多路串行通信轉換器及其應用的集散控制系統的製作方法

2023-05-27 08:22:36 1

專利名稱：多路串行通信轉換器及其應用的集散控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業自動化控制系統中的數據傳輸裝置，尤其涉及一種多路串 行通信轉換器及其應用的集散控制系統。
背景技術：
隨著計算機技術的發展，在工業自動化領域內基於工業PC機的集散控制 系統已獲得廣泛的運用。參照圖l所示，集散控制系統從系統架構來看，基本 為二級主從結構，即上位機IO採用工業PC機，在PC機的作業系統(如Windows 98/2000/XP)環境下運行各種組態軟體。下位機30為各種工業測量、控制設備 (如儀表、模塊、可編程控制器、變頻器等)，這些設備均配置了各種串行通 信接口 (如RS232、 RS485、 RS422)，並分別具有各自的串行通信協議。上位 機10和下位機30之間以串行通信總線20相連，根據串行通信接口的不同以 及串行通信協議的區別，下位機設備30要分成多組分別連接至上位機10的某 個串行通信接口上，這樣上位機10就可能需要擴展多個串行通信接口。也可 能出現這樣的情況，即某設備的串行通信協議不在上位機組態軟體支持的範圍 內(非標準的串行通信協議)，這樣就要利用其串行通信協議得到組態軟體支 持的其他設備的模擬信號接口來採集上述設備模擬信號接口輸出的模擬信號， 轉換為數位訊號後再傳輸至上位機。這樣就可能帶來新的問題，如產生轉換誤 差、易受幹擾、增加成本(因增加模擬信號輸入/輸出接口)等。
以圖l為例，設備A、 B、 C、 D、 E是指具有不同的串行通信協議的設備， 分別以不同的字母來區分。圖中設備D1、 D2的的串行通信協議不在上位機組 態軟體支持的範圍內，所以就要利用設備E1的模擬信號接口來採集設備D1、 D2輸出的模擬信號，再轉換為數位訊號後傳輸至上位機。此系統的工業PC機 一則需要擴充至四個串行接口、四條通信總線，二則組態軟體中需配置四種串 行通信協議，由此帶來配置上的成本增加和結構複雜化。本發明所要解決的技術問題是提供一種多路串行通信轉換器，用以在工業 自動化控制系統的上、下位機之間充當一個數據緩衝轉換裝置，從各種帶不同 的串行通信接口、串行通信協議、串行通信參數設備上傳的信息中，提取所需 的數據、狀態等，經過加工、整理後統一以常用的標準串行通信協議與上位機 進行數據傳輸。本發明為解決上述技術問題而採用的技術方案是提出一種多路串行通信 轉換器，用以在集散控制系統的上位機與多個下位機之間進行協議轉換，其中 每一下位機具有串行通信接口及至少一串行通信協議，上位機具有串行通信接 口，上位機上運行的組態軟體具有至少一串行通信協議，該多路串行通信轉換 器包括多個第一通信接口， 一一對應地連接多個下位機，其中各第一通信接口和 與之連接的下位機的串行通信接口兼容；第二通信接口，連接所述上位機，所述第二通信接口與上位機的串行通信接 口兼容；多個從微控制器， 一一對應地連接各第一通信接口，其中各從微控制器使用 與對應下位機的串行通信協議兼容的第一串行通信協議與下位機進行數據通信；以 及主微控制器，連接所述第二通信接口，並使用與上位機組態軟體中的串行通 信協議兼容的第二串行通信協議與上位機進行數據通信，其中所述主微控制器經由 一內部數據總線與各從微控制器傳輸數據。上述的多路串行通信轉換器中，各從微控制器的第一串行通信協議是根據對 應的下位機的串行通信協議而編制的。上述的多路串行通信轉換器中，主微控制器經由一內部控制總線控制與各從 微控制器之間的數據傳輸方向。上述的多路串行通信轉換器中，內部數據總線為並行總線。上述的多路串行通信轉換器中，各從微控制器具有不同的的地址編號，所 述主微控制器按照地址編號與各從微控制器傳輸數據並保存所述數據。上述的多路串行通信轉換器中，多個第一通信接口可分別為RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一，而第二通信接口可為RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一。另一方面，本發明提出一種集散控制系統，包括一上位機、多個下位機及 至少一多路串行通信轉換器，至少一多路串行通信轉換器連接在所述上位機和多個下位機之間，用以進行協議轉換，其中每一下位機具有串行通信接口及至 少一串行通信協議，該上位機具有串行通信接口，上位機上運行的組態軟體具 有至少一串行通信協議，每一多路串行通信轉換器包括多個第一通信接口， 一一對應地連接多個下位機，其中各第一通信接口和 與之連接的下位機的串行通信接口兼容；第二通信接口，連接所述上位機，所述第二通信接口與上位機的串行通信接 口兼容；多個從微控制器， 一一對應地連接各第一通信接口，其中各從微控制器使用 與對應下位機的串行通信協議兼容的第一串行通信協議與下位機進行數據通信；以 及主微控制器，連接所述第二通信接口，並使用與上位機組態軟體中的串行通 信協議兼容的第二串行通信協議與上位機進行數據通信，其中所述主微控制器經由 一內部數據總線與各從微控制器傳輸數據。本發明由於採用了多路串行通信轉換器，可以將各下位機經由不同通信接 口和通信協議傳輸來的數據、狀態等，經過加工、整理後統一以與上位機組態 軟體中的串行通信協議兼容的第二串行通信協議傳輸給上位機。這樣就可大大 簡化系統的硬體架構和軟體配置，也可將具有非標準串行通信協議的設備集成 至系統中去。


為讓本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發 明的具體實施方式
作詳細說明，其中圖1是現有的一種集散控制系統架構示意圖。圖2是根據本發明的一種採用多路串行通信轉換器的集散控制系統架構示意圖。圖3是根據本發明一實施例的多路串行通信轉換器架構圖。圖4A是多路串行通信轉換器的主微控制器程序流程圖。 圖4B是多路串行通信轉換器的從微控制器程序流程圖。 圖5是根據本發明的一種採用多路串行通信轉換器的無機廢水資源化移動專 家系統示意圖。
具體實施方式
本發明為解決工業自動化控制系統需配置多個串行通信接口和多種串行 通信協議的問題而提出一種多路串行通信轉換器，用以在工業自動化控制系統 的上、下位機之間充當一個數據緩衝轉換裝置，串行通信轉換器所進行的轉換 可包括串行通信接口轉換和/或串行通信協議轉換。圖2示出根據本發明的一種採用多路串行通信轉換器的集散控制系統架構示 意圖。圖3示出根據本發明一實施例的多路串行通信轉換器架構圖。參照圖2、圖 3所示， 一種集散控制系統100包括一個上位機110、多個下位機130及多個多路 串行通信轉換器120。上位機110例如採用工業PC機，在PC機的作業系統(如 Windows 98/2000/XP)環境下運行各種組態軟體。下位機130可為各種工業測 量、控制設備，包括但不限於儀表、模塊、可編程控制器、變頻器等。這些設 備均配置了各種串行通信接口，如RS232、 RS485、 RS422，並分別具有各自的 串行通信協議。上位機110配置一個或多個串行通信接口，上位機上運行的組態軟體具有 一種或多種串行通信協議。在圖2所示實施例中，上位機110可以只配置一個 串行通信接口，其運行的組態軟體只具有一種串行通信協議，在此稱之為標準 串行通信協議，其可以是常用的ModbusRTU協議。多個多路串行通信轉換器120連接在上位機110和多個下位機130之間， 每一轉換器120可連接多個下位機。轉換器可以進行下位機與上位機通信所需 的接口轉換，例如將RS232接口轉換為上位機所支持的RS485接口。更重要的 是，轉換器還可以進行下位機與上位機通信所需的協議轉換，例如將其他串行 通信協議(一般為上位機組態軟體不支持的串行通信協議)傳輸的數據格式轉。根據需要，多路串行通 信轉換器120可以只進行接口的轉換，或者只進行協議的轉換。如圖2所示，編號為A、 B、 C、 D、 E的四種設備分別具有不同的串行通 信協議。其—中.，設備A例如具有與上位機組態軟體所具有的串行通信協議互相 兼容的串行通信協議，也就是說，組態軟體支持設備A的串行通訊協議。集散 控制系統IOO釆用三個多路串行通信轉換器120，編號為B、 C、 D的三組下位 機設備分別經由三個多路串行通信轉換器120進行接口和/或協議轉換後，使用 與組態軟體所具有的標準串行通信協議兼容的串行通信協議與上位機110通 信。由於同一串行通信協議的多個設備可以共用一個串行接口 (只是具有不同 的地址)，因此如圖2所示，本發明的集散控制系統的工業PC機只需要一個 串行接口，組態軟體中只需配置一種標準串行通信協議。參照圖3所示，多路串行通信轉換器120採用N路輸入/一路輸出結構， 即N路串行信息輸入至轉換器120， 一路串行信息輸出至上位機110。輸入的 N路串行信息可採用不同的串行通信協議，輸出的一路串行信息一般採用常用 的標準串行通信協議。具體地說，每一多路串行通信轉換器包括多個(如N個,N為〉1的正整數) 第一通信接口 121、多個從微控制器122、總線驅動器123，以及一個主微控制 器124、第二通信接口 125; —個內部數據總線126以及內部控制總線127。第 一通信接口 121 —一對應地連接多個下位機130 (參照圖2)，其中各第一通 信接口 121和與之連接的下位機130的通信接口互相兼容。其中，第一通信接 口 121可以選擇採用不同的串行通信接口，例如RS232、 RS485、 RS422。各第 一通信接口 121的參數(如字長、波特率、停止位、校驗位等)設置可不完全 相同。多路串行通信轉換器120採用"一個主微控制器+N個從微控制器"的架 構。其中N個從微控制器122—一對應地連接各第一通信接口 121，各從微控制 器122內配置與下位機130的串行通信協議兼容的第一串行通信協議，以經由各第 一通信接口 121與下位機130進行數據通信。在一個實例中，由於下位機130的串 行通信協議的多樣性，可在從微控制器122內預留用於串行通信協議編程的程序存 儲空間，然後，根據所要連接的下位機130選擇或編制一種兼容的串行通信協議。主、從微控制器124、 122之間通過總線驅動器123以內部數據總線126 相連，主微控制器124經由內部數據總線126與各從微控制器122傳輸數據。另 外，主微控制器124通過內部控制總線127控制上述傳輸數據的流向。第二通信接口 125連接於主微控制器124與上位機110的串行通信接口之間， 第二通信接口 125與上位機110的串行通信接口兼容。舉例來說，第二通信接口 125與上位機110都選用RS485接口。當然，第二通信接口 125與上位機110 還可選用諸如RS232、 RS422等其他接口。另外，主微控制器124還具有與上位機組態軟體所具有的標準串行通信協 議兼容的第二串行通信協議，以便通過第二通信接口 125與上位機進行數據通 信。舉例來說，第二串行通信協議選用Modbus協議。多路串行通信轉換器120的主微控制器124負責與各從微控制器122間數 據傳輸的控制，以及所有數據的整理、上傳的過程。各從微控制器122負責輸 入串行數據信息(由各設備輸出)的接收、數據提取的過程。下面描述它們的 工作過程。主、從微控制器間的數據傳輸按事先約定的方式進行。在一個實施例中， 主微控制器的程序流程如圖4A所示，啟動後，檢測上位機是否需要獲取數據 (步驟201)，若上位機不需獲取數據，則等待採樣周期是否到來(步驟202)， 採樣周期到來後，按照當前的從微控制器地址編號和協議傳輸數據(步驟203)， 直到傳輸結束(步驟204)，然後更新從微控制器地址編號並整理和保存數據 (步驟205)。另一方面，若上位機需獲取數據，則提取數據並按標準串行通 信協議與上位機間傳輸數據(步驟206)，直到傳輸結束(步驟207)。相應地，從微控制器的程序流程參見圖4B所示，啟動後，檢測主微控制 器是否需要獲取數據(步驟301)，若主微控制不需獲取數據，則等待採樣周 期是否到來(步驟302)，採樣周期到來後，按照設備的通信協議傳輸數據(步 驟303)，直到傳輸結束(步驟304)，然後整理和保存數據(步驟305)。另 一方面，若主微控制需獲取數據，則將當前數據按順序傳輸(步驟306),直 到傳輸結束(步驟307)。圖5示出一種採用多路串行通信轉換器的無機廢水資源化移動專家系統示意 圖。在"無機廢水資源化移動專家系統"集散控制系統400中，使用了與如圖2所示集散控制系統基本相同的架構，因此在此不再詳細展開。僅就本實施例
的不同之處加以描述。在本實施例中，上位機410使用的是崑崙通泰的MCGS 組態軟體。三個可編程控制器(PLC)為RS485串行接口，使用Modbus RTU 串行通信協議；所有的作為下位機430的PH (酸鹼度)、ORP (氧化還原電位)、 EC (電導率)儀表均為RS232串行接口，但MCGS組態軟體均不支持其串行 通信協議。通過三個多路串行通信轉換器420，可以採集到所有儀表的測量數 據，並將其按約定的順序進行編排，以ModbusRTU串行通信協議通過RS485 串行接口上傳至上位機410。以上這些使用Modbus RTU串行通信協議以及 RS485串行接口的設備(三個PLC、三個轉換器)，佔用了上位機的一個串行 接口。另外，二個調節控制器佔用了上位機另一個串行接口，使用的是MCGS 組態軟體支持的AI儀表串行通信協議。
在本例的多路串行通信轉換器120結構中，主微控制器採用了 AT89C52 單片機；各從微控制器採用了 AT89C2051單片機；串行接口為MAX232及 MAX485;總線驅動器為74HC245。
因此在上述"無機廢水資源化移動專家系統"應用實例中，通過使用三個 多路串行通信轉換器，進行多通道智能儀表的串行信息的採集、轉換，完成了 PH、 ORP、 EC數據的傳輸。而上位機只需使用少量的串行接口和串行通信協 議，並能與不兼容的設備進行通信。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何本 領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善， 因此本發明的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。
權利要求
1.一種多路串行通信轉換器，用以在集散控制系統的上位機與多個下位機之間進行協議轉換，其中每一下位機具有串行通信接口及至少一串行通信協議，所述上位機具有串行通信接口，上位機上運行的組態軟體具有至少一串行通信協議，所述多路串行通信轉換器包括多個第一通信接口，一一對應地連接多個下位機，其中各第一通信接口和與之連接的下位機的串行通信接口兼容；第二通信接口，連接所述上位機，所述第二通信接口與上位機的串行通信接口兼容；多個從微控制器，一一對應地連接各第一通信接口，其中各從微控制器使用與對應下位機的串行通信協議兼容的第一串行通信協議與下位機進行數據通信；以及主微控制器，連接所述第二通信接口，並使用與上位機組態軟體中的串行通信協議兼容的第二串行通信協議與上位機進行數據通信，其中所述主微控制器經由一內部數據總線與各從微控制器傳輸數據。
2. 如權利要求1所述的多路串行通信轉換器，其特徵在於，所述各從微控 制器的第一串行通信協議是根據對應的下位機的串行通信協議而編制。
3. 如權利要求1所述的多路串行通信轉換器，其特徵在於，主微控制器經 由一內部控制總線控制與各從微控制器之間的數據傳輸方向。
4. 如權利要求1所述的多路串行通信轉換器，其特徵在於，所述內部數 據總線為並行總線。
5. 如權利要求1所述的多路串行通信轉換器，其特徵在於，所述各從微 控制器具有不同的的地址編號，所述主微控制器按照地址編號與各從微控制器傳輸數據並保存所述數據。
6. 如權利要求1所述的多路串行通信轉換器，其特徵在於，所述的多個 第一通信接口分別是RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一，所述的第二 通信接口為RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一。
7. —種集散控制系統，包括一上位機、多個下位機及至少一多路串行通信轉換器，所述至少一多路串行通信轉換器連接在所述上位機和多個下位機之 間，用以進行協議轉換，其中每一下位機具有串行通信接口及至少一串行通信 協議，所述上位機具有串行通信接口，上位機上運行的組態軟體具有至少一串 行通信協議，每一多路串行通信轉換器包括多個第一通信接口， 一一對應地連接多個下位機，其中各第一通信接口和 與之連接的下位機的串行通信接口兼容；第二通信接口，連接所述上位機，所述第二通信接口與上位機的串行通信接 口兼容；多個從微控制器， 一一對應地連接各第一通信接口，其中各從微控制器使用 與對應下位機的串行通信協議兼容的第一串行通信協議與下位機進行數據通信；以 及主微控制器，連接所述第二通信接口，並使用與上位機組態軟體中的串行通 信協議兼容的第二串行通信協議與上位機進行數據通信，其中所述主微控制器經由 一內部數據總線與各從微控制器傳輸數據。
8. 如權利要求7所述的集散控制系統，其特徵在於，所述各從微控制器的 第一串行通信協議是根據對應的下位機的串行通信協議而編制。
9. 如權利要求7所述的集散控制系統，其特徵在於，所述的多個第一通 信接口分別是RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一，所述的第二通信接 口為RS232、 RS485、 RS422串行通信接口之一。
10. 如權利要求7所述的集散控制系統，其特徵在於，所述主微控制器經由 一內部控制總線控制與各從微控制器之間的數據傳輸方向。
全文摘要
本發明涉及一種多路串行通信轉換器及其應用的集散控制系統，多路串行通信轉換器從各種帶不同的串行通信接口、串行通信協議、串行通信參數設備上傳的信息中，提取所需的數據、狀態等，經過加工、整理後統一以常用的標準串行通信協議與上位機進行數據傳輸，為此，該多路串行通信轉換器包括多個與下位機兼容的第一通信接口，一與上位機兼容的第二通信接口，多個從微控制器使用與對應下位機的串行通信協議兼容的第一串行通信協議經第一通信接口與下位機進行數據通信，一主微控制器使用與上位機的標準串行通信協議兼容的第二串行通信協議經第二通信接口與上位機進行數據通信，其中主微控制器經由一內部數據總線與各從微控制器傳輸數據。
文檔編號H04L29/06GK101673107SQ20081004266
公開日2010年3月17日 申請日期2008年9月9日 優先權日2008年9月9日
發明者冷忠民, 盧向東 申請人:上海輕工業研究所有限公司