CN110086832A - 一种协议转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种协议转换器，包括：若干协议通讯口，分别与若干第一通讯设备连接并接收或发送数据帧；若干扩展IO口，分别与若干第二通讯设备连接并接收或发送数据帧；微处理模块，与所述协议通讯口及所述扩展IO口连接，用于识别所述数据帧的帧头以缓存数据，在数据接收完后执行数据解包，并将解包后的数据进行协议转换后从对应的所述协议通讯口或对应的扩展IO口输出。本发明中的协议转换器可以搭载RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口等协议接口，可以满足绝大多数企业工厂设备的通信要求。

Description

一种协议转换器

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，尤其是一种协议转换器。

背景技术

近年来工业4.0的概念正在被逐渐推广，但协议标准化的缺失是限制其发展的瓶颈。目前工业设备使用协议不一，无法对使用不同协议的设备统一管理，造成不同的设备形成各自不同的独立封闭系统。

目前，国内许多自动化企业开始陆续装备了先进的自动化设备和在线检测仪器，这些设备可以有效地获取工业生产过程中的各种信息。但这些设备常常来自不同的公司，通信接口之间存在着通信协议、电气特征以及接口形式之间的差异，造成了不同设备之间相互封闭，形成了信息孤岛，不利于对生产现场实施全过程管理，无法解决不同企业生产的检测设备之间的网络互连问题。而目前市场大部分协议转换器只能进行一对一的协议转换，因此在机械密集的工厂需要大量的协议转换器，增加成本和设计复杂度。进一步，工厂生产环境高频电磁干扰较强，目前的协议转换器不能满足在此环境下稳定工作的要求，也无法进行软件的升级，无法适应当下技术快速发展的趋势。

因此，目前市场上亟需一种可以兼容大部分公司的生产设备的协议转换器来实现不同通讯设备之间的通信和协调，方便企业进行监管和维护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种协议转换器，以实现不同通讯设备之间的通信和协调。

为了达到上述目的，本发明提供了一种协议转换器，包括：

若干协议通讯口，分别与若干第一通讯设备连接并接收或发送数据帧；

若干扩展IO口，分别与若干第二通讯设备连接并接收或发送数据帧；

微处理模块，与所述协议通讯口及所述扩展IO口连接，用于识别所述数据帧的帧头以缓存数据，在数据接收完后执行数据解包，并将解包后的数据进行协议转换后从对应的所述协议通讯口或对应的扩展IO口输出。

可选的，所述协议通讯口包括RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口中一种或多种的组合。

可选的，所述微处理模块包括微处理器及若干协议控制器，所述协议控制器的数量和类型与所述协议通讯口的数量和类型相匹配。

可选的，所述微处理器采用STM32系列的单片机，且所述微处理器将数据缓存在内部FLASH中块1的扇区9的64字节存储区域中。

可选的，所述扩展IO口包括若干数字量IO口、若干模拟量IO口、若干继电器IO口以及若干模数转换IO口。

可选的，所述数字量IO口及所述模拟量IO口与所述微处理模块之间均设置有光电隔离模块。

可选的，所述扩展IO口还包括0mA-20mA的模拟输入检测IO口以及0V-10V的模拟输入检测IO口。

可选的，所述微处理模块采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统。

可选的，所述数据帧包括帧头、功能字节、数据块以及校验字节，所述帧头由第一字节至第八字节组成，用于识别所述数据帧；所述功能字节由第九字节至第十字节组成，其中第九字节的前半字节用于指定具体协议功能的代号，后半字节以及第十字节用于标识数据长度；所述数据块由第十一字节直倒数第二字节组成，用于传输数据；所述校验字节为最后一个字节，用于数据传输过程中准确度的判断，其中所述校验字节的校验值由功能字节和所有数据的累加和组成。

本发明具有如下有益效果：

(1)协议转换器可以搭载RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口等协议接口，可以满足绝大多数企业工厂设备的通信要求；

(2)协议转换器的微控制器内部FLASH创新性的开辟了64字节的存储空间，掉电数据不丢失，以满足不同工厂需求，且不会篡改应用程序空间的数据；

(3)协议转换器搭载FreeRTOS的SOC可进行高效率的任务调度，可靠性高，可以应对较为复杂的生产情况，可以通过专门的上位机加载相应的软件模块来实现可升级性，实现不同通讯设备和以太网的无缝连接，满足技术更新换代的要求；

(4)配置了若干数字量IO口、若干模拟量IO口、若干继电器IO口以及若干模数转换IO口，可以进行协议转换器功能的拓展；

(5)协议转换器的数字量IO口及模拟量IO口均采用光电隔离，核心电路采用磁珠抗电磁干扰，可有效地减少生产环境的高频电磁脉冲的干扰，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的协议转换器的结构框图；

图2a-2d分别为本发明实施例提供的协议转换器的结构框图；

图3为本发明实施例提供的RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口的电路图；

图4为本发明实施例提供的STM32F429的内部FLASH中固件程序占用空间分布图；

图5为本发明实施例提供的0mA-20mA的模拟输入检测IO口以及0V-10V的模拟输入检测IO口的电路图；

图6为本发明实施例提供的数据帧的组成图；

图7为本发明实施例提供的CAN处理接收的流程图；

其中，附图标记为：

1-协议通讯口；2-扩展IO口；3-微处理模块。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种协议转换器，包括：

若干协议通讯口1，分别与若干第一通讯设备连接并接收或发送数据帧；

若干扩展IO口2，分别与若干第二通讯设备连接并接收或发送数据帧；

微处理模块3，与所述协议通讯口1及所述扩展IO口2连接，用于识别所述数据帧的帧头以缓存数据，在数据接收完后执行数据解包，并将解包后的数据进行协议转换后从对应的所述协议通讯口1或对应的扩展IO口2输出。

本实施例中，如图2a-图2d所示，所述协议通讯口1包括RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口四种协议通讯口，基本囊括现有的主流设备企业的通讯协议，可以适配目前市场上绝大多数的通讯设备，其功能在于能够收集的第一通讯设备通讯协议的数据帧，再以其配备的通讯协议传入微处理模块3中，并按照相应的配置进行协议转换并进行输出。

进一步，所述微处理模块3包括微处理器及若干协议控制器，所述协议控制器的数量和类型与所述协议通讯口1的数量和类型相匹配。

本实施例中，所述微处理器采用STM32F429，STM32系列的单片机内部flash支持读写且掉电数据不会丢失，故可以用来在上电时对协议转换器进行参数设置，STM32F429的内部FLASH包含主存储器、系统存储器、OTP区域以及选项字节区域，它们的地址分布及大小如图3所示。因内部Flash同时兼具存储固件程序的作用，故选择存储地址以缓存数据时需要避开固件程序存储的空间，本固件程序占用空间大致大小如图4中的圈内所示，可见，固件程序使用的内部FLASH是从0x08000000至(0x08000000+0x00000b50)地址的空间区域，所以从扇区1(地址0x08004000)后的存储空间都可以作其它用途，使用这些存储区域时不会篡改应用程序空间的数据。为了确保不会因固件过大产生错误，本实施例将数据缓存的空间区域的设置在首地址为块1的扇区9(0x080A0000)的64字节上。当协议转换器上电时，可以将这些数据读取出来进行参数的初始化，这些参数可以通过专门的上位机进行设置。

进一步，本实施例中所述扩展IO口2包括若干数字量IO口、若干模拟量IO口、若干继电器IO口以及若干模数转换IO口。

进一步，所述数字量IO口与所述微处理模块3之间采用TLP521光电隔离模块隔离，将外部电信号转换为光信号，再由光敏单元转换成电信号，实现外部带有干扰的电信号与所述微处理模块3隔开，提高抗干扰能力，所述模拟量IO口与所述微处理模块3之间采用TLP521光电隔离模块隔离，将内部电信号转换为光信号，再由光敏单元转换成电信号，达到控制外部器件的目的。

进一步，如图5所示，所述扩展IO口2还包括0mA-20mA的模拟输入检测IO口以及0V-10V的模拟输入检测IO口。0-20mA模拟输入检测IO口采用运放OP-07构建的4～20mA输入/0～3.3V输出的I/V转换电路，运放OP-07采用TL431组成的高精度稳压电路，运放OP-07是高精度低失调的，使系统更加精确的检测输入电流。0-10V模拟输入检测IO口采用两个高精度的电阻1：4比例降压至0-2.5V供微处理模块3采集检测，其模拟输出功能模块采用XTR111精密V/I转换器，用于标准的0-20mA或4-20mA的模拟信号，最大源极电流可提升到36mA.输入电压与输出电流之间的转换比率是靠Rset电阻可改成电压输出。

所述继电器IO口采用HK4110F继电器，分配了四路继电器，每个继电器拥有常开、常闭和公共端三个接口，以供不同控制要求使用。

进一步，所述微处理模块3采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统，以更高效的任务调度和提高多协议之间转换时的准确度，提高系统的可靠性，同时，操作系统支持任务的挂起与复位，可应对因不明原因造成一个或多个通讯设备无法获取到信息的情况，并可已选择是否发出警报及警报发生的方式。

为了实现多协议之间转换，本实施例需要自定义通信协议，首先，如图6所示，定义与解析所述数据帧，所述数据帧包括帧头、功能字节、数据块以及校验字节，所述帧头由第一字节至第八字节组成，用于识别所述数据帧；所述功能字节由第九字节至第十字节组成，其中第九字节的前半字节用于指定具体协议功能的代号，后半字节以及第十字节用于标识数据长度；所述数据块由第十一字节直倒数第二字节组成，用于传输数据；所述校验字节为最后一个字节，用于数据传输过程中准确度的判断，其中所述校验字节的校验值由功能字节和所有数据的累加和组成。

具体操作过程为：当微处理模块3正确识别数据帧的前八字节的帧头后，将收到的数据缓，待数据接收完后，调用函数进行解包操作，解包操作将具体的功能代号、数据长度、数据都存入变量中，再进行累加和校验，如果校验不通过，丢弃本条数据帧，如果校验通过，待处理程序运行时根据功能代号执行具体操作。

此外，接收的数据帧需要符合上述定义的数据帧的要求，根据功能代号进行操作，具体的功能代号的含义可以如下表所示：

代号	功能
		1	RS485发送
2	RS232发送
		3	CAN发送
4	网口发送
		5	配置232/485
6	配置CAN
		7	配置以太网
8	配置发送格式

功能代号1-4用于发送，根据系统配置判断是否进行数据打包、添加帧头等操作。功能代号5-8用于配置，在接收到配置数据帧后，先改变系统变量，再存入内部FLASH中。

接下来，如图7所示，以CAN处理接收为例说明接收流程：

CAN的收发数据以8字节为单位，与数据帧的帧头匹配后，微处理模块3开启定时器并将8字节数据缓存，定时器等待不超时则循环进行存入缓存操作，在接收完成后，调用解包操作再具体进行处理。其他的协议通讯口1均以此方法处理接收数据。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种协议转换器，其特征在于，包括：

若干协议通讯口，分别与若干第一通讯设备连接并接收或发送数据帧；

若干扩展IO口，分别与若干第二通讯设备连接并接收或发送数据帧；

微处理模块，与所述协议通讯口及所述扩展IO口连接，用于识别所述数据帧的帧头以缓存数据，在数据接收完后执行数据解包，并将解包后的数据进行协议转换后从对应的所述协议通讯口或对应的扩展IO口输出。

2.如权利要求1所述的协议转换器，其特征在于，所述协议通讯口包括RS485协议通讯口、RS232协议通讯口、CAN协议通讯口及以太网协议通讯口中一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的协议转换器，其特征在于，所述微处理模块包括微处理器及若干协议控制器，所述协议控制器的数量和类型与所述协议通讯口的数量和类型相匹配。

4.如权利要求3所述的协议转换器，其特征在于，所述微处理器采用STM32系列的单片机，且所述微处理器将数据缓存在内部FLASH中块1的扇区9的64字节存储区域中。

5.如权利要求1所述的协议转换器，其特征在于，所述扩展IO口包括若干数字量IO口、若干模拟量IO口、若干继电器IO口以及若干模数转换IO口。

6.如权利要求5所述的协议转换器，其特征在于，所述数字量IO口及所述模拟量IO口与所述微处理模块之间均设置有光电隔离模块。

7.如权利要求5所述的协议转换器，其特征在于，所述扩展IO口还包括0mA-20mA的模拟输入检测IO口以及0V-10V的模拟输入检测IO口。

8.如权利要求1所述的协议转换器，其特征在于，所述微处理模块采用FreeRTOS嵌入式实时操作系统。

9.如权利要求1所述的协议转换器，其特征在于，所述数据帧包括帧头、功能字节、数据块以及校验字节，所述帧头由第一字节至第八字节组成，用于识别所述数据帧；所述功能字节由第九字节至第十字节组成，其中第九字节的前半字节用于指定具体协议功能的代号，后半字节以及第十字节用于标识数据长度；所述数据块由第十一字节直倒数第二字节组成，用于传输数据；所述校验字节为最后一个字节，用于数据传输过程中准确度的判断，其中所述校验字节的校验值由功能字节和所有数据的累加和组成。