CN103152236A

CN103152236A - Modbus与TCP的协议转换模块和智能断路器

Info

Publication number: CN103152236A
Application number: CN2012105899908A
Authority: CN
Inventors: 叶海武; 黄章武; 包志舟; 佘定辉; 洪青松
Original assignee: PEOPLE ELECTRICAL APPLIANCES GROUP CO Ltd
Current assignee: PEOPLE ELECTRICAL APPLIANCES GROUP CO Ltd
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103152236B

Abstract

本发明公开了一种TCP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模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。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TCP总线对Modbus设备进行实时监测和控制。

Description

Modbus与TCP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Modbus与TCP的协议转换模块和智能断路器。

背景技术

传统工业控制中，单片机之间、单片机与计算机之间的通讯一直采用RS-232或RS-485串行通讯机制来实现。但是随着生产规模的扩大、工控节点的增多、数据传输量的增大以及控制复杂度要求的提高，就不再适合使用串行通讯机制进行网络通信，这是因为串行通讯机制存在着一定的缺陷。串行通讯的数据传输率较低它的节点轮询控制机制实时性较差随着控制复杂度的提高及节点数目的增多，系统可靠性下降较快。

TCP/IP是当前应用最广泛的网络协议体系，它有成熟的标准通信协议和完善的体系结构，能将各种异构计算机系统互联，保证数据传输的可靠性。

采用集成了TCP/IP协议的单片机作为工控节点优势显著。TCP/IP的成熟协议保证了通讯的可靠性；只需遵循标准协议进行开发，而无需另外设计通信协议；基于以太网的TCP/IP网络可以达到10/100Mbps的传输速率，提高了系统实时性；在微控制器芯片上均可实现TCP/IP协议系统；以太网星型拓扑结构保证了各节点的独立性和系统的整体稳定性。

综TCP/IP软件栈，它服务于标准的、基于TCP/IP的应用程序，或者使用在定制的、基于TCP/IP的应用程序中。本应用系统使用的是该协议栈的4.02版本。类似于TCP/IP参考模型，TCP/IP协议栈将TCP/IP协议栈分为多层。每层的实现代码驻留在一个独立的源文件中，而服务和应用程序编程接口(API)是通过头文件或包含文件定义的。

TCP/IP协议栈中的许多层可以直接访问在它下面的一层或多层。关于一个层是否绕过相邻模块来获得所需的服务，主要根据开销的大小，以及服务是否需要智能处理后才能传递到下一层来决定^[33]。与传统TCP/IP协议栈实现方法的不同之处是，添加了2个新模块——StackTask和ARPTask。StackTask管理协议栈及其所有模块的操作，而ARPTask管理地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)层的服务。

TCP/IP协议栈使用了协同式多任务处理技术。在协同式多任务处理系统中同时存在多个任务，每个任务执行自己的作业然后交回控制权，这样下一个任务才能够执行作业。StackTask和ARPTask都是协同式任务。通常，协同式多任务处理(或任何其他类型的多任务处理)是由操作系统或主应用程序自身来实现的。TCP/IP协议栈被设计为独立于任何操作系统，可实现它自己的协同式多任务处理系统。因此，它可以被应用在任何系统中，而不论该系统是否为多任务操作系统。但是，使用TCP/IP协议栈的应用程序自身必须使用协同式多任务处理方法。

相比于TCP，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TCP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TCP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TCP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TCP与Modbus的协议转换模块，包括MCU模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。

上述方案中，通信状态指示模块包括信号上行指示灯和信号下行指示灯。

上述方案中，通信状态指示模块还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：一种智能断路器，包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和TCP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TCP与Modbus的协议转换模块包括MCU模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。

上述方案中，所述PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。

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TCP与Modbus的协议转换模块，使得使用者可以通过TCP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参数平配置程序流程图；

图5是图1所示协议转化模块的TCP通信实现流程图；

图6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7是图6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8是图7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9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10是图9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11是图10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5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参数平配置程序流程图；图5是图1所示协议转化模块的TCP通信实现流程图。

本实施例是一种TCP与Modbus的协议转换模块，包括MCU模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。通信状态指示模块包括信号上行指示灯和信号下行指示灯。

本实施例中，使用内嵌MAC和PHY层的以太网芯片。与双芯片，三芯片实现方案相比，由飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12NE64的单芯片解决方案，不仅减少了所需要的外部器件的数量，降低了系统开销，增加了系统的稳定性；而且更有吸引力的是它能帮助客户缩短产品设计开发时间，加上可以立即使用的免费协议栈，更能帮助客户节省开发费用。

所述的协议转换器硬件以MCU为核心器件，利用RS485收发芯片及RS485插拔端子实现与Modbus网络的连接，利用以太网数据泵及RJ45插座实现与工业以太网的连接，其他模块相互配合使两种网络信息相通。

所述的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，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。

所述的电源模块，包括DC24V变DC5V隔离电源、DC3.3V稳压芯片和稳压滤波电路，采用隔离电源和稳压芯片两级配合的方式为MCU模块和RS485串行接口模块供电，提高电源模块的带负载能力和供电的稳定性。

所述的通信状态指示模块，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，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。

所述的复位及晶振电路，选用25.000M晶振为单片机提供所需主时钟频率，利用单片机内部自带上电复位模块及软件复位模块实现单片机的自动复位和手动复位。

所述以太网网络变压器为伍尔特公司生产的型号为749010012的数据泵，其中从理论上来说，这个变压器是可以不需要接的，将MCU模块直接接到RJ45上，但是如果不接网络变压器，传输距离受到限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响，外部对芯片的干扰很大。为减少干扰，在PHY芯片和RJ45之间使用以太网网络变压器进行连接，主要有三个作用，一是传输数据，它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；二是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备；三是使芯片端与外部隔离，增强抗干扰能力，并且起到一定的防雷保护作用。

所述外扩存储器模块为EEPROM，用于存储串口参数及以太网参数。

所述485串口收发芯片选用带有瞬态电流抑制功能的芯片MAX3483，适用于Modbus采用的基于RS485标准的差分传输，节省成本及布线空间。

所述RJ45网络插座又称水晶头，共有八芯做成，被广泛应用于局域网和ADSL宽带上网用户的网络设备间网线的连接。

为将带有Modbus通信接口的只能设备联入以太网，通过以太网监控软件实现遥控、遥测、遥信、遥感的功能，本软件采用透明传输理念，即建立OpenTCP协议栈，将Modbus数据帧嵌入到以太网数据帧中进行传输。其工作方法如下：

1、协议转换器上电后，进行中断初始化，包括开关总中断等，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；串口及以太网初始化，包括串口及以太网各参数设置；主芯片初始化，包括时钟初始化、计时器初始化等；

2、建立TCP/IP协议栈；

3、判断以太网端是否收到数据，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，本实用新型把收到以太网数据帧中包含Modbus PDU的数据提取出来，按照Modbus数据帧格式发送给下行智能设备；

4、判断Modbus端是否收到数据，如果Modbus端收到数据，则启动Modbus转以太网模块，把Modbus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；

5、判断是否触发参数配置中断，如果触发了此中断，则进入配置模式，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。

(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6至图8显示了本发明中智能断路器的一种具体实施方式，其中图6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7是图6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8是图7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6至图8，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TCP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9至图11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9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10是图9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11是图10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9至图11，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TCP通信接口27，这是因为，如果像实施例3那样，把外接TCP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TCP通信插接端子可以沿着与上盖侧壁平行的方向插入TCP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

1.一种TCP与Modbus的协议转换模块，其特征在于：包括MCU模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。

2.根据权利要求1所述的TCP与Modbus的协议转换模块，其特征在于：通信状态指示模块包括信号上行指示灯和信号下行指示灯。

3.根据权利要求2所述的TCP与Modbus的协议转换模块，其特征在于：通信状态指示模块还包括液晶显示屏和调试按钮。

4.一种智能断路器，其特征在于：包括塑壳断路器本体、远程动作执行机构和TCP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TCP与Modbus的协议转换模块包括MCU模块，与MCU模块相连的外扩存储器、通信状态指示模块、复位及晶振电路、以太网网络变压器、485串口收发芯片、DC5V-DC3.3V直流电源转换模块，与485串口收发芯片相连的RS485端子，与以太网网络变压器连接的RJ45接口，与DC5V-DC3.3V直流电源转换模块相连的DC24V-DC5V直流电源转换模块。

5.根据权利要求4所述的智能断路器，其特征在于：所述是PROFIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。

6.根据权利要求5所述的具有TCP与Modbus的协议转换模块的智能断路器，其特征在于：通信状态指示模块包括信号上行指示灯和信号下行指示灯。

7.根据权利要求6所述的智能断路器，其特征在于：通信状态指示模块还包括液晶显示屏和调试按钮。