CN103401772A - 一种ETHERNET/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置 - Google Patents
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Abstract
一种ETHERNET/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置。硬件部分主要由带有高速UART口的主控芯片、以太网物理层收发器和Profibus-DP物理层收发芯片组成。基于ARM与纯软件Profibus-DP协议栈，采用ETHERNET/IP从站与Profibus-DP主站相结合的方式，将Profibus-DP设备接入ETHERNET/IP网络中。本发明采用软件协议栈+物理层收发器的方式实现Profibus-DP主站协议，不仅硬件结构简单，而且成本低廉；采用嵌入式实时操作系统作为操作系统平台，极大提高了协议转换的效率，可以很好地满足现场总线、工业以太网的高实时性要求。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化技术领域，涉及一种ETHERNET/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，特别涉及一种基于ARM平台与纯软件Profibus-DP协议栈的ETHERNET/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线转换装置。
背景技术
工业测控系统主要用于完成远程现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。应用现场总线技术、工业以太网技术等，可实现测控系统的网络化，提高系统的性能和开放性，因此在工业控制系统的具体应用中，经常会产生现场总线到工业以太网协议转换的需求。
在现有的各种现场总线标准中，PROFIBUS现场总线是一种比较流行的现场总线标准。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS三个兼容版本，其中，用于设备级控制和分散式I/0通信的PROFIBUS-DP是市场占有率绝对领先的技术。
Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。由Ethernet/IP工业以太网组成的系统具有系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强等优点。可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享。
Ethernet/IP与Profibus-DP分别作为工业以太网领域与现场总线领域应用非常广泛的两种标准，它们之间的协议转换装置无疑是工业控制系统中最为需要的。
现有的Ethernet/IP与Profibus-DP的转换装置大多是采用Profibus-DP从站与Ethernet/IP主站组合的方式，这种装置只能将Ethernet/IP从站设备接入到Profibus-DP网络中。而采用Ethernet/IP从站与Profibus-DP主站结合的方式，虽然可以将Profibus-DP设备接入Ethernet/IP网络中，但是其Profibus主站协议部分都是使用专门的Profibus-DP主站协议芯片或者专门的Profibus-DP通信模块实现的，尚未见到使用纯软Profibus-DP协议栈的解决方案。使用专门的芯片或者模块，虽然开发周期短，但是成本高，硬件相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，公开一种既不降低可靠性又能大幅降低成本与功耗的Ethernet/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置。
为实现本发明的目的，采取的技术方案如下：
一种Ethernet/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控CPU、Profibus-DP接口芯片、以太网接口芯片PHY和对应的Profibus网络、以太网网络；其特征在于：
主控CPU采用ARM公司Cortex-M4构架的STM32F407VGT6，并且带有高速的UART口；
以太网接口芯片PHY采用NS公司的DP83848CVV；
Profibus-DP接口芯片采用AD公司兼容Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ADM2486，该芯片不仅可以实现Profibus-DP物理层功能，还在片内集成了磁隔离；
主控CPU通过UART口与所述收发芯片ADM2486连接,收发芯片ADM2486负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平，并通过MII口与以太网接口芯片PHY的DP83848CVV连接，DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号；主控CPU运行Profibus-DP协议栈、TCP/IP协议栈LwIP和嵌入式操作系统FreeRTOS，通过Profibus-DP接口芯片和以太网接口芯片PHY实现以太网和PROFIBUS-DP之间的数据交换。
当需要远程配置该设备时，DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控CPU，主控CPU进行解包处理，之后把处理过的数据打包通过ADM2486送到PROFIBUS-DP现场总线上；当需要远程监察功能时，ADM2486把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控CPU，主控CPU进行解包处理后将数据重新打包通过DP83848CVV送到以太网上。
本发明的优点在于：
1)实现Profibus-DP主站协议采用软件协议栈+物理层收发器的方式，硬件结构简单，成本只有使用Profibus-DP主站通信模块或者通信芯片的十几分之一。
2)主CPU采用主频高达168Mhz的Cortex-M4构架32位单片机STM32F407VGT6，并采用嵌入式实时操作系统作为操作系统平台，极大提高了协议转换的效率，可以很好地满足现场总线、工业以太网的高实时性要求；
附图说明
图1为本申请Ethernet/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线转换装置结构框图；
图2为本发明的具体应用场景示意图；
图3为本发明转换装置的原理图。
具体实施方式
下面根据说明书附图，结合优选实例对本实用新型的技术方案进一步详细说明。
如图1所示，一种Ethernet/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控CPU、Profibus-DP接口芯片、以太网接口芯片PHY和对应的Profibus网络、以太网网络。主控CPU是采用ARM公司Cortex-M4构架的STM32F407VGT6，并且带有高速的UART口；以太网接口芯片PHY采用NS公司的DP83848CVV；Profibus-DP物理层收发单元采用AD公司兼容Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ADM2486，该芯片不仅可以实现Profibus-DP物理层功能，还在片内集成了磁隔离；主控芯片CPU通过UART口与所述收发芯片ADM2486连接,收发芯片ADM2486负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平，并通过MII口与以太网物理层收发单元的DP83848CVV连接，DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号。
主控CPU中运行了PROFIBUS协议栈，TCP/IP协议栈LwIP和嵌入式操作系统FreeRTOS。由操作系统FreeRTOS对两个任务进行消息队列管理，实现以太网接口芯片PHY和Profibus接口芯片的数据交换。
当需要远程控制时，DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控CPU，主控CPU进行解包处理，之后把处理过的数据打包通过ADM2486送到PROFIBUS网络。当实现远程监察功能时，ADM2486把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控CPU，主控CPU进行解包处理后将数据重新打包通过DP83848CVV送到以太网上。
本发明的具体应用场景如图2所示，本转换装置对于带有Ethernet/IP主站功能的上位机或者PLC来说，是一个Ethernet/IP的从站，对于Profibus-DP从站设备来说，是一个Profibus-DP的主站，协议转换装置接收Ethernet/IP主站的数据与命令，然后将这些数据与命令转换为Profibus-DP协议的数据与命令，然后下发给下面的Profibus-DP从站设备。
本发明公开的协议转换器的工作原理如图3所示，主控CPU运行FreeRTOS嵌入式实时操作系统，在主控CPU中建立Profibus-DP协议栈与Ethernet/IP协议栈，两个协议栈各作为一个任务运行。开始执行上述两个任务之前，首先初始化Profibus-DP协议栈与Ethernet/IP协议栈，然后等待上位机通过以太网及以太网接口芯片PHY对Profibus-DP协议主站进行必要的配置（如Profibus-DP协议主站相关的通信参数等），当配置完毕后，启动操作系统的任务调度器，即开始执行Profibus-DP与Ethernet/IP两个协议栈对应的任务。当上位机通过以太网及以太网接口芯片PHY对Ethernet/IP协议栈发送更改Profibus-DP主站寄存器值的命令时，主控CPU所获得的更改寄存器的值打包后通过操作系统提供的消息队列服务传递给Profibus-DP任务，由Profibus-DP任务利用Profibus-DP接口芯片发送给接入转换装置的Profibus-DP协议从站。同时，当Profibus-DP协议主栈接收到从站反馈的数据后，也会将反馈数据打包通过消息队列服务传送给Ethernet/IP协议栈，进一步通过以太网以太网接口芯片PHY发送到上位机，Ethernet/IP协议栈收到消息后，会更新自己维持的寄存器，以供Ethernet/IP主站读取。
以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。
Claims (1)
1.一种Ethernet/IP工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控CPU、Profibus-DP接口芯片、以太网接口芯片PHY和对应的Profibus网络、以太网网络；其特征在于：
主控CPU采用ARM公司Cortex-M4构架的STM32F407VGT6，并且带有高速的UART口；
以太网接口芯片PHY采用NS公司的DP83848CVV；
Profibus-DP接口芯片采用AD公司兼容Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ADM2486，该芯片不仅可以实现Profibus-DP物理层功能，还在片内集成了磁隔离；
主控CPU通过UART口与所述收发芯片ADM2486连接,收发芯片ADM2486负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平，并通过MII口与以太网接口芯片PHY的DP83848CVV连接，DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号；主控CPU运行Profibus-DP协议栈、TCP/IP协议栈LwIP和嵌入式操作系统FreeRTOS，通过Profibus-DP接口芯片和以太网接口芯片PHY实现以太网和PROFIBUS-DP之间的数据交换。
当需要远程配置该转换装置时，DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控CPU，主控CPU进行解包处理，之后把处理过的数据打包通过ADM2486送到PROFIBUS-DP现场总线上；当需要远程监察功能时，ADM2486把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控CPU，主控CPU进行解包处理后将数据重新打包通过DP83848CVV送到以太网上。
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