專利名稱：一種多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，具體涉及一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化技術(shù)中，現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)場(chǎng)總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的執(zhí)行用戶設(shè)備，如數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O模塊、傳感器等通過現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、全開放、全分布的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2007年，國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布第四版IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，采納了 20種總線作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。不同現(xiàn)場(chǎng)總線有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，沒有一種適用所有控制領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。各現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議之間不完全兼容，導(dǎo)致不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議上的用戶設(shè)備不能直接通信。 常見的方法是采用工控機(jī)加現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡來實(shí)現(xiàn)總線通信。這種方案成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN101741819. A提出了一種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)裝置該發(fā)明提出了一種在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法。通過一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為IPv6，或者將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。通過在應(yīng)用層構(gòu)造不同功能組件，達(dá)到協(xié)議轉(zhuǎn)換目的。在工業(yè)自動(dòng)化某些領(lǐng)域，如數(shù)控裝置，伺服驅(qū)動(dòng)器，這些設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高，傳輸數(shù)據(jù)量大。通過軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換速度慢，無法滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)、高速度要求。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201174706.Y提出了一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換的裝置 該設(shè)備基于FPGA技術(shù)，將工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用的串口現(xiàn)場(chǎng)總線RS232/422/485數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。利用FPGA內(nèi)部的32位軟核CPU及相關(guān)外圍電路，完成以太網(wǎng)與串口的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。這種利用軟硬件資源設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，具有較高的實(shí)時(shí)性，但其功能較簡(jiǎn)單，只實(shí)現(xiàn)了單一的以太網(wǎng)和串口的轉(zhuǎn)換，不支持多種協(xié)議轉(zhuǎn)換。目前在現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用的總線有CAN，EtherCAT, PROFINET, DeviceNet, SERCOS III。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)不一樣，如EtherCAT，PROFINET，NCUC-BUS傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持雙絞線。不同傳輸介質(zhì)對(duì)應(yīng)不同的硬件接口電路。為實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，需要為不同的總線設(shè)計(jì)不同的硬件接口電路，增加了成本。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供的一種多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)崿F(xiàn)常用協(xié)議互相轉(zhuǎn)換，具備通用的硬件接口電路，具有高速度、強(qiáng)實(shí)時(shí)性通信特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的一種多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 它包括主控制器、輔控制器、外部RAM、外圍電路和至少二個(gè)協(xié)議端口 ；主控制器與輔控制器相連，用于系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并向輔控制器提供協(xié)議和端口配置信號(hào)；輔控制器與主控制器相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能；外部RAM為片外存儲(chǔ)器，與所述主控制器和輔控制器相連，用于為協(xié)議分配固定的用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩存的存儲(chǔ)區(qū)，為協(xié)議數(shù)據(jù)交換提供空間；外圍電路為系統(tǒng)輔助電路，用于為控制器和網(wǎng)絡(luò)通信芯片提供工作時(shí)鐘，為控制器提供調(diào)試接口，并為整個(gè)系統(tǒng)供電；各協(xié)議端口的一端均與所述輔控制器相連，另一端均用于與用戶設(shè)備相連；根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換要求協(xié)議端口被定義為源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口。轉(zhuǎn)換器上電后完成初始化工作，然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，按照下述過程實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理①源協(xié)議端口接收用戶設(shè)備數(shù)據(jù)，輔控制器處理數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)幀頭和控制信息， 將源協(xié)議有效數(shù)據(jù)放入輔控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)；②數(shù)據(jù)接收完成后，主控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序依次讀取輔控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的源協(xié)議有效數(shù)據(jù)，并放入外部RAM預(yù)先分配的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中；③按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序，主控制器讀取外部RAM的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，依次將目標(biāo)協(xié)議的幀頭數(shù)據(jù)和外部RAM數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)放入外部RAM分配的目標(biāo)協(xié)議端口的發(fā)送緩沖區(qū)；根據(jù)目標(biāo)協(xié)議端口邏輯地址，查找路由表，產(chǎn)生發(fā)送使能信息給輔控制器；④輔控制器接收到發(fā)送使能信息，讀取外部RAM的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)協(xié)議端口，完成一次協(xié)議轉(zhuǎn)換過程。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)多種協(xié)議互相轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完成。本實(shí)用新型支持多種協(xié)議同時(shí)在線互相轉(zhuǎn)換。根據(jù)應(yīng)用要求動(dòng)態(tài)配置源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)類型，源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議端口和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議端口數(shù)量，完成源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間通信的無縫連接。具體而言，本實(shí)用新型具有以下有益效果1)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換，解決了不同類別網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題；2)為多種協(xié)議之間的相互通信提供了一種高效實(shí)時(shí)的處理方法，實(shí)現(xiàn)了多協(xié)議轉(zhuǎn)換的通用性；3)本實(shí)用新型提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，減少了通信延時(shí)。
圖1為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接示意圖；圖2為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖3為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器協(xié)議轉(zhuǎn)換組分組示意圖；圖4為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器軟件模塊示意圖；圖5為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)施例連接示意圖；[0028]圖6為NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文格式；圖7為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)施例硬件結(jié)構(gòu)圖；圖8為多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)施例工作流程圖。具體實(shí)現(xiàn)方式下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1為本實(shí)用新型多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。用戶設(shè)備為外部輸入輸出設(shè)備，如工控機(jī)，數(shù)控裝置，伺服驅(qū)動(dòng)器，現(xiàn)場(chǎng)總線儀表等。當(dāng)不同的用戶設(shè)備使用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，多端口多協(xié)議轉(zhuǎn)換器將輸入設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換為輸出設(shè)備的協(xié)議，保證設(shè)備之間的通信是透明的。為此，定義源協(xié)議為需要轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即輸入?yún)f(xié)議；目標(biāo)協(xié)議為需要得到的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即輸出協(xié)議。圖2為本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)框圖。本實(shí)用新型提供的多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器包括主控制器1，輔控制器2，外部RAM3，外圍電路4和協(xié)議端口 51、52、53……5η，η為大于等于2的正整數(shù)。主控制器1，一端與所述輔控制器2相連，用于系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并向輔控制器2提供協(xié)議和端口配置信號(hào)。主控制器1的軟件模塊如圖4所示，包括系統(tǒng)初始化模塊11，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊12，路由選擇模塊13，系統(tǒng)管理模塊14和網(wǎng)絡(luò)管理模塊15。系統(tǒng)初始化模塊11用于在系統(tǒng)上電后完成初始化工作，包括配置源協(xié)議和目標(biāo)協(xié)議類型，源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口數(shù)量，向輔控制器2中的寄存器模塊寫入用于表示源協(xié)議和目標(biāo)協(xié)議類型的寄存器值，源協(xié)議端口邏輯地址和目標(biāo)協(xié)議端口邏輯地址，確定協(xié)議轉(zhuǎn)換組工作優(yōu)先級(jí)。協(xié)議端口邏輯地址是用于區(qū)分多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的不同端口規(guī)定的地址編號(hào)，協(xié)議轉(zhuǎn)換組表示一個(gè)源協(xié)議轉(zhuǎn)換為一個(gè)目標(biāo)協(xié)議的分組集合。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊12用于完成不同協(xié)議轉(zhuǎn)換組之間的轉(zhuǎn)換。不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換組對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換方式，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊包括多個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換子模塊，分別對(duì)應(yīng)不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換組。通過分析源協(xié)議端口接收的數(shù)據(jù)格式，去除數(shù)據(jù)幀頭信息，提取有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝為目標(biāo)協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式，交給路由選擇模塊。路由選擇模塊13接收協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)路由表選擇數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)協(xié)議端口邏輯地址，發(fā)送數(shù)據(jù)。路由選擇模塊的路由表存儲(chǔ)了各個(gè)端口的邏輯地址，同時(shí)管理各協(xié)議轉(zhuǎn)換組的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖。系統(tǒng)管理模塊14用于對(duì)端口進(jìn)行配置和管理，監(jiān)測(cè)各個(gè)端口的工作狀態(tài)，包括端口連接狀態(tài)，端口關(guān)閉和啟用，以及端口邏輯地址分配。網(wǎng)絡(luò)管理模塊15用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的管理幀處理，如TCP/IP協(xié)議中ARP應(yīng)答， Ping測(cè)試，TCP的三次握手建立連接等。輔控制器2，一端與所述主控制器1相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能。輔控制器2軟件模塊如圖4所示，包括鏈路層接口模塊21，RAM地址管理模塊22， 寄存器模塊23和內(nèi)部RAM模塊M。鏈路層接口模塊21接收各端口的通用報(bào)文，并把有效數(shù)據(jù)放入端口對(duì)應(yīng)的接收緩沖區(qū)。根據(jù)主控制器1的發(fā)送控制信息，鏈路層接口模塊發(fā)送目標(biāo)協(xié)議端口數(shù)據(jù)報(bào)文，并完成接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)校驗(yàn)。RAM地址管理模塊22用于為輔控制器2內(nèi)部RAM模塊M的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)產(chǎn)生控制和地址信號(hào)；為外部RAM3數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)產(chǎn)生控制和地址信號(hào)。寄存器模塊23用于存儲(chǔ)協(xié)議轉(zhuǎn)換相關(guān)寄存器設(shè)定值，寄存器包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型寄存器，工作狀態(tài)寄存器，輸入寄存器和輸出寄存器。內(nèi)部RAM模塊M用于完成輔控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)接收緩沖。輔控制器2內(nèi)部有內(nèi)嵌的RAM，根據(jù)功能要求，將內(nèi)部RAM模塊劃分為與協(xié)議端口對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。外部RAM3為片外存儲(chǔ)器，與所述主控制器1和輔控制器2相連，用于為協(xié)議分配固定的用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖的存儲(chǔ)區(qū)，為協(xié)議數(shù)據(jù)交換提供空間。外圍電路4為系統(tǒng)輔助電路，包括時(shí)鐘41，外設(shè)接口 42，電源43。時(shí)鐘41用于為控制器和網(wǎng)絡(luò)通信芯片提供工作時(shí)鐘，外設(shè)接口 42為控制器的調(diào)試接口，電源43用于為整個(gè)系統(tǒng)供電。協(xié)議端口 5，一端與所述輔控制器2相連，另一端與所述用戶設(shè)備相連。根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換要求可將協(xié)議端口 5定義為源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口，本實(shí)用新型支持EtherCAT， SERCOS III,NCUC-BUS,TCP/IP協(xié)議互相轉(zhuǎn)換。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，可以動(dòng)態(tài)配置源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口的數(shù)量，協(xié)議端口最大容量為6個(gè)，最小容量為2。協(xié)議轉(zhuǎn)換分為12個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換組，最多可支持3個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換組同時(shí)工作。轉(zhuǎn)換組如圖3所示。源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口個(gè)數(shù)可根據(jù)應(yīng)用要求在允許的范圍內(nèi)配置。協(xié)議端口 5由網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)通信芯片組成。網(wǎng)絡(luò)接口，一端與所述網(wǎng)絡(luò)通信芯片相連，另一端與所述用戶設(shè)備相連，用于數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。網(wǎng)絡(luò)接口根據(jù)各自的協(xié)議傳輸介質(zhì)類型及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求配置對(duì)應(yīng)的硬件接口電路。傳輸介質(zhì)有雙絞線、光纖、同軸電纜等類型，分別對(duì)應(yīng)RJ45，多模光纖模塊，同軸電纜接頭。網(wǎng)絡(luò)通信芯片，一端與所述輔控制器2相連，為物理層通信芯片，用于信號(hào)編碼和譯碼，具有編碼、譯碼輸入輸出的作用。前面描述了多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件結(jié)構(gòu)，下面介紹具體的實(shí)現(xiàn)方法第一步初始化。轉(zhuǎn)換器上電后完成初始化工作，包括所述兩個(gè)控制器的寄存器初始化，存儲(chǔ)器，網(wǎng)絡(luò)通信芯片初始化。配置源協(xié)議和目標(biāo)協(xié)議類型，源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議
端口數(shù)量。第二步進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理。具體包括1)源協(xié)議端口接收用戶設(shè)備數(shù)據(jù)，輔控制器處理數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)幀頭和控制信息， 將源協(xié)議有效數(shù)據(jù)放入輔控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。輔控制器是一種利用硬件電路處理數(shù)據(jù)的器件，支持并行處理，所以它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議轉(zhuǎn)換。2)數(shù)據(jù)接收完成后，主控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序依次讀取輔控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的源協(xié)議有效數(shù)據(jù)，并放入外部RAM預(yù)先分配的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中。設(shè)定優(yōu)先級(jí)的目的是避免同時(shí)讀取多個(gè)源協(xié)議端口數(shù)據(jù)導(dǎo)致訪問沖突。3)按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序，主控制器讀取外部RAM的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，依次將目標(biāo)協(xié)議的幀頭數(shù)據(jù)和外部RAM數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)放入外部RAM分配的目標(biāo)協(xié)議端口的發(fā)送緩沖區(qū)。根據(jù)目標(biāo)協(xié)議端口邏輯地址，查找路由表，產(chǎn)生發(fā)送使能信息給輔控制
ο4)輔控制器接收到發(fā)送使能信息，讀取發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)協(xié)議端口。完成一次協(xié)議轉(zhuǎn)換過程。下面結(jié)合具體實(shí)例，以NCUC-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和以太網(wǎng)使用的TCP/IP協(xié)議互相轉(zhuǎn)換為例，并參考附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。NCUC-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線工作在主從模式，連接示意圖如圖5所示。本實(shí)例配置 NCUC-BUS協(xié)議端口為五個(gè)，TCP/IP協(xié)議端口即以太網(wǎng)端口為1個(gè)。定義主導(dǎo)總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂茊卧Q為主站，如數(shù)控裝置；被動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂茊卧Q為從站，它們只允許被動(dòng)響應(yīng)主站要求確認(rèn)的收到信號(hào)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，如數(shù)控系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器。NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖6所示，每幀數(shù)據(jù)包含8個(gè)字節(jié)幀界，6字節(jié)源 MAC源地址(主站MAC)，6字節(jié)MAC目的地址(從站MAC)，2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，2個(gè)字節(jié)幀類型標(biāo)識(shí)，2個(gè)字節(jié)上周期主站幀發(fā)送和接收時(shí)刻差，2個(gè)字節(jié)主站幀發(fā)送時(shí)刻，可配置的η字節(jié)從站數(shù)據(jù)，4個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位。圖7為本實(shí)例的原理圖。本實(shí)用新型硬件部件包括主控制器1，輔控制器2，外部 RAM3，外圍電路4和六個(gè)協(xié)議端口 5，。主控制器1通常采用DSP，用于執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)控管理，完成NCUC-BUS和TCP/IP協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換。輔控制器2通常采用FPGA，用于完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能。外部RAM3為片外存儲(chǔ)器，與所述主控制器1和輔控制器2相連，用于為協(xié)議分配固定的用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩存的存儲(chǔ)區(qū)，為協(xié)議數(shù)據(jù)交換提供空間。外圍電路4為系統(tǒng)輔助電路，包括時(shí)鐘41，外設(shè)接口 42，電源43。時(shí)鐘41用于為控制器和網(wǎng)絡(luò)通信芯片提供工作時(shí)鐘，外設(shè)接口 42是控制器的調(diào)試接口，電源43為整個(gè)系統(tǒng)供電。協(xié)議端口 5，一端與所述輔控制器2相連，另一端用于與所述用戶設(shè)備相連，用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。本實(shí)例包括五個(gè)光纖端口和一個(gè)RJ45端口，每個(gè)端口包含網(wǎng)絡(luò)通信芯片和網(wǎng)絡(luò)接口。光纖端口傳輸?shù)膮f(xié)議是NCUC-BUS，RJ45端口傳輸?shù)膮f(xié)議是TCP/IP。網(wǎng)絡(luò)通信芯片為物理層芯片，與所述輔控制器2相連，完成輸入輸出信號(hào)編碼、解碼，具有編碼、譯碼輸入輸出的作用。網(wǎng)絡(luò)接口為用戶設(shè)備物理連接接口，一端與用戶設(shè)備相連，構(gòu)成協(xié)議通信物理連接，用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。五個(gè)光纖端口中51 —端與所述用戶設(shè)備主站相連，52，53，54，55與所述用戶設(shè)備從站相連。主站與從站的網(wǎng)絡(luò)接口為多模光纖模塊。傳輸介質(zhì)為光纖，通信速度為100Μ。多模光纖模塊采用1X9多模收發(fā)一體模塊，每個(gè)光纖模塊具有發(fā)送和接收兩路多模光纖傳輸路徑，采用光纖作為信息傳輸介質(zhì)，光信號(hào)作為信息傳輸載體。RJ45端口 56為以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡(luò)接口包含網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接口。網(wǎng)絡(luò)變壓器一端與網(wǎng)絡(luò)通信芯片相連，完成信號(hào)傳輸、阻抗匹配、信號(hào)雜波抑制和電壓隔離功能。RJ45 接口一端與遠(yuǎn)程終端PC相連，用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通信介質(zhì)為雙絞線。實(shí)例中還包括[0076]控制總線，主控制器1、輔控制器2和外部RAM3通過一控制總線相連；主控制器1 和輔控制器2通過另一控制總線相連。地址總線，主控制器1、輔控制器2和外部RAM3通過共用的地址總線相連。數(shù)據(jù)總線，主控制器1、輔控制器2和外部RAM3通過共用的數(shù)據(jù)總線相連。本實(shí)例中，互相轉(zhuǎn)換的協(xié)議是NCUC-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，即實(shí)現(xiàn) NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文和TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文的相互轉(zhuǎn)換，其實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。第一步系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后，完成初始化工作。根據(jù)配置要求指定兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換組，第一組將源協(xié)議配置為NCUC-BUS協(xié)議，目標(biāo)協(xié)議配置為TCP/IP協(xié)議，配置源協(xié)議端口數(shù)為5個(gè)，端口邏輯地址為1，2，3，4，5。配置目標(biāo)協(xié)議端口數(shù)為1個(gè)，端口邏輯地址為6。第二組將源協(xié)議配置為TCP/IP協(xié)議，目標(biāo)協(xié)議配置為NCUC-BUS協(xié)議，源協(xié)議端口數(shù)為1個(gè)，端口邏輯地址為 6。目標(biāo)協(xié)議端口數(shù)為5個(gè)，端口邏輯地址為1，2，3，4，5。多端口多協(xié)議轉(zhuǎn)換器同時(shí)只有一組協(xié)議需要轉(zhuǎn)換，所以，不需要設(shè)定轉(zhuǎn)換優(yōu)先級(jí)。轉(zhuǎn)換組為圖3中的第三組和第十組。第二步進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理。具體流程如下(一)源協(xié)議端口接收數(shù)據(jù)。根據(jù)中斷信息對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若是 NCUC-BUS中斷，則執(zhí)行(二 )；若是TCP/IP中斷，則執(zhí)行(三)。( 二)接收到NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)，調(diào)用鏈路層接口模塊。NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)幀是一種集總幀，即主站發(fā)出的一幀數(shù)據(jù)包含所有從站數(shù)據(jù)。主站發(fā)出一幀數(shù)據(jù)至所有從站，從站返回?cái)?shù)據(jù)按照原來的數(shù)據(jù)格式組成新一幀數(shù)據(jù)發(fā)送到主站。FPGA鏈路層接口模塊處理每一幀主站發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)幀頭和控制信息，調(diào)用RAM地址管理模塊將從站數(shù)據(jù)放入FPGA內(nèi)部RAM對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。1)數(shù)據(jù)接收完成后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一個(gè)高電平中斷給DSP。DSP檢測(cè)到中斷信息，讀取 FPGA表示協(xié)議類型的寄存器，然后把內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，放入外部RAM預(yù)先分配的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。2)完成數(shù)據(jù)從FPGA內(nèi)部RAM到外部RAM的轉(zhuǎn)移后，DSP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將TCP/IP 的幀頭數(shù)據(jù)和外部RAM接收緩沖區(qū)的NCUC-BUS有效數(shù)據(jù)放入外部RAM預(yù)先分配的TCP/IP 發(fā)送緩沖區(qū)。路由選擇模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)協(xié)議端口即TCP/IP端口邏輯地址6，查找路由表，產(chǎn)生發(fā)送信息給FPGA，向輸出寄存器寫入端口邏輯地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，發(fā)送使能等數(shù)據(jù)。3) FPGA接收到發(fā)送信息，讀取輸出寄存器，將TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)從6號(hào)端口發(fā)送出去。4)完成一次NCUC-BUS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，等待下一幀NCUC-BUS數(shù)據(jù)。(三)接收到TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)，調(diào)用鏈路層接口模塊。FPGA鏈路層接口模塊去除幀頭信息，利用RAM地址管理模塊將有效數(shù)據(jù)放入FPGA內(nèi)部RAM對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。1)數(shù)據(jù)接收完成后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一個(gè)高電平中斷給DSP。DSP檢測(cè)到中斷信息，讀取 FPGA表示協(xié)議類型的寄存器，然后把內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，放入外部RAM預(yù)先分配的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。 2) DSP讀取數(shù)據(jù)過程中，判斷TCP/IP數(shù)據(jù)幀是管理幀還是數(shù)據(jù)幀。若是管理幀，則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)管理模塊。對(duì)ARP請(qǐng)求，ping測(cè)試，TCP連接請(qǐng)求等管理信息進(jìn)行應(yīng)答處理。若是數(shù)據(jù)幀，調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將NCUC-BUS的幀頭數(shù)據(jù)和外部RAM接收緩沖區(qū)的TCP/IP有效數(shù)據(jù)放入外部RAM預(yù)先分配的NCUC-BUS發(fā)送緩沖區(qū)。路由選擇模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)協(xié)議端口查找路由表，產(chǎn)生發(fā)送信息給FPGA，向輸出寄存器寫入端口邏輯地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度， 發(fā)送使能等數(shù)據(jù)。3) FPGA接收到發(fā)送信息，讀取輸出寄存器，將NCUC-BUS協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到指定目標(biāo)協(xié)議端口。4)完成一次NCUC-BUS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，等待下一幀TCP/IP數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附圖公開內(nèi)容，可以采用其他多種具體的實(shí)施方式。因此，凡是采用本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或者更改的設(shè)計(jì)，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其特征在于，它包括主控制器(1)、輔控制器(2)、外部RAM (3)、外圍電路(4)和至少二個(gè)協(xié)議端口( 5)；主控制器(1)與輔控制器(2)相連，用于系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并向輔控制器 (2)提供協(xié)議和端口配置信號(hào)；輔控制器(2)與主控制器(1)相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、 拆除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能；外部RAM (3)為片外存儲(chǔ)器，與所述主控制器(1)和輔控制器(2)相連，用于為協(xié)議分配固定的用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖的存儲(chǔ)區(qū)，為協(xié)議數(shù)據(jù)交換提供空間；外圍電路(4)為系統(tǒng)輔助電路，用于為控制器和網(wǎng)絡(luò)通信芯片提供工作時(shí)鐘，為控制器提供調(diào)試接口，并為整個(gè)系統(tǒng)供電；各協(xié)議端口(5)的一端均與所述輔控制器(2)相連，另一端均用于與用戶設(shè)備相連；根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換要求協(xié)議端口(5)被定義為源協(xié)議端口和目標(biāo)協(xié)議端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其特征在于，協(xié)議端口(5)由網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)通信芯片組成；網(wǎng)絡(luò)接口一端與所述網(wǎng)絡(luò)通信芯片的一端相連，另一端與所述用戶設(shè)備相連，用于數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收；網(wǎng)絡(luò)接口根據(jù)各自的協(xié)議傳輸介質(zhì)類型及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求配置對(duì)應(yīng)的硬件接口電路；網(wǎng)絡(luò)通信芯片另一端與所述輔控制器(2)相連，用于信號(hào)編碼和譯碼，具有編碼、譯碼輸入輸出的作用。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多端口多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，包括主控制器，輔控制器，RAM，外圍電路和至少二個(gè)協(xié)議端口；主控制器與輔控制器相連，用于系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并向輔控制器提供協(xié)議和端口配置信號(hào)；輔控制器與主控制器相連，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能；RAM為協(xié)議數(shù)據(jù)交換提供空間。本實(shí)用新型利用硬件電路和軟件程序相結(jié)合的處理方法實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議互相轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完成。本實(shí)用新型支持多種協(xié)議同時(shí)在線互相轉(zhuǎn)換。根據(jù)應(yīng)用要求動(dòng)態(tài)配置源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)類型，源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議端口和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議端口數(shù)量，完成源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間通信的無縫連接。
文檔編號(hào)H04L29/06GK202077061SQ20112008064
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者唐小琦, 唐玉枝, 夏亮, 宋寶, 尹玲, 張翊誠(chéng), 王翰, 陳天航, 陳明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué), 武漢華中數(shù)控股份有限公司