CN103092111B - 具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Can与Modbus的协议转换模块和智能断路器，该协议转换模块包括MCU中央处理单元，与MCU中央处理单元相连的SRAM存储单元、拨码开关、Modbus通信接口、指示单元和PROFIUBS接口芯片，以及依次与PROFIUBS接口芯片相连的隔离型RS485收发芯片和Can通信接口。该断路器包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和上述协议转换模块。本发明使用户可以通过Can总线对Modbus设备进行实时监测和控制。

Description

具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器

技术领域

本发明属于智能断路器技术领域，具体涉及一种具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器。

背景技术

控制器局域网(Controller Area Network，CAN)是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，主要应用在汽车监控、开关量控制、制造业等领域内的数据通信。CAN属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性^[35，36]。CAN总线作为国际上应用最广泛的现场总线之一，在工业控制领域得到了普遍应用，并被认为是最有前途的现场总线之一。

相比于CAN总线，Modbus总线本身存在的许多局限性，主要体现在效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等。但是在工业现场总线的应用中，Modbus协议使用的RS485在硬件成本以及开发难度上略有优势，在国内仍有广泛应用，所以在现阶段完全放弃Modbus总线是不现实的。因而在实际应用中迫切需要一种Modbus协议向CAN协议转换的过渡产品^[37]。在Modbus协议与CAN协议的转换中，由于CAN协议中规定一帧CAN报文中，只包含8个字节数据^[38]，但是在现场中，Modbus协议所包含的数据量远大于CAN协议可携带的数据。

相比于Can，Modbus总线本身存在的许多局限性，主要体现在效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等。

但是在工业现场总线的应用中，Modbus协议使用的RS485在硬件成本以及开发难度上略有优势，在国内仍有广泛应用，所以在现阶段完全放弃Modbus总线是不现实的。因而在实际应用中迫切需要一种Modbus协议向Can协议转换的过渡产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器。

实现本发明目的的技术方案是：一种具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和Can与Modbus的协议转换模块；塑壳断路器本体包括底座和上盖；所述Can与Modbus的协议转换模块包括内嵌CAN控制器的MCU，与MCU相连的RS485驱动模块、DC/DC双隔离稳压电源、光耦，与光耦和DC/DC双隔离稳压电源相连的CAN驱动模块，所述DC/DC双隔离稳压电源还与RS485驱动模块相连；Can与Modbus的协议转换模块包括液晶显示屏、调试按钮和两个指示灯；所述塑壳断路器本体的上盖包括面板和侧壁，该面板和侧壁上设有一个缺口，所述Can与Modbus的协议转换模块位于该缺口中；所述侧壁在缺口两侧设有两个导向滑块，所述Can与Modbus的协议转换模块的壳体的两侧各设有一个导向滑槽，所述Can与Modbus的协议转换模块从侧壁的外侧从外向内插入所述缺口中，所述导向滑块位于导向滑槽中；所述Can与Modbus的协议转换模块位于上盖内侧的一侧端设有Modbus通信接口，所述Can与Modbus的协议转换模块的另一侧端露出上盖，且该侧端设有Can通信接口；所述上盖内固定设有一个Modbus通信插接端子，当所述Can与Modbus的协议转换模块在导向滑块的限位作用下插入缺口时，其内侧的Modbus通信接口插入该Modbus通信插接端子中；Can与Modbus的协议转换模块上还设有定位插销，各定位插销可伸缩的设置在Can与Modbus的协议转换模块壳体上，所述上盖内或侧壁上设有与各定位插销相配合的定位孔，当各定位插销缩进时，其底部插入相应的定位孔中，从而把Can与Modbus的协议转换模块定位在缺口中；按一次各定位插销后，定位插销则从定位孔中弹出，从而可以拆卸该Can与Modbus的协议转换模块。

本发明中协议转换模块的结构较为合理简化，占用空间较小，且性能较为稳定可靠。本发明中的智能断路器由于设置有Can与Modbus的协议转换模块，使得使用者可以通过Can总线对其进行实时监测和控制，既能够拓展其适用范围，还能够有效降低硬件成本和开发难度。

附图说明

图1是本发明中协议转换模块的一种电路结构框图，

图2是图1所示协议转换模块的一种电路原理图，

图3是图1所示协议转换模块的主程序流程图，

图4是图1所示协议转换模块的工作原理图，

图5是本发明中智能断路器第一种结构的一种立体结构示意图，

图6是图5所示智能断路器中协议转化模块的一种立体结构示意图；

图7是图6所示协议转化模块从另一角度观察时的一种立体结构示意图，

图8是本发明中智能断路器第二种结构的一种立体结构示意图，

图9是图8所示智能断路器中协议转化模块的一种立体结构示意图；

图10是图9所示协议转化模块从另一角度观察时的一种立体结构示意图。

具体实施方式

(实施例1、协议转换模块)

图1至图4显示了本发明中协议转换模块的一种具体实施方式，其中图1是本发明中协议转换模块的一种电路结构框图，图2是图1所示协议转换模块的一种电路原理图，图3是图1所示协议转换模块的主程序流程图，图4是图1所示协议转换模块的工作原理图。

本实施例是一种Can与Modbus的协议转换模块，包括内嵌CAN控制器的MCU，与MCU相连的RS485驱动模块、DC/DC双隔离稳压电源、光耦、配置按键、通讯指示灯，与光耦和DC/DC双隔离稳压电源相连的CAN驱动模块，所述DC/DC双隔离稳压电源还与RS485驱动模块相连。

下面对本实施例进行详细描述：

转换器在现场应用中一般采用现场总线的电源24V来供电，这个电源是不稳定电源，而且存在诸多干扰，所以不能直接接入转换器，必须经过稳压及隔离。

对市场上的多家芯片厂商的产品进行对比和筛选，选取了成本和开发难度相对较小的Microchip公司的PIC18F系类芯片，Microchip公司拥有自己芯片专用的IDE开发套件——MPLAB，接合它们推出的专用仿真器ICD3，可以对PIC单片机进行在线调试仿真，节省了开发难度和周期，并且PIC单片机的保密性较好，有利于保护产品权益^[39-42]。选用的PIC单片机内嵌有CAN控制器。

为了实现适配器的可靠性和稳定性，需要将CAN现场总线与适配器电气隔离，需要选用合适的隔离元件。

Modbus采用差分传输的RS485标准，需要选用带有瞬态电流抑制功能的芯片，节省成本及布线空间。

在适配器双向通信过程中，需要配置正确的两端总线参数，才能正常进行信息转换，这些参数在单片机初始化中设置，但是单片机中的数据是无法随时由用户修改的，程序烧写进单片机后，就无法修改，致使适配器没有通用性。为了解决这个问题，设计了一种参数配置模式，通过外部按键的激活，单片机会进入参数采集的配置模式，此模式下，用户用过PC接入适配器，用设计出的配置软件对适配器参数做设置。这些通信参数存储在单片机内嵌的EEPROM中，掉电后不会丢失。

由于CAN总线包含有很好的校验机制，所以适配器主动对Modbus上行数据做CRC校验后去掉CRC校验字段，把剩下的数据向CAN总线转换。同理，从CAN总线接收到的下行数据中，CAN控制器会对CAN数据硬件校验后去掉校验字段，为了使转换出的下行Modbus数据能与下位机正常通信，我们对数据进行CRC校验后加上校验字段，以符合Modbus协议标准帧的要求^[43]。当然，为了满足不同场合的用户需求，这个CRC过程在配置模式中是可以选择是否进行的。

为了使用户可视的看到数据的通信，设计两个指示灯，一个指示从CAN到Modbus的下行数据通信；另一个指示从Modbus到CAN的上行通信。

CAN总线需要一个120偶的匹配电阻，适配器CAN端接口可选择是否接入这个电阻。

在该设计中采用了带CAN控制器的PIC18F458芯片。这种设计相比传统的MCU再加上独立的CAN控制器的设计方法而言，大大的使设计简化，同时也增加了系统的可靠性。

PIC18F458功能强大，1536k片内数据RAM，3个16位定时/计数器、1个8位看门狗WDT定时器、8路模拟输人的片内ADC。看门狗WDT定时器用来监视程序的运行状态，一旦CPU由于意外原因偏离正常程序之外，WDT将强行把CPU复位，使其返回正常程序^[44]。PIC18F458CAN模块除遵循CAN总线的协议，同时也有自己的特点，主要包括：(1)支持CAN协议CAN2.0A，CAN2.0B；(2)支持标准帧、扩展帧、远程帧、过载帧、错误帧等；(3)2个接收缓冲器、3个发送缓冲器；(4)6个接收过滤器；(5)2个屏蔽过滤器。选用功能强大的PIC18F458单片机，大大简化了电路设计，节省了成本。

S485总线驱动芯片选用的是6LB184，该芯片带有瞬态电流抑制功能。6LB184于半双工模式，内部包含一个发送器和一个接收器，在工作时需要通过使能端来控制“收”和“发”，将其使能端RE和DE连接到一起，然后接到PIC单片机的RD4引脚，在软件中通过对RD4的置位和复位来控制6LB184进行收和发。

CAN总线驱动模块采用PCA82C251，它有更高的击穿电压，并且在隐形状态下的拉电流小，在掉电情况下可改善总线输出特性。PCA82C251的引脚TxD以及RxD通过高速数字双光耦1201AR后，分别接到PIC单片机的CANTX及CANRX引脚上，使用数字高速双光耦可以提高数据传输速率，并且消除外电路对转换器的干扰及有害影响；在CAN总线两端的CAN接头上可以选择是否接入120欧匹配电阻，该匹配电阻的的作用是去除阻抗不连续时的反射现象^[45]。总线与地各自并联一个30pF的小电容，以防电磁辐射和抗高频干扰。

硬件设计中还包含了DC\DC电源部分的设计，因为包含了1201AR数字双光耦，光耦两侧的电源必须隔离，转换器在现场应用中一般采用现场总线的电源24V来供电，这个电源是不稳定电源，而且存在诸多干扰，所以不能直接接入转换器，必须经过稳压及隔离。

在转换器中，需要2路隔离的+5V的直流电源，分别为MCU及RS485收发模块所需的第一路+5V的VCC1，CAN总线收发模块所需的第二路+5V的VCC2。从而考虑选用1个24V转两路隔离+5V的电源模块。因此，本转换器选用了金升阳公司的WRD240505S-1W的电源模块，在VCC1及VCC2两端接入含有典型值的钽电容的滤波稳压电路。

转换器工作时，连接到两侧总线，为了正常通信，必须对MCU内通信模块的通信参数进行设置，才能使转换器正常工作，因此为了用户更方便的设置这些参数，转换器上接入一个配置按键，按键一端接在MCU的RB0引脚上，并通过上拉电阻拉直+5V；另一端接地拉低^[41]。在按键按下是，会将RB0引脚的电位拉低，MCU检测到RB0电位变化后，进入配置模式，通过一个USB转RS485的模块接入转换器，可以对转换器的两端通信的相应参数及通信方式进行设置。

本转换器采用PIC18F458内置了128b的EEPROM，通信所使用的参数都贮存在这里。EEPROM中的数据掉电不丢失，可以方便用户，不需要在同一场合重复对转换器参数进行配置。

软件设计通过microchip的开发工具Mplab用C语言编制，主要包含初始化程序，CAN中断服务程序，USART中断服务程序，主程序，以及协议转换程序。

程序中定义了4个数据缓存区，分别为CAN接收缓存区，CAN发送缓存区，Modbus接收缓存区，Modbus发送缓存区^[42]。

程序主函数包含两部分，第一部分是CAN总线数据转换为modbus协议数据，第二部分是modbus协议数据转换为CAN总线数据。第三部分是配置模式。

第一部分如图，首先进行CAN模块初始化，主要是配置CAN模块的通信波特率，工作方式，发送标识符和发送标识符，对应的接受过滤器和接收屏蔽器，以及发送的优先级等，初始化后打开CAN接收中断，等待接收CAN总线数据。

如果如果单片机的CAN模块接收到数据，会对这帧数据进行硬件校验，包括标识符是否匹配以及CAN数据的CRC校验。校验正确的数据，单片机会将之存在RXB0D0～RXB0D7这8个寄存器中，随后判断这次数据是否是单包数据，或者是多包数据的第几包，当单片机确认这次数据是单包数据或者多包数据的最后一包数据时，会将按照规定的分包重组协议进行数据重组，同时检验多包数据是否完整，如果检测正常，会将重组后的数据转存到Modbus数据发送缓存区，此时程序会对Modbus数据发送缓存区内的数据进行CRC校验，并将产生的16位CRC校验字段加在数据末尾^[42]。这就完成了一次CAN协议数据向Modbus数据的转换。如果Modbus数据长度大于8字节，则须根据分包重组协议对其进行分包，分包规则如下：

表1 分包规则

DATA0.0：数据场第一个数据最后一位，功能为分包标记，表明这帧报文是否是分包传输，0表示单包报文，1表示分包报文；

DATA1.X：数据场第二个数据，当DATA0.0＝0时，该DATA1字节为报文正常传输的数据；当DATA0.0＝1时，该DATA1字节为分包属性字节，其中DATA1.7-1.6为分包属性，00表示第一分包，01表示中间分包，10表示最后分包；DATA1.5-1.0为分包索引，表明该帧报文的序号，如果是第N包，该索引序号就是N。举例说明如下：

表2 索引序号

随后，将RS485驱动模块的DE管脚置位，也就是将单片机的RD0置位，使能485驱动模块发送功能，然后启动单片机的USART异步串行数据发送，将转换得到的Modbus发送缓存区中的数据发出。最后返回CAN数据接收判断。

第二部分如图4所示，首先进行USART初始化，主要是设置串行传输的方式，校验方式，波特率等，并且将RS485驱动模块的DE管脚复位，也就是将单片机的RD0复位，使能485驱动模块接收功能。然后打开USART接收中断。

USART中断服务程序中采用不限长Modbus数据接收，不限定Modbus数据的长度，也不用规定起始字节或者结束字节^[46]。这种程序设计的目的是为了使设备具有更好的通用性，适用于各种Modbus设备的通信。

在USART初始化完毕后，程序会查询是否接收到Modbus数据，如果此时有Modbus通信数据传入，则接收此次Modbus数据，将接受到的Modbus数据存入Modbus数据接收缓存区，然后对存入缓存区的数据进行CRC校验，

第三部分，当监测到配置按键被按下，则微控制器进入配置模式。在配置模式中，用户可以使用配置软件打开PC端串口连接本实用新型转换器，对转换器的通信参数及通信模式进行选择，微处理器将用户选择后的参数储存在EEPROM中，供下次上电后使用。

(实施例2、协议转换模块)

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：所示指示单元还包括液晶显示屏和调试按钮。

(实施例3、智能断路器)

图5至图7显示了本发明中智能断路器的一种具体实施方式，其中图5是本发明中智能断路器第一种结构的一种立体结构示意图，图6是图5所示智能断路器中协议转化模块的一种立体结构示意图；图7是图6所示协议转化模块从另一角度观察时的一种立体结构示意图。

本实施例是采用上述实施例2制成的一种智能塑壳断路器，见图5至图7，包括塑壳断路器本体1、远程动作执行机构(位于上盖之内，图上未画出)和实施例1所述的协议转换模块2；塑壳断路器本体包括底座11和上盖12。

协议转换模块2包括液晶显示屏21、调试按钮22和两个指示灯23(电源接口和拨码开关的结构位置设计属于本领域人员的公知常识，故图上未画出)；所述塑壳断路器本体的上盖包括面板121和侧壁122，该面板和侧壁上设有一个缺口123，所述协议转换模块位于该缺口中。所述侧壁在缺口两侧设有两个导向滑块13，所述协议转换模块的壳体的两侧各设有一个导向滑槽24，所述协议转换模块从侧壁的外侧从外向内插入所述缺口中，所述导向滑块13位于导向滑槽24中。在具体实践中，所述导向滑块13和导向滑槽24的形状和具体位置可以变换，但都属于本发明的保护范围之内。

本实施例中的液晶显示屏不仅可以用于显示工作状态，还可以通过调试按钮对其进行数据预设、调整和查看，有效拓宽其应用范围。

所述协议转换模块位于上盖内侧的一侧端设有Modbus通信接口26，所述协议转换模块的另一侧端露出上盖的侧壁，并与侧壁相平，且该侧端设有Can通信接口27。

本实施例中，所述上盖内固定设有一个Modbus通信插接端子，当所述协议转换模块在导向滑块的限位作用下插入缺口时，其内侧的Modbus通信接口插入该Modbus通信插接端子中。本实施例中的协议转换模块上还设有定位插销25，各定位插销可伸缩的设置在协议转换模块壳体上，所述上盖内或侧壁上设有与各定位插销相配合的定位孔，当各定位插销缩进时，其底部插入相应的定位孔中，从而把协议转换模块定位在缺口中。再按一次各定位插销后，定位插销则从定位孔中弹出，从而可以拆卸该协议转换模块。

(实施例4、智能断路器)

图8至图10显示了本发明中智能断路器的另一种具体实施方式，其中图8是本发明中智能断路器第二种结构的一种立体结构示意图，图9是图8所示智能断路器中协议转化模块的一种立体结构示意图；图10是图9所示协议转化模块从另一角度观察时的一种立体结构示意图。

本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：见图8至图10，所述协议换转模块的外侧端伸出上盖侧壁，且伸出上盖侧壁部分壳体的各侧端均设有Can通信接口27，这是因为，如果像实施例3那样，把外接Can通信插接端子沿着与上盖侧壁垂直的方向插入，那么相邻的电器必须为此让出空间；本实施例的这种结构可以使得外接Can通信插接端子可以沿着与上盖侧壁平行的方向插入Can通信接口27，从而减小整体占用空间。另外，本实施例中的定位插销25也随之调整了位置。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有Can与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和Can与Modbus的协议转换模块；塑壳断路器本体包括底座和上盖；所述Can与Modbus的协议转换模块包括内嵌CAN控制器的MCU，与MCU相连的RS485驱动模块、DC/DC双隔离稳压电源、光耦，与光耦和DC/DC双隔离稳压电源相连的CAN驱动模块，所述DC/DC双隔离稳压电源还与RS485驱动模块相连；Can与Modbus的协议转换模块包括液晶显示屏、调试按钮和两个指示灯；所述塑壳断路器本体的上盖包括面板和侧壁，该面板和侧壁上设有一个缺口，所述Can与Modbus的协议转换模块位于该缺口中；所述侧壁在缺口两侧设有两个导向滑块，所述Can与Modbus的协议转换模块的壳体的两侧各设有一个导向滑槽，所述Can与Modbus的协议转换模块从侧壁的外侧从外向内插入所述缺口中，所述导向滑块位于导向滑槽中；所述Can与Modbus的协议转换模块位于上盖内侧的一侧端设有Modbus通信接口，所述Can与Modbus的协议转换模块的另一侧端露出上盖，且该侧端设有Can通信接口；所述上盖内固定设有一个Modbus通信插接端子，当所述Can与Modbus的协议转换模块在导向滑块的限位作用下插入缺口时，其内侧的Modbus通信接口插入该Modbus通信插接端子中；Can与Modbus的协议转换模块上还设有定位插销，各定位插销可伸缩的设置在Can与Modbus的协议转换模块壳体上，所述上盖内或侧壁上设有与各定位插销相配合的定位孔，当各定位插销缩进时，其底部插入相应的定位孔中，从而把Can与Modbus的协议转换模块定位在缺口中；按一次各定位插销后，定位插销则从定位孔中弹出，从而可以拆卸该Can与Modbus的协议转换模块。