CN117749905A - 一种工业以太网协议转换装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业以太网协议转换装置和方法，协议输入模块用于接收源协议数据帧并解析协议信息，构造一个源协议节点对象；配置信息模块用于根据实际应用场景需求灵活加载源协议和目标协议间的协议映射表，并构造一个目标协议节点对象；虚拟总线模块用于对协议输入模块中构造的源协议节点对象和配置信息模块中构造的目标协议节点对象进行匹配以进行转换；协议输出模块用于根据虚拟总线模块匹配结果和协议映射表生成与目标协议格式一致的数据帧。本发明技术方案能够适用各种类型的工业以太网协议转换，有效解决工业现场设备间总线协议不匹配，数据交换困难，更换设备成本巨大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种工业以太网协议转换装置和方法。
背景技术
在过去几十年，工业自动化领域经历了巨大的变革。传统的生产线和制造过程已经演变为高度自动化、数字化和互联的系统。这一趋势的催生者之一是工业以太网技术，它提供了高速数据通信和实时控制的能力。工业以太网允许设备、传感器、控制器和计算机在工业环境中进行快速、可靠的数据交换。然而，正是由于工业环境的多样性和复杂性，各种不同的工业以太网协议应运而生。
这些不同的协议通常针对不同的应用和设备类型进行了优化。以Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP、EtherCAT等为代表的工业以太网协议，每个协议都有其独特的特性和适用领域。例如，某些协议可能更适合高速运动控制系统，而另一些则可能更适合过程控制应用。然而，这种多样性也引入了挑战，尤其是在不同设备和系统之间需要进行数据交换时。
由于这种多样性，工业设备和系统可能会选择不同的协议，这在复杂的工业生态系统中产生了互操作性问题。设备之间需要实现数据的共享和交互，以实现工业自动化的最大化。但由于协议不匹配，数据交换变得复杂且困难。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种工业以太网协议转换装置和方法，能够适用各种类型的工业以太网协议转换，有效解决工业现场设备间总线协议不匹配，数据交换困难，更换设备成本巨大等问题。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种工业以太网协议转换装置，至少设置协议输入模块、配置信息模块、虚拟总线模块和协议输出模块，其中，
协议输入模块，用于接收源协议数据帧并解析协议信息，构造一个源协议节点对象；
配置信息模块，用于根据实际应用场景需求灵活加载源协议和目标协议间的协议映射表，并构造一个目标协议节点对象；
虚拟总线模块，用于对协议输入模块中构造的源协议节点对象和配置信息模块中构造的目标协议节点对象进行匹配以进行转换；
协议输出模块，用于根据虚拟总线模块匹配结果和协议映射表生成与目标协议格式一致的数据帧。
作为进一步的改进方案，协议输入模块中定义了一源协议节点类，根据接收的源协议数据帧并解析协议信息，实例化一个源协议节点对象；
配置信息模块中定义了一目标协议节点类，接收并解析配置文件信息，得到目标协议格式，构造一目标协议节点对象，并获取协议映射表；该协议映射表记录了源协议和目标协议各个字段之间的映射关系。
作为进一步的改进方案，虚拟总线模块包括两个链表结构和一个匹配函数，其中，第一链表接收源协议节点对象，第二链表接收目标协议节点对象；匹配函数用于匹配第一链表和第二链表中的节点对象。
作为进一步的改进方案，协议输出模块根据所述协议映射表将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
本发明还公开了一种工业以太网协议的转换方法，包含以下步骤：
步骤S1：协议输入模块获取源协议数据帧并解析协议信息；
步骤S2：根据源协议数据帧确定源协议类型，并基于源协议节点类实例化一个源协议节点对象，并将其注册进虚拟总线的第一链表中；
步骤S3：配置信息模块接收并解析配置文件信息；
步骤S4：通过解析配置信息得到目标协议格式，并基于目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，将其注册进虚拟总线的第二链表中，同时从配置文件中获取协议映射表；
步骤S5：虚拟总线模块对源协议节点对象和目标协议节点对象进行匹配；
步骤S6：匹配成功后，将源协议数据根据协议映射表进行协议转换，得到目标协议数据帧。
作为进一步的改进方案，
步骤S2中，协议输入模块中存有事先定义好的源协议节点类，通过对源协议数据帧中类型字段进行判断，确定源协议类型，并按协议字段对数据帧进行解析，实例化一个源协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第一数据字典；该源协议节点对象会被注册进虚拟总线模块的第一链表中；
步骤S4中，配置信息模块中存有事先定义好的目标协议节点类，通过解析配置信息，得到目标协议格式，根据目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第二数据字典，同时该目标协议节点空对象被注册进虚拟总线模块的第二链表中；从配置信息中获取协议映射表，记录源协议和目标协议各个字段的映射关系。
作为进一步的改进方案，
步骤S5中，虚拟总线模块对左右链表中的对象进行匹配，其中，匹配方式为比较源协议节点对象的源协议名称和目标协议节点对象的源协议名称是否相同；
步骤S6中，匹配成功则进行协议转换，源协议生成的第一数据字典将根据协议映射表中的字段映射关系对第二数据字典的值进行数据内容赋值，再根据第二数据字典实例化目标协议节点对象，该目标协议节点对象代表着完整的目标协议数据帧。
作为进一步的改进方案，步骤S4中：通过对比源协议和目标协议字段含义，建立源/目标协议各个字段的映射关系；协议映射表接口的定义为：{源协议字段，目标协议字段}，第一数据字典和第二数据字典接口的定义为：{协议字段，数据内容}。
作为进一步的改进方案，源协议节点类包括第一捕获函数和第一构造函数，第一捕获函数获取所述源协议数据帧并解析内容确定原协议格式，第一构造函数根据源协议内容实例化源协议节点对象，并对所述源协议节点对象配置键值对，生成第一数据字典；
目标协议节点类包括第二解析函数和第二构造函数，第二解析函数解析所述配置文件信息确定目标协议格式，第二构造函数根据目标协议构造目标协议节点对象，并对所述目标协议节点对象配置键值对，生成第二数据字典，所述第二数据字典的值均为空值；
源协议节点对象生成后将被注册进第一链表中，目标协议节点对象生成后将被注册进第二链表中。
作为进一步的改进方案，虚拟总线模块中设置的匹配函数，对第一链表中源协议节点对象和第二链表中目标协议节点对象一一进行比较，匹配成功则根据所述协议映射表、第一数据字典和第二数据字典，将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
与现有技术相比较，本发明技术方案能够接收多种不同的协议映射表，从而能够适用各种现场环境下的工业以太网协议转换；同时，本发明设置虚拟总线，从而方便的实现各种协议的管理和转换。采用本发明技术方案，具有更强通用性，能够适用于目前已知的所有类型的工业以太网协议转换；同时具有易用性，仅需要编码人员提供源/目标协议映射配置文件即可自动完成协议转换的全部过程，无需人工干预。
附图说明
图1为本发明工业以太网协议的转换装置的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种工业以太网协议的转换方法流程示意图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图1，所示为本发明工业以太网协议的转换装置的整体结构示意图，至少设置协议输入模块101、配置信息模块102、虚拟总线模块103和协议输出模块104，其中，
协议输入模块101，用于接收源协议数据帧并解析协议信息；
配置信息模块102，用于根据实际应用场景需求配置源协议节点和目标协议节点并生成源协议节点和目标协议节点之间的映射；
虚拟总线模块103，用于根据配置信息模块102的配置信息构建源协议节点对象和目标协议节点对象，源协议节点对象用于获取源协议数据帧，目标协议节点对象用于匹配源协议节点对象并相应生成数据；
协议输出模块104，用于根据虚拟总线模块103生成目标协议数据帧。
上述技术方案中，协议输入模块101，用于处理输入的源协议数据帧。它定义了一个源协议节点类，通过接收输入的源协议数据帧并解析协议信息，实例化一个源协议节点对象。这个节点对象包含了来自源协议数据帧的数据和协议信息。
配置信息模块102，用于处理协议转换的配置信息。它定义了一个目标协议节点类，接收并解析配置文件信息，得到目标协议格式，构造一个目标协议节点对象，并获取协议映射表。协议映射表记录了源协议和目标协议各个字段之间的映射关系。
虚拟总线模块103，该模块是关键的中间层，用于协议的匹配和数据传输。包括两个链表结构和一个匹配函数，其中，第一链表接收源协议节点对象，第二链表接收目标协议节点对象。通过匹配函数判断左右链表节点对象是否匹配。
协议输出模块104，该模块负责生成目标协议数据帧。根据所述协议映射表将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
参见图2，所示为本发明提供的一种工业以太网协议的转换方法流程示意图，包含以下步骤：
步骤S1：协议输入模块获取源协议数据帧并解析协议信息；
步骤S2：根据源协议数据帧确定源协议类型，并基于源协议节点类实例化一个源协议节点对象；
步骤S3：配置信息模块接收配置文件信息；
步骤S4：通过解析配置信息得到目标协议格式，并基于目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，在虚拟总线模块中进行注册；
步骤S5：虚拟总线模块对源协议节点对象和目标协议节点对象进行匹配；
步骤S6：匹配成功后，将源协议数据进行协议转换，得到目标协议数据帧。
进一步的，步骤S1中，在工业现场通常采用主从通信，在不影响主从通信的前提下，从主站(主设备)相应的txbuf缓存中提取源协议数据帧，并将该数据帧传入协议输入模块，由协议输入模块进行协议解析；
步骤S2中，协议输入模块中存有事先定义好的源协议节点类，该类集成了目前所有工业以太网协议格式，通过对源协议数据帧中类型字段进行判断，确定源协议类型，并按协议字段对数据帧进行解析，实例化一个源协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第一数据字典。该源协议节点对象会被注册进虚拟总线模块的第一链表中。
步骤S3中，用户根据实际需求将配置信息传递配置信息模块，该配置信息为XML格式。
步骤S4中，配置信息模块中存有事先定义好的目标协议节点类，通过解析配置信息，可得到目标协议格式，根据目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第二数据字典，并且该目标协议节点空对象会被注册进虚拟总线模块的第二链表中。此外，从配置信息中还可以获取协议映射表，记录源协议和目标协议各个字段的映射关系。
步骤S5中，虚拟总线模块需要对左右链表中的对象进行匹配，确认是否需要进行协议转换，匹配方式为比较源协议节点对象的源协议名称和目标协议节点对象的源协议名称是否相同。
步骤S6中，匹配成功则进行协议转换，源协议生成的第一数据字典将根据协议映射表中的字段映射关系对第二数据字典的值进行数据内容赋值，再根据第二数据字典实例化目标协议节点对象，该目标协议节点对象代表着完整的目标协议数据帧。若匹配失败则不会进行协议转换。
进一步地，转换方法还包括：
通过对比所述源协议和所述目标协议字段含义，建立源/目标协议各个字段的映射关系；
定义源协议节点类，其中，包括第一捕获函数和第一构造函数，第一捕获函数获取所述源协议数据帧并解析内容确定原协议格式，第一构造函数根据源协议内容实例化源协议节点对象，并对所述源协议节点对象配置键值对，生成第一数据字典；
定义目标协议节点类，其中，包括第二解析函数和第二构造函数，第二解析函数解析所述配置文件信息确定目标协议格式，第二构造函数根据目标协议构造目标协议节点对象，并对所述目标协议节点对象配置键值对，生成第二数据字典，所述第二数据字典的值均为空值；
所述源协议节点对象生成后将被注册进第一链表中，所述目标协议节点对象生成后将被注册进第二链表中；
基于虚拟总线模块104的匹配函数，对第一链表中源协议节点对象和第二链表中目标协议节点对象一一进行比较，验证是否进行协议转换，匹配成功则根据所述协议映射表、第一数据字典和第二数据字典，将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
其中，所述协议映射表接口的定义为：{源协议字段，目标协议字段}，第一数据字典和第二数据字典接口的定义为：{协议字段，数据内容}。
进一步地，所述协议输入模块101的源协议节点类和配置信息模块102的目标协议节点类中的协议结构体包括但不限于EtherCAT、Profinet等常见工业以太网协议结构，其中包括协议名称、协议字段等成员，以便在数据传输和转换过程中进行协议的识别和映射。
进一步地，通过建立不同的协议映射表，可以实现多种工业以太网协议间的转换，且支持自定义协议的转换。
进一步地，虚拟总线模块104中的匹配函数的匹配方法为比较所述源协议节点对象的源协议名称和目标协议节点对象的源协议名称是否相同。
实施例一：
以下通过具体实施例进一步说明本发明技术方案。本实施例为方便说明，源协议为EtherCat，目标协议为Profinet。
根据EtherCat和Profinet两种工业以太网协议格式，构建一个协议映射表，通过协议映射表可以把两种协议的各个字段进行相互关联，协议映射表接口的定义为：{源协议字段，目标协议字段}，且在配置文件中指定”Src_Protocol_Name＝EtherCat”，”Dest_Protocol_Name＝Profinet”。
从主站相应的txbuf缓存中提取EtherCat协议数据帧，并将该数据帧传入协议输入模块，由协议输入模块进行协议解析
协议输入模块通过提取EtherCat协议数据帧中类型字段，与源协议节点类中各协议类型进行比较，确定源协议类型，并对EtherCat数据帧进行分析，获取以太网首部、EtherCAT首部信息和各个子报文信息，将数据保存至源协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第一数据字典，同时该节点对象会被注册进虚拟总线第一链表中。
配置信息模块通过解析配置信息可知源协议为EtherCat，目标协议为Profinet，目标协议节点类根据目标协议名可构建一个目标协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第二数据字典，并且该目标协议节点空对象会被注册进虚拟总线模块的第二链表中，此时该对象内容为空。此外，获取EtherCat-Profinet协议映射表。
虚拟总线模块将会对第一第二链表中的节点对象进行匹配，在本实施例中从源节点对象可知源协议名为”EtherCat”，从配置文件中也得到源协议名为”EtherCat”，两者匹配成功。
匹配成功后，由源协议EtherCat生成的第一数据字典将根据EtherCat-Profinet协议映射表中的字段映射关系对第二数据字典的值进行数据内容赋值，得到Profinet协议格式的第二数据字典，再根据第二数据字典实例化目标协议Profinet的节点对象，该Profinet节点对象代表着一个完整的Profinet数据帧。
本实施例，通过将源协议和目标协议抽象为节点对象，并通过匹配机制来进行协议转换，简化了协议转换的难度。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种工业以太网协议转换装置，其特征在于，至少设置协议输入模块、配置信息模块、虚拟总线模块和协议输出模块，其中，
协议输入模块，用于接收源协议数据帧并解析协议信息，构造一个源协议节点对象；
配置信息模块，用于根据实际应用场景需求灵活加载源协议和目标协议间的协议映射表，并构造一个目标协议节点对象；
虚拟总线模块，用于对协议输入模块中构造的源协议节点对象和配置信息模块中构造的目标协议节点对象进行匹配以进行转换；
协议输出模块，用于根据虚拟总线模块匹配结果和协议映射表生成与目标协议格式一致的数据帧。
2.根据权利要求1所述的工业以太网协议转换装置，其特征在于，协议输入模块中定义了一源协议节点类，根据接收的源协议数据帧并解析协议信息，实例化一个源协议节点对象；
配置信息模块中定义了一目标协议节点类，接收并解析配置文件信息，得到目标协议格式，构造一目标协议节点对象，并获取协议映射表；该协议映射表记录了源协议和目标协议各个字段之间的映射关系。
3.根据权利要求2所述的工业以太网协议转换装置，其特征在于，虚拟总线模块包括两个链表结构和一个匹配函数，其中，第一链表接收源协议节点对象，第二链表接收目标协议节点对象；匹配函数用于匹配第一链表和第二链表中的节点对象。
4.根据权利要求3所述的工业以太网协议转换装置，其特征在于，协议输出模块根据所述协议映射表将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
5.一种工业以太网协议的转换方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：协议输入模块获取源协议数据帧并解析协议信息；
步骤S2：根据源协议数据帧确定源协议类型，并基于源协议节点类实例化一个源协议节点对象，并将其注册进虚拟总线模块的第一链表中；
步骤S3：配置信息模块接收并解析配置文件信息；
步骤S4：通过解析配置信息得到目标协议格式，并基于目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，将其注册进虚拟总线模块的第二链表中，同时从配置文件中获取协议映射表；
步骤S5：虚拟总线模块对源协议节点对象和目标协议节点对象进行匹配；
步骤S6：匹配成功后，将源协议数据根据协议映射表进行协议转换，得到目标协议数据帧。
6.根据权利要求5所述的工业以太网协议的转换方法，其特征在于，
步骤S2中，协议输入模块中存有事先定义好的源协议节点类，通过对源协议数据帧中类型字段进行判断，确定源协议类型，并按协议字段对数据帧进行解析，实例化一个源协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第一数据字典；该源协议节点对象会被注册进虚拟总线模块的第一链表中；
步骤S4中，配置信息模块中存有事先定义好的目标协议节点类，通过解析配置信息，得到目标协议格式，根据目标协议节点类构造一个目标协议节点对象，并为该对象配置键值对，生成第二数据字典，同时该目标协议节点空对象被注册进虚拟总线模块的第二链表中；从配置信息中获取协议映射表，记录源协议和目标协议各个字段的映射关系。
7.根据权利要求6所述的工业以太网协议的转换方法，其特征在于，
步骤S5中，虚拟总线模块对左右链表中的对象进行匹配，其中，匹配方式为比较源协议节点对象的源协议名称和目标协议节点对象的源协议名称是否相同；
步骤S6中，匹配成功则进行协议转换，源协议生成的第一数据字典将根据协议映射表中的字段映射关系对第二数据字典的值进行数据内容赋值，再根据第二数据字典实例化目标协议节点对象，该目标协议节点对象代表着完整的目标协议数据帧。
8.根据权利要求6所述的工业以太网协议的转换方法，其特征在于，步骤S4中：通过对比源协议和目标协议字段含义，建立源/目标协议各个字段的映射关系；协议映射表接口的定义为：{源协议字段，目标协议字段}，第一数据字典和第二数据字典接口的定义为：{协议字段，数据内容}。
9.根据权利要求6所述的工业以太网协议的转换方法，其特征在于，源协议节点类包括第一捕获函数和第一构造函数，第一捕获函数获取所述源协议数据帧并解析内容确定原协议格式，第一构造函数根据源协议内容实例化源协议节点对象，并对所述源协议节点对象配置键值对，生成第一数据字典；
目标协议节点类包括第二解析函数和第二构造函数，第二解析函数解析所述配置文件信息确定目标协议格式，第二构造函数根据目标协议构造目标协议节点对象，并对所述目标协议节点对象配置键值对，生成第二数据字典，所述第二数据字典的值均为空值；
源协议节点对象生成后将被注册进第一链表中，目标协议节点对象生成后将被注册进第二链表中。
10.根据权利要求9所述的工业以太网协议的转换方法，其特征在于，虚拟总线模块中设置的匹配函数，对第一链表中源协议节点对象和第二链表中目标协议节点对象一一进行比较，匹配成功则根据所述协议映射表、第一数据字典和第二数据字典，将所述源协议节点对象中的数据内容填充进目标协议节点对象，生成目标协议数据帧。
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