CN103036892A - 工业以太网协议转换器 - Google Patents

Abstract

本发明工业以太网协议转换器，涉及数字信息传输的数据开关网络，包括硬件和软件两部分，其中硬件部分由MCU模块、电源模块、RS485串行接口模块、以太网接口模块、外扩存储器、通信状态指示模块和复位及晶振电路构成；其中软件部分包括在单片机内嵌入的OpenTCP协议栈和在单片机内嵌入的HTTP网页协议两部分；上述硬件部分以MCU为核心器件，通过RS485串行接口模块实现与Modbus网络的连接，通过以太网接口模块实现与工业以太网的连接，所有硬件部分相互配合使Modbus网络与工业以太网信息相通。本发明实现了Modbus网络上现场设备高速和实时通信，克服了现有技术安装空间大、成本高和安装不便的缺点。

Description

工业以太网协议转换器

技术领域

本发明的技术方案涉及数字信息传输的数据开关网络，具体地说是工业以太网协议转换器。 

背景技术

网络技术的迅猛发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的网络控制技术是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是信息化带动工业化的重点研发方向。目前网络控制技术正从传统的现场总线网络控制技术向工业以太网网络控制技术方向发展。利用以太网一系列现成的协议，并在应用层加上工业通信需要的协议，满足了现今工业通信的要求。 

CN200510027275.5公开了“一种Modbus与DeviceNet间的协议转换方法”，给出了一种Modbus与DeviceNet间的协议转换方法。CN200720063832.3披露了“一种通用串口到CAN总线接口的转化器”，给出了一种CAN接口设备和串口设备互联通信的方法。在上述现有技术中涉及将Modbus网络与Devicenet网络和CAN总线网络互联的方法，但Devicenet网络和CAN总线网络通信速率低、接入节点数受限，不能满足Modbus网络上现场设备高速和实时通信的要求。CN201639591U报道了一种嵌入式协议转换器功能的工业以太网交换机，该机体安装空间大、成本高和安装不便。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供工业以太网协议转换器，将Modbus RTU网络与以太网网络互联，利用以太网的优点实现了Modbus RTU网络上现场设备高速和实时通信，同时克服了现有技术安装空间大、成本高和安装不便的缺点。 

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：工业以太网协议转换器，包括硬件和软件两部分，其中硬件部分由MCU模块、电源模块、RS485串行接口模块、以太网接口模块、外扩存储器、通信状态指示模块和复位及晶振电路构成；上述部件的电路连接关系是：电源模块连接到MCU模块和RS485串行接口模块；MCU模块又分别与RS485串行接口模块、以太网接口模块、外扩存储器、通信状态指示模块和复位及晶振电路互连；其中软件部分包括在单片机内嵌入的OpenTCP协议栈和在单片机内嵌入的HTTP网页协议两部分；上述硬件部分以MCU为核心器件，通过RS485串行接口模块实现与Modbus网络的连接，通过以太网接口模块实现与工业以太网的连接，所有硬件部分相互配合使Modbus网络与工业以太网信息相通。 

上述工业以太网协议转换器，所述电源摸块，包括作为电源主输入的DC24V输入、DC24V-DC5V隔离电源和DC5V-DC3.3V稳压芯片。 

上述工业以太网协议转换器，所述RS485串行接口模块，包括RS485收发芯片和RS485端子。 

上述工业以太网协议转换器，所述以太网接口模块，包括以太网网络变压器和RJ45接口。 

上述工业以太网协议转换器，所述外扩存储器，其类型是EEPROM。 

上述工业以太网协议转换器，所述通信状态指示模块，包括状态/电源、速率/连接、以太网收发和485收发四个双色状态指示灯。 

上述工业以太网协议转换器，所述的复位及晶振电路，其中包括单片机内部自带上电复位模块及软件复位模块，晶振电路选用25.000M晶振为单片机提供所需主频时钟。 

上述工业以太网协议转换器，所述软件部分中的软件程序的总流程是：开始→中断初始化→串口及以太网初始化→主芯片初始化→建立OpenTCP协议栈→以太网端是否收到数据？启动以太网转Modbus模块→同否；

Modbus端是否收到数据？

启动Modbus转以太网模块→同否；

是否触发参数配置中断？进入配置模式→同否；

返回以太网端是否收到数据？ 

上述工业以太网协议转换器，所述软件部分中的软件程序的总流程中的启动以太网转Modbus模块的流程是： 

开始→建立TCP连接→本协议转换器侦听502端口→上位机是否发来数据？

返回本协议转换器继续侦听502端口；

以太网中断→解析数据包→是否为TCP报文类型？

丢弃收到的报文→返回本协议转换器继续侦听502端口；

MCU处理TCP报文，提取PDU→MCU串口中断，发送Modbus RTU帧至下位机→结束。 

上述工业以太网协议转换器，所述软件部分中的软件程序的总流程中的进入配置模式的流程是： 

开始→读取或修改串口及以太网各参数？

读取EEPROM中各参数→将各参数值返回至上位机→结束；擦除EEPROM中参数，将修改值存入其中→重新初始化串口及以太网→结束。 

上述工业以太网协议转换器，所述在单片机内嵌入OpenTCP协议栈是为实现ModbusRTU协议和Modbus TCP协议间数据转换功能的数据转换软件，所述在单片机内嵌入HTTP网页协议是为实现串口参数和以太网参数配置功能的配置软件。 

上述工业以太网协议转换器，所述MCU模块选用飞思卡尔16位HCS系列单片机MC9S12NE64VTU，具有10M/100M自适应以太网MAC控制器，通过自带MII接口外接以太网PHY芯片。 

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明工业以太网协议转换器突出的实质性特点是，采用单器件连接方案，利用集成以太网MAC层和物理层的飞思卡尔HCS12系列16位单片机来实现单器件以太网连接，将带有Modbus通信接口的智能设备连入工业以太 网，使不同厂家生产的智能通信设备通过以太网互连成网络，运用以太网监控软件实现集中控制及数据采集功能。与现有技术相比，本发明工业以太网协议转换器的显著的优点是该工业以太网协议转换器中设计电路板长宽尺寸仅为10cm*6cm，需要安装空间小，在工业应用中可以方便的集成到串口设备中；以太网侧提供电接口即RJ45接口将串口设备联入100Base-TX以太网，在满足工业应用操作实施性要求的基础上，最大化的降低了企业应用成本，提高效益。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1为本发明工业以太网协议转换器的硬件构成原理框图。 

图2为本发明工业以太网协议转换器硬件中的电源模块、RS485串行接口模块和以太网接口模块的构成框图。 

图3为本发明工业以太网协议转换器的硬件的安置布局示意图。 

图4为本发明工业以太网协议转换器的软件部分程序的总流程图。 

图5为本发明工业以太网协议转换器的软件部分程序中的启动以太网转Modbus模块的流程图。 

图6为本发明工业以太网协议转换器的软件部分程序中的进入配置模式的流程图。 

图中，1.MCU模块，2.电源模块，3.RS485串行接口模块，4.以太网接口模块，5.外扩存储器，6.通信状态指示模块，7.复位及晶振电路。 

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器硬件部分由MCU模块1、电源模块2、RS485串行接口模块3、以太网接口模块4、外扩存储器5、通信状态指示模块6和复位及晶振电路7构成；上述部件的电路连接关系是：电源模块2连接到MCU模块1和RS485串行接口模块3；MCU模块1又分别与RS485串行接口模块3、以太网接口模块4、外扩存储器5、通信状态指示模块6和复位及晶振电路7互连；以太网接口模块4与工业以太网连接，RS485串行接口模块3与Modbus网络连接。 

图2所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器硬件部分中的电源模块2、RS485串行接口模块3和以太网接口模块4的组成。其中，图2a表明本发明工业以太网协议转换器硬件部分的电源模块2包括作为电源主输入的DC24V输入、DC24VDC5V隔离电源和DC5V-DC3.3V稳压芯片；图2b表明本发明工业以太网协议转换器硬件部分的RS485串行接口模块3包括RS485收发芯片和RS485端子；图2c表明本发明工业以太网协议转换器硬件部分的以太网接口模块4包括太网网络变压器和RJ45接口。 

图3所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器的硬件的安置布局是总电路板的尺寸为长×宽＝10cm×6cm，外形小巧，便于安装；其中RS485串行接口模块3和以太网接口模块4分别位于两端，便于实现Modbus网络和工业以太网的连接；主MCU模块1位 于中心位置，电源模块2、以太网接口模块4中的以太网网络变压器、外扩存储器5、通信状态指示模块6和复位及晶振电路7分布在MCU模块1周围，使MCU模块1到各模块距离最短，减少信号的串行干扰。 

图4所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器中软件部分中的软件程序的总流程是： 

开始→中断初始化→串口及以太网初始化→主芯片初始化→建立OpenTCP协议栈→以太网端收到数据否？

启动以太网转Modbus模块→同否；Modbus端是否收到数据？

启动Modbus转以太网模块→同否；

是否触发参数配置中断？

进入配置模式→同否；返回以太网端是否收到数据？ 

图5所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器的软件部分中的软件程序的总流程中的启动以太网转Modbus模块的流程是： 

开始→建立TCP连接→本协议转换器侦听502端口→上位机是否发来数据？

返回本协议转换器继续侦听502端口；

以太网中断→解析数据包→是否为TCP报文类型？丢弃收到的报文→返回本协议转换器继续侦听502端口；

MCU处理TCP报文，提取PDU→MCU串口中断，发送Modbus RTU帧至下位机→结束。 

图6所示实施例表明，本发明工业以太网协议转换器的软件部分中的软件程序的总流程中的进入配置模式的流程是： 

开始→读取或修改串口及以太网各参数？读取EEPROM中各参数→将各参数值返回至上位机→结束；擦除EEPROM中参数，将修改值存入其中→重新初始化串口及以太网→结束。 

实施例 

按照上述图1～图6所述实施例装置成本发明工业以太网协议转换器，其中所述的MCU模块1，选用飞思卡尔16位HCS系列单片机MC9S12NE64VTU，具有10M/100M自适应以太网MAC控制器，通过自带MII接口外接以太网PHY芯片，实现地址识别及以太网类型过滤，支持半双工和全双工通信，采用双绞线连接方式联入工业以太网，最长通信距离不超过100米。该工业以太网协议转换器的整体电路以MCU模块1为核心，电源模块2选用通常使用的DC24V输入作为电源的主输入，并且要避免一次降压过大烧毁电源模块2，先利用DC24V-DC5V隔离电源将DC24V输入变为DC5V输出，再利用DC5V DC3.3V稳压芯片将DC5V输入变为DC3.3V输出供MCU模块1和485串行接口模块3使用；RS485串行接口模块3连接Modbus RTU网络，以太网接口模块4连接工业以太网。上述的整体电路是Modbus RTU网络和工业以太网网络间的一个节点，实现了Modbus TCP网络主站的功能，且能自适应以太网端10/100M速率，完成Modbus-RTU协议和Modbus-TCP协议之间的网络连接、协议解析及数据转发功能。该工业以太网协议转换器的通信状态指示模块6，包括状态/电源、速率/连接、以太网收发和485收发四个双色状态指示灯，其中状态/电源指示灯指示该协议转换器工作状态及电源连接状态，速率/连接指示灯指示该协议转换器数据传输速率及TCP连接状态，以太网收发指示灯指示以太网端数据收发状态，485收发指示灯指示485 端数据收发状态。该工业以太网协议转换器的复位及晶振电路7，其中包括单片机内部自带上电复位模块及软件复位模块，能够实现单片机的自动复位和手动复位，晶振电路选用25.000M晶振为单片机提供所需主频时钟。 

在上述工业以太网协议转换器的软件部分程序的总流程中，所述中断初始化，包括开关总中断串口中断、以太网中断等，避免在初始化未完成之前触发中断，产生无法预知的运行错误；所述串口及以太网初始化，包括串口及以太网各参数设置，以满足不同应用场合；所述主芯片是单片机MC9S12NE64VTU，所述主芯片初始化包括时钟初始化和计时器初始化；所述判断以太网端是否收到数据以后的程序，是指如果以太网端收到上位机发来的数据则启动以太网转Modbus模块，即图5所示的启动以太网转Modbus模块的流程，主芯片把收到以太网数据帧中包含的Modbus PDU提取出来，按照Modbus RTU数据帧格式发送给下行智能设备；所述判断Modbus端是否收到数据以后的程序是，如果Modbus端收到下行智能设备返回的应答数据，则启动Modbus转以太网模块，把Modbus RTU数据帧嵌入到以太网数据帧中，通过TCP连接传输到以太网端的上位机监控软件；所述判断是否触发参数配置中断以后的程序是，如果触发了此中断，则进入配置模式，配置模式的流程如图6所示，判断用户修改还是读取串口及以太网各参数，若是修改参数，则擦除EEPROM中已存的参数，将用户新的修改值存入EEPROM中，并重新初始化串口及以太网；若是读取参数，则读取EEPROM中存储的数据，并返回至上位机；如果没有触发此中断，则回到第4步继续判断以太网端是否收到数据。上述工业以太网协议转换器的协议转换器软件，采用透明传输理念，在单片机内嵌入OpenTCP协议栈，建立TCP连接，将Modbus RTU数据帧嵌入到TCP报文中进行传输，实现Modbus RTU网络与Modbus TCP网络的可靠通信，同时使该协议转换器所在节点具有Modbus TCP主站功能，按照现场设备的Modbus协议规约发送相应控制命令至本发明，通过本发明的协议解析及数据转发，达到控制下行串口设备的目的。 

本实施例的工业以太网协议转换器将Modbus现场总线组建的设备网络联入工业以太网，采用透明传输方式实现了Modbus RTU协议与Modbus TCP协议间的数据传输，通过建立OpenTCP协议栈实现了Modbus TCP主站的功能，通过基于HTTP网页协议的配置软件修改波特率、校验方式等串口参数以及IP地址、子网掩码等以太网参数，使上位机可以实时监控Modbus串口设备的工作状态和采集Modbus串口设备的运行数据，使不同厂家生产的智能通信设备互联成网络，实现集中全面的监控。 

上述实施例中所用的各模块器件均通过商购途径获得，各硬件部分之间的连接方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。 

Claims (9)

1.工业以太网协议转换器，其特征在于：包括硬件和软件两部分，其中硬件部分由MCU模块、电源模块、RS485串行接口模块、以太网接口模块、外扩存储器、通信状态指示模块和复位及晶振电路构成；上述部件的电路连接关系是：电源模块连接到MCU模块和RS485串行接口模块；MCU模块又分别与RS485串行接口模块、以太网接口模块、外扩存储器、通信状态指示模块和复位及晶振电路互连；其中软件部分包括在单片机内嵌入的OpenTCP协议栈和在单片机内嵌入的HTTP网页协议两部分；上述硬件部分以MCU为核心器件，通过RS485串行接口模块实现与Modbus网络的连接，通过以太网接口模块实现与工业以太网的连接，所有硬件部分相互配合使Modbus网络与工业以太网信息相通。

2.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述电模摸块，包括作为电源主输入的DC24V输入、DC24V-DC5V隔离电源和DC5V-DC3.3V稳压芯片。

3.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述RS485串行接口模块，包括RS485收发芯片和RS485端子。

4.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述以太网接口模块，包括以太网网络变压器和RJ45接口。

5.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述通信状态指示模块，包括状态/电源、速率/连接、以太网收发和485收发四个双色状态指示灯。

6.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述的复位及晶振电路，其中包括单片机内部自带上电复位模块及软件复位模块，晶振电路选用25.000M晶振为单片机提供所需主频时钟。

7.按照权利要求1所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述软件部分中的软件程序的总流程是：开始→中断初始化→串口及以太网初始化→主芯片初始化→建立OpenTCP协议栈→以太网端是否收到数据？

启动以太网转Modbus模块→同否；

Modbus端是否收到数据？

启动Modbus转以太网模块→同否；

是否触发参数配置中断？

进入配置模式→同否；

返回以太网端是否收到数据？

8.按照权利要求7所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述软件部分中的软件程序中的启动以太网转Modbus模块的流程是：

开始→建立TCP连接→本协议转换器侦听502端口→上位机发来数据？

返回本协议转换器继续侦听502端口；

以太网中断→解析数据包→TCP报文类型？

丢弃收到的报文→返回本协议转换器继续侦听502端口；

MCU处理TCP报文，提取PDU→MCU串口中断，发送Modbus RTU帧至下位机→结束。

9.按照权利要求7所说工业以太网协议转换器，其特征在于：所述软件部分中的软件程序中的进入配置模式的流程是：

开始→读取或修改串口及以太网各参数？

读取EEPROM中各参数→将各参数值返回至上位机→结束；

擦除EEPROM中参数，将修改值存入其中→重新初始化串口及以太网→结束。

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