專利名稱：嵌入式現場總線網關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡連接設備，特別是用于連接不同協議的異種網絡的網關，它能識別多種協議，并可將一種協議的數據包轉換為另一種協議的數據包。
現場總線(FieldBus)是工廠底層設備之間的通信網絡，是計算機數字通信技術在自動化領域的應用，為車間底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信技術平臺。現場總線技術實現了全廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數據存取。面對自動化行業千變萬化的現場儀表設備，要實現不同廠家不同種類產品的互連，現場總線技術標準化工作至關重要。為此，國際IEC委員會于1984年提出制定現場總線技術標準IEC1158(即IEC61158)。CAN與DeviceNet是應用較為廣泛的兩種現場總線。CAN/DeviceNet協議是國際標準支持的8種現場總線之一，得到歐美公司廣泛支持。DeviceNet現場總線已于2002年10月8日被批準為國家標準。(注DeviceNet中國國家標準的編號為GB/T 18858.2-2002)為了實現企業網絡信息管理的整體性，實現從工業現場、車間到企業信息平臺、電子商務平臺的信息無縫連接以及對現場設備的遠程監控，必須將基于工業現場的網絡信息轉換為支持TCP/IP協議的網絡信息，利用現場總線網關則可實現不同子網的互聯互通。國外開發的類似設備主要基于PC機的轉換平臺，它功耗大、可靠性差、性能價格比低、實時性差、占用空間大，效率低，而且該類產品都是由支持某一特定總線標準的廠商推出，很少涉及解決不同現場總線的信息共享問題。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是它包括現場子網接口，廣域網絡接口，其特征在于它還包括CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡；所述現場子網接口為接收、發送CAN/DeviceNet數據的CAN/DeviceNet現場子網接口；所述廣域網絡接口為接收、發送TCP/IP數據的廣域網絡接口所述CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡為將CAN/DeviceNet數據轉換成TCP/IP數據或將TCP/IP數據轉換成CAN/DeviceNet數據的處理卡。
該網關有以下兩種工作方式CAN/DeviceNet現場子網接口將接收的CAN/DeviceNet數據包傳輸到CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理單元經協議轉換、封裝等處理后成為TCP/IP數據并通過廣域網接口轉發至Internet/Intranet網絡；廣域網絡接口將接收的TCP/IP數據傳輸到CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理單元經協議轉換、封裝等處理后成為CAN/DeviceNet數據并通過CAN/DeviceNet現場子網接口轉發至CAN/DeviceNet現場總線。
本發明具有如下優點實現嵌入式的CAN/DeviceNet現場總線與TCP/IP協議轉換，它運用廣泛，功耗低、可靠性高；功能強大、性能價格比高；實時性強，支持多任務；占用空間小，效率高；面向特定應用，可根據需要靈活定制。
如圖2、3所示，現場子網接口電路采用82C250芯片，現場子網接口隔離電路采用6N 137芯片，CAN協議芯片采用SJA1000芯片，微處理器采用AT8051芯片、數據存儲器采用6264芯片，程序存儲器采用2764芯片，TCP/IP協議芯片采用8029芯片，廣域網絡接口隔離電路采用高頻隔離變壓器，廣域網接口電路采用8209芯片。CAN/DeviceNet網絡選擇開關采用跳線方式。
工作流程如下現場總線為CAN現場總線時，CAN/DeviceNet網絡選擇開關選擇CAN網絡對應跳線，當現場總線有通訊請求時，微處理器向CAN協議芯片發出控制信號，CAN協議芯片將隔離電路輸入的TCP/IP協議數據進行CAN2.0A/B標準封裝，并將封裝后的數據經隔離電路、現場子網接口電路傳輸至現場子網；現場總線為DviceNet現場總線時，CAN/DeviceNet網絡選擇開關選擇DeviceNet網絡對應跳線，當現場總線有通訊請求時，微處理器將隔離電路輸入的TCP/IP協議數據進行GB/T18858.2-2002標準封裝，并將封裝后的數據經隔離電路、現場子網接口電路傳輸至現場子網；廣域網絡有通訊請求時，微處理器向TCP/IP協議芯片發出控制信號，TCP/IP協議芯片將隔離電路輸入的CAN/DeviceNet協議數據進行IEEE802.3標準封裝，并將封裝后的數據經隔離電路、廣域網絡接口電路傳輸至廣域網絡。
在本發明實施例嵌入式系統中實現現場總線與TCP/IP協議轉換的關鍵技術主要考慮解決在嵌入式系統中需要實現的TCP/IP協議子集以及該協議與下層協議的接口匹配和數據鏈接。其分層模型及協議如圖4，其實現的功能結構如圖5。
在該網關的設計中考慮未來與不同總線子網的匹配與連接以解決不同現場總線信息共享的關鍵技術并在該設計中加以實現；為了實現不同現場總線子網的信息集成，每個類型的子網擁有一個獨立的網關，其上運行一個Subagent(SA)，各個SA通過局域網與統一平臺的Manager Server連接，在Manager Server上運行一個Master Agent(MA)，它通過與SA的信息交換得到各子網的信息，并將它們轉換成基于廣域網的共享信息模式。
(1)信息結構設計信息結構總體上也分為兩層，在MANAGER中采用MIB技術，核心數據庫系統采用通用關系型數據庫系統，信息交換采用基于網絡的SQL通用查詢語言。由于各現場總線普遍采用DDE或OPC技術進行信息集成，因此核心數據庫既要參考上述信息結構，又要考慮適合監控系統的操作，同時還要適合轉換成網絡瀏覽的信息庫結構，基本配置如圖6。
(2)通信結構設計考慮到網絡結構通用性，局域網主干部分采用以太網結構，通信協議采用當前廣泛使用的標準簡單網絡管理協議SNMP(Simple Network Management Protocol)作為現場總線統一平臺的開發標準。SNMP是一種廣為執行的網絡協議，它使用嵌入到網絡設施中的代理軟件(agent)來收集網絡的通信信息和有關網絡設備的統計數據。代理軟件不斷地收集、統計數據，并把這些數據記錄到一個管理信息庫(MIB)中。管理站通過向代理的MIB發出查詢信號可以得到這些數據。
網絡的下行信息反饋采用兩種方案實現，一種是反饋信息庫，其提供的信息結構完整，適應性與可靠性強，但實時性較弱；一種是直接通過Socket接口的消息反饋，其實時性強，但信息結構適應性較弱。
MA與廣域網的通信采用CORBA技術，由于其基于面向對象的技術特點，因此具有很好的通用性與可移植性。
針對嵌入式系統的要求分析確定各種協議及其合理的子集與實現；(1)DeviceNet實現DeviceNetTM是一個低端網絡系統其作用為在簡單的工業設備如傳感器、激勵器等與高端設備控制器之間實現連接。DeviceNet可以提供低端網絡設備的低成本解決方案和低端設備的智能化。其主要實現的通信特性媒體訪問控制及物理信號使用控制器區域網CAN有利于應用之間通訊的面向連接的模式面向網絡通訊的典型的請求/響應I/O數據的高效傳輸高信息量的分段移動MAC ID重復檢測(2)OPC實現分為OPC Server和OPC Client兩部分實現OPC服務器由對象鏈接和嵌入線程處理組成。對象鏈接和嵌入將使服務器可以用本身或遠端的一個線程處理所有客戶機的要求。一條交替的通路被提交給“單元式的線路”通過這條線路所有的對象鏈接和嵌入都可以不斷的調用對象鏈接和嵌入服務器。單元式的線路簡化了各種客戶訪問途徑的問題。到這條單個的線程途徑的一個優點是它簡化了服務器運行時關于reentrancy問題的實現。這樣所有的方法通過信息回路自動地，連續地被調用。另外的優點是它確保(當需要串行通訊端口時)一臺機器的所有通路都由產生通路的線程組成。
OPC的客戶機服務程序是一個對象只通過創造了它的線程而被存取的串行通信口的必要要求。這不僅適用于現在在執行的服務器并且適用于任何執行處理器所對應的對象。注意有些方法可以部分放寬這種限制(例如存貯地址寄存器可使用線形識別格式)。然而，這種簡單地通過對象建立的線程調用信息路線，需要很高的費用。另外，不管有多少線程試圖同時存取對象，他們都將排除正在執行的對象線程分配回路之外，并且不會有任何性能改進。
由于涉及從CAN、DeviceNet、OPC到TCP/IP等多層次復雜協議轉換，必須考慮各種協議之間的接口兼容性、穩定性與實時性；DeviceNet的物理/媒體的特性的總體實現主干線-分支線結構最多可支持64個節點不用中斷網絡就可以解除節點同時支持網絡供電傳感器及自供電執行器設備使用密封或開放形式的連接器接線錯誤保護可選的數據速率為125k波特250k波特以及500k波特可調整的電源結構以滿足各分類應用的需要大電流容量每個電源最大容量可以達到16安培可以在帶電狀況下操作電源插頭可以連接符合DeviceNet標準的不同制造商供電裝置內置式過載保護總線供電主干線中包括電源線及信號線該網關工作于工業現場，因此要解決現場抗干擾與電磁兼容性問題。該項設計主要采用軟硬件兩個方面的措施加以實現。
主要的硬件措施有設備采用隔離DC/DC電源，保證電源的穩定、干凈；CAN/DeviceNet端采用光電隔離措施，器件采用6N137高速光隔；TCP/IP端采用專用的高頻隔離變壓器。主要的譯碼與接口電路采用CPLD/FPGA設計，提高系統的抗干擾能力。主要的電源回路采用反向脈沖截止電路濾除負脈沖干擾。CPU采用看門狗電路保證單片機系統的運行穩定。
主要的軟件措施有采用冷熱啟動判別的自恢復功能；采用數據冗余和表決機制保證數據可靠性；采用軟件陷阱提高系統恢復能力；TCP/IP協議芯片的工作控制流程如圖7，CAN協議芯片的工作控制流程與TCP/IP協議芯片的工作控制流程同理。
權利要求
1.嵌入式現場總線網關，它包括現場子網接口、廣域網絡接口，其特征在于它還包括CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡；所述現場子網接口為接收、發送CAN/DeviceNet數據的CAN/DeviceNet現場子網接口；所述廣域網絡接口為接收、發送TCP/IP數據的廣域網絡接口所述CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡為將CAN/DeviceNet數據轉換成TCP/IP數據或將TCP/IP數據轉換成CAN/DeviceNet數據的處理卡。
2.根據權利要求1所述的網關，其特征在于所述CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡包括CAN/DeviceNet網絡選擇開關；接收所述現場子網接口輸入的CAN協議數據，將其轉換為TCP/IP協議數據并轉發至所述廣域網絡接口的TCP/IP協議芯片；接收所述廣域網絡接口輸入的TCP/IP協議數據將其轉換為CAN協議數據，并轉發至所述現場子網接口的CAN協議芯片；讀取CAN/DeviceNet網絡選擇開關的狀態，對所述廣域網絡接口輸入的TCP/IP協議數據進行DviceNct協議封裝與轉換的存儲程序數字計算機；存儲程序數字計算機通過數據、地址總線、控制線與所述CAN協議芯片、TCP/IP協議芯片相連。
3.根據權利要求1或2所述的網關，其特征在于所述現場子網接口與CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡之間設有隔離電路。
4.根據權利要求1或2或3所述的網關，其特征在于所述廣域網接口與CAN/DeviceNet-TCP/IP數據處理卡之間設有隔離電路。
5.根據權利要求1所述的網關，其特征在于所述的存儲程序數字計算機包括微處理器、數據存儲器、程序存儲器。
6.根據權利要求2所述的網關，其特征在于TCP/IP協議芯片為接收所述現場子網接口輸入的CAN2.0A/B或GB/T 18858.2-2002標準數據將其轉換為IEEE802.3標準數據并轉發至所述廣域網絡接口的芯片；CAN協議芯片為接收所述廣域網絡接口輸入的IEEE802.3標準數據將其轉換為CAN2.0A/B標準數據并轉發至所述現場子網接口的芯片。
全文摘要
本發明涉及嵌入式現場總線網關，它包括現場子網接口、廣域網絡接口、CAN/DeviceNet－TCP/IP數據處理卡；該網關有以下兩種工作方式CAN/DeviceNet現場子網接口將接收的CAN/DeviceNet數據包傳輸到CAN/DeviceNet－TCP/IP數據處理單元經協議轉換、封裝等處理后成為TCP/IP數據并通過廣域網接口轉發至Internet/Intranet網絡；廣域網絡接口將接收的TCP/IP數據傳輸到CAN/DeviceNet－TCP/IP數據處理單元經協議轉換、封裝等處理后成為CAN/DeviceNet數據并通過CAN/DeviceNet現場子網接口轉發至CAN/DeviceNet現場總線。本發明具有如下優點實現嵌入式的CAN/DeviceNet現場總線與TCP/IP協議轉換，它運用廣泛，功耗低、可靠性高；功能強大、性能價格比高；實時性強，支持多任務；占用空間小，效率高；面向特定應用，可根據需要靈活定制。
文檔編號H04L12/66GK1434609SQ03118500
公開日2003年8月6日 申請日期2003年1月21日 優先權日2003年1月21日
發明者周祖德, 黃濤, 盧珞先, 李波 申請人:武漢理工大學