一种可自动识别扩展设备数量、加密的动态地址通讯方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业控制设备的技术领域，具体涉及一种可自动识别扩展设备数量、 加密的动态地址通讯方法。
【背景技术】
[0002] 在工业控制设备中，一个高度抵抗干扰、具有保密特征同时能够动态识别设备负 载的总线是目前应用中所急需的。
[0003] -般的工业控制设备中都包含以下组成模块：CPU(中央处理单元）模块，各类输 入输出模块，数据上传下载模块。而CPU与各类输入输出、数据上传下载模块之间都是通过 总线以某种通讯协议相互连接。目前市场上已有的通讯协议存在的问题如下：
[0004] 一，缺乏必要的保密特征。在CPU模块和其他模块通讯时，数据通过明文进行传递 或者通过很弱的加密方式进行传递。在计算能力高度发达的今天，破解这样一套通讯协议 只需要若干天的时间。对于控制着昂贵工业设备的工业控制系统而言，这样的保密程度显 然难以满足市场、应用的需要。此外，各个通讯协议的保密特征是保持不变的。同一个厂家 往往使用同一套加密的方法。在实际应用中，只要破解了一个厂家的一套系统，其他系统的 安全性也无法得到保证。对于生产大批量工业控制设备的制造商而言，这也降低了其设备 的安全性。
[0005] 二，无法对干扰情况进行动态监测与预防。工业控制系统对于数据的准确性要求 极高。然而在工业环境中，常常存在着多种复杂的电磁、机械干扰，使得系统中总线上传递 的数据可能发生错误。一个错误的数据可能使得整套工业设备进入错误的工作状态，产生 不可预料的危险与经济损失。在一些设备中，确实应用了一些针对干扰情况的预防手段，但 是他们并不能动态地对干扰情况进行预测。一旦整套控制系统的工作环境发生变化，就有 可能带来整套系统错误率的上升，引发一系列严重的后果。
[0006] 三、对负载无法进行动态识别。与CPU相连的模块通常有非常多种，一个CPU与各 种模块构成的整体与其连接关系称为一个"组态"。目前市场上已有的控制系统必须在出厂 前或者运行前输入"组态"的详细信息以建立合理的通讯连接。而一旦"组态"发生变化， 控制系统则需重启或中断当前运行以进行重新配置。这也就意味着一旦控制系统中的某些 连接关系改变时，整套工业设备必须进入停产或者低产能状态，对于企业而言，这会带来巨 大的经济损失。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种可自动识别扩展设备数 量、加密的动态地址通讯方法，所提出的可以自动识别扩展设备数量、具有高度工业安全性 的、自适应通讯环境的动态地址多机通讯协议解决了以上问题，具有广阔的市场前景与应 用空间，有助于使用这一通讯协议的从事工业生产的企业降低生产、维护成本，也有助于这 些企业在更加复杂的环境中使用工业控制设备，扩大工业控制设备的应用场景。
[0008] -种可自动识别扩展设备数量、加密的动态地址通讯方法，包括如下步骤：
[0009]Sl，主设备通过侦测总线电荷与从设备建立通讯连接；
[0010] S2,对建立通讯连接关系的主设备与从设备进行信源的加密/解密；
[0011] S3,在主设备与从设备之间进行数据包的传输；
[0012] S4,采用PRBS码对信道进行动态估计，使主设备与从设备在通讯过程中动态地获 得了 一对一的信道，实现动态地址的通讯。
[0013] 优选的，Sl中，主设备通过侦测总线电荷与从设备建立通讯连接的方法具体为：
[0014] S2. 1，主设备向负载侦测线注入频率为finM的恒定幅度正弦电压信号；f inM为任 意频率；若负载侦测线上电流的变化显示某一个频率的正弦电压信号注入总线后，则根据 负载侦测线上的电流计算出等效电容；
[0015] S2. 2,将所述等效电容除以Cslave，即得到总的从设备个数：Cslav^从设备的引脚 有等效电容；
[0017] 公式中N为总的被测试频率的数量，Nslave为得到的从设备个数，Vin是输入电压 幅度，Uf inM)是负载侦测线上的电流幅度；
[0018] S2. 3,主设备向负载侦测线发送一个的探测指令，并根据从设备与主设备的距离 远近对从设备进行序号标号，作为从设备的地址；从设备给予主设备答复的时间戳作为该 从设备的密钥；所述探测指令包含已经应答从设备数量和发送当前命令时间；
[0019] S2. 4,负载侦测线上的所有从设备被分配唯一的地址和密钥；主设备根据唯一的 地址与从设备建立通讯连接。
[0020] 优选的，S2,对建立通讯连接关系的主设备与从设备进行信源的加密与解密的过 程相同，具体实现方法为，
[0021] 从设备的密钥是由主设备发送时间决定的；密钥的最大值为：
[0022] 24X60X60-1 = 86399 ；
[0023] 将所有的密钥表示为5位格式，最高位第0位，最低位第4位；主设备与从设备之 间的所有数据流表示为0/1的二进制码流；该二进制码流计位从1开始；
[0024] 第5xi+j位，取密钥的第j位进行十进制数字转换，并将该第5xi+j位进行二 进制转换：若密钥第j位为偶数，则该位取反；反之则不取反；其中Xi为自然数；j = 0, 1，2, 3, 4 ;由此过程实现主设备与从设备进行信源的加密与解密。
[0025] 优选的，S3中，在主设备与从设备之间进行传输的数据包的格式为：
[0026] I--目标地址I--本机地址I 数据包内容I -信道估计部分 1I CRC校验I 信道估计部分2；
[0027] 其中，主设备地址默认为0,从设备地址从1开始；目标地址为16位二进制，本机 地址为16位二进制；数据包内容为1000位二进制；信道估计部分1为128位二进制；CRC 校验为10位二进制，信道估计部分2为128位二进制。
[0028] 优选的，S4中，采用PRBS码对信道进行动态估计，使主设备与从设备在通讯过程 中动态地获得了一对一的信道，实现动态地址的通讯的方法具体为：
[0029]S5. 1，将Npkbs位PRBS伪随机二进制码发送到总线中，PRBS码流方差二阶矩不小于 C avg，PRBS码的平均值一阶矩误差的绝对值不小于Mavg;PRBS码的三阶矩绝对值不小于R avg; Npkbs为自然数；C avg、Mavg和R avg均为预设的参数；
[0030] S5. 2,接收到Npkbs位PRBS的从设备进行计算，得到接收到的6??、和 riavg的值；其中i为从设备的序号；c的含义为第i个从设备计算得到的码流方差，m的含 义为第i个从设备计算得到的实际接收到的码流的平均值，r的含义为第i个从设备计算 得到的实际接收到的码流的三阶矩；
[0031] 得到Npkbs位PRBS的从设备动态地将从设备自身的与饼!_的值进行更 新；
[0032] S5. 3,从设备使用其接收到的信道估计部分1和信道估计部分2的码流对主设备 进行回复，实现动态地址的通讯。
[0033] 优选的，S5. 2,接收到Npkbs位PRBS的从设备进行计算，计算的方法为：
[0034] 通过从设备回复给主设备原始序列和经过信道恶化两次后的恶化系数，推断出恶 化两次后的统计特性；
[0035] 假设每次统计特性的恶化都是一个固定的线性的百分比；PRBS码流方差变为X 倍，收到码流的平均值误差变为y倍，x、y均为实数；
[0036] 主设备收到从设备第i次回复的信道估计部分1或信道估计部分2后，重新计算 统计特性C avg nOT ^avg nOT iRavg n" i;获得恶化系数⑶Fi的方法为：
[0040] Cavg指预设的方差，Mavg指预设的平均值误差，Ravg指预设的三阶矩绝对值； CDFi指的是第i个从设备计算到的Cavg参数的恶化系数。
[0041] 优选的，S4之后，若检测到新设备中途插入信号，则，假设当前负载侦测线充电电 压为电源电压V DD，新设备前负载侦测线上总电荷为VddX CslaveX N，N为当前从设备数量，加 入新设备后，重新分配负载侦测线上电荷；负载侦测线电压跌落至：
[0043] N为既有设备数量，N+1中的+1指的是新接入的设备；VDD是电源电压；Vline指 的就是负载线接入N+1个设备后的新的电压；
[0045] 在主设备侦测到负载侦测线上电压变化后，返回步骤S1。
[0046] 优选的，S4之后，若检测到无法收取从设备回复的数据包或主设备收到的数据包 长度不足时，则判定为从设备中途取出，终止当前通讯并返回步骤S1。
[0047] 优选的，主设备与从设备根据信道估计部分1和信道估计部分2进行冲突处理；冲 突处理的方法具体为：
[0048] S9.1，在主设备与从设备之间取十次信道恶化系数的平均值作为正常状态参考 值；并将当前信道状态与正常状态参考值进行比较；
[0049] S9. 11，若当前信道状态与正常状态参