CN201657337U - 无线协议转换协调器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种无线协议转换协调器，包括微控制器核心主板、无线通讯板、扩展底板。微控制器核心主板和无线通讯板插接在扩展底板上，微控制器核心主板接收并处理无线通讯板的Zigbee无线数据，通过串口和以太网口将信息上传至现场总线，同时通过无线通讯板将信息输出。该协调器支持的Zigbee无线协议转Modbus TCP/IP协议，Zigbee无线通信技术所使用的芯片具有低功耗、低成本的特点，大多数工控产品都具有支持Modbus协议标准的接口，使得该协议转换协调器能满足大多数工业应用的需求。协调器采用了先进的无线技术，弥补了现场总线的不足，极大程度的完善了工业现场的数字化监测系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种协议转换协调器，特别涉及一种无线协议转换协调器。
背景技术
目前，工业控制领域，大量使用PLC和DCS来实现数据采集和状态监测。但是这种方式需要大量电缆，非常不便于维护。随后，现场总线技术不断发展。它节省了接线量，使得监测系统更为便利。然而在一些布线困难的特殊工业现场，现场总线无法满足需求。这时候我们需要引入无线技术来辅助。
近年来无线短程网络技术得到了很大发展，先后出现了Zigbee、WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)、Wireless HART等技术规范；目前这几种无线通讯技术规范均属于WPAN(无线区域个人网络)范畴，它们的物理层均使用IEEE802.15.4技术规范，在物理层使用IEEE802.15.4无线通讯技术在家庭无线网络、医疗监护系统、工业现场无线监控网络、“三表”行业及远传控制领域等都具有广泛的应用价值。
发明内容
本实用新型是针对现在工业现场布线困难和无法实现数据监测的问题，提出了一种无线协议转换协调器，研发一种基于IEEE802.15.4的Zigbee转Modbus TCP/IP协议的无线通信协调器，使得工业现场的某些数据能够通过Zigbee无线传输方式接入到有线的现场总线中。
本实用新型的技术方案为：一种无线协议转换协调器，包括微控制器核心主板、无线通讯板、扩展底板，微控制器核心主板和无线通讯板插接在扩展底板上，微控制器核心主板接收并处理无线通讯板的Zigbee无线数据，通过串口和以太网口将信息上传至现场总线，同时通过无线通讯板将信息输出。
所述微控制器核心主板包括AT91SAM9260芯片、存储电路、晶振电路、电源处理电路。
所述无线通讯板包括CC2430无线通信芯片、晶振电路以及外接SMA天线及PCB天线。
所述扩展底板扩展电源电路、调试接口、通讯接口。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型无线协议转换协调器，基于IEEE802.15.4，使用的是2.4G免费公用频段，具有很好的安全性和可靠性。该协调器支持的Zigbee转Modbus TCP/IP协议。其中，Zigbee无线通信技术所使用的芯片具有低功耗、低成本的特点，可以为工业现场提供方面快捷的无线数据采集。另外，大多数工控产品都具有支持Modbus协议标准的接口，使得该协议转换协调器能满足大多数工业应用的需求。总之，本采用了先进的无线技术，弥补了现场总线的不足，极大程度的完善了工业现场的数字化监测系统。
附图说明
图1为本实用新型无线协议转换协调器硬件结构框图；
图2为本实用新型无线协议转换协调器中Zigbee转Modbus TCP/IP的协议转换图；
图3为本实用新型无线协议转换协调器中的软件启动流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型中的协议转换协调器包括微控制器核心板、无线通讯板、扩展底板三部分。核心板包括微处理芯片、存储电路、晶振电路、电源处理电路，设计为ARM芯片最小系统，使用4层PCB板设计。通过分析对比常用的多种ARM微处理器，选择了基于ARM926EJ-S核心的工业微控制器AT91SAM9260；无线通讯板为一个Zigbee芯片最小系统，包括CC2430无线通信芯片、晶振电路以及外接SMA天线及PCB天线，具备无线通讯能力。CC2430与AT91SAM9260之间使用SPI总线通讯；核心板和通讯圆卡插在扩展底板上，在扩展底板上扩展电源电路、调试接口、通讯接口等电路。考虑到装置应用于工业场合，需要很宽的工作温度范围和稳定性，所以在各个模块和器件的选型时均使用工业级元件并进行抗干扰测试和老化实验。
电源部分的设计为：电源5V直流输入，经过LDO芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.8分别变压为3.3V和1.8V，为板上芯片、外设以及内核供电。
串行通讯接口的设计为：RS-232电平转换芯片选用ADM3202ARN。RS-485电平转换芯片选用SN65HVD3082ED。由于RS-485电路可能将外部网络的瞬间大电流引入系统，必须进行隔离处理。电源部分通过DC-DC器件将系统主电源和RS-485电路电源隔离，信号部分用光耦器件隔离。
以太网接口电路的设计：AT91SAM9260内置以太网MAC，需要外接物理层芯片和RJ45接口。在此采用Intel的工业级以太网物理层芯片LXT971ALE，它与AT91SAM9260之间通过标准的MII(Media IndependentInterface)接口连接。RJ45接口元件选用内置网络变压器的工业级元件HY911105AE。
软件部分的实施步骤由底层到高层依次包括Bootloader编写、操作系统移植、和协议转换设计等。以下为各步骤的具体介绍：
Bootloader编写。BootLoader是在操作系统内核运行之前运行的一段程序，用来初始化硬件设备、建立内存空间映射，为调用操作系统内核准备好正确的环境，如初始化CPU堆栈、外设接口的初始状态、存储器系统等。AT91SAM9260的启动程序，细分为一级启动程序Bootstrap和二级启动程序U-Boot。本实用新型中使用了AT91Bootstrap 1.11、U-Boot 1.1.5和ATMEL的相应补丁文件。对官方的Bootstrap和U-Boot进行了修改，成功移植到NOR Flash上。NOR Flash按照从低地址到高地址的顺序依此存放了Bootstrap、U-Boot、U-Boot环境、Linux内核、文件系统。
操作系统移植，嵌入式操作系统种类繁多，其中比较适合于AT91SAM9260的是μC/OS-II和嵌入式Linux，二者皆为开源软件且应用广泛。本实用新型选择了嵌入式Linux，其功能齐全，内置TCP/IP等多种协议，有大量的开源软件模块可用。
协议转换设计。无线通讯模块接收到节点传送的数据包后，对其按照IEEE 802.15.4Zigbee通讯协议解包，通过SPI总线与AT91SAM9260进行通讯，传送数据包，然后经过AT91SAM9260内运行的协议转换程序进行处理。Zigbee与Modbus TCP/IP协议转换模型如图2所示。协议转换程序将CC2430发送的数据包按照LLC层、MAC层重新进行封装，打包成现场总线能够接受的Modbus TCP/IP协议，最后通过物理层接口把数据包传送到现场总线上。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。
设计完成的整个软件系统启动流程如图3所示。系统上电后从NORFlash启动，运行第一级启动程序Bootstrap，初始化系统时钟频率，初始化Flash、SDRAM和调试串口，复制U-Boot到SDRAM中，然后运行U-Boot。U-Boot包含汇编和C语言两部分，汇编代码复制异常向量表到SRAM，重映射使0地址对应SRAM中的异常向量表，接着分配各种处理器模式对应的堆栈空间，最后跳转到C程序部分。C语言程序完成全部硬件的初始化工作、环境变量设置、板级初始化。此时的U-Boot已经具备了控制硬件的部分功能，可以在串口上输出和接收命令。最后，解压Linux操作系统镜像到SDRAM运行，加载各种设备的驱动程序并运行应用程序，如协调器的协议转换程序。
Claims (4)
1.一种无线协议转换协调器，其特征在于，包括微控制器核心主板、无线通讯板、扩展底板，微控制器核心主板和无线通讯板插接在扩展底板上，微控制器核心主板接收并处理无线通讯板的Zigbee无线数据，通过串口和以太网口将信息上传至现场总线，同时通过无线通讯板将信息输出。
2.根据权利要求1所述无线协议转换协调器，其特征在于，所述微控制器核心主板包括AT91SAM9260芯片、存储电路、晶振电路、电源处理电路。
3.根据权利要求1所述无线协议转换协调器，其特征在于，所述无线通讯板包括CC2430无线通信芯片、晶振电路以及外接SMA天线及PCB天线。
4.根据权利要求1所述无线协议转换协调器，其特征在于，所述扩展底板扩展电源电路、调试接口、通讯接口。
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|---|---|---|---|---|
| CN103152188A (zh) * | 2011-12-06 | 2013-06-12 | 沈阳中科博微自动化技术有限公司 | 一种基于国际工业无线标准的网络管理设备 |
| CN105607533A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-05-25 | 南京富岛信息工程有限公司 | 一种智能防溜系统协调器装置及通信方法 |
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