CN103618657A - 一种RS485-Profibus PA总线转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RS485-Profibus PA总线转换器，ProfibusPA总线通过该RS485-Profibus PA总线转换器与RS485总线进行通信；该RS485-Profibus PA总线转换器包括MAU电路、PA隔离电路、FPGA芯片、处理器、隔离电路和RS485电路；MAU电路通过PA隔离电路与FPGA芯片相连；FPGA芯片与处理器相连；处理器通过隔离电路与RS485电路相连。本发明能有效实现PA总线至RS485总线的转换，扩展了Profibus PA产品的应用范围，总体成本低，且没有对专用芯片的限制，易于集成进各类需要与Profibus PA总线设备进行互联的控制设备。
Description
技术领域
本发明属于现场通信技术领域，具体涉及一种进行Profibus PA总线与RS485总线之间转换的设备。
背景技术
Profibus PA现场总线是以Profibus DP协议为基础的，面向分散式现场自动控制系统和现场设备间的单电缆通信系统。Profibus PA总线通信设备已经在烟草、制药、电力、冶金、造纸、水处理等工业领域得到了广泛的应用。但是Profibus PA总线设备需要通过DP/PA Linker或者DP/PA Coupler才能接入Profibus主站进行通信，而DP/PA Linker或者DP/PA Coupler设备全世界仅有西门子、倍加福等少数几个公司生产，并且只能接入Profibus主站系统，不能与其他接口的设备通信，限制了Profibus PA产品的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种使Profibus PA产品能够通过RS485接口与其它设备进行通信的设备。
为了达到上述目的，本发明提供了一种RS485-Profibus PA总线转换器，Profibus PA总线通过该RS485-Profibus PA总线转换器与RS485总线进行通信；本发明RS485-Profibus PA总线转换器包括：
MAU（媒体连接单元）电路，该MAU电路用于将Profibus PA总线上的调制信号转换为0-5V的TTL电平信号，或将0-5V的TTL电平信号转换成电流信号调制至Profibus PA总线上；
用于曼彻斯特编码或解码的FPGA芯片；
用于隔离MAU电路和FPGA芯片的PA隔离电路；
处理器，该处理器与FPGA芯片相连，用于将FPGA芯片解码的数据转换成RS485数据发出，或将接收的RS485数据发送至FPGA芯片进行曼彻斯特编码；
用于连接RS485总线的RS485电路；
用于隔离RS485电路和处理器的隔离电路。
本发明RS485-Profibus PA总线转换器还包括电源模块，该电源模块包括：
DC/DC隔离开关电源，该DC/DC隔离开关电源将输入的18-36V直流电源转换为24V直流电源；
滤波器，该滤波器与DC/DC隔离开关电源相连，用于对DC/DC隔离开关电源输出的24V直流电源进行高频干扰信号滤除；
阻抗调节电路，该阻抗调节电路与滤波器相连，用于将处理得到24V基准电压与Profibus PA总线调制信号进行叠加，进行输出阻抗调节；
滤波和输出保护电路，该滤波和输出保护电路与阻抗调节电路相连，用于滤除工作波特率在31.25Kbps以外的干扰信号。
对本发明的进一步改进在于： FPGA芯片采用Cyclone III 系列芯片；处理器采用飞思卡尔Cortex-M4系列芯片。
其中，隔离电路与RS485电路均为两路；处理器分别通过两路隔离电路与对应的RS485电路相连。
本发明相比现有技术具有以下优点：
（1）利用FPGA芯片进行曼彻斯特编解码，通过处理器将PA总线的通信数据转换为RS485数据，从而实现PA总线至RS485总线的转换，且由于RS485总线采用的通信协议简单、开放，可以方便的和各个厂家的设备互联，扩展了Profibus PA产品的应用范围。
（2）同时利用冗余的RS485通信接口，可以在某一路通信出现故障时，可靠稳定的进行切换。
（3）采用自主设计的PA总线电源模块，带有电源输出阻抗调节、滤波和输出保护电路，可靠性高，成本低。
（4）采用分离原件实现的媒体连接单元（MAU）电路，降低了成本，规避了采购风险。
（5）本发明RS485-Profibus PA总线转换器利用FPGA芯片实现符合IEC61158-2规范的曼彻斯特编码、解码、帧结构转换以及校验转换，可以使用verilog语言在各个FPGA厂商的平台上实现，而无需依赖于特定器件；同时利用处理器集成Profibus 主站功能，可以直接与Profibus PA总线进行通信，总体成本低，且没有对专用芯片的限制，易于集成进各类需要与Profibus PA总线设备进行互联的控制设备。
附图说明
图1为本发明RS485-Profibus PA总线转换器的结构框图；
图2为图1中阻抗调节电路的原理框图；
图3为图1中MAU电路的结构框图；
图4为图1中带有同步处理、起始帧（SOF）、结束帧（EOF）的特殊曼彻斯特解码逻辑的原理框图；
图5为图1中带有同步处理、起始帧（SOF）、结束帧（EOF）的特殊曼彻斯特编码逻辑的原理框图；
图6为图1中RS485-Profibus PA总线转换器进行RS485冗余通信切换的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明RS485-Profibus PA总线转换器进行详细说明。
如图1所示，本发明RS485-Profibus PA总线转换器由电源模块、媒体连接单元(MAU)电路、PA隔离电路、FPGA芯片、处理器、2路冗余隔离RS485电路（2路隔离电路分别连接对应的RS485电路）组成。电源模块主要包括：DC/DC隔离开关电源、低通滤波器、阻抗调节电路，滤波和输出保护电路。媒体连接单元(MAU)电路的作用是将曼彻斯特编码的信号调制到PA总线上，或者从PA总线解调出曼彻斯特编码的信号。MAU电路通过PA隔离电路和FPGA芯片连接。FPGA芯片中实现的功能是曼彻斯特编码、曼彻斯特解码、帧结构转换、校验转换，和处理器接口等。处理器中集成了Profibus主站，Profibus主站通过并行通信接口与FPGA芯片通信，将FPGA芯片解码的数据转换为自定义格式的数据，送到冗余RS485接口，或者将冗余RS485接口收到的数据送给FPGA芯片进行曼彻斯特编码。冗余切换逻辑的功能是进行2路冗余的RS485通信切换。
图2所示为本发明RS485-Profibus PA总线转换器电源模块中的核心部件阻抗调节电路的原理框图。DC/DC隔离开关电源将输入的18V-36V直流电源隔离、转换为24V的直流电源输出给低通滤波器进行滤波，滤除高频干扰信号。隔离电源模块输出的24V电源处理后作为基准源，输出到信号混叠电路。信号混叠电路将24V的基准电压和通过信号反馈电路处理后的PA总线调制信号进行叠加，然后送到输出调节电路进行调节。通过阻抗调节电路进行输出阻抗调节：在直流输出时，阻抗调节器的输出阻抗很小，小于50Ω，以便本设备输出电源给PA总线上的从站，而在PA总线的工作波特率31.25Kbps时，阻抗调节器的输出阻抗很大，大于3KΩ，以便本设备能将曼彻斯特编码信号进行调制或解调。滤波和输出保护电路主要是滤除工作波特率31.25Kbps以外的高频或低频干扰信号，并进行输出过流、短路保护。
图3为媒体连接单元MAU电路的结构框图。MAU电路是将曼彻斯特编码信号进行调制或解调的关键，它由3部分组成：电源电路、解调电路、调制电路。电源电路从PA总线吸取电能转换为5V稳压源给本地使用，还可输出一路5V稳压隔离电源。解调电路通过防反接电路从PA总线上提取信号，通过带通滤波器将直流分量和高频噪声滤除，只保留31.25Kbps的通信信号，通过滞回比较电路和信号调理放大电路，将PA总线上的调制信号转换为0-5V TTL电平信号，以便后续处理。信号调制的过程和解调相反，将0-5V的TTL电平信号，通过斜率限制电路和控制电路后送到可调恒流源电路作为控制信号，控制可调恒流源输出电流信号，与阻抗调节电路配合将信号调制到PA总线上。
图4为曼彻斯特解码过程原理框图。Profibus PA总线使用的是特殊起始帧(SOF)和结束帧(EOF)，1-8个字节长度可变同步帧的特殊曼彻斯特编码，无法用通用的曼彻斯特编码芯片实现。SOF为8BIT长度，BIT序列为：1,N+,N-,1,0,N-,N+,0。EOF也是8BIT，BIT序列为：1,N+,N-,N+,N-,1,0,1。曼彻斯特解码器利用系统时钟和曼彻斯特编码信号生成频率为31.25KHz的解码时钟，使用系统时钟和解码时钟生成采样脉冲。从PA总线收到数据后，曼彻斯特解码器首先判断收到的数据中是否包含1-8个字节长度的同步帧，如果是，接着判断收到的8个BIT数据是否为SOF，如果是，开始使用异或电路，在采样脉冲有效时刻，将曼彻斯特编码信号和解码时钟进行异或运算，得到解码后的二进制数据。通过串并转换逻辑，转换为并行的1个字节数据。当收到EOF数据后，一帧数据转换结束。
图5是曼彻斯特编码过程原理框图，其工作原理与解码过程类似，但方向相反。当需要进行曼彻斯特编码时，通过系统时钟生成31.25KHz的编码时钟，生成2个字节长度的同步信号，生成SOF起始符，接着开始对要传输的数据进行曼彻斯特编码，如果待发送的数据是BIT”1”，则在编码时钟周期的中间时刻，编码信号为下降沿，如果待发送的数据是BIT”0”，则在编码时钟周期的中间时刻，编码信号为上升沿，其他时刻，编码信号的电平保持不变，在所有的数据进行编码后，接着想PA总线发送EOF结束符，一帧数据曼彻斯特编码完成。
图6所示为RS485冗余切换的流程图，通过对2路RS485通信状态判断，自动进行切换。
Claims (4)
1.一种RS485-Profibus PA总线转换器，Profibus PA总线通过所述RS485-Profibus PA总线转换器与RS485总线进行通信；该RS485-Profibus PA总线转换器包括：
MAU电路，该MAU电路用于将Profibus PA总线上的调制信号转换为0-5V的TTL电平信号，或将0-5V的TTL电平信号转换成电流信号调制至Profibus PA总线上；
用于曼彻斯特编码或解码的FPGA芯片；
用于隔离MAU电路和FPGA芯片的PA隔离电路；
处理器，该处理器与FPGA芯片相连，用于将FPGA芯片解码的数据转换成RS485数据发出，或将接收的RS485数据发送至FPGA芯片进行曼彻斯特编码；
用于连接RS485总线的RS485电路；
用于隔离RS485电路和处理器的隔离电路。
2.根据权利要求1所述的RS485-Profibus PA总线转换器，其特征在于：所述RS485-Profibus PA总线转换器还包括电源模块；所述电源模块包括：
DC/DC隔离开关电源，该DC/DC隔离开关电源将输入的18-36V直流电源转换为24V直流电源；
滤波器，该滤波器与DC/DC隔离开关电源相连，用于对DC/DC隔离开关电源输出的24V直流电源进行高频干扰信号滤除；
阻抗调节电路，该阻抗调节电路与滤波器相连，用于将处理得到24V基准电压与Profibus PA总线调制信号进行叠加，进行输出阻抗调节；
滤波和输出保护电路，该滤波和输出保护电路与阻抗调节电路相连，用于滤除工作波特率在31.25Kbps以外的干扰信号。
3.根据权利要求1或2所述的RS485-Profibus PA总线转换器，其特征在于：所述FPGA芯片采用Cyclone III 系列芯片；所述处理器采用飞思卡尔Cortex-M4系列芯片。
4.根据权利要求1或2所述的RS485-Profibus PA总线转换器，其特征在于：所述隔离电路与RS485电路均为两路；所述处理器分别通过两路隔离电路与对应的RS485电路相连。
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