块包括铁电存储器，所述铁电存储器通过串行外围接口(Serial Peripheral Interface，缩略词为SPI)接口与所述CPU连接，还与所述电源模块连接，用于存储程序运行过程中的定值参数。
所述电源模块采用开关电源设计，输入电压范围：95VDC/AC～250VDC/AC±10％，频率为47Hz～440Hz。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述UART通信协议和以太网通信协议的互相转换的过程包括以下步骤：
1)某个具有环网功能的通信管理机的串口通信模块从终端设备获取串口格式的数据包，由CPU分解出实际采集信号数据；
2)将所述实际采集信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
3)将以太网传送格式的数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地传送至监控主机；
4)由监控主机对获取的数据包进行处理；
5)在监控主机的显示器显示按照以太网协议还原出数据采集终端得到的实际采集信号数据，或者采用预先设定的逻辑计算获取控制信号数据；
6)将获取的控制信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
7)将以太网传送格式数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地回送至环网连接的某个具有环网功能的通信管理机；
8)某个具有环网功能的通信管理机按照以太网协议CPU分解出实际控制信号数据，暂时存储于其存储模块中，且CPU转换成满足串口通信格式的数据包分时、分包传送至终端设备，实现控制功能。
本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
所述UART通信协议和以太网通信协议的互相转换的过程中，
步骤3)是将以太网传送格式的数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口、具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口实时地传送至监控主机。
步骤4)是由监控主机对从具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口获取的数据包进行处理。
步骤7)是将以太网传送格式数据包依次通过具有环网功能的以太网交换机第三个通信交换用以太网接口、第一个通信交换用以太网接口或第二个通信交换用以太网接口、环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地回送至环网连接的某个具有环网功能的通信管理机。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的通信管理机通过内嵌自主快速环网算法，增加了以太网环网连接的拓扑结构，并且自主环网算法遵循STP和RSTP标准，具有环网功能。将多个分散的通信节点的通信管理机与终端组网采用环网连接方式，显著简化了工业现场的布线长度和通信设备数量，降低了成本，还简化了组网步骤，组网更加灵活，施工更加方便。相比于现有的星形、树形等传统拓扑结构，通信可靠性也有明显提高，可以广泛应用于各类变配电自动化系统，如无人值守变电站、电厂电气监控系统、水电站自动化系统、变电站自动化系统、发电厂综合自动化系统、企业变配电自动化系统、调度/集控自动化子站系统、保护管理子站系统。
附图说明
图1是现有通信管理机的星型连接图；
图2是本发明具体实施方式的组成方框图；
图3是本发明具体实施方式的环网连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
一种如图2、3所示的具有环网功能的通信管理机2，包括内嵌有协议转换模块、以太网环网算法模块和WEB配置模块的CPU、以太网通信模块、以太网交换模块、串口通信模块、存储模块和电源模块，用于采集和转发自动化系统所有的设备数据，并通过用户指定的通讯协议以及以太网或/和串口通讯介质集中送往远方监控主机，同时将远方监控主机的命令传递给各测控装置，实现监控主机对整个现场的远程控制与整定，并解决自动化系统中各种不同通信协议、不同通信标准的转换解析以及相应异构系统之间的设备通信互联与互动操作，所述通信协议包括UART通信协议和以太网通信协议。
CPU采用ARM公司的Cortex-M3处理器内核结构，其以太网环网算法模块采用自主环网算法，执行STP和RSTP，具有环网功能，使多个分散安装在相应通信节点的通信管理机的组网采用以太网环网连接方式与所述以太网交换机连接，在以太网工作正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块将自动阻塞一条链路作为备用链路，即断开其中一条链路，在另外一条链路工作不正常时再启用，以确保网络正常工作。
CPU的WEB配置模块用于配置串口相关参数及工作模式，以及以太网环网端口及环网类型，通信管理机通过以上参数配置按照对应参数进行数据包的解析和打包，实现UART通信协议和以太网通信协议之间的互相转换，相关参数包括设备名称、型号，软件版本和IP地址。
以太网交换模块包括五个和内部电路电气隔离的以太网光接口和/或以太网电接口，其中的任意两个用于环网连接的以太网接口，分别与环网连接在依次为前后的另外两个通信管理机1、3中的以太网交换模块的一个以太网接口逐一连接呈环状，排列在前面的一个通信管理机2的第二个以太网接口与依次排列其后的另一个通信管理机3的第一个以太网接口互相连接，排列在最后的一个通信管理机3的第二个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第二个通信交换用以太网接口2连接，排列在最前面的一个通信管理机1的第一个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第一个通信交换用以太网接口1连接；其中的第三个以太网接口用于直接与监控主机互联，或者通过以太网交换机实现和监控主机互联。
以太网交换模块执行自主冗余环网协议，具有以太网链路冗余与故障快速自动恢复能力，自愈时间在20ms以内，当以太网工作不正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块自动阻塞的备用链路在20ms以内自动启用，快速恢复链路通信，以确保网络正常工作。
以太网交换模块是基于浏览器简易管理的以太网交换模块，用于向串口通信模块进行数据采集和协议转换，其包括设有五个PHY1～PHY5接口的Switch芯片，以及与五个以太网接口分别连接的五个RJ45和/或光纤收发模块1～RJ45和/或光纤收发模块5，Switch芯片的五个PHY1～PHY5接口分别通过五个以太网接口与五个RJ45和/或光纤收发模块1～RJ45和/或光纤收发模块5一一对应连接，还通过MII与CPU连接，通信协议为标准以太网协议，具体参数如下：
标准符合10Base-T/100Base-T，IEEE 802.3x Flow Control andBack-pressure；
协议支持TCP、UDP、HTTP、DHCP和DNS；
速率：10Mbps/100Mbps；
工作方式：全双工或半双工；
工作模式：TCP Server、TCP Client、UDP和TCP Auto。
Switch芯片实现多个以太网接口的扩展，并实现以太网数据包在不同以太网接口之间的交换。
五个RJ45和/或光纤收发模块1～RJ45和/或光纤收发模块5分别与电源模块连接，五个RJ45和/或光纤收发模块1～RJ45和/或光纤收发模块5和对应的以太网RJ45接口或者光纤接口连接实现通信，其中RJ45接口通信距离约100m，光纤接口通信距离为2～120km。
串口通信模块包括RS232/RS485/RS422电路1、RS232/RS485/RS422电路2，且设有隔离电路1、隔离电路2，，RS232/RS485/RS422电路1、RS232/RS485/RS422电路2的物理层接口为RS232和/或RS485和/或RS422，分别通过UART2接口、UART4接口与隔离电路1、隔离电路2连接，隔离电路1、隔离电路2再通过CPU的UART1、UART3接口与CPU连接，通信协议为标准UART协议，具体参数如下：
波特率为300bps～115200bps可选；
数据位为8bit；
校验方式为None、Even、Odd、Space、Mark可选；
停止位为1、1.5、2bit可选。
串口通信模块的物理层接口RS232、RS485和RS422还分别与多种类型的数据采集终端连接进行通信，其中RS485和RS422的同一个串口以菊花链结构与多个同类型的数据采集终端连接进行通信，用于从数据采集终端获取数据。
存储模块包括铁电存储器，所述铁电存储器通过SPI接口与CPU连接，还与所述电源模块连接，用于存储程序运行过程中的定值参数。
电源模块采用开关电源设计，输入电压范围：95VDC/AC～250VDC/AC±10％，频率为47Hz～440Hz。
UART通信协议和以太网通信协议的互相转换的过程包括以下步骤：
1)具有环网功能的通信管理机2的串口通信模块从终端设备获取串口格式的数据包，由CPU分解出实际采集信号数据；
2)将实际采集信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
3)将以太网传送格式的数据包依次通过环网连接的具有环网功能的通信管理机1中的以太网交换模块的以太网接口2或具有环网功能的通信管理机3中的以太网交换模块的以太网接口1、具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口3实时地传送至监控主机；
4)由监控主机对从具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口3获取的数据包进行处理；
5)在监控主机的显示器显示按照以太网协议还原出数据采集终端得到的实际采集信号数据，或者采用预先设定的逻辑计算获取控制信号数据；
6)将获取的控制信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
7)将以太网传送格式数据包依次通过具有环网功能的以太网交换机第三个通信交换用以太网接口3、第一个通信交换用以太网接口1或第二个通信交换用以太网接口2、环网连接的具有环网功能的通信管理机1中的以太网交换模块的以太网接口2或具有环网功能的通信管理机3中的以太网交换模块的以太网接口1实时地回送至环网连接的具有环网功能的通信管理机2；
8)具有环网功能的通信管理机2按照以太网协议CPU分解出实际控制信号数据，暂时存储于其存储模块中，且CPU转换成满足串口通信格式的数据包分时、分包传送至终端设备，实现控制功能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种具有环网功能的通信管理机，包括内嵌有协议转换模块的CPU、以太网通信模块、以太网交换模块、串口通信模块、存储模块和电源模块，用于采集和转发自动化系统所有的设备数据，并通过用户指定的通讯协议以及以太网或/和串口通讯介质集中送往远方监控主机，同时将远方监控主机的命令传递给各测控装置，实现监控主机对整个现场的远程控制与整定，并解决自动化系统中各种不同通信协议、不同通信标准的转换解析以及相应异构系统之间的设备通信互联与互动操作，所述通信协议包括通用异步接收/发送装置UART通信协议和以太网通信协议，其特征在于：
所述CPU还内嵌有以太网环网算法模块和WEB配置模块；
所述以太网环网算法模块采用自主环网算法，执行生成树协议STP和快速生成树协议RSTP，具有环网功能，使多个分散安装在相应通信节点的通信管理机的组网采用以太网环网连接方式与以太网交换机连接，在以太网工作正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块将自动阻塞一条链路作为备用链路，即断开其中一条链路，在另外一条链路工作不正常时再启用，以确保网络正常工作；
所述WEB配置模块用于配置串口相关参数及工作模式，以及以太网环网端口及环网类型，通信管理机通过以上参数配置按照对应参数进行数据包的解析和打包，实现UART通信协议和以太网通信协议之间的互相转换，所述参数包括设备名称、型号，软件版本和IP地址；
所述以太网交换模块包括至少两个以太网接口，其中的任意两个用于环网连接的以太网接口，分别与环网连接在依次为前后的另外两个通信管理机中的以太网交换模块的一个以太网接口逐一连接呈环状，排列在前面的一个通信管理机的第二个以太网接口与依次排列其后的另一个通信管理机的第一个以太网接口互相连接，排列在最后的一个通信管理机的第二个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第二个通信交换用以太网接口连接，排列在最前面的一个通信管理机的第一个以太网接口与具有环网功能的以太网交换机的第一个通信交换用以太网接口连接；其中的第三个以太网接口用于直接与监控主机互联，或者通过以太网交换机实现和监控主机互联。
2.如权利要求1所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述以太网交换模块是执行自主冗余环网协议的以太网交换模块，具有以太网链路冗余与故障快速自动恢复能力，自愈时间在20ms以内，当以太网工作不正常时，内嵌在CPU的以太网环网算法模块自动阻塞的备用链路在20ms以内自动启用，快速恢复链路通信，以确保网络正常工作。
3.如权利要求1或2所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述以太网交换模块是基于浏览器简易管理的以太网交换模块，用于向所述串口通信模块进行数据采集和协议转换，其包括设有至少两个PHY接口的Switch芯片，以及与至少两个以太网接口分别连接的至少两个RJ45和/或光纤收发模块，所述Switch芯片的至少两个PHY接口分别通过至少两个以太网接口与所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块一一对应连接，还通过介质无关接口MII与所述CPU连接，所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块分别与所述电源模块连接，所述至少两个RJ45和/或光纤收发模块和对应的以太网RJ45接口或者光纤接口连接实现通信，通信协议为标准以太网协议，所述Switch芯片实现多个以太网接口的扩展，并实现以太网数据包在不同以太网接口之间的交换。
4.如权利要求3所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述串口通信模块包括至少两个RS232/RS485/RS422电路，所述RS232/RS485/RS422电路的物理层接口为RS232和/或RS485和/或RS422，分别与所述CPU的至少两个UART接口连接，通信协议为标准UART协议。
5.如权利要求4所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述串口通信模块的物理层接口RS232、RS485和RS422还分别与多种类型的数据采集终端连接进行通信，其中RS485和RS422的同一个串口以菊花链结构与多个同类型的数据采集终端连接进行通信，用于从数据采集终端获取数据。
6.如权利要求5所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述CPU是采用ARM公司的Cortex-M3处理器内核结构的CPU。
7.如权利要求6所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述以太网接口是以太网光接口和以太网电接口中的一种，是和内部电路电气隔离的以太网接口。
8.如权利要求7所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述串口通信模块包括两个RS232/RS485/RS422电路，且设有两个隔离电路，所述两个RS232/RS485/RS422电路分别通过两个UART接口与所述两个隔离电路连接，所述两个隔离电路再通过CPU的两个UART接口与所述CPU连接；
所述存储模块包括铁电存储器，所述铁电存储器通过串行外围接口SPI接口与所述CPU连接，还与所述电源模块连接，用于存储程序运行过程中的定值参数；
所述电源模块采用开关电源设计，输入电压范围：95VDC/AC～250VDC/AC±10％，频率为47Hz～440Hz。
9.如权利要求8所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述UART通信协议和以太网通信协议的互相转换的过程包括以下步骤：
1)某个具有环网功能的通信管理机的串口通信模块从终端设备获取串口格式的数据包，由CPU分解出实际采集信号数据；
2)将所述实际采集信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
3)将以太网传送格式的数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地传送至监控主机；
4)由监控主机对获取的数据包进行处理；
5)在监控主机的显示器显示按照以太网协议还原出数据采集终端得到的实际采集信号数据，或者采用预先设定的逻辑计算获取控制信号数据；
6)将获取的控制信号数据转换成满足以太网传送格式的数据包；
7)将以太网传送格式数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地回送至环网连接的某个具有环网功能的通信管理机；
8)某个具有环网功能的通信管理机按照以太网协议CPU分解出实际控制信号数据，暂时存储于其存储模块中，且CPU转换成满足串口通信格式的数据包分时、分包传送至终端设备，实现控制功能。
10.如权利要求9所述的具有环网功能的通信管理机，其特征在于：
所述UART通信协议和以太网通信协议的互相转换的过程中，
步骤3)是将以太网传送格式的数据包依次通过环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口、具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口实时地传送至监控主机；
步骤4)是由监控主机对从具有环网功能的以太网交换机的第三个通信交换用以太网接口获取的数据包进行处理；步骤7)是将以太网传送格式数据包依次通过具有环网功能的以太网交换机第三个通信交换用以太网接口、第一个通信交换用以太网接口或第二个通信交换用以太网接口、环网连接的其它具有环网功能的通信管理机中的以太网交换模块的以太网接口实时地回送至环网连接的某个具有环网功能的通信管理机。
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