CN106603363A - 智能总线转换控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能总线转换控制器，包括转换控制器壳体、设于转换控制器壳体中的微控制单元和电源单元，以及与微控制单元信号连接的第一串行通信接口和第二串行通信接口；微控制单元用于接收总线通讯卡的数据，并将总线通讯卡传递的数据与存储的数据进行比较，判断总线通讯卡的总线类型，并调用对应的通讯协议转换程序，将总线通讯卡传递的数据转换为执行器可识别的数据；微控制单元用于接收所述执行器的数据，根据判断得出的总线通讯卡的总线类型，调用对应的通讯协议转换程序，将执行器传递的数据转换为总线通讯卡可识别的数据。其减少执行机构主控CPU的负荷及内存，同时实现各种现场总线的无缝转换或兼容。

Description

智能总线转换控制器

技术领域

本发明涉及总线通讯技术领域，特别涉及一种实现总线通讯卡与执行器的控制器数据交互的智能总线转换控制器。

背景技术

目前市场上智能执行机构控制方式有以下两种方式：

第一种是采用传统控制方式，传统控制方式有开关信号及4-20mA模拟信号控制。常用的现场总线控制方式有PROFIBUS、FF、MODBUS、HART等。

第二种是采用现场总线控制方式。带现场总线的智能执行机构具有双向通信、参数在线标定、故障自诊断等多种控制技术要求的功能。同时需要使用的辅助设备少，无需任何隔离、转换和DI、DO、AI、AO等输入输出模块，同时减少大量信号电缆、电缆配件及相应的安装和检修工作。电动执行机构的智能化和现场总线化成为该领域技术的必然发展趋势，总线型智能电动执行机构带来了广阔的发展前景。

然而每种现场总线与执行机构的通讯方式均为采用通讯卡与执行机构的控制器直接连接以进行数据交互，这样的电路结构造成了每种现场总线的智能执行机构都需要特别设计，以配置特定的硬件及软件，导致带现场总线的执行机构只能局限某个特定型号的产品，不但开发周期长，并且采用这种方式增加执行机构主控制器的工作负担和内存要求，同时增加了客户在总线产品选型及现场普通产品升级时造成了局限性与复杂性。当现场客户需要对普通智能执行器进行总线升级时，需要对硬件重新配置安装，增加操作环节及操作成本。有时候甚至需要更换整个执行机构，造成施工困难，改造周期长，改造成本增加。显然现有的智能执行机构具有一定的局限性，不能完全满足客户的需要及适应市场的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种智能总线转换控制器，其减少执行机构主控CPU的负荷及内存，提高产品性能，增加产品的多样性及适应性，同时实现各种现场总线的无缝转换或兼容，减少辅助设备及简化升级改造时的操作过程，减少人工及设计成本。

本发明的目的是采用下述方案实现的：一种智能总线转换控制器，包括转换控制器壳体、设于转换控制器壳体中的微控制单元和电源单元，以及与微控制单元信号连接的第一串行通信接口和第二串行通信接口；所述电源单元用于为整个转换控制器供电；所述第一串行通信接口用于实现多种总线通讯卡与微控制单元之间的数据交互；所述第二串行通信接口用于实现微控制单元与执行器的控制器之间的数据交互；所述微控制单元用于接收与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的数据，并将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据的数据帧结构与存储的各种类型的现场总线数据的数据帧结构进行比较，判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，并调用对应的通讯协议转换程序，将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元用于接收所述执行器的数据，根据判断得出的与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，调用对应的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为与第一串行通信接口连接的总线通讯卡可识别的数据后发送给该总线通讯卡。

本发明的转换控制器选用具有串行通信接口电路的MCU进行数据收发及数据转换，其与各个通讯卡接口可以设计为统一接口，以实现各种通讯卡的兼容。只需在MCU内配置不同的通讯协议转换程序，来对PROFIBUS总线通讯卡或FF总线通讯卡或MODBUS总线通讯卡或HART总线通讯卡的数据进行处理和转换，就能实现不同现场总线与执行控制机构的通讯功能。

对于如PROFIBUS总线或FF总线或MODBUS总线或HART总线等具有标准协议的现场总线而言，本发明通过转换控制器能够对来自各种通讯卡解析的数据进行识别并对数据进行分类整理，以在各种具有标准通信协议通信卡与执行机构控制器进行数据交互，并最终实现在这些现场总线与执行机构控制器进行数据交互。但是对于没有标准通信协议的现场总线而言，本发明的处理方式是，增加一个逻辑检测电路，该逻辑检测电路与微控制单元连接，该逻辑检测电路用于为强制执行非标准通讯协议的转换提供判断依据。

所述逻辑检测电路用于检测人工干预信号，并将检测到的人工干预信号传递给微控制单元，所述微控制单元用于接收逻辑检测电路传递的人工干预信号，且判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的某种通讯协议转换程序，不再判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，从而完成这些没有标准协议的现场总线与执行机构控制器进行数据交互。人工干预信号可以是硬接跳线信号，也可以是开关信号（如按钮开关信号）或者指令信号等等。因为人工干预的方式很多，所以只要是能够触发微控制单元强制执行预先设定的某种通讯协议转换程序的方式都是本发明所要保护的方案。

所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有电平转换电路，所述电平转换电路用于转换符合转换器微控制单元以及通讯卡要求的电平信号。即电平转换电路将第一串行通信接口接收的电平信号转换为符合微控制单元要求的电平信号后传递给微控制单元，以及将微控制单元输出的电平信号转换为符合通讯卡要求的电平信号后经过第一串行通信接口传递给通讯卡。

所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有光耦隔离电路，通讯信号通过光耦进行隔离，以提高抗干扰性能，保护微控制单元电路。

所述微控制单元中存储有对应于各种通讯协议的字节表、各种通讯协议的通讯帧结构以及各种总线类型对应的通讯协议转换程序。当然，本发明也可以先不在微控制单元内设置各种通讯协议的字节表、各种通讯协议的通讯帧结构以及各种总线类型对应的通讯协议转换程序，而是根据要连接的通讯卡的类型在微控制单元内定制对应的通讯协议转换程序进行通讯协议转换。

所述第二串行通信接口为与执行器匹配的串行通信接口，执行器为智能执行机构或智能仪表。

第一串行通信接口为一个与多种类型的总线通讯卡都能匹配的串行通信接口，如该第一串行通信接口可设计为与各种市场通用的总线通讯卡（如PROFIBUS总线通讯卡、FF总线通讯卡、MODBUS总线通讯卡、HART总线通讯卡等）都匹配的接口，该接口可以是UART、SPI、I2C等串行接口。当然我们也可以将每种总线通讯卡的接口设计为兼容统一。

智能总线转换控制器设有备用的冗余接口。

用于实现总线通讯卡与微控制单元之间数据交互的第一串行通信接口设置多个，一个第一串行通信接口匹配一种类型的总线通讯卡，多个第一串行通信接口分别匹配相同类型或者多种类型的总线通讯卡即本发明可以并列多种类型的第一串行通信接口。

所述微控制单元内设有存储模块、数据发送接收模块、比较判断模块以及通讯协议转换模块，所述存储模块用于存储各种类型现场总线数据以及各种总线类型对应的通讯协议转换程序；所述数据发送接收模块用于接收、发送数据，所述比较判断模块，用于将数据发送接收模块接收的数据与存储模块中的数据进行比较，得出所需要进行通讯的现场总线类型；所述通讯协议转换模块，根据比较判断模块得出的现场总线类型，调用适用于所述现场总线类型的通讯协议转换程序对数据进行分类整理，并转换为执行控制器或者总线通讯卡可识别的数据格式输出

所述微控制单元内还设有硬件判断模块，所述硬件判断模块用于监测人工干预信号，判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的现场总线类型来进行通讯协议转换，而不必再通过比较判断模块来判断现场总线类型。

本发明具有的优点是：由于本发明的智能总线转换控制器包括转换控制器壳体、设于转换控制器壳体中的微控制单元和电源单元，以及与微控制单元信号连接的第一串行通信接口和第二串行通信接口。本发明的智能总线转换控制器与执行器是分开的，本发明的智能总线转换控制器的第一串行通信接口可以与各种总线通讯卡连接，通过对本发明的总线转换控制器配置不同的协议转换程序或各种通讯协议转换程序及各种总线通讯卡就能实现各种现场总线的无缝转换或兼容，可以将执行机构控制器与多种现场总线进行通讯，提高技术能力及执行器产品的多样性，不再将执行器局限在某个特定型号的产品，本发明使得执行器彻底改变了这种局限性，满足客户不同时期的需求。

所述微控制单元内还设有硬件判断模块，所述硬件判断模块用于监测人工干预信号，判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的现场总线类型来进行通讯协议转换，而不必再通过比较判断模块来判断现场总线类型。这样的目的是预先进行人工干预强制选择总线转换类型，减少软件工作步骤，提高转换速度，并增加了通讯卡选择的多样性。

在总线通讯卡与执行机构控制器之间加入本发明的智能总线转换控制器以进行中间层数据转换，在性能上可以减少执行机构控制器的任务及内存空间的要求，提高控制精度和响应速度。在开发成本及经济效益上可以降低对执行机构控制器（MCU）的串行通信接口电路的要求，执行机构控制器不需要配置多个串口来实现多总线以及冗余要求，无需更换执行机构控制器，对其重新设计；只需增加本发明的总线转换控制器就能实现相应的现场总线控制功能，减少了设计开发周期，节约设计成本，快速响应市场，产生经济效益。同时还可以对转换控制器的其他串行通信接口进行通道扩展，实现通信冗余技术，即使某个通道发生故障时，执行机构仍能正常运行，提高通信网络的安全性。

附图说明

图1为本发明的智能总线转换控制器的硬件原理框图；

图2为本发明的智能总线转换控制器的流程框图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种智能总线转换控制器，包括转换控制器壳体、设于转换控制器壳体中的微控制单元和电源单元，以及与微控制单元信号连接的第一串行通信接口和第二串行通信接口；所述电源单元用于为整个转换控制器供电；所述微控制单元中存储有对应于各种通讯协议的字节表、各种通讯协议的通讯帧结构以及各种总线类型对应的通讯协议转换程序。所述第一串行通信接口用于实现多种总线通讯卡与微控制单元之间的数据交互；所述第二串行通信接口用于实现微控制单元与执行器的控制器之间的数据交互；所述微控制单元用于接收与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的数据，并将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据与存储的各种类型的现场总线数据进行比较，判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，并调用对应的通讯协议转换程序，将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元用于接收所述执行器的数据，根据判断得出的与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，调用对应的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为与第一串行通信接口连接的总线通讯卡可识别的数据后发送给该总线通讯卡。所述第二串行通信接口为与执行器匹配的串行通信接口，执行器为智能执行机构或智能仪表。

所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有电平转换电路，所述电平转换电路用于将接收的电平信号转换为符合要求电压伏值的电平信号输出。即电平转换电路将第一串行通信接口接收的电平信号转换为符合微控制单元要求的电平信号后传递给微控制单元，以及将微控制单元输出的电平信号转换为符合通讯卡要求的电平信号后传递给第一串行通信接口。所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有隔离电路。

第一串行通信接口为一个与多种类型的总线通讯卡都能匹配的串行通信接口，如该第一串行通信接口可设计为与各种市场通用的总线通讯卡（如PROFIBUS总线通讯卡、FF总线通讯卡、MODBUS总线通讯卡、HART总线通讯卡等）都匹配的接口，该接口可以是UART、SPI、I2C等串行接口。当然我们也可以将每种总线通讯卡的接口设计为兼容统一。智能总线转换控制器设有备用的冗余接口。本实施例总线转换控制器的控制芯片选用具有多个异步串行通信接口(UART)的MCU进行数据接发，多个异步串行通信接口是指设有备用的冗余接口，备用的冗余接口可设置一个或一个以上。本实施例的采用具有3个串行通信接口的MCU进行数据收发及数据转换，其中两个串行通信接口用于实现多种总线通讯卡与微控制单元之间的数据交互，这两个串行通信接口1、2之间一个为备用的冗余接口。与各个通讯卡接口设计为统一接口，以实现各种通讯卡的兼容。另外一个串行通信接口3用于实现微控制单元与执行器的控制器之间的数据交互。

当然，本发明用于实现总线通讯卡与微控制单元之间数据交互的第一串行通信接口还可以设置多个，一个第一串行通信接口匹配一种类型的总线通讯卡，多个第一串行通信接口分别匹配相同类型或者多种类型的总线通讯卡。

当本智能总线转换控制器的第一串行通信接口连接PROFIBUS总线通讯卡时，所述微控制单元接收PROFIBUS总线通讯卡的数据，并将PROFIBUS总线通讯卡传递的数据与存储的各种类型的现场总线数据进行比较，判断得出PROFIBUS总线通讯卡的总线类型或所需要进行通讯的现场总线类型为PROFIBUS总线，并调用适用于PROFIBUS总线的通讯协议转换程序，将PROFIBUS总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元接收所述执行器的数据，调用适用于PROFIBUS总线的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为PROFIBUS总线通讯卡可识别的数据后发送给该PROFIBUS总线通讯卡。

当本智能总线转换控制器的第一串行通信接口连接FF总线通讯卡时，所述微控制单元接收FF总线通讯卡的数据，并将FF总线通讯卡传递的数据与存储的各种类型的现场总线数据进行比较，判断得出FF总线通讯卡的总线类型或所需要进行通讯的现场总线类型为FF总线，并调用适用于FF总线的通讯协议转换程序，将FF总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元接收所述执行器的数据，调用适用于FF总线的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为FF总线通讯卡可识别的数据后发送给该FF总线通讯卡。

当本智能总线转换控制器的第一串行通信接口连接MODBUS总线通讯卡时，所述微控制单元接收MODBUS总线通讯卡的数据，并将MODBUS总线通讯卡传递的数据与存储的各种类型的现场总线数据进行比较，判断得出MODBUS总线通讯卡的总线类型或所需要进行通讯的现场总线类型为MODBUS总线，并调用适用于MODBUS总线的通讯协议转换程序，将MODBUS总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元接收所述执行器的数据，调用适用于MODBUS总线的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为MODBUS总线通讯卡可识别的数据后发送给该MODBUS总线通讯卡。

当本智能总线转换控制器的第一串行通信接口连接HART总线通讯卡时，所述微控制单元接收HART总线通讯卡的数据，并将HART总线通讯卡传递的数据与存储的各种类型的现场总线数据进行比较，判断得出HART总线通讯卡的总线类型或所需要进行通讯的现场总线类型为HART总线，并调用适用于HART总线的通讯协议转换程序，将HART总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元接收所述执行器的数据，调用适用于HART总线的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为HART总线通讯卡可识别的数据后发送给该HART总线通讯卡。

本发明的转换控制器选用具有串行通信接口电路的MCU进行数据收发及数据转换，其与各个通讯卡接口可以设计为统一接口，以实现各种通讯卡的兼容。只需在MCU内配置不同的通讯协议转换程序，来对PROFIBUS总线通讯卡或FF总线通讯卡或MODBUS总线通讯卡或HART总线通讯卡等总线通讯卡传递的数据进行处理和转换，就能实现不同现场总线与执行控制机构的通讯功能。

对于如PROFIBUS总线或FF总线或MODBUS总线或HART总线等具有标准协议的现场总线而言，本发明通过转换控制器能够对来自各种通讯卡解析的数据进行识别并对数据进行分类整理，以在各种具有标准通信协议通信卡与执行机构控制器进行数据交互，并最终实现在这些现场总线与执行机构控制器进行数据交互。但是对于没有标准通信协议的现场总线而言，本发明的处理方式是，增加一个逻辑检测电路，该逻辑检测电路与微控制单元连接，该逻辑检测电路用于为强制执行非标准通讯协议的转换提供判断依据。

所述逻辑检测电路用于检测人工干预信号，并将检测到的人工干预信号传递给微控制单元，所述微控制单元用于接收逻辑检测电路传递的人工干预信号，且判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的某种通讯协议转换程序，不再判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，从而完成这些没有标准协议的现场总线与执行机构控制器进行数据交互。

所述微控制单元内设有存储模块、数据发送接收模块、比较判断模块以及通讯协议转换模块，所述存储模块用于存储各种类型现场总线数据以及各种总线类型对应的通讯协议转换程序；所述数据发送接收模块用于接收、发送数据，所述比较判断模块，用于将数据发送接收模块接收的数据与存储模块中的数据进行比较，得出所需要进行通讯的现场总线类型；所述通讯协议转换模块，根据比较判断模块得出的现场总线类型，调用适用于所述现场总线类型的通讯协议转换程序对数据进行分类整理，并转换为执行控制器或者总线通讯卡可识别的数据格式输出。所述微控制单元内还设有硬件判断模块，所述硬件判断模块用于监测人工干预信号，判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的现场总线类型来进行通讯协议转换，而不必再通过比较判断模块来判断现场总线类型。

本发明对总线转换控制器配置多种协议转换程序，通过第一串行通信接口接收来自PROFIBUS总线通讯卡或FF总线通讯卡或MODBUS总线通讯卡或HART通讯卡等通讯卡的信息并进行转换，并通过第二串行通信接口发送至执行机构主控MCU，参与执行机构的控制。同时总线转换控制器通过第二串行通信接口接收执行机构的设备数据，然后进行数据转换，通过第一串行通信接口把转换后的数据发送至相应的总线通讯卡，从而实现与PROFIBUS总线或FF总线或MODBUS总线或HART总线等总线的通信功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种智能总线转换控制器，其特征在于：包括转换控制器壳体、设于转换控制器壳体中的微控制单元和电源单元，以及与微控制单元信号连接的第一串行通信接口和第二串行通信接口；所述电源单元用于为整个转换控制器供电；所述第一串行通信接口用于实现多种总线通讯卡与微控制单元之间的数据交互；所述第二串行通信接口用于实现微控制单元与执行器之间的数据交互；所述微控制单元用于接收与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的数据，并将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据的数据帧结构与存储的各种类型现场总线的数据帧结构进行比较，判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，并调用对应的通讯协议转换程序，将与第一串行通信接口连接的总线通讯卡传递的数据进行分类整理，并转换为与第二串行通信接口连接的执行器可识别的数据后输出给该执行器；所述微控制单元用于接收所述执行器的数据，根据已判断得出的与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型，调用对应的通讯协议转换程序，将所述执行器传递的数据进行分类整理，并转换为与第一串行通信接口连接的总线通讯卡可识别的数据后发送给该总线通讯卡。

2.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元连接有一逻辑检测电路，所述逻辑检测电路用于检测人工干预信号，并将检测到的人工干预信号传递给微控制单元，所述微控制单元用于接收逻辑检测电路传递的人工干预信号，且判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的某种通讯协议转换程序，不再判断与第一串行通信接口连接的总线通讯卡的总线类型。

3.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有电平转换电路，所述电平转换电路用于将接收的电平信号转换为符合微控制单元要求的电平信号输出。

4.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元与第一串行通信接口之间设有光耦隔离电路。

5.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元中存储有各种总线类型对应的通讯协议转换程序。

6.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：第一串行通信接口是一个与多种类型的总线通讯卡都能匹配的串行通信接口。

7.根据权利要求1或6所述的智能总线转换控制器，其特征在于：智能总线转换控制器设有备用的冗余接口。

8.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：用于实现总线通讯卡与微控制单元之间数据交互的第一串行通信接口设置多个，一个第一串行通信接口匹配一种类型的总线通讯卡，多个第一串行通信接口匹配相同类型的总线通讯卡，或分别匹配多种类型的总线通讯卡，实现智能总线转换控制器与多种类型的总线通讯卡匹配。

9.根据权利要求1所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元内设有存储模块、数据发送接收模块、比较判断模块以及通讯协议转换模块，所述存储模块用于存储各种类型现场总线数据表以及各种总线类型对应的通讯协议的数据帧结构；所述数据发送接收模块用于接收、发送数据，所述比较判断模块，用于将数据发送接收模块接收的数据的数据帧结构与存储模块中的保存的数据帧结构进行比较，得出所需要进行通讯的现场总线类型；所述通讯协议转换模块，根据比较判断模块得出的现场总线类型，调用适用于所述现场总线类型的通讯协议转换程序对数据进行分类整理，并转换为执行控制器或者总线通讯卡可识别的数据格式输出。

10.根据权利要求9所述的智能总线转换控制器，其特征在于：所述微控制单元内还设有硬件判断模块，所述硬件判断模块用于监测人工干预信号，判断人工干预信号有效时，强制执行预先设定的现场总线类型来进行通讯协议转换，而不必再通过比较判断模块来判断现场总线类型。