專利名稱：通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器及其軟件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，更確切地說涉及一種現(xiàn)場(chǎng)總線通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器。
背景技術(shù)：
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低功耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這就是人們常說的“工業(yè)以太網(wǎng)”技術(shù)。
由于以太網(wǎng)接口芯片已非常普遍，價(jià)格低廉，在許多工業(yè)通訊和自動(dòng)化應(yīng)用中已經(jīng)使用以太網(wǎng)作為主要的通訊接口。
簡(jiǎn)單的說，工業(yè)以太網(wǎng)有以下一些優(yōu)點(diǎn)1)、具有商業(yè)以太網(wǎng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，如高速、開放、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟等；2)、將工廠的商務(wù)網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成；3)、結(jié)合WEB功能，使工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP等形成統(tǒng)一的整體；4)、可以使用雙絞線、同軸電纜和光纖等不同的物理介質(zhì)構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。過去以太網(wǎng)沒能進(jìn)入工控領(lǐng)域，主要是因?yàn)橐蕴W(wǎng)采用的CSMA/CD是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式，不能滿足實(shí)時(shí)性和確定性要求很高的工業(yè)控制場(chǎng)所使用需求。
但是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不斷提高，已經(jīng)出現(xiàn)帶寬達(dá)千兆的網(wǎng)絡(luò)；而且全雙工傳輸和高速交換技術(shù)也使得以太網(wǎng)的確定性和實(shí)時(shí)性問題得到很好的解決，在克服了過去的種種不足后，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域自然水到渠成。
工業(yè)以太網(wǎng)高速的數(shù)據(jù)傳輸為系統(tǒng)通訊提供足夠的帶寬，而且能在同一總線上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議。由于以太網(wǎng)長(zhǎng)期使用，廣大用戶已經(jīng)十分熟悉有關(guān)的軟件和硬件知識(shí)，所以進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)培訓(xùn)的工作量較之其他總線技術(shù)要少了很多。
目前國(guó)際上廣泛使用的工業(yè)以太網(wǎng)有Rockwell Automation和ODVA開發(fā)的EtherNet/IP(EIP)、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP和Siemens開發(fā)的Profinet，它們分別由相應(yīng)的企業(yè)和組織進(jìn)行推廣和使用。
在國(guó)外，Anybus-IC可以作為Profibus-DP從站，DeviceNet適配器，EtherNet/IP適配器和Modbus-TCP從站。完全標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械尺寸、電氣設(shè)計(jì)和軟件接口確保了可互換性。除了Modbus-TCP和Ethernet/IP協(xié)議，Anybus-IC的以太網(wǎng)版本還包括強(qiáng)大的嵌入式Internet特性。嵌入式動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器提供1.4M字節(jié)的硬盤空間來下載各種特定的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用程序?？梢岳肑ava或SSI腳本，采用用戶熟的方法來創(chuàng)建顯示可視化和控制功能的網(wǎng)頁(yè)?？梢耘渲冒迳系腅-mail客戶端，用來發(fā)送特定事件的email警報(bào)。用于文件系統(tǒng)的FTP支持多級(jí)訪問保護(hù)。板上安全特性包括用戶/管理員級(jí)控制以及IP地址限制。
采用Anybus-IC開發(fā)適配器產(chǎn)品的最大缺陷是成本高，且核心代碼隱藏在模塊內(nèi)，開發(fā)商不能進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，該適配器既可以作為獨(dú)立的接口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)把帶串行口的設(shè)備接入工業(yè)以太網(wǎng)，又可以作為提升總線協(xié)議的集成控制系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)的切入點(diǎn)，具有能夠通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備監(jiān)控等通信控制功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是本適配器的硬件包括處理器、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、串口控制芯片、耦合隔離濾波器、DB9接頭。
處理器作為適配器的控制核心，執(zhí)行各種軟件協(xié)議和控制功能；外擴(kuò)存儲(chǔ)器芯片用于存放RTOS(Real Time Operation System)、應(yīng)用程序和網(wǎng)頁(yè)文件。
串口通信協(xié)議采用的是Modbus協(xié)議。
本發(fā)明在軟件上采用了CIP(Common Industrial Ptrotocol，通用工業(yè)協(xié)議)和Ethernet/IP(Ethernet/Industrial Protocol，以太網(wǎng)/工業(yè)協(xié)議)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信和控制功能。Ethernet/IP作為工業(yè)以太網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，已經(jīng)在IEC61158和IEC61784中收錄。與其他類型的工業(yè)以太網(wǎng)(HSE，Modbus TCP，Profinet)相比，EIP是基于標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP、完全開放的協(xié)議，它所能提供的廣泛廠商支持、協(xié)議靈活性十分顯著。
由于采用了一致的設(shè)備訪問方式，可以只用一種配置工具來完成不同網(wǎng)絡(luò)上CIP設(shè)備的配置，而不再需要使用廠商特定的軟件；所有設(shè)備以對(duì)象來分類減少了新產(chǎn)品培訓(xùn)和上市的時(shí)間；EIP提供了比DeviceNet和ControlNet更快的通訊速度和更大的數(shù)據(jù)包傳輸能力；EIP可以完成具有一致應(yīng)用層接口的傳感器總線級(jí)到控制級(jí)再到企業(yè)級(jí)的系統(tǒng)無縫集成?？梢哉fEIP技術(shù)一定會(huì)在今后更廣泛的領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。
本發(fā)明還內(nèi)嵌了網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，使得用戶可以通過瀏覽器監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)。
為了方便產(chǎn)品使用，在上位機(jī)開發(fā)了配制軟件，主要完成與適配器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置和下載等通訊功能。
本發(fā)明的有益效果本適配器是一種新型工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入產(chǎn)品，可以使現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備接入到工業(yè)以太網(wǎng)中；它是帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換和控制功能的模塊，具有能夠通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備監(jiān)控等通信控制功能，用于工業(yè)控制時(shí)，具有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性。該產(chǎn)品內(nèi)嵌了網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，使得用戶可以通過IE(Internet Explorer，因特網(wǎng)瀏覽器)訪問該產(chǎn)品，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控；采用32位微處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過更新FLASH(可擦寫閃存)數(shù)據(jù)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。該產(chǎn)品使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有很好的互換性和互操作性，在企業(yè)信息化和系統(tǒng)集成中具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作比較詳細(xì)的說明。


圖1為本發(fā)明的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器軟件結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，這是本發(fā)明的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器硬件結(jié)構(gòu)框圖。
如圖所示，本發(fā)明的適配器硬件包括外擴(kuò)存儲(chǔ)器1、處理器2、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片4、串口控制芯片3、耦合隔離濾波器5、RJ45接口6、DB9接頭14。
處理器作為適配器的控制核心，執(zhí)行各種軟件協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和控制功能；外擴(kuò)存儲(chǔ)器芯片用于存放RTOS、應(yīng)用軟件和網(wǎng)頁(yè)文件。
上述結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系外擴(kuò)存儲(chǔ)器1與處理器2相互連通，處理器2與串口控制芯片3相互連通，串口控制芯片3與DB9接頭14相互連通，處理器2與以太網(wǎng)控制器(AX88796BLI)4相互連通，以太網(wǎng)控制器(AX88796BLI)4與耦合隔離濾波器5隔離后、與RJ45接口6相互連通。
上述的適配器內(nèi)含有網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。
所述的外擴(kuò)存儲(chǔ)器1，采用的是FLASH(SST 39VF1601)和RAM(IS61LV25616AL)的工業(yè)等級(jí)芯片。由于產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議，運(yùn)行時(shí)對(duì)RAM空間的要求較高，需很大空間，故外擴(kuò)了一片SRAM芯片；為了存儲(chǔ)代碼和配置信息，也外擴(kuò)了一片F(xiàn)LASH芯片。
所述的處理器2，本發(fā)明采用ARM處理器。選用ARM處理器，因?yàn)樗莾?nèi)部資源豐富、處理速度快的32位ARM處理器。ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展的微處理器和系統(tǒng)芯片方案。目前已廣泛應(yīng)用在各種性能要求較高的嵌入式領(lǐng)域。
所述的串口控制芯片3，采用的是控制芯片75LS176，使用的RS485協(xié)議在目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛。
所述的太網(wǎng)控制器4，采用的是網(wǎng)絡(luò)控制器芯片AX88796BLI。
需要說明的是，另一實(shí)施例可以用下述方案圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖中耦合隔離濾波器5、RJ45接口6可以用一個(gè)集成了濾波器的RJ45接口來替換；串口控制芯片3可以用RJ45形式的接頭代替DB9接頭與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的串口進(jìn)行通信；外擴(kuò)的存儲(chǔ)器芯片可以采用商業(yè)等級(jí)溫度的FLASH(SST 39VF1601)和RAM(IS61LV25616AL)，當(dāng)工作環(huán)境較好時(shí)，設(shè)備仍然能夠正常工作。
參照?qǐng)D2，這是本發(fā)明的適配器軟件結(jié)構(gòu)框圖。
如圖所示，軟件結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用程序(CIP、HTTP)、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、IP協(xié)議(ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議)、RTOS內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序。
TCP/IP軟件模塊充分利用了嵌入式操作系統(tǒng)所提供的多任務(wù)機(jī)制以及任務(wù)之間的通信及互斥等機(jī)制，使TCP/IP協(xié)議中的復(fù)雜機(jī)制得以簡(jiǎn)單、清晰地實(shí)現(xiàn)。RTOS負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源和任務(wù)以及中斷響應(yīng)等。軟件最低層是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它和硬件的關(guān)系最密切，直接驅(qū)動(dòng)硬件。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠、開發(fā)周期更短，能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，有效地確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開發(fā)。
嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。
為了能夠通過以太網(wǎng)對(duì)設(shè)備參數(shù)讀取和更改，在設(shè)備中還實(shí)現(xiàn)了嵌入式WEB服務(wù)器的功能。
參照?qǐng)D3，這是本發(fā)明的適配器軟件工作流程圖。
如圖所示，通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器的工作流程如下當(dāng)適配器通電運(yùn)行時(shí)，[初始化硬件及存儲(chǔ)器]7，對(duì)產(chǎn)品所有硬件芯片寄存器在上電或復(fù)位后進(jìn)行初始化工作；進(jìn)入[以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)]8，接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；到[TCP/UDP協(xié)議解析]9，對(duì)接收和待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和打包；到[Ethernet/IP協(xié)議解析]10，對(duì)要向TCPIP協(xié)議層傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行EtherntIP協(xié)議層的數(shù)據(jù)打包工作，同時(shí)也可以對(duì)來自TCPIP協(xié)議層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；[網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器]11，根據(jù)從TCPIP協(xié)議層收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，解析后，構(gòu)造出網(wǎng)頁(yè)文件送至TCPIP協(xié)議層，以便用戶通過IE瀏覽器進(jìn)行查看；[Modbus協(xié)議解析]12，把經(jīng)過EtherntIP協(xié)議解析模塊解析出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行Modbus協(xié)議打包；[串口數(shù)據(jù)收發(fā)]13，向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)后，接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并交給Modbus協(xié)議處理模塊。
雖然本發(fā)明已參照上述的實(shí)施例來描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，應(yīng)理解其中可作術(shù)人員，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，應(yīng)理解其中可作各種變化和修改而在廣義上沒有脫離本發(fā)明，所以并非作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述的實(shí)施例的變化、變形都將落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，用于工業(yè)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的適配器包括外擴(kuò)存儲(chǔ)器(1)、處理器(2)、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片(4)、串口控制芯片(3)、耦合隔離濾波器(5)、RJ45接口(6)、DB9接頭(14)；上述結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系是外擴(kuò)存儲(chǔ)器(1)與處理器(2)相互連通、處理器(2)與串口控制芯片(3)相互連通、串口控制芯片(3)與DB9接頭(14)相互連通、處理器(2)與以太網(wǎng)控制器(AX88796BLI)(4)相互連通、以太網(wǎng)控制器(AX88796BLI)(4)與耦合隔離濾波器(5)隔離后、與RJ45接口(6)相互連通；上述的適配器內(nèi)含有網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，并在PC機(jī)內(nèi)配備有相應(yīng)的軟件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的外擴(kuò)存儲(chǔ)器(1)，采用的是FLASH、RAM芯片，由于適配器需很大空間，因此外擴(kuò)了一片SRAM芯片和一片F(xiàn)LASH芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的處理器(2)，選用了內(nèi)部資源豐富，處理速度快的32位ARM處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的以太網(wǎng)控制器(4)，采用的是網(wǎng)絡(luò)控制器芯片AX88796BLI。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的串口控制芯片(3)，采用的是75LS176。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的PC機(jī)內(nèi)配備有相應(yīng)的軟件，包括應(yīng)用程序、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、IP協(xié)議、RTOS內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的IP協(xié)議包括ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其特征在于所述的軟件模塊間數(shù)據(jù)流程，其步驟是[初始化硬件及存儲(chǔ)器]7，對(duì)產(chǎn)品所有硬件芯片寄存器在上電或復(fù)位后進(jìn)行初始化工作；進(jìn)入[以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)]8，接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；到[TCP/UDP協(xié)議解析]9，對(duì)接收和待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和打包；到[Ethernet/IP協(xié)議解析]10，對(duì)要向TCPIP協(xié)議層傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行EtherntIP協(xié)議層的數(shù)據(jù)打包工作，同時(shí)也可以對(duì)來自TCPIP協(xié)議層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；[網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器]11，根據(jù)從TCPIP協(xié)議層收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，解析后，構(gòu)造出網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)頁(yè)文件送至TCPIP協(xié)議層，以便用戶通過IE瀏覽器進(jìn)行查看；[Modbus協(xié)議解析]12，把經(jīng)過EtherntIP協(xié)議解析模塊解析出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行Modbus協(xié)議打包；[串口數(shù)據(jù)收發(fā)]13，向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)后，接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并交給Modbus協(xié)議處理模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通用工業(yè)協(xié)議以太網(wǎng)適配器，其硬件包括外擴(kuò)存儲(chǔ)器、處理器、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片、串口控制芯片、耦合隔離濾波器、RJ45接口；它們之間的關(guān)系外擴(kuò)存儲(chǔ)器與處理器相互連通、處理器與串口控制芯片相互連通、處理器與以太網(wǎng)控制器相互連通、以太網(wǎng)控制器與耦合隔離濾波器隔離后、與RJ45接口相互連通；處理器作為適配器的控制核心，執(zhí)行各種軟件協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和各種控制功能；外擴(kuò)存儲(chǔ)器芯片用于存放RTOS、應(yīng)用軟件和網(wǎng)頁(yè)文件；上述的適配器內(nèi)含有網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器并在PC機(jī)內(nèi)配備有相應(yīng)的軟件。本適配器用于工業(yè)設(shè)備，具有能夠通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備監(jiān)控等通信控制功能。
文檔編號(hào)H04L29/06GK1976354SQ20061011879
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者徐智穹, 劉健, 殷君, 邱浩 申請(qǐng)人:上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司