CN109725575A - 可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统。具体包括：设计通信接口逻辑模块，用于实现协议传输、识别和分类；设计控制处理器模块，实现Device Net或CAN open或CCLINK或Modbus与CAN通信协议转换；CAN控制器模块，用于实现对UART总线的通信速率、流控方式、数据位、停止位、校验位的配置；核心CPU控制器模块，配置多种总线的驱动，实现主从站一体化设计；本发明对外连接器的接口要求具有相同的尺寸和封装，且为应对有些总线是以差分对形式进行传输，要求对外连接器所提供的差分对总数，为以上几种总线驱动模块的收发差分对总数和。该方案可通过一次通用模块的开发，兼容多种工业总线的灵活应用。具有应用范围广、时效性高、灵敏性强特点。

Description

可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统

技术领域

本发明属于自动化控制应用技术领域，具体涉及一种可兼容多种现场工业总线通信的应用系统。

背景技术

现场工业总线是工业机器人控制通信的重要组成部分，承担控制器与外围设备(如：电焊钳、视觉摄像头、焊机、切割机、传感器等)的数据交换任务。由于面对不同的接口及通信协议的需求，需要制作不同接口的载板电路或者应用模块来满足与不同外围设备的通信。导致产品种类繁多，也导致大量的低层次重复劳动以及研制成本的增加，工作效率低下。当前对工业机器人的需求呈快速增加趋势，为了适应测控环境的可靠性、安全性和多样性，结合专业单元建设特点，通过可兼容多种现场工业总线通信的应用设计来解决这方面的问题。

CCLINK底层协议遵循RS485通信，Devicenet现场总线协议是在CAN的基础之上定义应用层数据传输协议即采用CAN物理层和数据里链路层进行数据传输，在应用层定位数据传输和使用规则。Modbus协议物理接口符合RS232/422/485规范，其标准物理层采用的是RS-232C串行通信方式。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，该系统能够实现CCLINK、DeviceNet、Modbus和CANopen等总线与LOCAL BUS的灵活应用设计；该系统总线电路具有通用性、灵活应用性和可扩展性，可以替代一个系列的电路设计；该系统还可适用于搭载不同的主从站模块，无需更换硬件电路设计，适用于航空、机器人、汽车等行业。

技术方案：一种可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，包括：通信接口逻辑模块、CAN收发器、RS485模块、RS232模块、控制处理器、CAN控制器、CPU处理器；所述通信接口逻辑模块用于实现通信协议传输、识别和分类；所述CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别与通信接口逻辑模块连接用于实现通信电平转换；所述控制处理器与CAN收发器、RS485模块以及RS232模块连接，用于实现通信协议转换；所述CAN控制器与所述控制处理器连接用于实现对UART总线的通信速率、流控方式、数据位、停止位、校验位的配置；所述CPU处理器与CAN控制器连接完成CAN与LOCAL BUS协议的转换、总线驱动的配置及切换。

具体的，所述CAN收发器用于实现DeviceNet和CAN open的通信电平转换；所述RS485模块用于实现CCLINK的通信电平转换；所述RS232模块用于Modbus的通信电平转换。

具体的，所述可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统还包括存储电路EEPROM AT24C01C用于实现参数的配置应用。

具体的，所述Modbus协议标准物理层采用的是RS-232C串行通信方式。

具体的，所述控制处理器的转换器采用uClinux作为其软件开发平台，权限空间分为用户空间和内核空间；所述用户空间主要包括用户程序、可供用户调用的应用程序接口以及协议管理程序；所述内核空间是uClinux本身的程序内核支持系统，在运行时内核系统会自动或静态方式加载外围各种硬件设备的驱动程序。所述内核空间是通过所串口芯片驱动、CAN驱动或UART驱动控制转换器外围各功能部件工作。

具体的，所述CPU处理器与CAN控制器连接完成CAN与LOCAL BUS协议的转换、总线驱动的配置及切换，当数据从CAN控制器向CPU处理器转换时，CAN协议使用标准帧格式。

有益效果：本发明公开的一种可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统与现有技术相比，优点在于：1、可兼容自适应多种现场工业总线共用一个模块电路的设计，不需要制作不同接口的载板电路或者应用模块来满足与不同外围设备的通信。可以替代一个系列的电路设计，具有通用性、灵活应用性和可扩展性；2、通用模块的通信接口具有相同的管脚定义和尺寸封装，且兼容单端总线及差分总线的通信要求，具有较强的灵活应用性；3、通过对数字逻辑处理芯片的编程配置多种总线的驱动，实现驱动模块的主从站一体化设计。

附图说明

图1为本发明的通用模块方案原理框图；

图2为本发明的CAN控制器内部逻辑处理框图；

图3为本发明的控制处理器系统软件体系结构(用户空间)；

图4为本发明的控制处理器系统软件体系结构(内核空间)。

具体实施方式

如图1所示，一种可兼容自适应多种现场工业总线通信应用系统，具体搭建步骤如下：

1)搭建通用模块硬件电路。将通信接口逻辑模块分别与CAN收发器、RS485模块、RS232模块连接；通信接口逻辑模块主要实现通信协议传输、识别和分类；CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别主要实现DeviceNet和CAN open、CCLINK及Modbus的通信电平转换；

2)连接控制处理器模块，数字逻辑处理芯片中控制处理器模块主要实现DeviceNet或CAN open或CCLINK或Modbus与CAN通信协议转换；

3)连接CAN控制器模块，CAN控制器模块主要实现对UART总线的通信速率、流控方式、数据位、停止位、校验位的配置；

4)连接CPU处理器模块，CPU处理器模块主要完成CAN与LOCAL BUS协议的转换、总线驱动的配置及切换，实现主、从站一体化设计，即本专利发明模块即可作为主站也可作为从站设计；

5)对外连接器的接口要求具有相同的尺寸和封装，且为应对有些总线是以差分对形式进行传输，要求对外连接器所提供的差分对总数，为以上几种总线驱动模块的收发差分对总数和。

如图1所示，可兼容自适应多种现场工业总线通信应用系统的通用模块硬件电路平台包括：通信接口逻辑模块、CAN收发器、RS485模块、RS232模块；通信接口逻辑模块主要实现通信协议传输、识别和分类；CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别主要实现DeviceNet和CAN open、CCLINK及Modbus的通信电平转换。平台外围各模块主要实现功能如下：存储电路EEPROM AT24C01C主要实现参数的配置应用，主控电路核心芯片采用Xilinx公司的FPGA实现，时钟电路实现时钟的扩展应用。CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别连接控制处理器，控制处理器连接CAN处理器，CAN处理器连接CPU处理器。

Modbus协议标准物理层采用的是RS-232C串行通信方式，其逻辑电平为±5V～±15V之间，若要该接口与其他TTL逻辑电平相匹配。为此，需要CAN收发控制器、RS485模块及RS232模块电路。

CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别连接控制处理器，控制处理器采用的ARM7系列Philips LPC2292的嵌入式微控制器实现协议的转换及二次开发。本系统转换器采用uClinux作为其软件开发平台，其权限空间分为用户空间和内核空间。用户空间主要包括用户程序、可供用户调用的应用程序接口以及协议管理程序；而内核空间就是uClinux本身的程序内核支持系统，在运行时内核系统会自动或静态方式加载外围各种硬件设备的驱动程序。

如图3所示，控制处理器系统软件体系结构最底层为控制处理器的硬件电路，其上层为uClinux内核空间，内核空间是通过驱动程序(主要包括所串口芯片驱动、CAN驱动、UART驱动和其他驱动等)控制转换器外围各功能部件工作。这样内核空间就能通过驱动程序规范和控制系统的各路(CAN、RS232、RS485)接口正常工作。

如图3所示，控制处理器系统软件体系结构硬件设备的驱动过程如下：当转换器运行后首先执行引导程序，然后装载内核系统和文件系统以及启动操作系统，操作系统启动成功后开始加载上述各部件的驱动程序，当驱动程序加载完成之后，就要运行各种用户程序及相应协议程序，实现相应用户需要的功能。

如图2所示，图2为CAN控制器SJA100的内部逻辑处理框图，CAN控制器模块主要实现对UART总线的通信速率、流控方式、数据位、停止位、校验位的配置。

如图1所示，CPU处理器主要是完成LOCAL BUS与CAN通信协议的转换及主、从站驱动的配置与切换功能。当数据从CAN控制器向CPU处理器转换时，CAN协议使用标准帧格式。CPU处理器将得到的仲裁字段中11位标识符由高到低对应转换为LOCAL BUS通信。双口RAM电路与CPU处理器连接用于提高CPU处理数据速度。

如图1所示，通用模块对外连接器的接口具有相同的管脚定义、尺寸和封装，且为应对有些总线为提高传输精度，是以差分对形式进行传输，要求对外连接器所提供的差分对总数，为以上几种总线驱动模块的收发差分对总数和。

如图1、图3、图4所示，本发明可通过一次通用模块的开发，实现多种工业总线的灵活应用，可适用于工业机器人90％以上外部功能的连接应用，切换快速、灵敏性强、应用范围广且时效性高。

Claims (7)

1.一种可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，包括：通信接口逻辑模块、CAN收发器、RS485模块、RS232模块、控制处理器、CAN控制器、CPU处理器；其特征在于：所述通信接口逻辑模块用于实现通信协议传输、识别和分类；所述CAN收发器、RS485模块、RS232模块分别与通信接口逻辑模块连接用于实现通信电平转换；所述控制处理器与CAN收发器、RS485模块以及RS232模块连接，用于实现通信协议转换；所述CAN控制器与所述控制处理器连接用于实现对UART总线的通信速率、流控方式、数据位、停止位、校验位的配置；所述CPU处理器与CAN控制器连接完成CAN与LOCAL BUS协议的转换、总线驱动的配置及切换。

2.根据权利要求1所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述CAN收发器用于实现DeviceNet和CAN open的通信电平转换；所述RS485模块用于实现CCLINK的通信电平转换；所述RS232模块用于Modbus的通信电平转换。

3.根据权利要求1所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统还包括存储电路EEPROMAT24C01C用于实现参数的配置应用。

4.根据权利要求2所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述Modbus协议标准物理层采用的是RS-232C串行通信方式。

5.根据权利要求1所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述控制处理器的转换器采用uClinux作为其软件开发平台，权限空间分为用户空间和内核空间；所述用户空间主要包括用户程序、可供用户调用的应用程序接口以及协议管理程序；所述内核空间是uClinux本身的程序内核支持系统，在运行时内核系统会自动或静态方式加载外围各种硬件设备的驱动程序。

6.根据权利要求5所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述内核空间是通过所串口芯片驱动、CAN驱动或UART驱动控制转换器外围各功能部件工作。

7.根据权利要求1所述的可兼容自适应多种现场工业总线通信的应用系统，其特征在于：所述CPU处理器与CAN控制器连接完成CAN与LOCAL BUS协议的转换、总线驱动的配置及切换，当数据从CAN控制器向CPU处理器转换时，CAN协议使用标准帧格式。