CN103051506A - Profibus DP/PA耦合器及其进行DP/PA报文转换的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种ProfibusDP/PA耦合器及其进行DP/PA报文转换的方法，包括DP接口单元、PA接口单元和电源，其特征在于：还包括光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元和PA调制解调单元，所述DP接口单元、光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元、PA调制解调单元和所述PA接口单元依次连接；所述DP/PA报文转换单元以通用CPU为处理核心。本发明采用通用CPU为处理核心，省去专用的DP串口通信芯片和PA通信控制芯片，降低了产品成本；PA调制解调电路采用分立元件实现，降低了成本，同时也降低了供货风险；可通过转接板与西门子的DP/PALINK进行连接。
Description
技术领域
本发明涉及现场总线领域，特别涉及一种Profibus DP/PA耦合器及其进行DP/PA报文转换的方法。
背景技术
Profibus是IEC61158－2000标准所含八种总线中的一种。Profibus总线不但能用于离散控制（PLC）系统中，而且也能用于过程控制系统。Profibus总线在我国自动化领域中的应用面最广，市场占有率最高，影响也最大，市场占有率为各类总线之首，约为20～30％。
Profibus现场总线通讯协议包括Profibus DP，Profibus PA，Profibus FMS三个部分，其中目前得到重点关注的是Profibus DP和Profibus PA协议。Profibus DP是高速网络，通讯速率最高可达12Mbps.一条Profibus DP总线可以最多连接123个从站设备。通讯介质可以是屏蔽双绞线，光纤，也支持红外传输。Profibus PA是低速现场级网络，主要用于连接现场智能仪表，如压力，温度，液位，流量等变送器及其执行机构，可通过总线供电，提供符合本安要求的总线连接。
火电，水电及核电系统存在可靠性要求高，监控设备和对象多而复杂，实时性要求高等特点， 在控制系统中大量采用压力变送器，液位计，温度，酸度，流量，等仪表及气动隔膜阀，电机等设备。在这类系统中既存在过程控制回路又存在传动控制回路，甚至存在本安要求的场合。如果采用Profibus总线作为控制系统设备层网络连接Profibus DP设备及Profibus PA现场仪表，那么必须采用Profibus DP/PA耦合器才能将Profibus PA仪表接入到Profibus DP网络中。
实现Profibus DP和Profibus PA网络之间的无缝连接，将Profibus PA设备集成到Profibus DP网络存在3种途径：DP/PA耦合器和DP/PA链接器，DP/PA网关。
Profibus DP/PA耦合器实现Profibus DP的RS485信号(异步，NRZ)同Profibus PA信号(同步，Manchester码)之间的转换，限制Profibus DP网络的通信速率为45.45kbps，这样Profibus DP主站可以直接访问Profibus DP/PA耦合器所连的Profibus PA设备。DP/PA耦合器对于Profibus DP主站而言是透明的，这种连接方式主要应用在从站数量较少和整个Profi bus网络通信速率要求不高的场合。目前Profibus DP/PA耦合器仅西门子公司一家拥有，进口价格高昂。
Profibus DP/PA 链接器在Profibus DP网络侧作为一个模块化从站工作，通过DP/PA耦合器连接Profibus PA设备，在Profibus PA网络侧作为一个Profibus PA主站，对Profibus DP主站而言，DP/PA链接器就是一个模块化从站，其模块对应连接到Profibus DP/PA耦合器上的Profibus PA设备。Profibus DP主站对这些设备的访问通过DP/PA链接器间接实现。这样可以实现Profibus DP与Profibus PA网络的链路层数据交换。Profibus DP网络与Profibus PA网络的通信速率不存在关联。这种连接方式主要应用在从站数量较多和实时性要求较高的场合。
目前P+F等厂商提出一种透明网关的产品，该产品能够透明隔离Profibus DP网络和Profibus PA网络，Profibus DP网络的速率可以变化，但是最高速率仅限2Mbps，实际工程应用中某些速率下对系统规模有限制，在某些上位机组态软件中，对整个网络的波特率一致性有要求，此类场合必须将Profibus DP侧的波特率设置为45.45kbps，只能将透明网关作为传统的耦合器使用，从而降低了整个系统的通信速率。
综上所述，采用DP/PA Link这种工作方式，能够很大程度上满足各类工程应用要求，对控制系统的组态软件，系统响应速度的要求都降到最低。
发明内容
本发明针对目前Profibus DP/PA耦合器仅西门子公司一家拥有，进口价格高昂的情况，提供一种采用通用CPU和分立元件MAU实现PA调制解调电路的Profibus DP/PA耦合器。
本发明的技术方案为：一种Profibus DP/PA耦合器，包括DP接口单元、PA接口单元和电源，其特征在于：还包括光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元和PA调制解调单元，所述DP接口单元、光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元、PA调制解调单元和所述PA接口单元依次连接；所述DP/PA报文转换单元以通用CPU为处理核心。
所述DP/PA报文转换单元，通过软件的方式，一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，拆包并按照Profibus PA报文的要求进行打包和Manchester编码，同时生成Profibus PA码流发送出去;另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，Manchester解码并拆包，按照Profibus DP报文的要求进行打包并发送出去，所有协议转换及链路控制功能都由软件实现。
所述光电隔离A单元将所述DP接口单元转换出来的CMOS串行信号同所述DP/PA报文转换单元之间电气隔离。
所述PA接口单元转换出来的CMOS串行信号通过光电隔离B单元与所述DP/PA报文转换单元电气隔离。
所述PA调制解调单元将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制到Profibus PA网络上去；同时，对Profibus PA网络上的Prifubs PA码流进行解调，将其转换成TTL电平形式的码流供所述光电隔离B单元处理。
所述PA接口单元对来自Profibus PA电缆的各种电磁干扰进行抑制。
所述DP接口单元对来自Profibus DP电缆的各种电磁干扰进行抑制。
所述电源包括5V→5V隔离DC/DC单元、24V→5V隔离DC/DC单元、电源调节器单元、24V→24V隔离DC/DC单元、电源滤波单元、24V直流输入单元，
其中，所述5V→5V隔离DC/DC单元对Profibus DP网络和所述DP/PA报文转换单元进行电源隔离，通过与所述光电隔离A单元的共同作用，实现主处理电路与外部电路的隔离；
所述24V→5V隔离DC/DC单元对输入的24V电源信号进行隔离并转换为适合DP/PA报文转换单元电路使用的5V信号；
所述电源调节器单元对Profibus PA网络进行供电以及对整个Profibus PA网络的阻抗控制；
所述24V→24V隔离DC/DC单元对外部输入的24V电源进行隔离，抑制来自外部电源的电磁干扰进入Profibus PA网络；
所述电源滤波单元对外部输入的24V电源进行各种滤波以及短路、过压保护处理，避免干扰进入主电路和Profibus PA网络；
所述24V直流输入单元对外部输入的24V电源进行端接，提供接线端子。
上述Profibus DP/PA耦合器进行DP/PA报文转换的方法，包括以下步骤：
(1)DP接口单元对来自Profibus DP网络的信号进行电平转换；
(2)经过光电隔离A单元光电隔离后送入DP/PA报文转换单元；
(3)DP/PA报文转换单元中的通用CPU按照Profibus DP协议要求，进行拆包，提取出有效数据单元，按照Profibus PA协议要求，封装成Profibus PA协议报文并进行Manchester码调制；
(4)经过光电隔离B单元光电隔离送入PA调制解调单元；
(5)PA调制解调单元将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制；
(6)通过PA接口单元转发到Profibus PA网络；
(7)以上步骤的逆过程即可将Profibus PA信号转发到Profibus DP网络。
本发明的有益效果在于：首先，采用通用CPU技术，成本低廉，CPU成本仅需几十元，省去专用的DP串口通信芯片和PA的通信控制芯片，极大地降低了产品成本；其次，PA调制解调电路采用分立元件实现，不再受限于进口的专用调制解调芯片，降低了成本，同时也降低了供货风险;再次，可以通过转接板与西门子的DP/PA Link进行连接，可以直接替换同类产品，拓宽了工程应用范围。
附图说明
图1为本发明Profibus DP/PA耦合器的原理框图；
图2为本发明的DP/PA报文转换单元进行DP/PA报文转换的软件流程图；
图３为本发明的DP/PA报文转换单元进行DP/PA报文转换的主程序流程图；
图４为本发明的DP/PA报文转换单元进行DP/PA报文转换的串口中断流程图；
图５为本发明的DP/PA报文转换单元进行DP/PA报文转换的定时器中断流程图。
具体实施方式
图1为本发明Profibus DP/PA耦合器的原理框图，如图1所示，一种Profibus DP/PA耦合器，包括DP接口单元1、PA接口单元6和电源，其特征在于：还包括光电隔离A单元2、DP/PA报文转换单元3、光电隔离B单元4和PA调制解调单元5，所述DP接口单元1、光电隔离A单元2、DP/PA报文转换单元3、光电隔离B单元4、PA调制解调单元5和所述PA接口单元6依次连接；所述DP/PA报文转换单元3以通用CPU为处理核心。
所述DP/PA报文转换单元3，通过软件的方式，一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，拆包并按照Profibus PA报文的要求进行打包和Manchester编码，同时生成Profibus PA码流发送出去;另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，Manchester解码并拆包，按照Profibus DP报文的要求进行打包并发送出去，所有协议转换及链路控制功能都由软件实现。
所述光电隔离A单元2将所述DP接口1单元转换出来的CMOS串行信号同所述DP/PA报文转换单元3之间电气隔离。按照此类隔离单元的技术指标，能够保证在45.45kbps波特率下信号无损传输以及隔离电压为2500V。
所述PA接口单元6转换出来的CMOS串行信号通过光电隔离B单元4与所述DP/PA报文转换单元3电气隔离。按照此类隔离单元的技术指标，能够保证在31.25kbps波特率下信号无损传输以及隔离电压为2500V。
所述PA调制解调单元5将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制到Profibus PA网络上去；同时，对Profibus PA网络上的Prifubs PA码流进行解调，将其转换成TTL电平形式的码流供所述光电隔离B单元4处理。
所述PA接口单元6对来自Profibus PA电缆的各种电磁干扰进行抑制。
所述DP接口单元1对来自Profibus DP电缆的各种电磁干扰进行抑制。
所述电源包括5V→5V隔离DC/DC单元7、24V→5V隔离DC/DC单元8、电源调节器单元9、24V→24V隔离DC/DC单元12、电源滤波单元11、24V直流输入单元10，
其中，所述5V→5V隔离DC/DC单元7对Profibus DP网络和所述DP/PA报文转换单元进行电源隔离，通过与所述光电隔离A单元的共同作用，实现主处理电路与外部电路的隔离；
所述24V→5V隔离DC/DC单元8对输入的24V电源信号进行隔离并转换为适合DP/PA报文转换单元电路使用的5V信号；
所述电源调节器单元9对Profibus PA网络进行供电以及对整个Profibus PA网络的阻抗控制；
所述24V→24V隔离DC/DC单元12对外部输入的24V电源进行隔离，抑制来自外部电源的电磁干扰进入Profibus PA网络；
所述电源滤波单元11对外部输入的24V电源进行各种滤波以及短路、过压保护处理，避免干扰进入主电路和Profibus PA网络；
所述24V直流输入单元10对外部输入的24V电源进行端接，提供接线端子。
上述Profibus DP/PA耦合器进行DP/PA报文转换的方法，包括以下步骤：
(1)DP接口单元1对来自Profibus DP网络的信号进行电平转换；
(2)经过光电隔离A单元2光电隔离后送入DP/PA报文转换单元3；
(3)DP/PA报文转换单元3中的通用CPU按照Profibus DP协议要求，进行拆包，提取出有效数据单元，按照Profibus PA协议要求，封装成Profibus PA协议报文并进行Manchester码调制；
(4)经过光电隔离B单元4光电隔离送入PA调制解调单元5；
(5)PA调制解调单元5将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制；
(6)通过PA接口单元6转发到Profibus PA网络；
(7)以上步骤的逆过程即可将Profibus PA信号转发到Profibus DP网络。
本发明中，DP接口单元１，PA接口单元６均为双向数据通信接口，可以分时实现收发，在24V直流电源输入单元10具有电压指示功能，如果外部供电正常，有电源指示灯指示。在DP/PA报文转换单元3具有DP报文指示和PA 报文指示输出，如果没有接收到DP报文，DP报文指示灯为熄灭或者点亮状态，如果收到DP报文，则DP报文指示灯不断闪烁；如果没有接收到PA报文，PA报文指示灯为熄灭或者点亮状态，如果收到PA报文，则PA报文指示灯不断闪烁。如果出现故障，内部还有故障指示。
在实现从DP网络到PA网络的报文转换时，DP接口1首先将来自Profibus DP网络的差分信号进行滤波处理，然后转换为TTL电平，送入光电隔离A单元2进行隔离处理，避免来自总线的电磁干扰进入主电路，隔离后的信号直接输入DP/PA报文转换单元3，DP/PA报文转换单元3按照Profibus DP协议中定义的报文格式对输入码流进行拆包，提取出有效数据单元并进行校验计算，如果正确，则进入转发环节，否则则丢弃该数据包。在输入的DP码流正确的情况下，DP/PA报文转换单元3按照Profibus PA的报文格式进行编码，并进行Manchester码软调制，生成待发送的Manchester码流，在规定的时间内将Manchester码流发送出去。此时Manchester码流为TTL电平，该码流经过光电隔离B单元4的转换，实现主电路与Profibus PA网络的隔离，此时码流进一步流入PA调制解调电路5，通过电压调节器9的共同作用，该电路负责将TTL形式的Manchester码流调制为在静态电流基础上波动的信号电流，最后输出到PA接口单元6。
如果这个过程逆过来，就能够实现Profibus PA报文到Profibus DP报文的转换。
在本发明中，DP/PA报文转换单元3主要由32位嵌入式处理器ARM7组成，内部集成Flash和SRAM，2个串口及3个定时器，只需外部连接若干电容和必要的晶振电路就可工作。
此外，5V-5V隔离DC/DC单元7采用集成DC/DC，性能能够得到保证。实现主电路电源与DP接口电源之间的隔离，为光电隔离A单元提供电源。
24->5V隔离DC/DC单元8采用专用DC/DC，缩小了电路体积，实现外部供电与主电路工作电源之间隔离，确保来自外部电源的干扰不进入主电路。
24V->24V隔离DC/DC单元12采用成熟集成电路，供电功率达到20W，不用专门设计DC/DC电路，该电路负责实现外部供电电源与Profibus PA网络电源之间的隔离，一旦外部电源上产生干扰，则通过该单元的抑制作用，保证干扰不会进入Profibus PA 网络。
电源滤波单元11主要由TVS管和共模扼流圈，滤波电感，滤波电容等组成电源滤波电路，滤除来自外部的各种形式干扰。
24V直流电源输入单元10主要对外部输入进行防浪涌处理，并进行极性自动转换及反接保护。
图2为本发明的DP/PA报文转换单元进行DP/PA报文转换的软件流程图。实现DP网络和PA报文之间的报文解析和转发的核心机制全部由报文转换单元的处理器实现。本设计采用单 CPU形式，通过内部集成串口和软件实现Manchester编解码形式转换。具体流程如图2，整个程序分为主程序，串口中断，定时器中断三个部分。
主程序流程如图 3所示，负责初始化整个设备，PA报文的检测及报文解析，封装为DP报文后通过串口转发出去。
串口中断流程如图4所示，负责接收DP报文，进行校验及解析，并封装为PA报文后发送出去。
定时器中断流程如图5所示，主要用于对Manchester编码后的PA报文进行接收，报头检测及发送Manchester编码形式的PA报文时进行定时处理，生成输入到MAU单元的码流。
Claims (9)
1.一种Profibus DP/PA耦合器，包括DP接口单元、PA接口单元和电源，其特征在于：还包括光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元和PA调制解调单元，所述DP接口单元、光电隔离A单元、DP/PA报文转换单元、光电隔离B单元、PA调制解调单元和所述PA接口单元依次连接；所述DP/PA报文转换单元以通用CPU为处理核心。
2.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述DP/PA报文转换单元，通过软件的方式，一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，拆包并按照Profibus PA报文的要求进行打包和Manchester编码，同时生成Profibus PA码流发送出去;另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，Manchester解码并拆包，按照Profibus DP报文的要求进行打包并发送出去，所有协议转换及链路控制功能都由软件实现。
3.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述光电隔离A单元将所述DP接口单元转换出来的CMOS串行信号同所述DP/PA报文转换单元之间电气隔离。
4.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述PA接口单元转换出来的CMOS串行信号通过光电隔离B单元与所述DP/PA报文转换单元电气隔离。
5.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述PA调制解调单元将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制到Profibus PA网络上去；同时，对Profibus PA网络上的Prifubs PA码流进行解调，将其转换成TTL电平形式的码流供所述光电隔离B单元处理。
6.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述PA接口单元对来自Profibus PA电缆的各种电磁干扰进行抑制。
7.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述DP接口单元对来自Profibus DP电缆的各种电磁干扰进行抑制。
8.根据权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器，其特征在于：所述电源包括5V→5V隔离DC/DC单元、24V→5V隔离DC/DC单元、电源调节器单元、24V→24V隔离DC/DC单元、电源滤波单元、24V直流输入单元，
其中，所述5V→5V隔离DC/DC单元对Profibus DP网络和所述DP/PA报文转换单元进行电源隔离，通过与所述光电隔离A单元的共同作用，实现主处理电路与外部电路的隔离；
所述24V→5V隔离DC/DC单元对输入的24V电源信号进行隔离并转换为适合DP/PA报文转换单元电路使用的5V信号；
所述电源调节器单元对Profibus PA网络进行供电以及对整个Profibus PA网络的阻抗控制；
所述24V→24V隔离DC/DC单元对外部输入的24V电源进行隔离，抑制来自外部电源的电磁干扰进入Profibus PA网络；
所述电源滤波单元对外部输入的24V电源进行各种滤波以及短路、过压保护处理，避免干扰进入主电路和Profibus PA网络；
所述24V直流输入单元对外部输入的24V电源进行端接，提供接线端子。
9.权利要求1所述的Profibus DP/PA耦合器进行DP/PA报文转换的方法，包括以下步骤：
(1) DP接口单元对来自Profibus DP网络的信号进行电平转换；
(2) 经过光电隔离A单元光电隔离后送入DP/PA报文转换单元；
(3) DP/PA报文转换单元中的通用CPU按照Profibus DP协议要求，进行拆包，提取出有效数据单元，按照Profibus PA协议要求，封装成Profibus PA协议报文并进行Manchester码调制；
(4) 经过光电隔离B单元光电隔离送入PA调制解调单元；
(5) PA调制解调单元将Manchester编码后以TTL电平形式存在的Profibus PA码流调制；
(6) 通过PA接口单元转发到Profibus PA网络；
(7) 以上步骤的逆过程即可将Profibus PA信号转发到Profibus DP网络。
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Effective date of registration: 20150612 Address after: Zhabei District Shanghai City 200072 West Guangzhong Road No. 191 Building No. 7 Applicant after: Shanghai instrument and meter for automation company limited Address before: 200233, No. 41 Rainbow Road, Shanghai, Xuhui District Applicant before: Shanghai Automatic Industrument and Meter Co., Ltd. |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130417 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |