CN111683004A - 一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工业测量和控制系统领域，尤其涉及一种iCAN‑ModbusTCP网关及双层网络监控系统。包括由位于工业现场的iCAN测控模块组成的下层控制网，由监控主机或触摸屏作为信息节点的ModbusTCP/IP上层信息网，下层网和上层网之间由iCAN‑ModbusTCP网关进行联结；iCAN‑ModbusTCP网关硬件包括微控制器电路、外部存储器电路、iCAN通信电路、以太网通信电路。本发明通过iCAN‑ModbusTCP网关把ModbusTCP以太网和iCAN现场总线互联在一起构成双层监控网络实现了控制网络和信息网络的融合，使传统的现场总线控制网络开放易于扩展，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能，有效解决现场测控网络数据广泛实时共享，可广泛应用于各类分布式工控场合。

Description

一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统
技术领域
本发明属于工业测量和控制系统领域，尤其涉及一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统。
背景技术
随着现场总线技术的发展，工业测控系统向着分散化、网络化、智能化的方向发展。iCAN总线在汽车、航海、工厂等多个测控领域得到广泛应用，iCAN协议是广州致远电子有限公司自主研发的iCAN应用层协议，通过其提供的各类iCAN采集模块，为工业控制领域提供了一种简单可靠，易于开发的总线系统，在控制现场层得到了很多国内客户的应用。现场总线技术和工业以太网技术的融合是工业控制领域最新的发展方向，目前Modbus/TCP是使用较多的一种工业以太网技术，由于缺乏iCAN-ModbusTCP网关102，iCAN下层控制网络很难和上层Modbus/TCP工业以太网络有效融合。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，把iCAN测控模块组成的下层控制网，由监控主机或触摸屏作为信息节点的ModbusTCP/IP上层信息网，下层网和上层网之间由iCAN-ModbusTCP网关102进行联结，能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能，有效解决现场测控网络数据广泛实时共享。可广泛应用于各类分布式工控场合。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，包括位于工业现场的iCAN测控模块组成的下层控制网，由监控主机或触摸屏作为信息节点的ModbusTCP/IP上层信息网，下层网和上层网之间由iCAN-ModbusTCP网关进行联结；
下层控制网，采用分布式数据采集模块，具有iCAN总线接口，完全支持iCAN协议，信号采集范围包括模拟量输入输出、数字量输入输出、脉冲频率信号，支持连接工业传感器、控制器、工业仪表、编码器；
网关软件通过uC/OS-II操作系统下通过分层数据结构实现iCAN协议和ModbusTCP数据帧的相互转换；网关软件支持iCAN-ModbusTCP网关，负责协议解析、数据缓冲处理功能，接受到的iCAN数据包转换成ModbusTCP数据包；
所述上层信息网监控程序由组态软件设计开发支持PC、触摸屏两种终端显示方式。
对前述基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统的进一步改进，所述信息网监控程序至少用于完成以下步骤：
参数设置的步骤：包括完成下层iCAN各测量模块节点地址设置、通讯速率设置、测量参数上下限报警值设置、测量间隔的参数；
参数实时显示的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各字节点个测量点的采集值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；
趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史测量参数数据方便查看各点参数的变化趋势；
报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
对前述基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统的进一步改进，网关软件采用uc/OS-II多任务实时操作系统来调度和处理，包括四个模块：iCAN主协议栈模块、嵌入式TCP/IP协议栈模块、ModbusTCP从协议栈模块、协议转换模块；
iCAN主协议栈模块通过中断方式实现报文接收，同时具备网络管理功能，通过服务以协调的方式控制各个iCAN从站设备的通信状态；
嵌入式TCP/IP协议栈实现三个任务：接受和ICMP、IP、ARP处理，UDP接受处理任务，TCP接受处理任务；
ModbusTCP从协议栈模块通过502端口执行ModbusTCP请求帧，校验帧的正确性，处理主站功能请求，返回主站请求的保持寄存器、输入寄存器、线圈和离散量输入等，或接受并保存主站写入的保持寄存器和线圈等；
协议转换模块根据网络配置完成不同帧格式的变换，对接受到的iCAN报文转换为ModbusTCP的ADU，同时通过开辟内存缓冲区实现iCAN和ModbusTCP之间的传输速度匹配。
对前述基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统的进一步改进，包括iCAN通信电路、以太网通信电路、微控制器电路、外部存储器电路；
iCAN通信电路，包括光耦隔离电路、iCAN收发器、浪涌保护电路，所述光耦隔离电路由两片高速光耦6N136芯片对发送端iCANTX和接收端iCANRX进行隔离,所述iCAN收发器由PCA82C250芯片进行iCAN数据接收和发送,所述浪涌保护电路由PESD2iCANTVS瞬态抑制器提供，使iCAN收发器得到可靠保护；
以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，所述以太网控制器单元，通过16位数据宽度的FSMC接口与微控制器相连，数据的发送接收通过中断机制来实现，以太网控制器单元通过移植LWIP TCP/IP协议栈来实现网络通信功能；所述RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信；
微控制器与iCAN通信电路和以太网通信电路相连，用于接收iCAN数据帧，处理转换数据帧格式并向以太网通信电路传送处理好的ModbusTCP数据帧；所述跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置网关的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对网关进行外部调试；所述功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值；
外部存储器电路由CMOS静态内存芯片IS62WV51216组成，外部存储器电路用以实行LWIP协议栈内存池的分配，IS62WV51216与微控制器相连两者之间的通信是通过FSMC机制实现。
对前述基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统的进一步改进，内存池用于LWIP内核中固定数据结构的分配，包括UDP控制块，TCP控制块。
对前述基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统的进一步改进，太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，具体用了21个端口，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105A JP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极。
本发明的有益效果在于：
1、网络采用双层架构能够方便的实现远程数据的通信具有分布式运行、远程监测、网络化故障诊断等功能，有效解决现场测控网络数据广泛实时共享。
2、通过iCAN-ModbusTCP网关102，下层由各类iCAN采集模块构建的控制网络和上层Modbus/TCP工业控制网可以无缝融合。
3、上层信息网监控程序采用组态软件设计开发，方便定制、经济，支持PC、触摸屏两种安装方式，具有参数设置、温度巡检、趋势曲线、报表打印等功能，可方便地应用各类工控场合。
附图说明
图1为双层网络监控系统组成示意图；
图2为信息层网络监控控程序组成示意图；
图3为iCAN-ModbusTCP网关102软件组成结构图；
图4为iCAN-ModbusTCP网关102模块组成结构图；
图5为iCAN-ModbusTCP网关102电路原理图一；
图6为iCAN-ModbusTCP网关102电路原理图二；
图7为iCAN-ModbusTCP网关102电路原理图三；
图8为iCAN-ModbusTCP网关102电路原理图四。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例的双层网络监控系统包括位于工业现场的iCAN测控模块组成的下层控制网，由监控主机或触摸屏作为信息节点的ModbusTCP/IP上层信息网，下层网和上层网之间由iCAN-ModbusTCP网关102进行联结；
在本实施例中，如图1所示，下层控制网，采用分布式数据采集模块，具有iCAN总线接口，完全支持iCAN协议，信号采集范围包括模拟量输入输出、数字量输入输出、脉冲频率信号等，支持连接工业中常见的传感器、控制器、工业仪表、编码器等。
在本实施例中，如图2所示，信息网监控程序包括参数设置、参数实时显示、趋势曲线输出、报表打印四个模块，参数设置可以完成下层iCAN各测量模块节点地址设置、通讯速率设置、测量参数上下限报警值设置、测量间隔的参数，参数实时显示模块可以按照所设定的定时间隔顺序读取各字节点个测量点的采集值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息，趋势曲线输出模块可以以曲线的方式显示历史测量参数数据方便查看各点参数的变化趋势，报表打印模块根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
在本实施例中，如图3所示，网关软件采用uc/OS-II多任务实时操作系统来调度和处理，主要可分为四个模块即iCAN主协议栈模块、嵌入式TCP/IP协议栈模块、ModbusTCP从协议栈模块、协议转换模块，iCAN主协议栈模块通过中断方式实现报文接收，同时具备网络管理功能，通过服务以协调的方式控制各个iCAN从站设备的通信状态；嵌入式TCP/IP协议栈主要实现三个主要任务：1接受和ICMP、IP、ARP处理，UDP接受处理任务，TCP接受处理任务；ModbusTCP从协议栈模块通过502端口执行ModbusTCP请求帧，校验帧的正确性，处理主站功能请求，返回主站请求的保持寄存器、输入寄存器、线圈和离散量输入等，或接受并保存主站写入的保持寄存器和线圈等；协议转换模块主要是根据网络配置完成不同帧格式的变换，对接受到的iCAN报文转换为ModbusTCP的ADU，同时通过开辟内存缓冲区实现iCAN和ModbusTCP之间的传输速度匹配。
在本实施例中，iCAN-ModbusTCP网关102硬件包括微控制器电路、外部存储器电路103、iCAN通信电路104、以太网通信电路101等；其部分电路原理图如图5、6、7、8所示，
微控制器1021与iCAN通信电路104和以太网通信电路101相连，用于接收iCAN数据帧，处理转换数据帧格式并向以太网通信电路101传送处理好的ModbusTCP数据帧；跳线内部功能设置单元与微控制器1021相连，用于设置网关的网络地址；联合测试行为组织调试端口与微控制器1021相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对网关进行外部调试；功能设定存储单元与微控制器1021相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值；
外部存储器电路103由CMOS静态内存芯片IS62WV51216组成，具有高速、全静态操作的特点，外部存储器电路103用以实行LWIP协议栈内存池的分配，内存池方法主要用于LWIP内核中固定数据结构的分配，比如UDP控制块，TCP控制块等，IS62WV51216与微控制器1021相连两者之间的通信是通过FSMC机制实现；
iCAN通信电路104，包括光耦隔离电路1031、iCAN收发器1032、浪涌保护电路1033组成，光耦隔离电路1031由两片高速光耦6N136芯片对发送端iCANTX和接收端iCANRX进行隔离,iCAN收发器1032由PCA82C250芯片进行iCAN数据接收和发送,浪涌保护电路1033由PESD2iCANTVS瞬态抑制器提供，使iCAN收发器1032得到可靠保护；
以太网通信电路101，包括以太网控制器单元1011、RJ45网络接口单元1012，以太网控制器单元1011，通过16位数据宽度的FSMC接口与微控制器1021相连，为了保证通信的实时性，数据的发送接收都是通过中断机制来实现，以太网控制器单元1011通过移植LWIPTCP/IP协议栈来实现网络通信功能；RJ45网络接口单元1012，与以太网控制器单元1011相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信；
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，其特征在于，包括位于工业现场的iCAN测控模块组成的下层控制网，由监控主机或触摸屏作为信息节点的ModbusTCP/IP上层信息网，下层网和上层网之间由iCAN-ModbusTCP网关进行联结；
下层控制网，采用分布式数据采集模块，具有iCAN总线接口，完全支持iCAN协议，信号采集范围包括模拟量输入输出、数字量输入输出、脉冲频率信号，支持连接工业传感器、控制器、工业仪表、编码器；
网关软件通过uC/OS-II操作系统下通过分层数据结构实现iCAN协议和ModbusTCP数据帧的相互转换；网关软件支持iCAN-ModbusTCP网关，负责协议解析、数据缓冲处理功能，接受到的iCAN数据包转换成ModbusTCP数据包；
所述上层信息网监控程序由组态软件设计开发支持PC、触摸屏两种终端显示方式。
2.根据权利要求1所述一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，其特征在于，所述信息网监控程序至少用于完成以下步骤：
参数设置的步骤：包括完成下层iCAN各测量模块节点地址设置、通讯速率设置、测量参数上下限报警值设置、测量间隔的参数；
参数实时显示的步骤：包括按照所设定的定时间隔顺序读取各字节点个测量点的采集值进行数码实时显示并存入历史数据库，同时将其与上下限进行比较发出报警信息；
趋势曲线输出步骤：包括以曲线的方式显示历史测量参数数据方便查看各点参数的变化趋势；
报表打印的步骤：根据设定时间查找历史数据库自动生成临时数据文件，然后将其以报表的形式打印输出。
3.根据权利要求1所述一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，其特征在于，网关软件采用uc/OS-II多任务实时操作系统来调度和处理，包括四个模块：iCAN主协议栈模块、嵌入式TCP/IP协议栈模块、ModbusTCP从协议栈模块、协议转换模块；
iCAN主协议栈模块通过中断方式实现报文接收，同时具备网络管理功能，通过服务以协调的方式控制各个iCAN从站设备的通信状态；
嵌入式TCP/IP协议栈实现三个任务：接受和ICMP、IP、ARP处理，UDP接受处理任务，TCP接受处理任务；
ModbusTCP从协议栈模块通过502端口执行ModbusTCP请求帧，校验帧的正确性，处理主站功能请求，返回主站请求的保持寄存器、输入寄存器、线圈和离散量输入等，或接受并保存主站写入的保持寄存器和线圈等；
协议转换模块根据网络配置完成不同帧格式的变换，对接受到的iCAN报文转换为ModbusTCP的ADU，同时通过开辟内存缓冲区实现iCAN和ModbusTCP之间的传输速度匹配。
4.根据权利要求1所述一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，其特征在于，包括iCAN通信电路、以太网通信电路、微控制器电路、外部存储器电路；
iCAN通信电路，包括光耦隔离电路、iCAN收发器、浪涌保护电路，所述光耦隔离电路由两片高速光耦6N136芯片对发送端iCANTX和接收端iCANRX进行隔离,所述iCAN收发器由PCA82C250芯片进行iCAN数据接收和发送,所述浪涌保护电路由PESD2iCANTVS瞬态抑制器提供，使iCAN收发器得到可靠保护；
以太网通信电路，包括以太网控制器单元、RJ45网络接口单元，所述以太网控制器单元，通过16位数据宽度的FSMC接口与微控制器相连，数据的发送接收通过中断机制来实现，以太网控制器单元通过移植LWIP TCP/IP协议栈来实现网络通信功能；所述RJ45网络接口单元，与以太网控制器单元相连，内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信；
微控制器与iCAN通信电路和以太网通信电路相连，用于接收iCAN数据帧，处理转换数据帧格式并向以太网通信电路传送处理好的ModbusTCP数据帧；所述跳线内部功能设置单元与微控制器相连，用于设置网关的网络地址；所述联合测试行为组织调试端口与微控制器相连，外部调试设备通过联合测试行为组织调试端口对网关进行外部调试；所述功能设定存储单元与微控制器相连，功能设定存储单元存储模块自定义的通信协议解析程序和模块的功能设定值；
外部存储器电路由CMOS静态内存芯片IS62WV51216组成，外部存储器电路用以实行LWIP协议栈内存池的分配，IS62WV51216与微控制器相连两者之间的通信是通过FSMC机制实现。
5.根据权利要求1所述一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，其特征在于，内存池用于LWIP内核中固定数据结构的分配，包括UDP控制块，TCP控制块。
6.根据权利要求1所述一种基于iCAN-ModbusTCP网关的双层网络监控系统，太网控制器单元由DM9000B芯片U2组成，DM9000B与微控制器相连两者之间的通信是通过单片机的FSMC接口实现，DM9000B当成SRAM进行控制，具体用了21个端口，其中片选信号CS管脚由FSMC_NE2来控制，访问类型管脚CMD由FSMC_A7来控制，处理器读命令管脚IOR由FSMC_NOE控制，处理器写命令管脚IOW由FSMC_NEW控制，中断使能管脚INT连接至PA6，数据总线SD0-SD15连接至FSMC_D0-FSMC_D15；
DM9000B数据的发送和接受都是通过中断机制来实现；所述RJ45网络接口单元由插座HR911105A JP3组成，网络插座HR911105A内置集成网络隔离变压器支持100BASE-T网络通信，DM9000B芯片和网络插座HR911105A之间的数据交互通过物理层接受端正极RD+、物理层接受端负极。
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Application publication date: 20200918

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