工業(yè)有線/無(wú)線多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

王家才　吳旭

【摘 要】本文研究一種DeviceNet、Modbus/TCP以及IEEE8021.15.4a無(wú)線網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建具有通用性的協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制，為一些特殊工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】協(xié)議轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)；DeviceNet；Modbus

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)異軍突起?，F(xiàn)場(chǎng)總線使得現(xiàn)場(chǎng)儀表之間、現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、雙向、多變量數(shù)字通信，改變過(guò)去長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用的4-20mA的模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，這就為整個(gè)工控系統(tǒng)全數(shù)字化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的另一優(yōu)點(diǎn)是控制功能下載，控制功能基本上由智能化的現(xiàn)場(chǎng)儀表來(lái)承擔(dān)：控制功能分散得比較徹底，加上全數(shù)字化就有可能組成大型的開(kāi)放式系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從決策層到設(shè)備層綜合管理和控制。特別是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，工業(yè)無(wú)線技術(shù)作為一種新興的面向設(shè)備間信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用，具有抗干擾能力強(qiáng)、能耗低、通信實(shí)時(shí)性好等技術(shù)特征。如何從有線/無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成架構(gòu)入手，分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)段間實(shí)時(shí)通信在中繼和網(wǎng)關(guān)中的基本通信機(jī)制，構(gòu)建有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相互集成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已逐漸成為一些特殊工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。

目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域運(yùn)用的無(wú)線技術(shù)主要集中在WLAN、BlueTooth以及ZigBee三種上。傳統(tǒng)的IEEE802.11無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是面向辦公環(huán)境而設(shè)計(jì)的，其物理層的傳輸機(jī)制，如WLAN的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)傳送速率高，適合于高速大數(shù)據(jù)吞吐量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，耗能也高，抗干擾性不好，不適于許多工業(yè)控制應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的使用，必須在物理層、MAC層以及協(xié)議模型方面改進(jìn)，以提供可靠的實(shí)時(shí)服務(wù)；Bluetooth的調(diào)頻擴(kuò)頻機(jī)制對(duì)上述問(wèn)題改進(jìn)不明顯，且每一cell中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量?jī)H為7個(gè)，只能適合于某些特殊的工業(yè)應(yīng)用；而IEEE 802.15.4技術(shù)在短距離、小數(shù)據(jù)量的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有很好的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景，但在苛刻的流程工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要作一定改進(jìn)，以降低空間反射、頻率干擾等帶來(lái)的延遲和丟包問(wèn)題。新一代短距離無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)是寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻，又簡(jiǎn)稱為切普擴(kuò)頻，該調(diào)制方法綜合了FSK、PSK和ASK三種方法的優(yōu)點(diǎn)，能十分有效地抑制工業(yè)環(huán)境中各種噪音和多徑干擾。

1 有線/無(wú)線多協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)

為了考慮當(dāng)前有線現(xiàn)場(chǎng)總線/工業(yè)以太網(wǎng)為主的現(xiàn)狀，又兼顧了與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)的無(wú)縫連接，本文主要研究一種基于IEEE802.15.4a的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)引入DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線和MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換方法，旨在實(shí)現(xiàn)一種符合工業(yè)實(shí)時(shí)要求和開(kāi)放數(shù)據(jù)通信的有線/無(wú)線異構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建具有通用性的協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制，使得現(xiàn)場(chǎng)帶有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口的傳感器、變送器和執(zhí)行器等智能設(shè)備能夠接入統(tǒng)一的系統(tǒng)協(xié)議構(gòu)架內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。其有線/無(wú)線多協(xié)議網(wǎng)關(guān)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1是基于IEEE802.15.4a的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)和DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，主要包括微處理器、IEEE802.15.4a無(wú)線主站、MODBUS/TCP從站、DeviceNet從站、外擴(kuò)SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器、RJ45網(wǎng)口、CAN接口電路、USB接口。IEEE802.15.4a無(wú)線主站實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4a無(wú)線協(xié)議，由MODBUS/TCP主站實(shí)現(xiàn)MODBUS/TCP協(xié)議，由DeviceNet從站實(shí)現(xiàn)DeviceNet協(xié)議，由微處理器實(shí)現(xiàn)所述三種網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換流程如下：

在無(wú)線主站模塊正常工作前，需要對(duì)無(wú)線協(xié)議芯片進(jìn)行初始化，包括初始化微處理器的SPI 接口，然后復(fù)位無(wú)線協(xié)議芯片。發(fā)送大小端同步字，同時(shí)使能芯片內(nèi)部時(shí)鐘，配置寄存器的訪問(wèn)方式，設(shè)定數(shù)據(jù)的重發(fā)機(jī)制，使能接收/發(fā)送中斷等。最后啟動(dòng)無(wú)線芯片，使主站開(kāi)始正常運(yùn)行；在MODBUS/TCP以太網(wǎng)從站模塊正常工作前，需要對(duì)其進(jìn)行初始化，包括初始化微處理器的EMAC 接口，然后復(fù)位以太網(wǎng)物理接口芯片，配置模式控制寄存器，使能EMAC的接收/發(fā)送中斷，使MODBUS/TCP主站模塊正常工作；而DeviceNet從站接口在上電之后還處于離線狀態(tài)，不能接收任何報(bào)文，為了實(shí)現(xiàn)DeviceNet波特率快速識(shí)別、優(yōu)化中繼報(bào)文收發(fā)機(jī)制等正常運(yùn)行，在CPU單元中固化波特率自動(dòng)檢測(cè)流程圖、信息發(fā)送流程圖、信息接收流程圖、中斷響應(yīng)流程圖，以組成中繼報(bào)文收發(fā)機(jī)制。無(wú)線主站輪詢與協(xié)議轉(zhuǎn)換步驟為：1）無(wú)線主站收到報(bào)文，判斷報(bào)文目標(biāo)地址是否在同一網(wǎng)絡(luò)中，若是，直接下發(fā)報(bào)文進(jìn)行操作；若否，無(wú)線主站則輪詢無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，更新數(shù)據(jù)副本區(qū)；2）無(wú)線主站輪詢MODBUS/TCP主站，若MODBUS/TCP主站未收到報(bào)文，輪詢MODBUS/TCP子節(jié)點(diǎn)，更新數(shù)據(jù)副本區(qū)，轉(zhuǎn)到步驟5）繼續(xù)；若MODBUS/TCP主站收到報(bào)文，獲取網(wǎng)絡(luò)源地址與目標(biāo)地址，等待地址轉(zhuǎn)換；3）讀微處理器中地址轉(zhuǎn)換映射區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，根據(jù)數(shù)組內(nèi)容進(jìn)行對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換；4）地址轉(zhuǎn)換完成后，無(wú)線主站判斷報(bào)文性質(zhì)：①若是普通報(bào)文：對(duì)MODBUS/TCP主站的輸入/輸出數(shù)據(jù)副本區(qū)進(jìn)行操作，返回報(bào)文響應(yīng)。在下一個(gè)輪詢周期內(nèi)，MODBUS/TCP主站輸入?yún)^(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)將被寫入子節(jié)點(diǎn)，MODBUS/TCP主站輸出區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)將被更新；②若是緊急報(bào)文：MODBUS/TCP主站直接對(duì)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)操作，返回報(bào)文響應(yīng)；5）MODBUS/TCP主站輪詢DeviceNet從站，若DeviceNet從站未收到報(bào)文，不進(jìn)行任何操作；若DeviceNet從站收到報(bào)文，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容對(duì)雙口RAM進(jìn)行相應(yīng)操作，雙口RAM中的數(shù)據(jù)將根據(jù)DeviceNet主站對(duì)從站的輪詢時(shí)間進(jìn)行隨時(shí)更新；6）無(wú)線主站輪詢結(jié)束。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置主要硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用的核心處理器是AT91RM9200微處理器，它支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和CompactFlash、SmartMedia以及 MAND Flash的無(wú)縫連接，集成有以太網(wǎng)控制器ENC28J60，該芯片的工作電壓有兩種：1.65V-1.95V與1.65V-3.6V，分別由LM1086-3.3V與LM1117-1.8V電源芯片提供。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)是整個(gè)裝置的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。考慮設(shè)計(jì)應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及系統(tǒng)的功耗，采用24V、3A的穩(wěn)壓直流源，采用LM2576-5V的電源芯片，其電壓輸出為5V，最大輸出為3A，效率是75%-80%。2.2 無(wú)線接口功能設(shè)計(jì)

微處理器通過(guò)SPI總線與無(wú)線協(xié)議模塊連接，形成一個(gè)無(wú)線主站模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線子節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)。無(wú)線協(xié)議模塊NanoPAN5360通過(guò)SPI串行外部總線與通用I/O模塊地板相連接，構(gòu)成了完成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置。無(wú)線協(xié)議模塊可以采用以無(wú)線協(xié)議芯片為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模塊，以縮短節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)周期并同時(shí)保證節(jié)點(diǎn)通信的可靠性。

2.3 以太網(wǎng)的功能設(shè)計(jì)

EMAC是OSI參考模型MAC子層的物理實(shí)現(xiàn)，介于物理層與邏輯鏈路層之間，以IEEE802.3u數(shù)據(jù)幀格式控制著主機(jī)與PHY之間的數(shù)據(jù)交換。EMAC為邏輯，傳輸和接受的DMA控制提供了FIFO緩沖區(qū)，此外，還為物理層管理提供了MDIO/MDC接口。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口兩大部分構(gòu)成。在設(shè)計(jì)中，使用的DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。如圖4所示。

2.4 SPC3的RS485接口電路

DP從站采用RS485串行通信方式，分別連接SPC3的4個(gè)引腳：XCTS、RTS、TXD和RXD，數(shù)據(jù)傳輸在RS485工作模式下完成。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，接口部分要在電氣上隔離。從站電路中隔離電源采用DCP010505。RS485總線驅(qū)動(dòng)一側(cè)與總線連接，另一側(cè)通過(guò)光耦合器與SPC3連接，設(shè)計(jì)采用的光耦合為HCPL0601系列。同時(shí)總線驅(qū)動(dòng)芯片選用了高速總線收發(fā)器SN75176B。具體電路見(jiàn)圖5所示。

3 總結(jié)

本文主要工作是使有線無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過(guò)分析DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線和MODBUS/TCP和IEEE8021.15.4a無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型與方法，實(shí)現(xiàn)了DeviceNet、Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)和IEEE8021.15.4a無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。該系統(tǒng)中存在兩個(gè)主站，既可以同時(shí)作為主站獨(dú)立并行工作，兩主站之間能夠?qū)Φ鹊卦L問(wèn)對(duì)方的從節(jié)點(diǎn)，同時(shí)又可以配置為主從關(guān)系。

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[責(zé)任編輯：湯靜]