CN103135483A - Profibus与Modbus的协议转换模块和智能断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Profibus与Modbus的协议转换模块和智能断路器，该协议转换模块包括包括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Profibus通信接口。该断路器包括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Profibus总线对Modbus设备进行实时监测和控制。

Description

Profibus与Modbus的协议转换模块和智能断路器

技术领域

本发明属于智能断路器技术领域，具体涉及一种Profibus与Modbus的协议转换模块和智能断路器。

背景技术

PROFIBUS是过程现场总线的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。其中PROFIBUS-DP应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯；PROFIBUS-PA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域；PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，它是令牌结构的实时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。

相比于Profibus，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Profibus协议转换的过渡产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用户可以通过Profibus总线对Modbus设备进行实时监测和控制的协议转换模块。

本发明的另一个目的是提供使用户可以通过Profibus总线对其进行实时监测和控制的智能断路器。

实现本发明第一个目的的技术方案是：一种Profibus与Modbus的协议转换模块，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Profibus通信接口。

上述方案中，所述是PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。

上述方案中，还包括两路隔离的+5V直流电源，其中一路供给MCU中央处理单元和隔离型RS485收发芯片，另一路供给Profibus总线收发模块。

上述方案中，所示指示单元包括液晶显示屏和调试按钮。

实现本发明第二个目的的技术方案是：一种具有Profibus与Modbus的协议转换模块的智能断路器，包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和Profibus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Profibus与Modbus的协议转换模块包括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Profibus通信接口。

上述方案中，所述是PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。

上述方案中，还包括两路隔离的+5V直流电源，其中一路供给MCU中央处理单元和隔离型RS485收发芯片，另一路供给Profibus总线收发模块。

上述方案中，所示指示单元包括液晶显示屏和调试按钮；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Profibus与Modbus的协议转换模块位于该缺口中。

上述方案中，所述Profibus与Modbus的协议转换模块位于上盖内侧的一侧端设有Mudbug通信接口，所述Profibus与Modbus的协议转换模块的另一侧端露出上盖，且该侧端设有Profibus通信接口。

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Profibus与Modbus的协议转换模块，使得使用者可以通过Profibus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另一种电路原理图；

图4是图1所示协议转换模块的主程序流程图；

图5是图1所示协议转换模块的初始化程序流程图；

图6是图1所示协议转化模块的输入数据中断服务程序流程图；

图7是图1所示协议转化模块的SPC3中断服务程序流程图；

图8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；

图11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12是图11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13是图12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7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另一种电路原理图；图4是图1所示协议转换模块的主程序流程图；图5是图1所示协议转换模块的初始化程序流程图；图6是图1所示协议转化模块的输入数据中断服务程序流程图；图7是图1所示协议转化模块的SPC3中断服务程序流程图。

本实施例是一种Profibus与Modbus的协议转换模块，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、PROFIUBS接口芯片，依次与PROFIUBS接口芯片相连的隔离型RS485收发芯片和Profibus通信接口、以及两路隔离的+5V直流电源，其中一路供给MCU中央处理单元和隔离型RS485收发芯片，另一路供给Profibus总线收发模块。传统上，转换模块在现场应用中一般采用现场总线的24V电源来供电，这个电源是不稳定电源，而且存在诸多干扰，所以本实施例不将其直接接入转换模块，而是经过稳压及隔离后再接入。

本实施例中，MCU中央处理单元中的MCU微处理器，采用具有ISP功能的W77系列芯片。W77E516芯片功能强大，64KB，具有ISP功能的Flash EPROM区，4KB的辅助FlashEPROM区，3个16位定时/计数器、可编程看门狗定时器。W77E516的ISP功能，方便开发人员对焊接好的电路板进行调试程序。

由于PROFIBUS的通信协议比较复杂，为了降低开发难度，本实施例使用专用的通信处理芯片SPC3，来将复杂的协议完全撇开，这种设计相比传统的MCU再加上纯软件的设计方法而言，大大的使设计简化，同时也使PROFIBUS协议的实现更加简单、方便、省时、省力，增加了系统的可靠性。SPC3集成了完整的PROFIBUS DP协议，同时支持Intel 80C31，80X86，Siemens 80c166/165/167，Motorola HC11-，HC16-，HC916等类型的微处理器，RS485传输技术，其内部集成的1.5K双口RAM，进行DP通讯时，其会自动设定全部DP-SAP，SPC3具有公共的中断输出，任何时候都可在状态寄存器扫描MAC状态；看门狗定时器运行于3个不同状态：波特率搜索、波特率控制和DP控制；SPC3自动识别波特率，从9.6K到最大传输速率12Mbit/s；微顺序(MS)控制全过程^[56-59]；在UART控制下，将并行数据流转换为串行数据流，或相反。空闲(idle)定时器直接控制在串行总线上的总线等待时间。选择该芯片不仅使设计简单化，分担了MCU的大量工作，同时大大降低了开发难度，节省开发时间，保证了系统的稳定性。

由于在工业现场中Profibus端的传输速率远高于Modbus端的速率、且传输的数据量较大，因此需要扩展一个RAM做成SRAM存储单元。

由于Profibus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Profibus总线转换。同理，从Profibus总线接收到的下行数据中，SPC3会对Profibus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。

为了使用户可视的看到数据的通信，设计两个指示灯作为本实施例的指示单元，一个指示从Profibus到Modbus的下行数据通信；另一个指示从Modbus到Profibus的上行通信。

下面对本实施例的具体方案做进一步的解释说明。

见图2和图3所示，本实施例包括MCU，光电隔离、拨码开关以及DC\DC模块等

RS485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与DE相连，然后再接到华邦单片机的P4.3引脚上，在软件中通过对P4.3的置位和复位来控制6LB184来进行数据的收和发。

Profibus总线驱动模块采用ADI公司的磁隔离技术的隔离型RS485收发芯片AMD2486，其内部集成了三通道的数字隔离器、带三态输出的差分驱动器和一个带三态输入的RS485差分接收器，同时其具有限流和过热关断特性，并防止出现由于总线争用而引起的功耗过大的情况，集成的热关断电路可将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。无需任何分立元件就可实现RS485通讯功能^[60，61]。AMD2486的引脚TxD，RxD以及RTS分别接到SPC3的TxD，RxD及RTS引脚上。

硬件设计中还包含了DC\DC电源部分的设计，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，Profibus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的电源模块和一个单独输出+5V的直流电源模块^[62]。因此，本转换器选用了金升阳公司的WRD240505S-1W和IB0505LD-W75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。

为了降低开发难度，本设计选择了西门子公司的SPC3芯片，该芯片集成了完整的Profibus-dp协议，其对于MCU而言，就是MCU扩展的一个外部RAM，而且，SPC3有内部地址解码电路，所以，AB8-AB10接地。此时DB7-DB0是数据地址复用总线与MCU的P0.0-P0.7相连，可以产生低8位的数据和地址，高4位地址由AB0-AB3产生，AB4-AB7产生SPC3的片选信号，只有AB4-AB7同时为0时才选中SPC3(AB0AB7与MCU的P2.0-P2.7相连，其中P2.4取反后与AB4相连)。

由于在工业现场中Profibus端的传输速率远高于Modbus端的速率、且传输的数据量较大，因此需要扩展一个RAM。本设计选用ISSI的IS65C256AL，其是32K、8位静态RAM，同时还需要一个移位锁存器。为了方便用户对转换器进行地址设置，需要一个拨码开关，对应需要一个移位寄存器，本设计选择的移位寄存器为MC74HC165A。

由于SPC3集成了完整的DP协议，所以在与主站通信时，W77E516不用参与处理DP状态机。它主要负责存储和处理主站送来的数据，以及组织从站送往主站的数据^[63-67]。SPC3实质上是主站与从站间的通讯站，即就是将主站发来的数据包解开发送给从站，并将从站送来的数据打包发送给主站。(其中输入、输出是相对PROFIBUS主站而言的)。

系统的软件设计主要包括：W77E516单片机的主程序设计、SPC3的初始化程序设计、输入数据中断服务程序、SPC3中断服务程序。

数据输出处理及用户诊断数据输入可以放在主应用程序的循环中。而SPC3在接收到由PROFIBUS主站传送的不同输出数据时，会产生输出标志位，CPU通过在应用循环中轮询标志位来进行接收主站数据。对于特定应用的诊断信息，需要实时传递到主站^[61-64]。主应用程序在应用循环中判断是否有可用的诊断BUF存在，一有空闲BUF时应用程序输入诊断信息，并请求更新。主程序流程图如图4所示。

其中，将主站输出的数据转换为modbus协议数据时，主要是为主站输出数据添加CRC校验字段，然后启动RS485发送使能，即置位DE管脚(单片机P4.3管脚)，将数据发送给用户产品。

SPC3的初始化程序应放在应用程序主循环的前面，SPC3初始化包括设置SPC3允许的中断、写入从站识别号和地址、设置SPC3方式寄存器、设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区和初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针^[65，66]。然后根据传输的数据长度确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针。SPC3的初始化程序如图5所示。

数据输入处理放在输入数据中断服务程序中，利用单片机的串口通信中断，将从站送来的数据重新转换为PROFIBUS协议发送给主站。在一个应用循环中，由应用来刷新输入BUF中的数据，保证所有输入数据是最新的更新数据^[67]。其程序流程图如图6所示。

SPC3中断服务程序则用于处理SPC3发生的各种事件：新的参数报文事件；全局控制命令报文事件；进入或退出数据交换状态事件；新的配置报文事件；新的地址设置报文事件；监测到波特率事件和看门狗溢出事件^[68，69]。其程序流程图如图7所示。

(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8至图10显示了本发明中智能断路器的一种具体实施方式，其中图8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。

本实施例是采用上述实施例2制成的一种智能塑壳断路器，见图8至图10，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Mudbug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Profibus通信接口27。

本实施例中，所述上盖内固定设有一个Mudbug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Mudbug通信接口插入该Mudbug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11至图13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11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12是图11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13是图12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11至图13，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Profibs通信接口27，这是因为，如果像实施例3那样，把外接Profibus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Profibus通信插接端子可以沿着与上盖侧壁平行的方向插入Profibus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 (9)

1.一种Profibus与Modbus的协议转换模块，其特征在于：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Profibus通信接口。

2.根据权利要求1所述的Profibus与Modbus的协议转换模块，其特征在于：所述是PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS DP接口芯片。

3.根据权利要求1所述的Profibus与Modbus的协议转换模块，其特征在于：还包括两路隔离的+5V直流电源，其中一路供给MCU中央处理单元和隔离型RS485收发芯片，另一路供给Profibus总线收发模块。

4.根据权利要求1所述的Profibus与Modbus的协议转换模块，其特征在于：所示指示单元包括液晶显示屏和调试按钮。

5.一种具有Profibus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Profibus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Profibus与Modbus的协议转换模块包括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Profibus通信接口。

6.根据权利要求5所述的具有Profibus与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：所述是PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS DP接口芯片。

7.根据权利要求5所述的具有Profibus与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：还包括两路隔离的+5V直流电源，其中一路供给MCU中央处理单元和隔离型RS485收发芯片，另一路供给Profibus总线收发模块。

8.根据权利要求5所述的具有Profibus与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：所示指示单元包括液晶显示屏和调试按钮；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Profibus与Modbus的协议转换模块位于该缺口中。

9.根据权利要求8所述的具有Profi bus与Mudbug的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：所述Profibus与Modbus的协议转换模块位于上盖内侧的一侧端设有Mudbug通信接口，所述Profibus与Modbus的协议转换模块的另一侧端露出上盖，且该侧端设有Profibus通信接口。

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