CN107357219A - 一种自适应工业网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波特率自适应的工业网关。网关承担着自动化与IT对接的任务，需要多路接口来满足工业现场需求。本网关包括微处理器模块，RS232、RS485模块、CAN模块、USB模块、以太网模块以及电源模块。为减轻组网负担，网关设计以软件方式完成多路接口的波特率自适应。工业现场往往数据传输方式复杂，只实现某一种自适应方式无法完全满足实际需求。本发明用软件方式实现多路接口的波特率自适应，且多路数据传输互不干扰。通过一定机制自行触发波特率配适，无需再次启动网关，工作效率高且实用性好。

Description

一种自适应工业网关

技术领域

本发明涉及工业数据转换，具体涉及一种用于工业现场的自适应网关。

背景技术

工业网关是一种沟通工业现场设备与上级管理设备的工具，它将不同通信协议的数据转换为统一格式并传输至上位机。随着工业4.0的提出，工业正在向着自动化和信息化不断融合的方向发展。工业现场各种总线之间互联性差，信息交互困难的问题也日益突出。网关作为一种协议转换工具，在不同接口数据交互时起到了越来越重要的作用。工业现场若要进行设备组网，可能会发生波特率未知的情况。这种状况无疑会增加人工调试负担，并且有可能造成数据传输错误，加大传输数据出错风险。现有的工业网关设计方案往往不具备波特率自适应功能或者只实现单路自适应，这是无法满足工业现场复杂的线路传输数据需求的。

发明内容

为了解决前面描述的一个或多个问题，本发明公开了一种用于工业现场的自适应网关设备。本发明的目的是提供一种实现自适应的工业网关，它能够实现多路数据的波特率自动配适，并且实现与上位机的通信，方便使用。所述网关设备包括：微处理器模块，所述微处理器模块作为网关核心处理器，完成网关数据交互功能；以太网模块，实现数据从以太网传输的功能，与所述微处理器模块相连；数据传输模块，完成与下位机数据通信功能，与所述微处理器模块相连；电源模块，所述电源模块为网关各模块供电，与所述微处理器模块及数据传输模块相连。

优选地，所述微处理器模块选择工业级别的exynos4412作为ARM处理器。其接口资源丰富，性能优越，满足网关要求。

优选地，所述以太网模块采用W5100以太网芯片。该芯片内部集成以太网控制器，实现自适应10/100M传输速率，满足网关要求。所述模块对内接入微处理器模块上的外部总线接口(EBI)，对外提供RJ-45接口。

所述数据传输模块包括RS232模块，RS485模块，CAN总线模块以及USB模块。

优选地，RS232模块选择SP3232E芯片。相比其他同类型芯片，SP3232E抗静电，传输稳定性表现更加优越。所述模块对内接入微处理器模块上的UART，将串行数据转化为并行数据后传入微处理器，对外提供DB-9标准串口接口。

优选地，RS485模块选择SN75LBC184半双工通信芯片。其芯片具有抗静电抗雷击效果，并且驱动器设计成限斜率方式，有效遏制干扰，适用于工业场所。该模块对内通过微处理器模块上的UART1接入处理器，对外提供3针485接口，分别接入485设备高低电平和接地信号。

优选地，CAN总线模块选择MCP2515作为CAN控制芯片，选择MC33901作为收发器。MCP2515通过SPI总线与微处理器相连，MC33901作为CAN控制器与物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。该模块对内通过SPI总线接入微处理器，对外提供3针CAN接口，分别接入CAN设备高低电平和接地信号。

优选地，USB模块选择CSC1220芯片作为USB驱动芯片，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。该模块对内通过USB总线与微处理器相连，对外通过USB OTG接口连接外部设备。

优选地，所述电源模块采用S5M8767作为电源管理芯片，AMS1084CM芯片作为电源转换芯片，为不同需求的模块供电。S5M8767芯片专为微处理器模块提供所需电压。AMS1084CM芯片则只为外接模块提供电压转换，为RS232、RS485、USB模块以及以太网模块提供3.3V电压。

现场设备连接网关上的接口接入数据，网关对波特率进行自动配适，得到正确波特率后微处理器对数据进行接收处理，再通过以太网传输到上位监控设备中显示。网关内部配有嵌入式服务器和数据库，上位机无需配套接收软件，直接通过浏览器访问指定网站即可显示数据。RS232口在调试或升级软件时作为调试口，平时如有需要也可作为普通串口传输数据。

附图说明

图1为自适应工业网关模块连接示意图。

图2为自适应工业网关的结构示意图。

具体实施方式

图1是自适应工业网关模块连接示意图。网关包括微处理器模块200、电源模块201、RS232模块202、RS485模块203、CAN模块204、USB模块205和以太网模块206。RS232模块202、RS485模块203、CAN模块204、USB模块205和以太网模块206连接到微处理器模块200上，实现现场数据和网关的通信，网关对数据进行分析后通过以太网传输给上位机。电源模块201向网关其他模块供电。

本网关实现的是多路接口的自适应，实现多路接口互不干扰，并且能够在波特率不匹配时自行开启自适应模式。

网关设置有四路线程来处理四路接口传输数据，RS232线程、RS485线程、CAN总线线程以及USB总线线程。

对不同接口提供了不同的波特率自适应方案，使用软件方式实现多路接口的波特率自适应，降低硬件生产成本。

本网关根据Modbus协议设计了一种波特率自适应方法。本方法利用了Modbus的两点传输特性：其一，Modbus为主从传输协议，数据传输必须由主机发起；其二，Modbus传输的数据帧具有CRC校验位，一旦数据发生错误，CRC校验该数据不是原始数据，该帧会被丢弃。这两点特性保证了波特率自适应的自发性，并且免去了对下位机的操作。基于Modbus协议的波特率自适应方法如下：首先主机向从机发送请求帧，当主机无法获得从机正常响应时会再次发送请求帧，为防止是其他突发状况无法获得应答帧，要求主机进行三次至五次重复请求。若仍无响应便进入波特率自适应阶段重新匹配波特率。将波特率设置成波特率表中的值进行轮询，直到主机得到从机的应答帧，说明匹配成功，此时才会进入数据传输模式。此方法采用的常用波特率表中波特率值不超过20个，这样轮询时间在可控范围内，保证自适应效率。

所述CAN模块204与微处理器200连接，通过轮询法和探测法两种相结合的方法实现波特率自适应。CAN模块的波特率自适应在驱动层解决，当波特率不匹配时自动停止接收数据进入监听状态。当CAN总线进入监听状态后，首先根据探测到的波特率值近似值进行匹配，根据中断标志寄存器的值判断是否是正确波特率。若仍然进入错误中断，则进入轮询模式，直至匹配成功。

RS485模块203与微处理器200连接，其上实现Modbus-RTU协议。因Modbus-RTU协议是主从协议，RS485通路的波特率自适应无需双方沟通协议包。而RS232串口由于不具备主从通信的概念，且串口在波特率不匹配的情况下仍能接收错误数据，所以要为波特率不匹配设置特定标识，否则易发生串口误接收的情况。本发明采用双方协议收发数据包的方式进行RS232串口波特率自适应。在下位机波特率发生改变时，先向网关发送一帧全0数据，再向网关发送一组全1数据。网关接收数据时虽无法获得正确帧长度的数据，但是可以判断该数据是否全0或全1，若判断全0帧后下一帧为1帧，则进入自适应阶段，这样就实现了多路数据的网关自适应，且每路数据的自适应和接收互不干涉。若网关本来只接入CAN数据，此时再接入RS485数据，则485接口的自适应过程不会影响到CAN接口的数据传输。

本发明为不同数据通信提供了不同的自适应方案，并且采用线程模式数据传输。当下位机波特率发生改变时，无需重启网关，自适应过程将自发开启，提高了网关的运行效率。

除了提供网关自身自适应方式设置波特率，也提供上位机从管理层向下进行参数设置的功能。上位机通过以太网向网关发送特殊命令，网关在识别到该命令后将按照指令对自身参数重设。通过上述两种方案，本发明实现“从上至下”和“从下至上”两种波特率设置方法。“从下至上”的匹配方式是基于波特率表轮询完成的，而为了保证匹配速度，表中只会存有常用波特率。如果用户想设置特殊波特率，必须使用“从上至下”的方式来完成。

波特率自适应完成后，网关可以实现多路数据的接收。本网关会对不同数据封装不同的识别帧头。数据传输给上位机后通过识别帧头数据来判断该帧数据来自何类数据接口，识别完成后再通过页面分类显示。

网关移植嵌入式数据库，数据库中存储数据及其接收时间点信息。上位机可在页面通过查询功能访问数据库，可获得指定时间点内的数据传输日志。这不仅丰富了网关功能，也给数据提供了一个备份，增强了数据安全。

以上已对本发明进行了具体说明。显然，本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.本发明提出的自适应工业网关，包括微处理器模块、电源模块、RS232模块、RS485模块、CAN模块、USB模块以及以太网模块。电源模块为微处理器及其外设供电，上述接口均与微处理器相连。其特征在于：集成了多路工业数据接口的波特率自适应方式，网关能够自行判断是否需要进行波特率匹配，数据传输及波特率匹配互不干扰。

2.如权利要求1所述自适应工业网关，其特征在于：利用MODBUS主从收发特性，设计了一种RS485总线上使用MODBUS协议时的波特率自适应方法，该方法免除了串口自适应时需要与下位机沟通协议包的操作，并且自适应过程具有自发性，降低了人工操作难度。