CN203563088U

CN203563088U - 工业以太网与hart总线协议转换板卡

Info

Publication number: CN203563088U
Application number: CN201320715757.XU
Authority: CN
Inventors: 李萌; 陈维琨; 陈会庆; 徐志山; 杨硕
Original assignee: Zhonghuan TIG Co Ltd
Current assignee: Zhonghuan TIG Co Ltd
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2023-11-14

Abstract

本实用新型涉及一种工业以太网与HART总线协议转换板卡。该板卡包括主控制模块、以太网通讯模块和电源电路，主控制模块包括含有控制程序的ARM处理器、标准JTAG电路、时钟电路和第一通信指示电路；以太网通讯模块包括网络芯片、网络变压器、网络接口和第二通信指示电路；电源电路包括24V-5V和5V-3.3V电源电路；主控制模块通过UART接口连接仪表；ARM处理器与网络芯片相连；以太网通讯模块通过网络接口连接工业交换机。该板卡将工业现场的HART网络的信号转换为工业以太网信号，使HART仪表成为工业以太网的基本部件，便于实现远端用户通过Internet对HART仪表进行访问与监测，其结构小巧，即插即用。

Description

工业以太网与HART总线协议转换板卡

技术领域

本实用新型涉及对HART总线仪表的监控技术，尤其涉及一种工业以太网与HART总线协议转换板卡。

背景技术

上世纪80年代，为满足工业需求，出现了全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络——现场总线。发展至今，现场总线也存在许多瓶颈问题：现有的现场总线标准种类过多，且各有自己的优势和适用范围；控制系统中如果有多种现场总线同时存在，由于国际标准推出缓慢，各类现场总线采用不同的技术，相互之间缺乏互连性和互可操作性，不能实现透明连接。

随着IT技术的飞速发展和工业自动化要求的不断提高，工业以太网已经成为工业控制领域新的发展方向，具有应用广泛、成本低廉、技术资源丰富、可靠性高、传输速度快、用户基础广泛等显著优点，为所有的编程语言所支持，软硬件资源丰富，易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接，可持续发展的空间大，现正在逐渐向工业现场应用的传感器层发展。

由于工业现场的HART设备无法实现以太网控制，如何在不改变现有控制设备的情况下，最大限度的提升控制性能，使HART仪表并入以太网，成为目前的研究热点。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种工业以太网与HART总线协议转换板卡，该转换板卡将工业现场的HART总线信号转换成工业以太网信号，使HART总线仪表和以太网其它设备共存于同一个系统中，便于对HART仪表的监控。本设计为HART网络和工业以太网总线测控系统智能总线协议转换模块，该模块具有HART协议和工业以太网TCP/IP、UDP/IP协议的解析和转换功能，能够实现HART设备与工业以太网设备共存，实现数据的采集和传输。

本实用新型采取的技术方案是：一种工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：包括主控制模块、以太网通讯模块和电源电路，主控制模块包括ARM Cortex-M3处理器、标准JTAG电路、时钟电路和第一通信指示电路；以太网通讯模块包括网络芯片、网络变压器、网络接口和第二通信指示电路；电源电路包括24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路；其中：所述的ARM Cortex-M3处理器分别与标准JTAG电路、时钟电路及第一通信指示电路相连；主控制模块通过ARM Cortex-M3处理器的UART接口以及通过HART总线协议连接HART仪表；以太网通讯模块的网络变压器分别与网络芯片和网络接口连接；网络芯片与第二通信指示电路相连；以太网通讯模块通过网络芯片与主控制模块的ARM Cortex-M3处理器相连；以太网通讯模块通过网络接口以及通过TCP∕IP协议连接工业交换机；24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路分别连接主控制模块和以太网通讯模块。

本实用新型的有益效果是：将工业现场的HART网络的信号转换为工业以太网信号，使HART仪表成为工业以太网的基本部件，便于实现远端用户通过Internet 对HART仪表进行访问与监测，其结构小巧，即插即用。

附图说明

图1是本实用新型的连接原理框图；

图2是本实用新型的ARM Cortex-M3处理器芯片电路、时钟电路及第一通信指示电路原理图；

图3是本实用新型的网络芯片电路、网络变压器电路、网络接口及第二通信指示电路原理图；

图4是本实用新型的标准JTAG电路及ARM Cortex-M3处理器的UART接口原理图；

图5是本实用新型的24V-5V电源电路原理图；

图6是本实用新型的5V-3.3V电源电路原理图；

图7是本实用新型的控制程序流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本实用新型，以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：参照图1，一种工业以太网与HART总线协议转换板卡包括主控制模块、以太网通讯模块和电源电路，主控制模块包括含有控制程序的ARM Cortex-M3处理器、标准JTAG电路、时钟电路和第一通信指示电路；以太网通讯模块包括网络芯片、网络变压器、网络接口和第二通信指示电路；电源电路包括24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路；其中：ARM Cortex-M3处理器分别与标准JTAG电路、时钟电路及第一通信指示电路相连；主控制模块通过ARM Cortex-M3处理器的UART接口以及通过HART总线协议连接HART仪表；以太网通讯模块的网络变压器分别与网络芯片和网络接口连接；网络芯片与第二通信指示电路相连；以太网通讯模块通过网络芯片与主控制模块的ARM Cortex-M3处理器相连；以太网通讯模块通过网络接口以及通过TCP∕IP协议连接工业交换机；24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路分别连接主控制模块和以太网通讯模块。

参照图2、图3和图4，主控制模块中的ARM Cortex-M3处理器采用STM32F107VCT6芯片，以太网通讯模块中的网络芯片采用集成PHY层的DM9161BIEP芯片，STM32F107VCT6芯片的67脚通过电阻R9与24脚连接，然后再与DM9161BIEP芯片的42脚相连，STM32F107VCT6芯片的48脚、51脚、52脚分别与 DM9161BIEP芯片的21脚、20脚、19脚相连；STM32F107VCT6芯片的16脚、25脚、34脚分别与DM9161BIEP芯片的24脚、25脚、32脚相连；DM9161BIEP芯片的25脚、32脚分别连接电阻R22、电阻R23后接3.3V电压；STM32F107VCT6芯片的14脚与DM9161BIEP芯片的40脚相连；STM32F107VCT6芯片的55脚、56脚、57脚分别与 DM9161BIEP芯片的37脚、29脚、28脚相连；DM9161BIEP芯片的36脚通过电阻R21接3.3V电压；DM9161BIEP芯片的41脚、30脚、23脚连接后接3.3V电压，并分别通过电容C11、电容C12、电容C13与DM9161BIEP芯片的39脚、15脚、33脚、44脚、10脚连接后接地；DM9161BIEP芯片的1脚和2脚连接后接电容C16、电容C17及电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C18和电容C19的一端后接DM9161BIEP芯片的9脚，电容C16的另一端和电容C17的另一端与电阻R15的一端连接后接地，电阻R15的另一端与电容C18和电容C19的另一端连接后接地；DM9161BIEP芯片的7脚和8脚分别通过电阻R10、电阻R11连接电容C14的一端，电容C14的另一端接地；DM9161BIEP芯片的3脚和4脚分别通过电阻R12、电阻R13连接电容C15的一端，电容C15的另一端接地；DM9161BIEP芯片的47脚和48脚通过电阻R14相连接；DM9161BIEP芯片的31脚通过电阻R16接3.3V电压；STM32F107VCT6芯片的86脚和87脚分别连接UART接口J3的8脚和7脚，STM32F107VCT6芯片通过UART接口J3并通过HART总线协议连接HART仪表。

图2中的时钟电路包括晶振Y1和晶振Y2，STM32F107VCT6芯片的12脚和13脚分别连接晶振Y1的两端和电阻R8的两端，再分别连接电容C29和电容C30，然后接地；STM32F107VCT6芯片的8脚和9脚分别连接晶振Y2的两端，再分别连接电容C31和电容C32，然后接地。

图2中的第一通信指示电路包括发光二极管D1和发光二极管D2，发光二极管D1和发光二极管D2的正极分别通过电阻R5、电阻R6连接STM32F107VCT6芯片的35脚和36脚，发光二极管D1和发光二极管D2的负极分别接地。

图3中的第二通信指示电路包括发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5，发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5的负极分别连接DM9161BIEP芯片的11脚、12脚和13脚，发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5的正极分别通过电阻R17、电阻R18、电阻R19接3.3V电压。

STM32F107VCT6芯片是一款集成有MAC层和网络控制器的ARM Cortex-M3处理器，具有低功耗、低成本、高性能等优点。整个芯片的工作电压是3.3V，为内核、IO部分和外围设备控制器供电。仿真调试部分采用标准的JTAG电路，可以调试及下载程序。MHDR2X5为串口通信转接口（见图4），用于实现协议转换板卡的UART串口与HART仪表UART串口的连接，STM32F107VCT6芯片利用UART串口实现与HART仪表的通信，遵循HART协议。ARM Cortex-M3处理器的PB0和PB1接口连接LED灯，实现UART串行通信指示，接收数据和发送数据时，收发灯会闪烁。STM32F107VCT6芯片的时钟采用25MHz的晶振，经过芯片中的PLL控制器分频倍频后产生50MHz的频率，为网络芯片DM9161BIEP提供时钟。STM32F107VCT6与网络芯片DM9161BIEP通过RMII接口实现通信，RMII是简化的MII接口，在数据的收发上，它比MII接口少了一半的信号线，由STM32F107VCT6芯片利用DMA接口实现MAC层以上的网络数据收发。

图3为协议转换板卡的网络发送部分，其中DM9161BIEP为集成PHY层的网络芯片，ARM Cortex-M3处理器为其提供50MHz的时钟频率，网络芯片通过RMII接口与STM32F107VCT6连接。PH163539为网络变压器，其分别与网络接口和DM9161BIEP芯片连接，起到信号隔离的作用。LED3、LED4、LED5为网络芯片工作指示灯，用于指示网络芯片的工作模式：全/半双工、通信有效性和通信速度。6*1chazhen为网络接口和电源接口，通过6*1插针实现电路板之间信号的连接和电源的供电。

图4中的标准JTAG电路采用10pin-Jtag芯片，10pin-Jtag芯片的1脚和2脚连接后接3.3V电压；10pin-Jtag芯片的3脚连接STM32F107VCT6芯片的14脚；10pin-Jtag芯片的4脚连接STM32F107VCT6芯片的89脚，同时10pin-Jtag芯片的4脚连接电阻R4，然后接3.3V电压；10pin-Jtag芯片的5脚、7脚、9脚分别连接电阻R3、电阻R2、电阻R1，然后接3.3V电压，同时10pin-Jtag芯片的5脚、7脚、9脚分别连接STM32F107VCT6芯片的77脚、72脚、76脚；10pin-Jtag芯片的6脚、8脚、10脚连接后接地。

图3中的网络变压器采用PH163539芯片，PH163539芯片的1脚、3脚分别与DM9161BIEP芯片的7脚、8脚连接；PH163539芯片的5脚与DM9161BIEP芯片的9脚连接后通过电容C23接地；PH163539芯片的6脚、8脚分别与DM9161BIEP芯片的3脚、4脚连接，并分别再连接电阻R12、电阻R13的一端，电阻R12、电阻R13的另一端连接后通过电容C15接地；PH163539芯片的13脚通过电阻R20连接电容C20的一端，电容C20的另一端与电容C21、电容C22的一端连接后接地，电容C21和电容C22的另一端连接后接地。

图3中的网络接口J4的1脚接GND端；网络接口J4的2脚接24V电源；网络接口J4的3脚、4脚、5脚和6脚分别连接PH163539芯片的9脚、11脚、14脚和16脚，以太网通讯模块通过网络接口J4以及通过TCP∕IP协议连接工业交换机。

协议转换板卡的网络接口接收WINCC或OPC服务器的以太网监控信号，将信息传送给ARM Cortex-M3处理器，处理器对以太网信号进行分析，转换为HART信号，通过串行接口与HART仪表进行通信。

参照图5，24V-5V电源电路采用EUP3410芯片，EUP3410芯片的1脚通过电容C41与3脚连接，再分别连接电感L2的一端和稳压二极管D6的负极，稳压二极管D6的正极与电容C42的一端、电容C43的一端连接后接地；电感L2的另一端、电容C42的另一端、电容C43的另一端及电阻R23的一端连接后输出5V电压；电阻R23的另一端与EUP3410芯片的5脚连接，然后又通过电阻R24与电容C33的一端连接后接地；电容C33的另一端通过电阻R25与EUP3410芯片的6脚连接；EUP3410芯片的7脚通过电阻R26接24V电源；EUP3410芯片的2脚与电容C40的一端、电容C39的一端连接后接 24V电源；电容C40的另一端和电容C39的另一端连接后接地。

参照图6，5V-3.3V电源电路采用SC2001_-3.3芯片，SC2001_-3.3芯片的1脚和3脚连接，然后再与电容C35的一端、电容C34的一端连接后接5V电源，电容C35的另一端、电容C34的另一端与SC2001_-3.3芯片的2脚连接后接地；SC2001_-3.3芯片的5脚与电容C37的一端、电容C38的一端、电阻R21的一端连接后输出3.3V电压；SC2001_-3.3芯片的4脚通过电容C36与电容C37的另一端、电容C38的另一端连接后接地；电阻R21的另一端连接发光二极管D7后接地。

电源电路采用总线24V供电，利用EUP3410芯片将总线的24V电源转换为5V，再利用SG2001-3.3V芯片将5V电压转换为3.3V固定电压，通过连接一串电容（C44-C45）输出的3.3V电压（见图2），为以太网通讯模块和主控制模块供电。

参照图7，ARM Cortex-M3处理器中移植有嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式网络Lwip协议栈，其控制程序包括如下步骤：

步骤一：首先进行转换板卡系统的初始化，设置 ARM Cortex-M3处理器和网络芯片的工作时钟，对ARM Cortex-M3处理器的UART接口和与以太网通讯模块连接的网络接口进行硬件驱动，然后初始化嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式Lwip协议栈，利用嵌入式操作系统uC/OS-II创建两个管理线程。

步骤二：通过线程1向HART仪表发送HART数据采集命令，采集HART仪表的主变量及相关信息，并检测是否接收到HART数据，如果未接收到HART数据，则线程阻塞，如果接收到HART数据，则根据HART协议进行处理，读取HART仪表有用信息，并保存于ARM Cortex-M3处理器内存。

步骤三：通过线程2首先与上位机建立TCP/IP通讯，通讯建立后，监听上位机是否发送TCP/IP数据，如果未接收到TCP/IP数据，则线程阻塞，如果接收到TCP/IP数据，则分析TCP/IP数据的命令类型，若TCP/IP数据为采集命令，则将ARM Cortex-M3处理器内存中保存的数据通过网络接口发送给请求上位机，若TCP/IP数据为仪表控制命令，则将控制命令发送给指定HART仪表。

系统上电后，程序首先进行整个系统的初始化，设置 ARM Cortex-M3处理器和网络芯片的工作时钟，对ARM Cortex-M3处理器的UART接口和与以太网通讯模块连接的网络接口进行硬件驱动，初始化嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式Lwip协议栈，利用嵌入式操作系统uC/OS-II创建两个管理线程，线程1实现与HART仪表的周期性UART通信，板卡每秒向HART仪表发送HART数据采集命令，采集仪表的主变量及相关信息，检测是否接收到HART数据，未接收到，则线程一直阻塞，接收到数据后，根据HART协议读取仪表有用信息，并保存于ARM Cortex-M3处理器内存。线程2实现与上位机的数据交互，首先与上位机建立TCP/IP通讯，通讯建立后，监听上位机是否发送TCP/IP数据，未接收到，则线程阻塞，接收到后分析命令类型，通信命令分为采集和控制两类指令，若为数据采集命令，将ARM Cortex-M3处理器内存中保存的数据通过网络发送给请求上位机，若为仪表控制命令，将控制指令发送给指定HART仪表。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。

Claims

1.一种工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：包括主控制模块、以太网通讯模块和电源电路，主控制模块包括ARM Cortex-M3处理器、标准JTAG电路、时钟电路和第一通信指示电路；以太网通讯模块包括网络芯片、网络变压器、网络接口和第二通信指示电路；电源电路包括24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路；其中：所述的ARM Cortex-M3处理器分别与标准JTAG电路、时钟电路及第一通信指示电路相连；主控制模块通过ARM Cortex-M3处理器的UART接口以及通过HART总线协议连接HART仪表；以太网通讯模块的网络变压器分别与网络芯片和网络接口连接；网络芯片与第二通信指示电路相连；以太网通讯模块通过网络芯片与主控制模块的ARM Cortex-M3处理器相连；以太网通讯模块通过网络接口以及通过TCP∕IP协议连接工业交换机；24V-5V电源电路和5V-3.3V电源电路分别连接主控制模块和以太网通讯模块。

2.如权利要求1所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述主控制模块中的ARM Cortex-M3处理器采用STM32F107VCT6芯片，以太网通讯模块中的网络芯片采用集成PHY层的DM9161BIEP芯片，STM32F107VCT6芯片的67脚通过电阻R9与24脚连接，然后再与DM9161BIEP芯片的42脚相连，STM32F107VCT6芯片的48脚、51脚、52脚分别与 DM9161BIEP芯片的21脚、20脚、19脚相连；STM32F107VCT6芯片的16脚、25脚、34脚分别与DM9161BIEP芯片的24脚、25脚、32脚相连；DM9161BIEP芯片的25脚、32脚分别连接电阻R22、电阻R23后接3.3V电压；STM32F107VCT6芯片的14脚与DM9161BIEP芯片的40脚相连；STM32F107VCT6芯片的55脚、56脚、57脚分别与 DM9161BIEP芯片的37脚、29脚、28脚相连；DM9161BIEP芯片的36脚通过电阻R21接3.3V电压；DM9161BIEP芯片的41脚、30脚、23脚连接后接3.3V电压，并分别通过电容C11、电容C12、电容C13与DM9161BIEP芯片的39脚、15脚、33脚、44脚、10脚连接后接地；DM9161BIEP芯片的1脚和2脚连接后接电容C16、电容C17及电感L1的一端，电感L1的另一端连接电容C18和电容C19的一端后接DM9161BIEP芯片的9脚，电容C16的另一端和电容C17的另一端与电阻R15的一端连接后接地，电阻R15的另一端与电容C18和电容C19的另一端连接后接地；DM9161BIEP芯片的7脚和8脚分别通过电阻R10、电阻R11连接电容C14的一端，电容C14的另一端接地；DM9161BIEP芯片的3脚和4脚分别通过电阻R12、电阻R13连接电容C15的一端，电容C15的另一端接地；DM9161BIEP芯片的47脚和48脚通过电阻R14相连接；DM9161BIEP芯片的31脚通过电阻R16接3.3V电压；STM32F107VCT6芯片的86脚和87脚分别连接UART接口J3的8脚和7脚，STM32F107VCT6芯片通过UART接口J3并通过HART总线协议连接HART仪表。

3.如权利要求2所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述时钟电路包括晶振Y1和晶振Y2，STM32F107VCT6芯片的12脚和13脚分别连接晶振Y1的两端和电阻R8的两端，再分别连接电容C29和电容C30，然后接地；STM32F107VCT6芯片的8脚和9脚分别连接晶振Y2的两端，再分别连接电容C31和电容C32，然后接地。

4.如权利要求2所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述第一通信指示电路包括发光二极管D1、发光二极管D2、发光二极管D1和发光二极管D2的正极分别通过电阻R5、电阻R6连接STM32F107VCT6芯片的35脚和36脚，发光二极管D1和发光二极管D2的负极分别接地；所述第二通信指示电路包括发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5，发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5的负极分别连接DM9161BIEP芯片的11脚、12脚和13脚，发光二极管D3、发光二极管D4和发光二极管D5的正极分别通过电阻R17、电阻R18、电阻R19接3.3V电压。

5.如权利要求2所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述标准JTAG电路采用10pin-Jtag芯片，10pin-Jtag芯片的1脚和2脚连接后接3.3V电压；10pin-Jtag芯片的3脚连接STM32F107VCT6芯片的14脚；10pin-Jtag芯片的4脚连接STM32F107VCT6芯片的89脚，同时10pin-Jtag芯片的4脚连接电阻R4，然后接3.3V电压；10pin-Jtag芯片的5脚、7脚、9脚分别连接电阻R3、电阻R2、电阻R1，然后接3.3V电压，同时10pin-Jtag芯片的5脚、7脚、9脚分别连接STM32F107VCT6芯片的77脚、72脚、76脚；10pin-Jtag芯片的6脚、8脚、10脚连接后接地。

6.如权利要求2所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述网络变压器采用PH163539芯片，PH163539芯片的1脚、3脚分别与DM9161BIEP芯片的7脚、8脚连接；PH163539芯片的5脚与DM9161BIEP芯片的9脚连接后通过电容C23接地；PH163539芯片的6脚、8脚分别与DM9161BIEP芯片的3脚、4脚连接，并分别再连接电阻R12、电阻R13的一端，电阻R12、电阻R13的另一端连接后通过电容C15接地；PH163539芯片的13脚通过电阻R20连接电容C20的一端，电容C20的另一端与电容C21、电容C22的一端连接后接地，电容C21和电容C22的另一端连接后接地。

7.如权利要求6所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述网络接口J4的1脚接GND端；网络接口J4的2脚接24V电源；网络接口J4的3脚、4脚、5脚和6脚分别连接PH163539芯片的9脚、11脚、14脚和16脚，以太网通讯模块通过网络接口J4以及通过TCP∕IP协议连接工业交换机。

8.如权利要求1所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述24V-5V电源电路采用EUP3410芯片，EUP3410芯片的1脚通过电容C41与3脚连接，再分别连接电感L2的一端和稳压二极管D6的负极，稳压二极管D6的正极与电容C42的一端、电容C43的一端连接后接地；电感L2的另一端、电容C42的另一端、电容C43的另一端及电阻R23的一端连接后输出5V电压；电阻R23的另一端与EUP3410芯片的5脚连接，然后又通过电阻R24与电容C33的一端连接后接地；电容C33的另一端通过电阻R25与EUP3410芯片的6脚连接；EUP3410芯片的7脚通过电阻R26接24V电源；EUP3410芯片的2脚与电容C40的一端、电容C39的一端连接后接 24V电源；电容C40的另一端和电容C39的另一端连接后接地。

9.如权利要求1所述的工业以太网与HART总线协议转换板卡，其特征是：所述5V-3.3V电源电路采用SC2001_-3.3芯片，SC2001_-3.3芯片的1脚和3脚连接，然后再与电容C35的一端、电容C34的一端连接后接5V电源，电容C35的另一端、电容C34的另一端与SC2001_-3.3芯片的2脚连接后接地；SC2001_-3.3芯片的5脚与电容C37的一端、电容C38的一端、电阻R21的一端连接后输出3.3V电压；SC2001_-3.3芯片的4脚通过电容C36与电容C37的另一端、电容C38的另一端连接后接地；电阻R21的另一端连接发光二极管D7后接地。