CN102130857A

CN102130857A - 实现EtherCAT工业以太网和WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法

Info

Publication number: CN102130857A
Application number: CN2010105801031A
Authority: CN
Inventors: 杜振环; 裘敬发; 吴涛; 王晓鹏
Original assignee: CNR Dalian Electric Traction R& D Center Co Ltd
Current assignee: CRRC Dalian R&D Co Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明公开了一种EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法，所述网关包括EtherCAT总线协议控制器、EtherCAT总线收发器、主控单元、WorldFip总线协议控制器、WorldFip总线收发器，其中主控单元分别与EtherCAT总线协议控制器和WorldFip总线协议控制器相连，EtherCAT总线协议控制器与EtherCAT总线收发器相连，通过主控单元实现了EtherCAT总线协议控制器和WorldFip协议控制器的数据交换，本发明实现了EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线的互联通讯，使EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线能够共用于同一工业控制系统中。

Description

实现EtherCAT工业以太网和WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域，特别是一种实现EtherCAT工业以太网和WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法

背景技术

随着各行业的工业控制系统对自动化程度要求的日益提高，以及系统内数据量增加，工业以太网的优势愈加明显。比如机车控制网络领域，对机车自动化和舒适度要求越来越高，列车运行控制、旅客信息系统、多媒体等车载数据量也在急剧增加，CAN、DeviceNet、PROFIBUS、WorldFIP等传统现场总线逐渐显现出传输速率低，支持应用有限、兼容性差等缺陷，成为制约工业控制系统性能进一步提高的瓶颈。因此，采用一种具有高速传输速率，具有统一标准的网络通讯标准是解决上述瓶颈的根本。

随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现，使以太网能够克服了自己本身的缺陷，由办公及信息自动化领域向下延伸，直接应用于现场自动化控制，进入工业领域成为工业以太网，工业以太网以开放性高、低成本、传输速率最低能够达到10Mbps、能够与internet连接等优点成为机车控制网络等工业控制系统的发展主流。

目前，国外庞巴迪等交通设备制造商已经将以太网成功运用于动车组列车网络控制系统。IEC标准IEC 61375-2-5Ed.1.0和IEC 61375-3-4Ed.1.0也已将以太网列为可选的标准列车通讯网络。

伴随着工业以太网应用范围的扩大，在系统设计和系统改造时，不可避免会出现，工业以太网与传统现场总线在同一工业控制系统中并存的情形，为此，完全有必要研发一种能够支持工业以太网和传统现场总线互联通讯的网关。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，控制自动化以太网技术)，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)研发，一种适用于工业自动化的开放、实时、高速以太网络通讯协议，是应用最为广泛之一的工业以太网技术，它已经作为一种标准化的技术，被纳入国际标准化的体系，IEC把它作为IEC/PAS 62407规范，ISO也将它纳入ISO 15745。

WorldFIP现场总线是现场IEC61158国际标准中的第七种类型，适用于工业控制现场，目前WorldFIP在我国机车网络控制等领域有着较为广泛的应用。

至今尚未发现关于实现EtherCATA工业以太网和WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法的公开文献。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是，提供一种实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法，从而解决EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线之间互联通讯的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关，包括EtherCAT总线收发器、EtherCAT总线协议控制器、主控单元、WorldFIP总线协议控制器、WorldFIP总线收发器；其中：

所述EtherCAT总线协议控制器包括EtherCAT通讯存储器，用于存储EtherCAT数据信息；

所述EtherCAT总线收发器与EtherCAT工业以太网总线相连，与EtherCAT工业以太网总线相互传输EtherCAT数据信息；所述EtherCAT总线协议控制器与所述EtherCAT总线收发器相连，与所述EtherCAT总线收发器相互传输EtherCAT数据信息，所述主控单元与所述EtherCAT总线协议控制器相连，与所述EtherCAT总线协议控制器相互传输数据信息；

所述WorldFIP总线协议控制器包括WorldFIP通讯存储器，用于存储WorldFIP数据信息。

所述WorldFIP总线收发器与WorldFIP现场总线相连，与WorldFIP现场总线相互传输WorldFIP数据信息；所述WorldFIP总线协议控制器与所述WorldFIP总线收发器相连，与所述WorldFIP总线收发器相互传输WorldFIP数据信息，所述主控单元与所述WorldFIP总线协议控制器相连，与所述WorldFIP总线协议控制器相互传输数据信息；

所述主控单元能够将收到的EtherCAT数据信息转换为WorldFIP数据信息，并写入所述WorldFIP总线协议控制器；能够将WorldFIP数据信息转换为EtherCAT数据信息，并写入所述EtherCAT总线协议控制器。

优选的，所述主控单元包括CPU，程序存储器、配置存储器、数据存储器，所述CPU采用含有32位的RISC处理器的NiosII芯片。

优选的，所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关还包括电源模块，所述电源模块与所述EtherCAT总线收发器、所述EtherCAT总线协议控制器、所述主控单元、所述WorldFIP总线协议控制器、所述WorldFIP总线收发器相连，所述电源模块向所述EtherCAT总线收发器、所述EtherCAT总线协议控制器、所述主控单元、所述WorldFIP总线协议控制器、所述WorldFIP总线收发器提供电源能量。

一种实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关的实现方法，包括步骤如下：

第一步，初始化所述主控单元、所述EtherCAT总线协议控制器、所述WorldFIP总线协议控制器；

具体包括如下步骤：使所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFlP总线协议控制器处于通讯禁止状态；所述主控单元进行CPU初始化，所述CPU读取所述配置存储器中的配置信息，对所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFIP总线协议控制器进行通讯参数配置，内容包括节点地址、传输速率、传送周期和传输数据大小；使所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFIP总线协议控制器处于通讯允许状态。

第二步，所述EtherCAT总线协议控制器收到EtherCAT数据帧后，所述主控单元读EtherCAT通讯存储器，获得EtherCAT数据帧中的Data的数据信息，并将EtherCAT数据帧中的Data的数据信息传输给所述WorldFIP通讯存储器，所述WorldFIP总线协议控制器将所述主控单元传送的EtherCAT数据帧中的Data的数据信息进行编码，形成WorldFIP数据帧，通过所述WorldFIP总线收发器将WorldFIP数据帧传输给WorldFIP现场总线；

其中，所述EtherCAT数据帧中的Data的第一和第二字节存放WorldFIP数据主帧的Identifier的数据信息；

其中，所述主控单元读EtherCAT通讯存储器，获得EtherCAT数据帧中的Data的数据信息，并将EtherCAT数据帧中的Data的数据信息传输给所述WorldFIP通讯存储器，包括以下步骤：所述主控单元提取EtherCAT数据帧中Data的数据信息的两个字节作为WorldFIP数据主帧中Identifier的数据信息，写入所述WorldFIP通信存储器；所述主控单元将EtherCAT数据帧中Data的数据信息的第三个字节含第三个字节以后的有效数据，作为WorldFIP数据从帧的Data的数据信息，写入所述WorldFIP通信存储器。

第三步，所述WorldFIP总线协议控制器收到WorldFIP数据帧后，所述主控单元读所述WorldFIP通讯存储器，获得WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息，并将WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息传输给所述EtherCAT通讯存储器，所述EtherCAT总线协议控制器将所述主控单元传送的WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息进行编码，形成EtherCAT数据帧，通过所述EtherCAT总线收发器将EtherCAT数据帧传输给EtherCAT工业以太网总线；

其中，所述WorldFIP数据从帧中Data的第一至第六字节存放EtherCAT数据帧的DA的数据信息。

其中，所述主控单元读所述WorldFIP通讯存储器，获得WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息，并将WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息传输给所述EtherCAT通讯存储器，包括以下步骤：所述主控单元提取WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的前六个字节作为EtherCAT数据帧中DA的数据信息，写入所述EtherCAT通信存储器；所述主控单元将WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的第七个字节含第七个字节以后的有效数据，作为EtherCAT数据从帧的Data的数据信息，写入所述EtherCAT通信存储器。

循环执行第二步、第三步。

本发明的有益效果是，本发明实现了EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线的互联通讯，使EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线能够共用于同一工业控制系统中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的网关的结构示意图；

图2本发明实施例提供的网关的流程图。

具体实施例

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

如图1所示，本发明实施例所述的网关1包括：EtherCAT总线收发器12、 EtherCAT总线协议控制器11、主控单元30、WorldFIP总线协议控制器21、WorldFIP总线收发器22、电源模块40，其中：

EtherCAT总线协议控制器11包括EtherCAT通讯存储器111，用于存储EtherCAT数据信息；

EtherCAT总线收发器12与EtherCAT工业以太网总线2相连，与EtherCAT工业以太网总线2相互传输EtherCAT数据信息；EtherCAT总线协议控制器11与EtherCAT总线收发器12相连，与EtherCAT总线收发器12相互传输EtherCAT数据信息，主控单元30与EtherCAT总线协议控制器11相连，与EtherCAT总线协议控制器11相互传输数据信息；

WorldFIP总线协议控制器21包括WorldFIP通讯存储器211，用于存储WorldFIP数据信息；

WorldFIP总线收发器22与WorldFIP现场总线3相连，与WorldFIP现场总线3相互传输WorldFIP数据信息；WorldFIP总线协议控制器21与WorldFIP总线收发器22相连，与WorldFIP总线收发器22相互传输WorldFIP数据信息，主控单元30与WorldFIP总线协议控制器21相连，与WorldFIP总线协议控制器21相互传输数据信息；

主控单元30能够将收到的EtherCAT数据信息转换为WorldFIP数据信息，并写入WorldFIP总线协议控制器21；能够将WorldFIP数据信息转换为EtherCAT数据信息，并写入EtherCAT总线协议控制器11；

电源模块40与EtherCAT总线收发器12、EtherCAT总线协议控制器11、主控单元30、WorldFIP总线协议控制器21、WorldFIP总线收发器22相连，电源模块40向EtherCAT总线收发器12、EtherCAT总线协议控制器11、主控单元30、WorldFIP总线协议控制器21、WorldFIP总线收发器22提供电源能量；

如图1示，主控单元30包括CPU301，程序存储器302、配置存储器303、数据存储器304，所述CPU301采用含有32位的RISC处理器的Nios II芯片。程序存储器302由非易失性闪存FLASH组成，永久存储网关的软件程序；配置存储器303由非易失性闪存FLASH存组成，永久存储用户的应用数据和总线配置数据；数据存储器304由同步动态随机访问存储器SDRAM组成，具有速度快、容量大的优点，用于代码运行时的内存分配；

CPU301通过标准的总线读写来控制EtherCAT总线协议控制器11发送或接收EtherCAT数据信息；EtherCAT总线协议控制器11负责EtherCAT总线的监视和管理、发送或接收数据、编码或解码EtherCAT数据帧；EtherCAT总线收发器12负责将收发的EtherCAT数据信息转换成符合EtherCAT总线物理层规定的电信号，同时对EtherCAT总线协议控制器11、主控单元30、WorldFIP总线协议控制器21进行隔离和保护。

需要说明的是：多个EtherCAT数据信息组成了EtherCAT数据帧，标准的EtherCAT数据帧格式为：

需要说明的是：多个WorldFIP数据信息组成了WorldFIP数据帧，WorldFIP数据帧，包括WorldFIP数据主帧ID_DAT和WorldFIP数据从帧RP_DAT。

标准的ID_DAT主帧格式为：

FSS	Control	Identifier	FCS	FES
					2字节	1字节	2字节	2字节	1字节

标准的RP_DAT从帧格式为：

FSS	Control	Data	FCS	FES
					2字节	1字节	最大128字节	2字节	1字节

以下将以如图1所示的EtherCAT工业以太网设备6和WorldFIP现场总线设备5之间的数据通讯为例，说明本发明实施例所述网关1的工作方式，网关1的工作方式如图2所示，包括如下步骤：

步骤S01：初始化主控单元30、EtherCAT总线协议控制器11、WorldFIP总线协议控制器21，具体步骤如下：

使EtherCAT总线协议控制器11和WorldFIP总线协议控制器21处于通讯禁止状态；主控单元30进行CPU301初始化，CPU301读取配置存储器303中的配置信息，对EtherCAT总线协议控制器11和WorldFIP总线协议控制器21进行通讯参数配置，内容包括节点地址、传输速率、传送周期和传输数据大小；使EtherCAT总线协议控制器11和WorldFIP总线协议控制器21处于通讯允许状态；

步骤S02：EtherCAT总线协议控制器11收到EtherCAT数据帧后，主控单元30读EtherCAT通讯存储器111，获得EtherCAT数据帧中的Data的数据信息，并将EtherCAT数据帧中的Data的数据信息传输给WorldFIP通讯存储器211，WorldFIP总线协议控制器21将主控单元30传送的EtherCAT数据帧中的Data的数据信息进行编码，形成WorldFIP数据帧，通过WorldFIP总线收发器22将WorldFIP数据帧传输给WorldFIP现场总线3；

其中，主控单元30读EtherCAT通讯存储器111，获得EtherCAT数据帧中的Data的数据信息，并将EtherCAT数据帧中的Data的数据信息传输给WorldFIP通讯存储器211，包括以下步骤：主控单元30提取EtherCAT数据帧中Data的数据信息的两个字节作为WorldFIP数据主帧中Identifier的数据信息，写入WorldFIP通信存储器211；主控单元30将EtherCAT数据帧中Data的数据信息的第三个字节含第三个字节以后的有效数据，作为WorldFIP数据从帧的Data的数据信息，写入WorldFIP通信存储器211。

以设备6向设备5传输数据0x123456为例，说明步骤S02。

根据WorldFIP现场总线协议标准，每一个WorldFIP设备都有一个两个字节的标识ID。假定设备5的标识ID为0x2725。当设备6向设备5传输数据时，应将设备5的标识ID数据信息0x2725，写入WorldFIP数据主帧ID_DAT的Identifier中。

由于WorldFIP数据主帧ID DAT的Identifier的长度为2个字节，设备6向设备5传输数据0x123456时，应将其要传输的EtherCAT数据帧的Data的前两个字节用于存储设备5的ID的数据信息0x2725，即，设备6应将要传输的EtherCAT数据帧的Data的数据信息设定为0x2725123456；主控单元30收到设备6传输的EtherCAT数据帧后，提取Data数据信息0x2725123456；将Data的前两个字节数据信息0x2725，作为WorldFIP数据主帧ID DAT中Identifier数据信息，写入WorldFIP通信存储器211；将Data的第三个字节含第三个字节以后的有效数据信息即0x123456作为WorldFIP数据从帧RP DAT的Data数据信息，写入WorldFIP通信存储器211，再通过WorldFIP现场总线3传输给设备5。

步骤S03：WorldFIP总线协议控制器21收到WorldFIP数据帧后，主控单元30读所述WorldFIP通讯存储器211，获得WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息，并将WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息传输给EtherCAT通讯存储器111，EtherCAT总线协议控制器21将主控单元30传送的WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息进行编码，形成EtherCAT数据帧，通过EtherCAT总线收发器22将EtherCAT数据帧传输给EtherCAT工业以太网总线2；

其中，主控单元30读所述WorldFIP通讯存储器211，获得WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息，并将WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息传输给EtherCAT通讯存储器111，包括以下步骤：主控单元30提取WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的前六个字节作为EtherCAT数据帧中DA的数据信息，写入EtherCAT通信存储器111；主控单元30将WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的第七个字节含第七个字节以后的有效数据，作为EtherCAT数据从帧的Data的数据信息，写入EtherCAT通信存储器111。

循环执行步骤S02和S03。

以设备5向设备6传输数据0x123456为例，说明步骤S03。

根据EtherCAT工业以太网总线协议，每个EtherCAT设备都有一个六个字节的地址。假定设备6的地址为0x100000000001。当设备5向设备6传输数据时，应将设备6的地址0x100000000001写入EtherCAT数据帧的DA中。

由于EtherCAT数据帧中的DA的长度为6个字节，设备5向设备6传输数据0x123456时，应将其要传输的WorldFIP数据帧的Data的前六个字节用于存储设备6的地址的数据信息0x100000000001，即，设备5应将要传输的WorldFIP从帧的Data的数据信息设定为0x100000000001123456；主控单元30收到设备5传输的WorldFIP数据帧后，提取Data数据信息0x100000000001123456，将Data的前六个字节数据信息0x100000000001，作为EtherCAT数据帧的DA的数据信息，写入EtherCAT通信存储器111；将Data的第七个字节含第七个字节以后的有效数据信息即0x123456作为EtherCAT数据帧的Data数据信息，写入EtherCAT通信存储器111，通过EtherCAT工业以太网总线2传输给设备6。

需要说明的是，主控单元30可以通过中断方式亦可通过查询方式，得知步骤S02所述EtherCAT总线协议控制器11收到EtherCAT数据帧，以及得知WorldFIP总线协议控制器21收到收到EtherCAT数据帧。

以上对本发明所提供的实现EtherCAT工业以太网和WorldFIP现场总线互联通讯的网关及其实现方法进行了详细介绍，本文应用了具体实施方式对本发明的原理及实施原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助和理解本发明的方法及其核心思想；同时，本领域的一般技术人员，依据本发明思想，在其具体方式及其应用范围上均会有改变之处，综上所述，本发明书数据信息不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关，其特征在于：包括EtherCAT总线收发器、EtherCAT总线协议控制器、主控单元、WorldFIP总线协议控制器、WorldFIP总线收发器；其中：

2.权利要求1所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关，其特征在于：所述主控单元包括CPU，程序存储器、配置存储器、数据存储器，所述CPU采用含有32位的RISC处理器的NiosII芯片。

3.权利要求1所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关，其特征在于：包括电源模块，所述电源模块与所述EtherCAT总线收发器、所述EtherCAT总线协议控制器、所述主控单元、所述WorldFIP总线协议控制器、所述WorldFIP总线收发器相连，所述电源模块向所述EtherCAT总线收发器、所述EtherCAT总线协议控制器、所述主控单元、所述WorldFIP总线协议控制器、所述WorldFIP总线收发器提供电源能量。

4.权利要求1所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关的实现方法，其特征在于，包括步骤如下：

循环执行第二步、第三步。

5.权利要求4所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关的实现方法，其特征在于：所述初始化所述主控单元、所述EtherCAT总线协议控制器、所述WorldFIP总线协议控制器，具体包括如下步骤：

使所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFIP总线协议控制器处于通讯禁止状态；所述主控单元进行CPU初始化，所述CPU读取所述配置存储器中的配置信息，对所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFIP总线协议控制器进行通讯参数配置，内容包括节点地址、传输速率、传送周期和传输数据大小；使所述EtherCAT总线协议控制器和所述WorldFIP总线协议控制器处于通讯允许状态。

6.权利要求4所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关的实现方法，其特征在于：

所述EtherCAT数据帧中的Data的第一和第二字节存放WorldFIP数据主帧的Identifier的数据信息；

所述WorldFIP数据从帧中Data的第一至第六字节存放EtherCAT数据帧的DA的数据信息。

7.权利要求6所述的实现EtherCAT工业以太网与WorldFIP现场总线互联通讯的网关的实现方法，其特征在于：

所述主控单元读EtherCAT通讯存储器，获得EtherCAT数据帧中的Data的数据信息，并将EtherCAT数据帧中的Data的数据信息传输给所述WorldFIP通讯存储器，包括以下步骤：所述主控单元提取EtherCAT数据帧中Data的数据信息的两个字节作为WorldFIP数据主帧中Identifier的数据信息，写入所述WorldFIP通信存储器；所述主控单元将EtherCAT数据帧中Data的数据信息的第三个字节含第三个字节以后的有效数据，作为WorldFIP数据从帧的Data的数据信息，写入所述WorldFIP通信存储器；

所述主控单元读所述WorldFIP通讯存储器，获得WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息，并将WorldFIP数据从帧中的Data的数据信息传输给所述EtherCAT通讯存储器，包括以下步骤：所述主控单元提取WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的前六个字节作为EtherCAT数据帧中DA的数据信息，写入所述EtherCAT通信存储器；所述主控单元将WorldFIP数据从帧中Data的数据信息的第七个字节含第七个字节以后的有效数据，作为EtherCAT数据从帧的Data的数据信息，写入所述EtherCAT通信存储器。