CN201479158U - 一种多接口网关 - Google Patents

Abstract

一种多接口网关，包括：核心板，所述核心板进一步包括微控制器模块和存储器模块，所述微控制器模块包括多个外部接口；扩展板，所述扩展板通过微控制器模块所提供的外围接口与核心板相连接；无线通信模块以及电源模块。本实用新型的优点在于，选用包括多个外部接口的微控制器，能够满足多种控制总线和网络种类的接入需要，从而降低设计周期和生产成本。并且所述微控制器模块进一步包括集成于同一芯片内的以太网控制器和数据处理单元，所述以太网控制器和数据处理单元集成于同一芯片内。

Description

一种多接口网关

【技术领域】

本实用新型涉及通信技术领域和工业控制领域，尤其涉及一种适用于工业控制所需的多接口网关。

【背景技术】

在工业控制系统中，大量应用了DCS、PLC、现场总线和工业以太网等控制系统，将安装于工业现场的各种传感器、变送器和执行器通过各种线缆连接到控制系统中，进行相关参数的检测和控制。然而，这些方式有一些先天的不足：对某些特定的移动设备，例如旋转设备和经常移动的监控对象，固定的线缆无法连接；线缆成本高昂，控制室与现场之间的连线有时达到上千米，众多节点的连接电缆耗费巨大；众多的节点使得连线异常复杂，安装与检修难度巨大。因此，需要一种能够在工业环境下使用的无线传输方式和无线控制网络。

以ZigBee技术为代表的无线传感器网络正是针对这种要求提出的。所谓无线传感器网络是由大量廉价的具有通信和计算能力的微小传感器节点组成，在监控区域内密集布设，通过无线通信方式组成一个多跳的自组织智能测控网络。在多种无线传输协议中，ZigBee是组建无线传感器网络的可选技术。它具有最低的功耗(电池供电能够连续使用几年)和成本(节点价格低廉没有电缆费用)、足够的传输速率和距离(信号传输距离几百米左右，工业控制不需要很高速率)、网络容量大、较好的安全性(使用AES加密算法)等特点。ZigBee协议在IEEE 802.15.4标准的基础上制定了网络层、应用层及安全层，是一个完整的协议标准，已经成为无线传感器网络的国际标准协议。

ZigBee无线传感器网络可以作为传统有线式控制网络的补充，在工业控制系统中，控制网络主体仍然使用现场总线和工业以太网等有线的总线网络组建，对于适合应用无线网络的区域和设备采用ZigBee无线传感器网络，然后通过协调器或多接口网关将无线子网挂接到主网上。这样，可使有线式控制网络的不足通过引入无线子网得到弥补，两种网络互相结合形成新的混合控制网络，具有更强的适用性。

目前，两种网络间互联的关键是协调器中运行的网络协议转换程序。ZigBee协调器在ZigBee网络中以协调器的身份存在，由全功能器件(Full-Function Device，FFD)组成，它在整个ZigBee网络中只有一个，负责网络的建立，储存着整个网络的节点信息，并分配地址给新加入的设备。ZigBee网络中的众多传感器节点测量的信息在网络中通过多跳接力的方式传输，经过协调器转换成其他介质和协议，传送给外部网络和用户。

现有的可以应用于工业环境的ZigBee协调器提供了接入控制网络的接口，例如扩展以太网接口用以连接互联网，扩展RS-232串行接口连接监控计算机，扩展RS-485串行接口连接ModBus现场总线。但是都只能提供单一接口和协议的转换，可是工业控制中的控制总线和网络种类多达数十种，硬件接口和网络协议互不相同。对于不同的总线接口或网络协议，设计人员都需要单独设计一种专用的ZigBee协调器，产品的设计周期和生产成本开销巨大。

【发明内容】

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种通用的多接口网关，可以满足多种控制总线和网络种类的接入需要，从而降低设计周期和生产成本。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种多接口网关，包括：核心板，所述核心板进一步包括微控制器模块和存储器模块，所述微控制器模块用于处理经过多接口网关进行传输的数据，包括外部总线接口、独立媒体接口、USB控制器接口以及输入输出接口，所述微控制器模块进一步包括以太网控制器和数据处理单元，所述以太网控制器和数据处理单元集成于同一芯片内；所述存储器模块与微控制器模块连接，用于为微控制器模块的运行提供临时的代码和数据空间；扩展板，所述扩展板通过微控制器模块所提供的外围接口与核心板相连接，用于实现核心板与外部设备之间的通讯；无线通信模块，通过串行接口与微控制器模块之间进行通讯，包括一通讯圆卡；以及电源模块，用于为核心板以及上述各个模块提供工作电源。

所述微控制器模块可以选用ATMEL公司生产的AT91SAM9260或者德州仪器生产的

LM3S6000等，均可以实现上述功能。

作为可选的技术方案，所述扩展板进一步包括串口通讯模块、以太网通讯模块、USB通讯模块和人机接口模块。所述串口通讯模块通过微控制器模块的外部总线接口同核心板相连接，用于进一步连接外部的监控计算机。所述以太网通讯模块通过微控制器模块的独立媒体接口同核心板相连接，包括以太网物理层芯片，以及扩展网络接口，用于进一步连接工业以太网。所述USB通讯模块通过微控制器模块的USB控制器同核心板相连接，包括USB主机，用于进一步同外部移动存储设备相连接。所述人机接口模块通过微控制器模块的通用输入输出接口同核心板相连接，包括键盘、指示灯和外置液晶显示器。

本实用新型的优点在于，选用包括外部总线接口、独立媒体接口、USB控制器接口以及输入输出接口的微控制器，能够满足多种控制总线和网络种类的接入需要，从而降低设计周期和生产成本。并且所述微控制器模块进一步包括以太网控制器和数据处理单元，所述微控制器的以太网控制器和数据处理单元集成于同一芯片内，例如ATMEL公司生产的AT91SAM9260或者德州仪器生产的

LM3S6000等，可以进一步降低微控制器模块占用空间，提高系统稳定性。

【附图说明】

附图1所示是本实用新型所述具体实施方式中多接口网关的硬件构造示意图；

附图2至附图4所示分别是本实用新型所述具体实施方式中RS232接口电路、以太网接口电路和无线通讯模块外围电路的硬件的电路图；

附图5所示是本实用新型所述具体实施方式中所述多接口网关的系统程序流程图；

附图6所示是本实用新型所述具体实施方式中所述多接口网关的数据协议结构图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型提供的无线传感网络多接口网关的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式所述无线传感网络多接口网关的硬件构造如图1所示，硬件板卡分为三块，包括核心板、无线通讯模块和扩展底板。核心板由微控制器模块1、存储器模块2和部分外围电路组成，成为ARM微控制器的最小系统。扩展底板包含电源模块3、串口通讯模块4、以太网通讯模块5、USB通讯模块6、人机接口模块7。上述通讯模块都为可替换模块电路板，能够针对具体的物理接口要求进行组合。

微控制器模块1选用基于ARM926EJ-S核心的工业级微控制器AT91SAM9260，208-PQFP贴片封装，后缀-QU。这款微控制器由ATMEL公司生产，主要面向工业控制与医疗电子领域，其功能丰富、性能强大，功耗在同级别产品中较低。AT91SAM9260的主要特性如下：带Java扩展和DSP指令扩展的ARM926EJ-S内核；工作在180MHz时可达200MIPS；32KB ROM和2个4KB SRAM；USB2.0全速Host和Device；Ethernet MAC；图像传感器接口；4通道10位ADC；2个SPI接口；1个调试UART，5个USART，支持RS232和RS485。AT91SAM9260内置了多接口网关所需的以太网MAC、USB控制器、SPI接口、USART接口等等各种外围接口，能够满足应用要求。

电源模块3的输入电源由外置的交直流变压器提供，在滤波和稳压处理后，由LDO芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.8分别变压为3.3V和1.8V，供系统的各个芯片和外围设备使用。

存储器模块2通过AT91SAM9260的外部总线接口(EBI)扩展，包括SDRAM、NOR Flash、NAND Flash。SDRAM为系统运行提供临时的代码和数据空间，采用32位数据总线结构与ARM的位宽相同，两片16位的SDRAM芯片HY57V281620(后缀FTP-HI)，分别组成32位地址的高16位和低16位部分。NOR Flash提供系统代码的存储空间，16位数据总线结构，可以通过地址总线寻址，选用SST39VF6401B(后缀70-4I-EXE)。NAND Flash主要提供大容量的备用代码和数据存储空间，使用8位数据总线结构，选用K9F5608U0D。

串口通讯模块4包括RS-232、DEBUG和RS-485接口电路。RS-232用于连接监控计算机，实现数据传送和控制命令，通过ARM的USART接口连接RS-232电平转换芯片ADM3202ARN，经过9针方形串口输出。DEBUG接口为简化RS-232接口，只使用两根信号线分别进行数据传送和接收，主要用于程序调试。本实用新型将RS-232和DEBUG接口共用一片RS-232芯片，通过跳线进行选择。RS-485用于连接以ModBus协议为代表的现场总线，通过ARM的USART接口连接RS-485电平转换芯片SN65HVD3082ED，经过2针连接器输出。RS-485电路与主系统的电源和信号进行隔离，电源部分使用DC-DC器件单独供电，信号线通过光耦器件隔离。

以太网通讯模块5由AT91SAM9260的MII(Media Independent Interface)接口外接以太网物理层芯片LXT971ALE，经过集成隔离变压器的RJ45接口HY911105AE扩展网络接口，用以连接工业以太网。

USB通讯模块6使用AT91SAM9260的内置USB控制器扩展USB Host和USB Device接口，USB Host接口用于连接USB扩展设备如移动存储器、键盘和其他模块；USB Device接口与RS232接口都能连接监控计算机，实现数据传送和控制命令。

人机接口模块7包括键盘、指示灯、外置液晶显示器等等，通过AT91SAM9260的通用I/O总线接口扩展，实现人机交互功能，按键提供菜单命令查询和控制功能，外置液晶显示器显示工作状态和其他信息。液晶显示屏选用HG128643，内置控制器，支持8×4行中文字符和图形显示，5V供电，工作温度可以低至零下20摄氏度。

无线通讯模块8设计为独立的通讯圆卡，芯片选用TI公司的ZigBee片上系统芯片CC2430，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议。圆卡上设计最小工作电路，具有ZigBee网络配置和信息收发功能。圆卡经过插座安装到主系统板上，并在主系统板上进一步扩展JTAG调试接口、按键、指示灯等外围电路，通过SPI串行接口与AT91SAM9260进行通讯。

以上结构中RS232接口电路、以太网接口电路和无线通讯模块外围电路的扩展电路原理图如图2至图4所示。

在系统的软件方面，因为多接口网关的功能复杂，系统中同时运行的任务很多，需要根据实际运行情况进行复杂操作，所以不能使用一般的基于前后台的软件设计方式，必须在操作系统中执行程序。由操作系统对运行的多个任务进行任务管理，任务切换、信息传递、中断响应、设备操作等等功能。针对本实用新型的实际情况，操作系统选用μC/OS-II。μC/OS-II是一个可抢占式多任务实时操作内核，在任务响应和切换速度上性能出色，系统代码量小，适合于嵌入式系统使用。根据使用的硬件环境，修改μC/OS-II的部分代码，将μC/OS-II移植到多接口网关的主系统板中。

由于AT91SAM9260只有两片4KB的内置SRAM，不能满足系统软件的运行空间需要，所以在系统启动后需要将程序代码复制到外置内存SDRAM中，并在SDRAM中执行。程序代码烧录到NOR Flash中，在地址0x10000000处烧录自编的Boot Loader程序，在地址0x10010000处烧录μC/OS-II内核和程序代码。装置启动前将BMS跳线置于低电平选择从EBI总线CS0片选的存储器(即NOR Flash)启动，此时重映射标志REMAP＝0，AT91SAM9260将NOR Flash基址0x10000000映射至0x0地址处。

系统程序主流程图如图5所示。系统上电后从0x0地址(即NOR Flash)处启动Boot Loader，为μC/OS-II的启动准备运行环境。Boot Loader完成部分硬件初始化，包括系统时钟频率、NOR Flash、SDRAM和DEBUG，然后将NOR Flash地址0x10010000处开始的程序复制到SDRAM地址0x20000000处，复制完成后跳转到SDRAM运行μC/OS-II。μC/OS-II分为汇编代码和C语言代码两部分。汇编代码部分步骤如下：(1)将异常向量表复制到SRAM0地址0x200000处，(2)进行重映射将SRAM0映射到0x0地址处，使微控制器出现异常和中断时直接从0x0地址处寻址异常处理函数，(3)将SDRAM地址0x2100000开始的空间分配给各种CPU模式的堆栈，(4)堆栈指针指向SVC管理模式堆栈空间，运行C语言主程序。C语言程序进一步进行剩余硬件的初始化，初始化多任务操作系统，添加任务到任务就绪表中，最后启动多任务操作系统运行协议栈和协议转换程序。μC/OS-II为每个任务分配堆栈空间和任务优先级，高优先级任务可以打断低优先级任务的运行，中断响应迅速并可以实现中断嵌套。

无线通讯模块在TI公司的Zstack协议栈基础上编写应用程序，协议栈基于一个小型的多任务操作系统OSAL，实行事件驱动方式运行。协议转换模型以ZigBee与以太网的协议转换为例，如图6所示。无线通讯模块的CC2430作为整个无线网络多接口网关的重要组成部分，当数据包从无线节点传送到多接口网关时，按照ZigBee协议规范按照物理层、媒体访问控制层、数据链路层、网络层、应用层逐层解包，触发事件AF_INCOMING_MSG_CMD，运行HalSPIWrite()函数将数据包通过SPI总线传送给主系统板的ARM微控制器AT91SAM9260。AT91SAM9260在SPI总线上接受到数据包后按照以太网IEEE802.3协议规范，通过移植的TCP/IP协议栈将数据包按照NWK层、LLC层、MAC层等等重新进行封装，打包成以太网能够接受的IEEE 802.3协议，最后通过物理层接口把数据包传送到以太网上。数据流向相反时原理相同，这样就实现了两种协议的转换和两种网络的互联。

本实用新型使用LwIP作为以太网TCP/IP协议栈，支持UDP、TCP等方式，通过Modbus/TCP连接工业以太网，能够完成数据采集、节点监控、参数调整等功能，通过设计动态WEB服务页面，可以实现远程监控，为综合自动化的MES层和ERP层提供功能接口。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种多接口网关，包括：

核心板，所述核心板进一步包括微控制器模块和存储器模块，所述微控制器模块包括外部总线接口、独立媒体接口、USB控制器接口以及输入输出接口，用于处理经过多接口网关进行传输的数据；所述存储器模块与微控制器模块连接，用于为微控制器模块的运行提供临时的代码和数据空间；无线通信模块，通过串行接口与微控制器模块之间进行通讯，包括一通讯圆卡；以及

电源模块，用于为核心板以及上述各个模块提供工作电源；

其特征在于，

所述多接口网关进一步包括扩展板，所述扩展板通过微控制器模块所提供的外围接口与核心板相连接，用于实现核心板与外部设备之间的通讯；

所述微控制器模块进一步包括以太网控制器和数据处理单元，所述以太网控制器和数据处理单元集成于同一芯片内。

2.根据权利要求1所述的多接口网关，其特征在于，所述扩展板进一步包括串口通讯模块，所述串口通讯模块通过微控制器模块的外部总线接口同核心板相连接，用于进一步连接外部的监控计算机或ModBus现场总线。

3.根据权利要求1所述的多接口网关，其特征在于，所述扩展板进一步包括以太网通讯模块，所述以太网通讯模块通过微控制器模块的独立媒体接口同核心板相连接，包括以太网物理层芯片，以及扩展网络接口，用于进一步连接工业以太网。

4.根据权利要求1所述的多接口网关，其特征在于，所述扩展板进一步包括USB通讯模块，所述USB通讯模块通过微控制器模块的USB控制器同核心板相连接，包括USB主机，用于进一步同外部移动存储设备相连接。

5.根据权利要求1所述的多接口网关，其特征在于，所述扩展板进一步包括人机接口模块，所述人机接口模块通过微控制器模块的通用输入输出接口同核心板相连接，包括键盘、指示灯和外置液晶显示器。

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