[发明专利]一种可多层次扩展的信息物理系统

说明书

一种可多层次扩展的信息物理系统，其特征在于：所述可多层次扩展的信息物理系统，包括CPS主节点、CPS从节点、传感/执行器、网络协议转换器和UM‑BUS总线，可以通过以太网与UM‑BUS总线双向转换，通过以太网进行系统层次扩展，与其它信息物理系统组成更大系统，并能够相互进行内部资源访问；通过UM‑BUS总线上增加新的节点进行系统内部功能扩展；通过CPS节点功能分区实现多种异构传感/执行器的汇聚接入扩展。本发明的可多层次扩展的信息物理系统，可以从多个层次实现系统功能与接口的灵活扩展与规范化接入，增加系统的开放性，提高异构传感/执行器的共融耦合能力。

技术领域

本发明涉及一种信息物理系统(CPS)的功能模块组织方法，尤其涉及一种信息物理系统的功能扩展方法。

背景技术

信息物理系统(Cyber-Physical Systems，以下简称为CPS)是通过计算、通信与控制技术的有机结合，将信息处理与物理感知执行深度融合，实现计算资源与物理资源协调工作的新一代智能系统。CPS通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互，来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自动协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中多种要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

CPS强调计算和物理的紧密结合，同时也强调网络化，核心仍然是信息处理。数据感知则是CPS实现实时分析、科学决策的基础，是CPS数据闭环流动的起点。通过指令控制执行单元作用于物理世界，使其按照期望状态进行演化，则是CPS的一个重要目的。为了适应传感器泛在接入、多源感知融合的需求，CPS对于异构信息应当具有很好的适应能力，同时允许系统中部分部件动态的退出和接入。与通常的嵌入式系统相比，CPS对系统的可扩展性与开放性具有更高的要求。

CPS多采用工业现场网络为基础建立系统的网络连接，无线传感器网络也是CPS感知数据的一个主要途径。然而，在大量的工业生产现场、嵌入式控制等领域，由于受到噪声、信号衰减、报文冲突等因素的制约，无线传感器网络在实时性、精准性、可靠性等方面难以满足应用要求。传统的面向嵌入式系统与信息系统远程连接的工业现场总线与网络，在传输速率、容错能力、节点同步、异构扩展等方面缺乏足够的支持，也难以满足CPS在异构接入、动态连接、可靠性、实时性、开放性、扩展性等方面发展的综合需求。同时，各种无线网络及高速总线，大多缺乏设备间的中断支持，难以给CPS应用中设备间事件的快速实时响应提供良好支持。

动态可重构高速串行总线(UM-BUS)是针对系统小型化与嵌入式一体化设计提出的一种能够将冗余容错与高速通信有机统一，具备远程扩展能力的高速串行总线。如图1所示，它采用基于M-LVDS(Multipoint Low Voltage Differential Signaling，多点低压差分信号)技术的总线型拓扑结构，支持多节点直接互连，最多可使用32条通道并发传输，通信速率可达6.4Gbps。在通信过程中，如果某些通道出现故障，总线控制器可实时地监测出来，将数据动态分配到剩余有效通道上进行传输，实现动态重构，从而对通信故障进行动态容错。

UM-BUS总线采用主从命令应答的通信模式，通过数据包的形式进行信息交互。连接在总线上的通信节点按功能不同可分为主节点、从节点和监控节点，总线通信过程总是由主节点发起，从节点响应来完成的。UM-BUS总线具有时间同步功能，可保证总线各个节点之间时间系统的精确同步。UM-BUS总线支持单主(Single Master)通信与多主(MultiMaster)通信两种通信模式。在多主模式下，总线上可以存在多个主节点，多个主节点间需要通过可变时隙轮转的仲裁方式来竞争总线使用权。