CN203193664U - 一种WorldFIP-CAN 的网关设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种WorldFIP-CAN的网关，包括CPU板卡、FIP网卡、CAN板卡、FIP辅助板卡、CAN辅助板卡和机箱。CPU板卡负责WorldFIP总线和CAN总线设备数据的中央处理。FIP网卡实现网关的WorldFIP总线物理层和链路层功能，负责WorldFIP总线设备数据采集及传输处理。CAN板卡负责CAN总线设备数据采集及传输。FIP辅助板卡为FIP网卡提供接口。CAN辅助板卡为CAN板卡提供接口。本实用新型将WorldFIP总线和CAN总线互联，实现WorldFIP网络和CAN网络双向数据转换。本实用新型设计新颖、可靠性高、通用性好，适用于工业现场总线网络控制等领域。

Description

一种WorldFIP-CAN 的网关设备

技术领域

本实用新型涉及一种不同网络之间的双向数据转换装置，特别是一种WorldFIP总线和CAN总线的互联互通装置，即一种WorldFIP-CAN的网关。

背景技术

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。随着技术不断的发展和内容不断的丰富，现场总线不单单只是通信标准和通信技术，现如今已被称为网络系统与控制网络，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低等特点。其中，WorldFIP总线网络就是一种在国内外大量使用的现场总线网络，具有突出的实时性、同步性、冗余性和可靠性。同样，CAN总线也是一种普遍应用的工业现场总线，同时是一种支持分布式控制系统或实时性控制的串行通信网络，具有成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强等特性，由于CAN协议公开，很多CPU集成了CAN协议控制器。

随着总线技术的不断发展，必然需要解决不同总线之间的互联问题，采用网关可以迅速解决不同通信接口的设备互联问题，实现不同总线的互联互通。其中为解决WorldFIP总线和CAN总线的互联互通和数据转换，研发一种WorldFIP-CAN网关设备，替代传统的工业控制方式，对于我国铁路行业和国内相关的工业现场总线网络控制领域的技术创新具有现实意义。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种可以实现WorldFIP总线和CAN总线的互联互通的WorldFIP-CAN网关。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种WorldFIP-CAN网关，包括CPU板卡、CAN板卡、FIP网卡、CAN辅助板卡、FIP辅助板卡和机箱；所述的CPU板卡通过PC104总线与CAN板卡连接，所述的CAN板卡通过PC/104总线与FIP网卡连接；所述的FIP网卡通过连接器与FIP辅助板卡相连，同时FIP辅助板卡与外部WorldFIP总线设备连接；所述的CAN板卡通过连接器与CAN辅助板卡相连，同时CAN辅助板卡与外部CAN总线设备连接；所述的FIP辅助板卡安装有FIP接口和连接器；所述的CAN辅助板卡安装有CAN接口和连接器；所述的CPU板卡、CAN板卡、FIP网卡、CAN辅助板卡和FIP辅助板组成一个整体设备安装在机箱内；

所述的CPU板卡包括中央处理器、RS232收发器、以太网物理接口收发器和实时时钟，具有看门狗电路和LEDs模块驱动电路，同时具有PC/104接口、背板接口和扩展存储模块及电源转换模块；所述的中央处理器采用STM32F207ZE处理器集成实时时钟、CAN控制器和以太网媒体接入控制器，所述的RS232收发器为MAX3232收发器，所述的以太网物理接口收发器为DP83848C器件，所述的看门狗电路为具有监控电路的MAX813L微控制器，所述的LEDs模块驱动电路采用8位总线收发SN74ABT245BPW芯片；

所述的CAN板卡包括CAN总线收发器、保护电路和电源模块，具有PC/104接口；所述的CAN总线收发器采用高速带电气隔离的CTM8250芯片；

所述的FIP网卡包括通信控制器、介质冗余管理器、总线驱动器和隔离变压器；所述的通信控制器为FULLFIP2控制器，介质冗余管理器为FIELDUAL器件，总线驱动器为FIELDRIVE驱动器，隔离变压器为FIELDTR变压器；所述的FIP网卡采用PC/104接口。

本实用新型的主要功能如下：

CPU板卡负责WorldFIP总线和CAN总线设备数据的中央处理。CPU板卡的中央处理器将采集到的数据流信息分别传送WorldFIP总线和CAN总线上；以太网物理接口收发器实现于物理层，具有物理层功能，同时提供数据链路层标准接口；看门狗电路用于防止程序无限制的运行，造成死循环；通过LEDs模块监视网关运行状态；背板接口接收外部电源并通过电源转换模块将5V电压转换成系统所需的3.3V和5V稳定电源；以太网和RS232等接口用于网关维护功能；CPU板卡采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现PC/104总线的控制时序和控制逻辑转换功能；CPU板卡中的以太网接口、RS232接口与外部的设备相连接。

FIP网卡负责WorldFIP总线设备数据采集及传输处理。FIP网卡中的通信控制器FULLFIP2用于数据处理和控制；介质冗余管理器FIELDUAL可以实现快速的介质冗余；总线驱动器FIELDRIVE提供控制器与物理总线之间的接口；隔离变压器FIELDTR用于电气隔离；总线仲裁模块主要用来实现用户CPU和通信控制器FULLFIP2之间控制信号的时序匹配和组合逻辑，以及电平匹配。

CAN板卡负责CAN总线设备数据采集及传输处理。CAN板卡中的收发器将中央处理器集成的CAN控制器发送的电平信号转化为差分信号送入CAN总线上；保护电路用于当遭到雷击或强干扰时保护收发器；当CAN板卡掉电时，采用自带电源模块供电。

FIP辅助板卡为FIP网卡提供FIP接口，FIP网卡通过FIP辅助板卡中的FIP接口与外部WorldFIP总线设备连接，使网卡的插拔方便，同时节省FIP网卡的空间。

CAN辅助板卡为CAN板卡提供CAN接口，CAN板卡通过CAN辅助板卡中的CAN接口与外部CAN总线设备连接，使板卡的插拔方便，同时节省CAN板卡的空间。

机箱为网关提供防护和安装接口，采用U型铝材和接口面板组成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型中通过CPU板卡的背板接口统一供电，FIP网卡通过FIP辅助板卡中FIP接口收到WorldFIP网络上的数据，送入给CPU板卡，CPU板卡通过中央处理器上运行的专用软件，驱动和操作系统将WorldFIP数据打包成符合要求的格式送入CAN板卡中，经过CAN板卡中收发器的信号转化，通过CAN辅助板卡中CAN接口送入到CAN网络中，或将CAN数据解包后送入WorldFIP网络；实现WorldFIP总线和CAN总线之间的互联互通和数据转换，同时实现系统抗干扰，任务调度和内存管理等功能。

2、本实用新型的CPU板卡和CAN板卡中的部分芯片选型新颖，附带多种其它功能，节省硬件开支和板卡空间，如RS485收发器和CAN总线收发器选用隔离式芯片，不单单只是收发数据，同时起到电气隔离作用。

3、本实用新型具有良好的可维护性，具备一定的自检功能，具有以太网和RS232等服务接口，可以方便的进行功能维护。

4、本实用新型采用模块化硬件设计，便于扩展通信接口，通用性更强。

5、本实用新型采用标准PC/104结构，可以将FIP网卡转换成其它的通信网卡，或将CAN板卡转换成其它板卡，实现多种控制总线之间的互联互通，如MVB-CAN，WorldFIP-RS485等。

6、本实用新型配有辅助板卡，通过辅助板卡连接外部设备，使各板卡整合成一个整体设备且插拔更加方便，易用性更强。

7、本实用新型解决了部分CAN接口的现场设备在wordlFIP总线控制系统中应用的实际问题，是对现场设备的有益补充和扩展。

附图说明

本实用新型共有8幅附图，其中：

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型CPU板卡的结构框图。

图3是本实用新型FIP网卡的功能框图。

图4是本实用新型CAN卡的结构框图。

图5是本实用新型CAN辅助板卡电路图。

图6是本实用新型FIP辅助板卡电路图。

图7是本实用新型的面板示意图。

图8是本实用新型机箱示意图。

图中：1、CPU板卡，2、CAN板卡，3、FIP网卡，4、CAN辅助板卡，5、FIP辅助板卡，6、RS232收发器，7、以太网物理接口收发器，8、LEDs模块驱动电路，9、看门狗电路，10、电源转换模块，11、保护电路，12、CAN总线收发器，13、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步地说明。如图1所示，一种WorldFIP-CAN的网关，包括CPU板卡1、CAN板卡2、FIP网卡3、CAN辅助板卡4、FIP辅助板卡5和机箱，所述CPU板卡1负责WorldFIP总线和CAN总线设备数据的中央处理。所述CAN板卡2负责总线设备数据采集及传输处理。所述FIP网卡3可实现网关的WorldFIP总线物理层和链路层功能，负责WorldFIP总线设备数据采集及传输处理。所述CAN辅助板卡4为CAN板卡2提供CAN接口。所述FIP辅助板卡5为FIP网卡3提供FIP接口。所述机箱为网关提供防护和安装接口。所述的CPU板卡1、CAN板卡2和FIP网卡3之间通过PC104总线连接，同时通过CPU板卡1中的背板接口统一供电。

如图2所示，CPU板卡1的中央处理器基于意法半导体集团的STM32F207ZE处理器。采用

Cortex^TM-M3内核，是一种高性能低功耗处理器，通讯接口比较丰富，最高主频120MHz。其主要功能如下：

1、存储器模块包括16M的SRAM，为上电后的程序运行和数据存储空间。32M的NandFlash用于存放内核映像、根文件系统和用户程序等。2M的DataFlash用于存放引导程序。

2、以太网物理接口收发器7整合大量的模拟器件，实现于物理层，具有物理层功能，提供数据链路层标准的接口，与CPU中央处理器集成以太网媒体接入控制器相连接，形成以太网通讯。以太网通讯接口支持10M/100M两种通讯模式，用于程序下载、网络通讯等。

3、CPU中央处理器集成USART串行通讯接口，包括1路调试串口和3路普通串口，3路普通串口都可以当作RS232接口使用，其中有2路可以当作RS485接口使用，支持硬件流控和RS485总线标准，网关设备中的RS232接口提供目标板与上位机之间的串口通讯服务和调试功能。

4、RS232收发器6将收发到的EIA/TIA-232电平转化为TTL或CMOS逻辑电平。

5、CPU中央处理器集成实时时钟提供日历功能，外围看门狗电路9用于防止程序无限制的运行，造成死循环，它可以用在接收和发送数据时对接受和发送超时的处理，起到保护数据，保护电路的作用。

5、JTAG接口提供CPLD程序下载，对FLASH进行读写，用复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现PC/104总线的控制时序和控制逻辑转换功能。

6、CPU板卡1的中央处理器集成CAN控制器，具有高传输速率，可达1Mbps，支持CAN2.0A或CAN2.0B格式的CAN报文。通过CAN板卡2中CAN总线收发器12收发外部CAN总线设备上的数据流，送给CPU中央处理器进行数据处理。

7、CPU板卡1采用PC/104接口，通过PC/104总线完成PC/104功能模块之间任意搭接，实现系统功能的扩展。通过PC/104接口与CAN板卡2、FIP网卡3互联，来处理外部WorldFIP总线和CAN总线设备上的数据流。

8、CPU板卡1带有多种电路，去耦电路可以把电源的不稳定现象对电路的影响减弱；滤波电路可以滤除高频杂波，抗干扰；LEDs模块驱动电路8采用8位总线收发SN74ABT245BPW芯片，监视网关运行状态。

网关运行状态如下表：

9、CPU板卡1中背板接口接收外部电源通过电源转换模块10将5V电压转换成系统所需的3.3V和5V稳定电源。

如图3所示，FIP网卡3实现网关的FIP总线物理层和链路层功能，负责WorldFIP总线设备数据采集及传输处理。FIP网卡3采用PC/104接口，符合PC/104标准；具有可寻址的PC/104总线I/O空间，其地址可通过板载的跳线进行设置；只支持8bit的I/O读写模式，具有64K到1MbytesSRAM(2000-4000个128bytes变量)，64x16bits串行EEPROM；可实现介质冗余双通道；终端阻抗120欧姆；通信速率1Mbits/s；FIP接口符合标准FIP网络NFC46-604；兼容国际网络标准IEC1158-2。

如图4所示，CAN板卡2负责CAN总线设备数据采集及传输处理，包括保护电路11、CAN总线收发器12和电源模块13，具有PC/104等接口。

其功能如下：

1、CAN板卡2中的CAN总线收发器12将CPU中央处理器中集成CAN控制器发送的电平信号转化为差分信号送入CAN总线上，采用带电气隔离的新型CTM8250芯片，无需在CAN控制器和CAN总线收发器12间加CAN光耦隔离器件。

2、保护电路11用于当遭到雷击或强干扰时保护CAN总线收发器；当CAN板卡2掉电时，采用自带电源模块13供电。

如图5所示，CAN辅助板卡4为CAN板卡2提供CAN接口，CAN板卡2通过CAN辅助板卡4中的CAN接口与外部CAN总线设备连接，使板卡的插拔方便，节省CAN板卡2的空间，更易于操作。

如果6所示，FIP辅助板卡5为FIP网卡3提供FIP接口，FIP网卡3通过FIP辅助板卡5中的FIP接口与外部WorldFIP总线设备连接，使板卡的插拔方便，节省FIP网卡3的空间，易于操作。

如图7所示，机箱上的接口面板包括2个FIP接口、2个CAN接口、1个RS232串口和1个以太网接口用于与外部设备连接。6个LED状态指示灯用于监视网关运行状态。若干螺钉和PCB连接件用于固定机箱、板卡和助拔器。

如图8所示，机箱为网关提供防护和安装接口，采用U型铝材。应用时将板卡插到机箱的插槽中，通过接口面板和背板接口与外部设备互联。

Claims (1)

1.一种WorldFIP-CAN网关，其特征在于：包括CPU板卡（1）、CAN板卡（2）、FIP网卡（3）、CAN辅助板卡（4）、FIP辅助板卡（5）和机箱；所述的CPU板卡（1）通过PC104总线与CAN板卡（2）连接，所述的CAN板卡（2）通过PC/104总线与FIP网卡（3）连接；所述的FIP网卡（3）通过连接器与FIP辅助板卡（5）相连，同时FIP辅助板卡（5）与外部WorldFIP总线设备连接；所述的CAN板卡（2）通过连接器与CAN辅助板卡（4）相连，同时CAN辅助板卡（4）与外部CAN总线设备连接；所述的FIP辅助板卡（5）安装有FIP接口和连接器；所述的CAN辅助板卡（4）安装有CAN接口和连接器；所述的CPU板卡（1）、CAN板卡（2）、FIP网卡（3）、CAN辅助板卡（4）和FIP辅助板组成一个整体设备安装在机箱内；

所述的CPU板卡（1）包括中央处理器、RS232收发器（6）、以太网物理接口收发器（7）和实时时钟，具有看门狗电路（9）和LEDs模块驱动电路（8），同时具有PC/104接口、背板接口和扩展存储模块及电源转换模块（10）；所述的中央处理器采用STM32F207ZE处理器集成实时时钟、CAN控制器和以太网媒体接入控制器，所述的RS232收发器（6）为MAX3232收发器，所述的以太网物理接口收发器（7）为DP83848C器件，所述的看门狗电路（9）为具有监控电路的MAX813L微控制器，所述的LEDs模块驱动电路（8）采用8位总线收发SN74ABT245BPW芯片；

所述的CAN板卡（2）包括CAN总线收发器（12）、保护电路（11）和电源模块（13），具有PC/104接口；所述的CAN总线收发器（12）采用高速带电气隔离的CTM8250芯片；

所述的FIP网卡（3）包括通信控制器、介质冗余管理器、总线驱动器和隔离变压器；所述的通信控制器为FULLFIP2控制器，介质冗余管理器为FIELDUAL器件，总线驱动器为FIELDRIVE驱动器，隔离变压器为FIELDTR变压器；所述的FIP网卡（3）采用PC/104接口。

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