一种通信节点、基于通信节点的通信链路及其工作方法

摘要

本发明公开了一种通信节点、基于通信节点的通信链路及其工作方法；通信节点包括：控制单元，所述控制单元设有485端口、网口和若干串口，所述串口均通过电平转换电路与高速差分总线连接，所述485端口和网口用于与外界设备连接。本发明基于高速串口的以太网协议栈，在节点增加串口转发接口，采用级联连接方式，方便实现链路拓展。配合波特率自适应技术，可以灵活稳定的适用于电力隧道通信的各种距离。节点上设计有网口、485等扩展接口，可实现各种设备接入。以此为基础，可以方便的搭建一条可靠灵活高速的通信链路，从而实现了网络设备的接入。

说明书

技术领域

本发明涉及基于高速串口的以太网协议栈实现及交换机制，尤其涉及一种通信节点、基 于通信节点的通信链路及其工作方法。

背景技术

串口与网口之间通常通过串口服务器的方式实现不同物理链路的联通，但是其实现结果 是应用层数据的交换，常设计为透明传输的方式，并不能保证串口接收到的应用层数据的可 靠性。而且实现方式上，大多是单级转换，由于网线大多是百米左右的传输距离，485端口 虽然可以增加传输距离，但是无法在传输链路上再次进行设备接入等拓展，灵活性差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种通信节点、基于通信节点的通信链路及 其工作方法，本发明基于高速串口的以太网协议栈，在节点增加串口转发接口，采用级联连 接方式，方便实现链路拓展。配合波特率自适应技术，可以灵活稳定的适用于电力隧道通信 的各种距离。节点上设计有网口、485等扩展接口，可实现各种设备接入。以此为基础，可 以方便的搭建一条可靠灵活高速的通信链路，从而实现了网络设备的接入。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种通信节点，包括：控制单元，所述控制单元设有485端口、网口和若干串口，所述 串口均通过电平转换电路与高速差分总线连接，所述485端口和网口用于与外界设备连接。

所述控制单元为ARM芯片。

所述通信节点具有四个串口。

基于通信节点的通信链路，包括：若干通信节点，通信节点彼此之间通过高速差分总线 连接，通信节点还通过高速差分总线与节点管理器连接，所述节点管理器通过TCP/IP总线与 平台连接，所述通信节点还与外部设备连接。

基于通信节点的通信链路的工作方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在通信链路的每个通信节点搭建高速上行串口通路和下行串口通路；

步骤(2)：每个通信节点对高速上行串口通路和下行串口通路数据进行分帧处理；

步骤(3)：通信链路的每个通信节点实现交换机功能，接收到数据后，根据目标MAC地 址和数据类型对数据帧进行处理或转发。

所述步骤(1)的通信节点具备高数据吞吐能力，波特率达到5Mbps。

所述步骤(3)的交换机功能包括外接设备和数据转发。

所述步骤(3)的步骤，具体实现如下：

步骤(31)：通信链路上的通信节点根据收到数据帧中的源MAC地址建立源MAC地址同 通信节点端口的映射，并将映射写入MAC地址表中；所述通信节点端口包括：串口端和网口 端；所述MAC地址表包括串口端对应的MAC地址表和网口端对应的MAC地址表；

步骤(32)：通信节点将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，依 据比较结果选择对应端口进行处理或转发；

若目的MAC地址与串口端对应的MAC地址表中的地址一致，则将数据帧交予协议栈进 行处理；

若目的MAC地址与网口端对应的MAC地址表中的地址一致，则进一步判断网口端与外 部连接设备是否连接成功，若成功则将数据帧转发给对应的外接设备，若未连接成功则不转 发；

若目的MAC地址不在MAC地址表中，则向通信节点的所有端口转发数据帧。

所述协议栈采用LWIP轻量级嵌入式协议栈。

LwIP是LightWeight(轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是 在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右 的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

所述步骤(2)每个通信节点通过STM32F4XX芯片来实现分帧处理。

所述步骤(2)，高速串口通路的数据连续不断的高速发送，而网络接入设备的以太网数 据是以包为单位分帧发送的，所以必须对高速串口数据进行分帧处理，以实现串口数据和以 太网数据的稳定可靠转换。

通信节点采用STM32F4XX芯片，通过芯片的DMA空闲中断方式进行数据的接收，由于 帧间隔的存在，每收完一帧数据后，通知CPU进行处理。这样可以保证终端的CPU处理系统 不必频繁进入终端对数据进行处理，从而实现将从串口接收到的数据进行分帧处理。 STM32F4xx是基于CORTEX-M4A内核的一款ARM芯片，

在数据帧发送时，同样采用DMA空闲中断方式，要求至少有一个字节空闲时间，在进行 数据发送时，一包数据必须连续发送，不允许出现间隔，这样可防止发送过程中CPU被打断 导致的数据不连续的情况。

本发明的有益效果：

通过本发明的实施，可以实现电力隧道通信链路上各个终端节点的级联，链路通信距离 长，链路上增加外接设备，拓展连接简单容易，灵活性好。各个节点上提供网口和485接口， 方便各种类型的外接设备的接入。以此为基础，可以方便的搭建一条可靠灵活高速的通信链 路，可以灵活的用于各种距离。适应了各种不同的电力隧道，保障的通信数据的稳定性和安 全性，从而保障了电力隧道的安全稳定运行。

附图说明

图1本发明硬件节点示意图；

图2是本发明通信链路上节点实现交换机功能示意图；

图3为一种基于高速串口的以太网通信方式及网络设备接入的应用框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，对于通信链路上的每一个硬件终端，通过硬件终端以ARM芯片为核心，实 现本终端高速上下行串口通路，而且具备485口和网口，通过485口和网口可以实现和外部 设备的连接。

每一个通信链路上的终端即为一个通信节点。每个通信节点具备4个高速串口，1个485 口和1个网口。该节点具备高数据吞吐能力，波特率可以达到5Mbps。节点之间通过高速差 分总线级联。

如图2所示，通信链路中每个节点的作用主要是构建局域网，外接设备和数据转发，因 此节点上实现交换机的功能。

通信链路上的节点根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并 将其写入MAC地址表中。

交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端 口进行转发。需要对比的MAC地址表主要分为两部分，一是自身MAC地址，确认是否为交 付于自身的数据，二是与外接设备MAC地址表进行对比，确认是否为外接设备。当外接设备 状态(网口状态)没有连接成功时，不向外接设备进行转发。这里主要是向网口挂接设备以及自 身的数据,因此需要对比的MAC地址表也包含这两个数据。

如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发，如广播帧和组播 帧向所有的端口转发。

如图3所示，通信节点通过高速差分总线接口和节点管理器连接；节点管理器通过TCP/IP 与平台管理器连接；各个节点之间通过高速差分总线连接；每个节点可以通过485口和网口 外接相关设备。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。