CN103401866B - 一种PowerLink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PowerLink工业以太网到Profibus‑DP现场总线的转换装置，其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物理层收发器组成。基于ARM与纯软件Profibus‑DP协议栈，采用PowerLink从站与Profibus‑DP主站相结合的方式，将Profibus‑DP设备接入PowerLink网络中。本发明采用软件协议栈加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PowerLink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PowerLink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/O通信的PROFIBUS-DP是市场占有率绝对领先的技术。
PowerLink是一个可以在普通以太网上实现的方案，无需ASIC芯片，用户可以在各种平台上实现POWERLINK，如FPGA、ARM、x86CPU等，只要有以太网的地方，就可以实现POWERLINK。
PowerLink公开了所有的源码，任何人都可以免费下载和使用，不会被垄断。该协议的全开放性、高实时性和易于实现等优点，使它比其他很多受商业利益驱使的协议发展更快，受到众多第三方产品厂商、终端用户和系统集成商的广泛支持，是现有的工业以太网标准中非常有前景的一种工业以太网技术。
PowerLink与Profibus-DP分别作为工业以太网领域与现场总线领域非常有前景的两种标准，它们之间的协议转换装置无疑是工业控制系统中极为需要的。
现有的PowerLink与Profibus-DP的转换装置采用PowerLink从站与Profibus-DP主站结合的方式，虽然可以将Profibus-DP设备接入PowerLink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，尚未见到使用纯软件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，但是成本较高，且硬件也相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，发明一种既可靠又能大幅降低成本与功耗的PowerLink工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置。
为实现本发明发明的目的，采取的技术方案如下：
一种PowerLink工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控芯片、以太网物理层收发器和Profibus-DP物理层收发器，其特征在于：
所述主控芯片采用基于ARM Cortex-M3构架的STM32F107VCT，且自带高速的UART口；
所述以太网物理层收发器采用NS公司的DP83848CVV；
所述Profibus-DP物理层收发器采用TI公司支持Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ISO1176T，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Profibus-DP物理层收发器的收发芯片ISO1176T连接，所述收发芯片ISO1176T负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平；主控芯片CPU通过MII接口与以太网物理层收发器DP83848CVV连接，所述DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号；
主控芯片CPU嵌入PROFIBUS协议栈、PowerLink协议栈和嵌入式操作系统FreeRTOS，由操作系统FreeRTOS对两个任务进行消息队列管理，实现以太网和PROFIBUS-DP之间的数据交换：当系统对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程控制时，以太网物理层收发器DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控芯片CPU，主控芯片CPU按照PowerLink协议进行解包处理，之后把处理过的数据再按照PROFIBUS协议打包通过收发芯片ISO1176T送到PROFIBUS-DP现场总线上；当系统对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程监听时，ISO1176T把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控芯片CPU，CPU按照PROFIBUS协议进行解包处理后，将数据按照PowerLink协议重新打包通过DP83848CVV送到以太网。
本发明优点在于：
1)实现Profibus-DP主站协议采用软件协议栈加物理层收发器的方式，硬件结构简单，成本只有使用Profibus主站通信模块或者通信芯片的十几分之一。
2)主控CPU采用主频高达72Mhz的Cortex-M3构架32位单片机 STM32F107VCT，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为本发明PowerLink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，结合优选实例对本发明的技术方案进一步详细说明。
如图1所示，一种PowerLink工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控芯片、以太网物理层收发器和Profibus-DP物理层收发器。
所述主控芯片采用基于ARM Cortex-M3构架的STM32F107VCT，且自带高速的UART口；所述以太网物理层收发器采用NS公司的DP83848CVV；所述Profibus-DP物理层收发器采用TI公司兼容Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ISO1176T，该芯片不仅可以实现Profibus-DP物理层功能，而且还在片内集成了磁隔离。主控芯片CPU通过UART口与Profibus-DP物理层收发器的收发芯片ISO1176T连接，所述收发芯片ISO1176T负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平；主控芯片CPU通过MII口与以太网物理层收发器DP83848CVV连接，所述DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号。
主控芯片CPU嵌入PROFIBUS协议栈、PowerLink协议栈和嵌入式操作系统FreeRTOS，由操作系统FreeRTOS对PROFIBUS协议栈和PowerLink协议栈两个任务进行消息队列管理，实现以太网和PROFIBUS-DP之间的数据交换：当上位机对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程控制时，上位机将包含控制信息的数据帧发送到以太网，以太网物理层收发器DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控芯片CPU，主控芯片CPU按照PowerLink协议对数据进行解包处理，之后把处理过的数据再按照PROFIBUS协议打包通过收发芯片ISO1176T送到PROFIBUS-DP现场总线上，PROFIBUS-DP设备再获取控制信息进行相应的控制操作；当上位机对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程监听时，PROFIBUS-DP设备将自身的状态信息发送到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP物理层收发器ISO1176T把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控芯片CPU，CPU按照PROFIBUS协议进行解包处理后， 将数据按照PowerLink协议重新打包通过DP83848CVV送到以太网，再由上位机读取处理。
本发明的具体应用场景如图2所示，本协议转换装置对于带有PowerLink主站功能的上位机或者PLC来说，是一个PowerLink的从站；本协议转换装置对于Profibus-DP从站设备来说，是一个Profibus-DP的主站。本协议转换装置接收PowerLink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。
本发明的转换装置工作原理如图3所示，主控芯片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PowerLink协议栈，两个协议栈各作为一个任务运行。在本发明的转换装置开始数据传输任务调度之前，首先初始化主控芯片CPU中的Profibus-DP协议栈与PowerLink协议栈，然后等待上位机通过PowerLink协议对网关进行必要的配置（如Profibus-DP主站相关的通信参数等）。当配置完毕后，启动主控芯片CPU中操作系统的任务调度器，Profibus-DP与PowerLink两个协议栈各自开始运行。当主控芯片CPU中PowerLink协议栈通过以太网物理层收发器DP83848CVV接收到来自上位机的控制命令时，PowerLink协议栈将所接收到的数据打包后通过主控芯片CPU中操作系统提供的消息队列服务传递给CPU中Profibus-DP协议栈，由Profibus-DP协议栈再通过PROFIBUS-DP物理层收发器ISO1176T发送给接入转换装置的Profibus-DP从站设备。同时，当主控芯片CPU中Profibus-DP协议栈通过PROFIBUS-DP物理层收发器ISO1176T接收到Profibus-DP从站设备反馈的数据后，也会将数据打包后通过主控芯片CPU中操作系统提供的消息队列服务传送给CPU中PowerLink协议栈，PowerLink协议栈收到消息后，会更新自己维持的CPU内部寄存器，以供PowerLink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PowerLink工业以太网到Profibus-DP现场总线的转换装置，包括主控芯片、以太网物理层收发器和Profibus-DP物理层收发器，其特征在于：
所述主控芯片采用基于ARM Cortex-M3构架的STM32F107VCT，且自带高速的UART口；
所述以太网物理层收发器采用NS公司的DP83848CVV；
所述Profibus-DP物理层收发器采用TI公司支持Profibus-DP标准的隔离型RS485收发芯片ISO1176T，该收发芯片不仅可以实现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Profibus-DP物理层收发器的收发芯片ISO1176T连接，所述收发芯片ISO1176T负责将UART口的电平信号转换为Profibus-DP标准要求的RS485电平；主控芯片CPU通过MII接口与以太网物理层收发器DP83848CVV连接，所述DP83848CVV负责将主控芯片的MII信号转换为以太网的电平信号；
主控芯片CPU嵌入PROFIBUS协议栈、PowerLink协议栈和嵌入式操作系统FreeRTOS，由操作系统FreeRTOS对PROFIBUS协议栈和PowerLink协议栈两个任务进行消息队列管理，实现以太网和PROFIBUS-DP之间的数据交换：当上位机对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程控制时，以太网物理层收发器DP83848CVV负责把从以太网接收的数据帧发送给主控芯片CPU，主控芯片CPU按照PowerLink协议进行解包处理，之后把处理过的数据再按照PROFIBUS协议打包通过收发芯片ISO1176T送到PROFIBUS-DP现场总线上；当上位机对PROFIBUS-DP现场总线设备进行远程监听时，ISO1176T把从PROFIBUS-DP现场总线接收的数据发给主控芯片CPU，CPU按照PROFIBUS协议进行解包处理后，将数据按照PowerLink协议重新打包通过DP83848CVV送到以太网。
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