CN1798113A - 一种Profibus总线－以太网网桥 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Profibus总线－以太网网桥，其包含以太网通信单元、至少两个Profibus总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述Profibus总线通信单元连接至同一设备层Profibus总线，在所述微控制器的控制下，所述Profibus总线通信单元和以太网通信单元负责数据在以太网和Profibus总线上的转发，所述微控制器实时监测所述其中一个Profibus总线通信单元的状态并在出现故障时采用另外一个Profibus总线通信单元实现数据转发操作。在本发明中，通过在Profibus总线侧采用主从式结构提供冗余功能，大大提高了系统的可靠性。

Description

一种Profibus总线-以太网网桥

技术领域

本发明涉及计算机通信技术，特别涉及一种连接Profibus总线与以太网的冗余异型网桥。

背景技术

Profibus总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。作为一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，Profibus可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案。

Profibus协议结构根据ISO7498国际准，以开放式系统互联网络(OpenSystem Interconnection-OSI)作为参考模型的，如图1所示，该模型共有七层，并由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecifcation)。

Profibus-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，可取代24VDC或4-20mA信号传输，Profibus-DP定义了第一、二层和用户接口，第三到七层未加描述，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为。PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

Profibus-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范，Profibus-FMS定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范(Fieldbus Message Specification-FMS)和低层接口(LowerLayer Interface-LLI)，FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务，LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。

Profibus-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络，在Profibus-PA中，PA的数据传输采用扩展的Profibus-DP协议，另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规，根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。

三种Profibus(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层(数据链路层)来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。在Profibus中，第二层称之为现场总线数据链路层(Fieldbus Data Link-FDL)。介质存取控制(Medium Access Control-MAC)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

Profibus协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：

·在复杂的自动化系统(主站)间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

·在复杂的程序控制器和简单的I/O设备(从站)间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

随着全船网络的兴起，现场总线网络与上层的工业以太网之间联系越来越紧密。为了真正实现全船网络化，一般采用网桥将现场总线网络与工业以太网连接起来以实现数据共享。但是以太网与现场Profibus网络在结构、性能和功能上都存在着不同程度的差异，因此将它们互连起来必须克服它们之间的差异给彼此通信带来的影响，其基本要求是：

(1)在互连的网络之间提供一条互连的链路，即至少有一条物理链路和对其实施控制的规程。

(2)为不同网络进程间的通信提供合适的路由控制和数据交换。

(3)为网间通信提供良好的服务机制(如状态报告等)。

为提供上述服务，应力求不改变二者各自的体系结构而借助网络互连设备来协调和适配网络之间的各种差异。

网络互连设备称为中继系统，用于传送网络之间的数据和中止每个网络内部协议。根据中继系统在OSI/RM的不同层次实现协议和功能的转换，将中继系统分为5种：转接器(repeater)、网桥或桥接器(bridge)、路由器(router)、桥路器(brouter)、网关(gateway)。

由于Profibus总线体系结构包含数据链路层，因此与OSI七层体系结构的其它网络可在数据链路层上互连，适合的互连方式是采用桥接器，又称网桥，是一种存储转发设备。

在2003年7月3日提交的发明名称为“带有在过滤数据库中减缩的输入项的网桥装置”的美国专利申请中公开了一种网桥，包括过滤数据库和切换部分，其中，过滤数据库存储发送源网桥装置的源地址组，发送源网桥装置地址包括子网ID、节点ID和端口ID，子网ID是分配给发送源网桥装置所属的子网的ID，节点ID是分配给发送源网桥装置的ID，端口ID是分配给发送源网桥装置的每个端口的ID。切换部分连接网桥装置的各端口，它与过滤数据库相连以确定网桥装置的一个端口作为输出发送帧的输出端口，同时还发送帧通过该网桥装置的另外端口被接收。

又如1995年3月21日提交的的发明名称为“网桥”的美国专利“网桥”和2002年1月24日提交的发明名称为“在使用UTOPIA-LVDS网桥时用于建立通讯系统中帧同步的方法和装置”的美国专利也涉及到了异型网络之间的数据共享技术和数据通讯技术。

为了可靠地实现数据共享，现场总线必须具有冗余功能。但是上述这些网桥技术都未提供现场总线网络的冗余技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种Profibus总线-以太网网桥，其通过提供冗余网络功能大大提高了系统的可靠性。

本发明的上述目的通过下列技术方案实现：

一种Profibus总线-以太网网桥，包含以太网通信单元、至少两个Profibus总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述Profibus总线通信单元连接至同一设备层Profibus总线，其中，所述网桥完成下列操作：

在所述微控制器的控制下，所述Profibus总线通信单元将欲转发至以太网的若干Profibus协议报文存储在所述数据缓冲器内，所述以太网通信单元将其中一个Profibus总线通信单元欲转发至以太网的若干Profibus协议报文封装在以太网协议报文内并发送至以太网；

在所述微控制器的控制下，所述以太网通信单元从以太网协议报文中解析出欲转发至Profibus总线的Profibus协议报文并存储在所述数据缓冲器内，所述其中一个Profibus总线通信单元将所述第二区域内的Profibus协议报文发送至Profibus总线，并且所述微控制器实时监测所述其中一个Profibus总线通信单元的状态并在出现故障时采用另外一个Profibus总线通信单元实现数据转发操作。

在上述Profibus总线-以太网网桥中，为了防止数据在传输过程中丢失，比较好的是，所述数据缓冲器为所述欲转发至以太网的Profibus协议报文和欲转发至Profibus总线的Profibus协议报文预留不同的存储区域。

在上述Profibus总线-以太网网桥中，所述以太网通信单元包括以太网通信控制器RTL8019AS和隔离变压器，其中，所述以太网通信控制器RTL8019AS连接至所述内部总线并经所述隔离变压器连接至以太网。

在上述Profibus总线-以太网网桥中，所述第一和第二Profibus总线通信单元皆包括独立控制器SPC3、Profibus控制器接口芯片SN75ALS176，其中，所述独立控制器SPC3连接至所述内部总线并经光电隔离器件与所述Profibus控制器接口芯片SN75ALS176连接，并且所述微控制器根据所述其中一个Profibus总线通信单元的独立控制器SPC3的错误代码寄存器的数值确定所述其中一个Profibus总线通信单元的状态。

在上述Profibus总线-以太网网桥中，所述微控制器采用微控制器ADμC812。

在本发明的网桥中，Profibus协议与以太网协议之间的转换在应用层实现，因此可以充分利用现有的设备和现成的产品，这有助于加快开发速度和减少开发工作量。在本发明中，通过在Profibus总线侧采用主从式结构提供冗余功能，具体而言，正常情况下采用其中一个Profibus通信单元作为主设备，另一Profibus通信单元作为从设备起备份作用，当主设备出现故障时即启用从设备。为了监测主设备的状态，本发明充分利用现场总线的实时故障诊断功能，一旦发现Profibus总线控制器发生错误码溢出，就立即实现无扰动切换。此外，为了防止数据在传输过程中丢失，本发明还采用双缓冲区技术来采集和存储数据。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1示出了Profibus总线体系结构示意图。

图2示出了按照本发明较佳实施例的协议转换结构示意图。

图3示出了按照本发明较佳实施例的网桥结构框图。

具体实施方式

如图2所示，为了实现Profibus总线与以太网之间的数据共享，网桥应该至少具备下列逻辑功能模块：Profibus协议转换模块11、以太网协议转换模块12、数据缓存模块13和控制模块14，其中，Profibus协议转换模块11实现Profibus网络数据链路层和物理层通信协议，负责将Profibus协议报文发送至Profibus总线，以太网协议转换模块12实现以太网的数据链路层和物理层通信协议，负责将Profibus协议报文封装在以太网协议报文内并转发至以太网，以及从以太网协议传输层报文中提取Profibus协议报文，数据缓存模块13负责存储欲转发至以太网和Profibus总线的Profibus协议报文，而控制模块14负责整个协议转换过程的协调和管理。为了使现场总线具备冗余功能，在本发明中，Profibus协议转换模块11应采用主从结构配置，并且由控制模块14负责在主设备出现故障时实时无扰动切换至从设备。

图3示出了实现上述转换和切换功能的网桥原理框图。该网桥包括微控制器21、Profibus总线通信单元22a、22b、以太网通信单元23和数据缓冲器24。

Profibus总线通信单元22a包含Profibus通信控制器221a和Profibus控制器接口芯片222a，在本实施例中，它们分别采用独立通信控制器芯片SPC3和Profibus控制器接口芯片SN75ALS176，直接实现了Profibus数据链路层和物理层的通信协议，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。

SPC3芯片用于控制Profibus总线中的信号传输，它通过内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24和输人/输出接口模块(未画出)相连，并通过Profibus控制器接口芯片SN75ASL176连接在物理总线上。

SPC3芯片集成了DP协议中的MAC和FDL两层，可以承担通信部分的微处理器负载，实现DP从站通信处理。SPC3通过它的双口RAM与微控制器21交换数据，微控制器21操作SPC3芯片就像操作其外部RAM。SPC3的总线接口是个可参数化的同步/异步8位接口，适合于Motorola和Intel的微控制器/处理器。DP通信的服务存取点由SPC3芯片自动建立，各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。用户可以通过总线接口访问这些内部数据。

SPC3芯片内部集成有看门狗定时器，其操作于下列三种不同的状态：波特率监测、波特率控制和DP控制。内部的UART实现串并数据流的相互转换，SPC3可以自动标识总线的波特率(916k～12M)。空闲定时器控制串行总线电缆上的总线定时。微序列器控制整个SPC3芯片的工作过程。

SPC3芯片的内部还集成有115K双口RAM，其地址空间从00H到5FFH。内部以8字节为一个单元，分成192段。以功能区分，可分为下列三个区域。

从00H到015H为方式设定和状态指示寄存器区域。中断请求寄存器可读可写，写时主要用于调试。必须配置的还有中断屏蔽寄存器，工作模式寄存器0和1。看门狗用于波特率控制的定时值寄存器。还有从站最小延迟时间寄存器。用于指示SPC3作情况的寄存器有：中断请求和中断发生寄存器；状态寄存器；输入BUF、输出BUF和诊断BUF的状态寄存器。

从016H到03FH为配置参数区域，各种BUF的指针与长度(包括本站地址、地址允许改变变量、用户看门狗值和设备标识号)在此区域设置。这些BUF包括三个输入BUF、三个输出BUF、两个诊断BUF、两个辅助nF、一个配置BUF、一个参数BUF和一个地址设置BUF。

从040H到5FFH的1472字节为用户区域，它们用来接收来自IO应用和主站的数据。这些BUF的配置，包括BUF的长度和初始地址必须在SPC3的“离线”状态下完成。在操作过程中，除了Dout_buf和Din_buf的长度可变外，其它配置不能更改。总线上的串行数据经过UART转换为并行数据进入SPC3。SPC3自动识别并接收传送给本站的数据报文。它根据报文结构的不同，识别出不同的服务访问点，将数据存进对应的BUF。

为进一步提高系统抗干扰能力，在Profibus总线通信单元22a中，Profibus控制器SPC3与Profibus控制器接口SN75ASL176通过光电隔离芯片223a相连，并采用DC-DC变换器隔离电源。此外，通信信号传输到导线的端点时会发生反射，反射信号将干扰正常信号的传输，为消除反射信号，总线两端接有终端电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

Profibus总线通信单元22b同样通过上述内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24和输人/输出接口模块(未画出)相连，并连接在Profibus物理总线上，其与Profibus总线通信单元22a互为备份，从而提供冗余功能。由于Profibus总线通信单元22b的结构和工作原理与Profibus总线通信单元22a相同，因此此处不再赘述。

以太网通信单元23包括以太网控制器23a和隔离变压器23b，控制器23a采用台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器芯片实现。该芯片通过内部地址数据控制总线25与微控制器21、数据缓冲器24等相连，并经过隔离变压器23b连接至以太网，使得外部控制单元只需要对其进行读写即可完成对以太网的操作。

微控制器21为核心处理器，它负责协调和管理Profibus协议一以太网协议之间的转换和Profibus总线通信单元之间的切换过程，具体而言，其与Profibus总线通信单元22a或22b协同实现图2中Profibus协议转换模块11的功能，并与以太网通信单元23协同实现图2中以太网协议转换模块12的功能。

在本实施例中，微控制器21选用AD公司的ADμC812芯片，该芯片对8052兼容，片上带有8K片内程序闪存和640字节数据闪存，不需要扩展程序存储器和数据存储器，减少了元器件数量；并且该芯片可以通过串口在线调试和重复下载程序，开发周期短，开发成本低。

数据缓冲器24提供了图2中数据缓存模块13的功能，其采用一块8K的RAM实现，它通过上述内部地址数据控制总线25分别与微控制器21、Profibus总线通信单元22a和22b、以太网控制器单元23相连。

以下描述图3所示网桥的工作原理。这里假设Profibus总线通信单元22a为当前的主设备，Profibus报文的识别码为11位，在经过验收滤波器的筛选后，符合条件的报文才能被接收，并存入SPC3芯片的接收缓冲区。识别码值越小，优先级越高。如果总线上出现报文冲突，优先级高的报文选占据总线。Profibus节点间每次最多传送的数据为10个字节。它与接收缓冲区寄存器结构大体相同，只是地址不同。

当以太网应用层有数据要发送到Profibus节点时，首先，以太网协议报文被以太网通信单元23从传输层数据报文中解析出完整的Profibus协议报文，存放在数据缓冲器24的其中一个区域A内，然后微控制器21指令Profibus总线通信单元22a从数据缓存存储器24的区域A提取Profibus协议报文并将Profibus协议报文发送到Profibus总线上。

反过来，当Profibus设备有数据要发送到用户层时，首先，Profibus协议报文由Profibus总线通信单元22a和22b将Profibus协议报文存放在数据缓冲器24的另外两个区域B1和B2内。由于Profibus协议报文的长度小于以太网协议报文的长度，因此可以将若干Profibus协议报文封装在一个以太网协议报文内。如上所述，这里假设Profibus总线通信单元22a为当前的主设备，因此以太网通信单元23在微控制器21的指令下，从数据缓冲器24的区域B1内提取若干Profibus协议报文，并将去除地址和个数信息的数据作为应用层数据封装起来以发送到以太网。

SPC3芯片错误代码寄存器中的数值可以用来判断该Profibus通信控制器所属设备是否出现故障。在工作状态下，微控制器21通过上述地址数据控制总线访问Profibus总线通信单元22a以读取其SPC3芯片的错误代码寄存器，一旦判断SPC3芯片的错误寄存器出现异常数值，则微控制器21指令Profibus总线通信单元22a从数据缓存存储器24的区域A提取Profibus协议报文并将Profibus协议报文发送到Profibus总线上，并且指令以太网通信单元23从数据缓冲器24的区域B2内提取若干Profibus协议报文，并将去除地址和个数信息的数据作为应用层数据封装起来以发送到以太网。

Claims (5)

1、一种Profibus总线—以太网网桥，其特征在于，包含以太网通信单元、至少两个Profibus总线通信单元、数据缓冲器和微控制器，所述以太网通信单元连接至以太网，所述Profibus总线通信单元连接至同一设备层Profibus总线，其中，所述网桥完成下列操作：

在所述微控制器的控制下，所述Profibus总线通信单元将欲转发至以太网的若干Profibus协议报文存储在所述数据缓冲器内，所述以太网通信单元将其中一个Profibus总线通信单元欲转发至以太网的若干Profibus协议报文封装在以太网协议报文内并发送至以太网；

在所述微控制器的控制下，所述以太网通信单元从以太网协议报文中解析出欲转发至Profibus总线的Profibus协议报文并存储在所述数据缓冲器内，所述其中一个Profibus总线通信单元将所述第二区域内的Profibus协议报文发送至Profibus总线，并且所述微控制器实时监测所述其中一个Profibus总线通信单元的状态并在出现故障时采用另外一个Profibus总线通信单元实现数据转发操作。

2、如权利要求1所述的Profibus总线—以太网网桥，其特征在于，所述数据缓冲器为所述欲转发至以太网的Profibus协议报文和欲转发至Profibus总线的Profibus协议报文预留不同的存储区域。

3、如权利要求1或2所述的Profibus总线—以太网网桥，其特征在于，所述控制单元的功能采用微控制器ADμC812实现。

4、如权利要求3所述的Profibus总线—以太网网桥，其特征在于，所述以太网通信单元包括以太网通信控制器RTL8019AS和隔离变压器，其中，所述以太网通信控制器RTL8019AS连接至所述内部总线并经所述隔离变压器连接至以太网。

5、如权利要求4所述的Profibus总线—以太网网桥，其特征在于，所述第一和第二Profibus总线通信单元皆包括独立控制器SPC3、Profibus控制器接口芯片SN75ALS176，其中，所述独立控制器SPC3连接至所述内部总线并经光电隔离器件与所述Profibus控制器接口芯片SN75ALS176连接，并且所述微控制器根据所述其中一个Profibus总线通信单元的独立控制器SPC3的错误代码寄存器的数值确定所述其中一个Profibus总线通信单元的状态。

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