CN205647565U - 一种工业无线网关装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及本实用新型公开了一种工业无线网关装置，涉及工业通信技术领域。所述装置包括双CPU微处理器模块、Profibus‑DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块，所述双CPU微处理器模块由CPU1微处理器、CPU2微处理器和双口RAM存储器组成，所述Profibus‑DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成。CPU1微处理器和CPU2微处理器并行工作，分别对Profibus‑DP总线通信模块和ZigBee通信模块的数据进行控制与处理，并通过双口RAM连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。本实用新型采用双CPU的硬件结构，具有可靠性高、实时性强、软件编程简单，很好的实现了无线网络和有线工业网络技术的相互融合。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业通信技术领域，尤其涉及一种工业无线网关装置。
背景技术
随着工业自动化的飞速发展，现场总线技术在工业通信领域发挥着举足轻重的作用，特别是Profibus现场总线以其实时性好、稳定性高等优点在我国成为发展速度最快的现场总线之一。但当工业环境恶劣或现场终端设备过于分散时，布线困难成为现场总线技术中不可避免的问题。近年来，物联网技术快速发展，与此相关的无线传感器网络ZigBee技术也得到了飞速发展，ZigBee技术以其可靠性高、低成本、低功耗、布局灵活等众多优势，越来越受到工业通信领域的重视。如果将ZigBee无线终端节点代替传统的执行器或传感器，接入Profibus现场总线网络组成可移动的混合网络，便可以解决上述现场总线布线困难等问题。因此为了解决这种兼容性，研究Profibus现场总线与ZigBee之间协议转换的工业无线网关是非常有必要的。现有技术中，如专利为“PROFIBUS-DP工业现场总线与无线ZIGBEE之间的协议转换装置和方法”和论文“Profibus总线的无线网关设计”都介绍了Profibus-DP现场总线与ZigBee无线传感器网络之间的协议转换方法，但这些技术研究都采用单CPU的硬件结构，单个CPU不仅要完成对两种通信网络的控制，还要完成两种网络的数据交换及协议转换，使得CPU负担过重，软件嵌套复杂，这样必然影响网关协议转换的速率，不能满足现场总线的实时性要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种工业无线网关装置，该装置内置两个CPU微处理器，分别对Profibus-Dp现场总线网络和ZigBee无现场感器网络的数据进行控制与处理，并通过双口RAM连接，实现数据的共享和交换。本实用新型可靠性高、实时性强、软件编程简单，很好的实现了无线网络和有线工业网络技术的相互融合。
本实用新型是通过以下技术方案实现：
一种工业无线网关装置，包括双CPU微处理器模块、Profibus-DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块；所述双CPU微处理器模块由CPU1微处理器、CPU2微处理器和双口RAM存储器组成，所述Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成。
进一步地，所述双CPU微处理器模块为中心，所述双CPU微处理器模块两端分别与Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接；所述CPU1微处理器通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片连接；所述SPC3协议芯片通过光耦隔离电路与RS485驱动器连接，所述RS485驱动器与Profibus-DP现场总线网络连接，所述Profibus-DP总线通信模块作为Profibus网络的DP从站，可以与Profibus-DP主站进行通信；所述CPU2微处理器通过UART串口与CC2530芯片连接，所述ZigBee通信模块作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信，所述CPU1微处理器与CPU2微处理器通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口RAM存储器的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换；所述电源管理模块分别与双CPU处理器模块、Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接，为三个模块提供所需的工作电源。
进一步地，CPU1微处理器与CPU2微处理器选用SOC单片机C8051F021，这种单片机与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高；标准的8051单片机执行一个单周期指令需要12个系统 时钟周期，而C8051F021执行一个单周期指令只需要一个系统时钟周期。该网关在Profibus-DP网络一侧作为DP从站，在ZigBee网络一侧作为协调器，其工作原理是CPU1微处理器和CPU2微处理器并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块的数据进行控制与处理，并通过双口RAM连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。其中，双口RAM被划分为两个区域，包括数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，数据发送缓冲区存放的是Profibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Profibus-DP网络发送的数据。CPU1微处理器只能对双口RAM的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，而CPU2微处理器只能对双口RAM的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作，因此数据发送缓冲区和接收缓冲区都是单输入单输出的缓冲区，这样把双口RAM划分成为不同的数据区域可以避免双方存取数据时发生冲突；双口RAM一般通过硬件仲裁或中断仲裁方式来避免数据冒险问题，为了保证系统的实时性，本实用新型采用双口RAM的中断仲裁方式来通知对方CPU进行数据交换和协议转换。其方法包括步骤一：对CPU1微处理器、CPU2微处理器、Profibus总线通信模块和ZigBee通信模块初始化。步骤二：CPU2微处理器内建立地址映射表。步骤三：SPC3协议芯片等待Profibus-DP主站对其进行参数设置、组态设置，新地址设置等。步骤四：进入数据交换阶段，CPU1微处理器与CPU2处理器以中断仲裁的方式通过双口RAM实现数据交换和协议转换。
本实用新型与现有技术相比，具有以下突出特点和显著进步：
1、面对现场总线技术因工业现场环境恶劣而无法布线时，引入了ZigBee无线传感器技术，很好的实现了ZigBee无线网络和有线工业网络技术的相互结合。
2、本实用新型采用双CPU的硬件结构，使得两个CPU并行工作，互不干扰，既减轻了CPU的工作负担，也简化了软件编程的复杂程度，大大提高了系统的工作效率。
3、通过双口RAM的中断冲裁方式实现两个CPU的高速通信，有效的解决了因Profibus-DP网络与ZigBee网络速率不匹配而产生数据丢失、通信中断等问题。
附图说明
图1是本发明一种工业无线网关装置的硬件结构图。
图2是图1中Profibus-DP总线通信模块10的电路连接图。
图3是图1中双CPU微处理器模块8和ZigBee通信接口模块7的电路连接图。
图中：1、RS485驱动器，2、光耦隔离电路，3、SPC3协议芯片，4、CPU1微处理器，5、双口RAM存储器，6、CPU2，7、ZigBee通信模块，8、双CPU微处理器模块，9、电源管理模块，10、Profibus-DP总线通信模块。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1-3，图1是本发明一种工业无线网关装置的硬件结构图；图2是图1中Profibus-DP总线通信接口模块10的电路连接图；图3是图1中双CPU微处理器模块8和ZigBee通信接口模块7的电路连接图。
一种工业无线网关装置，包括双CPU微处理器模块8、Profibus-DP总线通信模块10、ZigBee通信模块7和电源管理模块9。其中，双CPU微处理器模块8由CPU1微处理器4、CPU2微处理器6和双口RAM存储器5组成，Profibus-DP总线通信模块10由SPC3协议芯片3、光耦隔离电路2和RS485驱动器1组成，ZigBee通信模块7由CC2530芯片和相关外围电路组成。
所述CPU微处理器模块8为中心，两端分别与Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7连接。CPU1微处理器4通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片3连接，SPC3协议芯片3通过光耦隔离电路2与RS485驱动器1连接，RS485驱动器1与Profibus-DP现场总线网络连接，Profibus-DP总线通信模块10作为Profibus网络的DP从站，可以与Profibus-DP主站进行通信。CPU2微处理器6通过UART串口与CC2530芯片连接，ZigBee通信模块7作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信。CPU1微处理器4与CPU2微处理器6通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口RAM存储器5的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。电源管理模块9分别与双CPU处理器模块8、Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7连接，为三个模块提供所需的工作电源。
所述CPU1微处理器与CPU2微处理器为SOC单片机C8051F021，这种单片机与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。标准的8051单片机执行一个单周期指令需要12个系统 时钟周期，而C8051F021执行一个单周期指令只需要一个系统时钟周期。
所述双口RAM存储器5选用高速1K*8双口静态RAM的IDT7130芯片，SPC3协议芯片3是西门子公司生产的Profibus-DP协议芯片，CC2530芯片是TI公司生产的支持ZigBee协议栈的片上系统芯片（SOC）。
所述Profibus-DP总线通信模块10的电路连接如图2所示，由SPC3协议芯片3、光耦隔离电路2和RS485驱动器1组成。SPC3协议芯片3的8位数据/低8位地址端DB[7…0]、高8位地址端AB[7…0]和中断信号端X/INT与CPU1微处理器4相对应的8位数据/低8位地址端P3[7…0]、高8位地址端P2[7…0]和中断信号端/INT0连接，SPC3协议芯片3的读信号端XRD、写信号端XWR和地址锁存信号端ALE与CPU1微处理器4相对应的读信号端/RD、写信号端/WR和地址锁存信号端ALE连接，SPC3协议芯片的串行发送端TXD、接收端RXD和请求发送端RTS与光耦隔离电路2相对应的串行接收端RXD、发送端TXD和请求发送端RTS连接；光耦隔离电路2的串行发送端TXD1、接收端RXD1和请求发送端RTS1和RS485驱动器1的相对应的串行接收端RXD1、发送端TXD1和请求发送端RTS1连接；RS485驱动器1与Profibus-DP现场总线网络连接。
所述双CPU微处理器模块8的电路连接如图3所示，由CPU1微处理器4、CPU2微处理器6和双口RAM存储器5组成。CPU1微处理器4的8位数据端P3[7…0]与双口RAM存储器5相对应的8位数据端D7L-D0L连接，CPU1微处理器4的低8位地址端P3[7…0]通过锁存器与双口RAM存储器5相对应的低8位地址端A7L-A0L连接，CPU1微处理器4的高2位地址端P2[1…0] 与双口RAM存储器5相对应的高2位地址端A9L-A8L连接，CPU1微处理器4的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INT1、I/O口P2.2端与双口RAM存储器5相对应的输出使能端/OEL、读写使能端R/WL、中断信号端/INTL和/CEL片选端连接；CPU2微处理器6的8位数据端P0[7…0]与双口RAM存储器5相对应的8位数据端D7R-D0R连接，CPU2微处理器6的低8位地址端P3[7…0]通过锁存器与双口RAM存储器5相对应的低8位地址端A7R-A0R连接，CPU2微处理器6的高2位地址端P2[1…0] 与双口RAM存储器5相对应的高2位地址端A9R-A8R连接，CPU2微处理器6的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INT0、I/O口P2.2端与双口RAM存储器5相对应的的输出使能端/OER、读写使能端R/WR、中断信号端/INTR和/CER片选端连接。
所述ZigBee通信接口模块7的电路连接如图3所示，由CC2530芯片和相关外围电路组成。CC2530芯片的接收端RXD、发送端TXD连接与CPU2微处理器6相对应的发送端TXD、接收端RXD连接。
该网关在Profibus-DP网络一侧作为DP从站，在ZigBee网络一侧作为协调器，其工作原理是CPU1微处理器4和CPU2微处理器6并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7的数据进行控制与处理，并通过双口RAM存储器5连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。其中，双口RAM存储器5被划分为两个区域，包括数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，数据发送缓冲区存放的是Profibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Profibus-DP网络发送的数据。CPU1微处理器4只能对双口RAM存储器5的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，而CPU2微处理器6只能对双口RAM存储器5的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作，因此数据发送缓冲区和接收缓冲区都是单输入单输出的缓冲区，这样把双口RAM存储器5划分成为不同的数据区域可以避免双方存取数据时发生冲突。
作为本似乎用新型一个较佳的实施例，所述双口RAM一般通过硬件仲裁或中断仲裁方式来避免数据冒险问题，为了保证系统的实时性，本实用新型采用双口RAM的中断仲裁方式来通知对方CPU进行数据交换和协议转换。其方法包括步骤一：对CPU1微处理器、CPU2微处理器、Profibus总线通信模块和ZigBee通信模块初始化。步骤二：CPU2微处理器内建立地址映射表。步骤三：SPC3协议芯片等待Profibus-DP主站对其进行参数设置、组态设置，新地址设置等。步骤四：进入数据交换阶段，CPU1微处理器与CPU2处理器以中断仲裁的方式通过双口RAM实现数据交换和协议转换。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种工业无线网关装置，其特征在于：包括双CPU微处理器模块、Profibus-DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块；所述双CPU微处理器模块由CPU1微处理器、CPU2微处理器和双口RAM存储器组成，所述Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述双CPU微处理器模块为中心，所述双CPU微处理器模块两端分别与Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接；所述CPU1微处理器通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片连接，所述SPC3协议芯片通过光耦隔离电路与RS485驱动器连接，所述RS485驱动器与Profibus-DP现场总线网络连接，所述Profibus-DP总线通信模块作为Profibus网络的DP从站，可以与Profibus-DP主站进行通信；所述CPU2微处理器通过UART串口与CC2530芯片连接，所述ZigBee通信模块作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信；所述CPU1微处理器与CPU2微处理器通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口RAM存储器的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换；所述电源管理模块分别与双CPU处理器模块、Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接，为三个模块提供所需的工作电源。
3.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述的CPU1微处理器与CPU2微处理器为SOC单片机C8051F021。
4.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述的双口RAM存储器选用高速1K*8双口静态RAM的IDT7130芯片，所述SPC3协议芯片是西门子公司生产的Profibus-DP协议芯片，所述CC2530芯片是TI公司生产的支持ZigBee协议栈的片上系统芯片。
5.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述的Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成；所述SPC3协议芯片的8位数据/低8位地址端DB[7…0]、高8位地址端AB[7…0]和中断信号端X/INT与CPU1微处理器相对应的8位数据/低8位地址端P3[7…0]、高8位地址端P2[7…0]和中断信号端/INT0连接，所述SPC3协议芯片的读信号端XRD、写信号端XWR和地址锁存信号端ALE与CPU1微处理器相对应的读信号端/RD、写信号端/WR和地址锁存信号端ALE连接，SPC3协议芯片的串行发送端TXD、接收端RXD和请求发送端RTS与光耦隔离电路相对应的串行接收端RXD、发送端TXD和请求发送端RTS连接；所述光耦隔离电路的串行发送端TXD1、接收端RXD1和请求发送端RTS1和RS485驱动器的相对应的串行接收端RXD1、发送端TXD1和请求发送端RTS1连接；所述RS485驱动器与Profibus-DP现场总线网络连接。
6.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述双CPU微处理器模块由CPU1微处理器、CPU2微处理器和双口RAM存储器组成；所述CPU1微处理器的8位数据端P3[7…0]与双口RAM存储器相对应的8位数据端D7L-D0L连接，所述CPU1微处理器的低8位地址端P3[7…0]通过锁存器与双口RAM存储器相对应的低8位地址端A7L-A0L连接，所述CPU1微处理器的高2位地址端P2[1…0] 与双口RAM存储器相对应的高2位地址端A9L-A8L连接，所述CPU1微处理器的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INT1、I/O口P2.2端与双口RAM存储器相对应的输出使能端/OEL、读写使能端R/WL、中断信号端/INTL和/CEL片选端连接；所述CPU2微处理器的8位数据端P3[7…0]与双口RAM存储器相对应的8位数据端D7R-D0R连接，所述CPU2微处理器的低8位地址端P3[7…0]通过锁存器与双口RAM存储器相对应的低8位地址端A7R-A0R连接，所述CPU2微处理器的高2位地址端P2[1…0] 与双口RAM存储器相对应的高2位地址端A9R-A8R连接，所述CPU2微处理器的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INT0、I/O口P2.2端与双口RAM存储器相对应的输出使能端/OER、读写使能端R/WR、中断信号端/INTR和/CER片选端连接。
7.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述ZigBee通信接口模块由CC2530芯片和相关外围电路组成；所述CC2530芯片的接收端RXD、发送端TXD连接与CPU2微处理器相对应的发送端TXD、接收端RXD连接。
8.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述 CPU1微处理器和CPU2微处理器并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块的数据进行控制与处理，并通过双口RAM存储器连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。
9.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置，其特征在于：所述双口RAM存储器被划分为数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，所述数据发送缓冲区存放的是Profibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，所述数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Profibus-DP网络发送的数据；所述CPU1微处理器只能对双口RAM存储器的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，所述CPU2微处理器只能对双口RAM存储器的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作。
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