CN101741770A - 一种Ethernet/IP通信网关及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及的Ethernet/IP通信网关通过Ethernet/IP协议和Modbus协议的相互转换，可以将Modbus串口设备接入到Ethernet/IP网络，Ethernet/IP网络的主站设备可以扫描和控制Modbus现场网络，并且实现数据的交换。本发明专利涉及的通信网关和实现方法不仅实现Ethernet/IP协议和Modbus协议的数据转发和解析，而且实现了Ethernet/IP适配器和ModbusMaster的功能，Modbus侧能够管理多达32个Modbus Slave设备，支持Modbus命令的分段发送，支持Modbus数据的打包和分包传输，还可通过上位机对网关参数进行配置，应用非常灵活，具有良好的创新性和实用性。

Description

一种Ethernet/IP通信网关及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种通信网关及其实现方法，特别是涉及一种可达到Ethernet/IP信息层网络访问和监控Modbus现场网络目的的一种Ethernet/IP通信网关及其实现方法。

背景技术

Ethernet/IP基于标准以太网技术和标准TCP/IP协议，在应用层加上CIP协议便成为了Ethernet/IP。Ethernet/IP在商业以太网中引入的CIP是专为工业控制设计的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的服务集。运行在EIP上的CIP可以与运行在标准TCP/IP传输层上的任何其他协议同时存在。EIP可以与任何一个基于CIP的网络(如DeviceNet和ControlNet)共存。

鉴于目前工业现场存在大量的串行口设备，它们支持简单易用的Modbus协议，但是Modbus协议只能支持短距离的传输，而且各设备厂家对Modbus协议的实现方式也不完全相同。为了保护投资企业的现有设备还能继续使用，而又要实现信息层对现场设备层的数据管理和控制，因此有必要开发新的产品。

搜索到上海电器科学研究所(集团)有限公司申请的申请专利号为：200710043281.9，题目为：“嵌入式Ethernet/IP扫描器”的发明专利申请，该专利涉及一种嵌入式Ethernet/IP主站技术，即扫描器，该发明专利涉及扫描器的硬件模块组成，扫描器软件实现方法，但是并没有提及Ethernet/IP网络与Modbus网络的转换和互相访问的问题。

搜索到申请人为：上海大学，申请专利号为200410093010.0的发明专利“Modbus/TCP工业以太网和Profibus-DP现场总线间的协议转换方法和装置”；搜索到申请人为：上海大学，专利号为：CN03129417.0，题目为：“Modbus/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法和装置”的发明专利；搜索到申请人为：上海大学，专利申请号为：200510025262.4，题目为：“Modbus/TCP工业以太网与设备网现场总线和Profibus-DP现场总线间的多协议转换方法和装置”的发明专利申请，这三个发明专利或专利申请涉及Profibus协议和设备网协议到Modbus/TCP协议的转化方法和装置，而且三种协议的实现均采用现有的Anybus公司现成产品模块，模块与CPU之间通过双端口RAM数据交互，实现了协议之间的简单两两转化，但是都没有涉及Ethernet/IP和Modbus协议的相互转化，也没有提及网关技术。

又搜索到上海电器科学研究所(集团)有限公司申请的申请号为：200610118794.7，题目为：“通用工业协议以太网适配器及其软件”的发明专利申请；又搜索到上海电器科学研究所(集团)有限公司申请的申请号为：200710171777.4，题目为：“多协议工业以太网适配器”的发明专利申请；这两个发明都提供了Ethernet/IP协议和Modbus协议转换的装置，但是并没有涉及Modbus网络管理和网关的技术，没有涉及Modbus分段数据打包传输，没有涉及通过以太网接口进行参数配置。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出一种可达到Ethernet/IP信息层网络访问和监控Modbus现场网络的目的的一种Ethernet/IP通信网关及其实现方法。

本发明是通过以下述技术方案来解决上述技术问题的：本发明实现该方案的硬件包括：电源模块、CPU模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块，复位电路晶振调试电路模块，所述CPU模块连接所述的电源模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块，同时电源模块也连接到存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块上。

其中，所述Ethernet/IP通信网关用来互联Ethernet/IP网络和Modbus网络。

上述技术方案的硬件的具体实施包括：

电源电路：它是整个设备正常工作的基础。为了降低产品的功耗，在设计中，我们选用3.3V作为产品的主电源，选用的各种芯片包括CPU、FLASH、SRAM、以太网芯片等都使用3.3V电源，而5V电源只使用在RS485接口电路中，4路RS485电路是相互隔离的。

时钟和复位模块：这部分对电路的稳定工作至关重要。选用11.0592M晶振来产生CPU芯片所需要的主时钟频率，同时选用专门的复位芯片支持自动复位和手动复位。

CPU模块：本项目产品软件需要运行嵌入式实时操作系统及TCP/IP、Ethernet/IP协议栈等，为了保证整个系统软件的高实时性及可靠性，因此选用了高性能的ARM9芯片。

以太网和串口电路：CPU芯片自己带有10M/100M自适应的以太网MAC控制器，通过MII接口外接物理层芯片，网络变压器和RJ45接头，构成了网络电路模块。

CPU芯片自己带有4个独立的UART接口，因此外接4个独立的RS485电路模块即可构成4个串口，该串口电路稳定，抗干扰能力强。

其它模块：主要包括拨码开关，指示灯电路和存储器电路，其中拨码开关用于产品配置与运行状态的选择，指示灯用于指示产品的各种状态，存储器用于固化程序和运行代码。

上述技术方案软件的嵌入式实时操作系统包含了基本的操作系统内核，底层芯片驱动，高性能的TCP/IP协议栈和其他操作系统组件。利用嵌入式实时操作系统的任务管理功能，网关的实现可建立以下任务块，Ethernet/IP从站任务，Modbus主站任务，设备状态指示控制任务，配置任务等。

上述软件实现中的Ethernet/IP从站软件实现了Ethernet/IP适配器功能，通过UDP通道实现IO数据的传输，TCP通道实现显示报文传输。实现了多个对象的集合，包括标识对象，组合对象，消息路由对象，链接管理对象，以太网链路对象，TCP/IP对象，端口对象和封装协议。

Ethernet/IP从站软件作为一个独立的任务被循环调用，在任务内部它是按照这样的步骤执行的：

(1)初始化协议栈全局变量和堆栈空间；

(2)注册回调函数和应用对象；

(3)初始化IO数据连接点参数；

(4)处理IO数据和发送IO数据；

(5)处理显示报文请求；

(6)更新事件标志；

(7)重复上述(4)～(6)的步骤。

上述软件实现中的Modbus主站模型实现了Modbus主站功能，该软件作为网关软件中操作系统的一个任务运行，用于实现Modbus-RTU主站。该软件(任务)根据从FLASH中读取，放在RAM中的配置信息所创建，然后在获得系统控制权的时候，下面的循环流程：

(1).周期性数据读，分段的读底层设备的数据；

(2)周期性数据写，分段的写底层设备的数据；

(3).检测是否有非周期请求，如果有响应非周期请求。

(4).循环以上步骤(1)～(3)。

4个串口建立相应的4个收发功能的独立的任务，每个串口对应一个任务，这样可以实现4个串口并发处理数据而不会相互影响。

上述软件实现中的协议转换和数据收发，通过开辟512字节长度的输入缓存区和512字节长度的输出缓存区的全局变量，Modbus分段读取命令返回的数据去掉Modbus协议头部，将有用数据放到输入缓存区对应的偏移地址处，Modbus写设备命令从输出缓存区对应的偏移地址处取得有用数据写入Modbus输出帧，然后发送出去。以太网侧与Modbus侧共用这两个缓存区。

上述软件实现中的以太网参数配置程序也是系统中的一个任务，通过特定的端口和UDP途径，网关可以上位机软件通信从而实现配置。配置的过程按照如下步骤：

(1).启动上位机配置软件，扫描以太网上的设备；

(2).点击扫描到的设备进入配置界面；

(3).填写以太网参数，Modbus分段命令参数，非周期命令等，保存；

(4).下载数据到网关的Flash中，网关接收完整配置数据后自动重新启动；

(5).网关启动后根据配置参数运行对应的功能。

上述软件实现中的设备状态指示灯也作为一个任务运行，其优先级别是最低的。一共有4个指示灯，分别是模块状态指示灯，网络状态指示灯，配置状态灯和Modbus通信状态灯。模块状态指示灯，网络状态指示灯是CIP协议规定的指示灯行为，其实现方法也根据协议的规定；配置状态灯在正常配置过程显示稳定绿色，出现配置错误显示红色，未进入配置过程则灭；Modbus状态灯在Modbus通信均正常的情况下显示绿色，如果有一个端口出现故障则显示红色。

本发明的积极进步效果在于：本发明专利涉及的Ethernet/IP通信网关通过Ethernet/IP协议和Modbus协议的相互转换，可以将Modbus串口设备接入到Ethernet/IP网络，Ethernet/IP网络的主站设备可以扫描和控制Modbus现场网络，并且实现数据的交换。

网关连接Ethernet/IP网络和Modbus网络，既实现了Ethernet/IP产品层次的适配器功能，又实现了Modbus网络中的主站功能。而且Modbus侧网络的管理非常灵活和智能，能够通过上位机配置软件将Modbus命令配置到4个并发的串口，每个串口最多能支持8条Modbus命令，网关将Modbus侧数据打包到一个数据段通过Ethernet/IP协议传输到以太网。同样，Ethernet/IP下传的数据段也能通过预先的配置参数分别写到每个串口。

本网关不同于一般的以太网转串口透传数据的设备，透传设备不进行Ethernet/IP和Modbus协议的解析，需要用户在上位机编程的时候处理，增加了用户的使用难度，而本网关只需要根据Modbus侧设备的访问数据表进行Modbus命令的配置和串口的分配，即可实现应用目的。

同时，本网关也不同于一般的Ethernet/IP和Modbus协议转换装置，即Ethernet/IP适配器产品，协议转换装置一般采用轮询的方式访问每个串口设备，这样效率和实时性都不理想，而本网关4个串口独立并行处理，4个串口互不干扰，处理速度大大得到改善，只在每个串口接有多个设备的时候内部轮询访问。本网关在工业现场应用方便，设计创新，具有广泛的市场前景。

附图说明

图1为本发明连接结构示意图；

图2为本发明硬件原理连接框图；

图3为本发明软件系统结构层次图；

图4为本发明系统运行流程；

图5为本发明串口modbus任务流程图；

图6为本发明Ethernet/IP从站执行步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的技术方案。

图1为本发明连接结构示意图；如图1所示，本发明专利的目的就在于提供一种Ethernet/IP通信网关装置及其实现方法，可达到Ethernet/IP信息层网络访问和监控Modbus现场网络的目的。本发明专利涉及的Ethernet/IP通信网关能够有效解决这个问题。

由于目前多种现场总线协议和多种工业以太网技术并行发展，而且长期来看，它们根据自身的特点在不同的应用场合发挥各自的作用，这种并存的局面还将持续下去。

参见附图2所示，：本发明专利涉及的网关设备网关硬件系统的硬件包括：电源模块、CPU模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块，复位电路晶振调试电路模块，所述CPU模块连接所述的电源模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块，同时电源模块也连接到存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块上。

为了降低产品的功耗，在设计中，一般可以选用3.3V作为产品的主电源，CPU芯片选用ATMEL公司的ARM9芯片RM9200，主频最高为200MHZ，外部总线扩展16M字节的FLASH，4M字节的SDRAM，以太网芯片集成在芯片RM9200内部，只需外接物理层芯片和变压器即可。

采用RSM485CHT隔离收发器模块来实现Modbus物理层链路，RSM485CHT集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件。同时还需要复位电路，晶振和锁相环电路，和JTAG电路。

图3为本发明软件系统结构层次图；参见附图3所示，本发明专利涉及的网关设备软件采用分层和分任务的思路设计，采用嵌入式实时操作系统及其内嵌的TCP/IP协议栈，该协议栈提供了全面的socket编程接口，Modbus/TCP服务器调用socket接口实现协议解析和数据收发的功能，底层驱动也是基于嵌入式实时操作系统形成的硬件驱动库，硬件资源和软件资源都通过操作系统管理。

图4为本发明系统运行流程；参见图4所示，本发明专利涉及的网关设备系统运行流程，上电以后先进行硬件初始化和操作系统初始化，然后读取配置信息，指示灯初始化，然后根据配置任务建立以太网任务，指示灯任务和各个串口任务。

图5为本发明串口modbus任务流程图；参见附图5所示为串口Modbus任务流程图。Modbus任务是下面的循环流程：

(1)周期性数据读，分段的读底层设备的数据；

(2)周期性数据写，分段的写底层设备的数据；

(3)检测是否有非周期请求，如果有响应非周期请求。

(4)循环上述(1)～(3)的步骤。

4个串口建立相应的4个收发功能的独立的任务，每个串口对应一个任务，这样可以实现4个串口并发处理数据而不会相互影响。

参见附图6所示为Ethernet/IP从站功能的实现流程。Ethernet/IP从站软件作为一个独立的任务被循环调用，在任务内部它是按照这样的步骤执行的：

(1)初始化协议栈全局变量和堆栈空间；

(2)注册回调函数和应用对象；

(3)初始化IO数据连接点参数；

(4)处理IO数据和发送IO数据；

(5)处理显示报文请求；

(6)更新事件标志；

(7)重复上述(4)～(6)的步骤。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种Ethernet/IP通信网关，用于实现Ethernet/IP网络和Modbus网络的互联，其特征在于：实现该网关的硬件包括：电源模块、CPU模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块，复位电路晶振调试电路模块，所述CPU模块连接所述的电源模块、存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块，同时电源模块也连接到存储器模块、以太网接口模块、串口接口模块、指示灯电路模块、复位电路晶振调试电路模块上。

2.根据权利要求1所述的网关，其特征在于：所述CPU模块选用高性能的ARM9芯片。

3.根据权利要求1所述的网关，其特征在于：所述CPU模块外接4个独立的RS485接口电路模块。

4.一种根据权利要求1所述的Ethernet/IP通信网关的实现方法，其特征在于：所述方法包括：Ethernet/IP从站功能通过UDP通道实现IO数据的传输，TCP通道实现显式报文传输，实现了包括标识对象，组合对象，消息路由对象，链接管理对象，以太网链路对象，TCP/IP对象，端口对象和封装协议，Ethernet/IP从站软件作为一个独立的任务被循环调用，在任务内部它是按照这样的步骤执行的：

(1)初始化协议栈全局变量和堆栈空间；

(2)注册回调函数和应用对象；

(3)初始化IO数据连接点参数；

(4)处理IO数据和发送IO数据；

(5)处理显示报文请求；

(6)更新事件标志；

(7)重复以上步骤(4)～(6)。

5.根据权利要求1所述的Ethernet/IP通信网关的实现方法，其特征在于：Modbus主站由4个串口建立相应的4个收发功能的独立的任务，每个串口对应一个任务，这样可以实现4个串口并发处理数据而不会相互影响，其执行步骤为：

(1)周期性数据读，分段的读底层设备的数据；

(2)周期性数据写，分段的写底层设备的数据；

(3)检测是否有非周期请求，如果有响应非周期请求；

(4)循环上述(1)～(3)的步骤。

6.根据权利要求1所述的Ethernet/IP通信网关的实现方法，其特征在于：通过以太网接口配置网关，通过一个端口和UDP途径实现网关与上位机软件通信，配置的过程按照如下步骤：

(1)启动上位机配置软件，扫描以太网上的设备；

(2)点击扫描到的设备进入配置界面；

(3)填写以太网参数，Modbus分段命令参数，非周期命令等，保存；

(4)下载数据到网关的Flash中，网关接收完整配置数据后自动重新启动；

(5)网关启动后根据配置参数运行对应的功能。

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