CN113867234B - 基于现场总线pa耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法 - Google Patents

基于现场总线pa耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法，系统包括微控制器、拨码开关、现场可编程门阵列以及媒体结合单元；拨码开关与微控制器相连，微控制器将拨码开关的冗余模式、通讯波特率传输至现场可编程门阵列，现场可编程门阵列通过逻辑编码设置出DP/PA协议转换单元，通过协议转换单元一方面实现对DP侧报文的串行接收，拆包并按照PA侧报文的要求进行打包和编码，并且生成码流发送至各个PA现场仪表设备；另一方面实现对PA侧报文的串行接收，解码并拆包，按照DP侧报文的要求进行打包并发送至DP主站设备；现场可编程门阵列经过媒体结合单元连接各个PA现场仪表设备。本发明支持灵活多样的扩展方式，方便用户接线选择。

Description

基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法
技术领域
本发明属于通信领域，涉及基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法。
背景技术
Profibus是唯一全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）的现场总线解决方案，可用于高速并对时间有苛刻要求的数据传输应用场景，也可用于大范围的复杂通信场合。现场总线实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置以及可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，从而使整个系统的设备调试、维护成本减到最少。由于火力发电系统存在对可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点，在控制系统中大量采用了压力变送器、液位计、温度、酸度、流量等仪表及气动阀、电机等设备。在这类系统中既存在过程控制回路又存在传动控制回路，甚至是本安要求的场合。如果采用Profibus总线作为控制系统设备层网络连接Profibus DP（Decentralized Periphery）设备及Profibus PA（Process Automation）现场仪表，那么必须采用Profibus DP/PA耦合器才能将Profibus PA仪表接入到Profibus DP网络中。
Profibus DP/PA耦合器实现Profibus DP（Decentralized Periphery）的RS485信号（异步，不归零码NRZ，Non-Return-to-Zero Code）与Profibus PA（Process Automation）信号（同步，曼彻斯特Manchester码）之间的转换，Profibus PA信号速率为固定的31.25Kbps。
目前，各个厂商在设计Profibus DP/PA耦合器时普遍采用西门子集成芯片方案，且耦合器为单端口DP与单端口PA，这种方案应用受限。系统连接图如图1所示。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统及方法，支持灵活多样的扩展方式，方便用户接线选择。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，包括微控制器、拨码开关、现场可编程门阵列以及媒体结合单元；
拨码开关与微控制器相连，微控制器用于完成冗余模式的识别、波特率的设置以及相关功能状态指示，微控制器将拨码开关的冗余模式、通讯波特率传输至现场可编程门阵列；
现场可编程门阵列通过逻辑编码设置出DP/PA协议转换单元，通过DP/PA协议转换单元一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，将Profibus DP报文拆包并按照ProfibusPA报文的要求进行打包和编码，并且生成Profibus PA码流发送至各个PA现场仪表设备；另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，将Profibus PA报文解码并拆包，按照Profibus DP报文的要求进行打包并发送至DP主站设备；
媒体结合单元用于实现现场可编程门阵列与各个PA现场仪表设备的连接。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，所述的媒体结合单元由分立的器件进行搭建。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，所述的微控制器与现场可编程门阵列之间通过串行外设接口总线连接。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，所述的现场可编程门阵列设置有DP端口和PA端口，所述的DP端口包括两路通讯端口DP1和DP2，所述的PA端口包括两路通讯端口PA1和PA2，DP端口和PA端口中的每一路端口将接收到的有效报文数据分别存储到不同的两片RAM空间中。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，当DP端口接收数据、PA端口发送数据时：所述DP端口的每个端口接收Profibus DP总线中的数据，形成两个并列通道分别输入至字节处理单元，将总线中的比特流数据转换为字节数据，再通过字节数据寄存器分别输入到两个报文帧判断单元，报文帧判断单元按照Profibus报文格式对有效报文帧进行判断，将有效的DP报文帧分别输入至随机存储器当中，在数据轮询信号的控制下将报文分别输送至两个并列通道的曼彻斯特编码单元中，每个曼彻斯特编码单元生成PA发送正信号和PA发送负信号输出。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，所述的字节处理单元将DP总线中的数据按照NRZ码编码方式完成一个字节的数据接收。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，当PA端口接收数据、DP端口发送数据时：所述PA端口的每个端口接收Profibus PA总线中的数据，由两个并列通道分别输入至字节处理单元进行曼彻斯特解码，转换为字节报文，并将字节报文输入至报文帧判断单元，将判断正确的报文帧组包添加校验和和结束符后，输送至随机存储器当中，在数据轮询信号的控制下分别输入至两个并列通道的DP发送单元中，每个DP发送单元生成DP发送信号输出。
作为本发明冗余通信系统的一种优选方案，所述的随机存储器对判断正确的DP报文帧进行缓存，随机存储器存储空间大小为2K的RAM。
本发明还提出一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信方法：
当DP端口接收数据、PA端口发送数据时执行步骤如下：
当拨码开关拨码到非冗余模式时，任意一个通道的DP端口同时控制两路PA端口数据的收发，字节处理单元将接收完成的字节数据同时送入至两个通道的报文帧判断单元对有效报文帧判断，正确后将报文存入至随机存储器中，由于有两片独立的随机存储器有相同的数据，一方面随机存储器中存取的数据通过轮询信号0发送至第一通道PA端口，另一方面另一片随机存储器中存取的数据通过轮询信号1发送至第二通道PA端口；
当拨码拨到冗余模式时，第一通道DP端口接收数据，经过字节处理单元将比特数据组成字节数据后，送入至第一通道报文帧判断单元中，在该模式下第二通道报文帧判断单元送入的数据为0，经过第一通道报文帧判断单元判断接收正确的报文帧后，存储到第一通道随机存储器中，再通过轮询信号0轮询存储器中是否存储有报文数据，通过PA发送单元发送出去；同理，第二通道DP端口接收数据，经过字节处理单元将比特数据组成字节数据后，送入至第二通道报文帧判断单元中，在该模式下第一通道报文帧判断单元送入的数据为0，经过第二通道报文帧判断单元判断接收正确的报文帧后，存储到随机存储器中，再通过轮询信号1信号轮询存储器中是否存储有报文数据，通过PA发送单元发送出去。
作为本发明冗余通信方法的一种优选方案：
当PA端口接收数据、DP端口发送数据时，按照以DP端口接收数据、PA端口发送数据相同的方式执行相反数据转换的过程，所述的数据转换为字节数据的曼彻斯特编码和解码。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：针对目前的Profibus DP/PA耦合器只能采用进口芯片方案、成本高昂且存在应用端口单一的问题，本发明可以利用全国产的微控制器以及现场可编程门阵列搭建出双路DP通道与双路PA通道，且通过拨码开关实现DP通道的冗余与PA通道的冗余方案，可以选择一个DP端口对一个PA端口方式，或者一个DP端口同时收发两路PA端口数据方式，支持灵活多样的扩展方式，方便用户接线选择。
附图说明
图1 传统Profibus DP/PA耦合器接线示意图；
图2 本发明Profibus DP/PA耦合器一路DP端口对一路PA端口连接示意图；
图3 本发明Profibus DP/PA耦合器一路DP端口同时收发两路PA端口数据连接示意图；
图4 本发明Profibus DP/PA耦合器两路DP端口控制两路PA端口数据连接示意图；
图5 本发明Profibus DP/PA耦合器冗余端口原理示意图；
图6 本发明DP端口接收数据、PA端口发送数据系统框图；
图7 本发明PA端口接收数据、DP端口发送数据系统框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，与图1所示的传统Profibus DP/PA耦合器接线结构相比，传统结构的耦合器为单端口DP与单端口PA，本发明Profibus DP/PA耦合器支持灵活多样的扩展方式，方便用户的接线选择。可以选择一个DP端口对应一个PA端口方式如图2所示，一个DP端口同时收发两路PA端口方式，如图3所示，也可以选择两路DP端口控制两路PA端口数据方式，即SR冗余模式，如图4所示。
本发明基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统采用全国产MCU（微控制器，Microcontroller Unit）、全国产FPGA（现场可编程门阵列，Field Programmable GateArray）以及分立元件搭建MAU（媒体结合单元，Medium Attachment Unit）电路实现双路DP通道与双路PA通道，且通过拨码开关实现DP通道的冗余与PA通道的冗余方案，如图5所示。
MCU（微控制器，Microcontroller Unit）单元主要完成冗余模式的识别，波特率的设置以及相关功能状态指示灯的显示。MCU（微控制器，Microcontroller Unit）将拨码开关的冗余模式、通讯波特率通过SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface）总线方式传输至FPGA（现场可编程门阵列，Field Programmable Gate Array）中。
DP/PA协议转换单元，在FPGA中通过逻辑编码完成，一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，拆包并按照Profibus PA报文的要求进行打包和曼彻斯特编码，同时生成Profibus PA码流发送至各个PA现场仪表设备；另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，曼彻斯特解码并拆包，按照Profibus DP报文的要求进行打包并发送至DP主站设备。
参见图6，Profibus DP/PA耦合器完成DP端口数据接收与PA端口数据的发送。这一部分的处理均在FPGA内完成，dp_rx（DP端口接收）信号为Profibus DP/PA耦合器接收Profibus DP总线中的1bit数据，rxd（DP接收数据寄存器）信号为将1个寄存器中包含8bit的数据，rxdv（接收字节完成信号）为经过偶校验接收正确的一个字节的数据标志，data_frame（DP报文帧）信号为正确接收到一帧Profibus DP报文，polling_index0（轮询信号0）/polling_index1（发送轮询信号1）为轮询RAM中缓存的数据向PA总线中发送，pa_tx_n（PA发送正信号）/pa_tx_p（PA发送负信号）为向PA总线中输出的曼彻斯特码信号至PA现场仪表。
图6中对应的信号释义如下，DP PORT表示DP端口，dp1_rx/dp2_rx表示1bit接收信号，dp_byte_rx为字节处理单元，rxd为一个字节数据寄存器，rxdv为字节接收完成标志，dp_frame_rx1/dp_frame_rx2为报文帧判断单元，data_frame表示DP报文帧，RAM_2K为2KRAM（随即存取存储器，Random Access Memory）资源，polling_index0/polling_index1表示数据轮询信号，pa_tx_i表示PA发送单元，pa_tx_n/pa_tx_p表示PA发送信号正/负，PAPORT表示PA端口。DP有两个端口DP1和DP2，每一路DP端口将接收到的数据分别存储到两片RAM空间中，即DP1端口将接收到的每一字节的数据储存到不同的两个RAM中，同理DP2端口也将接收到的每一字节的数据存储到不同的两片RAM中。
DP端口接收、PA端口发送这部分设计一共包含如下四个处理单元：
（1）dp_byte_rx单元将DP总线中的数据按照NRZ码编码方式完成一个字节的数据接收；（2）dp_frame_rx单元，将dp_byte_rx单元中接收的字节进行DP报文帧判断，按照Profibus报文格式对有效报文包头包尾进行判断；（3）RAM存储单元，为FPGA内部例化出的逻辑资源，将dp_frame_rx单元中判断正确的DP报文帧进行缓存；（4）pa_tx_i单元为曼彻斯特编码单元，将RAM中缓存的DP报文转换为曼彻斯特码并发送。
如图5中拨码开关拨码到非冗余模式时，DP端口同时控制两路PA端口的数据的收发，此时以DP侧接入到DP port1端口为例说明，dp_byte_rx将接收完成的字节数据同时送入至dp_frame_rx1和dp_frame_rx2对有效报文帧判断，正确后按照对应顺序将报文存入至RAM_2K单元中，由于有两片独立的RAM有相同的数据，一方面RAM_2K中存取的数据通过polling_index0发送至PA1端口，另一方面另一片RAM_2K中存取的数据通过polling_index1发送至PA2端口。当拨码拨到冗余模式时，DP1端口由dp1_rx接收数据，经过dp_byte_rx单元将比特数据组成字节数据后，送入至dp_frame_rx1中，在该模式下dp_frame_rx2送入的数据为0，经过dp_frame_rx1判断接收正确的报文帧后，存储到RAM_2K中，再通过polling_index0信号轮询RAM中是否存储有正确数据，通过pa_tx_i单元发送，发送信号为pa1_tx_n/pa1_tx_p。同理DP2端口由dp2_rx接收数据，经过dp_byte_rx单元将比特数据组成字节数据后，送入至dp_frame_rx2中，在该模式下dp_frame_rx1送入的数据为0，经过dp_frame_rx2判断接收正确的报文帧后，存储到RAM_2K中，再通过polling_index1信号轮询RAM中是否存储有正确数据，通过pa_tx_i单元发送，发送信号为pa2_tx_n/pa2_tx_p。
图7中对应信号释义如下，PA PORT表示PA端口，pa1_rx/pa2_rx表示1bit接收信号，pa_rx为字节处理单元，rxd为一个字节数据寄存器，rxdv为字节接收完成标志，pa_2_dp_frame_i1/ pa_2_dp_frame_i2为报文帧判断单元，data_frame表示PA报文帧，RAM_2K为2K RAM（随即存取存储器，Random Access Memory）资源，polling_index0/polling_index1表示数据轮询信号，dp_frame_tx表示DP发送单元，dp1_tx/dp2_tx表示DP发送信号，DPPORT表示DP端口。PA端口接收数据、DP端口发送数据的方式与图6中处理过程类似，每一路PA端口将接收到的数据同样存储两份，放到两片不同的RAM空间中。
PA端口接收，DP端口发送这部分设计一共包含如下四个处理单元：（1）pa_rx单元将PA总线中的数据进行曼彻斯特解码，转换为一个字节的报文；（2）pa_2_dp_frame单元，将pa_rx单元曼彻斯特解码后的报文进行判断，并将正确的报文转换为Profibus DP协议，按照Profibus报文格式对有效报文发出正确帧标志信号；（3）RAM存储单元，为FPGA内部例化出的逻辑资源，将pa_2_dp_frame单元中判断正确的报文帧进行缓存；（4）dp_frame_tx单元为DP报文的数据发送单元，将RAM中缓存的报文发送至DP总线中。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，其特征在于：包括微控制器、拨码开关、现场可编程门阵列以及媒体结合单元；
拨码开关与微控制器相连，微控制器用于完成冗余模式的识别、波特率的设置以及相关功能状态指示，微控制器将拨码开关的冗余模式、通讯波特率传输至现场可编程门阵列；
现场可编程门阵列通过逻辑编码设置出DP/PA协议转换单元，通过DP/PA协议转换单元一方面实现对Profibus DP报文的串行接收，将Profibus DP报文拆包并按照Profibus PA报文的要求进行打包和编码，并且生成Profibus PA码流发送至各个PA现场仪表设备；另一方面实现对Profibus PA报文的串行接收，将Profibus PA报文解码并拆包，按照ProfibusDP报文的要求进行打包并发送至DP主站设备；
媒体结合单元用于实现现场可编程门阵列与各个PA现场仪表设备的连接；
所述的现场可编程门阵列设置有DP端口和PA端口，所述的DP端口包括两路通讯端口DP1和DP2，所述的PA端口包括两路通讯端口PA1和PA2，DP端口和PA端口中的每一路端口将接收到的有效报文数据分别存储到不同的两片RAM空间中；
当DP端口接收数据、PA端口发送数据时：所述DP端口的每个端口接收Profibus DP总线中的数据，形成两个并列通道分别输入至字节处理单元，将总线中的比特流数据转换为字节数据，再通过字节数据寄存器分别输入到两个报文帧判断单元，报文帧判断单元按照Profibus报文格式对有效报文帧进行判断，将有效的DP报文帧分别输入至随机存储器当中，在数据轮询信号的控制下将报文分别输送至两个并列通道的曼彻斯特编码单元中，每个曼彻斯特编码单元生成PA发送正信号和PA发送负信号输出；
当PA端口接收数据、DP端口发送数据时：所述PA端口的每个端口接收Profibus PA总线中的数据，由两个并列通道分别输入至字节处理单元进行曼彻斯特解码，转换为字节报文，并将字节报文输入至报文帧判断单元，将判断正确的报文帧组包添加校验和和结束符后，输送至随机存储器当中，在数据轮询信号的控制下分别输入至两个并列通道的DP发送单元中，每个DP发送单元生成DP发送信号输出。
2.根据权利要求1所述基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，其特征在于：所述的媒体结合单元由分立的器件进行搭建。
3.根据权利要求1所述基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，其特征在于：所述的微控制器与现场可编程门阵列之间通过串行外设接口总线连接。
4.根据权利要求1所述基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，其特征在于：所述的字节处理单元将DP总线中的数据按照NRZ码编码方式完成一个字节的数据接收。
5.根据权利要求1所述基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信系统，其特征在于：所述的随机存储器对判断正确的DP报文帧进行缓存，随机存储器存储空间大小为2K的RAM。
6.一种基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信方法，其特征在于：
当DP端口接收数据、PA端口发送数据时执行步骤如下：
当拨码开关拨码到非冗余模式时，任意一个通道的DP端口同时控制两路PA端口数据的收发，字节处理单元将接收完成的字节数据同时送入至两个通道的报文帧判断单元对有效报文帧判断，正确后将报文存入至随机存储器中，由于有两片独立的随机存储器有相同的数据，一方面随机存储器中存取的数据通过轮询信号0发送至第一通道PA端口，另一方面另一片随机存储器中存取的数据通过轮询信号1发送至第二通道PA端口；
当拨码拨到冗余模式时，第一通道DP端口接收数据，经过字节处理单元将比特数据组成字节数据后，送入至第一通道报文帧判断单元中，在该模式下第二通道报文帧判断单元送入的数据为0，经过第一通道报文帧判断单元判断接收正确的报文帧后，存储到第一通道随机存储器中，再通过轮询信号0轮询存储器中是否存储有报文数据，通过PA发送单元发送出去；同理，第二通道DP端口接收数据，经过字节处理单元将比特数据组成字节数据后，送入至第二通道报文帧判断单元中，在该模式下第一通道报文帧判断单元送入的数据为0，经过第二通道报文帧判断单元判断接收正确的报文帧后，存储到随机存储器中，再通过轮询信号1信号轮询存储器中是否存储有报文数据，通过PA发送单元发送出去。
7.根据权利要求6所述基于现场总线PA耦合器通讯端口的冗余通信方法，其特征在于：
当PA端口接收数据、DP端口发送数据时，按照以DP端口接收数据、PA端口发送数据相同的方式执行相反数据转换的过程，所述的数据转换为字节数据的曼彻斯特编码和解码。
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