CN200959610Y - 自动化系统中的一种通信网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动化系统中的一种通信网关。其技术方案为：包括上位通信模块，双口RAM和下位通信模块，所述上、下位通信模块分别与双口RAM通信连接。其优点是：1)采用双CPU分别和中央控制单元和现场智能设备分别进行通信，在同一个时间内双方各自负担自己关联的通信部分，避免了高速大容量数据交换时经常可能出现的数据碰撞现象；2)采用双口RAM负责进行网关内的两个CPU之间的数据信息交换，双方的数据互为读取与写入信息，很好地解决了数据切换带来的通信可靠性下降的问题；3)采用相对低廉的双单片机和双口RAM可以同时进行两个任务同时工作，提高了通信数据的处理能力，可完全替代现有采用高档微处理器和多任务操作系统的高成本网关，具有很好的经济效益。

Description

自动化系统中的一种通信网关

技术领域

本实用新型涉及对控制系统中不同的智能设备与主系统的通信连接，更具体地说涉及自动化系统中的一种通信网关。

背景技术

在大中型自动化系统，包括变电站自动化系统、水电站自动化系统以及其他工业自动化系统中，往往经常涉及到大量的智能设备实现被测控对象的监控，而这些设备一般通过通信方式采用不同的通信接口与各种标准于非标准通信协议将对象的特性传送到中央控制单元。

由于现场智能设备的制造厂家不同，被监测对象与中心控制单元的距离远近不同，造成通信接口差异性很大，比较常见的工业自动化控制系统通信方式包括有线和无线通信方式，而有线包括光纤以太网通信接口、串行RS485、RS422、RS232以及CAN、LONWORK、PROFIBUS等物理接口，各种智能设备的通信接口需要采用不同的通信速率(通信波特率)进行通信传输，(对于采用串口通信的设备一般情况下距离越远，通信波特率越低)。因此在组成工业控制系统的时候，就要采用相应的方法把不同通信特性的智能设备归纳到中央控制单元可以接受的统一通信平台上。解决这种不同设备之间通信互连的装置就是网关，传统意义上的网关根据复杂程度采用以下几种方式：

其一，透明协议转换。这种方式是把被接入设备的只进行不同设备之间的通信物理接口转换，不涉及协议解析，一般用于系统比较小的场合，需要中央控制单元进行报文解析。

其二，高档微处理芯片单片机基础上的多功能通信网关，一般采用高档的单片微处理器，同时具有多个不同接口，采用通信中断请求处理方式，单任务处理模式，但由于可挂接的设备多样，同时需要具有较高的双向通信处理能力和报文解析能力，因此处理器主频要求比较高，成本比较高。

其三，采用嵌入式处理器和多任务操作系统基础上的高档通信网关，同时具有多个扩展通信接口功能，因为处理器的主频很高，同时采用多任务操作系统，因此处理能力大大加强，可靠性也得到根本的提高。但采用这种方式成本比较高，研制周期也比较长。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，设计一种制造成本低同时可避免高速大容量数据交换时产生数据碰撞现象的自动化系统中的一种通信网关，它由以下技术方案来实现：

包括上位通信模块，双口RAM和下位通信模块，所述上、下位通信模块分别与双口RAM通信连接。

所述上位通信模块包括上位单片机和与之通信连接的上位通信电路；所述下位通信模块包括上位单片机和与之通信连接的下位通信电路。

所述上位单片机及下位单片机分别由上单片机(CPU1)和地址锁存器(UA6)及单片机(CPU2)和地址锁存器(UB6)组成，下单片机(CPU1、CPU2)的数据/地址端口分别与数据总线和地址锁存器(UA6、UB6)的输入端口连接，其地址端口和地址锁存器(UA6)的输出端分别与地址总线连接。

所述上位通信电路采用双冗余结构，它包括CANBUS收发器(UA2、UA2′)、光电耦合隔离器(UA3、UA4、UA3′、UA4′)和CANBUS控制器(UA5、UA5′)，CANBUS收发器(UA2、UA2′)的串行发送端口通过光电耦合隔离器(UA3、UA3′)与CANBUS控制器(UA5、UA5′)的串行接收端口连接，CANBUS收发器(UA2、UA2′)的串行接收端口通过光电耦合隔离器(UA4、UA4′)与CANBUS控制器(UA5、UA5′)的串行发送端口连接，CANBUS控制器(UA5、UA5′)的数据端口(AD0-AD7)与对应的数据总线和地址总线连接。

所述下位通信电路采用双冗余结构，它包括CANBUS收发器(UB2、UB2′)、光电耦合隔离器(UB3、UB4、UB3′、UB4′)和CANBUS控制器(UB5、UB5′)，  CANBUS收发器(UB2、UB2′)的串行发送端口通过光电耦合隔离器(UB3、UB3′)与CANBUS控制器(UB5、UB5′)的串行接收端口连接，CANBUS收发器(UB2、UB2′)的串行接收端口通过光电耦合隔离器(UB4、UB4′)与CANBUS控制器(UB5、UB5′)的串行发送端口连接，CANBUS控制器(UB5、UB5′)的数据端口与对应的数据总线和地址总线连接。

或包括RS485通信收发器(UB2、UB2′)和光电耦合隔离器(UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′)，RS485通信收发器(UB2、UB2′)的串行接收端口、串行发送端口和控制端口分别通过光电耦合隔离器(UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′)与下单片机(CPU1)的串行发送端口，串行接收端口和控制信号输出端口连接。

本实用新型的有益效果：1)采用双CPU分别和中央控制单元和现场智能设备分别进行通信，在同一个时间内双方各自负担自己关联的通信部分，避免了高速大容量数据交换时经常可能出现的数据碰撞现象；2)采用双口RAM负责进行网关内的两个CPU之间的数据信息交换；而上位单片机要读取的数据正好是下位单片机写入的数据，反之亦然，这样很好地解决了数据切换带来的通信可靠性下降的问题；3)采用相对低廉的双单片机和双口RAM可以同时进行两个任务同时工作，提高了通信数据的处理能力，可完全替代现有采用高档微处理器和多任务操作系统的高成本网关，具有很好的经济效益。

附图说明

图1是通信网关与系统的结构示意框图。

图2是通信网关的结构示意框图。

图3是上、下位通信采用CANBUS的网关电路模块结构示意图。

图4是上、下位通信分别采用CANBUS、RS485的网关电路模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

对照图1，主控制系统的中央控制单元与标准的IO模件通过主系统的内部IO层总线实现通信连接，中央控制单元可以为冗余配置，以提高系统可靠性。通信网关的上位端接入主系统IO层总线，下位端接入由现场智能设备组成的总线网络，从而实现与现场智能设备的通信连接。通信网关可以为冗余配置，通信网关的上、下位通信接口均为冗余配置，这样的设计可以提高现场智能设备通过通信网关与中央控制单元进行数据交换的可靠性。中央控制单元通过对通信网关的访问，间接的与现场智能设备发生数据交换，这样就可以将现场各种智能设备成功的接入主控制系统，实现主控制系统对现场智能设备及标准IO模件的控制一体化。通信网关的上、下位通信是相对独立工作的，在内部通过双口RAM进行数据交换，这样保证了中央控制单元访问现场智能设备的实时性要求。

对照图2，通信网关由双口RAM和与之通信连接的上、下位通信模块组成，结构比较简单。而上、下位通信模块分别由上、下位单片机和与之通信连接的对应上、下位通信电路及相关辅助电路(电源管理、掉电保护、看门狗等电路)组成。

在实际应用中，可以根据需求设计多种类型如图2所示的通信网关，以配合实际需要的现场智能设备。也就是说，通信网关中的下位通信模块，理论上可根据不同的通信方式，如：RS485串行链路的MODBUS通信方式，CANBUS通信方式等来设计，采用相对应的通信硬件电路和相应的数据存储方式、访问方式，通信数据格式等的软件设计。

图3、图4就是两种不同下位通信方式的网关。在图3中，中央控制单元总线和现场智能设备总线均为CANBUS；图4中，中央控制单元总线、现场智能设备总线分别为CANBUS和RS485。

对照图3，上位通信电路为冗余配置，它包括CANBUS收发器UA2、UA2′、光电耦合隔离器UA3、UA4、UA3′、UA4′和CANBUS控制器UA5、UA5′，CANBUS收发器UA2、UA2′的串行发送端口ua2-txd、ua2′-txd通过光电耦合隔离器UA3、UA3′与CANBUS控制器UA5、UA5′的串行接收端口ua5-rxd、ua5′-rxd连接，CANBUS收发器UA2、UA2′的串行接收端口ua2-rxd、ua2′-rxd通过光电耦合隔离器UA4、UA4′与CANBUS控制器UA5、UA5′的串行发送端口ua5-txd、ua5′-txd连接，实现CANBUS控制器与控制单元内部总线上通信数据的交换。CANBUS控制器UA5、UA5′的数据端口AD0-AD7与对应的数据总线和地址总线连接。

上位单片机由单片机CPU1和地址锁存器UA6组成，单片机CPU1的数据/地址端口P0.0～P0.7分别与数据总线和地址锁存器UA6的输入端口连接，单片机CPU1的地址端口和地址锁存器UA6的输出端分别与地址总线连接。单片机CPU1通过其数据总线A1和地址总线B1与双口RAM连接，地址锁存器UA6及CANBUS控制器UA5，UA5′连接。下位通信电路与上位通信电路电路构成基本相同，也为冗余配置。其中UB1，UB1′表示冗余的下位CANBUS。

对照图4，上位通信电路与图3中相同，都是采用了CANBUS，并为冗余配置。下位通信电路为RS485通信电路，包括RS485通信收发器UB2、UB2′和光电耦合隔离器UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′，RS485通信收发器UB2、UB2′的串行接收端口ub2-rxd0、ub2′-rxd0、串行发送端口ub2-txd0、ub2′-txd0和控制端口ub2-re/de0、ub2′-re/de0分别通过光电耦合隔离器UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′与下位单片机的串行发送端口cpu2-txd0、cpu2-txd1，串行接收端口cpu2-rxd0、cpu2-rxd1和P3.2，P3.3控制信号输出端口连接。下位通信电路通过软件设计可以设计为冗余配置，也可以设计为非冗余配置，接入不同的RS485总线，这可以根据实际需求和实际硬件工作能力进行设计。

下位单片机的组成结构与图3所示的网关结构中的下位单片机相同。由单片机CPU2和地址锁存器UB6组成。单片机CPU2通过其数据总线A2和地址总线B2与双口RAM，地址锁存器(UB6)连接。UB1，UB1′表示下位RS485总线，通信网关通过RS485通信收发器UB2，UB2′接入到该网络中。

通信网关的上、下位通信是相对独立的，两者间通过网关内的双口RAM共享现场智能设备的数据。另外，一些通信时需要使用的参数，现场设备的信息，现场设备的通信状态标志等也存放在双口RAM中供上下共享。

此外，在上、下位通信模块中还有一些辅助电路。图3、图4中给出了掉电电路UB7、UB7′(数据可存储芯片X5045)和LED通信状态显示电路UB8、UB8′。掉电数据可存储芯片存放了一些重要信息，如现场智能设备信息，上、下位通信参数等等，这样，通信网关发生掉电后，再次上电时就无需重新设置这些信息。

通信网关在收到中央控制单元发送的启动扫描命令后，上下位通信模块开始异步工作。上位单片机接收中央控制单元的访问命令，判断命令是设置现场智能设备信息还是读取现场智能设备信息，如果是设置命令则将收到的访问命令中的设置数据存入双口RAM中对应的地址单元供下位单片机调用，并向中央控制单元发送应答信息确认设置成功。如果是读取命令则从双口RAM中取出对应的设备信息，发送给中央控制单元，如此循环进行。下位单片机主动扫描现场智能设备，根据设备的类型发送不同的访问命令。如果要读取设备的信息，下位单片机向对应设备发送请求，收到设备应答后，取出读到的信息并存放到双口RAM中的对应地址单元供上位调用。如果要设置设备信息，下位单片机从双口RAM取出对应设备的信息，将其发送给设备，并接收设备的应答信息确认设置成功，如此循环进行。

Claims (6)

1、自动化系统中的一种通信网关，其特征在于包括上位通信模块，双口RAM和下位通信模块，所述上、下位通信模块分别与双口RAM通信连接。

2、根据权利要求1所述的自动化系统中的一种通信网关，其特征在于所述上位通信模块包括上位单片机和与之通信连接的上位通信电路；所述下位通信模块包括上位单片机和与之通信连接的下位通信电路。

3、根据权利要求2所述的自动化系统中的一种通信网关，其特征在于所述上位单片机及下位单片机分别由上单片机(CPU1)和地址锁存器(UA6)及单片机(CPU2)和地址锁存器(UB6)组成，下单片机(CPU1、CPU2)的数据/地址端口分别与数据总线和地址锁存器(UA6、UB6)的输入端口连接，其地址端口和地址锁存器(UA6)的输出端分别与地址总线连接。

4、根据权利要求3所述的自动化系统中的一种通信网关，其特征在于所述上位通信电路采用双冗余结构，它包括CANBUS收发器(UA2、UA2′)、光电耦合隔离器(UA3、UA4、UA3′、UA4′)和CANBUS控制器(UA5、UA5′)，CANBUS收发器(UA2、UA2′)的串行发送端口通过光电耦合隔离器(UA3、UA3′)与CANBUS控制器(UA5、UA5′)的串行接收端口连接，CANBUS收发器(UA2、UA2′)的串行接收端口通过光电耦合隔离器(UA4、UA4′)与CANBUS控制器(UA5、UA5′)的串行发送端口连接，CANBUS控制器(UA5、UA5′)的数据端口(AD0-AD7)与对应的数据总线和地址总线连接。

5、根据权利要求3所述的自动化系统中的一种通信网关，其特征在于所述下位通信电路采用双冗余结构，它包括CANBUS收发器(UB2、UB2′)、光电耦合隔离器(UB3、UB4、UB3′、UB4′)和CANBUS控制器(UB5、UB5′)，CANBUS收发器(UB2、UB2′)的串行发送端口通过光电耦合隔离器(UB3、UB3′)与CANBUS控制器(UB5、UB5′)的串行接收端口连接，CANBUS收发器(UB2、UB2′)的串行接收端口通过光电耦合隔离器(UB4、UB4′)与CANBUS控制器(UB5、UB5′)的串行发送端口连接，CANBUS控制器(UB5、UB5′)的数据端口与对应的数据总线和地址总线连接。

6、根据权利要求3所述的自动化系统中的一种通信网关，其特征在于所述下位通信电路采用双冗余结构，它包括RS485通信收发器(UB2、UB2′)和光电耦合隔离器(UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′)，RS485通信收发器(UB2、UB2′)的串行接收端口、串行发送端口和控制端口分别通过光电耦合隔离器(UB3、UB3′、UB4、UB4′、UB5、UB5′)与下单片机(CPU1)的串行发送端口，串行接收端口和控制信号输出端口连接。

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