一種MODBUS/TCP與DeviceNet的協議轉換器的製作方法
2023-06-05 23:47:46 1
專利名稱：一種MODBUS/TCP與DeviceNet的協議轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業乙太網與現場總線的協議轉換器，具體是 MODBUS/TCP工業乙太網協議與DeviceNet現場總線協議的轉換。
背景技術：
近20多年來，隨著通信技術、計算機技術和網絡技術(3C技術)的飛速 發展，工業自動化控制領域也得到了迅速的促進和改革。如何將現代通信技術 成功地應用到工業自動化控制領域，是目前控制々面的熱點問題。
隨著控制技術、通信技術的飛速發展，特別是Intemet技術的廣泛應用，使 得現場總線控制系統通過乙太網與企業信息網集成實現工廠監控一體化成為大 勢所趨。將乙太網技術與現場總線技術相結合，可以避免現場總線技術游離於 計算機網絡技術的發展主流之外，使現場總線技術和計算機網絡技術的主流技 術很好地結合起來，形成現場總線技術和.一般計算機網絡技術相互促進的局面。
現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多 節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數位化、多點通信的底層控制網絡。 現場總線協議標準多種多樣，國際電工委員會(IEC)於2000年公布通過了 IEC61158現場總線標準，容納了8種互不兼容的控制層協議和三種設備級現場 總線標準。現場總線具有實時性好、穩定性f等優點，但是普遍通信速率較低， 如DeviceNet(設備網)現場總線的最高通信速率只能達到500kbps。這在通常的 工業控制場合還可以滿足應用的需要，但是要想進一步提高控制系統的性能， 如傳輸視頻、音頻等多媒體數據時，就成為發展的瓶頸。為此，人們考慮採用 一種統一的標準來解決這些問題。乙太網是商業領域裡普遍採用的區域網路，結合TCP/IP協議，構成了因特
網的基礎，成為網絡應用中事實上的標準，.其通信速率最低也可達到10Mbps， 並且具有廣泛的應用基礎。於是乙太網在實時控制中的應用一時成為了研究熱 點，很多大公司和科研機構紛紛推出了各自的工業乙太網協議。工業乙太網有 其自身的優勢，但是用在底層設備中還存在著諸如實時性、本質安全性等問題, 所以目前主要還是應用在企業信息管理層。而在底層還是採用現場總線網絡， 這就存在著設備層和信息層的銜接問題。，
各個大公司為了維護自身利益，搶佔市場份額，都推出了與自身協議兼容 的網絡架構，如美國Rockwdl公司基於控制與信息協議(CIP)推出了DeviceNet、 Controlnet、 Ethemet/IP的三層體系結構。法國施耐德公司推出"透明工廠"的 概念，在底層採用MODBUS現場總線呵絡，在信息層採用MODBUS/TCP工業 乙太網，層次間基於相同的功能碼連接。這些體系結構雖然實現了工業乙太網 和現場總線間的互連，但是各個層次的通信網絡都是基於自身相同的協議標準。 這種封閉的狀況給用戶帶來了很大的不便，在系統設計和系統改造時受到了許 多的限制。若能實現不同協議標準的工業乙太網和現場總線網絡之間的轉換， 既能滿足底層設備網絡實時性等要求，又能滿足信息層網絡高速率、大容量的 需要，還可以解決不同協議標準的通信網絡的兼容性問題，將會具有非常大的 實際意義。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是，考慮到目前企業網絡系統結構為 infranet-intrenet-internet結構，而工業乙太網主要應用在intrenet層，在底層仍採 用現場總線網絡，通過本實用新型提供一種MODBUS/TCP與DeviceNet的協議 轉換器，能實現不同協議標準的工業乙太網和現場總線網絡之間的轉換，達到對工業控制領域不同層次網絡相互通信尚rt速率、實時性、兼容性的目的。
為達到上述目的，本實用新型的技術解決方案是， 一種MODBUS/TCP與 DeviceNet的協議轉換器，其包括如下部分
工業乙太網接口模塊其內部包括有與乙太網連接的乙太網接口，用來處 理工業乙太網協議的協議處理單元，雙埠存儲器及網卡隔離部分，其中雙端 口存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區；
現場總線通訊適配器模塊其內部包括有與DeviceNet現場總線連接的現 場總線接口，用來處理DeviceNet現場總線協議的協議處理單元，雙埠存儲 器及光耦合部分，其中雙埠存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區，在輸入 區和輸出區中建立與各個從節點對應的映射區；
協議轉換微處理器(主控部分)其釆用DSP信號處理晶片，在此採用 TI公司的定點晶片TMS320VC5509，分別與工業乙太網接口模塊和現場總線通 訊適配器接口模塊連接，負責與工業乙太網接口模塊和現場總線通訊適配器模 塊通訊，並負責兩種協議應用層的轉換工作；
靜態存儲器(RAM):用來作為數據存儲器存儲從節點的過程數據；
所述協議轉換微處理器通過串行外曙境口連接帶有看門狗功能的電可擦除 存儲器(EEPROM):用來存儲微處理器內部運行參數、DeviceNet網絡的組網信 息和節點狀態信息；
所述協議轉換微處理器、工業乙太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊 和靜態存儲器之間通過內部總線連接。
作為優選方案，現場總線通訊適配器模塊以SJA IOOO為現場總線協議處理 單元，工業乙太網接口模塊以RTL8019為工業乙太網協議處理單元。本實用新型的工作原理是，由於DeviceNet是一種面向對象的應用層協議， 而Modbus僅是一種數據鏈路層協議，它們在物理層採用不同的規範，在數據 鏈路層採用不同的介質訪問方式。為了實現兩種協議的轉換，協議轉換裝置需 要滿足兩種協議物理層和數據鏈路層的要求。因此協議轉換器既要實現 DeviceNet主節點的功能，又要實現MODBUS/TCP工業乙太網節點功能，即分 別採用能夠實現DeviceNet主節點功能的現場總線通訊適配器模塊和能夠實現 MODBUS/TCP伺服器(Server)功能的工業乙太網接口模塊來實現這兩種功能。 綜上所述，本實用新型實現了不同協議標準的工業乙太網和現場總線網絡 之間的轉換，滿足了底層設備網絡實時性要求和信息層網絡高速率、大容量的 需要，同時也解決了不同協議標準的通信網絡的兼容性問題，對控制領域的現 場設備的網絡通訊起到了一定的功能上的提高。本實用新型達到了 MODBUS/TCP和DeviceNet協議轉換的實時性、高速率和兼容性的要求。
以下結合附圖和實施例對本實用新型的結構和工作原理作詳細的描述
圖1是實施例所述協議轉換器的總體硬體結構示意圖2是實施例所述協議轉換器的硬體原理圖3是實施例所述統一報文模型；
圖4是協議轉換方法的原理框圖5是協議轉換的軟體實現流程圖6是實驗系統具體實施方式
參照圖l，為了滿足通訊實時性要求，協議轉換微處理器CPU選用TI公司的高速信號處理晶片DSP 5509，負責與工業乙太網接口模塊和現場總線通訊適 配器模塊通訊，並負責兩種協議應用層的轉換工作。工業乙太網接口模塊處理 MODBUS/TCP工業乙太網協議，現場總線通訊適配器模塊處理DeviceNet現場 總線協議。協議轉換微處理器、工業乙太網接口模塊、現場總線通訊適配器模 塊、靜態存儲器之間通過協議轉換器的內部總線連接。採用帶有看門狗功能的 電可擦除存儲器(EEPROM)存儲協議轉換裝置的運行參數、DeviceNe倆絡的組 網信息和節點狀態信息。靜態存儲器(RAM)作為數據存儲器存儲從節點的過程 數據。
其中本實施例中DeviceNet主節點接口模塊以SJA 1000為CAN協議處理芯 片，實現物理層和數據鏈路層功能。在應用層封裝了DeviceNet對象模型，可實 現主節點的大部分功能。模塊提供標準DeviceNet現場總線接口，協議轉換器可 通過該接口與DeviceNet現場總線連接。模塊內部的DeviceNet協議處理單元可 實現DeviceNet協議。模塊提供了雙埠存儲器與協議轉換微處理器接口，雙端 口存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區，在輸入區和輸出區中可建立與各個 從節點對應的映射區，微處理器可通過輸入區向各個從節點寫入過程輸出數據， 通過輸出區獲得各從節點的過程輸入數據，通過郵箱區設置現場總線接口模塊 的運行參數，對DeviceNet網絡進行組網彩奪，讀取各個從節點的運行狀態。
工業乙太網接口模塊提供標準乙太網接口 ，協議轉換器可通過該接口與以 太網連接。模塊內部以晶片RTL8019為工業乙太網協議處理單元，可實現 MODBUS/TCP工業乙太網協議。模塊提供了雙埠存儲器與微處理器接口，雙 埠存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區，微處理器可通過輸入區向接口模 塊寫入各個從節點的運行狀態和過程數瑪，可通過輸出區獲得乙太網信息層發 送的各類型報文，可通過郵箱區設置接口模塊運行參數，讀取其運行狀態。參照圖2，為協議轉換器的整體具體硬體實施電路圖，以主晶片DSP5509、 SJA 1000和RTL8019為主要的硬體電路，將工業乙太網接口模塊和現場總線通 訊適配器模塊連接在以DSP5509為處理器的電路中，以達到通過RJ45傳上來的 乙太網數據和通過82C250收發器傳上來的CAN總線數據的轉換和流通。在電 路的設計中同時考慮到了乙太網控制器與RJ45的隔離，以及CAN控制器與 CAN總線的光耦合等。
首先，乙太網數據通過RJ45下傳(或數據經此上傳至乙太網)，經20F001 網卡隔離變壓器(將網卡晶片送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以 增強信號)隔離後聯至網絡控制晶片RTL8019進行協議處理，再將處理後的數 據送到微處理器DSP 5509，完成這一部分的協議轉換，其中RTL8019採用+SV 供電，選用20MHz晶振提供基準時鐘，晶片地址信號使能引腳AEN與主處理 器5509片選引腳TCK相連，電路選擇以16位數據總線寬度與主處理器通信，芯 片數據總線D0:D15接主處理器數據總線D0:D15，晶片地址總線A0:A5接主處理 器地址總線A0:A5， RST復位接處理器GPI02，此外，中斷端接至5509的INT1 進行中斷處理。
另外，DSP5509接至CAN處理晶片SJA 1000，進行DeviceNet協議處理，
其功能是在建立統一的報文格式基礎上，完成兩種協議的相互轉換。通過光耦 合6N137使適配器內部與外部隔離，經過CAN收發器82C250和CAN協議晶片實 現DeviceNet的協議接收和發送。晶片SJA IOOO是專門的CAN控制晶片，多路地 址/數據總線接至出處理器的AO: A7， ALE接5509的TCK，片選引腳CS接至5509 的GPIOl，同時用DSP 5509的INT0做中斷時用。
參照圖3，因在應用層上，DeviceNet協議採用基於對象模型的描述，而 MODBUS/TCP工業乙太網協議基於功能碼實現命令，為了實現基於不同協議標準的MODBUS/TCP工業乙太網和DeviceNet現場總線間應用層協議的轉換，協 議轉換器需要建立統一的報文模型，保證各種報文有效通訊。
參照圖4、 5所示，協議轉換的實現流程為首先利用預定義主/從連接組， 將協議轉換器作為DeviceNet的一個從站，另一方面又作為MODBUS/TCP的 主站。軟體由頭文件、初始化程序、功能子程序和主程序組成。軟體對與硬體 接口的部分進行了比較獨立的設計，而主程序和功能子程序主要用來實現協議 的實現及格式相互轉化，為將來的硬體改型和可能的協議修改提供了較大的便 利。
軟體整體結構如圖5所示。包括如下步驟
(1) 讀取電可擦除存儲器中運行參數，對協議轉換裝置初始化；
(2) 等待工業乙太網模塊產生中斷，獲得DeviceNet網絡組網信息，對DeviceNet 網絡組網；
(3) 讀取DeviceNet網絡中各個從節點工作狀態；
(4) 等待中斷，判斷中斷類別
如果是工業乙太網接口模塊產生中斷，調用中斷處理子程序，根據報文標 識符判斷報文類型，分別進行處理；
如果是現場總線模塊產生中斷，讀取從節點過程數據並將該數據寫入工業 乙太網接口模塊；
如果是定時中斷，讀取各從節點工作狀態並更新電可擦除存儲器中的節點 工作狀態標識區；
(5) 重複步驟(3)和(4)，循環運行。
DSP 5509從工業乙太網模塊接收的報文分為六種，以不同的報文標識 (message ID)識別報文類型(1)現場總線網絡配置報文中包含了針對DeviceNet網絡中各個從節點的 配置信息。包含從節點的節點地址(MAC1D)、廠商號(vendor)、產品類型(product type)、產品碼(productcode)、與主節點的通訊方式、在現場總線接口模塊雙端 口存儲器輸入、輸出區中開闢映射區的大小等參數。每一幀報文針對一個從節 點配置信息，在最後一幀報文的末尾加上報文結束標識符，以便於DSP5509判 斷處理。
(2)裝置運行參數報文中包含了裝置鄰玲化時需要的參數。包括DSP5509與 工業乙太網接口模塊間的雙埠存儲器中輸入區和輸出區的大小，對工業以太 網接口模塊的初始化參數,DSP5509與現場總線接口模塊間的雙埠存儲器中 輸入區和輸出區的大小，對現場總線接口模塊初始化參數，定時器中斷的定時
周期等參數。
(3) 節點開/關報文用來通知DSP5509關甲某些節點或重新啟動某些節點。 節點MACID標誌區中有8個字節，共64位，當某一位是l時表示關閉該位對應 MAC ID地址的節點。當某一位是O時表示重新啟動該位對應MAC ID地址的節點。
(4) 讀節點狀態報文用來通知DSP 5509上傳某個或某些從節點的運行狀 態。節點MACID標誌區中有8個字節，共64位，當某一位是l時表示需要讀取該 位對應MAC ID地址的節點狀態。
(5) 讀過程數據報文用來通知DSP 5509上傳某個或某些從節點的過程數 據。節點MACID標誌區中有8個字節，共64位，當某一位是l時表示需要讀取該 位對應MAC ID地址節點的過程數據。
(6) 寫過程數據報文用來通知DSP5509向某個從節點寫入過程數據。MAC ID標識要寫入的從節點的地址，然後是要寫入的數據，最後是表示數據結束的標識符。
DSP 5509向工業乙太網接口模塊可寫入兩類報文 (l)從節點狀態上傳報文用來上傳各個從節點的工作狀態。節點狀態標誌
區中有8個字節，共64位，當某一位是O時表示該位對應MACID地址的節點狀 態正常，當某一位是1時表示該位對應MAC ID地址的節點狀態異常。
(2)從節點過程數據上傳報文用來上傳某個從節點的過程數據。MACID標 識從節點的地址，然後是要上傳的數據，最後是表示數據結束的標識符。
為了驗證協議轉換器的可行性，構建如圖6所示的實驗系統計算機內的組 態軟體採用美國GE公司的iFIX組態軟體，使用該軟體內嵌的MODBUS/TCP工 業乙太網驅動程序MBE (Modbus Ethemet)來進行網絡配置和管理，支持I/0數據 的通訊。實驗系統中掛接了兩個MODBUS/TCP工業乙太網節點和兩個 DeviceNet現場總線從站節點。系統運行正常，上述協議轉換器中的各種報文和 各個節點I/0數據都能夠正常通訊，充分驗證了MODBUS/TCP工業乙太網和 DeviceNet現場總線間協議轉換器的可行性。
ii
權利要求1、一種MODBUS/TCP與DeviceNet的協議轉換器，其特徵是包括如下部分工業乙太網接口模塊其內部包括有與乙太網連接的乙太網接口，用來處理工業乙太網協議的協議處理單元，雙埠存儲器及網卡隔離部分；現場總線通訊適配器模塊其內部包括有與DeviceNet現場總線連接的現場總線接口，用來處理DeviceNet現場總線協議的協議處理單元，雙埠存儲器及光耦合部分；協議轉換微處理器其採用DSP信號處理晶片TMS320VC5509，分別與工業乙太網接口模塊和現場總線通訊適配器接口模塊連接；用來作為數據存儲器存儲從節點的過程數據的靜態存儲器；所述協議轉換微處理器、工業乙太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊和靜態存儲器之間通過內部總線連接。
2、 根據權利要求1所述MODBUS/TCP與DeviceNet的協議轉換器，其特 徵是所述協議轉換微處理器通過串行外圍接口連接帶有帶看門狗功能的電可擦 除存儲器EEPROM。
3、 根據權利要求1或2所述MODBUS/TCP與DeviceNet的協議轉換器， 其特徵是所述現場總線通訊適配器模塊以晶片SJA 1000為其協議處理單元，工 業乙太網接口模塊以RTL8019晶片為其協議處理單元。
專利摘要本實用新型公開了一種MODBUS/TCP和DeviceNet的協議轉換器，包括工業乙太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊和協議轉換微處理器，所述協議轉換微處理器、工業乙太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊和靜態存儲器之間通過內部總線連接；其中工業乙太網接口模塊包括有乙太網接口，工業乙太網協議處理單元、雙埠存儲器等；其中現場總線通訊適配器模塊包括有現場總線接口、現場總線協議處理單元、雙埠存儲器等。本實用新型建立了統一的報文模型，實現了兩者之間轉換的高速、大容量和實時性，由此提高了控制系統的靈活性和兼容性。
文檔編號H04L29/06GK201323598SQ200820210950
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月15日 優先權日2008年12月15日
發明者戴瑜興, 露 文, 莉 田, 石俊雲, 燎 肖, 浩 陳 申請人:湖南省建築工程集團總公司