工业有线/无线多协议网络互联及网关设计

王家才　吴旭

【摘 要】本文研究一种DeviceNet、Modbus/TCP以及IEEE8021.15.4a无线网络异构互联的多协议网关，构建具有通用性的协议转换机制，为一些特殊工业领域应用奠定基础。

【关键词】协议转换；网关；DeviceNet；Modbus

0 引言

进入21世纪以来，现场总线技术异军突起。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信，改变过去长时间运用的4-20mA的模拟信号标准，这就为整个工控系统全数字化运行奠定了基础。现场总线的另一优点是控制功能下载，控制功能基本上由智能化的现场仪表来承担：控制功能分散得比较彻底，加上全数字化就有可能组成大型的开放式系统，进而实现从决策层到设备层综合管理和控制。特别是，随着计算机技术、网络技术以及控制理论的发展，工业无线技术作为一种新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有抗干扰能力强、能耗低、通信实时性好等技术特征。如何从有线/无线异构网络的集成架构入手，分析异构网络网段间实时通信在中继和网关中的基本通信机制，构建有线网络与无线网络相互集成的异构网络控制系统已逐渐成为一些特殊工业应用领域的必然发展趋势。

目前工业自动化领域运用的无线技术主要集中在WLAN、BlueTooth以及ZigBee三种上。传统的IEEE802.11无线通信网络是面向办公环境而设计的，其物理层的传输机制，如WLAN的直接序列扩频技术传送速率高，适合于高速大数据吞吐量的网络应用，耗能也高，抗干扰性不好，不适于许多工业控制应用节点的使用，必须在物理层、MAC层以及协议模型方面改进，以提供可靠的实时服务；Bluetooth的调频扩频机制对上述问题改进不明显，且每一cell中的节点数量仅为7个，只能适合于某些特殊的工业应用；而IEEE 802.15.4技术在短距离、小数据量的无线传感网络应用中具有很好的优势和发展前景，但在苛刻的流程工业环境应用中，网络协议需要作一定改进，以降低空间反射、频率干扰等带来的延迟和丢包问题。新一代短距离无线数字传输技术是宽带线性调频扩频，又简称为切普扩频，该调制方法综合了FSK、PSK和ASK三种方法的优点，能十分有效地抑制工业环境中各种噪音和多径干扰。

1 有线/无线多协议转换架构

为了考虑当前有线现场总线/工业以太网为主的现状，又兼顾了与无线网络前沿技术的无缝连接，本文主要研究一种基于IEEE802.15.4a的工业无线网络引入DeviceNet现场总线和MODBUS/TCP工业以太网的多协议网关及协议转换方法，旨在实现一种符合工业实时要求和开放数据通信的有线/无线异构控制网络网关，构建具有通用性的协议转换机制，使得现场带有线或无线网络接口的传感器、变送器和执行器等智能设备能够接入统一的系统协议构架内，为实现企业综合自动化奠定基础。其有线/无线多协议网关组成结构如图1所示。

图1是基于IEEE802.15.4a的工业无线网络接入MODBUS/TCP工业以太网和DeviceNet现场总线的多协议网关，主要包括微处理器、IEEE802.15.4a无线主站、MODBUS/TCP从站、DeviceNet从站、外扩SDRAM存储器和FLASH存储器、RJ45网口、CAN接口电路、USB接口。IEEE802.15.4a无线主站实现IEEE802.15.4a无线协议，由MODBUS/TCP主站实现MODBUS/TCP协议，由DeviceNet从站实现DeviceNet协议，由微处理器实现所述三种网络之间的协议转换。具体转换流程如下：

在无线主站模块正常工作前，需要对无线协议芯片进行初始化，包括初始化微处理器的SPI 接口，然后复位无线协议芯片。发送大小端同步字，同时使能芯片内部时钟，配置寄存器的访问方式，设定数据的重发机制，使能接收/发送中断等。最后启动无线芯片，使主站开始正常运行；在MODBUS/TCP以太网从站模块正常工作前，需要对其进行初始化，包括初始化微处理器的EMAC 接口，然后复位以太网物理接口芯片，配置模式控制寄存器，使能EMAC的接收/发送中断，使MODBUS/TCP主站模块正常工作；而DeviceNet从站接口在上电之后还处于离线状态，不能接收任何报文，为了实现DeviceNet波特率快速识别、优化中继报文收发机制等正常运行，在CPU单元中固化波特率自动检测流程图、信息发送流程图、信息接收流程图、中断响应流程图，以组成中继报文收发机制。无线主站轮询与协议转换步骤为：1）无线主站收到报文，判断报文目标地址是否在同一网络中，若是，直接下发报文进行操作；若否，无线主站则轮询无线网络子节点，更新数据副本区；2）无线主站轮询MODBUS/TCP主站，若MODBUS/TCP主站未收到报文，轮询MODBUS/TCP子节点，更新数据副本区，转到步骤5）继续；若MODBUS/TCP主站收到报文，获取网络源地址与目标地址，等待地址转换；3）读微处理器中地址转换映射区内的结构体数组，根据数组内容进行对应的转换；4）地址转换完成后，无线主站判断报文性质：①若是普通报文：对MODBUS/TCP主站的输入/输出数据副本区进行操作，返回报文响应。在下一个轮询周期内，MODBUS/TCP主站输入区内数据将被写入子节点，MODBUS/TCP主站输出区内数据将被更新；②若是紧急报文：MODBUS/TCP主站直接对子节点进行相应操作，返回报文响应；5）MODBUS/TCP主站轮询DeviceNet从站，若DeviceNet从站未收到报文，不进行任何操作；若DeviceNet从站收到报文，根据报文内容对双口RAM进行相应操作，双口RAM中的数据将根据DeviceNet主站对从站的轮询时间进行随时更新；6）无线主站轮询结束。

2 协议转换装置主要硬件设计

设计中系统采用的核心处理器是AT91RM9200微处理器，它支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和CompactFlash、SmartMedia以及 MAND Flash的无缝连接，集成有以太网控制器ENC28J60，该芯片的工作电压有两种：1.65V-1.95V与1.65V-3.6V，分别由LM1086-3.3V与LM1117-1.8V电源芯片提供。

2.1 电源系统设计

电源系统是整个装置的关键点，关乎整个系统稳定运行的基本保证。考虑设计应用的工业现场环境以及系统的功耗，采用24V、3A的稳压直流源，采用LM2576-5V的电源芯片，其电压输出为5V，最大输出为3A，效率是75%-80%。2.2 无线接口功能设计

微处理器通过SPI总线与无线协议模块连接，形成一个无线主站模块，实现无线网络与无线子节点的互联。无线协议模块NanoPAN5360通过SPI串行外部总线与通用I/O模块地板相连接，构成了完成的无线网络节点装置。无线协议模块可以采用以无线协议芯片为基础的开发模块，以缩短节点的开发周期并同时保证节点通信的可靠性。

2.3 以太网的功能设计

EMAC是OSI参考模型MAC子层的物理实现，介于物理层与逻辑链路层之间，以IEEE802.3u数据帧格式控制着主机与PHY之间的数据交换。EMAC为逻辑，传输和接受的DMA控制提供了FIFO缓冲区，此外，还为物理层管理提供了MDIO/MDC接口。以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两大部分构成。在设计中，使用的DM9161作为以太网的物理层接口。如图4所示。

2.4 SPC3的RS485接口电路

DP从站采用RS485串行通信方式，分别连接SPC3的4个引脚：XCTS、RTS、TXD和RXD，数据传输在RS485工作模式下完成。为提高系统的抗干扰性，接口部分要在电气上隔离。从站电路中隔离电源采用DCP010505。RS485总线驱动一侧与总线连接，另一侧通过光耦合器与SPC3连接，设计采用的光耦合为HCPL0601系列。同时总线驱动芯片选用了高速总线收发器SN75176B。具体电路见图5所示。

3 总结

本文主要工作是使有线无线异构网络实现互联，通过分析DeviceNet现场总线和MODBUS/TCP和IEEE8021.15.4a无线网络协议标准，提出了一种多协议转换模型与方法，实现了DeviceNet、Modbus/TCP工业以太网和IEEE8021.15.4a无线网络之间的互联。该系统中存在两个主站，既可以同时作为主站独立并行工作，两主站之间能够对等地访问对方的从节点，同时又可以配置为主从关系。

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[责任编辑：汤静]