СЕТЕВОЙ УЗЕЛ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЕТЕВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в конструкциях абонентов (сетевых узлов) управляющих и вычислительных систем различного назначения. Сетевой узел также может быть использован для сбора телеметрической информации с нескольких объектов системы, ее обработки и выдачи результатов контроля на программную телеметрию или команд управления внешним абонентом по результатам контроля.
В современных распределенных системах управления для обеспечения их функционирования весьма часто стоит задача жесткой синхронизации работы их абонентов (сетевых узлов). Данная проблема характерна, например, для распределенных систем связи, в том числе с большим количеством абонентов, зачастую находящихся на значительном расстоянии друг от друга, для сложных технических устройств, используемых в автомобильной, авиационной и других отраслях, например, в системах управления механизацией автомобильных или авиационных двигателей. При функционировании таких систем недопустимо, чтобы исполнительные устройства их сетевых узлов получали не скоординированные, не синхронизированные между собой команды управления, а нарушение синхронизации подачи команд на исполнительные устройства может привести к сбою работы системы или аварийной ситуации. При обеспечении жесткой синхронизации функционирования абонентов необходимо учитывать физическую топологию коммуникационной сети, прежде всего - расстояния между различными абонентами. В единой сети могут работать абоненты, расположенные на расстоянии нескольких сантиметров, и в той же сети могут находиться абоненты, удаленные друг от друга на десятки и сотни метров. Соответственно, задержки распространения сигнала между различными узлами оказываются существенно различающимися. Используемая в настоящее время настройка коммуникационных контролеров сетевых узлов на большие задержки приводит к существенному снижению пропускной способности канала обмена и низкой точности синхронизации, а настройка контроллеров на малые задержки приводит к снижению отказоустойчивости системы, в состав которой входят сетевые узлы. Другой особенностью распределенных систем является необходимость переключения параметров приема и передачи их сетевых узлов при работе системы в различных режимах - штатный режим, аварийный режим, режим обслуживания и наладки. При этом необходимо строго синхронное переключение коммуникационных контроллеров всех сетевых узлов на различные параметры приема и передачи.
Известен контроллер обмена, содержащий блок обработки данных, соединенный двусторонней связью с блоком управления обменом, блок прерывания, причем в контроллер введены блок сбора контрольной информации, блок приема релейных команд, блок выдачи релейных команд, блок последовательного асинхронного обмена, блок приема и выдачи импульсных команд, последовательный интерфейсный блок с внешним квитированием, последовательный интерфейсный блок с внутренним квитированиеми, и блок выдачи телеметрического кода, причем информационно-управляющие входы-выходы блока прерывания, блока сбора контрольной информации, блока приема релейных команд, блока выдачи релейных команд, блока последовательного асинхронного обмена, блока приема и выдачи импульсных команд, последовательного интерфейсного блока с внешним квитированием, последовательного интерфейсного блока с внутренним квитированием и блока выдачи телеметрического кода через внутреннюю магистраль соединены с соответствующими информационно-управляющими входами-выходами блока управления обменом, группа выходов блока выдачи релейных команд и группа входов блока приема релейных команд являются соответственно группой выходов и группой входов релейных команд контроллера, группы входов-выходов последовательного интерфейсного блока с внутренним квитированием и последовательного интерфейсного блока с внешним квитированием являются группами линейных входов-выходов контроллера, группа входов и группа выходов блока приема и выдачи импульсных команд являются соответственно группой входов и группой выходов импульсных команд контроллера, с первого по пятый входы-выходы блока последовательного асинхронного обмена являются соответствующими входами-выходами контроллера для подключения к внешним объектам, группа входов блока сбора контрольной информации является группой входов контроллера для подключения к контрольным выходам внешних объектов, группа входов, первая, вторая группы выходов, выходы строба и маркера блока выдачи телеметрического кода являются соответствующими одноименными группой входов, группами выходов и выходами контроллера.
(см. патент РФ №2032214, кл. G06F 13/00, 1995 г.)
Недостатком данного контроллера обмена является низкая точность синхронизации его работы с другими абонентами распределенной системы.
Известна распределенная сетевая система управления, содержащая связанные коммуникационным каналом сетевые узлы, каждый из которых состоит из контроллера управления исполнительным устройством узла, коммуникационного контроллера, связанного с коммуникационным каналом, вход контроллера управления исполнительным устройством узла через первый блок связи связан с блоком защиты, с которым через второй блок связи связан коммуникационный контроллер. Каждый сетевой узел оснащен регистром переданных сообщений, регистром принятых сообщений и блоком логики, причем регистры переданных и принятых сообщений входами связаны с выходами второго блока связи и блока защиты, а выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом контроллера управления исполнительным устройством узла, а выход блока логики связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства узла. (см. патент № RU 95205 U1, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного сетевого узла необходимо отметить, что его недостатком является отсутствие механизма компенсации задержек распространения сигнала, зависящих от топологии сети при синхронизации работы абонентов, а также отсутствие механизма переключения параметров приемо-передачи при необходимости переключения сетевого узла в различные режимы работы системы.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение производительности распределенной системы, использующей заявленный сетевой узел, а также повышение ее отказоустойчивости за счет выполнения сетевого узла распределенной сетевой системы управления, обеспечивающего компенсацию задержек распространения сигнала, зависящих от топологии сети при синхронизации работы узлов, а также обеспечивающего переключение параметров приема и передачи сетевого узла при переключении абонентов распределенной системы в различные режимы работы.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в сетевом узле распределенной сетевой системы управления, содержащем блок управления исполнительным устройством, коммуникационный контроллер, имеющий возможность связи с коммуникационным каналом, вход блока управления исполнительным устройством узла через первый блок связи связан с блоком защиты, регистры переданных и принятых сообщений, а также блок логики, причем регистры переданных и принятых сообщений входами связаны с выходами второго блока связи и блока защиты, а выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом блока управления исполнительным устройством узла, а первый выход блока логики связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства, новым является то, что сетевой узел оснащен регистром физической топологии сети, регистром параметров приемо-передачи, блоком коррекции задержки распространения сигнала и блоком переключения параметров приемо-передачи, причем блок коррекции задержки распространения сигнала связан с коммуникационным контроллером и со вторым блоком связи, а также с выходом регистра физической топологии сети своим входом связанного с выходом блока управления, регистр параметров приемо-передачи своим входом связан с выходом блока управления, а своим выходом - с первым входом блока переключения параметров приемо-передачи, второй вход которого подключен к второму выходу блока логики, а выход блока переключения параметров приемо-передачи подключен к входу коммуникационного контроллера.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема сетевого узла распределенной сетевой системы управления.
Сетевой узел распределенной сетевой системы управления состоит из блока управления 1, коммуникационного контроллера 2, блока защиты 3, связанного через первый блок связи 4 с блоком управления 1 и связанного со вторым блоком связи 5. Блок управления 1 предназначен для управления исполнительным устройством 6 сетевого узла. Вход/выход коммуникационного контроллера 2 связан с коммуникационным каналом 7. Коммуникационный канал 7 связывает все сетевые узлы распределенной сетевой системы управления.
Сетевой узел дополнительно содержит регистр 8 переданных сообщений, регистр 9 принятых сообщений и блок логики 10. Регистры переданных 8 и принятых 9 сообщений своими входами связаны с выходами блоков защиты 3 и связи 5, а своими выходами связаны с первым и вторым входами блока логики 10, третий вход блока логики 10 связан с выходом блока управления 1. Первый выход блока логики 10 связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства 6.
Сетевой узел также содержит регистр 11 физической топологии сети, вход которого связан с выходом блока управления 1, а выход - с входом блока 12 коррекции задержки распространения сигнала, с которым также связан через второй блок 5 связи блок защиты 3. Блок 12 связан своим входом/выходом с входом/выходом коммуникационного контроллера 2.
Выход блока управления 1 дополнительно связан с входом регистра 13 параметров приемо-передачи, выход которого связан с первым входом блока 14 переключения параметров приемо-передачи, со вторым входом которого связан второй выход блока логики 10. Выход блока 14 связан с входом коммуникационного контроллера 2.
Конструктивно сетевой узел реализован на базе известных средств.
В качестве блока управления 1 может быть использован микроконтроллер 1986ВЕ91 фирмы Миландр.
Коммуникационный контроллер 2 может быть реализован на микросхеме ADM2490E.
В качестве блоков связи могут быть использованы интерфейсы SPI, RS-485 или другие последовательные или параллельные шины.
В качестве блока логики может быть использована стандартная логическая интегральная микросхема.
В качестве блока защиты 3, регистра 11 и блоков 12, 13 и 14 могут быть использованы программируемая логическая интегральная схема, например, AGL600V5, или интегральная микросхема К5600ВГ2У фирмы Миландр.
Сетевой узел в составе распределенной сетевой системы работает следующим образом.
При включении сетевого узла блок управления 1 загружает в регистр 11 физической топологии сети массив расчетных временных задержек распространения сигналов в коммуникационном канале 7 между всеми узлами сети, а в регистр 13 - параметры приемо-передачи: частота передачи, длина заголовка информационного пакета, длительность цикла обмена и идентификатор текущего режима. Эти данные используются при работе, соответственно, блоком 12 коррекции задержки распространения сигнала и блоком 14 переключения параметров приемо-передачи.
Блок управления 1 также настраивает блок логики 10 на выработку команд синхронизации исполнительного устройства 6 таким образом, что команда синхронизации будет выдаваться блоком логики 10 на исполнительное устройство 6 только при условии поступления из регистров 8 и 9 заданного набора соответственно переданных и принятых сообщений.
В процессе работы системы блок управления 1 выдает команду управления на исполнительное устройство 6 и одновременно через блоки связи 4 и 5, блок защиты шины 3, блок коррекции задержки 12 и коммуникационный контроллер 2 передает сообщение всем остальным сетевым узлам распределенной системы о выдаче команды на свое исполнительное устройство 6. Исполнительное устройство отрабатывает выданную команду не сразу, а только при поступлении синхронизирующего сигнала от блока логики 10, а блок логики выдаст сигнал синхронизации только тогда, когда все блоки управления 1 сетевых узлов системы выдадут команды управления на свои исполнительные устройства и выдадут в коммуникационный канал 7 соответствующие сообщения. Для обеспечения одновременной выдачи команд сетевые узлы синхронизируют свои часы путем введения поправки к значению собственного текущего времени до величины, определяемой как среднее из значений времен отправки сообщений всеми другими узлами сети. Алгоритм синхронизации часов учитывает физическую топологию сети. В общем случае, задержка распространения сигнала в коммуникационном канале 7 при обмене информацией между любой парой узлов сети не равна таковой между другой парой узлов. Значения задержек устанавливаются блоком управления 1 в регистре 11 физической топологии сети и учитываются блоком 12 коррекции задержки распространения сигнала в момент синхронизации часов узла. В каждом сетевом узле блок защиты 3 разрешает обработку принятых и переданных сообщений только в установленные для данного узла интервалы времени (расписание обмена), а блок связи 5 обрабатывает все принятые и переданные сообщения и устанавливает в регистрах 8 и 9 соответствующие сообщениям биты, которые обрабатываются блоком логики 10. При совпадении комбинации битов, соответствующих переданным и принятым сообщениям, с набором битов, установленных в блоке логики при начале работы системы, блок логики 10 выдает сигнал синхронизации на свое исполнительное устройство. Таким образом, блоки логики всех сетевых узлов выдадут команды синхронизации своих исполнительных устройств строго в момент поступления сообщения от последнего по времени контроллера узла, выдавшего команду на свое устройство управления. Таким образом, сигналы синхронизации исполнительных устройств будут выданы на все исполнительные устройства одновременно с точностью до быстродействия блоков логики. Система имеет несколько режимов работы, которые характеризуются различными расписаниями передач, а также параметрами приема-передачи в сети: скорость обмена, длина преамбулы сообщения. Параметры приема-передачи устанавливаются блоком управления 1 при старте в регистре 13 параметров приемо-передачи и используются блоком 14 переключения параметров приемо-передачи для настройки коммуникационного контроллера 2 при переключении режима работы. Требование переключения режима работы формируется блоком логики 10 одного из узлов сети и сообщается всем узлам сети одновременно с точностью до разницы в задержке распространения сигнала до различных узлов сети. Переключение режима работы происходит строго синхронно во всех узлах в установленный расписанием момент времени.