CN110059513A - 一种基于profinet网络的rfid读写器系统 - Google Patents

一种基于profinet网络的rfid读写器系统 Download PDF

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Abstract

一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统，包括至少一个RFID读写器，PROFINET/RS‑485网关，以及用于所述RFID读写器组态的设备描述文件GSD，所述PROFINET/RS‑485网关包括壳体，所述壳体内设置有印刷控制电路板和连接器，所述印刷控制电路板包括：主控制器单元；电源保护单元，与电源输入连接器相连并接入所述主控制器单元；以太网隔离变压器转换单元，与所述PROFINET/RS‑485网关的PROFINET通信接口连接器连接并接入所述主控制器单元；差分串行通信转换单元，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入主控制器单元；以及智能电源开关单元，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入所述主控制器单元，通过所述主控制器单元控制开关供电，对外部供电的异常情况产生保护动作，并向所述主控制器单元发出故障信息。

Description

一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统
技术领域
本发明涉及一种RFID读写器系统，特别是一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统。
背景技术
PROFINET是一种开方式的、独立于供应商的工业以太网标准，用于生产自动化与过程自动化。PROFINET使用TCP/IP和IT标准；实现从公司管理级到网络到现场级网络的一致通信；提供可扩展的实时通信，包括等时同步的运动控制；集成保护人身、设备以及环境的安全技术(功能安全)；保护设备不受未经授权的访问(信息安全)；允许所有现场总线的无缝集成；提供详细且有意义的诊断信息；当使用集成多端口交换机的现场设备时，可实现如星型和总线型等灵活的拓扑结构；支持多种传输介质，例如，铜缆，光纤，无线等等；通过以上这些特性，PROFINET可满足工业自动化中使用以太网的所有要求。
PROFINET通信有着良好的实时性，其所传输的以太网消息帧按优先级排序，可确保消息传输绝对的确定性。等时同步(IRT)的循环时间仅为31.25μs，可完美满足诸如运动控制等高性能应用的各种要求。采用上位机进行组态时，所有设备参数设置均保存在设备描述(GSD)文件之中，该文件使用XML语言编写，XML的使用又可进一步简化参数设置过程。
RFID读写器是利用一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统和一种PROFINET网关。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统，包括至少一个RFID读写器，一个PROFINET/RS-485网关，以及对应所述PROFINET/RS-485网关的用于所述RFID读写器组态的设备描述文件GSD，所述PROFINET/RS-485网关包括壳体，所述壳体内设置有印刷控制电路板和M12连接器，所述壳体后部安装有导轨卡，用于将所述壳体固定于机柜安装导轨，其中，所述印刷控制电路板包括：
主控制器单元，通过软件实现PROFINET协议栈功能，使用实时操作系统内核；
电源保护单元，与电源输入连接器相连并接入所述主控制器单元，用于提供电源；
以太网隔离变压器转换单元，与所述PROFINET/RS-485网关的PROFINET通信接口连接器连接并接入所述主控制器单元，用于实现以太网两个信号差分对的电气隔离；
差分串行通信转换单元，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入主控制器单元，用于在RS-485差分串行通信信号和CMOS电平串行通信信号间进行物理电平转换；以及
智能电源开关单元，用于管理所述RFID读写器的供电，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入所述主控制器单元，通过所述主控制器单元控制开关供电，对外部供电的异常情况产生保护动作，并向所述主控制器单元发出故障信息。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，还包括：
状态指示单元，与所述主控制器单元连接，用于指示各个连接器对应端口的当前运行状态。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述异常情况包括外部供电发生的过流、过热和开路。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述主控制器单元包括：
主控制器，具备PROFINET通信协议栈并实现核心控制功能；
FLASH程序存储器，用于储存程序代码和设置信息；
易失性RAM存储器，用于运行数据存储；以及
多个电源处理电路，用于供应处理器及其他电路电源。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述主控制器具备两路以太网接口和多路串行通信接口。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述以太网隔离变压器转换单元分为2路，分别对应PROFINET/RS-485网关的两个接口，以实现隔离接收、发送差分对的电气隔离，并用于进行不同拓扑结构的网络连接。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述差分串行通信转换单元包括第一路、第二路、第三路和第四路端口，为半双工串行输入输出接口，其中所述第三路和第四路端口通过数字开关单元共用一个所述主控制器单元的串行通信接口。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述主控制器单元控制所述RFID读写器的供电电源对所述IPS智能电源开关单元投入或断开。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，所述主控制器单元还设置有预留信号传输接口，用于与外部设备进行数据调试信息的输出和软件的升级。
上述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其中，还包括电源处理单元，分别与所述电源保护单元和所述主控制器单元连接，所述电源处理单元包括：
开关控制电路，用于实现受控的脉宽调制功能；
储能回路，包括电解电容；
续流回路，包括肖特基二极管和功率电感；以及
反馈回路，包括采样电阻和比较电路。
本发明的技术效果在于：
本发明所提供的基于PROFINET网络的RIFD读写器，满足了一种安装简便、使用可靠、功能齐全的工业现场总线RFID读写功能要求，该装置集成了RFID读写器、PROFINET网关的功能，采用ARM9内核的PROFINET专用处理器，配合内置PROFINET协议栈、嵌入式实时操作系统以及应用软件控制，能够满足在RS-485和PROFINET之间进行连通、安装简单、通信响应迅速及智能化集成的需求。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的印刷控制板电路原理框图；
图2为本发明一实施例的电源处理电路原理框图；
图3为本发明一实施例的RFID接口处理电路原理框图；
图4为本发明一实施例的PROFINET接口处理电路原理框图。
其中，附图标记
1 电源接口
2 电源保护单元
3 电源处理单元
4 RFID接口
5 智能电源开关单元
6 差分串行通信转换单元
7 选通数字开关单元
8 PROFINET接口
9 以太网隔离变压器单元
10 主控制器单元
11 状态指示单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1，图1为本发明一实施例的印刷控制板电路原理框图。本发明的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，包括至少一个RFID读写器(本实施例优选为1-4个)，一个PROFINET/RS-485网关，以及对应所述PROFINET/RS-485网关的用于所述RFID读写器组态的设备描述文件GSD，所述PROFINET/RS-485网关包括壳体，所述壳体内设置有印刷控制电路板和M12连接器，所述壳体后部安装有导轨卡，用于将所述壳体固定于机柜安装导轨，所述印刷控制电路板包括：主控制器单元10，通过软件实现PROFINET协议栈功能，使用实时操作系统内核，主控制器单元10采用带有PROFINET协议栈功能，具备两路以太网接口，以及多路通用输入输出接口，多路串行通信接口的微控制器作为核心，主控制器单元10还可采用片外RAM和ROM存储器，用于存储运行数据和程序及设置数据。主控制器单元10内部通过软件实现PROFINET协议栈功能，使用实时操作系统内核，并在此基础之上实现控制器片上设备及外部设备的控制驱动程序、运行本发明的应用程序，实现本发明的各种功能；电源保护单元2，与电源输入连接器相连并接入所述主控制器单元10，用于提供电源；以太网隔离变压器单元9(参见图4)，与所述PROFINET/RS-485网关的PROFINET通信接口连接器连接并接入所述主控制器单元10，用于实现以太网两个信号差分对的电气隔离，所述以太网隔离变压器单元9可分为2路，分别对应PROFINET/RS-485网关的两个接口，以实现隔离接收、发送差分对的电气隔离，并用于进行不同拓扑结构的网络连接；差分串行通信转换单元6，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入主控制器单元10，用于在RS-485差分串行通信信号和CMOS电平串行通信信号间进行物理电平转换，其中，所述差分串行通信转换单元6包括第一路、第二路、第三路和第四路端口，为半双工串行输入输出接口，其中所述第三路和第四路端口通过数字开关单元共用一个所述主控制器单元10的串行通信接口；以及智能电源开关单元5，用于管理所述RFID读写器的供电，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入所述主控制器单元10，通过所述主控制器单元10控制开关供电，对外部供电的异常情况产生保护动作，并向所述主控制器单元10发出故障信息，其中，所述异常情况可包括外部供电发生的过流、过热和开路等，所述主控制器单元10控制所述RFID读写器的供电电源对所述IPS智能电源开关单元5投入或断开。所述主控制器单元10还可设置有预留信号传输接口，用于与外部设备进行数据调试信息的输出和软件的升级。
本实施例还可包括：状态指示单元11，与所述主控制器单元10连接，用于指示各个连接器对应端口的当前运行状态。状态指示单元11连接在主控制器单元10上，用于指示当前各个连接器对应端口的故障状态。例如，发光二极管L1、L2指示系统状态，发光二极管L3、L4指示PROFINET端口的状态，发光二极管L5、L6指示PROFINET端口的状态，发光二极管L7、L8指示RFID端口的状态，发光二极管L9、L10指示RFID端口的状态，发光二极管L11、L12指示RFID端口的状态，发光二极管L13、L14指示RFID端口的状态等。通过状态指示单元11可以实时了解运行情况，出现故障时，可以提示故障状态，结合组态端的故障代码，使用户及时地采取对应措施解决故障。
参见图2，图2为本发明一实施例的电源处理电路原理框图。本实施例中还包括电源处理单元3，集成了多个电源处理电路，将电源保护单元2所提供的外部电源转换为控制器所需要的一系列不同电压的供电。电源处理单元3分别与所述电源保护单元2和所述主控制器单元10连接，所述电源处理单元3包括：开关控制电路，实现受控的脉宽调制功能；储能回路，包括电解电容；续流回路，包括肖特基二极管和功率电感；以及反馈回路，包括采样电阻和比较电路。如图2所示，系统外部供电通过电源接口1输入至印刷控制电路板，经过电源保护单元2进入电源处理单元3。电源保护单元2的保护电路实现防止电源反接功能、过电压保护功能、短路及过电流保护功能、电源滤波功能等，确保符合后续系统要求的安全的供电标准。电源处理单元3采用开关电源电流实现，最大28V电压输入，连续2A电流负载能力，300KHz开关频率。电路内部具备开关控制电路，实现受控的脉宽调制功能，由电解电容构成储能回路，由肖特基二极管及功率电感构成续流回路，由采样电阻、比较电路构成反馈回路。经过一系列处理电路，电源处理单元3向印刷电路板的系统提供稳定的直流5V供电。
参见图3，图3为本发明一实施例的RFID接口4处理电路原理框图。本实施例的所述主控制器单元10包括：主控制器，具备PROFINET通信协议栈并实现核心控制功能，所述主控制器具备两路以太网接口和多路串行通信接口；FLASH程序存储器，用于储存程序代码和设置信息；易失性RAM存储器，用于运行数据存储；以及多个电源处理电路，用于供应处理器及其他电路电源。如图3所示，RFID接口4同时实现RFID读写器的RS-485串行通信和对RFID读写器的供电功能。智能电源开关单元5以IPS器件为核心，实现受控的电源开关功能，通过主控制器单元10控制开关的供电，并反过来将供电回路的异常状态及故障信息输出给主控制器单元10。该智能电源开关单元5最大电流负载能力为500mA，具有过流保护、短路保护、热关断、低电压自锁、开路诊断等故障保护和诊断功能，能够保障外接RFID读写器设备的基本用电安全，提高系统的供电稳定性。差分串行通信转换单元6用于实现RFID读写器的RS-485通信信号和主控制器单元10的CMOS电平串行通信信号间的转换功能，RS-485的半双工差分串行通信适合工业场合应用。采用115200bps的传输波特率，能够尽可能提高通信速度，增加通信的单位时间的信息携带能力。由于主控制器单元10的设备资源所限，需要对其某一路串行通信接口进行复用分配，即一个串行通信接口连接两个RFID读写器通信接口。选通数字开关单元7用来实现通信接口的复用功能，选通控制由主控制器单元10根据通信进程进行自动控制。开关导通建立时间为纳秒级，对通信速率不产生影响。
本发明满足了一种安装简便、使用可靠、功能齐全的工业现场总线RFID读写功能要求，该装置集成了RFID读写器、PROFINET网关的功能，采用ARM9内核的PROFINET专用处理器，配合内置PROFINET协议栈、嵌入式实时操作系统以及应用软件控制，能够满足在RS-485和PROFINET之间进行连通、安装简单、通信响应迅速及智能化集成的需求。在本发明中，依赖于硬件功能支持和设备描述语言规定，可通过PC端组态软件对RFID通信端口的启动/禁用状态进行设置、对设备读取周期进行设置、对UID区域及用户数据区域进行读写操作。通过内部预留串行通信调试信息接口，可进行设备运行调试信息的监测；设置设备IP地址、MAC地址等基本信息；离线状态下模拟PROFINET事件过程。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PROFINET网络的RFID读写器系统，包括至少一个RFID读写器，一个PROFINET/RS-485网关，以及对应所述PROFINET/RS-485网关的用于所述RFID读写器组态的设备描述文件GSD，所述PROFINET/RS-485网关包括壳体，所述壳体内设置有印刷控制电路板和连接器，所述壳体后部安装有导轨卡，用于将所述壳体固定于机柜安装导轨，其特征在于，所述印刷控制电路板包括：
主控制器单元，通过软件实现PROFINET协议栈功能，使用实时操作系统内核；
电源保护单元，与电源输入连接器相连并接入所述主控制器单元，用于提供电源；
以太网隔离变压器转换单元，与所述PROFINET/RS-485网关的PROFINET通信接口连接器连接并接入所述主控制器单元，用于实现以太网两个信号差分对的电气隔离；
差分串行通信转换单元，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入主控制器单元，用于在RS-485差分串行通信信号和CMOS电平串行通信信号间进行物理电平转换；以及
智能电源开关单元，用于管理所述RFID读写器的供电，与所述RFID读写器的接口连接器连接并接入所述主控制器单元，通过所述主控制器单元控制开关供电，对外部供电的异常情况产生保护动作，并向所述主控制器单元发出故障信息。
2.如权利要求1所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，还包括：
状态指示单元，与所述主控制器单元连接，用于指示各个连接器对应端口的当前运行状态。
3.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述异常情况包括外部供电发生的过流、过热和开路。
4.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述主控制器单元包括：
主控制器，具备PROFINET通信协议栈并实现核心控制功能；
FLASH程序存储器，用于储存程序代码和设置信息；
易失性RAM存储器，用于运行数据存储；以及
多个电源处理电路，用于供应处理器及其他电路电源。
5.如权利要求4所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述主控制器具备两路以太网接口和多路串行通信接口。
6.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述以太网隔离变压器转换单元分为2路，分别对应PROFINET/RS-485网关的两个接口，以实现隔离接收、发送差分对的电气隔离，并用于进行不同拓扑结构的网络连接。
7.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述差分串行通信转换单元包括第一路、第二路、第三路和第四路端口，为半双工串行输入输出接口，其中所述第三路和第四路端口通过数字开关单元共用一个所述主控制器单元的串行通信接口。
8.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述主控制器单元控制所述RFID读写器的供电电源对所述IPS智能电源开关单元投入或断开。
9.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，所述主控制器单元还设置有预留信号传输接口，用于与外部设备进行数据调试信息的输出和软件的升级。
10.如权利要求1或2所述的基于PROFINET网络的RFID读写器系统，其特征在于，还包括电源处理单元，分别与所述电源保护单元和所述主控制器单元连接，所述电源处理单元包括：
开关控制电路，用于实现受控的脉宽调制功能；
储能回路，包括电解电容；
续流回路，包括肖特基二极管和功率电感；以及
反馈回路，包括采样电阻和比较电路。
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