CN107566042B - 一种profibus冗余环网光纤收发器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，其包括如下步骤：1)采集PROFIBUS报文的起始标志：2)采集并缓存PROFIBUS端口报文数据：3)FPGA程序处理电路对接收报文数据缓存区数据进行处理，发送至光纤接口：4)对光纤接口数据进行处理，判断环网状态、PROFIBUS隔离收发器接收发送状态：5)缓存光纤接口报文数据，并发送至PROFIBUS端口。本发明对PROFIBUS报文数据的处理方法适合高速信号的传输，提高了信号传输的稳定性，同时本发明对环网建立、环网故障、故障恢复的判断和处理合理可靠，提高了环网通信系统的可靠性、稳定性。

Description

一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法

技术领域

本发明属于现场总线光纤收发器领域，具体涉及一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法。

背景技术

PROFIBUS现场总线是当今应用最为广泛的工业通信网络之一，由于PROFIBUS现场总线的电气通信网络在应用时，受到传输距离、通讯速率、电磁干扰等方面的影响与限制，无法同时达到长距离和高速率的数据通信指标。PROFIBUS光纤收发器正好可以把PROFIBUS的电信号报文与光纤传输报文相互转换，使得PROFIBUS现场总线达到长距离、高速数据传输的目的。

冗余环网PROFIBUS光纤收发器，不仅支持点对点数据传输，也支持线性、星型、冗余环形网络的数据传输，冗余环网的组网方式，使系统在某一处光纤故障时，系统在很短时间内启用备用网络，实现故障短时自动恢复，保障系统正常通信，弥补了单光口PROFIBUS光纤收发器只能点对点数据传输，故障不能自动恢复的缺点，满足可靠性和稳定性要求较高的工业现场的需求。

目前冗余环网PROFIBUS光纤收发器设计难点在于：

1、如何判断冗余环网PROFIBUS光纤收发器内部隔离收发芯片的接收和发送状态。常用的方法是对报文进行解析，报文解析完毕再确定发送或接收状态，此方式增加了FPGA数据处理难度，同时增加了数据处理时延。

2、PROFIBUS数据报文经过PROFIBUS光纤收发器内部FPGA和光电转换模块处理后，必然会导致数据传输延时，增加数据传输的不稳定性。

3、冗余环网的环网构建以及故障恢复算法不同，故组建环网的自愈时间、环网通信的可靠性有较大差别。

申请号为201510598531.X的发明专利，公开了一种用于PROFIBUS的光纤接口转换模块的实现方法，通过FPGA算法对PROFIBUS报文进行解析、和调制/解调，使PROFIBUS信号能在电网络和光纤网络上相互转换和传输，其缺点在于需要反复更换波特率进行波特率搜索和报文正确性判断，使网络接通时间、信号延时增加，另外发明不能实现冗余环网功能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，其有效解决了现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，所述收发器的硬件包括电压转换电路，DCDC隔离电路，PROFIBUS隔离收发电路、FPGA程序处理电路、光电转换及接口电路以及拨码开关选择电路；所述实现方法包括如下步骤：

1)采集PROFIBUS报文的起始标志：

上电复位后，所述PROFIBUS隔离收发电路中的PROFIBUS隔离收发芯片ADM2486处于接收状态，当所述PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的RXD信号为低电平时，标志着PROFIBUS报文数据开始传输；开始接收并缓存RXD数据至PROFIBUS接收报文数据缓存区；

2)采集并缓存PROFIBUS端口报文数据：

在所述FPGA程序处理电路接收到PROFIBUS报文的起始标志后，开始接收报文数据并缓存至接收报文数据缓存区；

3)FPGA程序处理电路对接收报文数据缓存区数据进行处理，发送至光纤接口：

FPGA对接收报文数据缓存区数据处理是通过串并转换、8B10B转换以及并串转换实现的；

4)对光纤接口数据进行处理，判断环网状态、PROFIBUS隔离收发器接收发送状态：

对光纤接口数据的处理包括：解析光信号中PROFIBUS报文数据、环网状态标识、ID，从而判断环网通信状态；把一个光口接收的PROFIBUS报文数据转发至另一光口；判断PROFIBUS隔离收发器接收发送状态；

5)缓存光纤接口报文数据，并发送至PROFIBUS端口。

进一步，步骤1)中所述PROFIBUS隔离收发电路中的PROFIBUS隔离收发芯片ADM2486的接收和发送状态判断方法如下：

所述光电转换及接口电路接收的光信号转换成电信号后发送至所述FPGA程序处理电路，经FPGA数据处理后提取PROFIBUS报文数据进行缓存，当报文数据为高电平，并且高电平持续时间超过FPGA的定时器时间，则判断PROFIBUS报文处于空闲状态，FPGA给ADM2486的/RE和DE赋0，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于接收状态；当报文数据为低电平或者当报文数据为高电平并且高电平持续时间低于FPGA的定时器时间，则FPGA给ADM2486的/RE和DE赋1，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于发送状态，发送报文数据至PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的TXD。

进一步，步骤3)中FPGA对接收报文数据缓存区数据处理是通过串并转换、8B10B转换以及并串转换具体为：

所述FPGA程序处理电路接收所述PROFIBUS隔离收发电路的RXD发送过来的串行报文数据并缓存至接收报文缓存区，缓存的报文输入串并转换电路，按照8B码元的位定义把串行PROFIBUS报文数据转换成8B并行数据输出，设置环网通信状态正常标识为1，环网通信状态故障标识为0；若冗余环网光纤收发器为根节点收发器，则其8B码元中的ID为自身ID，若为子节点收发器，则其光口收到的数据中ID＝1，8B码元中的ID＝1，否则8B码元中的ID为子节点自身ID 0；该8B并行数据经过8B10B编码器转换成10B并行数据，10B并行数据通过串行器进行并串转换得到10B串行数据，串行数据进入所述光电转换及接口电路模块转换成光信号发送至光纤接口。

进一步，步骤4)中对光纤接口数据进行处理具体为：

某光口接收的光信号经过光电转换及接口电路模块转换成电信号，发送至FPGA程序处理电路的光口数据处理模块，信号经过解串器、10B8B解码器输出按照8B码元定义格式的8B并行数据，其最高位数据作为PROFIBUS发送报文数据缓存至发送报文缓存区，在PROFIBUS隔离收发器芯片处于发送状态时，FPGA发送该PROFIBUS报文数据至PROFIBUS隔离收发器的TXD，同时在10B8B解码器输出的8B码元中读取环网通信状态标识、ID，与PROFIBUS发送报文数据一起发送至PROFIBUS接口数据处理模块的串并转换单元，在串并转换单元中经过环网通信状态和ID判断后进行8B10B转换，再由并串转换单元转换后将串行数据转发至另一光口。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明对PROFIBUS报文数据的处理方法适合高速信号的传输，提高了信号传输的稳定性，同时本发明对环网建立、环网故障、故障恢复的判断和处理合理可靠，提高了环网通信系统的可靠性、稳定性。

附图说明

图1为本发明的PROFIBUS冗余环网光纤收发器的系统框图；

图2为本发明的FPGA数据处理框图；

图3为本发明的PROFIBUS接口数据处理流程图；

图4为本发明的光口数据处理流程图；

图5为本发明的环网检测流程图；

图6为本发明的环网网络拓扑图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1所示，本发明的PROFIBUS冗余环网光纤收发器硬件主要包括电压转换电路，DCDC隔离电路，PROFIBUS隔离收发电路、FPGA程序处理电路、光电转换及接口电路、拨码开关选择电路等。其中电压转换电路由电压转换芯片组成，其转换出来的电压给整个系统供电；DCDC隔离电路由DCDC电压隔离转换芯片组成，用于给PROFIBUS隔离收发电路供电；PROFIBUS隔离收发电路由PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486及其外围电路组成，ADM2486的RDX和TXD分别连接至FPGA的IO，ADM2486的/RE和RTS连接在一起后接到FPGA的IO，通过FPGA控制实现ADM2486数据的接收和发送；ADM2486的A、B分别与PROFIBUS数据接口的A、B相连。FPGA程序处理电路由lattice的FPGA芯片LFE3-17EA-6FN484C以及25MHz晶振电路、复位电路、串行FLASH存储电路、IO电路等、指示电路等外围电路组成，FPGA程序处理电路功能上分为PROFIBUS接口数据处理模块和光口数据处理模块等。如图2所示，PROFIBUS接口数据处理模块主要由接收数据缓存模块、串并转换模块、8B10B编码器模块、并串转换模块组成，光口数据处理模块主要由发送数据缓存模块、并串转换模块、10B8B解码器模块、串并转换模块组成；光电转换及接口电路由两个相同的光电转换模块及光纤接口组成；拨码开关选择电路主要用于设置冗余环网光纤收发器自身的ID。整个电路系统的接口有1个PROFIBUS数据接口、1个电源接口、两对光纤接口。PROFIBUS接口通过PROFIBUS总线与PROFIBUS隔离收发芯片ADM2486相连，ADM2486的RXD、TXD、/RE、DE分别连接至FPGA的IO口，FPGA与光电转换及接口电路通过hdin和hdout连接。

本发明的PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法包括如下步骤：

1)采集PROFIBUS报文的起始标志：

上电复位时，设置PROFIBUS报文处于空闲状态。PROFIBUS隔离收发芯片处于接收状态，当FPGA程序处理模块使用远高于PROFIBUS波特率的125M时钟信号进行信号采集和信号处理，当采集到PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的RXD信号为低电平时，开始接收并缓存RXD数据至PROFIBUS接收报文数据缓存区。光电转换及接口电路接收的光信号转换成电信号后发送至FPGA，经FPGA数据处理后提取PROFIBUS报文数据进行缓存，当报文数据为高电平，并且高电平持续时间超过FPGA的定时器时间，则判断PROFIBUS报文处于空闲状态，FPGA给ADM2486的/RE和DE赋0，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于接收状态；当报文数据为低电平或者当报文数据为高电平并且高电平持续时间低于FPGA的定时器时间，则FPGA给ADM2486的/RE和DE赋1，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于发送状态，发送报文数据至PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的TXD。此接收和发送状态判断方案无需分析报文数据内容即可判断PROFIBUS隔离收发器芯片的接收发送状态。

为了增加光纤网络中数据传输的稳定性，本发明中FPGA程序处理电路模块采用高速串行通信中广泛采用的8B10B编码思想对数据进行处理，并且对高3位码元做了新定义。8B码元从高位至低位依次为HGFEDCBA，H、G、F依次为PROFIBUS串行报文数据、环网通信状态标识、ID，EDCBA＝11100。FPGA程序处理电路包括PROFIBUS接口数据处理模块和光口数据处理模块等。

2)采集并缓存PROFIBUS端口报文数据：

在所述FPGA程序处理电路接收到PROFIBUS报文的起始标志后，开始接收报文数据并缓存至接收报文数据缓存区；

3)FPGA程序处理电路对接收报文数据缓存区数据进行处理，发送至光纤接口：

如图3所示，FPGA程序处理电路接收PROFIBUS隔离收发器RXD发送过来的串行报文数据并缓存至接收报文缓存区，缓存的报文输入串并转换电路，按照8B码元的位定义把串行PROFIBUS报文数据转换成8B并行数据输出，设置环网通信状态正常标识为1，环网通信状态故障标识为0；若冗余环网光纤收发器为根节点收发器，则其8B码元中的ID为自身ID，若为子节点收发器，则若其光口收到的数据中ID＝1，8B码元中的ID＝1，否则8B码元中的ID为子节点自身ID 0。该8B并行数据经过8B10B编码器转换成10B并行数据，10B并行数据通过串行器进行并串转换得到10B串行数据，串行数据进入光电转换及接口电路模块转换成光信号发送至光纤。

4)对光纤接口数据进行处理，判断环网状态、PROFIBUS隔离收发器接收发送状态：

FPGA程序处理电路中光口数据处理模块主要有2个功能：1是解析光信号中PROFIBUS报文数据、环网状态及ID；2是把一个光口接收的PROFIBUS报文数据转发至另一光口。

如图4所示，某光口接收的光信号经过光电转换及接口电路模块转换成电信号，发送至FPGA程序处理电路的光口数据处理模块，信号经过解串器、10B8B解码器输出按照8B码元定义格式的8B并行数据，其最高位数据作为PROFIBUS发送报文数据缓存至发送报文缓存区，在PROFIBUS隔离收发器芯片处于发送状态时，FPGA发送该PROFIBUS报文数据至PROFIBUS隔离收发器的TXD，同时在10B8B解码器输出的8B码元中读取环网通信状态标识、ID，与PROFIBUS发送报文数据一起发送至PROFIBUS接口数据处理模块的串并转换单元，在串并转换单元中经过环网通信状态和ID判断后进行8B10B转换，再由并串转换单元转换后将串行数据转发至另一光口。

PROFIBUS冗余环网光纤收发器组成环网时，通过拨码开关选择电路设置网络中的任意一台冗余环网光纤收发器为根节点收发器，其余光纤收发器为子节点收发器。FPGA程序处理电路通过检测拨码开关电路设置根节点光纤收发器自身的ID＝1、子节点光纤收发器自身的ID＝0。

如图5所示，环网形成和环网故障判断以及环网故障恢复判断方法如下：

冗余环网光纤收发器上电复位后，FPGA程序处理电路通过检测拨码开关状态，判断该冗余环网光纤收发器是根节点光纤收发器或者子节点光纤收发器，同时赋予对应的ID为1或者0。

环网任一冗余光纤收发器均可设置为根节点。如图6所示，设置冗余环网光纤收发器1为根节点说明环网形成和环网故障判断以及环网故障恢复的解决方案。

系统上电复位，默认环网处于故障状态，冗余环网光纤收发器1为根节点收发器，该冗余环网光纤收发器接收到PROFIBUS接口的报文数据后，经过FPGA程序处理电路中PROFIBUS接口数据处理模块处理后，根节点的ID通过光口1发送到下一级的冗余环网光纤收发器2的光口0，冗余环网光纤收发器2的光口0接收到的光信号经过光电转换及接口电路模块转换成电信号，电信号经过冗余环网光纤收发器2的光口数据处理模块后得到8B并行数据，其中8B数据中的ID为根节点ID，根据FPGA程序处理电路中PROFIBUS接口数据处理方案，此根节点ID将转发至冗余环网光纤收发器2的光口1，若环网中冗余环网光纤收发器间连接、通信正常，则此根节点ID以同样的方式传输至下一级冗余环网光纤收发器3、4......n，最终根节点ID必然传回到根节点冗余环网光纤收发器1的光口0。因此环网系统上电复位后，在一定时间内，根节点的光口0接收的数据中ID＝0，则可判断环网组网不成功，可置环网通信状态标识为0；若在一定时间内根节点的光口0持续接收的8B数据中ID＝1，则可判断环网组网成功，可置环网通信状态标识为1。环网组网成功后，阻塞根节点冗余环网光纤收发器的光口0与PROFIBUS隔离收发器芯片之间的通信，使光口0成为备用光口。

在环网组网成功后，若根节点的光口0接收的数据中ID＝0，则可判断环网通信出现故障，可置环网通信状态标识为0，同时FPGA程序处理电路模块打开备用光口0，使备用光口与PROFIBUS隔离收发器芯片之间可以进行数据传输，从而使环网通信成为线性网络通信，使通信在非常短的时间内恢复正常。在环网通信状态故障时，若根节点的光口0在持续一定时间内接收的数据中ID均为1，则可判断环网故障恢复正常。

5)缓存光纤接口报文数据，并发送至PROFIBUS端口。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，所述收发器的硬件包括电压转换电路，DCDC隔离电路，PROFIBUS隔离收发电路、FPGA程序处理电路、光电转换及接口电路以及拨码开关选择电路；其特征在于，所述实现方法包括如下步骤：

1)采集PROFIBUS报文的起始标志：

上电复位后，所述PROFIBUS隔离收发电路中的PROFIBUS隔离收发芯片ADM2486处于接收状态，当所述PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的RXD信号为低电平时，标志着PROFIBUS报文数据开始传输；开始接收并缓存RXD数据至PROFIBUS接收报文数据缓存区；

2)采集并缓存PROFIBUS端口报文数据：

在所述FPGA程序处理电路接收到PROFIBUS报文的起始标志后，开始接收报文数据并缓存至接收报文数据缓存区；

3)FPGA程序处理电路对接收报文数据缓存区数据进行处理，发送至光纤接口：

FPGA对接收报文数据缓存区数据处理是通过串并转换、8B10B转换以及并串转换实现的；

4)对光纤接口数据进行处理，判断环网状态、PROFIBUS隔离收发器接收发送状态：

对光纤接口数据的处理包括：解析光信号中PROFIBUS报文数据、环网状态标识、ID，从而判断环网通信状态；把一个光口接收的PROFIBUS报文数据转发至另一光口；判断PROFIBUS隔离收发器接收发送状态；

5)缓存光纤接口报文数据，并发送至PROFIBUS端口；

步骤1)中所述PROFIBUS隔离收发电路中的PROFIBUS隔离收发芯片ADM2486的接收和发送状态判断方法如下：

所述光电转换及接口电路接收的光信号转换成电信号后发送至所述FPGA程序处理电路，经FPGA数据处理后提取PROFIBUS报文数据进行缓存，当报文数据为高电平，并且高电平持续时间超过FPGA的定时器时间，则判断PROFIBUS报文处于空闲状态，FPGA给ADM2486的/RE和DE赋0，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于接收状态；当报文数据为低电平或者当报文数据为高电平并且高电平持续时间低于FPGA的定时器时间，则FPGA给ADM2486的/RE和DE赋1，使PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486处于发送状态，发送报文数据至PROFIBUS隔离收发器芯片ADM2486的TXD。

2.根据权利要求1所述的PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，其特征在于，步骤3)中FPGA对接收报文数据缓存区数据处理是通过串并转换、8B10B转换以及并串转换具体为：

所述FPGA程序处理电路接收所述PROFIBUS隔离收发电路的RXD发送过来的串行报文数据并缓存至接收报文缓存区，缓存的报文输入串并转换电路，按照8B码元的位定义把串行PROFIBUS报文数据转换成8B并行数据输出，设置环网通信状态正常标识为1，环网通信状态故障标识为0；若冗余环网光纤收发器为根节点收发器，则其8B码元中的ID为自身ID，若为子节点收发器，则其光口收到的数据中ID＝1，8B码元中的ID＝1，否则8B码元中的ID为子节点自身ID0；该8B并行数据经过8B10B编码器转换成10B并行数据，10B并行数据通过串行器进行并串转换得到10B串行数据，串行数据进入所述光电转换及接口电路模块转换成光信号发送至光纤接口。

3.根据权利要求1所述的PROFIBUS冗余环网光纤收发器的实现方法，其特征在于，步骤4)中对光纤接口数据进行处理具体为：

某光口接收的光信号经过光电转换及接口电路模块转换成电信号，发送至FPGA程序处理电路的光口数据处理模块，信号经过解串器、10B8B解码器输出按照8B码元定义格式的8B并行数据，其最高位数据作为PROFIBUS发送报文数据缓存至发送报文缓存区，在PROFIBUS隔离收发器芯片处于发送状态时，FPGA发送该PROFIBUS报文数据至PROFIBUS隔离收发器的TXD，同时在10B8B解码器输出的8B码元中读取环网通信状态标识、ID，与PROFIBUS发送报文数据一起发送至PROFIBUS接口数据处理模块的串并转换单元，在串并转换单元中经过环网通信状态和ID判断后进行8B10B转换，再由并串转换单元转换后将串行数据转发至另一光口。