專利名稱：Profibus與Modbus的協議轉換模塊和智能斷路器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于智能斷路器技術領域,具體涉及一種Profibus與Modbus的協議轉換模塊和智能斷路器。
背景技術：
PR0FIBUS是過程現場總線的縮寫，于1989年正式成為現場總線的國際標準。目前在多種自動化的領域中占據主導地位，它由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)> PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS (Fie ldbus Message Specification)。其中 PROFIBUS-DP 應用于現場級，它是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O之間的通訊；PROFIBUS-PA適用于過程自動化，可使傳感器和執行器接在一根共用的總線上，可應用于本征安全領域；PROFIBUS-FMS用于車間級監控網絡，它是令牌結構的實時多主網絡，用來完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動裝置進行數據交換。相比于Profibus，Modbus總線本身存在的許多局限性，主要體現在效率低、系統的實時性差、通信的可靠性低、后期維護成本高、網絡工程調試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節點少、應用不靈活等。但是在工業現場總線的應用中，Modbus協議使用的RS485在硬件成本以及開發難度上略有優勢，在國內仍有廣泛應用，所以在現階段完全放棄Modbus總線是不現實的。因而在實際應用中迫切需要一種Modbus協議向Profibus協議轉換的過渡產品。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種使用戶可以通過Profibus總線對Modbus設備進行實時監測和控制的協議轉換模塊。本實用新型的另一個目的是提供使用戶可以通過Profibus總線對其進行實時監測和控制的智能斷路器。實現本實用新型第一個目的的技術方案是:一種Profibus與Modbus的協議轉換模塊，包括MCU中央處理單元，與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元和PR0FIUBS接口芯片，以及依次與PR0FIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接口。上述方案中，所述PR0FIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。上述方案中，還包括兩路隔離的+5V直流電源，其中一路供給MCU中央處理單元和隔離型RS485收發芯片，另一路供給Profibus總線收發模塊。上述方案中，所示指示單元包括液晶顯示屏和調試按鈕。實現本實用新型第二個目的的技術方案是:一種具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器，包括塑殼斷路器本體、遠程動作執行機構和Profibus與Modbus的協議轉換模塊；塑殼斷路器本體包括底座和上蓋；所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊包括MCU中央處理單元，與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元和PR0FIUBS接口芯片，以及依次與PR0FIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接口。上述方案中，所述PR0FIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。上述方案中，還包括兩路隔離的+5V直流電源，其中一路供給MCU中央處理單元和隔離型RS485收發芯片，另一路供給Profibus總線收發模塊。上述方案中，所示指示單元包括液晶顯示屏和調試按鈕；所述塑殼斷路器本體的上蓋包括面板和側壁，該面板和側壁上設有一個缺口，所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊位于該缺口中。上述方案中，所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊位于上蓋內側的一側端設有Modbus通信接口，所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊的另一側端露出上蓋，且該側端設有Profibus通信接口。本實用新型中協議轉換模塊的結構較為合理簡化，占用空間較小，且性能較為穩定可靠。本實用新型中的智能斷路器由于設置有Profibus與Modbus的協議轉換模塊,使得使用者可以通過Profibus總線對其進行實時監測和控制，既能夠拓展其適用范圍，還能夠有效降低硬件成本和開發難度。
圖1是本實用新型中協議轉換模塊的一種電路結構框圖；圖2是圖1所示協議轉換模塊的一種電路原理圖；圖3是圖1所不協議轉換|旲塊的另一種電路原理圖；圖4是圖1所示協議轉換模塊的主程序流程圖；圖5是圖1所示協議轉換模塊的初始化程序流程圖；圖6是圖1所示協議轉化模塊的輸入數據中斷服務程序流程圖；圖7是圖1所示協議轉化模塊的SPC3中斷服務程序流程圖；圖8是本實用新型中智能斷路器第一種結構的一種立體結構示意圖；圖9是圖8所示智能斷路器中協議轉化模塊的一種立體結構示意圖；圖10是圖9所示協議轉化模塊從另一角度觀察時的一種立體結構示意圖；圖11是本實用新型中智能斷路器第二種結構的一種立體結構示意圖；圖12是圖11所示智能斷路器中協議轉化模塊的一種立體結構示意圖；圖13是圖12所示協議轉化模塊從另一角度觀察時的一種立體結構示意圖。
具體實施方式
(實施例1、協議轉換模塊)圖1至圖7顯示了本實用新型中協議轉換模塊的一種具體實施方式
，其中圖1是本實用新型中協議轉換模塊的一種電路結構框圖，圖2是圖1所示協議轉換模塊的一種電路原理圖，圖3是圖1所示協議轉換模塊的另一種電路原理圖；圖4是圖1所示協議轉換模塊的主程序流程圖；圖5是圖1所示協議轉換模塊的初始化程序流程圖；圖6是圖1所示協議轉化模塊的輸入數據中斷服務程序流程圖；圖7是圖1所示協議轉化模塊的SPC3中斷服務程序流程圖。本實施例是一種Profibus與Modbus的協議轉換模塊，包括MCU中央處理單元，與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元、PR0FIUBS接口芯片，依次與PR0FIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接口、以及兩路隔離的+5V直流電源，其中一路供給MCU中央處理單元和隔離型RS485收發芯片，另一路供給Profibus總線收發模塊。傳統上，轉換模塊在現場應用中一般采用現場總線的24V電源來供電，這個電源是不穩定電源，而且存在諸多干擾，所以本實施例不將其直接接入轉換模塊，而是經過穩壓及隔離后再接入。本實施例中，MCU中央處理單元中的MCU微處理器，采用具有ISP功能的W77系列芯片。W77E516芯片功能強大，64KB，具有ISP功能的Flash EPROM區，4KB的輔助FlashEPROM區，3個16位定時/計數器、可編程看門狗定時器。W77E516的ISP功能，方便開發人員對焊接好的電路板進行調試程序。由于PROFIBUS的通信協議比較復雜，為了降低開發難度，本實施例使用專用的通信處理芯片SPC3，來將復雜的協議完全撇開，這種設計相比傳統的MCU再加上純軟件的設計方法而言，大大的使設計簡化，同時也使PROFIBUS協議的實現更加簡單、方便、省時、省力，增加了系統的可靠性。SPC3集成了完整的PROFIBUS DP協議，同時支持Intel80C31，80X86，Siemens80cl66/165/167, Motorola HC11-, HC16-, HC916 等類型的微處理器，RS485傳輸技術，其內部集成的1.5K雙口 RAM，進行DP通訊時，其會自動設定全部DP-SAP，SPC3具有公共的中斷輸出，任何時候都可在狀態寄存器掃描MAC狀態；看門狗定時器運行于3個不同狀態:波特率搜索、波特率控制和DP控制；SPC3自動識別波特率，從9.6K到最大傳輸速率12Mbit/s ;微順序(MS)控制全過程[56_59];在UART控制下，將并行數據流轉換為串行數據流，或相反。空閑(idle)定時器直接控制在串行總線上的總線等待時間。選擇該芯片不僅使設計簡單化，分擔了 MCU的大量工作，同時大大降低了開發難度，節省開發時間，保證了系統的穩定性。由于在工業現場中Profibus端的傳輸速率遠高于Modbus端的速率、且傳輸的數據量較大，因此需要擴展一個RAM做成SRAM存儲單元。由于Profibus總線包含有很好的校驗機制，所以適配器主動對Modbus上行數據做CRC校驗后去掉CRC校驗字段,把剩下的數據向Profibus總線轉換。同理,從Profibus總線接收到的下行數據中，SPC3會對Profibus數據硬件校驗后去掉校驗字段，為了使轉換出的下行Modbus數據能與下位機正常通信，我們對數據進行CRC校驗后加上校驗字段，以符合Modbus協議標準巾貞的要求。為了使用戶可視的看到數據的通信，設計兩個指示燈作為本實施例的指示單元，一個指示從Profibus到Modbus的下行數據通信；另一個指示從Modbus到Profibus的上行通信。下面對本實施例的具體方案做進一步的解釋說明。見圖2和圖3所示，本實施例包括MCU，光電隔離、撥碼開關以及DC\DC模塊等RS485總線驅動芯片選用的是6LB184，該芯片帶有瞬態電流抑制功能。6LB184于半雙工模式，內部包含一個發送器和一個接收器，在工作時需要通過使能端來控制“收”和“發”，將其使能端RE與DE相連，然后再接到華邦單片機的P4.3引腳上，在軟件中通過對P4.3的置位和復位來控制6LB184來進行數據的收和發。Profibus總線驅動模塊采用ADI公司的磁隔離技術的隔離型RS485收發芯片AMD2486，其內部集成了三通道的數字隔離器、帶三態輸出的差分驅動器和一個帶三態輸入的RS485差分接收器，同時其具有限流和過熱關斷特性，并防止出現由于總線爭用而引起的功耗過大的情況，集成的熱關斷電路可將驅動器輸出置為高阻狀態，防止過度的功率損耗。無需任何分立元件就可實現RS485通訊功能te°’61]。AMD2486的引腳TxD，RxD以及RTS分別接到SPC3的TxD，RxD及RTS引腳上。硬件設計中還包含了 DC\DC電源部分的設計，轉換器在現場應用中一般采用現場總線的電源24V來供電，這個電源是不穩定電源，而且存在諸多干擾，所以不能直接接入轉換器，必須經過穩壓及隔離。在轉換器中，需要2路隔離的+5V的直流電源，分別為MCU及RS485收發模塊所需的第一路+5V的VCC1，Profibus總線收發模塊所需的第二路+5V的VCC2。從而考慮選用I個24V轉兩路隔離+5V的電源模塊和一個單獨輸出+5V的直流電源模塊[62]。因此，本轉換器選用了金升陽公司的WRD240505S-1W和IB0505LD-W75的電源模塊，在VCCl及VCC2兩端接入含有典型值的鉭電容的濾波穩壓電路。為了降低開發難度，本設計選擇了西門子公司的SPC3芯片，該芯片集成了完整的Profibus-dp協議，其對于MCU而言，就是MCU擴展的一個外部RAM，而且，SPC3有內部地址解碼電路，所以，AB8-AB10接地。此時DB7-DB0是數據地址復用總線與MCU的P0.0-P0.7相連，可以產生低8位的數據和地址，高4位地址由AB0-AB3產生，AB4-AB7產生SPC3的片選信號，只有AB4-AB7同時為O時才選中SPC3 (AB0-AB7與MCU的P2.0-P2.7相連，其中P2.4取反后與AB4相連)。由于在工業現場中Profibus端的傳輸速率遠高于Modbus端的速率、且傳輸的數據量較大，因此需要擴展一個RAM。本設計選用ISSI的IS65C256AL，其是32K、8位靜態RAM，同時還需要一個移位鎖存器。為了方便用戶對轉換器進行地址設置，需要一個撥碼開關，對應需要一個移位寄存器，本設計選擇的移位寄存器為MC74HC165A。由于SPC3集成了完整的DP協議，所以在與主站通信時，W77E516不用參與處理DP狀態機。它主要負責存儲和處理主站送來的數據，以及組織從站送往主站的數據[63_67]。SPC3實質上是主站與從站間的通訊站，即就是將主站發來的數據包解開發送給從站，并將從站送來的數據打包發送給主站。(其中輸入、輸出是相對PROFIBUS主站而言的)。系統的軟件設計主要包括:W77E516單片機的主程序設計、SPC3的初始化程序設計、輸入數據中斷服務程序、SPC3中斷服務程序。數據輸出處理及用戶診斷數據輸入可以放在主應用程序的循環中。而SPC3在接收到由PROFIBUS主站傳送的不同輸出數據時，會產生輸出標志位，CPU通過在應用循環中輪詢標志位來進行接收主站數據。對于特定應用的診斷信息，需要實時傳遞到主站[61_64]。主應用程序在應用循環中判斷是否有可用的診斷BUF存在，一有空閑BUF時應用程序輸入診斷信息，并請求更新。主程序流程圖如圖4所示。其中，將主站輸出的數據轉換為modbus協議數據時，主要是為主站輸出數據添加CRC校驗字段，然后啟動RS485發送使能，即置位DE管腳(單片機P4.3管腳)，將數據發送給用戶產品。[0049]SPC3的初始化程序應放在應用程序主循環的前面，SPC3初始化包括設置SPC3允許的中斷、寫入從站識別號和地址、設置SPC3方式寄存器、設置診斷緩沖區、參數緩沖區、配置緩沖區、地址緩沖區和初始長度，并根據以上初始值求出各個緩沖區的指針及輔助緩沖區的指針[65’66]。然后根據傳輸的數據長度確定輸出緩沖區、輸入緩沖區及指針。SPC3的初始化程序如圖5所示。數據輸入處理放在輸入數據中斷服務程序中，利用單片機的串口通信中斷，將從站送來的數據重新轉換為PROFIBUS協議發送給主站。在一個應用循環中，由應用來刷新輸入BUF中的數據，保證所有輸入數據是最新的更新數據_。其程序流程圖如圖6所示。SPC3中斷服務程序則用于處理SPC3發生的各種事件:新的參數報文事件；全局控制命令報文事件；進入或退出數據交換狀態事件；新的配置報文事件；新的地址設置報文事件；監測到波特率事件和看門狗溢出事件[68’69]。其程序流程圖如圖7所示。(實施例2、協議轉換模塊)本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于:所示指示單元還包括液晶顯示屏和調試按鈕。(實施例3、智能斷路器)圖8至圖10顯示了本實用新型中智能斷路器的一種具體實施方式
，其中圖8是本實用新型中智能斷路器第一種結構的一種立體結構示意圖，圖9是圖8所示智能斷路器中協議轉化模塊的一種立體結構示意圖；圖10是圖9所示協議轉化模塊從另一角度觀察時的一種立體結構示意圖。本實施例是采用上述實施例2制成的一種智能塑殼斷路器，見圖8至圖10，包括塑殼斷路器本體1、遠程動作執行機構(位于上蓋之內，圖上未畫出)和實施例1所述的協議轉換模塊2 ;塑殼斷路器本體包括底座11和上蓋12。協議轉換模塊2包括液晶顯示屏21、調試按鈕22和兩個指示燈23 (電源接口和撥碼開關的結構位置設計屬于本領域人員的公知常識，故圖上未畫出)；所述塑殼斷路器本體的上蓋包括面板121和側壁122，該面板和側壁上設有一個缺口 123，所述協議轉換模塊位于該缺口中。所述側壁在缺口兩側設有兩個導向滑塊13，所述協議轉換模塊的殼體的兩側各設有一個導向滑槽24，所述協議轉換模塊從側壁的外側從外向內插入所述缺口中，所述導向滑塊13位于導向滑槽24中。在具體實踐中，所述導向滑塊13和導向滑槽24的形狀和具體位置可以變換，但都屬于本實用新型的保護范圍之內。本實施例中的液晶顯示屏不僅可以用于顯示工作狀態，還可以通過調試按鈕對其進行數據預設、調整和查看，有效拓寬其應用范圍。所述協議轉換模塊位于上蓋內側的一側端設有Modbus通信接口 26，所述協議轉換模塊的另一側端露出上蓋的側壁，并與側壁相平，且該側端設有Profibus通信接口 27。本實施例中，所述上蓋內固定設有一個Modbus通信插接端子，當所述協議轉換模塊在導向滑塊的限位作用下插入缺口時，其內側的Modbus通信接口插入該Modbus通信插接端子中。本實施例中的協議轉換模塊上還設有定位插銷25，各定位插銷可伸縮的設置在協議轉換模塊殼體上，所述上蓋內或側壁上設有與各定位插銷相配合的定位孔，當各定位插銷縮進時，其底部插入相應的定位孔中，從而把協議轉換模塊定位在缺口中。再按一次各定位插銷后，定位插銷則從定位孔中彈出，從而可以拆卸該協議轉換模塊。[0061](實施例4、智能斷路器)圖11至圖13顯示了本實用新型中智能斷路器的另一種具體實施方式
，其中圖11是本實用新型中智能斷路器第二種結構的一種立體結構示意圖，圖12是圖11所示智能斷路器中協議轉化模塊的一種立體結構示意圖；圖13是圖12所示協議轉化模塊從另一角度觀察時的一種立體結構示意圖。本實施例與實施例3基本相同，不同之處在于:見圖11至圖13，所述協議換轉模塊的外側端伸出上蓋側壁，且伸出上蓋側壁部分殼體的各側端均設有Profibus通信接口 27，這是因為，如果像實施例3那樣，把外接Profibus通信插接端子沿著與上蓋側壁垂直的方向插入，那么相鄰的電器必須為此讓出空間；本實施例的這種結構可以使得外接Profibus通信插接端子可以沿著與上蓋側壁平行的方向插入Profibus通信接口 27，從而減小整體占用空間。另外，本實施例中的定位插銷25也隨之調整了位置。顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本實用新型的實質精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種Profibus與Modbus的協議轉換模塊,其特征在于:包括MCU中央處理單元,與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元和PR0FIUBS接口芯片，以及依次與PR0FIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接口。
2.根據權利要求1所述的Profibus與Modbus的協議轉換模塊,其特征在于:所述PR0FIUBS 接 口 芯片是 PROFIUBS-DP 接 口 芯片。
3.根據權利要求1所述的Profibus與Modbus的協議轉換模塊,其特征在于:還包括兩路隔離的+5V直流電源，其中一路供給MCU中央處理單元和隔離型RS485收發芯片，另一路供給Profibus總線收發模塊。
4.根據權利要求1所述的Profibus與Modbus的協議轉換模塊,其特征在于:所示指示單元包括液晶顯示屏和調試按鈕。
5.一種具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器,其特征在于:包括塑殼斷路器本體、遠程動作執行機構和Profibus與Modbus的協議轉換模塊；塑殼斷路器本體包括底座和上蓋；所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊包括MCU中央處理單元，與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元和PR0FIUBS接口芯片，以及依次與PR0FIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接□。
6.根據權利要求5所述的具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器,其特征在于:所述PR0FIUBS接口芯片是PROFIUBS-DP接口芯片。
7.根據權利要求5所述的具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器，其特征在于:還包括兩路隔離的+5V直流電源，其中一路供給MCU中央處理單元和隔離型RS485收發芯片，另一路供給Profibus總線收發模塊。
8.根據權利要求5所述的具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器,其特征在于:所示指示單元包括液晶顯示屏和調試按鈕；所述塑殼斷路器本體的上蓋包括面板和側壁，該面板和側壁上設有一個缺口，所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊位于該缺口中。
9.根據權利要求8所述的具有Profibus與Modbus的協議轉換模塊的智能斷路器,其特征在于:所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊位于上蓋內側的一側端設有Modbus通信接口，所述Profibus與Modbus的協議轉換模塊的另一側端露出上蓋，且該側端設有Prof ibus 通信接 口。
專利摘要本實用新型公開了一種Profibus與Modbus的協議轉換模塊和智能斷路器，該協議轉換模塊包括MCU中央處理單元，與MCU中央處理單元相連的SRAM存儲單元、撥碼開關、Modbus通信接口、指示單元和PROFIUBS接口芯片，以及依次與PROFIUBS接口芯片相連的隔離型RS485收發芯片和Profibus通信接口。該斷路器包括塑殼斷路器本體、遠程動作執行機構和上述協議轉換模塊。本實用新型使用戶可以通過Profibus總線對Modbus設備進行實時監測和控制。
文檔編號G05B19/042GK203164640SQ20122074606
公開日2013年8月28日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者葉海武, 包志舟, 佘定輝, 黃章武, 陳凱 申請人:人民電器集團有限公司