Protocol Conversion Gateway Design for Fieldbus
Abstract.
The rapid development of the field bus technology, causing the diversity of communication network, not only brings users more options but also a lot of problems. Such as a variety of Profibus coexist and different industries and even enterprise communication standards coexist,sometimes even the production lines in the same shop can adopt different bus standards, therefore, the users will have to face a technology problem that a variety of bus and all kinds of communication protocol products should access the same kind of profibus. It is urgently to be solved to develop protocol conversion interface, making these supporting different profibus interconnect and achieving real data sharing. This paper developed a gateway, which introduces in detail the hardware platform scheme of the gateway, and the idea of software design. The gateway can be applied to different bus equipment connections, which is of great help to implement the network and intelligent automation system.
Keywords: Profibus, CAN, Gateway, Protocol conversion.
Chapter 1 Introduction
The emergence of the field bus technology makes the Profibus data largely exchange and realizes the controller, instrument of intelligent control, distributed control[1]. Therefore, the coexisting situation of field bus with multiple standards is likely to last for a long time, and various bus equipmentsrsquo; mutual communication is a practical problem. In numerous bus products, bus gateway products occupy a big proportion. The field bus serial class gateway, whose purpose is to have RS - 232/422/485 interface equipment access field bus and industrial Ethernet[2]; Field bus, Ethernet connection gateway, and Ethernet in the industrial control field application is gradually mature day after day, through this kind of gateway different bus equipments will compose of a large network; by different connections of field bus standard between the equipment, this kind of product is mainly AnyBus - X products of HMS company. Anybus - X bus gateway is a new product line based on the Anybus technology. With the aid of supporting 17 kinds of fieldbus and industrial network Anybus technology, Anybus - X has more than 150 kinds of different models, which can realize almost connections between any two kinds of industrial network.
Rapid development of computer network technology, the establishment of a large number of various network system, between the various network interconnection.One idea is to implement international standards, 051 network architecture and communication protocol of the international standard has been more and more mature.But, to a large number of existing system of the 051 network is converted into 051 body application topology system, use the standard protocol, there are a lot of difficulties, and in the continuous development of network technology, while standardizing produce diversified at any time, so consider heterogeneous network interconnection communication probably inevitable forever.On the basis of the protocol converters is presented.
Device capable of serial communication is still large area is used in the field of control, communication, along with the increase in access devices, application of functional complex shortcomings of the traditional serial communication network is more and more obvious, and with intelligent RS232 / CAN converter, upgrade, transform, or build again both communication and control network, CAN easily realize RS232 equipment multi-point network, remote communication, especially in the dont need to change the original RS232 communication software, users CAN be directly embedded into the original application field, make the system design more advanced level, in the case of system function and performance greatly improved, reduce the waste caused by repeated investment and system upgrade.
CAN bus protocol and the combination of the Modbus protocol, by referencing the Modbus protocol to replace the original custom serial ports, categorizing, summarized the communication task according to the reading, writing, and then use the Modbus protocol defined by the standard function code to simplify communication processes, improve efficiency, but also make the system have the openness and CAN form a network.Modbus protocol is a master-slave protocol, and CAN bus protocol is more than the peer-to-peer protocol, which also determines the design of the protocol converters in the Modbus network as from the station, and send as the highest priority in CAN network node.[6]
Modbus and CAN protocol conversion principle that divided the Modbus message in RAM of DSP and CAN message storage buffer (including their respective input and output buffer);From Modbus protocol converter master station received the message in the receive buffer, Modbus returned to reply to the master station receive buffer to read data from the CAN bus is packed into the Modbus response message format to send;The receive buffer to get a message from the Modbus protocol converter and deposited in the CAN message send buffer, according to the function code send analysis, decided to adopt a single way to send or in several times.In general, is a store-and-forward mechanism, this mechanism is the first consideration is the reliability of the communication conversion, storage transformation of time delay as a direct result of lower real-time communications.
Anybus - X has more than 150 kinds of different models, which can realize almost any two kind of industrial network connection between. Anybus - X supports all mainstream field bus and industrial Ethernet, for example, PROFIBUS[3], DeviceNet, CANopen, CC-Link, ControlNet, Modbus Plus, Modbus TCP, EtherNet/IP, Profinet, etc. These technology researches and product applications have made progress, but they are all in either serial port to a single field bus conversion, or
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总线的协议转换网关设计
摘 要
总线技术的快速发展，现场总线技术的快速发展,使通信网络的多样性,不仅给用户更多的选择,但也带来了很多的问题。等各种现场总线共存和不同行业甚至企业通信标准共存,有时甚至生产线在同一个点可以采用不同的总线标准,因此,用户将不得不面临一个技术问题,各种总线和各种通信协议产品应该访问同样的现场总线。迫切需要解决发展协议转换接口,使这些支持不同现场总线互连,实现真正的数据共享。本文开发了一个网关,它详细介绍了网关的硬件平台方案和软件设计的想法。网关可以应用到不同的总线设备连接,这是很大的帮助来实现网络和智能自动化系统。
关键词：Profibus,CAN,网关，协议转换
第1章 介绍
现场总线技术的出现使profibus技术极大的扩展了智能控制，分布式控制领域。因此，多标准并存的总线方式将持续一段时间，届时一系列总线设备的通信就会变成一个很现实的问题。大量的总线产品，总线网关产品占据了很大的比例。现场总线联系着网关，其目的为让RS - 232/422/485接口设备能连接至现场总线或者工业以太网。现场总线、以太网连接网关和以太网在工业控制领域的应用一天天逐渐的成熟,通过这种网关不同总线设备组成大型网络;设备通过不同的现场总线标准相互连接,这类产品主要是HMS公司的AnyBus - X产品。Anybus - X总线网关是基于Anybus技术的一个新产品线。借助支持17种现场总线和工业网络Anybus技术，Anybus - X有超过150种不同的模型,可以实现几乎任何两种工业网络之间的连接。
计算机网络技术迅猛发展，建立了大量的多种多样的网络系统，导致各种网络之间如何互连的问题。一个办法是推行国际标准，051网络体系结构及通信协议的国际标准已越来越成熟。但是，要把大量已存在的非051体系的网络都改造成051体应用拓扑图 系，都采用标准协议，存在着很多的困难，而且网络技术在不断发展，在进行标准化的同时随时产生多样化，因此考虑异构网络的互连通信大概永远不可避免。在这个基础上提出了协议转换器。
具有串行通信能力的设备仍然在控制领域、通信领域大面积使用,随着接入设备的增多。应用功能复杂程度的提高，传统的串行通信网络的缺点越来越明显,而采用RS232/CAN智能转换器，升级、改造或重新构建既有通信或控制网络，能够很方便地实现RS232设备多点组网、远程通信，特别是在不需要更改原有RS232通信软件的情况下，用户可直接嵌入原有的应用领域，使系统设计达到更先进的水平，在系统功能和性能大幅度提高的情况下,减少了重复投资和系统更新换代造成的浪费。
CAN总线协议和Modbus协议的结合，通过引用 Modbus 协议代替原自定义串口协议，将通信任务按读、写进行归纳分类，再用 Modbus 协议定义的标准功能码简化通信流程，提高效率，同时也使系统具备开放性，能方便的结成网络。Modbus协议是主从协议，而CAN总线协议是多主对等协议，这也就决定了所设计的协议转换器在Modbus网络中作为从站，而在CAN网络中作为发送优先级最高的节点。[6]
Modbus和CAN协议转换原理：在DSP的RAM中划分Modbus报文和CAN报文的存储缓冲区(包含各自的输入和输出缓冲区)；协议转换器从Modbus主站收到的报文存入Modbus接收缓冲区，向主站返回应答时从CAN总线的接收缓冲区读取数据打包成Modbus应答报文的格式进行发送；协议转换器从Modbus接收缓冲区获取报文并存入CAN报文发送缓冲区，依据功能码进行发送分析，决定采用单次还是分次发送方式。总的来说，就是一种存储转发机制，这种机制首先考虑的是通信转换的可靠性，存储转换带来的延时直接导致通信实时性的降低。
Anybus - X有超过150种不同的模型,可以实现几乎任何两种工业之间的网络连接。Anybus-X支持所有主流现场总线和工业以太网,例如profibus,devicenet,CANopen,CC-Link,ControlNet,Modbus Modbus TCP、tcp/ IP,Profinet,等。这些技术研究和产品的应用已经取得了进展,但他们都是为了将串行端口到一个现场总线转换,或转换两种现场总线,而实现串口的各种现场总线转换接口,它的功能很简单,灵活性差,不能满足很多需要实际工业现场总线系统。目前成熟的协议转换方法实现网关。本文将profibus - dp总线和CAN总线广泛应用为例,研究总线协议转换方法,并使用高性能的ARM处理器和专用协议芯片构建协议转换网关。
CAN协议和Profibus协议转换的分析
CAN总线和Profibus总线地址的对比分析
为了将CAN2.0帧结构作为基本构成。帧的形式如表格1所示，一个标准的帧由11个ID,RTR,4个DLC以及数据域组成。
表1，CAN总线的帧形式
PRI:保持一个位置(作为一个优先的位置)。通常情况下,它可以设置为1,可以作为一个优先的位置,然后为低优先级1。为高优先级和其他优先源地址,和低地址优先级很高。储备功能可以有效地传递紧急信息,报警等。
源地址:源地址,发送数据的节点地址,和范围只能设置为0 - 125。
类型:帧类型。主要包括单帧和多帧。
DLC：每帧字节数（1-8）
目的地址:目的地址,接收数据的节点地址,和范围只能设置为0 - 125。
指数:指数字节。对于单帧数据,这个字节代表第一个字节的数据传输,多个帧数据,字节代表指数字节,即帧包的位置数据。
现场总线127站地址,地址范围是0 - 126127全局地址。
所以我们可以统一地址所有的现场总线设备和设备。站地址是唯一一个在整个系统中,只有当帧转换发生,就直接将相应的位地址信息复制到地址。
2.协议帧分割和合并
如果把现场总线长帧可以放到短帧里面,只是把现场总线数据分离以适合帧传输的长度。域的长度可以最大化只有8个字节帧数据,其中两个字节是用作目的地址帧索引,所以剩下的6字节用于数据传输。在最长的现场总线数据帧,有246个数据字节。要求246/6 = 41可以适应现场总线长帧,帧转换期间,现场总线协议帧每部分分割成六字节,加上目的地址和帧索引,这样可以形成帧的内容。在收集目的地节点后把它们压缩至可以接受的信息发送。
3.协议转换实现的对比
（1）达到SCM以及软件的目标
现场总线是一种完全开放的协议，它并不是相关制造商生产，它也是没有知识产权保护的一个协议标准。所以每个组织,世界各地的机构或个人可以提供现场总线的设计方案。
在一般情况下,现场总线协议可以实现在任何主要的控制器。只要我们安装的UART扩展外部或内部主控制器,数据链路层的协议可以使用该软件进行探索,从而完成勘探现场总线的接口。
然而,这个实现有自己的局限性,因为单片集成电路的波特率太低了。典型的方程式应该是：
baud ratemax＝32 (65536 T ) ＝750Kbit/sf
其中，集成电路的频率f为24Mhz，T为6553.。
实际上这是一个理想状态很难达到实际应用上面的速度。虽然技术上是可行的，但是探索现场总线的接口通过使用单片集成电路,成本价格的优势,同时它有一些实际问题。它要求开发人员应该知道细节的现场总线技术很明显,可以延长产品开发的周期,使技术指标低,测试复杂。
（2）网关设计的双cpu架构
两种类型的CPU处理这两个总线协议分别和地点所需的信息到双端口RAM为了分享和传递信息。这个程序很容易控制和软件很简单。与此同时,它减少了CPU负载和执行的可靠性。尽管过去的方法,该方法已得到改进,但处理核心仍然是一个单片机，只能处理少量的数据。当有大量的数据,单片机不能及时的工作。
（3） 基于arm的现场总线协议转换
目前,普遍使用ARM处理器的研究现场总线转换。这种方法的优点是,上述缺点的数据处理延迟可以解决。
因此,本文将采用方法2和3的总和。
第2章 协议转换的硬件和软件
1.嵌入式网关的硬件系统
ARM9嵌入式网关的特点,微控制器的三星S3C2440作为主控芯片,基于ARM920T的核心和S3C2440,32位RISC处理器,采用以上结构ARM920T意识到非常小,但高性能的结构。ARM处理器结构简单让ARM内核很小,这使得功率器件非常低。地址总线和数据总线分离,采用89C51单片机控制的一部分独立2片可以转换芯片SJA1000组成一个双通道接口。为了实现高速并行89C51和S3C2440通信功能,同时,为了提高系统的抗干扰能力,提高系统稳定性,设备也使用高速光耦合6C137转换芯片。profibus - dp转换芯片是西门子公司的特殊chip-SPC3 5 v电源隔离HDN125S5模块。实现数据共享和传递通过双端口RAM,选择设备IDT7132,两套完全独立的数据,地址线和读写控制,它可以独立访问其内部RAM资源。双端口RAM通信速度高,实时性强,接口简单,因此双方可以积极地进行数据传输。网关的硬件系统结构是图2所示。
图2.网关图的硬件系统结构
根据上面的设备选择,可以总结一个结论,profibus - dp通信接口模块组成profibus - dp协议控制器SPC3,光耦合隔离器和rs - 485驱动器。SPC3协议控制器的组成原则是一种智能通信ASIC芯片,它可以完整的profibus - dp物理层和数据链路层。当它只传输技术的集成部分功能没有集成仿真功能,因此,它需要添加rs - 485驱动电路。SPC3连接如图3所示。
图3.SPC3连接图
数据的传输和共享的S3C2440主控制芯片和89 c51单片机控制芯片通过双端口RAM实现;因此IDT7132芯片使用。这个芯片有两组不同的数据行,地址线和口语和写作,因此它可以访问内部RAM资源。双端口RAM的价值更高的通信速度、强大的实时,简单的接口和数据可以通过双方传播。IDT7132 2 k高速静态存储器。IDT7132设计作为一个单独的8位双重接口或双重接口存储。使用IDT主要/次要双重接口存储方法,应用16位系统没有错误是生成的,因此不需要额外的离散逻辑。设备提供了两个独立的接口,两个不同的地址和一个I / O接口控制。它允许独立异步访问读或写任何存储的地方。它还允许电路进入低功耗待机状态通过CE自动断电。高性能技术使功耗低于550兆瓦。双端口RAM如图4所示。
图4.双口RAM
P0.0 ~ P0.7 89 c51和AD7 ~ AD0地址日期变更线驱动程序连接到交换数据。成和中断输出SJA1000,INT,触发的中断控制器相连。P2.7连接的芯片选择信号CS SAJ1000 SJA1000(低指数材料级别访问)。RD / E(RD信号的单片机(英特尔模型或E使信号(摩托罗拉模型)),或者说是(WR信号的单片机(英特尔模型)或RD / WR使模型)是独立与89 c51。
89 c51的地址分配如表1:
表1.89c51地址分配表
2.嵌入式网关的软件系统
这里我们选择现场总线作为主人,可以作为奴隶。数据转换的主要操作过程如下:首先,主转换网关发送数据,接收转换网关的数据后,分析命令,地址,操作数等。然后,转换网关协议格式来封装了数据可以发送原始网站;原始站点接收到数据,响应发送回转换网关的信息,在收到消息转换接口分析数据,然后转换为可以协议格式,发送给主人。注意,由于CAN总线数据传输的长度8个字节,如果可以协议传输数据是超过8个字节将多次发送数据,协议转换流程图如图5所示。
嵌入式控制器的应用几乎无处不在:移动电话、家用电器、汽车hellip;hellip;无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了5 - 10 个嵌入式微处理器。在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统工业是专用计算机工业,其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用;通用计算机的发展变为功能电脑,普遍进入社会,嵌入式计算机发展的目标是专用电脑,实现“普遍化计算”,因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。正如我国资深嵌入式系统专家—沈绪榜院士的预言, “未来十年将会产生头大小、具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”,将为我们提供无限的创造空间。总之“嵌入式微控制器或者说单片机好像是一个黑洞,会把当今很多技术和成果吸引进来。中国应当注意发展智力密集型产业”。
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。
图5.协议转换流程图
第3章 结论
本文设计了一种现场总线协议转换网关,和这两种协议被广泛使用在工业控制领域的系统。接口将提供一个好的解决方案这两种设备连接。如果使用转换网关在工业现场,可以实现现场总线和CAN总线协议转换。界面开发的低成本,能够适应复杂的工业环境和工业制造商也提供了一些好处。嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装
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