CN113890785A - 一种现场总线混合组网的通讯系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种现场总线混合组网的通讯系统及方法，系统包括并列与DP总线相连的两个DP收发电路，两个DP收发电路分别经过第一隔离容耦与FPGA相连，FPGA经过第二隔离容耦连接并列的两个MAU电路，形成并列的两条通道，两个MAU电路与PA总线相连；FPGA经过SPI总线与MCU相连，MCU连接冗余模式设置拨码开关和DP波特率设置拨码开关；DP总线连接级联的DP主站和DP从站，DP主站向DP从站发送数据，DP从站的出线方向连接到下一级的DP从站，DP从站返回应答报文；PA总线连接PA仪表，PA仪表收到对应的DP主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，完成该帧报文的接收。本发明提高了通讯速率。

Description

一种现场总线混合组网的通讯系统及方法
技术领域
本发明属于现场总线领域，具体涉及一种现场总线混合组网的通讯系统及方法。
背景技术
火力发电领域系统存在可靠性要求高、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压力变送器、液位计、温度、酸度、流量等仪表及各类执行机构等设备。在这类系统中既存在过程控制回路又存在传动控制回路，甚至存在本安要求的场合。若采用Profibus总线作为控制系统设备层网络连接Profibus DP设备及Profibus PA现场仪表，那么需要采用Profibus DP/PA耦合器才能将Profibus PA仪表接入到ProfibusDP网络中。
Profibus DP/PA耦合器实现Profibus DP的RS485（异步，NRZ）同Profibus PA信号（同步，Manchester码）之间的转换，Profibus DP网络的速率可以变化，从12M到9600bps灵活多变，速率越高通讯距离越短，而Profibus PA网络通讯速率固定为31.25Kbps，这样，在常规应用中如果DP网络下接有PA网络，需要将DP网络的通讯速率拉低至45.45Kbps，实际工程应用中结合系统规模、总线通讯实时性和成本之间考虑，一般将DP网络速率设置为500Kbps，所以常规Profibus DP/PA耦合器难以满足此应用场景。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的问题，提供一种现场总线混合组网的通讯系统及方法，实现在DP网络和PA网络混合组网的场景下，DP网络的速率依然可以达到500kbps。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种现场总线混合组网的通讯系统，包括并列与DP总线相连的两个DP收发电路，两个DP收发电路分别经过第一隔离容耦与FPGA相连，FPGA经过第二隔离容耦连接并列的两个MAU电路，形成并列的两条通道，两个MAU电路与PA总线相连；所述的FPGA经过SPI总线与MCU相连，MCU连接冗余模式设置拨码开关和DP波特率设置拨码开关；所述的DP总线连接级联的DP主站和DP从站，DP主站向DP从站发送数据，DP主站通信端口的DB9连接器出线首先连接Profibus DP/PA耦合器的DB9连接器入线方向，出线方向连接到DP从站的入线方向，DP从站的出线方向连接到下一级的DP从站，DP从站向DP主站返回应答报文；PA总线连接PA仪表，PA仪表收到对应的DP主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，DP主站完成该帧报文的接收。
作为本发明的一种优选方案，所述的FPGA通过IIC总线连接故障诊断ADC。
本发明还提出一种现场总线混合组网的通讯方法，包括以下步骤：
DP主站首先通过DP主站发送信号dp_master_tx主动向DP从站发送数据，ProfibusDP/PA耦合器中耦合器DP侧接收信号dp_coupler_rx接收DP主站发送的数据，DP从站同时也通过DP从站接收信号dp_slave_rx接收DP主站发送信号dp_master_tx的数据；DP/PA耦合器接由耦合器DP侧接收信号dp_coupler_rx收到有效报文帧后缓存入RAM空间中，每一帧数据按照对应的格式存入，耦合器PA侧发送信号pa_coupler_tx单元将RAM缓存的报文帧发送至PA仪表，PA仪表收到对应的主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，首先由耦合器PA侧接收信号pa_coupler_rx单元接收并对报文进行校验，正确无误后，进入RAM空间进行缓存，耦合器PA侧发送信号dp_coupler_tx单元判断RAM空间中存在新报文数据后，发送至DP主站，DP主站由DP主站接收信号dp_master_rx完成该帧报文的接收。
作为本发明的一种优选方案，所述的耦合器PA侧发送信号pa_coupler_tx单元将RAM缓存的报文帧按照字节发送至PA仪表。
作为本发明的一种优选方案，所述的DP从站通过DP从站发送信号dp_slave_tx向DP主站返回应答报文，DP主站通过dp_master_rx接收。
作为本发明的一种优选方案，所述RAM空间中存储报文的格式如下：初始上电，或FPGA识别到由MCU下发的复位指令后RAM地址从0开始放入数据；RAM地址的addr0存放报头字节，addr1存放这一帧报文的总长度，addr2预留，存储数据为“00”；addr3根据接收的有效报文帧起始界定符进行存储，起始界定符包含SD1报文的起始界定符0x10H、SD2报文的起始界定符0x68H、SD3报文的起始界定符0xA2H、SD4报文的起始界定符0xDCH或短应答报文0xE5H，addr4根据addr3中存储报文的起始界定符进行下一字节的存储，addr5、addr6同理依次存放一个字节的报文数据，直至报文存储到结束界定符0x16H后结束一帧报文的存储；短应答报文0xE5H只缓存一个字节数据。
作为本发明的一种优选方案，在一帧报文数据接收之前首先在RAM空间中占用四个字节地址用于存放该帧报文的包头、帧长度和端口号，之后地址开始存储有效报文；在存储的同时，PA侧也同步向现场仪表发送数据。
作为本发明的一种优选方案，DP侧网络根据RAM地址中当前最新地址、上一次地址、预更新地址之间关系的转换来存储报文。
作为本发明的一种优选方案，当系统复位或使能信号未使能时，当前最新地址、上一次地址、预更新地址三个地址值均为0。
作为本发明的一种优选方案，当状态机开始执行空闲状态s_idle时，将当前最新地址赋值给上一次地址；当状态机执行写包头状态s_wr_head时，写包头0x7EH、字节长度及端口号，当前最新地址写一个字节地址加1；当状态机执行起始界定符状态s_start、写报文帧长度状态s_le、重复写报文帧长度s_ler、写SD2标识状态s_sd2、写目的地址状态s_da、写源地址状态s_sa、写功能码状态s_fc、写自定义状态s_data、写结束界定符状态s_ed时，当前最新地址跟随每个字节自加1；当状态机执行写报文判断结束状态s_end、报文帧校验和正确、且PA_tx端从RAM读取的地址和当前最新地址一致时，当前最新地址自加1，同时将此时的当前最新地址赋值给预更新地址；PA_tx端检测到RAM地址更新后，开始执行下一帧报文的缓存和发送。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：由于DP网络物理层是由RS485方式实现的，RS485的工作方式为半双工，在DP网络中由DP主站主动发起询问，DP从站应答，即采用主从轮询机制工作。本发明提出系统的物理连接方式为DP主站通信端口的DB9连接器出线方向首先连接到DP/PA耦合器通信端口的DB9连接器入线方向，出线方向连接到DP从站设备的入线方向，DP从站设备的出线方向连接到下一级的DP从站设备。在与Profibus DP主站连接的Profibus DP从站和通过Profibus DP/PA耦合器下挂接的PA现场仪表混合组网应用场景下，本发明能够实现DP主站与DP从站侧的通信速率依然可以达到500kbps。
附图说明
图1 本发明现场总线混合组网的通讯系统设计原理图；
图2 本发明DP网络与PA网络混合组网信号流向示意图；
图3 本发明RAM空间存储报文格式示意图；
图4 本发明数据传输流示意图。
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。
参见图1，本发明现场总线混合组网的通讯系统包括并列与DP总线相连的两个DP收发电路，两个DP收发电路分别经过第一隔离容耦与FPGA相连，FPGA经过第二隔离容耦连接并列的两个MAU电路，形成并列的两条通道，两个MAU电路与PA总线相连；FPGA经过SPI总线与MCU相连，FPGA通过IIC总线连接故障诊断ADC。MCU连接冗余模式设置拨码开关和DP波特率设置拨码开关；DP总线连接级联的DP主站和DP从站，DP主站向DP从站发送数据，DP主站通信端口的DB9连接器出线首先连接Profibus DP/PA耦合器的DB9连接器入线方向，出线方向连接到DP从站的入线方向，DP从站的出线方向连接到下一级的DP从站，DP从站向DP主站返回应答报文；PA总线连接PA仪表，PA仪表收到对应的DP主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，DP主站完成该帧报文的接收。
本发明还提出一种现场总线混合组网的通讯方法，包括以下步骤：
参见图2，DP与PA混合组网时，DP主站首先通过dp_master_tx主动向从站发送数据，Profibus DP/PA耦合器中dp_coupler_rx接收DP主站发送的数据，由于Profibus DP/PA耦合器与下级DP从站设备间为级联关系，DP从站设备同时也接收主站的数据，即dp_slave_rx接收dp_master_tx的数据。对于同一网段中的PA仪表而言，由于Profibus DP/PA耦合器是透传设备，该网段下的PA仪表也相当于一个从站设备，Profibus DP/PA耦合器接收到有效报文帧后，由dp_coupler_rx接收后缓存入RAM空间中，每一帧数据按照对应的格式存入，pa_coupler_tx单元将RAM缓存的报文帧按照字节发送至PA仪表，PA仪表收到对应的主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，首先由pa_coupler_rx单元接收并对报文进行校验，正确无误后，缓存入RAM空间，dp_coupler_tx单元判断RAM空间中存在新报文数据后，发送至DP主站，dp_master_rx完成该帧报文的接收。同样，若DP主站发送的报文帧对应于DP从站，则DP从站通过dp_slave_tx向主站返回应答报文，dp_master_rx接收。
图2中RAM空间缓存报文的格式如图3所示，初始上电，或FPGA识别到由MCU下发的复位指令后RAM地址从0开始放入数据。RAM地址addr0存放报头字节“7E”，RAM地址addr1存放这一帧报文的总长度，由于一帧DP报文最长244字节，8bit即可覆盖，RAM地址addr2可做预留，存储数据为“00”，RAM地址addr3以SD1报文为例，存储SD1报文的起始界定符“0x10H”，RAM地址addr3存放报文的DA目的地址（DP从站地址），addr4存放SA源地址（DP主站地址），addr5存放功能码FC，addr6存放报文帧的校验和FCS，addr7存放结束界定符ED数据为“0x16H”。其余格式报文也按照一个字节存放一个RAM地址方式依次存放数据。
图4所示的是DP与PA混合组网的数据流，由于在DP侧通讯速率快，即RAM空间缓存数据快，PA侧通讯速率慢，即PA将RAM空间中的数向现场仪表发送的速率较慢。在一帧报文数据接收之前首先在RAM空间中占用四个字节地址用于存放该帧报文的包头、帧长度和端口号，之后地址开始存储有效报文。在存储的同时，PA侧也同步向现场仪表发送数据。按照PA规约发送前导码、起始界定符、功能码…CRC校验和结束码这样一个过程。
DP侧网络根据RAM地址来存储报文，其核心为3个地址之间关系的转换，当前最新地址（newest_ptr）、上一次地址（last_newest_ptr）、预更新地址（pre_newest_ptr）。当系统复位或enable未使能时，前最新地址（newest_ptr）、上一次地址（last_newest_ptr）、预更新地址（pre_newest_ptr）三个地址值均为0；当状态机开始执行为s_idle时，将当前最新地址（newest_ptr）赋值给上一次地址（last_newest_ptr）；当状态机执行s_wr_head时，写包头、字节长度及端口号，当前最新地址（newest_ptr）写一个字节地址加1；当状态机执行s_start、s_le、s_ler、s_sd2、s_da、s_sa、s_fc、s_data、s_ed时，当前最新地址（newest_ptr）跟随每个字节自加1；当状态机执行s_end、报文帧校验和正确、且PA_tx端从RAM空间中读取的地址和当前最新地址（newest_ptr）一致时，当前最新地址（newest_ptr）自加1，同时将此时的当前最新地址（newest_ptr）幅值给预更新地址（pre_newest_ptr）。
PA_tx端检测到RAM地址更新后，开始执行下一帧报文的缓存和发送。
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 (10)

1.一种现场总线混合组网的通讯系统，其特征在于：包括并列与DP总线相连的两个DP收发电路，两个DP收发电路分别经过第一隔离容耦与FPGA相连，FPGA经过第二隔离容耦连接并列的两个MAU电路，形成并列的两条通道，两个MAU电路与PA总线相连；所述的FPGA经过SPI总线与MCU相连，MCU连接冗余模式设置拨码开关和DP波特率设置拨码开关；所述的DP总线连接级联的DP主站和DP从站，DP主站向DP从站发送数据，DP主站通信端口的DB9连接器出线首先连接Profibus DP/PA耦合器的DB9连接器入线方向，出线方向连接到DP从站的入线方向，DP从站的出线方向连接到下一级的DP从站，DP从站向DP主站返回应答报文；PA总线连接PA仪表，PA仪表收到对应的DP主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，DP主站完成该帧报文的接收。
2.根据权利要求1所述现场总线混合组网的通讯系统，其特征在于：所述的FPGA通过IIC总线连接故障诊断ADC。
3.一种现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：
DP主站首先通过DP主站发送信号dp_master_tx主动向DP从站发送数据，Profibus DP/PA耦合器中耦合器DP侧接收信号dp_coupler_rx接收DP主站发送的数据，DP从站同时也通过DP从站接收信号dp_slave_rx接收DP主站发送信号dp_master_tx的数据；DP/PA耦合器接由耦合器DP侧接收信号dp_coupler_rx收到有效报文帧后缓存入RAM空间中，每一帧数据按照对应的格式存入，耦合器PA侧发送信号pa_coupler_tx单元将RAM缓存的报文帧发送至PA仪表，PA仪表收到对应的主站报文帧后，向DP主站返回应答报文，首先由耦合器PA侧接收信号pa_coupler_rx单元接收并对报文进行校验，正确无误后，进入RAM空间进行缓存，耦合器PA侧发送信号dp_coupler_tx单元判断RAM空间中存在新报文数据后，发送至DP主站，DP主站由DP主站接收信号dp_master_rx完成该帧报文的接收。
4.根据权利要求3所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：所述的耦合器PA侧发送信号pa_coupler_tx单元将RAM缓存的报文帧按照字节发送至PA仪表。
5.根据权利要求3所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：所述的DP从站通过DP从站发送信号dp_slave_tx向DP主站返回应答报文，DP主站通过dp_master_rx接收。
6.根据权利要求3所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于，所述RAM空间中存储报文的格式如下：初始上电，或FPGA识别到由MCU下发的复位指令后RAM地址从0开始放入数据；RAM地址的addr0存放报头字节，addr1存放这一帧报文的总长度，addr2预留，存储数据为“00”；addr3根据接收的有效报文帧起始界定符进行存储，起始界定符包含SD1报文的起始界定符0x10H、SD2报文的起始界定符0x68H、SD3报文的起始界定符0xA2H、SD4报文的起始界定符0xDCH或短应答报文0xE5H，addr4根据addr3中存储报文的起始界定符进行下一字节的存储，addr5、addr6同理依次存放一个字节的报文数据，直至报文存储到结束界定符0x16H后结束一帧报文的存储；短应答报文0xE5H只缓存一个字节数据。
7.根据权利要求3所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：在一帧报文数据接收之前首先在RAM空间中占用四个字节地址用于存放该帧报文的包头、帧长度和端口号，之后地址开始存储有效报文；在存储的同时，PA侧也同步向现场仪表发送数据。
8.根据权利要求3所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：DP侧网络根据RAM地址中当前最新地址、上一次地址、预更新地址之间关系的转换来存储报文。
9.根据权利要求8所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：当系统复位或使能信号未使能时，当前最新地址、上一次地址、预更新地址三个地址值均为0。
10.根据权利要求8所述现场总线混合组网的通讯方法，其特征在于：当状态机开始执行空闲状态s_idle时，将当前最新地址赋值给上一次地址；当状态机执行写包头状态s_wr_head时，写包头0x7EH、字节长度及端口号，当前最新地址写一个字节地址加1；当状态机执行起始界定符状态s_start、写报文帧长度状态s_le、重复写报文帧长度s_ler、写SD2标识状态s_sd2、写目的地址状态s_da、写源地址状态s_sa、写功能码状态s_fc、写自定义状态s_data、写结束界定符状态s_ed时，当前最新地址跟随每个字节自加1；当状态机执行写报文判断结束状态s_end、报文帧校验和正确、且PA_tx端从RAM读取的地址和当前最新地址一致时，当前最新地址自加1，同时将此时的当前最新地址赋值给预更新地址；PA_tx端检测到RAM地址更新后，开始执行下一帧报文的缓存和发送。
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