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嵌入式HART至Profibus协议转换网关设计与实现

发布时间:2019-06-07 23:08 来源:未知 编辑:admin

  设计嵌入式现场总线协议转换网关可以集成不同的现场总线网络,使企业在升级控制系统时节省大量工程费用、优化控制网络,友好的人机界面和便捷的远程管理将使得嵌入式协议转换网关具有很强的竞争力和市场空间信息。

  现场总线技术的发展极大地改变了企业控制系统的结构,它具有开放、分散、数字化、可互操作等特点,有利于企业自动化系统与信息管理系统的集成。然而目前国际上流行的现场总线种之多,异类现场总线系统之间的互操作难以进行,无法直接进行信息互访与交换。采用profinet工业以太网技术或opc 接口技术实现互操作只是在各系统主机间的通信,无法直接在彼此的现场仪表间进行,不符合系统的实时性要求。设计嵌入式现场总线协议转换网关可以集成不同的现场总线网络,使企业在升级控制系统时节省大量工程费用、优化控制网络,友好的人机界面和便捷的远程管理将使得嵌入式协议转换网关具有很强的竞争力和市场空间信息。

  在结构复杂的分布式网络环境中,协议转换可解决协议的不兼容问题,实现不同网络用户的交互操作,在两个已知协议之间建立一个起调解作用的协议转换,它从一个协议接收信息,经翻译后送向另一个协议,协议转换的作用在于协调不兼容网络边界的信息交换。现场总线协议的转换可以通过设计协议网关的方法来实现,不同的现场总线设备间通过网关实现信息的映射与互访。目前常用的协议转换技术主要有3种。

  业务级转换方法要求协议业务初始化,业务级转换中,两个协议的通信业务是相互关联的。假设n层以上的网络协议兼容,转换将在n层进行。网关由上升为转换级的两个协议级组成,它包括在(n)-业务级的业务接口适配器。在早期设计阶段,该方法不包括信息交换的协议数据单元顺序,图1表明了业务级转换的结构。

  业务级转换方法由于协议转换器与网络的相互作用严格限制在业务用户级,由于该方法不包括对协议级的处理,在转换过程中,转换器无法通过传送网络间的协议数据单元来创造功能。

  在协议级或协议数据单元转换中,交互操作建立在协议级转换的基础上,网络协议n层以上的协议都是兼容的,协议数据单元的交换在n层上进行,网关在此交换期间明确其功能。该方法提供了更有效的转换,但规格太复杂,实施起来很困难,由于协议层转换忽略了对网络间业务用户级的所有处理,因此在行为上缺乏主动性,转换器只能在不兼容的协议间进行端到端的数据翻译与转换,无法在转换期间创建功能。图2表明了协议级转换的结构。

  混合式转换方法是业务级方法和协议级方法相结合的产物,采用该方法的转换器,其集成处理开始于业务级,延伸至协议级,所产生的转换器既反映了对协议级的处理,也反映了对业务级的处理。采用混合式转换方法,克服了以上两种方法的不足,功能更加强大,能动性也有所提高。

  由于现场总线的协议结构均可参照iso/osi七层通讯参考模型,为提高协议转换器的性能,宜采用混合式协议转换方法实现不同协议间的相互转换。不同的现场总线网络通信速率有一定的差异,协议转换器的通信速率将受到速率较低的总线网络通信速率的限制,至多只能与通信速率较低的总线速率相同,因此在对实时性要求较高的场合,协议转换器的应用将受到一定的限制。考虑到绝大多数现场总线协议在数据链路层及更高的通信层次上定义的通信标准不同,因此现场总线协议转换器的最终实现方式是现场总线协议转换网关。

  对现场总线协议结构的剖析是构造协议转换网关通信模型的前提。网关必须同时符合两类现场总线的工作机制,包括总线存取方式、总线循环时间以及不同数据帧的定义。在运行过程中,网关首先对一类现场设备的数据报文解包,取得用户数据,然后再将该数据重新封装,转换为另一类现场设备能够识别的数据报文,并转发到该设备。

  各种流行的现场总线协议都在各自特定的应用领域有着优异的表现。选取两种应用较为广泛的profibus-dp协议与hart协议进行结构分析,其中 profibus-dp适用于分散i/o的控制,已成为德国国家标准并符合欧洲标准en 50170;hart协议适用于主从式控制,得到80多家著名仪表公司的支持,是一种可被寻址的远程传感器高速通道的开放式通信协议。

  hart协议是4-20ma标准模拟信号向全数字信号过渡的协议。它在传统的4-20ma标准模拟信号上叠加了一个数字信号,使得原有的模拟信号仍然可以使用,同时通过数字信号可以传输其它信息。hart协议采用iso/osi简化模型,只定义了物理层、数据链路层和应用层。hart协议物理层基于 bell202的频移键控制(fsk,frequency shift keying)技术,将频率信号叠加在4~20ma直流信号上,实现模拟和数字同时通讯。fsk信号是幅值为0.5ma的正弦波,逻辑“1”用 1200hz表示,逻辑“0”用2200hz表示。由于叠加的正弦信号的平均值为0,因此数字通讯信号不会干扰4~20ma的模拟信号。hart通讯有点对点和总线连接两种方式,使用总线方式时一条总线台现场设备,通讯距离可达1500m,波特率为1200bps。hart协议的数据链路层规定了数据帧的组成格式;hart的应用层以命令的格式提供编程接口;总线存取协议采用主从方式。

  实现hart协议通讯规程最常用的芯片是smar公司生产的ht2012。此外,还有smar公司的ht3012和cml半导体公司的fx612等。

  profibus-dp至hart协议转换网关用于实现两种现场总线数据链路层上的网络互连。hart应用层的功能由dp实现。profibus-dp主站与网关模块的通信立起来以后,profibus-dp调用缺省sap(default sap)或sap56、sap57服务进行主/从数据交换。协议转换采用分层的方式,自协议的低层向高层逐层进行,低层支持高层,高层调用低层。低层的连接断开后,高层连接也随之断开,但是高层连接的断开不会影响低层。由profibus-dp至hart协议转换的通信模型可以构造如图4所示。

  profibus-dp主站将hart命令当作它的报文中的du单元,打包后发送到dp从站(网关)。du单元并不是一个完整的hart报文,它不包含前导符和校验字节。网关接收到dp主站发出的报文后,将之解包,将du单元加上前导符和校验字节后构成一个完整的hart报文并发送到相应的hart从站。网关接收到hart从站的响应报文后,只对之进行校验,而不对接收到的数据做其它处理。网关将校验无误的报文去掉前导符和校验字节,作为 profibus-dp报文的du单元,打包后发送到dp主站。profibus-dp主站接收到网关的响应报文后,一次通讯就结束了。网关扮演 profibus-dp从站和hart主站双重角色。与dp主站进行通讯时,网关相当于一个dp从站;与hart从站通讯时,网关则相当于一个hart主站。

  协议转换网关的设计遵循网关通信模型,由于该网关实现从hart至profibus-dp的单向协议转换,因此网关必须同时实现hart主站功能与 profibus-dp的从站功能。以嵌入式处理器s3c4510b为核心设计网关硬件电路,移植嵌入式操作系统clinux到目标板上以实现对所有进程的优化管理、同时也方便了网关功能的不断升级。以嵌入式方式实现现场总线协议转换网关是一个优化的选择。

  网关电路主要包括profibus-dp、hart两种协议的总线接口电路,并提供共享ram实现现场数据的转发与交换。作为hart主站,网关与 hart从站的通信通过s3c4510b的通用串行通信通道uarxd0和uatxd0进行,经过协议芯片ht2012和带通滤波电路连接到hart总线;作为profibus-dp从站,网关与profibus-dp主站的通信通过寻址协议芯片spc3实现,spc3片内集成了完整的 profibus-dp协议,遵循rs-485通信机制,经过高速光耦和总线驱动器连接到profibus-dp总线。共享ram由profibus- dp协议芯片spc3片内集成的1.5k双口ram提供,该ram可同时被spc3和s3c4510b寻址。profibus-dp接口电路和hart接口电路分别示意如图5(a)和图5(b)。

  s3c4510b是三星公司生产的以arm(advanced rsic machines)16/32bps的rsic arm7tdmi微处理器为内核的一种微控制器,具有高达50mhz的工作频率,工作速率为10/100mbps,支持全双工/半双工模式。在半双工模式下,控制器支持csma/cd协议,在全双工模式下支持ieee802.3 mac控制层协议。由于s3c4510b内部已包含了以太网mac控制,只需外接一片物理层芯片lxt970以提供以太网的接入通道。接口电路如图6所示。

  网关运行有四个工作状态,分别为:初加电(power_on)、等待参数 化(wait_rpm)、等待组态(wait_ cfg)和数据交换(data_exch)。初加电时,网关只能接收profibus-dp主站的改变从站地址 (set_slave _address)报文,这一功能可以在通过设置spc3的寄存器予以取消。启动后网关等待参数化报文,参数化报文中除了一些标准信息外,还含有针对网关模块的参数数据,此时其它报文不能接收,与主站的数据交换尚不能进行。组态报文规定了输入/输出的字节数。当参数化报文和组态报文正确接收后,从站进入数据交换状态,与主站交换用户数据。在数据交换状态下,网关从主站接收hart命令,发送到相应的hart从站;网关接收到hart从站的响应后,将响应报文发送到profibus-dp主站。网关模块的运行机制如图7所示。

  网关的运行机制的设计网关软件的,选用clinux作为嵌入式软件平台,由于clinux支持tcp/ip协议,因此针对网络端口的编程十分便捷。采用带cgi验证的web server实现在嵌入式处理器上的移植,添加boa应用程序到处理器内核构成单任务http服务器,客户端经过安全验证后即可通过网络浏览器实现对该协议网关的远程动态监控。

  hart的数字通信速度较慢,不宜用于组成单独的现场总线系统。在大多数系统中,4-20ma的模拟信号只通过单独的电缆同常规的i/o模板相连接,而任何与hart设备的通讯是通过手持终端的临时接入来完成的。profibus-dp与hart协议网关的开发使用增强了hart能力,可以将hart设备的数字信号与它的常规过程信号并行地集成在系统中,将全部现场设备数据送入到主控室。同时hart接口的在智能变送器市场上占领着最大的市场份额,而profibus-dp是目前世界应用最广泛的现场总线技术之一,因此开发出能将两种总线集成的网关模块有着更为重要的现实意义。本文探讨的网关模块在实验条件下已达到了良好的效果。

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