專利名稱：現(xiàn)場總線與串行接口設備間的協(xié)議轉換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于計算機現(xiàn)場總線外圍設備領域，具體地說，本實用新型涉及一種現(xiàn)場總線與串行接口設備間的協(xié)議轉換裝置。
近二十年來，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛采用，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有很好的開放性、互操作性、互換性、可集成性。
雖然帶有現(xiàn)場總線接口的儀表設備日益增多，但是在實際的工業(yè)控制現(xiàn)場，上述的串行接口儀表設備仍在廣泛使用，所以需要一種方法和一種裝置，能夠把串行接口設備的數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中去，而基本上不會引起控制系統(tǒng)性能的下降。本實用新型的目的就是提供一種現(xiàn)場總線和串行接口設備間的協(xié)議轉換方法及其實現(xiàn)裝置。
本實用新型所涉及的現(xiàn)場總線均指PROFIBUS(Process Fieldbus)現(xiàn)場總線的一個主要子集PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)，這是在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應用的一種現(xiàn)場總線協(xié)議標準。PROFIBUS-DP的協(xié)議具體內(nèi)容可參見EN50170 Volume 2，這里不再詳述。
目前在各種儀表設備中廣泛采用的串行接口主要有RS-232、RS-422、RS-485等幾種。
RS-232(ANSI/EIA-RS232)是建立在IBM-PC機上的串行連接，它有許多用途，如連接鼠標，調(diào)制解調(diào)器以及工業(yè)儀表，RS-232被定義為串行口和外設之間的點對點連接。
RS-422(EIA RS-422-A)應用差分電信號，而不是RS-232所用的對地失衡信號，在差分傳輸中使用兩根線分別用于發(fā)送和接收，這樣的結構極大地提高了抗干擾性能和長距離傳輸?shù)哪芰?。工業(yè)環(huán)境中強的抗干擾能力和長的傳輸能力具有極大的優(yōu)越性。
RS-485(EIA-485)是改善了的RS-422，因為它把接收設備數(shù)目從10提高到32，并且定義了在最大負荷下為保證正確的電壓信號所必需的電氣特性，抗干擾能力和多主站能力使RS-485在要求多個分布設備與PC機或其他控制器組成的網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收集時尤其有利。
土橋利光在1998年3月5日提交的實用新型專利“現(xiàn)場設備和現(xiàn)場總線系統(tǒng)及其控制現(xiàn)場設備的方法”(申請?zhí)?8107141.4)中給出了一種把模擬信號設備轉換到現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設備。但在已公布的專利文獻中尚未有涉及現(xiàn)場總線與數(shù)字串行接口協(xié)議轉換的內(nèi)容。
為實現(xiàn)上述實用新型目的，一種現(xiàn)場總線與串行接口設備間的協(xié)議轉換裝置，其結構為微控制器通過內(nèi)部總線與現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、靜態(tài)存儲器、非易失性存儲器相連，現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、光電隔離電路和現(xiàn)場總線接口順序連接，在內(nèi)部總線上還接有供串口設備連接的串行接口。
與現(xiàn)場總線與模擬接口的轉換相比，本實用新型實現(xiàn)了現(xiàn)場總線與串行接口的協(xié)議轉換，并解決了如下技術問題(1)能夠通過現(xiàn)場總線對串行接口的通訊參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶位等進行設置。
(2)現(xiàn)場總線和串行接口工作在不同的通訊波特率下數(shù)據(jù)傳輸速度的匹配。
(3)現(xiàn)場總線協(xié)議和串行接口傳輸協(xié)議之間的協(xié)議轉換。
總之，采用本實用新型裝置不需要附加其它的軟件和硬件，即可把普通的串行接口設備集成到現(xiàn)場總線系統(tǒng)中去，不需要修改上位的控制軟件接口和串行接口設備，降低了系統(tǒng)成本和工程難度?？傊?，本實用新型在不影響系統(tǒng)性能的前提下，大大提高了系統(tǒng)的兼容性。
在

圖1中，主程序首先讀取存儲在非易失性存儲器中的參數(shù)數(shù)據(jù)并按照參數(shù)數(shù)據(jù)初始化現(xiàn)場總線接口和串行接口；參數(shù)數(shù)據(jù)包括串行接口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位，以及串行傳輸協(xié)議的傳輸模式定義以及現(xiàn)場總線接口參數(shù)等。現(xiàn)場總線接口參數(shù)包括站地址、報文緩沖區(qū)指針和長度等。
主程序等待現(xiàn)場總線協(xié)議芯片發(fā)出的中斷請求并進入中斷程序，該中斷程序接收現(xiàn)場總線主站設備的參數(shù)化報文和組態(tài)檢查報文(Config-Check)。正確處理報文后進入和現(xiàn)場總線主站設備的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，并返回到主程序。
主程序開始接收來自現(xiàn)場總線主站設備的數(shù)據(jù)報文并判斷該數(shù)據(jù)報文屬于參數(shù)數(shù)據(jù)還是過程數(shù)據(jù)。
如果數(shù)據(jù)報文屬于參數(shù)數(shù)據(jù)，則把參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中，取代原來的參數(shù)數(shù)據(jù)。當裝置下次重新啟動時，新的參數(shù)數(shù)據(jù)生效。
如果數(shù)據(jù)報文不屬于參數(shù)數(shù)據(jù)則為過程數(shù)據(jù)，把該報文放入輸出緩沖區(qū)。按照先入先出原則從輸出緩沖區(qū)中取出過程數(shù)據(jù)，根據(jù)過程數(shù)據(jù)給出的設備地址和功能代碼，按照參數(shù)數(shù)據(jù)給定的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的傳輸模式轉換報文格式，并發(fā)送到給定地址的串行接口設備。然后啟動定時器，等待接收來自串行接口設備的應答報文。
接收到來自串行接口設備的應答報文后，進行數(shù)據(jù)校驗判斷是否正確接收，如果沒有正確接收，向該串行接口設備發(fā)出重發(fā)請求。如果正確接收到報文，則從報文中取出現(xiàn)場總線主站設備需要的數(shù)據(jù)，放入輸入緩沖區(qū)。
當定時器超過給定時間限制時仍未收到串行接口設備的應答數(shù)據(jù)，把出錯信息寫入診斷報文緩沖區(qū)，并通知現(xiàn)場總線主站設備讀取診斷報文。
主程序然后按照先入先出的原則把輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場總線上。
主程序按照圖1所述流程循環(huán)進行數(shù)據(jù)報文的接收和轉換。
圖2給出了一個中斷程序的流程圖，當現(xiàn)場總線協(xié)議芯片向微控制器發(fā)出中斷請求時微控制器執(zhí)行該中斷程序，中斷程序接收來自現(xiàn)場總線主站的參數(shù)化報文、組態(tài)檢查報文、地址設置報文等并進行相應的設置，從而使協(xié)議轉換裝置進入正常的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。
圖3給出了中斷程序?qū)崿F(xiàn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線從站的狀態(tài)機制。該狀態(tài)機制描述了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線從站在各種情況下的行為，用以保證它的一致性，其主要狀態(tài)如下(1)“通電”狀態(tài)在“通電”狀態(tài)，從站接收2類主站“設置從站地址”報文，以改變從站地址。從站具有非易失性的存儲器來存儲從站地址。
(2)“等待參數(shù)化”狀態(tài)內(nèi)部起動后，從站進入“等待參數(shù)化”狀態(tài)，等待設置參數(shù)報文。同時，在此狀態(tài)下，從站還可以接收“獲取配置”和“從站診斷”報文，但拒絕處理其他報文，不能進行數(shù)據(jù)通訊。
(3)“等待組態(tài)”狀態(tài)如果參數(shù)化正確，從站進入“等待組態(tài)”狀態(tài)，等待組態(tài)檢查報文。組態(tài)檢查報文規(guī)定輸入和輸出字節(jié)數(shù)。另外也可以接收“獲取配置”和“從站診斷”報文。
(4)“數(shù)據(jù)交換”狀態(tài)當參數(shù)化和組態(tài)已被接收時，從站進入“數(shù)據(jù)交換”狀態(tài)，可與主站進行數(shù)據(jù)通訊。
在圖4中描述了協(xié)議轉換裝置的主要硬件部件，包括微控制器(7)，通過內(nèi)部總線(4)與現(xiàn)場總線協(xié)議芯片(1)、靜態(tài)存儲器(6)、非易失性存儲器(4)相連，現(xiàn)場總線協(xié)議芯片(1)、光電隔離電路(2)和現(xiàn)場總線接口(3)順序連接，在內(nèi)部總線上還接有供串口設備連接的串行接口(8)。具體介紹如下(1)微控制器微控制器內(nèi)部帶有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，外部需要連接相應的時鐘電路、復位電路和看門狗電路配合工作。在本實施例中采用8051系列微控制器。
(2)現(xiàn)場總線協(xié)議芯片現(xiàn)場總線協(xié)議芯片實現(xiàn)PROFIBUS-DP總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和物理層協(xié)議，完成總線報文的收發(fā)功能，用微控制器進行報文的處理，并轉換成串行接口數(shù)據(jù)報文。有多種專用協(xié)議芯片可供選擇，在本實施例中采用SIEMENS公司生產(chǎn)的SPC3(SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER)協(xié)議芯片，SPC3能獨立地處理PROFIBUS-DP協(xié)議的各種通信任務，能自動檢測波特率從9.6K到12M，集成有1.5K的RAM、方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器以及各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等，與用戶和主站的數(shù)據(jù)交換采用三緩沖器機制工作，保證系統(tǒng)的通信速度和數(shù)據(jù)交換的可靠性。
(3)光電隔離電路采用光電隔離電路主要是為了消除來自零線的干擾，可采用光耦芯片如HCPL7720，HCPL0720，HCPL7721，HCPL0721等實現(xiàn)。
(4)現(xiàn)場總線接口由現(xiàn)場總線總線驅(qū)動器和D型插座組成，現(xiàn)場總線驅(qū)動器一側與D型插座相連，另一側通過光電隔離電路與現(xiàn)場總線協(xié)議芯片相接。D型插座用來連接現(xiàn)場總線電纜。
(5)串行接口在本實施例中實現(xiàn)了RS-232、RS-422、RS-485等接口，采用RS-232驅(qū)動器芯片，把串行信號的TTL電平轉變成RS-232電平。采用RS-422/RS-485驅(qū)動芯片，把串行信號轉變成RS-422/RS-485差分信號。
(6)非易失性存儲器，用來保存協(xié)議轉換裝置的參數(shù)，(7)靜態(tài)存儲器，用來作為數(shù)據(jù)報文的輸入輸出緩沖區(qū)。
圖5給出了應用了本實用新型實施例的一個PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡拓撲結構。協(xié)議轉換裝置(11)一方面作為PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線(10)的一個從站設備，和其它普通從站設備(12)共同連接在現(xiàn)場總線上，與PROFIBUS-DP主站設備(9)進行數(shù)據(jù)交換，同時又連接到串行接口總線(13)上，與各種串行接口設備(14)進行通信。
上述敘述給出了本實用新型的一個實施例，本實用新型并不限于這些細節(jié)。本領域的技術人員可根據(jù)本實用新型給出的方法和步驟進行適當?shù)男薷摹?br> 權利要求1.一種現(xiàn)場總線與串行接口設備間的協(xié)議轉換裝置，其特征在于微控制器(7)，通過內(nèi)部總線(4)與現(xiàn)場總線協(xié)議芯片(1)、靜態(tài)存儲器(6)、非易失性存儲器(4)相連，現(xiàn)場總線協(xié)議芯片(1)、光電隔離電路(2)和現(xiàn)場總線接口(3)順序連接，在內(nèi)部總線上還接有供串口設備連接的串行接口(8)。
專利摘要本實用新型公開了一種現(xiàn)場總線與串行接口設備間的協(xié)議轉換裝置。其裝置結構為，微控制器通過內(nèi)部總線與現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、靜態(tài)存儲器、非易失性存儲器相連，現(xiàn)場總線協(xié)議芯片、光電隔離電路和現(xiàn)場總線接口順序連接，在內(nèi)部總線上接有供串口設備連接的串行接口。采用本實用新型裝置不需要附加其它的軟件和硬件，即可把普通的串行接口設備集成到現(xiàn)場總線系統(tǒng)中去，不需要修改上位的控制軟件接口和串行接口設備，降低了系統(tǒng)成本和工程難度，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，大大提高了系統(tǒng)的兼容性。
文檔編號G06F13/42GK2585317SQ0229038
公開日2003年11月5日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權日2002年12月13日
發(fā)明者周祖德, 陳幼平, 陳冰, 謝經(jīng)明, 艾武, 張岡 申請人:華中科技大學