CN110061911A - 一种基于国产化plc的modbus-rtu网关模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于国产化PLC的MODBUS‑RTU网关模块，包括背板总线连接器、第一电压转换模块、从站控制器、CPU芯片、光电耦合模块和控制芯片，所述背板总线连接器分别连接第一电压转换模块和从站控制器，第一电压转换模块还连接ISO‑POWER，本发明以国产PLC研发为平台，采用国产化芯片，实现EtherCAT与MODBUS协议转化，实现国产化PLC中EtherCAT总线与MODBUS总线设备互联互通的问题，拓宽该系列PLC的现场应用，兼容MODBUS—RTU通信协议的相关设备。

Description

一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块

技术领域

本发明涉及一种网关模块，具体是一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块。

背景技术

基于PLC在各种领域的广泛应用，以及国内巨大的市场潜力和市场需求，无论为了国防建设的安全，企业生产的安全，还是实现“工业4.0”和《中国制造2025》，国内需要一套自住、安全、可控的PLC产品。电子六所抓住国内对国产化PLC的需求，紧跟国际先进技术和成果，遵循工控行业标准，采用国产化芯片设计，研制了基于Ehercat总线的N系列PLC。本发明以国产PLC研发为平台，采用国产化芯片，研究设计了基于国产化PLC的一种MODBUS—RTU主站网关，用于实现EtherCAT与MODBUS协议转化，实现本国产化PLC中EtherCAT总线与MODBUS总线设备互联互通的问题，拓宽该系列PLC的现场应用，兼容MODBUS—RTU通信协议的相关设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，以解决所述背景技术中提出的问题。

为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，包括背板总线连接器、第一电压转换模块、从站控制器、CPU芯片、光电耦合模块和控制芯片，所述背板总线连接器分别连接第一电压转换模块和从站控制器，第一电压转换模块还连接ISO-POWER，从站控制器还连接CPU芯片，所述CPU芯片还分别连接DSU、FLASH、SARM和光电耦合模块，光电耦合模块还通过控制芯片连接DB-9接口。

作为本发明的进一步技术方案：所述CPU芯片选用国产SPARC V8架构处理器。

作为本发明的进一步技术方案：所述第一电压转换模块上还连接有第二电压转换模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述第二电压转换模块包括5V转3.3V转换模块和5V转1.2V转换模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述第一电压转换模块为24V转5V转换模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述从站控制器采用ET1200型以太网控制器。

作为本发明的进一步技术方案：所述第二电压转换模块采用LTC3374芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以国产PLC研发为平台，采用国产化芯片，实现EtherCAT与MODBUS协议转化，实现国产化PLC中EtherCAT总线与MODBUS总线设备互联互通的问题，拓宽该系列PLC的现场应用，兼容MODBUS—RTU通信协议的相关设备。

附图说明

图1为本发明的整体原理图。

图2为第一电压转换模块的电路图。

图3为第二电压转换模块的电路图。

图4为CPU芯片的原理图。

图5为FLASH的电路图。

图6为SRAM的电路图。

图7为从站控制器的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1，一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，包括背板总线连接器、第一电压转换模块、从站控制器、CPU芯片、光电耦合模块和控制芯片，所述背板总线连接器分别连接第一电压转换模块和从站控制器，第一电压转换模块上还连接有第二电压转换模块，第一电压转换模块、第二电压转换模块共同组成电源模块，能够完成有24V转5V、5V转3.3V、5V转1.2V的电压转换，其中3.3V为模块内部的各个芯片及其外围电路供电，1.2V为模块的CPU芯片的内核工作供电，隔离5.0V为隔离光耦芯片和RS485芯片及外围电路供电，第一电压转换模块还连接ISO-POWER，从站控制器还连接CPU芯片，所述CPU芯片还分别连接DSU、FLASH、SARM和光电耦合模块，光电耦合模块还通过控制芯片连接DB-9接口。CPU芯片选用国产SPARC V8架构高性能处理器，进行协议解析，数据传递。CPU外围的DSU电路主要用于CPU开发、调试与程序下载使用。Flash部分用于固件程序和用户数据的存储。SRAM部分是最小系统的运行内存，提高CPU运算处理速度能力。从站控制器电路部分：从站控制器负责处理EtherCAT数据帧，并使用双端口存储区实现EtherCAT主站与从站本地应用的数据交换，并按照在EtherCAT环路上的物理位置顺序以为读写数据帧。在报文经过EtherCAT从站时，ESC从报文中提取发送给自己的输出命令数据并将其存储到内部存储区，输入数据从内部存储区又被写到相应的子报文中。数据的提取和插入都是在该部分实现并完成的。光电耦合电路部分：为了提高模块的抗干扰能力与可靠性，使用光电耦合将RS485接口电路与模块其他部分进行隔离，又能实现有效数据的通信。RS485控制电路部分：该部分由RS485芯片与外围防护电路组成。实现将RS485电平与TTL电平的转换，并在RS485接口处进行过压保护。RS485通信速率最高可达10Mbps，通信距离最长1000米。

实施例2，在实施例1的基础上，第一电压转换模块如图2所示，24V直流电源经过电源防护电路后，通过24V转5V电路将24V电源转化为5V电源，在设计采用高效率的DC-DC芯片TPS5430。该芯片的输入电压为5.5V~36V,工作环境温度为-40℃~125℃，开关频率500KHz，最大输出电流3A，电源转换效率约为90%，具有输出过压保护、温度保护、过流保护功能；内部8ms软启动，可有效减小上电冲击电流；具有使能控制引脚ENA，软关断功能不用时此引脚可悬空处理。

第二电压转换模块如图3所示，在该模块中，3.3V电源主要为CPU以及其他元器件进行供电，1.2V为CPU内核进行供电。在这部分设计中，可以采用单路转单路DC-DC芯片，也可采用单路转多路DC-DC芯片。从模块可靠性角度进行考虑，在设计中尽量采用多路集成芯片，减少芯片器件的数量，从而提高模块的可靠性。该设计选用凌特公司LTC3374芯片，是DC_DC Buck电路，转化效率约90%，具有输出过压保护、温度保护、过流保护功能，输入电压范围2.25-5.5V，工作环境温度为-40℃~125℃，最多有8路输出，每一路输出最大电流为1A，开关频率为1-3MHz，芯片的每一路可以单独输出，也可以并行叠加，最多可以进行4路叠加输出4A的电流。根据前面的功耗预估，各路输出电流配置为3.3V@3A、1.2V@3A。

CPU芯片如图4所示，Modbus-RTU主站作为整个N系列国产化PLC的一个从站，模块的核心部分采用国产化微处理器，目的在于研发自主可控的国产化PLC系统。所以整个系统的模块在CPU的选型中，必须选用国产化微处理器。选用欧比特公司研发设计的国产化CPU芯片，该芯片是基于SPARC V8架构。

SPARC（Scalable Processor Architecture）全称为扩展处理器，是业界第一款出现具有可扩展性能的微处理器，与其它的处理器架构不同，它是开放的标准，目前是国际上较为流行的RISC处理器架构。SPARC架构最先由Sun公司提出，1987年，Sun和TI公司合作开发了SPARC RISC处理器，奠定了Sun公司在高端微处理器上的领先地位。1989年，SPARCInternational 组织成立，负责SPARC架构的标准管理，许多著名的公司，如欧空局、摩托罗拉、富士通、Oracle都是该组织的会员。在国内，SPARC架构是嵌入式控制系统微处理器常用的架构，在航天电子设备领域得到广泛的应用。

在本设计中，选用欧比特公司研发设计的国产化S698-T芯片，该芯片核心是基于SPARC V8架构的32位RISC嵌入式处理器，具有丰富的外设IO接口，CPU核心主频最高达200MHz，外设频率为100MHz，支持片内AMBA2.0总线，支持整型、浮点处理单元，支持1路DSU和2路UATR调试接口，内部集成PLL功能，IO工作电压为3.3V，内核电压为1.2V。CPU主要外设包括Flash、SRAM、DSU、UART、ET1200从站、RS485接口。

Flash电路如图5所示，在嵌入式系统中，必须有代码作为固件存在非易失性存储器中，在系统上电后，固件中的启动代码对系统进行初始化，然后其余代码进行运行。现在普遍用Flash进行存储代码，同时Flash也可以存储用户数据。Flash有norflash和nandflash两种，相对来说，norflash写速度较慢，读速度较快，nandflash的写速度较快，读速度较慢。在嵌入式CPU最小系统中，Flash主要用作存储固件，需要较快读速度，对写速度无太高的要求，所以一般嵌入式存储固件的Flash选用norflash类型。

本设计中，选用1Gbit大小的Flash作为CPU的外设PROM，芯片型号为S29GL01GP11T，该芯片采用3.3V供电，访问时间最快可到90ns，字操作数据出现在DQ15-DQ0；字节操作数据在DQ7-DQ0。管脚OE、WR、ROMSN分别是读使能、写使能、ROM片选，寻址空间为0x00000000~0x01FFFFFF。

根据芯片手册得到，读使能到输出数据的最大延时为30ns，所以读等待周期为最大为3，写操作时，数据建立时间最小为35ns，所以写等待周期为最大为4。

SRAM电路如图6所示，SRAM具有较快的读写速度，在CPU最小系统中起到高速缓存的作用，相当于系统的运行内存。在本设计中选用型号为S61WV102416BLL，大小为1M*16bit，供电电压为3.3V，引脚CE、OE、WE对应CPU芯片S698-T中RAM片选、输出使能、写使能，寻址空间为0x40000000~0x40000800。

根据芯片手册，读操作时，数据输出的最大延时为5ns，故最大可设读等待周期为1，写操作时，数据建立时间最小为5ns，所以写等待周期为1。

从站控制器如图7所示，主要功能是实现Ethercat数据链路层协议，处理Ethercat数据帧；系统通过从站控制器实现PLC主控模块与从站模块数据下发上报。

本设计中从站控制器采用倍福公司的ET1200，是从站与Ethercat总线之间的通信接口。ET1200芯片内部集成2路EBUS接口和1路可选择桥端口，3个FMMU单元，4个存储同步管理单元（SyncManager），1KB的过程数据RAM。芯片供电电压3.3V，内核电压2.5V，由集成的同相稳压器生成。，通过加入了L15、L16共模电感，L7-L14的磁珠，从而减少背板E-BUS信号的共模和差模干扰；对于未使用的端口依据手册建议采用下拉处理；EERPOM通过I²C总线与ET1200进行数据传输，用于存储从站配置信息，写周期最大可长达5ms，写入次数高达百万次，地址位通过拉低设为ob000。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，包括背板总线连接器、第一电压转换模块、从站控制器、CPU芯片、光电耦合模块和控制芯片，其特征在于，所述背板总线连接器分别连接第一电压转换模块和从站控制器，第一电压转换模块还连接ISO-POWER，从站控制器还连接CPU芯片，所述CPU芯片还分别连接DSU、FLASH、SARM和光电耦合模块，光电耦合模块还通过控制芯片连接DB-9接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述CPU芯片选用国产SPARC V8架构处理器。

3.根据权利要求1所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述第一电压转换模块上还连接有第二电压转换模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述第二电压转换模块包括5V转3.3V转换模块和5V转1.2V转换模块。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述第一电压转换模块为24V转5V转换模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述从站控制器采用ET1200型以太网控制器。

7.根据权利要求4所述的一种基于国产化PLC的MODBUS-RTU网关模块，其特征在于，所述第二电压转换模块采用LTC3374芯片。