[发明专利]一种多主异步双工差分总线及通讯方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，具体涉及一种用于电力系统继电保护及自动化装置之间通讯的快速实时短数据和慢速非实时长数据的IO数据传输的通讯总线。

背景技术

在工业控制设备、分布式控制系统和电力系统继电保护及自动化装置领域中，主处理模块需要与多个输入输出模块（简称IO模块）进行数据交互，以收集IO模块的采集数据，以及向IO模块下发命令或数据。为了简化控制系统的设计，提高其可靠性，主处理模块与IO模块间通常采用IO总线实现互联。但是在电力系统保护控制装置中的主处理模块往往较少，而IO模块往往较多，由于成本原因，现阶段多采用低成本的单片机实现。为了在单片机处理器下进行快速数据交互，IO总线需要满足快速响应，又要满足IO模块的低成本设计，而满足这种要求的标准总线较少，不能很好的同时满足以上两点的要求。目前，应用于主处理模块需要与多个IO模块进行数据交互的总线主要有以下几种：

1）RS-485总线

RS-485总线是一种半双工异步串行总线技术，主处理模块只需一对差分线，通常用于只有一个主节点的场合，其他节点都为从节点，主节点负责依次轮询各从节点，从节点在收到轮询报文后，进行解析处理，再回答主节点数据。由于从节点回答主节点的延时不确定，且可能较长，需要主节点往往要设一个更大的超时时间来等待从节点的回答，实时性较差，不利于对实时性要求较高的电力控制系统进行数据交互；

2）CAN总线

CAN总线是一种支持无损冲突多主通信的异步串行总线，主处理模块也只需一对差分线，CAN总线上的信号具有“显性”和“隐性”两种电平状态，每个节点对发出的数据都有反馈检测，当总线上的两个节点同时发送产生冲突时，显性电平优先级高，隐性电平自动退出发送，CAN总线也属于半双工通信，同一时刻只有一个节点发送有效，并支持数据变化突发传送和报文优先级设定，在数据量变化不大时，CAN总线重要数据变化突发传送的实时性较高，但CAN总线的传输速率最高只有1Mbps，报文数据部分只有8字节，因此多节点突发数据时，也很难保证总线上的各节点全局数据传送的确定实时性；

3）基于SPI的时分多路实时通讯总线

由于几乎所有嵌入式处理器或单片机都有SPI接口，因此基于SPI的时分多路实时通讯总线的最大优势就是IO模块的实施成本较低，处理器的选型很容易，技术延续性较好，该总线属于全双工同步差分总线需要三对差分信号线（MISO，MOSI，SCK），占用主处理模块的端口较多，该总线基于主处理模块的SPI性能很高，而IO模块的SPI性能较低，故采用多路分时技术，主处理模块按字节依次给预先设定数量的IO模块发送数据，使得IO模块每隔设定数量的字节只接收一个属于自己地址的字节，因此大大减轻IO模块的处理器的负担。该总线需要SCK时钟信号，属于源端同步通信，但通信速率一般不宜高于2.5Mbps，而且每个IO模块侧还需要一个可编程CPLD器件，以计数SCK脉冲，从而判断总线字节是否属于本节点地址的，该总线主处理模块属于主节点，理论上可以有多个主节点，但同一时刻只能有一个获得控制权的主节点与各从节点IO模块通信，IO模块同步返回的数据，其他主节点可以被动监听接收，该总线要求各主节点每轮扫描IO模块都必须全部扫描，而不管主处理模块是否关心该IO模块，导致整体的通信效率较低，不利于装置内较多主模块和从模块间进行数据交互；

4）FlexRay总线

FlexRay总线是一种主要用于汽车的高速可确定性的、具备故障容错的总线技术，FlexRay总线采用时分复用技术，各个访问节点和数据信息都被分配了确定的时间槽，在属于自己的时间槽上，节点可以唯一地访问总线，主处理模块至少需要一对差分信号线，属于半双工异步通信，支持多主通信，最高速率可达10Mbps，但是FlexRay总线应用于IO模块成本相对较高，而且相关器件的可选型获得性较差，因此还需要较长时间的发展才能被接受运用，实用性不强；

还有其他一些总线例如Profibus、Lonworks、并行端口等等，但不是成本较高，就是总线实施复杂，不利于电力控制系统的通讯发展，目前，缺乏一种适合电力系统保护控制应用需求的、成本适中、传输速率较高，支持多主通信，占用主处理模块的端口较少，时间确定性较好，可选型可获得性较好，技术延续性强，抗干扰强，简单可靠的IO数据传输的通讯总线。

发明内容