CN201274492Y - 具有中继功能的profibus集线器 - Google Patents

Abstract

一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控制逻辑电路组成，每个总线通道由PROFIBUS的端口、RS－485驱动及隔离电路、检测及隔离电路组成，检测及隔离电路由比较器芯片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路的每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，这些端口分别与总线通道中的RS－485驱动及隔离电路的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连。本产品可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树型或混合型网络结构，并可以增加PROFIBUS网段数量，实现级连，延长通信距离、增加站点个数。

Description

具有中继功能的PROFIBUS集线器

技术领域

本实用新型涉及PROFIBUS多端口设备，特别涉及PROFIBUS集线器，该集线器可应用于PROFIBUS现场总线网络中，可将网络的总线型拓扑结构改变为树型结构或混合型结构，同时保留了中继器的功能。

背景技术

现场总线PROFIBUS是一种开放的、数字式的、串行、多点的工业数据通信总线，已广泛应用于过程工业、制造业、安全、物流、交通、电力等各个领域的自动化系统中。

现场总线PROFIBUS物理层可以选择RS-485、光纤、及MBP(IEC61158-2)等传输技术；在PROFIBUS技术标准中，RS-485技术又被进一步严格定义和补充，包括了网络拓扑结构、段、终端、中继、分支等概念，并对所使用的电缆、连接器、中继器等网络部件做出详细技术规范。PROFIBUS基于RS-485技术的物理层传输时，一般采用总线型的网络结构，如图1所示，这种网络拓扑结构相对简单，不易实现树型或混合型的网络结构，因而局限性较大，应用面较窄。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树型或混合型网络结构，并可以增加PROFIBUS网段数量，实现级连，延长通信距离、增加站点个数。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控制逻辑电路组成，多路收/发控制逻辑电路有多组收/发控制端；其特征是：

所述每个总线通道由PROFIBUS的端口、RS—485驱动及隔离电路、检测及隔离电路组成，RS—485驱动及隔离电路，检测及隔离电路由比较器芯片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路的每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，上述各器件的接线方式如下：每个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端，分别与多路收/发控制逻辑电路中对应的一组收/发控制端中的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连，RS—485驱动及隔离电路芯片的RS—485接口分别与所述PROFIBUS端口中PROFIBUS信号线引脚相连，所述比较器芯片的两个输入端分别与PROFIBUS端口中的PROFIBUS信号线引脚相连，比较器芯片的输出端与放大器芯片的输入端相连，放大器芯片的输出端与反相器芯片的输入端连接，反相器芯片的输出端与光隔芯片的输入端连接，光隔芯片的输出端与多路收/发控制逻辑电路的触发端连接。

本实用新型有以下积极有益效果：

本产品具有集线功能，可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树型或混合型网络结构。

本产品具有中继功能，可以增加PROFIBUS网段数量，也可实现级连，因此可以延长通信距离、增加站点个数。

本产品具有隔离功能，每个端口之间是电气隔离的，也就是段之间隔离。因此，某一段上的断线、短路都不影响其他段的正常运行。

本产品具有诊断监视功能，通过LED指示灯可以监视PROFIBUS网络中各段的工作状态，为网络诊断提供参考。

本产品是单纯的物理层设备，与上层协议无关；不需要主站配置、无GSD文件；因此应用范围广，可适用于所有基于RS-485的PROFIBUS协议的网络中，如PROFIBUS-DP/V0、V1、V2以及各种应用层协议，包括：PROFIsafe(安全)，Redundancy(冗余)等等，也部分适用于其它RS-485传输技术的现场总线或网络，如MODBUS。

附图说明

图1是现有技术中利用PROFIBUS中继器实现的总线型网络拓扑结构图。

图2是本实用新型的集线器的外形结构示意图。

图3是图2的正视图。

图4本实用新型的电路方框图。

图5是本实用新型的电路原理图。

图6是本实用新型的一号总线通道的电路原理图。

图7是本实用新型的工作过程状态转换示意图。

图8是利用本实用新型的集线器实现的混合型网络拓扑结构图。

图9是利用本实用新型的集线器实现的树型网络拓扑结构图。

具体实施方式

请参照图2、图3、图4，本实用新型是一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由六个总线通道、复位电路、多路收/发控制逻辑电路组成，六个总线通道分别是一号、二号、三号、四号、五号、六号总线通道。请参照图4、图5、图6：

一号总线通道由PROFIBUS的端口D1、RS—485驱动及隔离电路U1、检测及隔离电路N1组成。

二号总线通道由PROFIBUS的端口D2、RS—485驱动及隔离电路U2、检测及隔离电路N2组成。

三号总线通道由PROFIBUS的端口D3、RS—485驱动及隔离电路U3、检测及隔离电路N3组成。

四号总线通道由PROFIBUS的端口D4、RS—485驱动及隔离电路U4、检测及隔离电路N4组成。

五号总线通道由PROFIBUS的端口D5、RS—485驱动及隔离电路U5、检测及隔离电路N5组成。

六号总线通道由PROFIBUS的端口D6、RS—485驱动及隔离电路U6、检测及隔离电路N6组成。

RS—485驱动及隔离电路U1、U2、U3、U4、U5、U6可以由IL485型号的芯片构成。

请参照图5、图6，每个检测及隔离电路由比较器芯片U8、放大器芯片U9、反相器芯片U10、光隔芯片U11组成，比较器芯片U8的型号可以是AD8061。放大器芯片U9的型号可以是ADCMP600。反相器芯片U10的型号可以是74AHC1G100。光隔芯片U11的型号可以是HCPL—0600。复位电路U12可以采用TL7705A型号的芯片，TL7705A的管脚5(/RSET)与多路收/发控制逻辑电路U7的/RESET连接。多路收/发控制逻辑电路U7由复杂可编程逻辑器件(CPLD)组成，型号可以是EPM7064STC-10。多路收/发控制逻辑电路U7的有六组收/发控制端。每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，各组收/发控制端中的五个通用I/O端口都经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端。

六个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路发送端、接收端、发送允许端、接收允许端分别与多路收/发控制逻辑电路U7中的六组收/发控制端中的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连。

例如，多路收/发控制逻辑电路U7的第一组收发控制端的五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端TXD1、接收端RXD1、发送允许端RST1、接收允许端REN1与触发信号端CMP1。

一号总线通道中的RS—485驱动及隔离电路U1的发送端D、接收端R、发送允许端DE、接收允许端RE分别与多路收/发控制逻辑电路U7中的第一组收/发控制端中的发送端TXD1、接收端RXD1、发送允许端RST1、接收允许端REN1一一对应相连。

请参照图6，IL485芯片是一款集成了485驱动和信号隔离功能的芯片。该电路功能是将PROFIBUS/485物理层电平及“NRZ(不归零)比特编码”，转换成0—5V电平及异步串行通信信号，反之亦然。检测及隔离电路主要功能是检测PROFIBUS/485电平状态，输出到光隔芯片U11，实现检测信号隔离。隔离后输出状态信号到多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMP1，实现集线器多路信号传送控制。下面以一号总线通道为例，详述各器件的接线方式：请参照图6，RS—485驱动及隔离电路U1的两个RS—485接口A、B分别与PROFIBUS端口D1中的两根信号线引脚3、8相连，比较器芯片U8的两个输入端+IN、-IN分别与PROFIBUS端口D1中的两根信号线引脚3、8连接，比较器芯片U8的输出端与放大器芯片U9的输入端相连，放大器芯片U9的输出端与反相器芯片U10的输入端连接，反相器芯片U10的输出端与光隔芯片U11的输入端连接，光隔芯片U11的输出端与多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMP1连接。

PROFIBUS/485网络不允许有一个以上站点同时发送数据。为此，PROFIBUS协议规定主站与从站之间采用主/从通信方式，主站与主站之间采用令牌控制，以保证总线控制的正确性。因此，PROFIBUS集线器要实现的功能就是：当任意的一个端口接收到报文信号，立即通过其他端口，无延时地将报文转发出去。

请参照图6，IL485芯片与其它RS-485驱动电路芯片一样，单双工差动输出(A、B)，NRZ(不归零)比特编码；由发送允许端DE控制发送、由接收允许端RE控制接收。当RE＝0，且DE＝0时，端口D1处于接收状态，此时IL485输出(A、B)为高阻，也称释放状态。如果PROFIBUS总线上有其它站点发送PROFIBUS报文信号，IL485芯片将接收A1、B1信号线电平信号转换成0-5V的异步串行通信信号，通过数据接收端R输出给多路收/发控制逻辑电路U7的数据接收端RXD1。当RE＝1，且DE＝1时，端口D1处于发送状态。此时IL485将来自多路收/发控制逻辑电路U7发送数据端TXD1信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，再通过其接口A、B输出。

在多路收/发控制逻辑电路U7的发送允许端RTS1上接有LED(发光二极管)指示灯LRT1，当发送允许端RTS1被置1时，指示灯LRT1亮，表明PROFIBUS主站在发送。当PROFIBUS主站发送报文完毕，多路收/发控制逻辑电路U7的按状态转换逻辑将发送允许端RTS1置0，指示灯LRT1灭，表明PROFIBUS主站报文发送完毕。因此指示灯LRT1可以作为PROFIBUS主站发送诊断指示。

在多路收/发控制逻辑电路U7的接收端RXD1上接有LED(发光二极管)指示灯LR1，当RS—485驱动及隔离电路U1处于接收状态，且端口D1中的信号线A1、B1接收到PROFIBUS报文，则U1的接收端R向多路收/发控制逻辑电路U7的RXD1端输出异步串行通信信号，指示灯LR1闪亮，表明本端口正在接收数据。当端口D1中的信号线A1、B1接收到PROFIBUS报文结束，则U1的接收端R转换为持续高电平，指示灯LR1灭，表明本端口没有接收到数据。如果本接口就没有连接PROFIBUS段，指示灯LR1处于常灭状态。因此指示灯LR1可以作为本端口PROFIBUS报文接收诊断指示。

请参照图5、图7，本产品是一种智能控制装置，由多路收/发控制逻辑电路U7(CPLD)中的程序自动完成收/发控制。收/发控制整个流程包括四个状态，即上电复位状态T1，接收状态S1、接收转发状态S2、关闭发送状态S3。其中接收状态S1、接收转发状态S2、关闭发送状态S3构成了一个闭环的循环过程。

下面详述本产品的工作过程：

(1)上电复位并进入接收状态：电路上电，复位电路U12的/RSET端向多路收/发控制逻辑电路U7的/RESET发送复位信号，多路收/发控制逻辑电路U7的各个发送允许端RTS1、RTS2、RTS3、RTS4、RTS5、RTS6置为0，各个接收允许端REN1、REN2、REN3、REN4、REN5、REN6置为0，使所有端口D1、D2、D3、D4、D5、D6处在接收状态；

(2)接收转发状态：

一号总线通道的检测及隔离电路N1检测本端口D1的信号线A1、B1电平；

二号总线通道的检测及隔离电路N2检测本端口D2的信号线A2、B2电平；

三号总线通道的检测及隔离电路N3检测本端口D3的信号线A3、B3电平；

四号总线通道的检测及隔离电路N4检测本端口D4的信号线A4、B4电平；

五号总线通道的检测及隔离电路N5检测本端口D5的信号线A5、B5电平；

六号总线通道的检测及隔离电路N6检测本端口D6的信号线A6、B6电平。

当某一端口，例如端口D1的信号线A1、B1电平由释放状态转为发送状态，则该端口D1的检测及隔离电路N1即可判定该端口接收到报文启始信号，该检测及隔离电路N1立即向多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMP1发送第一波触发信号；然后，检测及隔离电路N1继续检测该端口D1的信号线A1、B1的电平。多路收/发控制逻辑电路U7收到第一波触发信号后，立即将与其余端口对应的发送允许端置1，接收允许端置1，即将RTS2、RTS3、RTS4、RTS5、RTS6＝1，将REN2、REN3、REN4、REN5、REN6＝1；使其余端口D2、D3、D4、D5、D6处于发送状态；同时，多路收/发控制逻辑电路U7将信号接收端RXD1接收到的报文信号转换成发送报文信号，通过信号发送端TXD2、TXD3、TXD4、TXD5、TXD6发送给其余RS—485驱动及隔离电路U2、U3、U4、U5、U6。然后，RS—485驱动及隔离电路U2将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD2的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、B输出给端口D2的信号线B2、A2。

RS—485驱动及隔离电路U3将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD3的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、B输出给端口D3的信号线B3、A3。

RS—485驱动及隔离电路U4将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD4的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、B输出给端口D4的信号线B4、A4。

RS—485驱动及隔离电路U5将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD5的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、B输出给端口D5的信号线B5、A5。

RS—485驱动及隔离电路U6将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD6的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、B输出给端口D6的信号线B6、A6。

每当上述中的检测及隔离电路N1检测到端口D1的信号线B1、A1的电平由发送状态转变为释放状态；检测及隔离电路N1都要向可多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMP1发送第二波触发信号。

(3)关闭发送状态、返回接收状态：只有当多路收/发控制逻辑电路U7收到第二波触发信号，且信号电平经持续时间Td以后方可确认D1的信号线A1、B1上报文发送确已结束，这个持续时间Td应大于2Tbit时间，在12M波特率时，Td(2bits)＝0.17微秒，因此取Td≥0.17微秒，根据PROFIBUS协议规定，从PROFIBUS(B1、A1)总线上报文最后一个字符传送结束，到下一个PROFIBUS回答报文首字符的起始时刻，总线上的空闲时间称Tsdr。Tsdr最小是11bits。在12M波特率时，Tsdr(11bits)＝0.92微秒。也就是说，当检测及隔离电路N1检测到端口D1信号线B1、A1上报文发送结束后，多路收/发控制逻辑电路U7必须在11bits时间内将其它所有端口D2—D6转换成接收状态，否则将丢失下次回答报文的信息。因此确认结束的持续时间Td必须小于11bits。本装置为自适应9.6K—12M波特率，因此必须按照12M条件考虑，取0.17微秒≤Td<0.92微秒。

经过持续时间Td后，多路收/发控制逻辑电路U7立即将与其余总线通道对应的发送允许端置0，接收允许端置0，即将RTS2、RTS3、RTS4、RTS5、RTS6＝0，REN2、REN3、REN4、REN5、REN6＝0；关闭其余端口D2、D3、D4、D5、D6，使它们回到接收状态；这时，所有总线通道均回到接收状态；等待下一次某一端口接收到发送报文。

请参照图8、图9，本实用新型的PROFIBUS集线器在0—12M波特率自适应，不需要开关设置及系统配置。六通道PROFIBUS总线端口不分主站端口或从站端口。每个端口上即可接主站、也可以接从站、或主/从混合的段。六通道PROFIBUS总线端口不分终端端口或非终端端口，每个端口即可作为段的终端端口，也可以作为段的非终端端口。允许有空端口。可方便地实现级连的结构。

Claims (1)

1.一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控制逻辑电路组成，多路收/发控制逻辑电路有多组收/发控制端；其特征是：

所述每个总线通道由PROFIBUS的端口、RS—485驱动及隔离电路、检测及隔离电路组成，RS—485驱动及隔离电路，检测及隔离电路由比较器芯片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路的每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，上述各器件的接线方式如下：每个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端，分别与多路收/发控制逻辑电路中对应的一组收/发控制端中的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连，RS—485驱动及隔离电路芯片的RS—485接口分别与所述PROFIBUS端口中PROFIBUS信号线引脚相连，所述比较器芯片的两个输入端分别与PROFIBUS端口中的PROFIBUS信号线引脚相连，比较器芯片的输出端与放大器芯片的输入端相连，放大器芯片的输出端与反相器芯片的输入端连接，反相器芯片的输出端与光隔芯片的输入端连接，光隔芯片的输出端与多路收/发控制逻辑电路的触发端连接。

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