CN201323598Y

CN201323598Y - 一种MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器

Info

Publication number: CN201323598Y
Application number: CNU2008202109507U
Authority: CN
Inventors: 陈浩; 戴瑜兴; 田莉; 石俊云; 文露; 肖燎
Original assignee: HUNAN CONSTRUCTION ENGINEERING GROUP Corp
Current assignee: HUNAN CONSTRUCTION ENGINEERING GROUP Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2018-12-15

Abstract

本实用新型公开了一种MODBUS/TCP和DeviceNet的协议转换器，包括工业以太网接口模块、现场总线通讯适配器模块和协议转换微处理器，所述协议转换微处理器、工业以太网接口模块、现场总线通讯适配器模块和静态存储器之间通过内部总线连接；其中工业以太网接口模块包括有以太网接口，工业以太网协议处理单元、双端口存储器等；其中现场总线通讯适配器模块包括有现场总线接口、现场总线协议处理单元、双端口存储器等。本实用新型建立了统一的报文模型，实现了两者之间转换的高速、大容量和实时性，由此提高了控制系统的灵活性和兼容性。

Description

一种MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器

技术领域

本实用新型涉及工业以太网与现场总线的协议转换器，具体是MODBUS/TCP工业以太网协议与DeviceNet现场总线协议的转换。

背景技术

近20多年来，随着通信技术、计算机技术和网络技术(3C技术)的飞速发展，工业自动化控制领域也得到了迅速的促进和改革。如何将现代通信技术成功地应用到工业自动化控制领域，是目前控制方面的热点问题。

随着控制技术、通信技术的飞速发展，特别是Internet技术的广泛应用，使得现场总线控制系统通过以太网与企业信息网集成实现工厂监控一体化成为大势所趋。将以太网技术与现场总线技术相结合，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地结合起来，形成现场总线技术和一般计算机网络技术相互促进的局面。

现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线协议标准多种多样，国际电工委员会(IEC)于2000年公布通过了IEC61158现场总线标准，容纳了8种互不兼容的控制层协议和三种设备级现场总线标准。现场总线具有实时性好、稳定性高等优点，但是普遍通信速率较低，如DeviceNet(设备网)现场总线的最高通信速率只能达到500kbps。这在通常的工业控制场合还可以满足应用的需要，但是要想进一步提高控制系统的性能，如传输视频、音频等多媒体数据时，就成为发展的瓶颈。为此，人们考虑采用一种统一的标准来解决这些问题。

以太网是商业领域里普遍采用的局域网络，结合TCP/IP协议，构成了因特网的基础，成为网络应用中事实上的标准，其通信速率最低也可达到10Mbps，并且具有广泛的应用基础。于是以太网在实时控制中的应用一时成为了研究热点，很多大公司和科研机构纷纷推出了各自的工业以太网协议。工业以太网有其自身的优势，但是用在底层设备中还存在着诸如实时性、本质安全性等问题，所以目前主要还是应用在企业信息管理层。而在底层还是采用现场总线网络，这就存在着设备层和信息层的衔接问题。

各个大公司为了维护自身利益，抢占市场份额，都推出了与自身协议兼容的网络架构，如美国Rockwell公司基于控制与信息协议(CIP)推出了DeviceNet、Controlnet、Ethernet/IP的三层体系结构。法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，在底层采用MODBUS现场总线网络，在信息层采用MODBUS/TCP工业以太网，层次间基于相同的功能码连接。这些体系结构虽然实现了工业以太网和现场总线间的互连，但是各个层次的通信网络都是基于自身相同的协议标准。这种封闭的状况给用户带来了很大的不便，在系统设计和系统改造时受到了许多的限制。若能实现不同协议标准的工业以太网和现场总线网络之间的转换，既能满足底层设备网络实时性等要求，又能满足信息层网络高速率、大容量的需要，还可以解决不同协议标准的通信网络的兼容性问题，将会具有非常大的实际意义。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，考虑到目前企业网络系统结构为infranet-intrenet-internet结构，而工业以太网主要应用在intrenet层，在底层仍采用现场总线网络，通过本实用新型提供一种MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器，能实现不同协议标准的工业以太网和现场总线网络之间的转换，达到对工业控制领域不同层次网络相互通信的高速率、实时性、兼容性的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是，一种MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器，其包括如下部分：

工业以太网接口模块：其内部包括有与以太网连接的以太网接口，用来处理工业以太网协议的协议处理单元，双端口存储器及网卡隔离部分，其中双端口存储器被分成输入区、输出区和邮箱区；

现场总线通讯适配器模块：其内部包括有与DeviceNet现场总线连接的现场总线接口，用来处理DeviceNet现场总线协议的协议处理单元，双端口存储器及光耦合部分，其中双端口存储器被分成输入区、输出区和邮箱区，在输入区和输出区中建立与各个从节点对应的映射区；

协议转换微处理器(主控部分)：其采用DSP信号处理芯片，在此采用TI公司的定点芯片TMS320VC5509，分别与工业以太网接口模块和现场总线通讯适配器接口模块连接，负责与工业以太网接口模块和现场总线通讯适配器模块通讯，并负责两种协议应用层的转换工作；

静态存储器(RAM)：用来作为数据存储器存储从节点的过程数据；

所述协议转换微处理器通过串行外围接口连接带有看门狗功能的电可擦除存储器(EEPROM)：用来存储微处理器内部运行参数、DeviceNet网络的组网信息和节点状态信息；

所述协议转换微处理器、工业以太网接口模块、现场总线通讯适配器模块和静态存储器之间通过内部总线连接。

作为优选方案，现场总线通讯适配器模块以SJA 1000为现场总线协议处理单元，工业以太网接口模块以RTL8019为工业以太网协议处理单元。

本实用新型的工作原理是，由于DeviceNet是一种面向对象的应用层协议，而Modbus仅是一种数据链路层协议，它们在物理层采用不同的规范，在数据链路层采用不同的介质访问方式。为了实现两种协议的转换，协议转换装置需要满足两种协议物理层和数据链路层的要求。因此协议转换器既要实现DeviceNet主节点的功能，又要实现MODBUS/TCP工业以太网节点功能，即分别采用能够实现DeviceNet主节点功能的现场总线通讯适配器模块和能够实现MODBUS/TCP服务器(Server)功能的工业以太网接口模块来实现这两种功能。

综上所述，本实用新型实现了不同协议标准的工业以太网和现场总线网络之间的转换，满足了底层设备网络实时性要求和信息层网络高速率、大容量的需要，同时也解决了不同协议标准的通信网络的兼容性问题，对控制领域的现场设备的网络通讯起到了一定的功能上的提高。本实用新型达到了MODBUS/TCP和DeviceNet协议转换的实时性、高速率和兼容性的要求。

以下结合附图和实施例对本实用新型的结构和工作原理作详细的描述：

附图说明

图1是实施例所述协议转换器的总体硬件结构示意图；

图2是实施例所述协议转换器的硬件原理图；

图3是实施例所述统一报文模型；

图4是协议转换方法的原理框图；

图5是协议转换的软件实现流程图；

图6是实验系统图；

具体实施方式

参照图1，为了满足通讯实时性要求，协议转换微处理器CPU选用TI公司的高速信号处理芯片DSP 5509，负责与工业以太网接口模块和现场总线通讯适配器模块通讯，并负责两种协议应用层的转换工作。工业以太网接口模块处理MODBUS/TCP工业以太网协议，现场总线通讯适配器模块处理DeviceNet现场总线协议。协议转换微处理器、工业以太网接口模块、现场总线通讯适配器模块、静态存储器之间通过协议转换器的内部总线连接。采用带有看门狗功能的电可擦除存储器(EEPROM)存储协议转换装置的运行参数、DeviceNet网络的组网信息和节点状态信息。静态存储器(RAM)作为数据存储器存储从节点的过程数据。

其中本实施例中DeviceNet主节点接口模块以SJA 1000为CAN协议处理芯片，实现物理层和数据链路层功能。在应用层封装了DeviceNet对象模型，可实现主节点的大部分功能。模块提供标准DeviceNet现场总线接口，协议转换器可通过该接口与DeviceNet现场总线连接。模块内部的DeviceNet协议处理单元可实现DeviceNet协议。模块提供了双端口存储器与协议转换微处理器接口，双端口存储器被分成输入区、输出区和邮箱区，在输入区和输出区中可建立与各个从节点对应的映射区，微处理器可通过输入区向各个从节点写入过程输出数据，通过输出区获得各从节点的过程输入数据，通过邮箱区设置现场总线接口模块的运行参数，对DeviceNet网络进行组网配置，读取各个从节点的运行状态。

工业以太网接口模块提供标准以太网接口，协议转换器可通过该接口与以太网连接。模块内部以芯片RTL8019为工业以太网协议处理单元，可实现MODBUS/TCP工业以太网协议。模块提供了双端口存储器与微处理器接口，双端口存储器被分成输入区、输出区和邮箱区，微处理器可通过输入区向接口模块写入各个从节点的运行状态和过程数据，可通过输出区获得以太网信息层发送的各类型报文，可通过邮箱区设置接口模块运行参数，读取其运行状态。

参照图2，为协议转换器的整体具体硬件实施电路图，以主芯片DSP5509、SJA 1000和RTL8019为主要的硬件电路，将工业以太网接口模块和现场总线通讯适配器模块连接在以DSP5509为处理器的电路中，以达到通过RJ45传上来的以太网数据和通过82C250收发器传上来的CAN总线数据的转换和流通。在电路的设计中同时考虑到了以太网控制器与RJ45的隔离，以及CAN控制器与CAN总线的光耦合等。

首先，以太网数据通过RJ45下传(或数据经此上传至以太网)，经20F001网卡隔离变压器(将网卡芯片送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号)隔离后联至网络控制芯片RTL8019进行协议处理，再将处理后的数据送到微处理器DSP 5509，完成这一部分的协议转换，其中RTL8019采用+5V供电，选用20MHz晶振提供基准时钟，芯片地址信号使能引脚AEN与主处理器5509片选引脚TCK相连，电路选择以16位数据总线宽度与主处理器通信，芯片数据总线D0:D15接主处理器数据总线D0:D15，芯片地址总线A0:A5接主处理器地址总线A0:A5，RST复位接处理器GPIO2，此外，中断端接至5509的INT1进行中断处理。

另外，DSP5509接至CAN处理芯片SJA 1000，进行DeviceNet协议处理，其功能是在建立统一的报文格式基础上，完成两种协议的相互转换。通过光耦合6N137使适配器内部与外部隔离，经过CAN收发器82C250和CAN协议芯片实现DeviceNet的协议接收和发送。芯片SJA 1000是专门的CAN控制芯片，多路地址/数据总线接至出处理器的A0:A7，ALE接5509的TCK，片选引脚CS接至5509的GPIO1，同时用DSP 5509的INT0做中断时用。

参照图3，因在应用层上，DeviceNet协议采用基于对象模型的描述，而MODBUS/TCP工业以太网协议基于功能码实现命令，为了实现基于不同协议标准的MODBUS/TCP工业以太网和DeviceNet现场总线间应用层协议的转换，协议转换器需要建立统一的报文模型，保证各种报文有效通讯。

参照图4、5所示，协议转换的实现流程为：首先利用预定义主/从连接组，将协议转换器作为DeviceNet的一个从站，另一方面又作为MODBUS/TCP的主站。软件由头文件、初始化程序、功能子程序和主程序组成。软件对与硬件接口的部分进行了比较独立的设计，而主程序和功能子程序主要用来实现协议的实现及格式相互转化，为将来的硬件改型和可能的协议修改提供了较大的便利。

软件整体结构如图5所示。包括如下步骤：

(1)读取电可擦除存储器中运行参数，对协议转换装置初始化；

(2)等待工业以太网模块产生中断，获得DeviceNet网络组网信息，对DeviceNet网络组网；

(3)读取DeviceNet网络中各个从节点工作状态；

(4)等待中断，判断中断类别：

如果是工业以太网接口模块产生中断，调用中断处理子程序，根据报文标识符判断报文类型，分别进行处理；

如果是现场总线模块产生中断，读取从节点过程数据并将该数据写入工业以太网接口模块；

如果是定时中断，读取各从节点工作状态并更新电可擦除存储器中的节点工作状态标识区；

(5)重复步骤(3)和(4)，循环运行。

DSP 5509从工业以太网模块接收的报文分为六种，以不同的报文标识(message ID)识别报文类型：

(1)现场总线网络配置报文中包含了针对DeviceNet网络中各个从节点的配置信息。包含从节点的节点地址(MAC ID)、厂商号(vendor)、产品类型(producttype)、产品码(product code)、与主节点的通讯方式、在现场总线接口模块双端口存储器输入、输出区中开辟映射区的大小等参数。每一帧报文针对一个从节点配置信息，在最后一帧报文的末尾加上报文结束标识符，以便于DSP 5509判断处理。

(2)装置运行参数报文中包含了装置初始化时需要的参数。包括DSP 5509与工业以太网接口模块间的双端口存储器中输入区和输出区的大小，对工业以太网接口模块的初始化参数，DSP 5509与现场总线接口模块间的双端口存储器中输入区和输出区的大小，对现场总线接口模块初始化参数，定时器中断的定时周期等参数。

(3)节点开/关报文用来通知DSP 5509关闭某些节点或重新启动某些节点。节点MAC ID标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示关闭该位对应MAC ID地址的节点。当某一位是0时表示重新启动该位对应MAC ID地址的节点。

(4)读节点状态报文用来通知DSP 5509上传某个或某些从节点的运行状态。节点MAC ID标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示需要读取该位对应MAC ID地址的节点状态。

(5)读过程数据报文用来通知DSP 5509上传某个或某些从节点的过程数据。节点MAC ID标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示需要读取该位对应MAC ID地址节点的过程数据。

(6)写过程数据报文用来通知DSP 5509向某个从节点写入过程数据。MACID标识要写入的从节点的地址，然后是要写入的数据，最后是表示数据结束的标识符。

DSP 5509向工业以太网接口模块可写入两类报文：

(1)从节点状态上传报文用来上传各个从节点的工作状态。节点状态标志区中有8个字节，共64位，当某一位是0时表示该位对应MAC ID地址的节点状态正常，当某一位是1时表示该位对应MAC ID地址的节点状态异常。

(2)从节点过程数据上传报文用来上传某个从节点的过程数据。MAC ID标识从节点的地址，然后是要上传的数据，最后是表示数据结束的标识符。

为了验证协议转换器的可行性，构建如图6所示的实验系统：计算机内的组态软件采用美国GE公司的iFIX组态软件，使用该软件内嵌的MODBUS/TCP工业以太网驱动程序MBE(Modbus Ethernet)来进行网络配置和管理，支持I/O数据的通讯。实验系统中挂接了两个MODBUS/TCP工业以太网节点和两个DeviceNet现场总线从站节点。系统运行正常，上述协议转换器中的各种报文和各个节点I/O数据都能够正常通讯，充分验证了MODBUS/TCP工业以太网和DeviceNet现场总线间协议转换器的可行性。

Claims

1、一种MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器，其特征是包括如下部分：

工业以太网接口模块：其内部包括有与以太网连接的以太网接口，用来处理工业以太网协议的协议处理单元，双端口存储器及网卡隔离部分；

现场总线通讯适配器模块：其内部包括有与DeviceNet现场总线连接的现场总线接口，用来处理DeviceNet现场总线协议的协议处理单元，双端口存储器及光耦合部分；

协议转换微处理器：其采用DSP信号处理芯片TMS320VC5509，分别与工业以太网接口模块和现场总线通讯适配器接口模块连接；

用来作为数据存储器存储从节点的过程数据的静态存储器；

2、根据权利要求1所述MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器，其特征是所述协议转换微处理器通过串行外围接口连接带有带看门狗功能的电可擦除存储器EEPROM。

3、根据权利要求1或2所述MODBUS/TCP与DeviceNet的协议转换器，其特征是所述现场总线通讯适配器模块以芯片SJA 1000为其协议处理单元，工业以太网接口模块以RTL8019芯片为其协议处理单元。