專利名稱：一種工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)以太網(wǎng)通信，特別涉及一種工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
vxWorks是一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空、交通等領(lǐng)域。具有很高的實時性和可靠性。
VME總線是摩托羅拉公司推出的總線標(biāo)準(zhǔn)，與歐式板卡電氣規(guī)范結(jié)合所形成的一種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，VME總線具有高性能、并行性、實時性、可靠性的特點，支持面向多主設(shè)備，即多CPU板的并行處理，具有優(yōu)良的中斷處理機構(gòu)，具備高速的實時響應(yīng)能力，模板結(jié)構(gòu)具有很強的抗震能力。
工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。適合于傳輸較大的數(shù)據(jù)塊，但其信息響應(yīng)時間卻不具備較高的確定性和可重復(fù)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服以太網(wǎng)的不確定性，提出一種多通道冗余通訊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)嵌入式實時控制系統(tǒng)的熱備，本發(fā)明采用vxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)和VME總線的嵌入式控制系統(tǒng)，實時性強，可靠性高。
本發(fā)明工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)基于VME總線，主要包括兩塊CPU板，一塊共享內(nèi)存板和其他功能的板卡，所有板卡可以通過VME總線通訊，CPU板通過總線可以訪問任意板卡，控制其完成所要求的功能。共享內(nèi)存板卡為兩塊CPU板提供了更快速的通信渠道，速度可以達微秒級。并且開辟了足夠的數(shù)據(jù)區(qū)，使CPU板能共享數(shù)據(jù)，互為熱備。嵌入式控制系統(tǒng)與上位機的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，具體物理連接由CPU板的RJ45網(wǎng)口通過屏蔽雙絞線和上位機的網(wǎng)口相連，采用TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)的不確定性，兩塊CPU板分別與上位機的兩個網(wǎng)口相連，每個CPU板配置了兩個RJ45網(wǎng)口，最終可與上位機的四個網(wǎng)口相連，分別獨立的通信，從而增強了以太網(wǎng)的可靠性。另外，CPU板采用了vxWorks實時操作系統(tǒng)，所有四個通信進程可由兩個CPU板分別發(fā)起的四個并行任務(wù)執(zhí)行，雙CPU板并行工作，具有相同架構(gòu)與功能，互不干擾影響，通信數(shù)據(jù)可以存入共享內(nèi)存上各自對應(yīng)空間，以作比較校對之用。由于雙CPU之間經(jīng)共享內(nèi)存始終保持通訊，彼此檢測對方的工作狀態(tài)，一旦主CPU出現(xiàn)故障，從CPU及時獲取狀態(tài)，觸發(fā)從CPU取代主CPU工作，包括與上位機的通訊和對現(xiàn)場設(shè)備的控制，主從之間完成實時切換。出現(xiàn)異常的CPU板自啟動，恢復(fù)正常，作為從CPU起熱備作用，進一步增強可靠性。
本發(fā)明采用以太網(wǎng)冗余通訊技術(shù)，兩套上位機利用雙IP與主，從CPU板同時交叉連接，構(gòu)成四條通訊線路。其特征是配置雙IP分別處于不同網(wǎng)段，交叉連接通訊，使得任意一個上位機同時與主從CPU板通訊，任意CPU板可以與兩個上位機交互報文。任意時刻，上位機和CPU之間周期發(fā)送報文檢測線路工作是否正常，一旦出現(xiàn)丟失報文的情況，采取延時重發(fā)的方法，超過適當(dāng)時間，將會在共享內(nèi)存標(biāo)志位對異常通道的使能位清零，經(jīng)由其他冗余線路傳送數(shù)據(jù)報文，同時立刻重新啟動異常通訊線路的進程，直至恢復(fù)正常。
本發(fā)明獨自成為一個完整的嵌入式控制系統(tǒng)，互為備份，提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，本發(fā)明通過多CPU板，多網(wǎng)口與中央控制系統(tǒng)形成冗余的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其是測控、機車牽引等實時性強，安全性、可靠性要求高的環(huán)境。


圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)機箱示意圖；圖2是上位機與本發(fā)明控制系統(tǒng)雙CPU板接口關(guān)系示意圖；圖3是上位機與本發(fā)明控制系統(tǒng)之間IP、端口與網(wǎng)段的設(shè)置示意圖；圖4是基于TCP協(xié)議的socket通信示意圖；
圖5是系統(tǒng)運行主通路上報文交互流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明控制系統(tǒng)的具體實施方式
采用了基于VME總線，6U尺寸的控制機箱?？刂瓢蹇ò–PU板卡，共享內(nèi)存板卡，profibus板卡等等，CPU板卡采用了兩塊x86系列單板機，并行運行vxWorks操作系統(tǒng)，每一個CPU控制板具有相同架構(gòu)和相同功能，與其他功能板卡構(gòu)成一個完整的嵌入式控制系統(tǒng)，且互為備份，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。
如圖2所示，本發(fā)明實時控制系統(tǒng)的兩塊互為備份的CPU控制板A、B通過共享內(nèi)存板存儲控制信息，進行同步。它和中央控制系統(tǒng)的上位機1、2都是雙IP，每個上位機經(jīng)交換機交叉連接到兩個CPU控制板A、B，CPU板A和CPU板B可以通過共享內(nèi)存的使能標(biāo)志任意設(shè)置成主CPU板或從CPU板，即通過共享內(nèi)存板的標(biāo)志設(shè)置，使某一塊CPU板有效，既和上位機通信，也控制其他板卡和執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備。沒有使能設(shè)置的CPU板作為從板工作。正常運行初始化后，一般將CPU板A使能為主CPU板，CPU板B作為從CPU板。兩套上位機1、2利用雙IP與主，從CPU板，同時交叉連接，構(gòu)成四條通訊線路。
IP地址長32bit，分成五類。其地址范圍區(qū)間如表1所示。

表1 五類IP地址的范圍圖3所示是系統(tǒng)以太網(wǎng)通訊IP、端口與網(wǎng)段的設(shè)置。以B類地址為例，分別將上位機和CPU板的IP地址設(shè)成*.*.1.1，*.*.2.1，*.*.1.2，*.*.2.2，*.*.1.3，*.*.2.3，*.*.1.4，*.*.2.4，子網(wǎng)掩碼設(shè)置255.255.255.0，從而使同一CPU控制板的兩個IP地址分屬于*.*.1和*.*.2兩個子網(wǎng)(有254個子網(wǎng)可供選擇)。TCP/IP協(xié)議采用16bit的端口號來識別應(yīng)用程序。其常用服務(wù)采用1-1023的端口，臨時端口分配在1024-5000。大于5000的端口號為其他服務(wù)預(yù)留。本系統(tǒng)CPU板卡將不同IP地址上的通訊進程分配到不同的臨時端口上(xxx0和xxx1)，與上位機通信。由于系統(tǒng)采用這種特殊的結(jié)構(gòu)，雙IP分別設(shè)置到不同網(wǎng)段，綁定到兩個不同端口，利用交換機構(gòu)成兩個子網(wǎng)。交叉連接通訊，使得任意一個上位機同時與主從CPU板通訊，任意CPU板可以與兩個上位機交互報文。同時四條通路上的通訊進程相互獨立，互不干擾。極大的提高了以太網(wǎng)通訊的冗余性。
TCP/IP協(xié)議制定了TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)兩種協(xié)議用于數(shù)據(jù)傳輸，都屬于OSI七層網(wǎng)絡(luò)參考模型中的傳輸層，TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，用于確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。一旦由于某種原因造成傳輸失敗，TCP協(xié)議將確保TCP連接的收發(fā)雙方應(yīng)用程序能夠得知這一故障，正好適用于上位機與實時控制系統(tǒng)建立點到點的連接，進行信息的交換。
控制系統(tǒng)CPU板作為服務(wù)器端，上位機作為客戶端。服務(wù)器端調(diào)用bind指令將socket與一個IP地址和端口綁定，并通過listen命令在該端口偵聽客戶端連接請求，利用vxWorks操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個新任務(wù)主程序中用taskSpawn命令創(chuàng)建一個新任務(wù)，任務(wù)名稱為taskAccept，設(shè)定該任務(wù)的優(yōu)先級，分配堆棧大小，設(shè)定函數(shù)入口，和傳遞給函數(shù)的變量。常用優(yōu)先級使用100以后的，taskAccept的優(yōu)先級不應(yīng)該高于前面已經(jīng)創(chuàng)建并運行任務(wù)，當(dāng)taskAccept任務(wù)執(zhí)行到accept語句時，被阻塞，直到taskListen任務(wù)偵聽到來自客戶端的連接請求。調(diào)用accept命令使任務(wù)在此阻塞，直至客戶端通過connect命令連接到服務(wù)器的偵聽端口，阻塞的目的主要有兩點，一是任務(wù)被阻塞處于阻塞或掛起(suspend/pend)狀態(tài)，不占用系統(tǒng)資源，不影響其他任務(wù)執(zhí)行；二是一旦taskListen任務(wù)偵聽到來自客戶端的連接請求，taskAccept任務(wù)解除阻塞，恢復(fù)到就緒(ready)狀態(tài)，從而繼續(xù)執(zhí)行。Connect和accept將使兩端的系統(tǒng)內(nèi)部進行一個TCP3次握手過程，從而建立端到端的連接。連接后的雙方以數(shù)據(jù)流的形式發(fā)送和接收報文，當(dāng)收發(fā)出現(xiàn)錯誤時，可以分別調(diào)用close指令關(guān)閉socket，終止連接，并調(diào)用restart命令重啟該任務(wù)。
如圖4所示，主服務(wù)器CPU板A在IP1上的端口xxx0綁定socket，偵聽來自客戶端上位機1的連接請求，連接完成后，雙方相互發(fā)送接收狀態(tài)報文、命令報文和應(yīng)答報文。與之類似，CPU板A在IP2上的端口xxx1偵聽來自客戶端上位機2的請求，建立一條冗余通路。備份CPU板B也建立兩條冗余通路。報文交互過程中，備板無須應(yīng)答命令報文，以減輕上位機的負擔(dān)，只在主CPU板出現(xiàn)故障時，報文完整的交互迅速切換到備板的冗余通道。
圖5所示是系統(tǒng)運行時具體報文交互流程。如圖5所示，上位機與控制系統(tǒng)CPU板分別啟動，啟動后，上位機和CPU板分別進行各自內(nèi)部報文及變量的初始化，包括上位機狀態(tài)報文初始化；數(shù)據(jù)報文及其它各類報文緩沖區(qū)全部初始化清零；上位機的系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)定為未知。
CPU板在啟動后進行內(nèi)部數(shù)據(jù)初始化，包括狀態(tài)報文初始化；系統(tǒng)應(yīng)答報文初始化清零；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零；系統(tǒng)狀態(tài)根據(jù)實際狀態(tài)進行設(shè)定。
上位機初始化后，作為客戶端向作為服務(wù)器端的CPU板申請連接。連接一旦建立，上位機向CPU板周期發(fā)送上位機狀態(tài)報文，而CPU板以系統(tǒng)狀態(tài)報文進行應(yīng)答。在運行過程中，上位機與CPU板之間一直保持狀態(tài)報文周期交互的過程，直到上位機與CPU板之間的連接中斷。如果上位機系統(tǒng)內(nèi)部條件滿足條件x，上位機就將“命令報文”發(fā)送給CPU板。CPU在收到上位機的命令報文后，需要針對該命令以應(yīng)答報文進行應(yīng)答。
條件x列舉如下條件1上位機通過CPU板狀態(tài)報文檢測到實時控制系統(tǒng)已經(jīng)處于帶電等待狀態(tài)，發(fā)送系統(tǒng)設(shè)備初始化報文。CPU板收到該報文，對控制對象初始化，檢測被控對象狀態(tài)是否就緒。
條件2應(yīng)答報文表明，CPU板已經(jīng)對控制對象初始化，被控對象準(zhǔn)備就緒。上位機發(fā)送數(shù)據(jù)報文。
條件3應(yīng)答報文表明，CPU板對數(shù)據(jù)報文作出肯定應(yīng)答，上位機已經(jīng)完成將運行所需的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給CPU板。上位機通過CPU板狀態(tài)報文檢測CPU板已經(jīng)正確完成數(shù)據(jù)的計算。上位機發(fā)出運行命令。
條件4應(yīng)答報文表明，CPU板對運行報文作出肯定應(yīng)答?？刂葡到y(tǒng)開始運行，對被控對象進行操作。上位機通過CPU板狀態(tài)報文檢測到系統(tǒng)正常運行，可以接收停止報文，上位機發(fā)出停止命令。
條件5應(yīng)答報文表明，CPU板已經(jīng)對停止命令作出肯定應(yīng)答，運行狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為停止?fàn)顟B(tài)，上位機發(fā)出系統(tǒng)注銷命令，控制系統(tǒng)安全斷電，結(jié)束一次運行。
共享內(nèi)存板卡中開辟了一段地址，作為4條通道狀態(tài)標(biāo)志和主從CPU板卡的使能標(biāo)志。
正常工作時，主CPU板A的標(biāo)志被使能，而CPU板B標(biāo)志位清零。CPU板B冗余通路上狀態(tài)報文的周期交互過程與主通路相同，以檢測連接是否正常。
上位機發(fā)送命令報文，CPU板B接收到命令報文后，首先通過VME總線到機箱的共享內(nèi)存板卡中查詢使能標(biāo)志為零，它進行相同的控制運算，并保存數(shù)據(jù)到共享內(nèi)存，但不對現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備發(fā)送命令，也不對上位機發(fā)送響應(yīng)報文，CPU板B僅起熱備作用。
當(dāng)工作異常時，有三種情況第一種可能是CPU板A板IP1連接的通路工作異常，如連接丟失。
CPU板A首先寫共享內(nèi)存板的主通道狀態(tài)標(biāo)志，標(biāo)明錯誤類型。接著CPU板A調(diào)用close，關(guān)閉socket。由于vxWorks是多任務(wù)操作系統(tǒng)，只需要taskRestart發(fā)起IP1上accept的任務(wù)標(biāo)號即可，不會影響IP2上報文的交互。CPU板A在IP1綁定端口上偵聽上位機新的連接請求，再次建立連接，開始報文的交互。
第二種可能是CPU板A的通路都發(fā)生故障，如接口松動，連線斷裂。
CPU板A首先寫共享內(nèi)存板，使能備板標(biāo)志，自己的標(biāo)志清零，這樣CPU板B變成主CPU板工作。CPU板A變成備板。接著CPU板A和上位機分別調(diào)用close，關(guān)閉socket。
只需要taskRestart在CPU板A的IP上發(fā)起connect和accept的兩個任務(wù)標(biāo)號即可。CPU板A端口上偵聽上位機新的連接請求，再次建立連接，開始報文的交互，但CPU板A使能標(biāo)志已清零，作為冗余通路，CPU板A所在的CPU板起熱備作用。
第三種情況是CPU板A工作異常，未對共享內(nèi)存寫入使能標(biāo)志激活備板，如死機。備板由于不應(yīng)答上位機，且不對執(zhí)行設(shè)備發(fā)送命令，有更多的空余時間?？梢灾芷跔顟B(tài)報文的周期，讀取共享內(nèi)存中CPU板A和CPU板B接收的上位機狀態(tài)報文，通過比較序列號，及時發(fā)現(xiàn)CPU板A沒有更新，CPU板B主動使能自己的標(biāo)志，并將CPU板A使能位清零。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)，其特征在于主要包括兩塊CPU板A和B，一塊共享內(nèi)存板和其他功能的板卡，所有板卡可通過VME總線通訊；與上位機[1、2]的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)；兩塊CPU板A和B并行運行vxWorks操作系統(tǒng)，兩塊CPU板A和B具有相同架構(gòu)和相同功能，與其他功能板卡構(gòu)成一個完整的嵌入式控制系統(tǒng)，且互為備份。
2.按照權(quán)利要求1所述的工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)，其特征在于所述的兩套上位機[1、2]利用雙IP與主，從CPU板，同時交叉連接，構(gòu)成四條通訊線路；配置雙IP分別處于不同網(wǎng)段，交叉連接通訊，使得任意一個上位機同時與主從CPU板通訊，任意CPU板可以與兩個上位機[1、2]交互報文；任意時刻，上位機[1、2]和CPU之間周期發(fā)送報文檢測線路工作是否正常，一旦出現(xiàn)丟失報文的情況，采取延時重發(fā)的方法，超過適當(dāng)時間，將會在共享內(nèi)存標(biāo)志位對異常通道的使能位清零，經(jīng)由其他冗余線路傳送數(shù)據(jù)報文，同時立刻重新啟動異常通訊線路的進程，直至恢復(fù)正常。
3.按照權(quán)利要求1所述的工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)，其特征在于所述的兩塊CPU板A和B并行工作，主CPU板工作異常時，能迅速切換到從CPU板繼續(xù)工作；兩塊CPU板A和B之間經(jīng)共享內(nèi)存始終保持通訊，彼此檢測對方的工作狀態(tài)，一旦主CPU出現(xiàn)故障，從CPU及時獲取狀態(tài)，觸發(fā)從CPU取代主CPU工作，包括與上位機的通訊和對現(xiàn)場設(shè)備的控制，主從之間的完成實時切換；出現(xiàn)異常的CPU板自啟動，恢復(fù)正常，作為從CPU熱備。
4.按照權(quán)利要求1所述的工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)，其特征在于所述的由CPU板A和B的RJ45網(wǎng)口通過屏蔽雙絞線分別與上位機[1、2]的兩個網(wǎng)口相連，采用TCP/IP協(xié)議；每個CPU板配置了兩個RJ45網(wǎng)口，最終可與上位機的四個網(wǎng)口相連，分別獨立地通信。
全文摘要
一種工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式實時控制系統(tǒng)，兩塊CPU板A和B具有相同架構(gòu)和功能，均通過兩個網(wǎng)口和中央控制系統(tǒng)通訊，接受指令，反饋信息。即有四條通訊線路，保證通信的可靠，增強系統(tǒng)的冗余性。當(dāng)通訊線路發(fā)生故障時，報文交互快速切換到冗余通路完成，而不影響系統(tǒng)工作，異常工作通路的進程自啟動，重新連接恢復(fù)正常。兩塊CPU板A和B并行運行vxWorks操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)CPU板之間的通訊；對主CPU板的檢測，判斷其是否正常工作；對從CPU的觸發(fā)，主從之間的無縫切換。
文檔編號G05B19/418GK1952821SQ20061011431
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者劉洪池, 葛瓊璇, 張樹田 申請人:中國科學(xué)院電工研究所