CN2640134Y - 连接高速以太网与profibus－dp/pa总线的现场总线网络互联单元 - Google Patents
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Abstract
连接高速以太网与PROFIBUS－DP/PA总线的现场总线网络互联单元，本互连单元由主控微处理器、两路10M/100M自适应HSE接口、调试接口1、程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路、通讯控制微处理器1、程序存储器2、数据存储器2、复位电路2、调试接口2、通讯控制器1、隔离型总线驱动接口1、通讯控制微处理器2、程序存储器3、数据存储器3、复位电路3、调试接口3、通讯控制器2、隔离型总线驱动接口2及电源转换等电路构成。连接高速以太网与PROFIBUS－DP/PA总线的现场总线网络互联单元利用高性能嵌入式CPU、网络接口以及嵌入式实时操作系统，开发能够满足网络互联单元所要求的协议处理、协议转换、功能块运算等性能指标的嵌入式系统。在实时嵌入式软件和与之应用配套的组态及接口软件的支持下，建立完整的以HSE为主干网络的Profibus现场总线实时控制网络，并能利用配套软件提供的数据接口，对系统实现优化控制。
Description
技术领域
实用新型涉及工业自动化本过程控制领域，特别连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元。
背景技术
2000年初，IEC 61158在原FF技术标准的基础上接纳了Profibus等7种总线的规范形成了一个完整的现场总线标准，为多种现场总线并存和发展铺平了道路。多种现场总线的出现导致了传统控制系统的变革，如何组建一个开放的、信息集成化的多总线并存的控制系统成为当今自动化领域重点研究课题。要达到多总线信息集成，关键必须解决各种现场总线网段之间、现场总线网段与其它网段之间的信息交换问题。因此，研究和开发符合过程实时控制需要的现场总线网络互联单元是完成现场总线系统集成的首要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种将现场总线仪表、设备集成为一个完整现场总线控制系统的现场总线网络互联单元(Inter NetworkUnit，INU)。连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，能够实现Profibus-DP/PA现场总线主站(master)功能，通过高速以太网(HSE)和Profibus-DP/PA之间的协议转换和信息映射，使Profibus-DP/PA现场总线仪表设备和上位机之间能够通过网络互联单元实时地交换过程信息和组态信息。该网络互联单元所采用的网络通讯协议均符合国际现场总线的有关标准；该网络互联单元具有良好的互操作性，即凡是符合Profibus-DP/PA总线标准的现场总线仪表或设备都能通过该互联单元联入系统。连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，采用VME机箱模块插件结构，通过机箱内的冗余背板，可方便的实现双模块热备份冗余操作，可实现带电热拔插维护，有效的提高了控制系统的可靠性和可维护性。
本实用新型的目的是这样实现的：一种连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA的现场总线网络互联单元，是由主控微处理器、HSE网络接口1、HSE网络接口2、以太网接口1、以太网接口2、调试接口1、程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路、通讯控制微处理器1、程序存储器2、数据存储器2、复位电路2、调试接口2、通讯控制电路1、隔离型总线驱动接口1、通讯控制微处理器2、程序存储器3、数据存储器3、复位电路3、调试接口3、通讯控制电路2、隔离型总线驱动接口2及电源变换电路构成；其中，HSE网络接口1、HSE网络接口2分别通过以太网接口1、以太网接口2与主控微处理器连接；程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路分别与主控微处理器连接；通讯控制微处理器1、通讯控制微处理器2分别与双端口存储器1、双端口存储器2连接；复位电路2、调试接口2及复位电路3、调试接口3分别与通讯控制微处理器1、通讯控制微处理器2连接；程序存储器2、数据存储器2及通讯控制电路1与通讯控制微处理器1连接，PROFIBUS-DP/PA总线络接口1与隔离型总线驱动电路1连接，隔离型总线驱动电路1连接通讯控制电路1；程序存储器3、数据存储器3及通讯控制电路2与通讯控制微处理器2连接，PROFIBUS-DP/PA总线络接口2与隔离型总线驱动电路2连接，隔离型总线驱动电路2连接通讯控制电路2。
-所述的主控微处理器是由NET50+32位RISC CPU实现HSE和Profibus-DP通讯协议转换、信息映射功能以及主控单元和备份单元的切换功能。
-所述的10M/100M自适应HES接口是由以太网物理层控制芯片AM79C874VI及以太网隔离变压器H50LS61构成，实现了主控微处理器和HSE网络交换数据功能。
-所述的调试接口1是用来调试和固化NET50+微处理器软件的JTAG端口，调试接口2是由1片MAX232A芯片实现的RS232接口电路，用于AMD188ER控制软件的调试。
-所述的程序存储器1是由2片512K×16容量的AM29LV320D FLASH存储器芯片构成，用来存储运行在主控微处理器上面的嵌入式软件；程序存储器2是由一片容量为512K×8容量的AM29F040B FLASH存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层控制程序；
数据存储器1是由8片512K×8容量的IS61LV512高速随机存储器芯片构成，为主控微处理器的嵌入式软件提供高速运行的空间，以及存放各种组态数据和过程数据，数据存储器2是由一片512K×8容量的HM628512静态随机存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层数据；
复位电路1是由1片X5045-2.7芯片实现，为主控微处理器提供上电复位信号和看门狗监测信号，复位电路2是由一片MAX706芯片实现，除了可以在系统上电和看门狗电路超时情况下，对通讯控制微处理器发出复位信号外，还可在主控微处理器的GPIO信号控制下，发出复位信号；
加密逻辑电路功能是由1片单片机实现的，该单片机通过GPIO端口和主控微处理器交换经过加密算法处理过的数据，达到软件加密的目的。
-所述的冗余控制电路由一片CPLD芯片XC9536实现，在芯片内部由可编程逻辑实现主控和备份状态逻辑切换；冗余通讯接口电路功能由主控微处理器所带的高速同步串行接口实现，用来实现主控单元和备份单元之间交换数据的功能。
-所述的双端口存储器由16K×8容量的IDT7006芯片实现，用来实现主控微处理器向通讯控制微处理器发送Profibus-DP/PA控制命令，以及通过它来查询由其管理的PROFIBUS网络中各从站的相关信息。
-所述的通讯控制微处理器功能是由一片AMD188ER-40KI CPU芯片的，用来控制通讯控制器ASPC2的工作，实现Profibus-DP/PA总线络通讯协议控制；
通讯控制电路是ASPC2芯片和XC9536芯片构成，实现Profibus-DP/PA的协议控制芯片，该芯片实现了Profibus-DP/PA主站网络协议中链路层的全部控制功能。ASPC2芯片通过其CPU接口与通讯控制微处理器AMD188 CPU相连，在控制软件管理下，完成芯片初始化和网络控制等功能。
-所述的隔离型总线驱动电路1是由IL485高速隔离485芯片实现的，该芯片将ASPC2协议芯片输出的网络通讯信号转换成高速RS-485差分信号与Profibus-DP/PA总线络中的从站交换数据；
电源变换电路主要由自恢复保险丝、电源热拔插控制芯片、场效应管及宽电压输入DC/DC电源变换器模块CXA10-48S05组成，该电路除了具有将输入的24V直流电压转换成5V、3.3V和2.7V直流电压，除供本互连单元各部分电路使用外，使本互连单元具有带电热拔插功能。
连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，利用高性能嵌入式CPU、网络接口以及嵌入式实时操作系统，开发能够满足网络互联单元所要求的协议处理、协议转换、功能块运算等性能指标的嵌入式系统。在实时嵌入式软件和与之应用配套的组态及接口软件的支持下，建立完整的以HSE为主干网络的Profibus现场总线实时控制网络，并能利用配套软件提供的数据接口，对系统实现优化控制。
附图说明
图1本实用新型的原理框图。
具体实施方式
参见附图1，电路功能：本互连单元由主控微处理器、两路10M/100M自适应HES接口、调试接口1、程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路、通讯控制微处理器1、程序存储器2、数据存储器2、复位电路2、调试接口2、通讯控制器1、隔离型总线驱动接口1、通讯控制微处理器2、程序存储器3、数据存储器3、复位电路3、调试接口3、通讯控制器2、隔离型总线驱动接口2及电源转换等电路构成。
主控微处理器是由NET50+32位RISC CPU实现HSE和Profibus-DP通讯协议转换、信息映射功能以及主控单元和备份单元的切换功能。
10M/100M自适应HES接口是由以太网物理层控制芯片AM79C874VI及以太网隔离变压器H50LS61构成，实现了主控微处理器和HSE网络交换数据功能。
调试接口1是用来调试和固化NET50+微处理器软件的JTAG端口。
程序存储器1是由2片512K×16容量的AM29LV320D FLASH存储器芯片构成，用来存储运行在主控微处理器上面的嵌入式软件。
数据存储器1是由8片512K×8容量的IS61LV512高速随机存储器芯片构成，为主控微处理器的嵌入式软件提供高速运行的空间，以及存放各种组态数据和过程数据。
复位电路1是由1片X5045-2.7芯片实现，为主控微处理器提供上电复位信号和看门狗监测信号。
加密逻辑电路功能是由1片单片机实现的，该单片机通过GPIO端口和主控微处理器交换经过加密算法处理过的数据，达到软件加密的目的。
冗余控制电路由一片CPLD芯片XC9536实现，在芯片内部由可编程逻辑实现主控和备份状态逻辑切换。
冗余通讯接口电路功能由主控微处理器所带的高速同步串行接口实现，用来实现主控单元和备份单元之间交换数据的功能。
双端口存储器由16K×8容量的IDT7006芯片实现，用来实现主控微处理器向通讯控制微处理器发送Profibus-DP/PA控制命令，以及通过它来查询由其管理的PROFIBUS网络中各从站的相关信息。
通讯控制微处理器功能是由一片AMD188ER-40KI CPU芯片的，用来控制通讯控制器ASPC2的工作，实现Profibus-DP/PA总线络通讯协议控制。
程序存储器2是由一片容量为512K×8容量的AM29F040B FLASH存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层控制程序。
数据存储器2是由一片512K×8容量的HM628512静态随机存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层数据。
复位电路2是由一片MAX706芯片实现，除了可以在系统上电和看门狗电路超时情况下，对通讯控制微处理器发出复位信号外，还可在主控微处理器的GPIO信号控制下，发出复位信号。
调试接口2是由1片MAX232A芯片实现的RS232接口电路，用于AMD188ER控制软件的调试。
通讯控制器电路是ASPC2芯片和XC9536芯片构成，实现Profibus-DP/PA的协议控制芯片，该芯片实现了Profibus-DP/PA主站网络协议中链路层的全部控制功能。ASPC2芯片通过其CPU接口与通讯控制微处理器AMD188 CPU相连，在控制软件管理下，完成芯片初始化和网络控制等功能。
隔离型总线驱动电路1是由IL485高速隔离485芯片实现的，该芯片将ASPC2协议芯片输出的网络通讯信号转换成高速RS-485差分信号与Profibus-DP/PA总线络中的从站交换数据。
电源变换电路主要由自恢复保险丝、电源热拔插控制芯片、场效应管及宽电压输入DC/DC电源变换器模块CXA10-48S05组成，该电路除了具有将输入的24V直流电压转换成5V、3.3V和2.7V直流电压，除供本互连单元各部分电路使用外，使本互连单元具有带电热拔插功能。
由于本互连单元单元设有两路完全相同的Profibus-DP/PA总线络端口，由通讯控制微处理器1、程序存储器2、数据存储器2、复位电路2、调试接口2、通讯控制器1和隔离型总线驱动接口1实现Profibus-DP/PA总线络端口1的功能；由通讯控制微处理器2、程序存储器3、数据存储器3、复位电路3、调试接口3、通讯控制器2、隔离型总线驱动接口2实现Profibus-DP/PA总线络端口2的功能。两路Profibus-DP/PA总线络端口对应电路的功能完全一样。
在本互连单元的面板上提供5个LED分别显示电源状态；双板冗余工作时区分的主控/备份板状态的LED指示灯；指示故障/运行状态的LED指示灯；HES网络通讯状态指示灯以及Profibus-DP/PA通讯状态指示灯。
冗余切换原理
在本模块所采用的冗余技术包括网络接口和设备的冗余。利用硬件电路和相应的软件处理，实现准确的故障诊断和无扰动切换。
在本模块处于双模块冗余工作状态时，互连单元上电后，在复位电路的作用下，主控微处理器和两个通讯控制处理器进入复位状态，设置本模块处于故障状态和备份模块状态，在复位过程结束后，3个微处理器分别在相应的FLASH中存储的嵌入式软件的控制下，进入各自的工作流程。
主控微处理器在完成对两个以太网接口、两个Profibus-DP/PA总线络端口完成初始化后，若它们工作正常，则清除本单元的故障状态标志寄存器，由硬件冗余控制电路通过冗余控制接口和冗余通讯接口相连的另一块模块自动竞争主控权，首先完成自检的模块将先获得主控模块权利，可以对Profibus-DP/PA总线络中的各个从站进行访问控制，另一块模块则进入热备份状态。主控模块和热备份模块在工作过程中，冗余控制接口和冗余通讯接口不断通过冗余信号背板交换各自的工作状态和Profibus-DP/PA总线络控制参数。
本互连单元实现的冗余切换控制方式是以硬件为主的软硬结合的无扰动冗余切换策略。
在备份模块输出备用和正常状态信号的前提下，主控模块出现如下故障之一时则切换为备用模块状态：上电、看门狗复位、电源故障或失效、软件自检输出故障信号(CPU根据各个故障源和自检作出判断)等；同时，备用模块将接管主控权。
Profibus-DP/PA接口的电源故障、通讯等故障输出不直接参与硬件冗余切换，而是由CPU读取判断后决定是否输出故障信号。当本模块处于主控状态时可关闭备用模块的现场通讯输出。
硬件提供的下列状态位信息可由软件读入(由硬件和软件综合控制)：本模块的主/备输出(本模块OUT)，备份模块的主/备输出信号(本机IN)，本模块的正常/故障输出信号(本模块OUT)，备份模块的正常/故障输出信号(本模块IN)；本模块复位类型(上电/看门狗)，冗余用DP-RAM校验错误，各种故障源(+3.3V/+5V电源故障、现场电源故障、有无冗余模块、各芯片自检故障、现场通讯自检故障、HSE通讯自检故障、自检数据和功能错误等)。
CPU要读取的有些信号不直接参与硬件冗余切换：‘有无冗模块’信号、本模块现场设备板电源故障、冗余用双口RAM校验故障及CPU自检发现的故障等信号；通过自检和读取各故障信号线，CPU可获知本机的故障类型和故障源。
复位、电源故障与CPU故障输出可产生本模块故障信号；CPU检测到复位类型为上电复位且自检输出正常/故障信号后，应给出信号清除本模块的上电标志；有主控权的CPU还可关闭备用状态设备模块的现场信号输出。
在电源失效时(充分必要条件)，则将冗余通讯电路置为高阻。四条冗余控制线用于随时检测，须提供输入限流、钳制电压等保护；本机DP-RAM面向对方的写信号禁止，即不允许对方CPU写本板DP-RAM。
在检测到对方为备用模块且对方输出故障状态时(与无备模块状态相同)，本模块即使出现故障也只能作为主控模块。
本互连单元也可以用于非冗余控制方式下工作。Profibus-DP/PA主站控制接口工作原理
本接口包括两路Profibus-DP/PA主站接口，由Profibus-DP/PA主站控制芯片ASPC2、AMD188CPU、16K×8DPRAM、512K×8FLASHROM、512K×8RAM、可编程逻辑芯片CPLD、上电复位/看门狗电路、RS232接口电路、DC/DC和高速隔离485芯片构成。
本接口同主控微处理器的接口功能通过DPRAM实现，主控微处理器将发出的各种PROFIBUS通讯命令写到DPRAM中后，可由中断方式或信号量查询方式通知AMD188CPU取走并解释执行，主控微处理器也可以通过DPRAM查询本接口和由其管理的PROFIBUS网络中各从站的相关信息。
本接口实现的Profibus-DP/PA主站控制功能主要由ASPC2芯片实现，该芯片完成了Profibus-DP/PA总线络协议中链路层的全部控制功能。ASPC2芯片通过其CPU接口与AMD188CPU相连，在控制软件管理下，完成芯片初始化和网络控制等功能。该芯片输出的485通讯控制信号经高速隔离485通讯接口芯片产生的高速485信号，通过双绞线与Profibus-DP/PA总线络中其他站点相连。
本接口上的CPLD电路实现控制逻辑功能。该芯片作为ASPC2芯片和CPU之间的控制信息交换的桥梁，可灵活的设计各种包括DMA、中断和自检诊断等控制逻辑，实现了ASPC2芯片以共享方式同交换CPU交换网络协议规定的各种信息。
CPU的上电复位/看门狗电路，除了可以在上电和看门狗电路超时情况下，对通讯控制微处理器发出复位信号外，还可在主控微处理器的GPIO信号控制下，发出复位信号。
本接口上的RS232接口电路用于控制软件的调试。
本接口还提供3个LED分别显示ASPC2通讯状态，运行状态和DC/DC隔离电源工作状态。
Claims (9)
1、连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：是由主控微处理器、HSE网络接口1、HSE网络接口2、以太网接口1、以太网接口2、调试接口1、程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路、通讯控制微处理器1、程序存储器2、数据存储器2、复位电路2、调试接口2、通讯控制电路1、隔离型总线驱动接口1、通讯控制微处理器2、程序存储器3、数据存储器3、复位电路3、调试接口3、通讯控制电路2、隔离型总线驱动接口2及电源变换电路构成；其中，HSE网络接口1、HSE网络接口2分别通过以太网接口1、以太网接口2与主控微处理器连接；程序存储器1、数据存储器1、复位电路1、加密逻辑电路、双端口存储器1、双端口存储器2、冗余控制电路、冗余通讯接口电路分别与主控微处理器连接；通讯控制微处理器1、通讯控制微处理器2分别与双端口存储器1、双端口存储器2连接；复位电路2、调试接口2及复位电路3、调试接口3分别与通讯控制微处理器1、通讯控制微处理器2连接；程序存储器2、数据存储器2及通讯控制电路1与通讯控制微处理器1连接，PROFIBUS-DP/PA总线络接口1与隔离型总线驱动电路1连接，隔离型总线驱动电路1连接通讯控制电路1；程序存储器3、数据存储器3及通讯控制电路2与通讯控制微处理器2连接，PROFIBUS-DP/PA总线络接口2与隔离型总线驱动电路2连接，隔离型总线驱动电路2连接通讯控制电路2。
2、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：主控微处理器是由NET50+32位RISC CPU实现HSE和Profibus-DP通讯协议转换、信息映射功能以及主控单元和备份单元的切换功能。
3、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：10M/100M自适应HES接口是由以太网物理层控制芯片AM79C874VI及以太网隔离变压器H50LS61构成，实现了主控微处理器和HSE网络交换数据功能。
4、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：调试接口1是用来调试和固化NET50+微处理器软件的JTAG端口，调试接口2是由1片MAX232A芯片实现的RS232接口电路，用于AMD188ER控制软件的调试。
5、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：程序存储器1是由2片512K×16容量的AM29LV320D FLASH存储器芯片构成，用来存储运行在主控微处理器上面的嵌入式软件；程序存储器2是由一片容量为512K×8容量的AM29F040B FLASH存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层控制程序；
数据存储器1是由8片512K×8容量的IS61LV512高速随机存储器芯片构成，为主控微处理器的嵌入式软件提供高速运行的空间，以及存放各种组态数据和过程数据，数据存储器2是由一片512K×8容量的HM628512静态随机存储器芯片实现，用来存储在通讯控制微处理器上运行的Profibus-DP/PA链路层数据；
复位电路1是由1片X5045-2.7芯片实现，为主控微处理器提供上电复位信号和看门狗监测信号，复位电路2是由一片MAX706芯片实现，除了可以在系统上电和看门狗电路超时情况下，对通讯控制微处理器发出复位信号外，还可在主控微处理器的GPIO信号控制下，发出复位信号；
加密逻辑电路功能是由1片单片机实现的，该单片机通过GPI0端口和主控微处理器交换经过加密算法处理过的数据，达到软件加密的目的。
6、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：冗余控制电路由一片CPLD芯片XC9536实现，在芯片内部由可编程逻辑实现主控和备份状态逻辑切换；冗余通讯接口电路功能由主控微处理器所带的高速同步串行接口实现，用来实现主控单元和备份单元之间交换数据的功能。
7、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：双端口存储器由16K×8容量的IDT7006芯片实现，用来实现主控微处理器向通讯控制微处理器发送Profibus-DP/PA控制命令，以及通过它来查询由其管理的PROFIBUS网络中各从站的相关信息。
8、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：
通讯控制微处理器功能是由一片AMD188ER-40KI CPU芯片的，用来控制通讯控制器ASPC2的工作，实现Profibus-DP/PA总线络通讯协议控制；
通讯控制电路是ASPC2芯片和XC9536芯片构成，实现Profibus-DP/PA的协议控制芯片，该芯片实现了Profibus-DP/PA主站网络协议中链路层的全部控制功能。ASPC2芯片通过其CPU接口与通讯控制微处理器AMD188CPU相连，在控制软件管理下，完成芯片初始化和网络控制等功能。
9、根据权利要求1所述的连接高速以太网与PROFIBUS-DP/PA总线的现场总线网络互联单元，其特征在于：
隔离型总线驱动电路1是由IL485高速隔离485芯片实现的，该芯片将ASPC2协议芯片输出的网络通讯信号转换成高速RS-485差分信号与Profibus-DP/PA总线络中的从站交换数据；
电源变换电路主要由自恢复保险丝、电源热拔插控制芯片、场效应管及宽电压输入DC/DC电源变换器模块CXA10-48S05组成，该电路除了具有将输入的24V直流电压转换成5V、3.3V和2.7V直流电压，除供本互连单元各部分电路使用外，使本互连单元具有带电热拔插功能。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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