工業有線/無線多協議網絡互聯及網關設計

王家才　吳旭

【摘 要】本文研究一種DeviceNet、Modbus/TCP以及IEEE8021.15.4a無線網絡異構互聯的多協議網關，構建具有通用性的協議轉換機制，為一些特殊工業領域應用奠定基礎。

【關鍵詞】協議轉換；網關；DeviceNet；Modbus

0 引言

進入21世紀以來，現場總線技術異軍突起。現場總線使得現場儀表之間、現場儀表和控制室設備之間構成網絡互連系統，實現全數字化、雙向、多變量數字通信，改變過去長時間運用的4-20mA的模擬信號標準，這就為整個工控系統全數字化運行奠定了基礎。現場總線的另一優點是控制功能下載，控制功能基本上由智能化的現場儀表來承擔：控制功能分散得比較徹底，加上全數字化就有可能組成大型的開放式系統，進而實現從決策層到設備層綜合管理和控制。特別是，隨著計算機技術、網絡技術以及控制理論的發展，工業無線技術作為一種新興的面向設備間信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境使用，具有抗干擾能力強、能耗低、通信實時性好等技術特征。如何從有線/無線異構網絡的集成架構入手，分析異構網絡網段間實時通信在中繼和網關中的基本通信機制，構建有線網絡與無線網絡相互集成的異構網絡控制系統已逐漸成為一些特殊工業應用領域的必然發展趨勢。

目前工業自動化領域運用的無線技術主要集中在WLAN、BlueTooth以及ZigBee三種上。傳統的IEEE802.11無線通信網絡是面向辦公環境而設計的，其物理層的傳輸機制，如WLAN的直接序列擴頻技術傳送速率高，適合于高速大數據吞吐量的網絡應用，耗能也高，抗干擾性不好，不適于許多工業控制應用節點的使用，必須在物理層、MAC層以及協議模型方面改進，以提供可靠的實時服務；Bluetooth的調頻擴頻機制對上述問題改進不明顯，且每一cell中的節點數量僅為7個，只能適合于某些特殊的工業應用；而IEEE 802.15.4技術在短距離、小數據量的無線傳感網絡應用中具有很好的優勢和發展前景，但在苛刻的流程工業環境應用中，網絡協議需要作一定改進，以降低空間反射、頻率干擾等帶來的延遲和丟包問題。新一代短距離無線數字傳輸技術是寬帶線性調頻擴頻，又簡稱為切普擴頻，該調制方法綜合了FSK、PSK和ASK三種方法的優點，能十分有效地抑制工業環境中各種噪音和多徑干擾。

1 有線/無線多協議轉換架構

為了考慮當前有線現場總線/工業以太網為主的現狀，又兼顧了與無線網絡前沿技術的無縫連接，本文主要研究一種基于IEEE802.15.4a的工業無線網絡引入DeviceNet現場總線和MODBUS/TCP工業以太網的多協議網關及協議轉換方法，旨在實現一種符合工業實時要求和開放數據通信的有線/無線異構控制網絡網關，構建具有通用性的協議轉換機制，使得現場帶有線或無線網絡接口的傳感器、變送器和執行器等智能設備能夠接入統一的系統協議構架內，為實現企業綜合自動化奠定基礎。其有線/無線多協議網關組成結構如圖1所示。

圖1是基于IEEE802.15.4a的工業無線網絡接入MODBUS/TCP工業以太網和DeviceNet現場總線的多協議網關，主要包括微處理器、IEEE802.15.4a無線主站、MODBUS/TCP從站、DeviceNet從站、外擴SDRAM存儲器和FLASH存儲器、RJ45網口、CAN接口電路、USB接口。IEEE802.15.4a無線主站實現IEEE802.15.4a無線協議，由MODBUS/TCP主站實現MODBUS/TCP協議，由DeviceNet從站實現DeviceNet協議，由微處理器實現所述三種網絡之間的協議轉換。具體轉換流程如下：

在無線主站模塊正常工作前，需要對無線協議芯片進行初始化，包括初始化微處理器的SPI 接口，然后復位無線協議芯片。發送大小端同步字，同時使能芯片內部時鐘，配置寄存器的訪問方式，設定數據的重發機制，使能接收/發送中斷等。最后啟動無線芯片，使主站開始正常運行；在MODBUS/TCP以太網從站模塊正常工作前，需要對其進行初始化，包括初始化微處理器的EMAC 接口，然后復位以太網物理接口芯片，配置模式控制寄存器，使能EMAC的接收/發送中斷，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，不能接收任何報文，為了實現DeviceNet波特率快速識別、優化中繼報文收發機制等正常運行，在CPU單元中固化波特率自動檢測流程圖、信息發送流程圖、信息接收流程圖、中斷響應流程圖，以組成中繼報文收發機制。無線主站輪詢與協議轉換步驟為：1）無線主站收到報文，判斷報文目標地址是否在同一網絡中，若是，直接下發報文進行操作；若否，無線主站則輪詢無線網絡子節點，更新數據副本區；2）無線主站輪詢MODBUS/TCP主站，若MODBUS/TCP主站未收到報文，輪詢MODBUS/TCP子節點，更新數據副本區，轉到步驟5）繼續；若MODBUS/TCP主站收到報文，獲取網絡源地址與目標地址，等待地址轉換；3）讀微處理器中地址轉換映射區內的結構體數組，根據數組內容進行對應的轉換；4）地址轉換完成后，無線主站判斷報文性質：①若是普通報文：對MODBUS/TCP主站的輸入/輸出數據副本區進行操作，返回報文響應。在下一個輪詢周期內，MODBUS/TCP主站輸入區內數據將被寫入子節點，MODBUS/TCP主站輸出區內數據將被更新；②若是緊急報文：MODBUS/TCP主站直接對子節點進行相應操作，返回報文響應；5）MODBUS/TCP主站輪詢DeviceNet從站，若DeviceNet從站未收到報文，不進行任何操作；若DeviceNet從站收到報文，根據報文內容對雙口RAM進行相應操作，雙口RAM中的數據將根據DeviceNet主站對從站的輪詢時間進行隨時更新；6）無線主站輪詢結束。

2 協議轉換裝置主要硬件設計

設計中系統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的無縫連接，集成有以太網控制器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 電源系統設計

電源系統是整個裝置的關鍵點，關乎整個系統穩定運行的基本保證。考慮設計應用的工業現場環境以及系統的功耗，采用24V、3A的穩壓直流源，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 無線接口功能設計

微處理器通過SPI總線與無線協議模塊連接，形成一個無線主站模塊，實現無線網絡與無線子節點的互聯。無線協議模塊NanoPAN5360通過SPI串行外部總線與通用I/O模塊地板相連接，構成了完成的無線網絡節點裝置。無線協議模塊可以采用以無線協議芯片為基礎的開發模塊，以縮短節點的開發周期并同時保證節點通信的可靠性。

2.3 以太網的功能設計

EMAC是OSI參考模型MAC子層的物理實現，介于物理層與邏輯鏈路層之間，以IEEE802.3u數據幀格式控制著主機與PHY之間的數據交換。EMAC為邏輯，傳輸和接受的DMA控制提供了FIFO緩沖區，此外，還為物理層管理提供了MDIO/MDC接口。以太網接口電路主要由MAC控制器和物理層接口兩大部分構成。在設計中，使用的DM9161作為以太網的物理層接口。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個引腳：XCTS、RTS、TXD和RXD，數據傳輸在RS485工作模式下完成。為提高系統的抗干擾性，接口部分要在電氣上隔離。從站電路中隔離電源采用DCP010505。RS485總線驅動一側與總線連接，另一側通過光耦合器與SPC3連接，設計采用的光耦合為HCPL0601系列。同時總線驅動芯片選用了高速總線收發器SN75176B。具體電路見圖5所示。

3 總結

本文主要工作是使有線無線異構網絡實現互聯，通過分析DeviceNet現場總線和MODBUS/TCP和IEEE8021.15.4a無線網絡協議標準，提出了一種多協議轉換模型與方法，實現了DeviceNet、Modbus/TCP工業以太網和IEEE8021.15.4a無線網絡之間的互聯。該系統中存在兩個主站，既可以同時作為主站獨立并行工作，兩主站之間能夠對等地訪問對方的從節點，同時又可以配置為主從關系。

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[責任編輯：湯靜]