CN101729572A - Modbus工业现场总线与无线zigbee间的协议转换装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信技术领域的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置及其方法，装置包括：MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和主控模块，其中：MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连，电平转换驱动模块与主控模块相连；方法是：通过电平转换驱动模块实现MODBUS总线信号电平与主控模块TTL数据电平之间的转换，主控模块实现TTL电平数据报文与无线ZIGBEE数据报文之间的转换，这样就完成了有线MODBUS数据和无线ZIGBEE数据间的转换。本发明的优点就是实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。

Description

MODBUS工业现场总线与无线ZIGBEE间的协议转换装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种网络技术领域的装置及其方法，具体是一种MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置及其方法。

背景技术

工业现场总线的发展使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信。MODBUS通信技术是工业控制系统中应用广泛的一种现场总线技术，用来连接数据采集设备、控制器和执行机构等。目前它主要采用有线网络进行数据传输，其实现方式主要有3种：1、MODBUS/TCP；2、各种介质(EIA/TIA-232-E、EIA-422、EIA/TIA-485-A，光纤等)上的异步串行传输；3、MODBUS Plus高速令牌传输。然而，在许多任务业应用场合布线困难，如高温、高湿度等恶劣的工业现场、运动或旋转的设备、分布在狭窄空间的设备及某些手持或临时设备等，难以通过有线的方式传输数据，现场设备采用无线设备，并通过无线网络进行信息交互，可以有效解决有线网络的上述问题。

近年来，基于Bluetooth(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11)、ZIGBEE(IEEE802.15.4)等协议的无线网络技术相继问世，给工业控制领域提供了新的数据通信手段。ZIGBEE短程无线网络通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优点，成为近年来业界的研究热点之一。其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)协议基于IEEE802.15.4协议标准，工作在2.4GHz的ISM频段上，传输速率达到20kb/s～250kb/s。基于ZIGBEE技术的通信设备有几十米的覆盖范围，也可以增加路由节点扩展覆盖范围，因此比较适用于工业测控、远程监控等相关领域。但是，要想将现有的现场总线与无线网络相结合实现应用范围的扩展，首先需要解决的问题是数据的兼容性，以及如何实现有线网络与无线网络之间的连接。因此，有线协议与无线协议之间的协议转换装置必不可少。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：200320120428.7，名称为：现场总线协议转换装置，该技术提出了一种西门子Profibus-DP总线和MODBUS总线之间的协议转换方法和装置；中国专利申请号为：200520006444.2，名称为：现场总线协议转换器，该技术提供了一种CAN总线接口产品与MODBUS产品接口间互联的装置，但是这两个技术都是现场总线协议之间的转换。

又经检索发现，中国专利申请号为：200810139162.8，名称为：用于WiFi与ZigBee无线网络协议转换的嵌入式网关，该技术提供了一种无线ZigBee网络和无线WiFi网络之间的协议转换和数据转发的装置，但是该技术是无线协议之间的转换。

至今未发现与在MODBUS工业现场总线与无线ZIGBEE间的协议之间的转换装置和转换方法文献的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在有线网络和无线网络兼容上的缺陷，提供一种MODBUS现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置及其方法。本发明通过单元设备为工业有线网络与无线网络之间提供通信桥梁，既能满足工业MODBUS现场总线网络实时性等要求，又能满足控制命令的无线实施和有线数据的无线上传，有效扩展有线网络的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，包括：MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和与主控模块，其中：MODBUS总线接口模块与现场总线相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块用于现场总线和电平转换驱动模块间的串行二进制数据传输，MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块用于信号电平值较高的现场总线接口与TTL低电平的主控模块之间的电平转换，电平转换驱动模块与主控模块相连传输TTL电平数据信息，主控模块用于实现MODBUS总线数据报文信息和无线ZIGBEE数据之间的转换以及无线ZIGBEE数据的接收和发送。

所述的MODBUS现场总线接口模块，包括：第一RS232接口和第一RS485接口，其中：第一RS232接口和第一RS485接口分别与现场总线和电平转换驱动模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

所述的电平转换驱动模块，包括：RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块，其中：RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块用于实现RS232接口高电平与TTL电平之间的转换，RS485电平转换驱动模块用于实现RS485接口高电平与TTL电平之间的转换，RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与主控模块相连传输TTL电平数据信息。

所述的RS232电平转换驱动模块包括：RS232电平转换芯片和第二RS232接口，其中：RS232电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS232电平转换芯片通过第二RS232接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

所述的RS485电平转换驱动模块包括：RS485电平转换芯片和第二RS485接口，其中：RS485电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS485电平转换芯片通过第二RS485接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

所述的主控模块包括：控制器、射频天线、串行接收缓冲器和串行发送缓冲器，其中：控制器与电平转换驱动模块相连传输TTL电平数据信息，控制器用于实现有线MODBUS数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，射频天线用于接收和发送无线ZIGBEE数据，串行接收缓冲器寄存接收到的无线ZIGBEE数据，串行发送缓冲器寄存待发送的无线ZIGBEE数据，射频天线通过串行接收缓冲器和串行发送缓冲器与控制器相连传输接收到的无线ZIGBEE数据和发送的无线ZIGBEE数据。

本发明涉及的上述MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置的转换方法，包括以下步骤：

第一步，主控制器读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作；

第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块接收到无线ZIGBEE数据时，执行第三步；当MODBUS现场总线接口模块接收到MODBUS总线数据报文信息时，执行第四步；

第三步，主控模块的控制器对从串行接收缓冲器中接收到的无线ZIGBEE数据报文信息进行解析，将无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文，并由电平转换驱动模块将TTL数据报文转换为MODBUS总线数据报文，实现无线ZIGBEE数据报文转换为MODBUS总线数据报文，通过MODBUS现场总线接口模块将该MODBUS总线数据报文信息传给现场总线；

所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是：

1)从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位；

2)根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF_ch[2]的长度，并提取数据位SBUF_ch[2]；

3)将数据位SBUF_ch[2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。

第四步，MODBUS现场总线接口模块将接收到的MODBUS总线数据报文信息传给电平转换驱动模块，电平转换驱动模块将MODBUS总线数据报文转换为TTL电平数据报文，主控模块的控制器将该TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，实现MODBUS总线数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，并通过串行发送缓冲器和射频天线发送出去。

所述的TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文是：

1)定义一个char型的数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位，SBUF_ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度；

2)把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF_ch[]中；

3)将存入数据位的数组SBUF_ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线ZIGBEE数据报文。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。

附图说明

图1是实施例系统组成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的系统进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例

实施例

如图1所示，本实施例涉及的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，包括：MODBUS总线接口模块1、电平转换驱动模块2和与主控模块3，其中：MODBUS总线接口模块1与现场总线18相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块1与电平转换驱动模块2相连传输MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块2与主控模块3相连传输TTL电平数据信息，主控模块3将无线ZIGBEE数据传输给ZIGBEE无线网关19，或接收来自ZIGBEE无线网关19的无线ZIGBEE数据。

所述的MODBUS现场总线接口模块1包括：第一RS232接口4和第一RS485接口5，其中：第一RS232接口4和第一RS485接口5分别与现场总线18和电平转换驱动模块2相连传输MODBUS总线数据报文信息。

所述的电平转换驱动模块2包括：RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7，其中：RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7分别与MODBUS现场总线接口模块1相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7分别与主控模块3相连传输TTL电平数据信息。

所述的RS232电平转换驱动模块6包括：第二RS232接口12和MAX232芯片，MAX232芯片包括：第一接收器14和第一发送器15，其中：第一接收器14将第二RS232接口12的Rx端口电平转换成+5V的TTL电平并传给主控模块3，第一发送器15将来自于主控模块3Tx端口的TTL电平转换成第二RS232接口12的Tx端口的接口电平，实现第二RS232接口12的电平与TTL电平之间的转换。

所述的RS485电平转换驱动模块7包括：第二RS485接口13和SP3485e芯片，SP3485e芯片包括：第二接收器16和第二发送器17，其中：第二接收器16将第二RS485接口13的Rx端口电平转换成+5V的TTL电平并传给主控模块3，第二发送器17将来自于主控模块3的TTL电平转换成第二RS485接口13的Tx端的接口电平，实现第二RS485接口13的电平与TTL电平之间的转换。

所述的主控模块3是JN5139单片机芯片，包括：控制器8、射频天线9、串行接收缓存器10和串行发送缓冲器11，其中：控制器8完成MODBUS总线数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，控制器8与电平转换驱动模块2相连传输TTL电平数据信息，射频天线9通过串行接收缓冲器10和串行发送缓冲器11与控制器8相连传输接收到的无线ZIGBEE数据报文和发送的无线ZIGBEE数据报文。

本实施例用于将MODBUS工业现场总线数据转换为无线ZIGBEE数据时，包括以下步骤：

第一步，控制器8读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作；

采用MODBUS的RTU通讯传送方式，保证与MODBUS总线设备通讯模式一致，否则会因为模式不一致而导致通讯失败，具体的编码方式如表1所示。

表1

编码	8位二进制
		起始位	1位
数据位	8位

编码	8位二进制
		奇偶校验位	1位(偶校验位)
停止位	1位
		错误校验	CRC(冗余循环码)

第三步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当MODBUS现场总线接口模块1接收到MODBUS总线数据报文信息时，当MAX232芯片或者SP3485e芯片的使能端电平为“0”时，发送器禁止，接收器有效，此时电平转换驱动模块2可以接收来自MODBUS现场总线接口模块1的数据，MODBUS现场总线接口模块1将接收到的MODBUS总线数据报文信息传给电平转换驱动模块2的第二RS232接口12或者第二485接口13，MAX232芯片或者SP3485e芯片将MODBUS总线数据电平转换为TTL电平数据；

第四步，主控模块3接收到经过转换的TTL电平数据，由控制器8将该TTL电平数据报文转换成无线ZIGBEE数据报文，并由串行发送缓冲器11和射频天线9将无线ZIGBEE数据报文发送出去。

所述的TTL电平数据报文转换成ZIGBEE数据报文是：

1)定义一个char型的数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位，SBUF_ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度。

所减的4个字节即是1个地址码字节、1个功能码字节和2个校验码字节。

2)把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF_ch[]中；

3)将存入数据位的数组SBUF_ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线ZIGBEE数据报文，完成从MODBUS总线报文到无线ZIGBEE报文的转换。

本实施例用于将无线ZIGBEE数据转换为MODBUS工业现场总线数据时，包括以下步骤：

第一步，控制器8读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作；

采用MODBUS的RTU通讯传送方式，保证与MODBUS总线设备通讯模式一致，否则会因为模式不一致而导致通讯失败，具体的编码方式如表1所示。

第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块3的射频天线9和串行接收缓冲器10接收到无线ZIGBEE数据报文信息时，控制器8将接收到的无线ZIGBEE数据报文转换为TTL电平数据报文；

所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是：

1)从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位；

2)根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF_ch[2]的长度，并提取数据位SBUF_ch[2]；

3)将数据位SBUF_ch[2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。

第三步，将得到的TTL电平数据报文由电平转换驱动模块2的MAX232芯片或者SP3485e芯片转换为MODBUS总线数据报文；

第四步，当MAX232芯片或者SP3485e芯片的使能端电平为“1”时，发送器有效，接收器禁止，电平转换驱动模块2可以向MODBUS现场总线接口模块1发送数据；电平转换驱动模块2通过RS232接口或者RS485接口，将MODBUS总线数据报文信息通过MODBUS现场总线接口模块1传输给现场总线。

本实施例实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。

Claims (9)

1.一种MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征在于，包括：MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和与主控模块，其中：MODBUS总线接口模块与现场总线相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块用于现场总线和电平转换驱动模块间的串行二进制数据传输，MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块用于信号电平值较高的现场总线接口与TTL低电平的主控模块之间的电平转换，电平转换驱动模块与主控模块相连传输TTL电平数据信息，主控模块用于实现MODBUS总线数据报文信息和无线ZIGBEE数据之间的转换以及无线ZIGBEE数据的接收和发送。

2.根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征是，所述的MODBUS现场总线接口模块，包括：第一RS232接口和第一RS485接口，其中：第一RS232接口和第一RS485接口分别与现场总线和电平转换驱动模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

3.根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征是，所述的电平转换驱动模块，包括：RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块，其中：RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块用于实现RS232接口高电平与TTL电平之间的转换，RS485电平转换驱动模块用于实现RS485接口高电平与TTL电平之间的转换，RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与主控模块相连传输TTL电平数据信息。

4.根据权利要求3所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征是，所述的RS232电平转换驱动模块包括：RS232电平转换芯片和第二RS232接口，其中：RS232电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS232电平转换芯片通过第二RS232接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

5.根据权利要求3所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征是，所述的RS485电平转换驱动模块包括：RS485电平转换芯片和第二RS485接口，其中：RS485电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS485电平转换芯片通过第二RS485接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。

6.根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征是，所述的主控模块包括：控制器、射频天线、串行接收缓冲器和串行发送缓冲器，其中：控制器与电平转换驱动模块相连传输TTL电平数据信息，控制器用于实现有线MODBUS数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，射频天线用于接收和发送无线ZIGBEE数据，串行接收缓冲器寄存接收到的无线ZIGBEE数据，串行发送缓冲器寄存待发送的无线ZIGBEE数据，射频天线通过串行接收缓冲器和串行发送缓冲器与控制器相连传输接收到的无线ZIGBEE数据和发送的无线ZIGBEE数据。

7.一种根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置的转换方法，包括以下步骤：

第一步，主控制器读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作；

第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块接收到无线ZIGBEE数据时，执行第三步；当MODBUS现场总线接口模块接收到MODBUS总线数据报文信息时，执行第四步；

第三步，主控模块的控制器对从串行接收缓冲器中接收到的无线ZIGBEE数据报文信息进行解析，将无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文，并由电平转换驱动模块将TTL数据报文转换为MODBUS总线数据报文，实现无线ZIGBEE数据报文转换为MODBUS总线数据报文，通过MODBUS现场总线接口模块将该MODBUS总线数据报文信息传给现场总线；

第四步，MODBUS现场总线接口模块将接收到的MODBUS总线数据报文信息传给电平转换驱动模块，电平转换驱动模块将MODBUS总线数据报文转换为TTL电平数据报文，主控模块的控制器将该TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，实现MODBUS总线数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，并通过串行发送缓冲器和射频天线发送出去。

8.根据权利要求7所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方法，其特征是，第三步中所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是：

1)从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位；

2)根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF_ch[2]的长度，并提取数据位SBUF_ch [2]；

3)将数据位SBUF_ch[2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。

9.根据权利要求7所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方法，其特征是，第四步中所述的TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文是：

1)定义一个char型的数组SBUF_ch[]，其中：SBUF_ch[0]是地址位，SBUF_ch[1]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位，SBUF_ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度；

2)把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF_ch[]中；

3)将存入数据位的数组SBUF_ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线ZIGBEE数据报文。

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