工业通信用网关设计及其关键技术研究

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1、工业通信用网关设计及其关键技术研究夏继强，梁超众，邢春香时间:2010年05月06日关键词:现场总线网关数据映射PROFIBUS-DP摘  要：提出了工业通信用网关系统的一般设计方法，并以PROFIBUS-DP智能网关设计为例对网关设计的关键技术——数据映射关系、实时性、可靠性及故障处理进行了研究。对其他类型的工业网关的设计具有指导意义。关键词：现场总线；网关；实时性；可靠性；数据映射   采用现场总线技术的工业测控系统具有结构简单、易于维护、开放性、分散性和可互操作性等优点。但因为现阶段多种现场总线协议的共存，导致

2、其上述优点不能充分体现出来。针对目前工业测控领域多种现场总线共存的客观事实，探讨如何将两种或多种现场总线系统集成具有重要意义。   在上述情况下，网关无疑是系统集成解决方案很好的选择。结合国家863课题，本文以中国四联集团与北京航空航天大学共同研发PROFIBUS-DP智能网关为例对工业通信网络用网关的设计进行了阐述并对其实现的关键技术进行了详细分析。1网关系统解决方案设计   现场总线用网关一般要担负两种或多种总线之间的协议数据转换的责任，属于系统连接的关键部分。因此系统大多采用图1所示的的结构来实现。   应用本

3、网关所组成的系统总体结构如图2所示。智能网关在系统中无缝连接PROFIBUS-DP(以下简称”DP”)现场总线系统与MODBUS总线系统，实现同一系统内两种总线设备的共存。   本系统中，微控制器为中国四联集团研发的控制器。本智能网关在设计上为其预留了一个用于与控制器通信的接口。底层的I/O模块实现工业现场信号的检测或控制执行设备的运行。2网关结构设计   现阶段的网关设计主要有协议芯片、硬核、软核三种解决方案：   (1)协议芯片解决方案：采用专门芯片来实现相关协议，这种方法开发周期短，实现起来相对简单，比较适合于

4、快速开发，但成本稍高。   (2)硬核解决方案:主要是对ASIC如CPLD、FPGA等进行硬件编程来实现相关协议的IP核。此方案对开发人员的硬件及软件知识要求最高，协议稍复杂，实现难度就很大。但是网关性能可以与采用协议芯片实现方式相媲美。   (3)软核解决方案：用软件实现协议数据链路层协议处理功能,结合相应的外围硬件电路实现协议功能。此方法成本低，但需要开发人员充分了解相关协议及协议运作机制。对于复杂的协议，编程工作量巨大，且可靠性不易保证，受单片机处理速度影响，通常网关的性能不如其他两种方法。   在一般工业控制

5、用网关设计中，都有较短的开发周期及很高的可靠性要求。因此，对于复杂的协议如DP、CAN、FF总线等一般选用协议芯片实现；对于较简单的协议如MODBUS等一般用软核实现。本网关采用了DP协议芯片与MODBUS软核相结合的实现方式。其硬件结构如图3所示。   按照功能划分，网关可以分为电源管理模块、中央管理模块、DP从站模块和RS485通信模块。   本网关设计要求串行口速率能够达到921.6kb/s。基于此要求，硬件平台选用PHILIPS公司的ARM7-TDMI核微处理器。   电源管理模块负责整套系统的电源供给，系统

6、的稳定运行与电源模块的稳定性能关系密切，此处设计的电源模块兼有热插拔和电压转换功能；DP从站模块的核心功能由协议芯片(VPC3+C)实现；中央管理模块除了实现对DP从站模块的配置和管理，还要完成MODBUS协议的实现以及两种协议数据交换协议栈的实现。3网关系统的实现   网关系统在软件设计方面与网关连接总线系统所采用的协议有较大差别，但一般协议在定义时为了实现灵活性好、易于实现和维护等优点都采用分层结构。网关软件设计时也可以采用分层结构，最后在应用层实现协议数据的相互转换。本网关协议栈的实现采用的就是这种分层的思想。

7、　网关协议栈是连接MODBUS输入/输出模块与DP通信的桥梁。协议栈分为DP通信层、协议数据映射层和MODBUS通信层三层。网关协议栈分层结构及各层功能如图4所示。3.1软件总体结构设计   本网关的软件总体流程如图5所示。CPU通过驱动VPC3+C来实现对DP通信过程的控制,包括通信接口检查、正常和发生故障情况下的诊断数据的发送及数据交换等过程；通过MODBUS协议实现对下挂的输入/输出从站模块的查询操作；通过对模块应答帧(或通信超时)进行分析来判断模块的状态以及模块的通道状态，根据模块状态信息填充DP的诊断域的数

8、据，并以此为依据实现对网关通信状态(正常通信、报告故障或警告信息)的控制。3.2PROFIBUS-DP总线驱动   此网关DP通信部分采用协议芯片VPC3+C，其内部含有4KBRAM，用户可根据需要对其进行设置；具有两种微处理器接口：数据/地址总线复用或单独操作。因为ARM核对外部RAM操作的速度较快,时序不能满足VPC3+C的操作时序,因此这