CN210804041U - 多总线协议转换及数据采集系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种多总线协议转换及数据采集系统。根据实施例，多总线协议转换及数据采集系统可以包括现场总线接口单元、网络接口以及连接在现场总线接口单元和网络接口之间的协议转换中间件和协议转换控制器。现场总线接口单元可以包括分别符合两种或更多种协议的多个接口，协议转换中间件可以包括针对所述多个接口中的每一个接口的相应协议转换中间件模块。根据实施例的多总线协议转换及数据采集系统可以兼容目前常用的工业总线硬件接口，可以实现采集仪器仪表的硬件接入、通信协议的统一管理及转换，适用于复杂生产车间的数据采集，具有通用性强、稳定可靠、易于扩展、系统集成容易的特点。

Description

多总线协议转换及数据采集系统

技术领域

本公开一般地涉及涉及多总线协议转换及数据采集，尤其是复杂生产车间工业互联网数据采集。

背景技术

工业互联网是实现智能制造各个环节无缝集成的支撑基础，表现为通过泛在互联的网络基础设施，实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统各主体之间的无缝传递。目前，工业现场部署的仪器仪表、生产设备主要来自中国、美国、欧洲等多个国家，存在设备种类多、传输标准多样化等问题，为智能制造的数据采集带来了巨大的困难，目前市面上常用的协议转换设备出于成本的考虑，多是集中在一对一的协议转换方面，缺少统一的协议架构设计，难以满足智能制造的需求。

实用新型内容

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种多总线协议转换及数据采集系统。

根据本公开的实施例，提供了一种多总线协议转换及数据采集系统，包括现场总线接口单元、网络接口以及连接在现场总线接口单元和网络接口之间的协议转换中间件和协议转换控制器。现场总线接口单元包括分别符合两种或更多种协议的多个接口，协议转换中间件包括针对所述多个接口中的每一个接口的相应协议转换中间件模块。

根据实施例，现场总线接口单元可以包括RS232接口、RS485接口、 CAN接口、RJ45接口和EtherCAT接口中的至少两种。

根据实施例，各协议转换中间件模块可以在一侧连接到相应的接口，且在另一侧共同连接到第一系统总线。

根据实施例，各协议转换中间件模块可以包括：MAC层控制器，用于控制从来自相应接口的数据中解析净负荷，以及将来自第一系统总线的数据封装为与相应接口相对应的帧结构；异步FIFO，用于缓存所述净负荷和来自第一系统总线的数据；以及总线控制单元，用于控制相应协议转换中间件模块与第一系统总线之间的数据收发。

根据实施例，协议转换控制器可以在一侧通过第一系统总线连接至协议转换中间件，在另一侧通过第二系统总线连接至网络接口，用于控制在所述多个接口以及网络接口之间的数据交换。

根据实施例，协议转换控制器可以包括：存储器件，用于存储从第一系统总线和第二系统总线接收到的数据；异步FIFO，用于缓存向第一系统总线的发送数据队列以及向第二系统总线的发送数据队列；以及 FPGA，用于控制在所述多个接口以及网络接口之间的数据交换。

根据实施例，协议转换控制器还可以包括：光耦隔离IO，用于提供 IO服务。

根据实施例，网络接口可以包括：通信接口，用于与外部通信网络通信连接；MAC层控制器，用于从来自外部通信网络的数据中解析净负荷，以及将来自协议转换中间件的数据封装为与外部通信网络相对应的帧结构；以及异步FIFO，用于缓存所述净负荷和来自协议转换中间件的数据。例如，外部通信网络可以包括互联网，通信接口可以包括RJ45 接口。

根据实施例，多总线协议转换及数据采集系统还可以包括：数据采集协议编辑器，用于提供协议编辑服务；以及数据采集控制器，用于控制在协议转换控制器中实现所编辑的协议参数。

根据本公开的实施例，针对生产车间仪器仪表、生产设备多样，通信协议多样且不兼容的问题，设计了一种多总线协议转换及数据采集系统，兼容目前常用的工业总线硬件接口，包括RS232接口、RS485接口、 CAN接口、RJ45接口、EtherCAT接口等，可以实现采集仪器仪表的硬件接入、通信协议的统一管理及转换，适用于复杂生产车间的数据采集，具有通用性强、稳定可靠、易于扩展、系统集成容易的特点。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统的总体架构的示意图；

图2是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的协议转换中间件模块的示意方框图；

图3是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的协议转换控制器的示意方框图；

图4是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的网络接口的示意方框图；

图5是示出根据本公开实施例的光耦隔离IO的示意电路图；以及

图6(a)至图6(f)示出了根据本公开实施例的一些接口的示意图。

贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

当前，存在符合各种标准的众多类型接口，例如推荐标准(RS)232 总线接口、RS485总线接口、控制器局域网(CAN)总线接口、推荐插座(RJ)45接口、以太网控制自动化技术(EtherCAT)接口等。根据实施例，如图6(a)所示，RJ45接口采用RTL8201CP芯片和HR911105A接口模块实现10/100Mbps网络物理层(PHY)数据收发；如图6(b)所示， RS232总线接口采用MAX3232接口芯片实现硬件电平转换；如图6(c) 所示，RS485总线接口采用SP3485接口芯片实现硬件电平转换；如图 6(d)所示，CAN总线接口采用TD301MCAN实现硬件电平转换；如图 6(e)和6(f)所示，EtherCAT接口采用2片RTL8201CP芯片和2片 HR911105A接口模块实现10/100Mbps EtherCAT数据上行(图6(e))和下行(图6(f))收发。

根据本公开的实施例，针对现有的各种接口例如上述接口，提供了一种通用性强、稳定可靠、易于扩展的兼容现有常用工业总线标准的协议转换及数据采集系统，这对智能制造的实现具有重要意义。

图1是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统的总体架构的示意图。

如图1所示，根据该实施例的多总线协议转换及数据采集系统100 可以包括现场总线接口单元101、网络接口103、协议转换中间件105 和协议转换控制器107。

现场总线接口单元101可以提供用于不同设备接入的硬件端口，通过不同的接口芯片实现硬件协议的转换。例如，现场总线接口单元101 可以提供常用工业级仪器仪表接入端口，方便各种工业级仪器仪表或设备接入，为各种工业级仪器仪表或设备的数据采集提供了硬件支持。根据实施例，现场总线接口单元101可以包括用于分别接入不同类型设备的多个硬件接口101s：接口-1、接口-2、…、接口-N。在现场，仪器仪表或设备可以根据各自的接口类型而连接到相应的接口101s。例如，现场总线接口单元101可以包括RS232接口、RS485接口、CAN接口、 RJ45接口和EtherCAT接口等各种接口中的至少两种。

网络接口103可以提供统一的网络控制端口，以便与外部通信网络如互联网(Internet)通信连接，从而实现例如将采集数据上报给应用服务器、控制指令远程下发等，为工业数据采集或控制提供硬件支持。

协议转换中间件105连接在现场总线接口单元101与网络接口103 之间，可以为不同设备的数据采集提供协议转换服务，将不同设备的通信协议转换为统一的协议标准，方便数据采集系统的集成与控制。与现场总线接口单元101中设置的多个接口101s即接口-1、接口-2、…、接口-N相对应，协议转换中间件105中可以设置有多个协议转换中间件模块105s：协议转换中间件模块-1、协议转换中间件模块-2、…、协议转换中间件模块-N。各协议转换中间件模块105s可以与相应的接口101s 通信连接，以便与相应的接口101s实现数据收发。例如，协议转换中间件模块105s可以从相应的接口101s接收符合相应通信协议的数据，并从中解析净负荷以便随后按统一的协议标准进行封装；并可以将来自外部通信网络的数据按相应的通信标准进行封装，以便转发到相应的接口 101s。

另外，各协议转换中间件模块105s可以共同连接到第一系统总线 105b，各接口101s与网络接口103之间(经由相应的协议转换中间件模块105s以及以下将要描述的协议转换控制器107)或者各协议转换中间件模块105s之间(经由相应的协议转换中间件模块105s)的数据交换可以通过第一系统总线105b进行。例如，各协议转换中间件模块105s可以将来自相应接口101s的数据(例如，由协议转换中间件模块105s解析出的净负荷)传送到第一系统总线105b，以便由网络接口103接收并按统一的协议标准封装以便发送到外部通信网络，或者由其他协议转换中间件模块接收并按相应的协议标准封装以便发送到相应的接口；网络接口103可以将来自外部通信网络的数据传送到第一系统总线105b，以便由协议转换中间件模块105s接收并按相应协议封装以便发送到相应的接口101s。

以下，将以其中一个协议转换中间件模块为例描述其配置，其他协议转换中间件模块可以具有相同或类似的配置。

图2是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的协议转换中间件模块的示意方框图。

如图2所示，协议转换中间件模块可以包括物理层(PHY)接口控制芯片2051、媒体访问控制(MAC)层控制器2053、异步先入先出缓冲区(FIFO)2055和总线控制单元2057。

PHY接口控制芯片2051可以在物理层实现数据收发。例如，PHY 接口控制芯片2051可以控制通过传输介质(例如，电缆、光纤等)从相应的接口101s接收信号如电信号、光信号、射频(RF)信号等，将接收到的信号恢复成数据比特，并将数据比特按数据帧传输到上层如MAC 层以进一步处理。另一方面，PHY接口控制芯片2051可以控制将来自第一系统总线105b、并经MAC层处理后的数据转换成传输信号如电信号、光信号、RF信号等，以便通过传输介质发送到相应的接口101s。

根据本公开的实施例，PHY接口控制芯片2051可以控制实现硬件电平转换，以支持协议转换。例如，对于来自相应接口101s且具有相应电平的信号，PHY接口控制芯片2051可以控制将其转换为中间电平。对于所有的协议转换中间件模块105s，它们各自的中间电平可以相同，以便于统一的协议转换。

MAC层控制器2053可以控制在MAC层对数据进行处理，如解包、组包等。例如，对于来自相应接口101s的数据帧，MAC层控制器2053 可以控制从中解析出净负荷；对于来自第一系统总线105b的数据，MAC 层控制器2053可以控制将其封装为与相应接口101s相对应的帧结构。

异步FIFO 2055可以缓存处理中的数据。例如，异步FIFO 2055可以缓存在MAC层的处理中解析出的净负荷以便发送至第一系统总线 105b，以及缓存来自第一系统总线105b的数据以便送到MAC层进行封装以发送至相应的接口101s。总线控制单元2057可以控制协议转换中间件模块与第一系统总线105b之间的数据交换。

根据本公开的实施例，协议转换中间件模块的工作流程可以如下。

例如，在数据上行阶段(例如，获取设备/仪器仪表数据阶段)，协议转换中间件模块可以监听接收端口。如果有数据被接收，则协议转换中间件模块可以例如立即读取来自相应接口101s的相应现场总线协议数据的比特流，送往MAC层。在MAC层，可以基于动态帧控制协议，根据所配置的输入侧现场总线协议类型所对应的帧结构，读取帧头，根据帧头中的控制信息进行解包操作，并将所承载的信息净负荷缓存到异步FIFO 2025中。总线控制单元2057可以在输入控制状态机的控制下，将异步FIFO 2025中缓存的信息净负荷写入第一系统总线105b之中。

另外，在数据的下行阶段(例如，下发数据/指令到设备/仪器仪表阶段)，协议转换中间件模块可以监听第一系统总线105b。如果有数据需要发送，则总线控制单元2057可以将数据从第一系统总线105b读入到异步FIFO 2055中，送往MAC层。在MAC层中，可以根据所配置的输出侧现场总线协议类型所对应的帧结构，完成组包操作后送往物理层，并将数据发送到相应的接口101s。

根据实施例，异步FIFO 2055可以包括分别针对发送数据和接收数据的队列。

再返回图1，协议转换控制器107可以连接在第一系统总线105b和第二系统总线111之间，以控制在各接口101s以及网络接口103之间的数据交换。例如，在数据上行阶段，第一系统总线105b上可以存在来自接口101s的通过协议转换中间件模块105s解析出的信息净负荷。协议转换控制器107可以根据其目的地址，将其送至第二系统总线111以便经由网络接口103发送至外部通信网络。另外，在数据下行阶段，第二系统总线111上可以存在来自外部通信网络的通过网络接口103解析出的信息净负荷。协议转换控制器107可以根据其目的地址，将其送至第一系统总线105b以便经由与目的地址相应的协议转换中间件模块101s 发送至相应的接口101s。另外，协议转换控制器107也可以控制各接口 101s之间通过第一系统总线105b交换数据。

图3是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的协议转换控制器的示意方框图。

如图3所示，协议转换控制器107可以包括现场可编程门阵列 (FPGA)3071、存储器件和异步FIFO 3073。

FPGA 3071可以实现协议转换控制、数据队列控制、IO控制、采集数据上行控制和控制指令下行控制。FPGA 3071可以控制在各接口101s 以及网络接口103之间的数据交换。FPGA 3071可以控制将来自网络接口103且去往某一接口101s的数据转发至与该接口101s相对应的协议转换中间件模块105s，以在该协议转换中间件模块105s中封装为符合该接口101s的协议，并可以控制将来自某一协议转换中间件模块101s的数据转发至网络接口103以在网络接口103中封装为符合外部通信网络的协议。FPGA 3071可以在多协议状态机的控制下，实现多协议硬件矩阵。例如，多协议硬件矩阵可以包括以各接口101s和网络接口103(和 /或相应协议)为索引的行和列，且在行和列的交叉之处具有指向相应协议转换硬件电路的指针。另外，可对输入的现场总线协议类型、输出的现场总线类型、服务质量(QoS)参数进行配置，例如通过如下所述的数据采集编辑器109a和数据采集控制器109b。

存储器件可以存储从第一系统总线105b和第二系统总线111接收到的数据。根据本公开的实施例，存储器件可以包括同步动态随机存取存储器(SDRAM)3077和用于驱动SDRAM 3077的SDRAM驱动3075。例如，SDRAM 3077可以在SDRAM驱动3075的驱动下，缓存不同协议数据单元，划分为多个缓冲队列，队列调度可以基于多协议转换缓冲队列模型完成。当然，本公开不限于此，也可以包括其他存储器件。异步FIFO 3073可以缓存向第一系统总线105b的发送数据队列以及向第二系统总线111的发送数据队列。从第一系统总线105b接收到的数据可以存入存储器件中，然后缓存到向第二系统总线111的发送数据队列中以等待发送到第二系统总线111；从第二系统总线111接收到的数据可以存入存储器件中，然后缓存到向第一系统总线105b的发送数据队列中以等待发送到第一系统总线105b。针对不同协议数据单元，可以分别设置不同的队列。

根据本公开的实施例，协议转换控制器107还可以包括光耦隔离输入输出(IO)3079，用于提供光耦隔离的IO服务。图5是示出根据本公开实施例的光耦隔离IO的示意电路图。如图5所示，IO接口电路采用光耦隔离(U1为输出隔离，U2为输入隔离)，实现输入输出电平转换和外部干扰隔离。为了增大输出功率，采用1片P沟道MOSFET增强输出驱动电流。进一步，在输出环节，增加1个二极管D1保护。图5仅给出了1路输出和1路输出IO接口电路，在具体实施时，可以据此扩展到多路输入和输出。

图4是示出根据本公开实施例的多总线协议转换及数据采集系统中的网络接口的示意方框图。

如图4所示，网络接口可以包括PHY接口控制芯片4031、MAC层控制器4033、FIFO4035和通信接口4037。

类似于PHY接口控制芯片2051，PHY接口控制芯片4031可以在物理层实现数据收发。例如，PHY接口控制芯片4031可以控制(经由通信接口4037)从通信网络接收信号，将接收到的信号恢复成数据比特，并将数据比特按数据帧传输到上层如MAC层以进一步处理。另一方面， PHY接口控制芯片4031可以控制将来自第二系统总线111的数据转换成传输信号，以便(经由通信接口4037)发送到通信网络。类似地，对于来自通信接口4037且具有相应电平的信号，PHY接口控制芯片4031 可以控制将其转换为中间电平。该中间电平与上述PHY接口控制芯片 2051所实现的中间电平可以相同。

类似于MAC层控制器2053，MAC层控制器4033可以控制在MAC 层对数据进行处理，如解包、组包等。例如，对于来自通信网络的数据帧，MAC层控制器4033可以控制从中解析出净负荷；对于来自第二系统总线111的数据，MAC层控制器4033可以控制将其封装为与通信网络相对应的帧结构。

异步FIFO 4035可以缓存处理中的数据。例如，异步FIFO 4035可以缓存在MAC层的处理中解析出的净负荷以便发送至第二系统总线 111，以及缓存来自第二系统总线111的数据以便送到MAC层进行封装以通过通信接口4037发送至通信网络。

通信接口4037可以可实现与外部通信网络的通信。根据实施例，外部通信网络可以是互联网(Internet)，且通信接口4037可以是RJ45接口。

根据本公开的实施例，网络接口103的工作流程可以如下。

例如，在数据上行阶段，网络接口103可以监听第二总线111。如果有数据需要发送，则网络接口103可以将数据从第二系统总线111读入到异步FIFO 4035中，送往MAC层。在MAC层中，可以根据通信网络的协议类似所对应的帧结构，完成组包操作后送往物理层，并将数据发送到通信接口4037以便发送到通信网络。

另外，在数据下行阶段，网络接口103可以监听接收端口。如果有数据被接收，则通信接口103可以例如立即读取来自通信接口4037的数据，送往MAC层。在MAC层，可以基于动态帧控制协议，根据所配置的通信网络协议类型所对应的帧结构，读取帧头，根据帧头中的控制信息进行解包操作，并将所承载的信息净负荷缓存到异步FIFO 4035中，以进一步写入第二系统总线111中。

返回图1，考虑到可扩展性，多总线协议转换及数据采集系统100 还可以包括数据采集协议编辑器109a和数据采集控制器109b。数据采集协议编辑器109a可以提供协议编辑服务，实现不同数据采集仪器仪表通信协议的统一管理，为协议转换提供依据。例如，数据采集协议编辑器109a可以编辑协议类型、数据采集参数如采集频率、QoS参数等。数据采集控制器109b可以控制在协议转换控制器107特别是其中的FPGA 中实现通过数据采集协议编辑器109a所编辑的内容，如协议参数。

根据本公开的实施例，针对生产车间仪器仪表、生产设备多样，通信协议多样且不兼容的问题，设计了一种多总线协议转换及数据采集系统，兼容目前常用的工业总线硬件接口，包括RS232接口、RS485接口、 CAN接口、RJ45接口、EtherCAT接口等，可以实现采集仪器仪表的硬件接入、通信协议的统一管理及转换，适用于复杂生产车间的数据采集，具有通用性强、稳定可靠、易于扩展、系统集成容易的特点。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种多总线协议转换及数据采集系统，包括现场总线接口单元、网络接口以及连接在现场总线接口单元和网络接口之间的协议转换中间件和协议转换控制器，其特征在于，

所述现场总线接口单元包括分别符合两种或更多种协议的多个接口，以及

所述协议转换中间件包括针对所述多个接口中的每一个接口的相应协议转换中间件模块。

2.根据权利要求1所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述现场总线接口单元包括RS232接口、RS485接口、CAN接口、RJ45接口和EtherCAT接口中的至少两种。

3.根据权利要求1所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，各协议转换中间件模块在一侧连接到相应的接口，且在另一侧共同连接到第一系统总线。

4.根据权利要求3所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，各协议转换中间件模块包括：

MAC层控制器，用于控制从来自相应接口的数据中解析净负荷，以及将来自第一系统总线的数据封装为与相应接口相对应的帧结构；

异步FIFO，用于缓存所述净负荷和来自第一系统总线的数据；以及

总线控制单元，用于控制相应协议转换中间件模块与所述第一系统总线之间的数据收发。

5.根据权利要求1所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述协议转换控制器在一侧通过第一系统总线连接至所述协议转换中间件，在另一侧通过第二系统总线连接至所述网络接口，用于控制在所述多个接口以及所述网络接口之间的数据交换。

6.根据权利要求5所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述协议转换控制器包括：

存储器件，用于存储从所述第一系统总线和所述第二系统总线接收到的数据；

异步FIFO，用于缓存向所述第一系统总线的发送数据队列以及向所述第二系统总线的发送数据队列；以及

FPGA，用于控制在所述多个接口以及所述网络接口之间的数据交换。

7.根据权利要求6所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述协议转换控制器还包括：

光耦隔离IO，用于提供IO服务。

8.根据权利要求1所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述网络接口包括：

通信接口，用于与外部通信网络通信连接；

MAC层控制器，用于从来自外部通信网络的数据中解析净负荷，以及将来自协议转换中间件的数据封装为与外部通信网络相对应的帧结构；以及

异步FIFO，用于缓存所述净负荷和来自协议转换中间件的数据。

9.根据权利要求8所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，所述外部通信网络包括互联网，所述通信接口包括RJ45接口。

10.根据权利要求1所述的多总线协议转换及数据采集系统，其特征在于，还包括：

数据采集协议编辑器，用于提供协议编辑服务；以及

数据采集控制器，用于控制在协议转换控制器中实现所编辑的协议参数。

Images