1、modbustcp工業以太網與devicenet現場總線的協議轉換器設計 - 田莉說 明 書modbus/tcp與 devicenet 的協議轉換器設計技術領域本發明涉及工業以太網與現場總線的協議轉換器，具體是modbus/tcp工業以太網協議與 devicenet 現場總線協議的轉換。背景技術近 20 多年來 , 隨著通信技術、計算機技術和網絡技術(3c 技術) 的迅速發展 , 工業自動化控制領域也得到了迅速的促進和改革。如何將現代通信技術成功地應用到工業自動化控制領域 , 是目前控制方面的熱點問題。隨著控制技術、通信技術的飛速發展, 特別是 internet技術的廣泛應用 , 使得現場總線

2、控制系統通過以太網與企業信息網集成實現工廠監控一體化成為大勢所趨。將以太網技術與現場總線技術相結合, 可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術的發展主流之外 , 使現場總線技術和計算機網絡技術的主流技術很好地結合起來, 形成現場總線技術和一般計算機網絡技術相互促進的局面。現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統 , 也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡?，F場總線協議標準多種多樣 , 國際電工委員會 ( iec) 于 2000 年公布通過了 iec61158現場總線標準 , 容納了 8 種互不兼容的控制層協議和三種設備級現場總線標準?，F場總線具

3、有實時性好、穩定性高等優點, 但是普遍通信速率較低 , 如 devicenet ( 設備網 )現場總線的最高通信速率只能達到500kbps。這在通常的工業控制場合還可以滿足應用的需要 , 但是要想進一步提高控制系統的性能, 如傳輸視頻、音頻等多媒體數據時, 就成為發展的瓶頸。為此, 人們考慮采用一1 種統一的標準來解決這些問題。以太網是商業領域里普遍采用的局域網絡, 結合 tcp/ip 協議, 構成了因特網的基礎 , 成為網絡應用中事實上的標準, 其通信速率最低也可達到10mbps, 并且具有廣泛的應用基礎。于是以太網在實時控制中的應用一時成為了研究熱點, 很多大公司和科研機構紛紛推出了各自的

4、工業以太網協議。工業以太網有其自身的優勢, 但是用在底層設備中還存在著諸如實時性、本質安全性等問題, 所以目前主要還是應用在企業信息管理層。而在底層還是采用現場總線網絡, 這就存在著設備層和信息層的銜接問題。各個大公司為了維護自身利益, 搶占市場份額 , 都推出了與自身協議兼容的網絡架構 , 如美國 rockwell 公司基于控制與信息協議(cip) 推出了 devicenet 、controlnet 、ethernet/ip的三層體系結構。法國施耐德公司推出“透明工廠”的概念, 在底層采用 modbus現場總線網絡 , 在信息層采用 modbus/tcp工業以太網 , 層次間基于相同的功能碼

5、連接。這些體系結構雖然實現了工業以太網和現場總線間的互連 , 但是各個層次的通信網絡都是基于自身相同的協議標準。這種封閉的狀況給用戶帶來了很大的不便, 在系統設計和系統改造時受到了許多的限制。若能實現不同協議標準的工業以太網和現場總線網絡之間的轉換, 既能滿足底層設備網絡實時性等要求 , 又能滿足信息層網絡高速率、大容量的需要, 還可以解決不同協議標準的通信網絡的兼容性問題, 將會具有非常大的實際意義。發明內容本發明要解決的技術問題是，考慮到目前企業網絡系統結構為infranet-intrenet-internet結構，而工業以太網主要應用在intrenet層，在底層仍采用現場總線網絡 , 通

6、過該協議轉換器的設計，能實現不同協議標準的工業以太網2 和現場總線網絡之間的轉換, 達到對工業控制領域不同層次網絡相互通信的高速率、實時性、兼容性的目的。本發明的技術解決方案是，所述modbus/tcp與 devicenet 的協議轉換器包括 : i( 協議轉換器的硬件設計devicenet 是一種面向對象的應用層協議，而modbus僅是一種數據鏈路層協議，它們在物理層采用不同的規范, 在數據鏈路層采用不同的介質訪問方式。為了實現兩種協議的轉換 , 協議轉換裝置需要滿足兩種協議物理層和數據鏈路層的要求。因此協議轉換器既要實現devicenet 主節點的功能 , 又要實現 modbus/tcp工

7、業以太網節點功能。分別采用能夠實現devicenet 主節點功能的現場總線接口模塊和能夠實現 modbus/tcp服務器 (server) 功能的工業以太網接口模塊來實現這兩種功能。(1) 協議轉換器結構協議轉換器硬件結構如圖1 所示。采用 dsp信號處理芯片作為cpu, cpu負責與工業以太網接口模塊和現場總線接口模塊通訊，并負責兩種協議應用層的轉換工作。工業以太網接口模塊處理modbus/tcp工業以太網協議 , 現場總線接口模塊處理 devicenet 現場總線協議。 cpu 、工業以太網接口模塊、現場總線通訊適配器模塊、靜態存儲器之間通過協議轉換器的內部總線連接。采用帶有看門狗功能的電

8、可擦除存儲器 (eeprom) 存儲協議轉換裝置的運行參數、devicenet 網絡的組網信息和節點狀態信息。采用靜態存儲器(ram )作為數據存儲器存儲從節點的過程數據。(2) 接口模塊3 devicenet 主節點接口模塊以sja 1000 為 can 協議處理芯片 , 實現物理層和數據鏈路層功能。在應用層封裝了devicenet 對象模型 , 可實現主節點的大部分功能。模塊提供標準devicenet 現場總線接口 , 協議轉換器可通過該接口與devicenet 現場總線連接。模塊內部的devicenet 協議處理單元可實現devicenet協議。模塊提供了雙端口存儲器與協議轉換微處理器(

9、 以下簡稱 cpu) 接口, 雙端口存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區, 在輸入區和輸出區中可建立與各個從節點對應的映射區 , cpu 可通過輸入區向各個從節點寫入過程輸出數據, 可通過輸出區獲得各從節點的過程輸入數據, 可通過郵箱區設置現場總線接口模塊的運行參數, 對 devicenet 網絡進行組網配置 , 讀取各個從節點的運行狀態。工業以太網接口模塊提供標準以太網接口, 協議轉換器可通過該接口與以太網連接。模塊內部的工業以太網協議處理單元可實現modbus/tcp工業以太網協議。模塊提供了雙端口存儲器與cpu接口, 雙端口存儲器被分成輸入區、輸出區和郵箱區, cpu 可通過輸入區向接口模

10、塊寫入各個從節點的運行狀態和過程數據, 可通過輸出區獲得以太網信息層發送的各類型報文, 可通過郵箱區設置接口模塊運行參數, 讀取其運行狀態。ii( 協議轉換器的軟件設計在應用層上 , devicenet協議采用基于對象模型的描述, 而 modbus/tcp工業以太網協議基于功能碼實現命令。為了實現兩者的轉換, 協議轉換器需要建立統一的報文模型 , 保證各種報文有效通訊。(1) 協議轉換器軟件整體設計思路為簡化程序設計，利用預定義主/ 從連接組，將協議轉換器設計為devicenet的一個從站，另一方面又作為modbus/tcp的主站。軟件由頭文件、初始化程4 序、功能子程序和主程序組成。軟件對與

11、硬件接口的部分進行了比較獨立的設計，而主程序和功能子程序主要用來實現協議的實現及格式相互轉化，為將來的硬件改型和可能的協議修改提供了較大的便利。軟件整體結構如圖2 所示。 (2) 協議轉換的實現流程在統一的報文模型的基礎上, 協議轉換按照圖 3 所示的流程進行。 (1) 讀取電可擦除存儲器中運行參數, 對協議轉換裝置初始化。 (2) 等待工業以太網模塊產生中斷, 獲得 devicenet 網絡組網信息 , 對 devicenet 網絡組網。(3) 讀取 devicenet 網絡中各個從節點工作狀態。(4) 等待中斷 , 判斷中斷類別 : 如果是工業以太網接口模塊產生中斷, 調用中斷處理子程序

12、, 根據報文標識符判斷報文類型 , 分別進行處理。如果是現場總線模塊產生中斷, 讀取從節點過程數據并將該數據寫入工業以太網接口模塊。如果是定時中斷 , 讀取各從節點工作狀態并更新電可擦除存儲器中的節點工作狀態標識區。(5) 重復步驟 (3) 和(4), 循環運行。其中 modbus/tcp工業以太網通信接口處理程序流程如圖4 所示。(3) 協議轉換報文模型通過在協議轉換器中建立統一的報文模型, 實現基于不同協議標準的modbus/tcp工業以太網和 devicenet 現場總線間應用層協議的轉換。報文模型中各報文的格式如圖5 所示。5 以下對本發明做出進一步說明。為確保產品的協議完整性、互操作

13、性和互換性，ovda 鼓勵 devicenet 產品開發者對所開發的產品進行一致性和實時性的測試。參見圖6，為了驗證協議轉換器的可行性 , 構建如圖 6 所示的實驗系統。計算機內的組態軟件采用美國ge公司的ifix 組態軟件 , 使用該軟件內嵌的modbus/tcp工業以太網驅動程序mbe (modbus ethernet) 來進行網絡配置和管理 , 支持 i/o 數據的通訊。實驗系統中掛接了兩個modbus/tcp工業以太網節點和兩個devicenet 現場總線從站節點。系統運行正常, 上述協議轉換器中的各種報文和各個節點i/o 數據都能夠正常通訊 , 充分驗證了modbus/tcp工業以太

14、網和 devicenet 現場總線間協議轉換器的可行性。由以上可知，本發明實現了不同協議標準的工業以太網和現場總線網絡之間的轉換, 滿足了底層設備網絡實時性要求和信息層網絡高速率、大容量的需要, 同時也解決了不同協議標準的通信網絡的兼容性問題, 對控制領域的現場設備的網絡通訊起到了一定的功能上的提高。附圖說明圖 1 是轉換器硬件結構示意圖; 圖 2 是協議轉換器軟件整體結構; 圖 3 是主程序流程圖 ; 圖 4 是 modbus/tcp工業以太網通訊接口處理程序流程圖; 圖 5 是報文模型 ; cpu 從工業以太網模塊接收的報文分為六種, 以不同的報文標識 (message id)識別報文類型

15、 : 6 (1) 現場總線網絡配置報文中包含了針對devicenet 網絡中各個從節點的配置信息。包含從節點的節點地址(mac id)、廠商號 (vendor) 、產品類型 (product type) 、產品碼 (product code)、與主節點的通訊方式、在現場總線接口模塊雙端口存儲器輸入、輸出區中開辟映射區的大小等參數。每一幀報文針對一個從節點配置信息 , 在最后一幀報文的末尾加上報文結束標識符, 以便于 cpu 判斷處理。(2) 裝置運行參數報文中包含了裝置初始化時需要的參數。包括cpu與工業以太網接口模塊間的雙端口存儲器中輸入區和輸出區的大小, 對工業以太網接口模塊的初始化參數

16、, cpu 與現場總線接口模塊間的雙端口存儲器中輸入區和輸出區的大小, 對現場總線接口模塊初始化參數, 定時器中斷的定時周期等參數。(3) 節點開 / 關報文用來通知 cpu關閉某些節點或重新啟動某些節點。節點mac id 標志區中有 8 個字節 , 共 64位, 當某一位是 1 時表示關閉該位對應mac id地址的節點。當某一位是0 時表示重新啟動該位對應mac id地址的節點。(4) 讀節點狀態報文用來通知cpu 上傳某個或某些從節點的運行狀態。節點mac id標志區中有 8 個字節 , 共 64 位, 當某一位是 1 時表示需要讀取該位對應mac id地址的節點狀態。(5) 讀過程數據報

17、文用來通知cpu 上傳某個或某些從節點的過程數據。節點mac id標志區中有 8 個字節 , 共 64 位, 當某一位是 1 時表示需要讀取該位對應mac id地址節點的過程數據。(6) 寫過程數據報文用來通知cpu 向某個從節點寫入過程數據。mac id標識要寫入的從節點的地址 , 然后是要寫入的數據 , 最后是表示數據結束的標識符。7 cpu 向工業以太網接口模塊可寫入兩類報文: (1) 從節點狀態上傳報文用來上傳各個從節點的工作狀態。節點狀態標志區中有 8 個字節 , 共 64 位, 當某一位是 0 時表示該位對應 mac id地址的節點狀態正常 , 當某一位是 1 時表示該位對應 ma

18、c id地址的節點狀態異常。(2) 從節點過程數據上傳報文用來上傳某個從節點的過程數據。mac id標識從節點的地址 , 然后是要上傳的數據 , 最后是表示數據結束的標識符。圖 6 是實驗系統結構圖 ; 8 說 明 書 附 圖 以太網協議轉換器工業以太網接口模塊以太網接口工業以太網協議處理單元輸入區 輸出區 郵箱區靜態存儲器雙端口存儲器內部總線雙端口存儲器協議轉換微處理器輸入區 輸出區 郵箱區串行外圍接口現場總線協議處理單元電可檫除現場總線接口存儲器 現場總線主節點通訊適配器模塊現場總線圖 1 協議轉換器硬件結構示意圖9 系統初始化uart 收發中斷主處理程序 can收發中斷定時器中斷圖 2

19、協議轉換器軟件整體結構10 開始讀取運行參數并對裝置初始化n 等待中斷y 配置現場總線網絡讀節點狀態n 等待中斷y n n 定時中斷工業以太網現場總線模模塊中斷塊中斷y y y 調用中斷處理調用中斷處理調用定時中斷子程序 1 子程序 2 處理子程序返回圖 3 主程序流程圖11 開始y 以太網網上有讀數據處理數據傳來 , n y 向以太網網上處理數據發送傳輸數據 , n 結束圖 4 modbus/tcp 以太網通信接口處理程序流程12 現場總線網絡配置報文報文 節點 生產 產品 產品 通訊 標識 地址 產商 類型 代碼 方式 在現場總線模塊 在現場總線模塊結束 輸入區中的映射區輸出區中的映射區標

20、識符 輸入區中的映射區裝置運行參數報文報文 工業以太網模塊中工業以太網模塊中工業以太網模塊標識 輸入區的空間 輸出區的空間初始化參數現場總線模塊現場總線模塊現場總線模塊定時中輸入區中輸出區初始化 周期 的空間 的空間 參數 節點開 / 關報文報文 節點地址標識 標志區讀節點狀態報文報文 節點地址標識 標志區讀過程數據報文報文 節點地址標識 標志區寫過程數據報文報文 節點 數據 結束標識 地址 內容 標志符從節點狀態上傳報文報文 節點地址標識 標志區從節點過程數據上傳報文報文 節點 數據 結束標識 地址 內容 標志符圖 5 報文模型13 計算機組態軟件以太網工業以太網協議工業以太網節點 1 轉換器