CN111600907A - 一种工业以太网下控制asi从站的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业以太网下控制ASI从站的装置及方法，其中所述的装置包含工业以太网解析模块和数据交换模块，所述工业以太网解析模块用以对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；所述数据交换模块用以进行顶层任务调度：数据包的获取与发送、进行数据交换、管理和系统扩展。本发明实现了在工业以太网下控制ASI从站的方法，主站和ASI从站之间的数据可以实现毫秒级通信。

Description

一种工业以太网下控制ASI从站的装置及方法
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，具体涉及一种工业以太网下ASI控制从站的装置及方法。
背景技术
Profinet为工业自动化通信领域的,基于工业以太网和IT标准的现场总线(Fieldbus)通信系统，其将成熟的Profibus现场总线技术的数据交换技术和基于工业以太网的通信技术整合到一起，具有多制造商产品之间的通讯能力，自动化和工程模式，并针对分布式智能自动化系统进行了优化，其应用结果能够大大节省配置和调试费用。
执行器-传感器接口总线系统(Actuator-Sensor Interface,ASI)是一种用来在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间双向交换信息的总线网络。它属于现场总线(Fieldbus)下面的底层通信网络系统，主要用于具有开关量特征的传感器和执行器系统,传感器可以是各种原理的位置接近开关,温度、压力、流量、液位开关等；执行器可以是各种开关阀门、声、光报警器,也可以是继电器、接触器等低压开关电器。
在现有的自动化控制系统中，连接PLC(Programmable Logic Controller)与ASI装置的现场总线技术包含有Profibus、Hart、Modbus等总线技术，均缺乏一种更好地控制ASI从站的解决方案。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种工业以太网下控制ASI从站的装置，包括工业以太网解析模块和数据交换模块，其中：
所述工业以太网解析模块用以对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；
所述数据交换模块用以顶层任务的调度：数据包的获取与发送、进行数据交换、管理和系统扩展。
进一步地，所述帧请求信息包括参数设置服务、组态服务、读取配置服务、数据交换服务和诊断服务。
进一步地，所述数据交换模块包括数据处理模块，工业以太网接收缓冲模块，ASI接收缓冲模块，其中：
所述数据处理模块接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展；
所述工业以太网接收缓冲模块用以缓冲和转发工业以太网数据；
所述ASI接收缓冲模块用以缓冲和转发ASI总线数据。
进一步地，所述的工业以太网为Profinet。
进一步地，所述ASI接收缓冲模块包括底层驱动模块，高速ADC模块以及高速DDS模块，其中：
所述底层驱动模块用以控制高速ADC模块，编码和解码，数据校验和完整性判断；
所述高速ADC模块实现ASI总线上模拟波形的采样；
所述高速DDS模块实现ASI总线上模拟波形的生成。
进一步地，所述的工业以太网接收缓冲模块与ASI接收缓冲模块由FPGA实现，数据处理模块由MCU实现。
本发明还提供一种工业以太网下控制ASI从站的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)工业以太网解析模块对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；
(2)数据交换模块进行顶层任务调度：数据包的获取与发送、进行数据交换、管理和系统扩展。
进一步的，所述的方法步骤(1)具体包括：
(1)工业以太网解析模块接受从工业以太网主站发送的帧请求信息，并解析帧请求服务类型，进行相应的处理和答复；
(2)工业以太网解析模块根据帧请求信息判断参数设置，组态配置是否完全正确，如果正确，则进入数据交换阶段；
进一步的，所述的方法步骤(2)具体包括：
(1)数据处理模块接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展；
(2)工业以太网接收缓冲模块缓冲和转发工业以太网数据；
(3)ASI接收缓冲模块缓冲和转发ASI总线数据。
进一步的，所述的数据交换方法，包括数据下传与数据上传两个步骤：
(1)在数据的下传阶段，包括：
Profinet接收缓冲模块中的FPGA处理Profinet帧的接收转发，并进行CRC校验和数据完整性判断；
数据处理模块解析Profinet数据帧，获得地址信息和数据信息，根据目的地址按照ASI数据帧格式重新打包数据，并生成输出数据映像区；
数据处理模块按照ASI周期轮询总线，将输出数据映像区的数据发送至ASI接收缓冲模块中的FPGA的接收缓冲区,利用FIFO接收arm发送的数据，再对数据编码；
ASI接收缓冲模块利用FIFO接收arm发送的数据，再对数据编码，最后用高速DDS实现符合ASI要求的sin^2x波形并发送至总线；
(2)在数据的上传阶段，包括：
ASI接收缓冲模块中的FPGA控制高速ADC模块对ASI从站响应波形进行过采样，并存入内部FIFO中；
将数据解码，解码后对数据进行奇偶校验并判断数据完整性，若数据正确则转发至数据处理模块；
数据处理模块根据从站响应数据生成输入数据映像表，将输入数据映像表中的数据包拆包并解析目的地址以及数据报文，重新按照Profinet报文格式进行打包；
数据处理模块将数据发送至处理Profinet帧的工业以太网接收转发模块,处理Profinet帧的工业以太网接收转发模块利用其FPGA内部的fifo接收arm发送的数据，再发送回Profinet解析模块。
本发明获得了以下的技术效果：
(1)在工业以太网下实现控制ASI从站；
(2)高实时性：能够在Profinet主站和ASI从站之间的数据实现毫秒级通信；
(3)高兼容性：本发明的方案可以兼容不同设备，具有良好的兼容性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例系统顶层任务调度流程示意图；
图3为本发明实施例PLC与ASI从站的数据交换流程示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1展示了一种工业以太网下控制ASI从站的装置的硬件结构图，如图所示：包括工业以太网解析模块和数据交换模块，所述工业以太网解析模块用以对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；所述数据交换模块用以进行顶层任务调度：接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展。
本实施例中，所述帧请求信息包括参数设置服务、组态服务、读取配置服务、数据交换服务和诊断服务。
作为一种优选实施方式，所述数据交换模块包括数据处理模块，工业以太网接收缓冲模块，ASI接收缓冲模块。
为了清楚具体说明本发明的技术方案，本实施例中，工业以太网以Profinet为例进行说明，则工业以太网接收缓冲模块则为Profinet接收缓冲模块，工业以太网帧则为Profinet帧。
所述数据处理模块用以对接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展。数据处理模块与工业以太网接收缓冲模块及ASI接收缓冲模块通过接口进行双向通信。
所述工业以太网接收缓冲模块用以缓冲和转发工业以太网数据；
所述ASI接收缓冲模块用以缓冲和转发ASI总线数据，作为一种优选实施方式，ASI接收缓冲模块中包含底层驱动模块、高速ADC模块以及高速DDS模块，高速ADC模块与高速DDS模块分别与ASI总线连接，ASI接收缓冲模块中的高速ADC模块与高速DDS模块分别与ASI总线连接，所述高速ADC模块实现ASI总线上模拟波形的采样，高速DDS模块实现ASI总线上模拟波形的生成，底层驱动模块用以控制高速ADC模块，编码和解码，数据校验和完整性判断。
作为优选方案，所述的工业以太网接收缓冲模块与ASI接收缓冲模块由FPGA实现，数据处理模块由高性能MCU实现。本具体实施例中，所述FPGA为Xilinx Artix-7系列，所述的高性能MCU为STM32H7系列单片机。
本实施例中，工业以太网控制ASI从的方法包括如下步骤，工业以太网解析模块对工业以太网帧请求信息进行响应和处理，数据交换模块进行顶层任务调度，包括数据包的获取和发送、进行数据交换、管理和系统扩展。
帧请求信息包括参数设置服务、组态服务、读取配置服务、数据交换服务和诊断服务，工业以太网解析模块接受从工业以太网主站发送的帧请求信息，并解析帧请求服务类型，根据帧请求信息判断参数设置，组态配置是否完全正确，如果正确，则进入数据交换阶段。
请参阅图2，图2为本发明实施例系统顶层任务调度流程示意图。数据交换模块获取输出数据映像区，读取上层工业以太网解析模块的数据包，数据交换阶段、管理阶段和系统扩展阶段均为本系统与若干ASI进行数据交换(包括配置数据，输入输出数据等各种数据)。数据交换模块发送输入数据映像区，按照profinet协议重新打包ASI数据发送至解析模块。主站和从站之间以轮询的方式进行通信。
在数据交换阶段中，数据交换模块轮询激活和可测列表，如果未响应，将其从激活和可测列表移除，管理阶段中，可执行写参数，读写扩展ID码等操作，默认不执行任何操作，设定从站参数、读取从站状态、设置从站地址等功能均在管理阶段完成，报文以一个总线周期为周期发送，若需要完成多次呼叫的功能，则需要多个总线周期的时间才能完成。为了保证ASI周期轮询的实时性，系统扩展阶段分为4个阶段，分别在四个ASI周期中完成：
(1)扫描所有不在激活列表中的从站，如果存在响应则在下一个ASI周期时进入下一个阶段。
(2)循环访问不在可测从机列表中的从站，如果存在响应则在下一个ASI周期进入第三阶段。如果都没有响应，返回初始态。
(3)通过写参数指令激活可测从机列表中的从站，在下一个ASI周期时进入第四阶段。
(4)对系统扩展的从站进行正常数据交换，并且下一个ASI周期返回第一阶段。
请参阅图3，图3为本发明实施例PLC与ASI从站的数据交换流程示意图，数据交换分为数据下传和数据上传两个步骤。
数据下传是指Profinet网段的数据发送至ASI从站装置。
1、处理Profinet帧的接收转发模块由FPGA实现，利用FPGA内部的IP核生成的fifo，完成Profinet解析模块所发送数据的接收缓冲，并进行CRC校验和数据完整性判断，之后Profinet帧通过SPI接口从FPGA内存区传入arm内存区。
2、数据处理模块解析Profinet数据帧，获得地址信息和数据信息，根据目的地址按照ASI数据帧格式重新打包数据，并生成输出数据映像区。MCU按照ASI周期轮询总线，将输出数据映像区的数据发送至FPGA中的接收缓冲区。
3、处理ASI数据的接收转发模块由FPGA实现，首先利用FIFO接收arm发送的数据，再对数据进行曼切斯特编码，最后用外置高速DDS实现符合ASI要求的sin^2x波形并发送至总线。
数据上传是指将ASI从站装置的实时数据和响应报文发送至Profinet网段。
1、ASI从站对于符合ASI要求的sin^2x波形进行响应。在处理ASI数据的接收转发模块中FPGA控制高速ADC对ASI从站响应波形进行过采样，并存入内部FIFO中，接着将数据进行曼切斯特解码，解码后对数据进行奇偶校验并判断数据完整性，若数据正确则转发至数据处理模块。
2、数据处理模块根据从站响应数据生成输入数据映像表，将输入数据映像表中的数据包拆包并解析目的地址以及数据报文，重新按照Profinet报文格式进行打包。MCU将数据通过SPI接口发送至处理Profinet帧的接收转发模块。
3、处理Profinet帧的接收转发模块利用FPGA内部的fifo接收arm发送的数据，再发送回Profinet解析模块。
本发明获得了以下的技术效果：
(1)在工业以太网下实现控制ASI从站；
(2)高实时性：能够在Profinet主站和ASI从站之间的数据实现毫秒级通信；
(3)高兼容性：本发明的方案可以兼容不同设备，具有良好的兼容性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种工业以太网下控制ASI从站的装置，其特征在于：包括工业以太网解析模块和数据交换模块，其中：
所述工业以太网解析模块用以对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；
所述数据交换模块用以进行顶层任务调度：数据包的获取与发送、进行数据交换、管理和系统扩展。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的工业以太网为Profinet。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述帧请求信息包括参数设置服务、组态服务、读取配置服务、数据交换服务和诊断服务。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述数据交换模块包括数据处理模块，工业以太网接收缓冲模块，ASI接收缓冲模块，其中：
所述数据处理模块用以接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展；
所述工业以太网接收缓冲模块用以缓冲和转发工业以太网数据；
所述ASI接收缓冲模块用以缓冲和转发ASI总线数据。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述ASI接收缓冲模块包括底层驱动模块，高速ADC模块以及高速DDS模块，其中：
所述底层驱动模块用以控制高速ADC模块，编码和解码，数据校验和完整性判断；
所述高速ADC模块实现ASI总线上模拟波形的采样；
所述高速DDS模块实现ASI总线上模拟波形的生成。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的工业以太网接收缓冲模块与ASI接收缓冲模块由FPGA实现，数据处理模块由MCU实现。
7.一种工业以太网下控制ASI从站的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)工业以太网解析模块对工业以太网帧请求信息进行响应和处理；
(2)数据交换模块进行顶层任务调度：数据包的获取与发送、数据交换、管理和系统扩展。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：
(1)工业以太网解析模块接受从工业以太网主站发送的帧请求信息，并解析帧请求服务类型，进行相应的处理和答复；
(2)工业以太网解析模块根据帧请求信息判断参数设置，组态配置是否完全正确，如果正确，则进入数据交换阶段。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：
(1)数据处理模块接收解析工业以太网数据包和ASI数据包，进行数据交换，管理和系统扩展；
(2)工业以太网接收缓冲模块缓冲和转发工业以太网数据；
(3)ASI接收缓冲模块缓冲和转发ASI总线数据。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述数据交换包括数据下传与数据上传两个步骤：
(1)在数据的下传阶段包括：
工业以太网接收缓冲模块中的FPGA处理工业以太网帧的接收转发，并进行CRC校验和数据完整性判断；
数据处理模块解析工业以太网帧的数据，获得地址信息和数据信息，根据目的地址按照ASI数据帧格式重新打包数据，并生成输出数据映像区；
数据处理模块按照ASI周期轮询总线，将输出数据映像区的数据发送至ASI接收缓冲模块中的FPGA的接收缓冲区,利用FIFO接收arm发送的数据，再对数据编码；
ASI接收缓冲模块利用FIFO接收arm发送的数据，再对数据编码，最后用高速DDS实现符合ASI要求的sin^2x波形并发送至总线；
(2)在数据的上传阶段包括：
ASI接收缓冲模块中的FPGA控制高速ADC模块对ASI从站响应波形进行过采样，并存入内部FIFO中；
将数据解码，解码后对数据进行奇偶校验并判断数据完整性，若数据正确则转发至数据处理模块；
数据处理模块根据从站响应数据生成输入数据映像表，将输入数据映像表中的数据包拆包并解析目的地址以及数据报文，重新按照工业以太网报文格式进行打包；
数据处理模块将数据发送至处理工业以太网帧的工业以太网接收转发模块,处理工业以太网帧的工业以太网接收转发模块利用其FPGA内部的fifo接收arm发送的数据，再发送回工业以太网解析模块。
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