工業乙太網協議轉換器的製作方法
2023-05-11 05:42:41 1
專利名稱：工業乙太網協議轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型的技術方案涉及數字信息傳輸的數據開關網絡，具體地說是工業乙太網協議轉換器。
背景技術：
網絡技術的迅猛發展引發了自動控制領域的深刻技術變革，以現場總線和工業乙太網技術為代表的網絡控制技術是現代自動控制技術與信息網絡技術相結合的產物，是信息化帶動工業化的重點研發方向。目前網絡控制技術正從傳統的現場總線網絡控制技術向工業乙太網網絡控制技術方向發展。利用乙太網一系列現成的協議，並在應用層加上工業通信需要的協議，滿足了現今工業通信的要求。CN200510027275.5 公開了「一種Modbus 與 DeviceNet 間的協議轉換方法」，給出了一種Modbus與DeviceNet間的協議轉換方法。CN200720063832.3披露了「一種通用串口到CAN總線接口的轉化器」，給出了一種CAN接口設備和串口設備互聯通信的方法。在上述現有技術中涉及將Modbus網絡與Devicenet網絡和CAN總線網絡互聯的方法，但Devicenet網絡和CAN總線網絡通信速率低、接入節點數受限，不能滿足Modbus網絡上現場設備高速和實時通信的要求。CN201639591U報導了一種嵌入式協議轉換器功能的工業乙太網交換機，該機體安裝空間大、成本高和安裝不便。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是:提供工業乙太網協議轉換器，將Modbus RTU網絡與乙太網網絡互聯，利用乙太網的優點實現了 Modbus RTU網絡上現場設備高速和實時通信，同時克服了現有技術安裝空間大、成本高和安裝不便的缺點。本實用新型解決該 技術問題所採用的技術方案是:工業乙太網協議轉換器，包括硬體和軟體兩部分，其中硬體部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、乙太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態指示模塊和復位及晶振電路構成；上述部件的電路連接關係是:電源模塊連接到MCU模塊和RS485串行接口模塊;MCU模塊又分別與RS485串行接口模塊、乙太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態指示模塊和復位及晶振電路互連；其中軟體部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協議兩部分；上述硬體部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現與Modbus網絡的連接，通過乙太網接口模塊實現與工業乙太網的連接，所有硬體部分相互配合使Modbus網絡與工業乙太網信息相通。上述工業乙太網協議轉換器，所述電源摸塊，包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩壓晶片。上述工業乙太網協議轉換器，所述RS485串行接口模塊，包括RS485收發晶片和RS485端子。上述工業乙太網協議轉換器，所述乙太網接口模塊，包括乙太網網絡變壓器和RJ45 接口。上述工業乙太網協議轉換器，所述外擴存儲器，其類型是EEPR0M。上述工業乙太網協議轉換器，所述通信狀態指示模塊，包括狀態/電源、速率/連接、乙太網收發和485收發四個雙色狀態指示燈。上述工業乙太網協議轉換器，所述的復位及晶振電路，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟體復位模塊，晶振電路選用25.000M晶振為單片機提供所需主頻時鐘。上述工業乙太網協議轉換器，所述軟體部分中的軟體程序的總流程是:開始一中斷初始化一串口及乙太網初始化一主晶片初始化一建立OpenTCP協議棧一乙太網端是否收到數據？ ^啟動乙太網轉Modbus模塊一同否；^Modbus端是否收到數據？懸_啟動Modbus轉乙太網模塊一同否是否觸發參數配置中斷？ I進入配置模式一同否，iijg回乙太網端是否收到數據？上述工業乙太網協議轉換器，所述軟體部分中的軟體程序的總流程中的啟動乙太網轉Modbus模塊的流程是:開始一建立TCP連接一本協議轉換器偵聽502埠一上位機是否發來數據？ 返回本協議轉換器繼續偵聽502埠乙太網中斷一解析數據包一是否為TCP報文類型？ 丟棄收到的報文一返回本協議轉換器繼續偵聽502埠 MCU處理TCP報文，提取PDU — MCU串口中斷，發送Modbus RTU幀至下位機一結束。上述工業 乙太網協議轉換器，所述軟體部分中的軟體程序的總流程中的進入配置模式的流程是:開始一讀取或修改串口及乙太網各參數？ JjjS 讀取EEPROM中各參數一將各參數值返回至上位機一結束；盤^擦除EEPROM中參數，將修改值存入其中一重新初始化串口及乙太網一結束。上述工業乙太網協議轉換器，所述在單片機內嵌入OpenTCP協議棧是為實現Modbus RTU協議和Modbus TCP協議間數據轉換功能的數據轉換軟體，所述在單片機內嵌入HTTP網頁協議是為實現串口參數和乙太網參數配置功能的配置軟體。上述工業乙太網協議轉換器，所述MCU模塊選用飛思卡爾16位HCS系列單片機MC9S12NE64VTU，具有10M/100M自適應乙太網MAC控制器，通過自帶MII接口外接乙太網PHY晶片。本實用新型的有益效果是:與現有技術相比，本實用新型工業乙太網協議轉換器突出的實質性特點是，採用單器件連接方案，利用集成乙太網MAC層和物理層的飛思卡爾HCS12系列16位單片機來實現單器件乙太網連接，將帶有Modbus通信接口的智能設備連入工業乙太網，使不同廠家生產的智能通信設備通過乙太網互連成網絡，運用乙太網監控軟體實現集中控制及數據採集功能。與現有技術相比，本實用新型工業乙太網協議轉換器的顯著的優點是該工業乙太網協議轉換器中設計電路板長寬尺寸僅為10cm*6cm，需要安裝空間小，在工業應用中可以方便的集成到串口設備中；乙太網側提供電接口即RJ45接口將串口設備聯入100Base-TX乙太網，在滿足工業應用操作實施性要求的基礎上，最大化的降低了企業應用成本，提高效益。
[0020]
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1為本實用新型工業乙太網協議轉換器的硬體構成原理框圖。圖2為本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體中的電源模塊、RS485串行接口模塊和乙太網接口模塊的構成框圖。圖3為本實用新型工業乙太網協議轉換器的硬體的安置布局示意圖。圖4為本實用新型工業乙太網協議轉換器的軟體部分程序的總流程圖。圖5為本實用新型工業乙太網協議轉換器的軟體部分程序中的啟動乙太網轉Modbus模塊的流程圖。圖6為本實用新型工業乙太網協議轉換器的軟體部分程序中的進入配置模式的流程圖。圖中，1.MCU模塊，2.電源模塊，3.RS485串行接口模塊，4.乙太網接口模塊，5.夕卜擴存儲器，6.通信狀態指示模塊，7.復位及晶振電路。
具體實施方式
圖1所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體部分由MCU模塊1、電源模塊2、RS485串行接口模塊3、乙太網接口模塊4、外擴存儲器5、通信狀態指示模塊6和復位及晶振電路7構成；上述部件的電路連接關係是:電源模塊2連接到MCU模塊I和RS485串行接口模塊3 ;MCU模塊I又分別與RS485串行接口模塊3、乙太網接口模塊4、外擴存儲器5、通信狀態指示模塊6和復位及晶振電路7互連；乙太網接口模塊4與工業乙太網連接，RS485串行接口模塊3與Modbus網絡連接。
·[0029]圖2所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體部分中的電源模塊
2、RS485串行接口模塊3和乙太網接口模塊4的組成。其中，圖2a表明本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體部分的電源模塊2包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩壓晶片；圖2b表明本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體部分的RS485串行接口模塊3包括RS485收發晶片和RS485端子；圖2c表明本實用新型工業乙太網協議轉換器硬體部分的乙太網接口模塊4包括太網網絡變壓器和RJ45接口。圖3所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器的硬體的安置布局是總電路板的尺寸為長X寬=10cmX6cm，外形小巧，便於安裝；其中RS485串行接口模塊3和乙太網接口模塊4分別位於兩端，便於實現Modbus網絡和工業乙太網的連接；iMCU模塊I位於中心位置，電源模塊2、乙太網接口模塊4中的乙太網網絡變壓器、外擴存儲器5、通信狀態指示模塊6和復位及晶振電路7分布在MCU模塊I周圍，使MCU模塊I到各模塊距離最短，減少信號的串行幹擾。圖4所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器中軟體部分中的軟體程序的總流程是:開始一中斷初始化一串口及乙太網初始化一主晶片初始化一建立OpenTCP協議棧一乙太網端收到數據否？最^啟動乙太網轉Modbus模塊一同否Modbus端是否收到數據？ I啟動Modbus轉乙太網模塊一同否是否觸發參數配置中斷？ 'I進入配置模式一同否；1返回乙太網端是否收到數據？圖5所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器的軟體部分中的軟體程序的總流程中的啟動乙太網轉Modbus模塊的流程是:開始一建立TCP連接一本協議轉換器偵聽502埠一上位機是否發來數據？返回本協議轉換器繼續偵聽502埠 ；&乙太網中斷一解析數據包一是否為TCP報文類型？査^丟棄收到的報文一返回本協議轉換器繼續偵聽502埠 MCU處理TCP報文，提取PDU — MCU串口中斷，發送Modbus RTU幀至下位機一結束。圖6所示實施例表明，本實用新型工業乙太網協議轉換器的軟體部分中的軟體程序的總流程中的進入配置模式的流程是:開始一讀取或修改串口及乙太網各參數？ 裡 讀取EEPROM中各參數一將各參數值返回至上位機一結束；董^擦除EEPROM中參數，將修改值存入其中一重新初始化串口及乙太網一結束。實施例按照上述圖1 圖6所述實施例裝置成本實用新型工業乙太網協議轉換器，其中所述的MCU模塊1，選用飛思卡爾16位HCS系列單片機MC9S12NE64VTU，具有10Μ/100Μ自適應乙太網MAC控制器，通過自帶MII接口外接乙太網PHY晶片，實現地址識別及乙太網類型過濾，支持半雙工和全雙工通信，採用雙絞線連接方式聯入工業乙太網，最長通信距離不超過100米。該工業乙太網協議轉換器的整體電路以MCU模塊I為核心，電源模塊2選用通常使用的DC24V輸入作為電源的主輸入，並且要避免一次降壓過大燒毀電源模塊2，先利用DC24V-DC5V隔離電源將DC24V輸入變為DC5V輸出，再利用DC5V-DC3.3V穩壓晶片將DC5V輸入變為DC3.3V輸出供MCU模塊I和485串行接口模塊3使用；RS485串行接口模塊3連接Modbus RTU網絡，乙太網接口模塊4連接工業乙太網。上述的整體電路是Modbus RTU網絡和工業乙太網網絡間的一個節點，實現了 Modbus TCP網絡主站的功能，且能自適應乙太網端10/100M速率，完成Modbus-RTU協議和Modbus-TCP協議之間的網絡連接、協議解析及數據轉發功能。該工 業乙太網協議轉換器的通信狀態指示模塊6，包括狀態/電源、速率/連接、乙太網收發和485收發四個雙色狀態指示燈，其中狀態/電源指示燈指示該協議轉換器工作狀態及電源連接狀態，速率/連接指示燈指示該協議轉換器數據傳輸速率及TCP連接狀態，乙太網收發指示燈指示乙太網端數據收發狀態，485收發指示燈指示485端數據收發狀態。該工業乙太網協議轉換器的復位及晶振電路7，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟體復位模塊，能夠實現單片機的自動復位和手動復位，晶振電路選用25.0OOM晶振為單片機提供所需主頻時鐘。在上述工業乙太網協議轉換器的軟體部分程序的總流程中，所述中斷初始化，包括開關總中斷串口中斷、乙太網中斷等，避免在初始化未完成之前觸發中斷，產生無法預知的運行錯誤；所述串口及乙太網初始化，包括串口及乙太網各參數設置，以滿足不同應用場合；所述主晶片是單片機MC9S12NE64VTU，所述主晶片初始化包括時鐘初始化和計時器初始化；所述判斷乙太網端是否收到數據以後的程序，是指如果乙太網端收到上位機發來的數據則啟動乙太網轉Modbus模塊，即圖5所示的啟動乙太網轉Modbus模塊的流程，主晶片把收到乙太網數據幀中包含的Modbus PDU提取出來，按照Modbus RTU數據幀格式發送給下行智能設備；所述判斷Modbus端是否收到數據以後的程序是，如果Modbus端收到下行智能設備返回的應答數據，則啟動Modbus轉乙太網模塊，把Modbus RTU數據幀嵌入到乙太網數據幀中，通過TCP連接傳輸到乙太網端的上位機監控軟體；所述判斷是否觸發參數配置中斷以後的程序是，如果觸發了此中斷，則進入配置模式，配置模式的流程如圖6所示，判斷用戶修改還是讀取串口及乙太網各參數，若是修改參數，則擦除EEPROM中已存的參數，將用戶新的修改值存入EEPROM中，並重新初始化串口及乙太網；若是讀取參數，則讀取EEPROM中存儲的數據，並返回至上位機；如果沒有觸發此中斷，則回到第4步繼續判斷乙太網端是否收到數據。上述工業乙太網協議轉換器的協議轉換器軟體，採用透明傳輸理念，在單片機內嵌入OpenTCP協議棧，建立TCP連接，將Modbus RTU數據幀嵌入到TCP報文中進行傳輸，實現Modbus RTU網絡與Modbus TCP網絡的可靠通信，同時使該協議轉換器所在節點具有Modbus TCP主站功能,按照現場設備的Modbus協議規約發送相應控制命令至本實用新型，通過本實用新型的協議解析及數據轉發，達到控制下行串口設備的目的。本實施例的工業乙太網協議轉換器將Modbus現場總線組建的設備網絡聯入工業乙太網，採用透明傳輸方式實現了 Modbus RTU協議與Modbus TCP協議間的數據傳輸，通過建立OpenTCP協議棧實現了 Modbus TCP主站的功能，通過基於HTTP網頁協議的配置軟體修改波特率、校驗方式等串口參數以及IP位址、子網掩碼等乙太網參數，使上位機可以實時監控Modbus串口設備的工作狀態和採集Modbus串口設備的運行數據，使不同廠家生產的智能通信設備互聯成網絡，實現集中全面的監控。上述實施例中所用的各模塊器件均通過商購途徑獲得，各硬體部分之間的連接方法是本技術領域的技術 人員所能掌握的。
權利要求1.工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:包括硬體和軟體兩部分，其中硬體部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、乙太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態指示模塊和復位及晶振電路構成；上述部件的電路連接關係是:電源模塊連接到MCU模塊和RS485串行接口模塊;MCU模塊又分別與RS485串行接口模塊、乙太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態指示模塊和復位及晶振電路互連；其中軟體部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協議兩部分；上述硬體部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現與Modbus網絡的連接，通過乙太網接口模塊實現與工業乙太網的連接，所有硬體部分相互配合使Modbus網絡與工業乙太網信息相通。
2.按照權利要求1所說工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:所述電源摸塊，包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩壓晶片。
3.按照權利要求1所說工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:所述RS485串行接口模塊，包括RS485收發晶片和RS485端子。
4.按照權利要求1所說工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:所述乙太網接口模塊，包括乙太網網絡變壓器和RJ45接口。
5.按照權利要求1所說工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:所述通信狀態指示模塊，包括狀態/電源、速率/連接、乙太網收發和485收發四個雙色狀態指示燈。
6.按照權利要求1所說工業乙太網協議轉換器，其特徵在於:所述的復位及晶振電路，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟體復位模塊，晶振電路選用25.0OOM晶振為單片機提供所需主頻時鐘。·
專利摘要本實用新型涉及工業乙太網協議轉換器，涉及數字信息傳輸的數據開關網絡，包括硬體和軟體兩部分，其中硬體部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、乙太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態指示模塊和復位及晶振電路構成；其中軟體部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協議兩部分；上述硬體部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現與Modbus網絡的連接，通過乙太網接口模塊實現與工業乙太網的連接，所有硬體部分相互配合使Modbus網絡與工業乙太網信息相通。本實用新型實現了Modbus網絡上現場設備高速和實時通信，克服了現有技術安裝空間大、成本高和安裝不便的缺點。
文檔編號H04L29/08GK203135924SQ201220722060
公開日2013年8月14日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者陸儉國, 任世彬, 劉國興, 李奎, 王麗麗, 張軍, 韓松, 張添琦, 陳思敏 申請人:河北工業大學