一种高速双机热备冗余通讯方法

摘要

本发明提供了一种高速双机热备冗余通讯方法，具体包括以下步骤：设置两路串口和一组电平引脚以构成三组冗余通讯链路；配置两路串口通讯的型号、串口参数、数据格式、校验方式、串口失联判定、串口复位以及电平通讯的心跳脉冲参数、电平联络信号状态、心跳脉冲失联判定和心跳脉冲滤波；判断本机当前状态为主机运行状态或从机运行状态或上电初始化状态，根据双机的通信情况、故障状态、UID情况切换本机的运行状态。本发明仅需要最廉价的串口和一些电平引脚，适合批量工控领域，成本低；软硬件稳定性高：针对三组链路通道会有三条处理分支，最大程度避免单一软件故障引起失效；切换速度快。

说明书

技术领域

本发明涉及冗余通讯技术，特别是涉及一种高速双机热备冗余通讯方法。

背景技术

如图1所示，目前现有得双机热备实现方式分为纯软件方式和共享存储介质方式，其中基于存储共享的双机热备更是双机热备的最标准方案。

共享存储方式：就是两台设备互为备份，设备输入信息和当前主设备运行过程的中间参数及输出，全部存储到一个共享的存储介质中。从设备按着固定周期查询存储介质内部数据，发现主设备没有及时更新数据，则切换主从控制，从设备接管主设备提供服务。这种方式的优点是效率高，缺点是存储介质纯粹为冗余联络所需，大幅增加系统成本，另外一旦存储介质出现故障，热备冗余将失效，而且两个设备都会抢夺服务控制权，在关键领域会导致时序错乱，有很大的安全隐患。若为了降低风险增加多个共享存储介质，又会极大提高系统成本。

纯软件方式：就是用一种通讯方式作为冗余通讯连接两台互为备份的设备，设备输入信息分别同时进入到主从设备中，主从设备通过冗余通讯交换信息并由软件来决定是否切换控制权。这种方式的成本和执行效率取决于选取的冗余通讯方式，执行效率高的方式通常成本也高，缺点是冗余联络单一，取决于软件的单一通讯协议栈及应用判断流程。一旦冗余通讯接口出问题或该软件冗余判定分支出问题都会导致热备冗余失效，产生安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高速双机热备冗余通讯方法，降低成本，稳定性高，便于故障定位。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种高速双机热备冗余通讯方法，具体包括以下步骤：

S1，设置两路串口和一组电平引脚以构成三组冗余通讯链路；

S2，配置两路串口通讯的型号、串口参数、数据格式、校验方式、串口失联判定、串口复位以及电平通讯的心跳脉冲参数、电平联络信号状态、心跳脉冲失联判定和心跳脉冲滤波；

S3，判断本机当前状态为主机运行状态或从机运行状态或上电初始化状态，根据双机的通信情况、故障状态、UID情况切换本机的运行状态。

优选的，步骤S1设置两路串口和一组电平引脚以构成三组冗余通讯链路具体指的是

设置两路USART串口通讯以交换主从设备信息，包括USART1和USART2；一组电平引脚包括OUT pin1、IN pin1、OUT pin2、IN pin2、OUT pin3、IN pin3，其中OUT pin3、IN pin3用于传输心跳脉冲。

优选的，步骤S2配置两路串口通讯的型号、串口参数、数据格式、校验方式、串口失联判定、串口复位具体指的是

两路串口通讯的型号为USART串口；串口参数为115200bps的波特率、无校验、8个数据位、1个停止位；数据格式为2路串口每隔3ms发送一次数据，发送输出长度为12个字节，内含冗余交换信息；校验方式为使用BCC校验方式验证串口内容是否正常，若校验失败，则同该周期未收到数据做同样处理；串口失联判定为连续9ms内未收到任何串口通讯数据，则认为串口失联；串口复位为若任何串口发送数据失败，则复位对应串口。

优选的，步骤S2配置电平通讯的心跳脉冲参数、电平联络信号状态、心跳脉冲失联判定和心跳脉冲滤波具体指的是

每1ms发送一次心跳脉冲，脉宽300us；每1ms使用2个电平信号线发送电平联络信号的3种状态，3种状态为主、从、请求切换；当连续9ms内未收到心跳信号，则认为心跳信号消失；现场干扰大时，通过软件和硬件滤波。

优选的，判断本机当前状态为主机运行状态或从机运行状态或上电初始化状态，根据双机的通信情况、故障状态、UID情况切换本机的运行状态具体指的是

若当前本机为主机运行状态：

若系统中故障标志位显示为故障，则变更为从机运行状态，同时将本机UID的串口发送信息变为0；

若串口通信正常，且对方机器的串口联络数据也为主机运行状态，对方机器的UID大于本机的UID，则本机切换为从机运行状态；

若串口通信失联，但能接收到心跳脉冲信号，对方机器的电平信号标识为主机运行状态，对方机器的UID为0，本机默认主机运行状态，则切换为从机运行状态，若对方机器的 UID不为0，对方机器UID>本机UID，则将本机切换为从机运行状态；

若当前本机为从机运行状态：

若串口通信正常，且接收到对方请求变更数据，本机无故障，则切换为主机运行状态；

若串口通信正常，接收到对方机器的为从机运行状态，本机无故障，本机UID>对方机器UID，则切换为主机运行状态；

若串口通信失联，但能够接收到心跳信号，若对方机器的电平信号标识为主机，且对方机UID<本机UID，则切换为主机运行状态；

若接收到对方机器的电平联络请求变更信号，则切换为主机运行状态；

若串口通信失联，电平信号也失联，则本机状态切换为主机运行状态；

当前本机为上电初始化状态：

若本机自检故障，则直接变为从机运行态；

若通信正常，则根据对方机器的运行状态，变为对方机器相反运行状态；

若串口通信无效，但心跳信号接收正常，则根据对方机器的电平信号切换为相反运行状态；

若通信失联，心跳失联，则根据位置信息，确定当前工作状态，主控位置为主控状态，从机位置为从机状态。

优选的，主机和对方机器每隔一定时间通过两路串口向对方发送交换信息、状态字和校验，每隔一定时间通过OUT pin1和OUT pin2输出当前状态，即引脚组合状态。

优选的，状态字包括主机工作模式、冗余工作模式和模式切换请求。

本发明的有益效果在于：

成本极低，仅需要最廉价的串口和一些电平引脚，适合批量工控领域；软硬件稳定性高：硬件上有两路串口和一组电平联络信号，即3组冗余通讯链路；软件上针对三种链路通道会有三条处理分支，最大程度避免单一软件故障引起失效；切换速度快：本发明方案可以保证设备切换时间在10ms以内，满足时序要求严格的使用场景。走线少，问题查找容易：一共10 根线，全部可以用示波器或逻辑分析仪还原波形分析，故障定位容易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中双机热备冗余系统框图；

图2是本发明实施例提供的高速双机热备冗余通讯示意图；

图3是本发明实施例提供的高速双机热备冗余运行状态迁移图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为现有技术中双机热备冗余系统框图，图中电源输出说明如下：

±24V；传感器电源(传感器)功率---由机车所确定，±5V：模拟电源(AI板卡) +5V-500mA，-5V-200mA；5V_D1：数字电源(CPU板卡)+5V-1500mA；5V_1：光耦隔离电源(AI板、CPU板、DVR板、CPU与CPU通信)+5V-200mA；±12V：模拟电源(DVR板卡)，+12V-200mA，-12V-100mA；74V稳压输出(DVR板)+74V-200mA。

图1中插位说明：采集板：2(主备机共用)，AI板：1.5，CPU板3，DVR板1.5，PWR1-1：1.5，PWR1-2:1.5，主机9个备机9个共用2个。

如图2-图3所示，本发明提出了一种高速双机热备冗余通讯方法，本发明适用于系统稳定性要求很高但成本限定严格的工业控制领域。冗余通讯可以单独建立也可以构建在主从设备的背板总线上。具体包括以下步骤：

S1，设置两路串口和一组电平引脚以构成三组冗余通讯链路；

步骤S1设置两路串口和一组电平引脚以构成三组冗余通讯链路具体指的是

设置两路USART串口通讯以交换主从设备信息，包括USART1和USART2；一组电平引脚包括OUT pin1、IN pin1、OUT pin2、IN pin2、OUT pin3、IN pin3，其中OUT pin3、IN pin3用于传输心跳脉冲。

S2，配置两路串口通讯的型号、串口参数、数据格式、校验方式、串口失联判定、串口复位以及电平通讯的心跳脉冲参数、电平联络信号状态、心跳脉冲失联判定和心跳脉冲滤波；

步骤S2配置两路串口通讯的型号、串口参数、数据格式、校验方式、串口失联判定、串口复位具体指的是

两路串口通讯的型号为USART串口；串口参数为115200bps的波特率、无校验、8个数据位、1个停止位；数据格式为2路串口每隔3ms发送一次数据，发送输出长度为12个字节，内含冗余交换信息；校验方式为使用BCC校验方式验证串口内容是否正常，若校验失败，则同该周期未收到数据做同样处理；串口失联判定为连续9ms内未收到任何串口通讯数据，则认为串口失联；串口复位为若任何串口发送数据失败，则复位对应串口。

步骤S2配置电平通讯的心跳脉冲参数、电平联络信号状态、心跳脉冲失联判定和心跳脉冲滤波具体指的是

每1ms发送一次心跳脉冲，脉宽300us；每1ms使用2个电平信号线发送电平联络信号的3种状态，3种状态为主、从、请求切换；当连续9ms内未收到心跳信号，则认为心跳信号消失；现场干扰大时，通过软件和硬件滤波。

S3，判断本机当前状态为主机运行状态或从机运行状态或上电初始化状态，根据双机的通信情况、故障状态、UID情况切换本机的运行状态。

判断本机当前状态为主机运行状态或从机运行状态或上电初始化状态，根据双机的通信情况、故障状态、UID情况切换本机的运行状态具体指的是

若当前本机为主机运行状态：

若系统中故障标志位显示为故障，则变更为从机运行状态，同时将本机UID的串口发送信息变为0；

若串口通信正常，且对方机器的串口联络数据也为主机运行状态，对方机器的UID大于本机的UID，则本机切换为从机运行状态；

若串口通信失联，但能接收到心跳脉冲信号，对方机器的电平信号标识为主机运行状态，对方机器的UID为0，本机默认主机运行状态，则切换为从机运行状态，若对方机器的 UID不为0，对方机器UID>本机UID，则将本机切换为从机运行状态；

若当前本机为从机运行状态：

若串口通信正常，且接收到对方请求变更数据，本机无故障，则切换为主机运行状态；

若串口通信正常，接收到对方机器的为从机运行状态，本机无故障，本机UID>对方机器UID，则切换为主机运行状态；

若串口通信失联，但能够接收到心跳信号，若对方机器的电平信号标识为主机，且对方机UID<本机UID，则切换为主机运行状态；

若接收到对方机器的电平联络请求变更信号，则切换为主机运行状态；

若串口通信失联，电平信号也失联，则本机状态切换为主机运行状态；

当前本机为上电初始化状态：

若本机自检故障，则直接变为从机运行态；

若通信正常，则根据对方机器的运行状态，变为对方机器相反运行状态；

若串口通信无效，但心跳信号接收正常，则根据对方机器的电平信号切换为相反运行状态；

若通信失联，心跳失联，则根据位置信息，确定当前工作状态，主控位置为主控状态，从机位置为从机状态。

对照附图2的引脚标识对冗余通讯切换原理说明如下：

1、主设备

1)每隔3ms

TX1向RX1发送数据：交换信息+状态字+校验

TX2向RX2发送数据：交换信息+状态字+校验

表1状态字描述表

2)每隔1ms

·通过Out Pin1和Out Pin2实时输出当前状态(引脚组合状态)

·通过Out Pin3输出心跳脉冲

表2引脚组合状态

2、从设备

1)每隔3ms

TX1向RX1发送数据：交换信息+状态字+校验

TX2向RX2发送数据：交换信息+状态字+校验

2)每隔1ms

·通过Out Pin1和Out Pin2实时输出当前引脚组合状态

·通过Out Pin3输出心跳脉冲

3、切换时机

RX1收到对方切换请求时

RX1接收超时情况下(硬件故障)，RX2接收到对方切换请求时

RX1，RX2接收超时情况下，根据心跳脉冲间隔，判定In Pin1和In Pin2组合表示对方请求切换时

RX1，RX2接收均超时，无心跳脉冲，In Pin1和In Pin2组合表示无效时，切换模式，抢夺运行控制权。

作为主机启动时，检测对方电平状态或通信状态为主控运行时，自动切换为冗余模式。

本发明的有益效果在于：

成本极低，仅需要最廉价的串口和一些电平引脚，适合批量工控领域；软硬件稳定性高：硬件上有两路串口和一组电平联络信号，即3组冗余通讯链路；软件上针对三种链路通道会有三条处理分支，最大程度避免单一软件故障引起失效；切换速度快：本发明方案可以保证设备切换时间在10ms以内，满足时序要求严格的使用场景。走线少，问题查找容易：一共10 根线，全部可以用示波器或逻辑分析仪还原波形分析，故障定位容易。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。