CN201708820U - Modbus与profibus-dp的协议转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，包括协议转换微处理器、现场总线通讯适配器模块和以太网接口模块。所述协议转换微处理器、现场总线通讯适配器模块、以太网接口模块和静态存储器之间通过内部总线连接；其中PROFIBUS-DP总线侧主要由PROFIBUS-DP控制器、光电耦合器和PROFIBUS驱动接口芯片组成；MODBUS总线侧主要由协议转换微处理器、光电耦合器和MODBUS驱动接口芯片组成；以太网接口模块包括以太网控制器RTL8019AS、隔离LPF滤波器和无屏蔽双绞线RJ-45接口等。所述协议转换器实现了两种现场总线设备间实时、高速、高效的数据通信，且扩展的以太网接口使其具备上网功能，可以远程监控协议转换器的工作状态。

Description

MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器 

技术领域

本实用新型涉及现场工业总线领域，具体的涉及一种协议转换器，尤其是一种MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器。 

背景技术

现代计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展和相互渗透，促成了信息技术的革命。现场总线技术将现代通信技术成功地应用到工业自动化控制领域，极大地推动了工业自动化的进程。由于现场总线协议众多且通信协议差异很大，要实现不同总线产品的互联非常困难。不同现场总线因协议上的鸿沟导致新的“自动化孤岛”的出现，这使FCS(现场总线控制系统)的开放性、分散性和可互操作性的特点难以体现，给现场总线技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来了不利的影响。针对多种总线共存已成客观事实，探讨如何解决不同现场总线系统的集成有着重要的现实意义。 

跨国自动化公司在力推自己的总线产品之外，也大力开发接口产品，如施奈德(支持MODBUS总线)、西门子(支持PROFIBUS)、Echelon(支持LonWorks总线)都有此类产品。但总的来说目前总线接口产品还比较少，特别是国内对现场总线协议转换的研究还处于起步阶段。 

同时随着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，不但可以实现对设备统一的远程监控，还可以使 现场总线技术和一般计算机网络技术相互促进。 

发明内容

为解决上述不同总线间不可通信的问题，本实用新型提出一种实时、高速、高效的可实现MODBUS总线与PROFIBUS-DP总线间信号转换的协议转换器。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，包括协议转换微处理器、现场总线通讯适配器模块，所述的协议转换微处理器与现场总线通讯适配器模块通过系统总线连接； 

所述的协议转换微处理器与MODBUS总线连接，实现MODBUS协议并控制现场总线通讯适配器模块工作，实现MODBUS总线上的信号转变为协议转换微处理器信号； 

所述的现场总线通讯适配器模块连接到PROFIBUS-DP总线，接收所述的协议转换微处理器信号并转换为PROFIBUS-DP总线上信号。 

为达到更好的技术效果，本实用新型的优选方案是：所述的协议转换微处理器包括嵌入式处理器、第二光电隔离模块、MODBUS驱动器，所述的嵌入式处理器与MODBUS驱动器经第二光电隔离模块连接，MODBUS驱动器连接在MODBUS总线上。 

更优选方案，所述的协议转换微处理器还包括一个用于拓展缓存空间的存储器。 

更优选方案，所述的现场总线通讯适配器模块包括SPC3控制器、 第一光电隔离模块、PROFIBUS驱动器，所述的SPC3控制器受协议转换微处理器控制、SPC3控制器内集成了完整的PROFIBUS-DP协议，遵循RS-485通信机制，经过第一光电隔离模块和PROFIBUS驱动器连接到PROFIBUS-DP总线。 

更优选方案，还包括一个用于与处理TCP/IP协议并与以太网连接的以太网接口模块，其包括了一个网络接口芯片RTL8019AS、隔离LPF滤波器、RJ-45接口，网络接口芯片RTL8019AS通过隔离LPF滤波器和RJ-45接口连接到以太网，所述的网络接口芯片RTL8019AS与协议转换微处理器连接。 

本实用新型的技术构思是：本协议转换器是实现从MODBUS协议至PROFIBUS-DP的单向协议转换，并且通过扩展以太网接口将其连接到以太网。因此该协议转换器是作为MODBUS的主站与PROFIBUS-DP的从站来设计的，分别实现DP通信和MODBUS通信。对于PROFIBUS-DP和MODBUS两个异构的现场总线，其数据链路层和应用层协议是截然不同的，要实现它们的互联，需要在应用层进行协议转换。协议转换器对一种现场设备的数据报文解包，取得用户数据，然后对该数据进行重新封装，转换为另一种现场设备的数据报文，并将其转发到该设备中。以太网接口模块将各个从节点的运行状态和过程数据转换为以太网信息层发送的各类型报文，并将其发送出去。 

附图说明

图1是本实用新型的总体硬件结构 

图2是本实用新型软件的整体结构 

图3是协议转换微处理器的主程序流程图 

图4是以太网通信接口处理程序流程 

图5是基于本实用新型的实验系统结构图 

具体实施方式

本实用新型的硬件结构参照图1所示。本实用新型的协议转换微处理器采用了以ARM7TDMI为内核的S3C44BOX作为嵌入式处理器。嵌入式处理器的功能包括实现MODBUS协议，控制PROFIBUS-DP控制器SPC3，实现MODBUS与PROFIBUS-DP两种协议应用层的转换工作并负责控制以太网接口模块。协议转换微处理器、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本实用新型的内部总线连接。嵌入式微处理器还包括一个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、MODBUS网络的组网信息和节点状态信息。采用静态存储器(RAM)用来作为数据存储器存储从工作过程中的过程数据。 

其中，PROFIBUS总线侧主要由SPC3控制器、第一光电耦合模块和PROFIBUS驱动器组成。SPC3控制器内集成了完整的PROFIBUS-DP协议，遵循RS-485通信机制，经过第一光电耦合模块和PROFIBUS驱动器连接到PROFIBUS-DP总线。MODBUS总线侧主要由协议转换微处理器、第二光电耦合模块和MODBUS驱动器组成。作为MODBUS主站，本实用新型与MODBUS从站的通信通过嵌入式微处理器的通用异步收发器UART进行，经过高速光耦隔离、RS-485 总线驱动器连接到MODBUS总线，最多可以挂接125个MODBUS从站。共享RAM由协议芯片SPC3控制器内集成的1.5K双口RAM提供，该RAM可同时被SPC3和S3C44BOX寻址，作为SPC3与用户程序之间的接口。协议转换微处理器负责接收和转发两侧总线上的数据，完成数据交换，同时监控总线的操作状态。 

以太网接口电路模块是在CPU上扩展网络接口芯片RTL8019AS。以太网控制器RTL8019AS为以太网协议处理单元，可实现TCP/IP以太网协议。该模块提供了双端口存储器与CPU接口，CPU向接口模块写入各个从节点的运行状态和过程数据，然后将其转换为以太网信息层发送的各类型报文，将其发送出去。在具体电路的设计中RTL8019AS通过隔离LPF滤波器和无屏蔽双绞线RJ-45接口连接到以太网。 

软件整体结构如图2所示，此图体现了本协议转换器软件整体设计思路。在本设计中，本实用新型在MODBUS网络中作为一个主站，而在PROFIBUS-DP网络中作为一个DP从站。由PROFIBUS-DP主站发出请求报文，MODBUS从站响应请求并发出响应报文。软件由头文件、初始化程序、功能子程序和主程序组成。PROFIBUS数据和MODBUS数据的读取分别在各自的中断子程序中完成。软件对与硬件接口的各部分进行独立的设计，而主程序和功能子程序分别用于协议转换数据交换和协议实现，为将来的硬件改型和可能的协议修改提供了较大的便利。 

图3是两种总线间数据交换的程序流程。数据交换模块是 PROFIBUS-DP与MODBUS总线协议转换的核心部分，也是系统的主程序。主要完成系统的初始化，负责两侧数据的格式转换和转发、地址解析等功能。由于两侧总线的传输速率不同，必须选择合适的数据缓冲区来缓解数据拥塞。本设计中设置两个循环数据缓冲区，分别用于存储PROFIBUS和MODBUS数据。两种总线间数据交换的程序流程主要包括以下几个步骤： 

(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)探测总线是否活动，若活动最看门狗电路复位，准备进行数据交换。 

(3)判断报文来自PROFIBUS-DP缓冲区还是MODBUS缓冲区： 

如果来自PROFIBUS-DP缓冲区，则进行报文格式调整后发送到MODBUS缓冲区，并调整PROFIBUS-DP缓冲参数。 

如果来自MODBUS缓冲区，则进行报文格式调整后发送到PROFIBUS-DP缓冲区，并调整MODBUS缓冲参数。 

(4)对总的控制状态进行调整后，重复以上步骤，循环运行。 

PROFIBUS-DP协议处理模块作为一个从站接收来自DP主站的配置帧和请求帧，将数据请求帧接收并转交给数据交换模块，并把数据交换模块返回的应答数据发送到主站。MODBUS协议处理模块在MODBUS总线上为一个主站设备，它负责把数据打包成MODBUS协议的标准格式并发送到总线上，同时侦听是否有发给自己的数据，将收到的数据发送给数据交换模块。 

PROFIBUS-DP和MODBUS调整报文通信过程可以描述如下：DP 主站在MODBUS请求PDU(协议数据单元)的前后加上地址域和CRC校验组成一个ADU(应用数据单元)；DP的数据链路层将ADU作为它的报文的DU(数据单元)域，组成一个SRD(发送请求响应数据)服务报文再交付给物理层发送到网关；网关的数据链路层接收到有效的SRD报文后，通知DP用户接口将其DU中的数据ADU取走；网关不对ADU做任何处理，直接交付到MODBUS的数据链路层发送出去；被寻址的MODBUS从站的数据链路层接收到网关发过来的有效的ADU后，应用层将PDU取走；MODBUS从站依据PDU的要求执行相应的操作，并将结果组成一个应答PDU或者异常响应PDU按前述过程的逆过程发送到DP主站。 

图4为以太网通信接口数据处理程序流程图。当本实用新型向以太网发送数据时，数据域中的内容按照TCP/IP协议进行封装，CPU将经过封装的数据发送给以太网控制芯片RTL8019AS。由RTL8019AS自动给这些数据添加以太网物理层和逻辑链路层所需的相关信息，通过物理接口传送到以太网。反之，当以太网发送TCP/IP数据包时，它首先将数据发送到RTL8019AS，协议转换器从RTL8019AS中接收到数据后，提取实际要传送的数据，然后封装成MODBUS总线数据格式，通过MODBUS总线将数据发送到网络中的现场设备。 

图5为实验系统对所开发的产品进行一致性和实时性的测试构建图，目的是为了验证产品的协议完整性、互操作性和互换性。计算机内的组态软件采用WinCC组态软件，它是西门子公司与微软公司联合开发的产物，在Windows操作系统下运行。实验系统中挂接了两个 PROFIBUS-DP节点和两个MODBUS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，充分验证了这种现场总线间协议转换器的可行性。 

从站接选用uClinux作为嵌入式操作系统，由于该操作系统支持TCP/IP协议，因此针对网络端口的编程十分便捷。采用带CGI验证的Web Server实现在嵌入式处理器上的移植，添加Boa应用程序到处理器内核构成单任务HTTP服务器，客户端经过安全验证后即可通过网络浏览器实现对该协议转换器的远程动态监。 

各位技术人员须注意的是：虽然本实用新型已以上面的具体实施例作描述，但是其变形并未超出本实用新型保护范围，本实用新型的发明思想并不局限于此一个实施例。 

Claims (5)

1.一种MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，其特征在于：包括协议转换微处理器、现场总线通讯适配器模块，所述的协议转换微处理器与现场总线通讯适配器模块通过系统总线连接；

所述的协议转换微处理器与MODBUS总线连接，实现MODBUS协议并控制现场总线通讯适配器模块工作，实现MODBUS总线上的信号转变为协议转换微处理器信号；

所述的现场总线通讯适配器模块连接到PROFIBUS-DP总线，接收所述的协议转换微处理器信号并转换为PROFIBUS-DP总线上信号。

2.根据权利要求1所述的MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，其特征在于：所述的协议转换微处理器包括嵌入式处理器、第二光电隔离模块、MODBUS驱动器，所述的嵌入式处理器与MODBUS驱动器经第二光电隔离模块连接，MODBUS驱动器连接在MODBUS总线上。

3.根据权利要求1或2所述的MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，其特征在于：所述的协议转换微处理器还包括一个用于拓展缓存空间的存储器。

4.根据权利要求1或2所述的MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，其特征在于：所述的现场总线通讯适配器模块包括SPC3控制器、第一光电隔离模块、PROFIBUS驱动器，所述的SPC3控制器受协议转换微处理器控制、SPC3控制器内集成了完整的PROFIBUS-DP协议，遵循RS-485通信机制，经过第一光电隔离模块和PROFIBUS驱动器连接到PROFIBUS-DP总线。

5.根据权利要求1所述的MODBUS与PROFIBUS-DP的协议转换器，其特征在于：还包括一个用于与处理TCP/IP协议并与以太网连接的以太网接口模块，包括了一个网络接口芯片RTL8019AS、隔离LPF滤波器、RJ-45接口，网络接口 芯片RTL8019AS通过隔离LPF滤波器和RJ-45接口连接到以太网，所述的网络接口芯片RTL8019AS与协议转换微处理器连接。 

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