CN105391627B - 一种Powerlink和6LoWPAN的网关 - Google Patents

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毛善丽
陈广
尚志文
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Abstract

本发明涉及一种Powerlink和6LoWPAN的网关。其技术方案是：Powerlink总线收发器(1)与ARM中央控制器(3)双向相连，Internet总线收发器(2)与ARM中央控制器(3)双向相连，ARM中央控制器(3)与6LoWPAN边界路由器(4)双向相连，ARM中央控制器(3)与6LoWPAN边界路由器(4)的通信遵循SLIP通信协议。所述ARM中央控制器(3)中的ARM处理器单元(32)装有Powerlink和6LoWPAN协议转换软件；所述6LoWPAN边界路由器(4)中的射频SOC芯片(42)装有6LoWPAN边界路由软件。本发明具有通用性强和成本低的特点，能将不同的网络有效地融合在一起，适用于智能化企业和加工车间。

Description

一种Powerlink和6LoWPAN的网关
技术领域
本发明属于网关技术领域。尤其涉及一种Powerlink和6LoWPAN的网关。
技术背景
随着社会的进步，人们对产品质量以及产品更新换代速率的需求越来越高，产品的生命周期也越来越短，对工厂制造业提出了更高速和更智能的要求；另一方面，随着全球能源资源问题的日益突出，对工厂制造业的节能也提出了新要求。
传统的工业现场总线如CAN、DeviceNet、PROFIBUS和ModBus等，其通信速率低、通用性差、互联复杂且成本高，已无法满足新型智能化工厂的应用需求，因此出现了许多新型的高速以太网工业总线，如Powerlink和EtherCAT等。另一方面，无线通信具有布线简单、移动性能好、功耗低和扩展性强等特点，在工业通信领域也占有越来越重要的作用，如6LoWPAN、WirelessHART、ISA100.11a和Zigbee等。
但是由于不同传输介质之间无法直接通信，且不同厂家之间的通信协议各不兼容，需要专用的网关设备和复杂的协议转换软件来实现不同网络的互联。目前虽已经存在一些单一协议转换网关，如ISA100.11a转ModBus总线网关和Zigbee转CAN总线网关等，但功能单一，成本高，没有统一的上层协议，不同的网络不能有效地融合在一起，难以形成一个大型智能化工厂网络。
发明内容:
本发明旨在克服现有技术不足，目的是提供一种Powerlink和6LoWPAN的网关，该网关能将不同的网络有效融合在一起、通用性强和成本低。
为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：所述网关包括Powerlink总线收发器、Internet总线收发器、ARM中央控制器和6LoWPAN边界路由器。Powerlink总线收发器与ARM中央控制器双向相连，Internet总线收发器与ARM中央控制器双向相连，ARM中央控制器与6LoWPAN边界路由器双向相连，ARM中央控制器与6LoWPAN边界路由器的通信遵循SLIP通信协议。
所述网关与外界不同网络的连接是：所述ARM中央控制器与Powerlink网络通过IPV4通信协议通信，ARM中央控制器为Powerlink网络内每个Powerlink设备映射一个IPV6地址，所述ARM中央控制器与Internet网络通过IPV6通信协议通信，所述6LoWPAN边界路由器与6LoWPAN网络通过6LoWPAN无线通信协议通信。
所述ARM中央控制器由第一电源模块、ARM处理器单元、第一时钟模块、第一复位模块、RAM存储单元和ROM存储单元组成。
第一电源模块的电压输出端Vcc_1、Vcc_2和Vcc_3与ARM处理器单元的电压输入端Vcc_MPU、ROM存储单元的电压输入端Vcc_2和RAM存储单元的电压输入端Vcc_3对应连接，第一电源模块的地线端GND分别与ARM处理器单元的地线端GND、ROM存储单元的地线端GND和RAM存储单元的地线端GND连接。ARM处理器单元的时钟输入端CLK与第一时钟模块的时钟输出端CLK连接，ARM处理器单元的复位输入端Reset与第一复位模块的复位输出端Reset端连接，ARM处理器单元的DDR总线接口与RAM存储单元的DDR总线接口连接，ARM处理器单元的MMC总线接口与ROM存储单元的MMC总线接口连接。ARM处理器单元装有Powerlink和6LoWPAN协议转换软件。
ARM处理器单元的MII1总线接口与Powerlink总线收发器的MII1总线接口连接。ARM处理器单元的MII2总线接口与Internet总线收发器的MII2总线接口连接，ARM处理器单元的UART总线接口与6LoWPAN边界路由器的UART总线接口连接。
所述6LoWPAN边界路由器由第二电源模块、射频SOC芯片、天线模块、第二时钟模块和第二复位模块组成。
第二电源模块的电压输出端Vcc和地线端GND与射频SOC芯片的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND对应连接。射频SOC芯片的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N与天线模块的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N对应连接，射频SOC芯片的时钟输入端CLK与第二时钟模块的时钟输出端CLK连接，射频SOC芯片的复位输入端Reset与第二复位模块的复位输出端Reset连接。射频SOC芯片装有6LoWPAN边界路由软件。
射频SOC芯片的UART总线接口与ARM中央控制器的UART总线接口连接。
所述Powerlink总线收发器为以太网物理接口收发器。
所述Internet总线收发器为以太网物理接口收发器。
所述Powerlink和6LoWPAN协议转换软件的主流程是：
S-101、系统初始化；
S-102、检测Powerlink总线收发器端是否收到IPV4格式数据帧，若收到，则执行步骤S-103；若未收到，则执行步骤S-108；
S-103、将收到的IPV4格式的数据帧转换为IPV6格式的数据帧；
S-104、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络，则执行步骤S-105；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络，则执行步骤S-107；
S-105、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-106、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器，返回S-102；
S-107、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器，返回S-102；
S-108、检测Internet总线收发器端是否收到IPV6格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-109；若未收到，则执行步骤S-114；
S-109、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络，则执行步骤S-110；若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络，则执行步骤S-112；
S-110、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-111、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器，返回S-102；
S-112、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-113、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器，返回S-102；
S-114、检测6LoWPAN边界路由器端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-115；若未收到，则返回S-102；
S-115、将SLIP格式的数据帧转化为IPV6格式的数据帧；
S-116、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络，则执行步骤S-117；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络，则执行步骤S-119；
S-117、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-118、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器，返回S-102；
S-119、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器，返回S-102。
所述6LoWPAN边界路由软件的主流程是：
S-201、系统初始化；
S-202、检测UART串口端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-203；若未收到，则执行步骤S-205；
S-203、将SLIP格式的数据帧转化为6LoWPAN格式的数据帧；
S-204、将6LoWPAN格式的数据帧发向天线模块端，返回S-202；
S-205、检测天线模块端是否收到6LoWPAN格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-206；若未收到，则返回S-202；
S-206、将6LoWPAN格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-207、将SLIP格式的数据帧发向UART串口端，返回S-202。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用高性能的ARM中央控制器，将目前两种具有非常良好性能和广泛应用前景的通信技术Powerlink和6LoWPAN结合在一起，6LoWPAN是一种低功耗无线传感器网络技术，其底层采用成熟的IEEE 802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，具有稳健性、适用性和易接入性等优点，适用于低速低功耗的传感数据采集；Powerlink作为一种新兴的工业以太网总线技术，具有实时性高、开源、易于实现和支持以太网IP等优点，在未来新型工业应用中有着非常大的潜力。以上两种技术协调互补，可以很好地用于未来智能工业的数据检测和控制，并且这两种技术都具有支持IP通信的特点，能够在实际使用中实现应用层的统一，大大降低使用的复杂度，并可以方便地接入到传统的Internet中，实现智能化工厂网络。
本发明将Powerlink总线收发器、Internet总线收发器和6LoWPAN边界路由器结合在一起，有效解决了工业应用中有线通信和无线通信相互分离的弊端，并且实现了将所有网络设备连接到Internet网络中，大大提高了工业通信网络的扩展能力，在未来的工业通信中具有十分重要的意义。此外，本发明还大大降低了硬件设计的复杂度和硬件成本。
因此，本发明具有通用性强和成本低的特点，能将不同的网络有效地融合在一起，适用于智能化企业和加工车间。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1与外界不同的网络连接示意图；
图3是图1中ARM中央控制器3的结构示意图；
图4是图1中6LoWPAN边界路由器4的结构示意图；
图5是本发明的Powerlink和6LoWPAN协议转换软件的主流程图；
图6是本发明的6LoWPAN边界路由软件的主流程图。
具体实施方法：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种Powerlink和6LoWPAN的网关。如图1所示，所述网关包括Powerlink总线收发器1、Internet总线收发器2、ARM中央控制器3和6LoWPAN边界路由器4。Powerlink总线收发器1与ARM中央控制器3双向相连，Internet总线收发器2与ARM中央控制器3双向相连，ARM中央控制器3与6LoWPAN边界路由器4双向相连，ARM中央控制器3与6LoWPAN边界路由器4的通信遵循SLIP通信协议。
如图2所示，所述网关与外界不同网络的连接是：所述ARM中央控制器3与Powerlink网络5通过IPV4通信协议通信，ARM中央控制器3为Powerlink网络5内每个Powerlink设备映射一个IPV6地址，所述ARM中央控制器3与Internet网络6通过IPV6通信协议通信，所述6LoWPAN边界路由器4与6LoWPAN网络7通过6LoWPAN无线通信协议通信。
如图3所示，所述ARM中央控制器3由第一电源模块31、ARM处理器单元32、第一时钟模块33、第一复位模块34、RAM存储单元35和ROM存储单元36组成。
如图3所示，第一电源模块31的电压输出端Vcc_1、Vcc_2和Vcc_3与ARM处理器单元32的电压输入端Vcc_MPU、ROM存储单元36的电压输入端Vcc_2和RAM存储单元35的电压输入端Vcc_3对应连接，第一电源模块31的地线端GND分别与ARM处理器单元32的地线端GND、ROM存储单元36的地线端GND和RAM存储单元35的地线端GND连接。ARM处理器单元32的时钟输入端CLK与第一时钟模块33的时钟输出端CLK连接，ARM处理器单元32的复位输入端Reset与第一复位模块34的复位输出端Reset端连接，ARM处理器单元32的DDR总线接口与RAM存储单元35的DDR总线接口连接，ARM处理器单元32的MMC总线接口与ROM存储单元36的MMC总线接口连接。ARM处理器单元32装有Powerlink和6LoWPAN协议转换软件。
如图3所示，ARM处理器单元32的MII1总线接口与Powerlink总线收发器1的MII1总线接口连接。ARM处理器单元32的MII2总线接口与Internet总线收发器2的MII2总线接口连接，ARM处理器单元32的UART总线接口与6LoWPAN边界路由器4的UART总线接口连接。
如图4所示，所述6LoWPAN边界路由器4由第二电源模块41、射频SOC芯片42、天线模块43、第二时钟模块44和第二复位模块45组成。
如图4所示，第二电源模块41的电压输出端Vcc和地线端GND与射频SOC芯片42的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND对应连接。射频SOC芯片42的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N与天线模块43的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N对应连接，射频SOC芯片42的时钟输入端CLK与第二时钟模块44的时钟输出端CLK连接，射频SOC芯片42的复位输入端Reset与第二复位模块45的复位输出端Reset连接。射频SOC芯片42装有6LoWPAN边界路由软件。
如图4所示，射频SOC芯片42的UART总线接口与ARM中央控制器3的UART总线接口连接。
所述Powerlink总线收发器1为以太网物理接口收发器。
所述Internet总线收发器2为以太网物理接口收发器。
如图5所示，所述Powerlink和6LoWPAN协议转换软件的主流程是：
S-101、系统初始化；
S-102、检测Powerlink总线收发器1端是否收到IPV4格式数据帧，若收到，则执行步骤S-103；若未收到，则执行步骤S-108；
S-103、将收到的IPV4格式的数据帧转换为IPV6格式的数据帧；
S-104、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络7，则执行步骤S-105；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络6，则执行步骤S-107；
S-105、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-106、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器4，返回S-102；
S-107、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器2，返回S-102；
S-108、检测Internet总线收发器2端是否收到IPV6格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-109；若未收到，则执行步骤S-114；
S-109、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络7，则执行步骤S-110；若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络5，则执行步骤S-112；
S-110、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-111、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器4，返回S-102；
S-112、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-113、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器1，返回S-102；
S-114、检测6LoWPAN边界路由器4端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-115；若未收到，则返回S-102；
S-115、将SLIP格式的数据帧转化为IPV6格式的数据帧；
S-116、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络5，则执行步骤S-117；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络6，则执行步骤S-119；
S-117、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-118、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器1，返回S-102；
S-119、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器2，返回S-102。
如图6所示，所述6LoWPAN边界路由软件的主流程是：
S-201、系统初始化；
S-202、检测UART串口端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-203；若未收到，则执行步骤S-205；
S-203、将SLIP格式的数据帧转化为6LoWPAN格式的数据帧；
S-204、将6LoWPAN格式的数据帧发向天线模块43端，返回S-202；
S-205、检测天线模块43端是否收到6LoWPAN格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-206；若未收到，则返回S-202；
S-206、将6LoWPAN格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-207、将SLIP格式的数据帧发向UART串口端，返回S-202。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用高性能的ARM中央控制器3，将目前两种具有非常良好性能和广泛应用前景的通信技术Powerlink和6LoWPAN结合在一起，6LoWPAN是一种低功耗无线传感器网络技术，其底层采用成熟的IEEE 802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，具有稳健性、适用性和易接入性等优点，适用于低速低功耗的传感数据采集；Powerlink作为一种新兴的工业以太网总线技术，具有实时性高、开源、易于实现和支持以太网IP等优点，在未来新型工业应用中有着非常大的潜力。以上两种技术协调互补，可以很好地用于未来智能工业的数据检测和控制，并且这两种技术都具有支持IP通信的特点，能够在实际使用中实现应用层的统一，大大降低使用的复杂度，并可以方便地接入到传统的Internet中，实现智能化工厂网络。
本具体实施方式将Powerlink总线收发器1、Internet总线收发器2和6LoWPAN边界路由器4结合在一起，有效解决了工业应用中有线通信和无线通信相互分离的弊端，并且实现了将所有网络设备连接到Internet网络中，大大提高了工业通信网络的扩展能力，在未来的工业通信中具有十分重要的意义。此外，本具体实施方式还大大降低了硬件设计的复杂度和硬件成本。
因此，本具体实施方式具有通用性强和成本低的特点，能将不同的网络有效地融合在一起，适用于智能化企业和加工车间。

Claims (5)

1.一种Powerlink和6LoWPAN的网关，其特征在于所述网关包括Powerlink总线收发器(1)、Internet总线收发器(2)、ARM中央控制器(3)和6LoWPAN边界路由器(4)；Powerlink总线收发器(1)与ARM中央控制器(3)双向相连，Internet总线收发器(2)与ARM中央控制器(3)双向相连，ARM中央控制器(3)与6LoWPAN边界路由器(4)双向相连，ARM中央控制器(3)与6LoWPAN边界路由器(4)的通信遵循SLIP通信协议；
所述ARM中央控制器(3)与Powerlink网络(5)通过IPV4通信协议通信，ARM中央控制器(3)为Powerlink网络(5)内每个Powerlink设备映射一个IPV6地址，所述ARM中央控制器(3)与Internet网络(6)通过IPV6通信协议通信，所述6LoWPAN边界路由器(4)与6LoWPAN网络(7)通过6LoWPAN无线通信协议通信；
所述ARM中央控制器(3)由第一电源模块(31)、ARM处理器单元(32)、第一时钟模块(33)、第一复位模块(34)、RAM存储单元(35)和ROM存储单元(36)组成；
第一电源模块(31)的电压输出端Vcc_1、Vcc_2和Vcc_3与ARM处理器单元(32)的电压输入端Vcc_MPU、ROM存储单元(36)的电压输入端Vcc_2和RAM存储单元(35)的电压输入端Vcc_3对应连接，第一电源模块(31)的地线端GND分别与ARM处理器单元(32)的地线端GND、ROM存储单元(36)的地线端GND和RAM存储单元(35)的地线端GND连接；ARM处理器单元(32)的时钟输入端CLK与第一时钟模块(33)的时钟输出端CLK连接，ARM处理器单元(32)的复位输入端Reset与第一复位模块(34)的复位输出端Reset端连接，ARM处理器单元(32)的DDR总线接口与RAM存储单元(35)的DDR总线接口连接，ARM处理器单元(32)的MMC总线接口与ROM存储单元(36)的MMC总线接口连接；ARM处理器单元(32)装有Powerlink和6LoWPAN协议转换软件；
ARM处理器单元(32)的MII1总线接口与Powerlink总线收发器(1)的MII1总线接口连接；ARM处理器单元(32)的MII2总线接口与Internet总线收发器(2)的MII2总线接口连接，ARM处理器单元(32)的UART总线接口与6LoWPAN边界路由器(4)的UART总线接口连接；
所述6LoWPAN边界路由器(4)由第二电源模块(41)、射频SOC芯片(42)、天线模块(43)、第二时钟模块(44)和第二复位模块(45)组成；
第二电源模块(41)的电压输出端Vcc和地线端GND与射频SOC芯片(42)的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND对应连接；射频SOC芯片(42)的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N与天线模块(43)的射频信号正极性端RF_P和射频信号负极性端RF_N对应连接，射频SOC芯片(42)的时钟输入端CLK与第二时钟模块(44)的时钟输出端CLK连接，射频SOC芯片(42)的复位输入端Reset与第二复位模块(45)的复位输出端Reset连接；射频SOC芯片(42)装有6LoWPAN边界路由软件；
射频SOC芯片(42)的UART总线接口与ARM中央控制器(3)的UART总线接口连接。
2.根据权利要求1所述的Powerlink和6LoWPAN的网关，其特征在于所述Powerlink总线收发器(1)为以太网物理接口收发器。
3.根据权利要求1所述的Powerlink和6LoWPAN的网关，其特征在于所述Internet总线收发器(2)为以太网物理接口收发器。
4.根据权利要求1所述Powerlink和6LoWPAN的网关，其特征在于所述Powerlink和6LoWPAN协议转换软件的主流程是：
S-101、系统初始化；
S-102、检测Powerlink总线收发器(1)端是否收到IPV4格式数据帧，若收到，则执行步骤S-103；若未收到，则执行步骤S-108；
S-103、将收到的IPV4格式的数据帧转换为IPV6格式的数据帧；
S-104、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络(7)，则执行步骤S-105；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络(6)，则执行步骤S-107；
S-105、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-106、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器(4)，返回S-102；
S-107、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器(2)，返回S-102；
S-108、检测Internet总线收发器(2)端是否收到IPV6格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-109；若未收到，则执行步骤S-114；
S-109、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向6LoWPAN网络(7)，则执行步骤S-110；若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络(5)，则执行步骤S-112；
S-110、将IPV6格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-111、将SLIP格式的数据帧发向6LoWPAN边界路由器(4)，返回S-102；
S-112、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-113、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器(1)，返回S-102；
S-114、检测6LoWPAN边界路由器(4)端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-115；若未收到，则返回S-102；
S-115、将SLIP格式的数据帧转化为IPV6格式的数据帧；
S-116、根据IPV6格式的数据帧目的地址，若应将IPV6格式的数据帧发向Powerlink网络(5)，则执行步骤S-117；若应将IPV6格式的数据帧发向Internet网络(6)，则执行步骤S-119；
S-117、将IPV6格式的数据帧转化为IPV4格式的数据帧；
S-118、将IPV4格式的数据帧发向Powerlink总线收发器(1)，返回S-102；
S-119、将IPV6格式的数据帧发向Internet总线收发器(2)，返回S-102。
5.根据权利要求1所述Powerlink和6LoWPAN的网关，其特征在于所述6LoWPAN边界路由软件的主流程是：
S-201、系统初始化；
S-202、检测UART串口端是否收到SLIP格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-203；若未收到，则执行步骤S-205；
S-203、将SLIP格式的数据帧转化为6LoWPAN格式的数据帧；
S-204、将6LoWPAN格式的数据帧发向天线模块(43)端，返回S-202；
S-205、检测天线模块(43)端是否收到6LoWPAN格式的数据帧，若收到，则执行步骤S-206；若未收到，则返回S-202；
S-206、将6LoWPAN格式的数据帧转化为SLIP格式的数据帧；
S-207、将SLIP格式的数据帧发向UART串口端，返回S-202。
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