專利名稱：工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的制作方法
技術領域：
本實用新型的技術方案涉及數(shù)字信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)開關網絡，具體地說是工業(yè)以太網協(xié)議轉換器。
背景技術：
網絡技術的迅猛發(fā)展引發(fā)了自動控制領域的深刻技術變革，以現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網技術為代表的網絡控制技術是現(xiàn)代自動控制技術與信息網絡技術相結合的產物，是信息化帶動工業(yè)化的重點研發(fā)方向。目前網絡控制技術正從傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線網絡控制技術向工業(yè)以太網網絡控制技術方向發(fā)展。利用以太網一系列現(xiàn)成的協(xié)議，并在應用層加上工業(yè)通信需要的協(xié)議，滿足了現(xiàn)今工業(yè)通信的要求。CN200510027275.5 公開了“一種Modbus 與 DeviceNet 間的協(xié)議轉換方法”，給出了一種Modbus與DeviceNet間的協(xié)議轉換方法。CN200720063832.3披露了“一種通用串口到CAN總線接口的轉化器”，給出了一種CAN接口設備和串口設備互聯(lián)通信的方法。在上述現(xiàn)有技術中涉及將Modbus網絡與Devicenet網絡和CAN總線網絡互聯(lián)的方法，但Devicenet網絡和CAN總線網絡通信速率低、接入節(jié)點數(shù)受限，不能滿足Modbus網絡上現(xiàn)場設備高速和實時通信的要求。CN201639591U報道了一種嵌入式協(xié)議轉換器功能的工業(yè)以太網交換機，該機體安裝空間大、成本高和安裝不便。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是:提供工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，將Modbus RTU網絡與以太網網絡互聯(lián)，利用以太網的優(yōu)點實現(xiàn)了 Modbus RTU網絡上現(xiàn)場設備高速和實時通信，同時克服了現(xiàn)有技術安裝空間大、成本高和安裝不便的缺點。本實用新型解決該 技術問題所采用的技術方案是:工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、以太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態(tài)指示模塊和復位及晶振電路構成；上述部件的電路連接關系是:電源模塊連接到MCU模塊和RS485串行接口模塊;MCU模塊又分別與RS485串行接口模塊、以太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態(tài)指示模塊和復位及晶振電路互連；其中軟件部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協(xié)議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協(xié)議兩部分；上述硬件部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現(xiàn)與Modbus網絡的連接，通過以太網接口模塊實現(xiàn)與工業(yè)以太網的連接，所有硬件部分相互配合使Modbus網絡與工業(yè)以太網信息相通。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述電源摸塊，包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩(wěn)壓芯片。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述RS485串行接口模塊，包括RS485收發(fā)芯片和RS485端子。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述以太網接口模塊，包括以太網網絡變壓器和RJ45 接口。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述外擴存儲器，其類型是EEPR0M。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述通信狀態(tài)指示模塊，包括狀態(tài)/電源、速率/連接、以太網收發(fā)和485收發(fā)四個雙色狀態(tài)指示燈。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述的復位及晶振電路，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟件復位模塊，晶振電路選用25.000M晶振為單片機提供所需主頻時鐘。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述軟件部分中的軟件程序的總流程是:開始一中斷初始化一串口及以太網初始化一主芯片初始化一建立OpenTCP協(xié)議棧一以太網端是否收到數(shù)據(jù)？ ^啟動以太網轉Modbus模塊一同否；^Modbus端是否收到數(shù)據(jù)？懸_啟動Modbus轉以太網模塊一同否是否觸發(fā)參數(shù)配置中斷？ I進入配置模式一同否，iijg回以太網端是否收到數(shù)據(jù)？上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述軟件部分中的軟件程序的總流程中的啟動以太網轉Modbus模塊的流程是:開始一建立TCP連接一本協(xié)議轉換器偵聽502端口一上位機是否發(fā)來數(shù)據(jù)？ 返回本協(xié)議轉換器繼續(xù)偵聽502端口以太網中斷一解析數(shù)據(jù)包一是否為TCP報文類型？ 丟棄收到的報文一返回本協(xié)議轉換器繼續(xù)偵聽502端口 MCU處理TCP報文，提取PDU — MCU串口中斷，發(fā)送Modbus RTU幀至下位機一結束。上述工業(yè) 以太網協(xié)議轉換器，所述軟件部分中的軟件程序的總流程中的進入配置模式的流程是:開始一讀取或修改串口及以太網各參數(shù)？ JjjS 讀取EEPROM中各參數(shù)一將各參數(shù)值返回至上位機一結束；盤^擦除EEPROM中參數(shù)，將修改值存入其中一重新初始化串口及以太網一結束。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述在單片機內嵌入OpenTCP協(xié)議棧是為實現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議和Modbus TCP協(xié)議間數(shù)據(jù)轉換功能的數(shù)據(jù)轉換軟件，所述在單片機內嵌入HTTP網頁協(xié)議是為實現(xiàn)串口參數(shù)和以太網參數(shù)配置功能的配置軟件。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，所述MCU模塊選用飛思卡爾16位HCS系列單片機MC9S12NE64VTU，具有10M/100M自適應以太網MAC控制器，通過自帶MII接口外接以太網PHY芯片。本實用新型的有益效果是:與現(xiàn)有技術相比，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器突出的實質性特點是，采用單器件連接方案，利用集成以太網MAC層和物理層的飛思卡爾HCS12系列16位單片機來實現(xiàn)單器件以太網連接，將帶有Modbus通信接口的智能設備連入工業(yè)以太網，使不同廠家生產的智能通信設備通過以太網互連成網絡，運用以太網監(jiān)控軟件實現(xiàn)集中控制及數(shù)據(jù)采集功能。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的顯著的優(yōu)點是該工業(yè)以太網協(xié)議轉換器中設計電路板長寬尺寸僅為10cm*6cm，需要安裝空間小，在工業(yè)應用中可以方便的集成到串口設備中；以太網側提供電接口即RJ45接口將串口設備聯(lián)入100Base-TX以太網，在滿足工業(yè)應用操作實施性要求的基礎上，最大化的降低了企業(yè)應用成本，提高效益。

[0020]
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的硬件構成原理框圖。圖2為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件中的電源模塊、RS485串行接口模塊和以太網接口模塊的構成框圖。圖3為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的硬件的安置布局示意圖。圖4為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分程序的總流程圖。圖5為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分程序中的啟動以太網轉Modbus模塊的流程圖。圖6為本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分程序中的進入配置模式的流程圖。圖中，1.MCU模塊，2.電源模塊，3.RS485串行接口模塊，4.以太網接口模塊，5.夕卜擴存儲器，6.通信狀態(tài)指示模塊，7.復位及晶振電路。
具體實施方式
圖1所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件部分由MCU模塊1、電源模塊2、RS485串行接口模塊3、以太網接口模塊4、外擴存儲器5、通信狀態(tài)指示模塊6和復位及晶振電路7構成；上述部件的電路連接關系是:電源模塊2連接到MCU模塊I和RS485串行接口模塊3 ;MCU模塊I又分別與RS485串行接口模塊3、以太網接口模塊4、外擴存儲器5、通信狀態(tài)指示模塊6和復位及晶振電路7互連；以太網接口模塊4與工業(yè)以太網連接，RS485串行接口模塊3與Modbus網絡連接。
·[0029]圖2所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件部分中的電源模塊
2、RS485串行接口模塊3和以太網接口模塊4的組成。其中，圖2a表明本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件部分的電源模塊2包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩(wěn)壓芯片；圖2b表明本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件部分的RS485串行接口模塊3包括RS485收發(fā)芯片和RS485端子；圖2c表明本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器硬件部分的以太網接口模塊4包括太網網絡變壓器和RJ45接口。圖3所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的硬件的安置布局是總電路板的尺寸為長X寬=10cmX6cm，外形小巧，便于安裝；其中RS485串行接口模塊3和以太網接口模塊4分別位于兩端，便于實現(xiàn)Modbus網絡和工業(yè)以太網的連接；iMCU模塊I位于中心位置，電源模塊2、以太網接口模塊4中的以太網網絡變壓器、外擴存儲器5、通信狀態(tài)指示模塊6和復位及晶振電路7分布在MCU模塊I周圍，使MCU模塊I到各模塊距離最短，減少信號的串行干擾。圖4所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器中軟件部分中的軟件程序的總流程是:開始一中斷初始化一串口及以太網初始化一主芯片初始化一建立OpenTCP協(xié)議棧一以太網端收到數(shù)據(jù)否？最^啟動以太網轉Modbus模塊一同否Modbus端是否收到數(shù)據(jù)？ I啟動Modbus轉以太網模塊一同否是否觸發(fā)參數(shù)配置中斷？ 'I進入配置模式一同否；1返回以太網端是否收到數(shù)據(jù)？圖5所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分中的軟件程序的總流程中的啟動以太網轉Modbus模塊的流程是:開始一建立TCP連接一本協(xié)議轉換器偵聽502端口一上位機是否發(fā)來數(shù)據(jù)？返回本協(xié)議轉換器繼續(xù)偵聽502端口 ；&以太網中斷一解析數(shù)據(jù)包一是否為TCP報文類型？査^丟棄收到的報文一返回本協(xié)議轉換器繼續(xù)偵聽502端口 MCU處理TCP報文，提取PDU — MCU串口中斷，發(fā)送Modbus RTU幀至下位機一結束。圖6所示實施例表明，本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分中的軟件程序的總流程中的進入配置模式的流程是:開始一讀取或修改串口及以太網各參數(shù)？ 里 讀取EEPROM中各參數(shù)一將各參數(shù)值返回至上位機一結束；董^擦除EEPROM中參數(shù)，將修改值存入其中一重新初始化串口及以太網一結束。實施例按照上述圖1 圖6所述實施例裝置成本實用新型工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其中所述的MCU模塊1，選用飛思卡爾16位HCS系列單片機MC9S12NE64VTU，具有10Μ/100Μ自適應以太網MAC控制器，通過自帶MII接口外接以太網PHY芯片，實現(xiàn)地址識別及以太網類型過濾，支持半雙工和全雙工通信，采用雙絞線連接方式聯(lián)入工業(yè)以太網，最長通信距離不超過100米。該工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的整體電路以MCU模塊I為核心，電源模塊2選用通常使用的DC24V輸入作為電源的主輸入，并且要避免一次降壓過大燒毀電源模塊2，先利用DC24V-DC5V隔離電源將DC24V輸入變?yōu)镈C5V輸出，再利用DC5V-DC3.3V穩(wěn)壓芯片將DC5V輸入變?yōu)镈C3.3V輸出供MCU模塊I和485串行接口模塊3使用；RS485串行接口模塊3連接Modbus RTU網絡，以太網接口模塊4連接工業(yè)以太網。上述的整體電路是Modbus RTU網絡和工業(yè)以太網網絡間的一個節(jié)點，實現(xiàn)了 Modbus TCP網絡主站的功能，且能自適應以太網端10/100M速率，完成Modbus-RTU協(xié)議和Modbus-TCP協(xié)議之間的網絡連接、協(xié)議解析及數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。該工 業(yè)以太網協(xié)議轉換器的通信狀態(tài)指示模塊6，包括狀態(tài)/電源、速率/連接、以太網收發(fā)和485收發(fā)四個雙色狀態(tài)指示燈，其中狀態(tài)/電源指示燈指示該協(xié)議轉換器工作狀態(tài)及電源連接狀態(tài)，速率/連接指示燈指示該協(xié)議轉換器數(shù)據(jù)傳輸速率及TCP連接狀態(tài)，以太網收發(fā)指示燈指示以太網端數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，485收發(fā)指示燈指示485端數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。該工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的復位及晶振電路7，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟件復位模塊，能夠實現(xiàn)單片機的自動復位和手動復位，晶振電路選用25.0OOM晶振為單片機提供所需主頻時鐘。在上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的軟件部分程序的總流程中，所述中斷初始化，包括開關總中斷串口中斷、以太網中斷等，避免在初始化未完成之前觸發(fā)中斷，產生無法預知的運行錯誤；所述串口及以太網初始化，包括串口及以太網各參數(shù)設置，以滿足不同應用場合；所述主芯片是單片機MC9S12NE64VTU，所述主芯片初始化包括時鐘初始化和計時器初始化；所述判斷以太網端是否收到數(shù)據(jù)以后的程序，是指如果以太網端收到上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)則啟動以太網轉Modbus模塊，即圖5所示的啟動以太網轉Modbus模塊的流程，主芯片把收到以太網數(shù)據(jù)幀中包含的Modbus PDU提取出來，按照Modbus RTU數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送給下行智能設備；所述判斷Modbus端是否收到數(shù)據(jù)以后的程序是，如果Modbus端收到下行智能設備返回的應答數(shù)據(jù)，則啟動Modbus轉以太網模塊，把Modbus RTU數(shù)據(jù)幀嵌入到以太網數(shù)據(jù)幀中，通過TCP連接傳輸?shù)揭蕴W端的上位機監(jiān)控軟件；所述判斷是否觸發(fā)參數(shù)配置中斷以后的程序是，如果觸發(fā)了此中斷，則進入配置模式，配置模式的流程如圖6所示，判斷用戶修改還是讀取串口及以太網各參數(shù)，若是修改參數(shù)，則擦除EEPROM中已存的參數(shù)，將用戶新的修改值存入EEPROM中，并重新初始化串口及以太網；若是讀取參數(shù)，則讀取EEPROM中存儲的數(shù)據(jù)，并返回至上位機；如果沒有觸發(fā)此中斷，則回到第4步繼續(xù)判斷以太網端是否收到數(shù)據(jù)。上述工業(yè)以太網協(xié)議轉換器的協(xié)議轉換器軟件，采用透明傳輸理念，在單片機內嵌入OpenTCP協(xié)議棧，建立TCP連接，將Modbus RTU數(shù)據(jù)幀嵌入到TCP報文中進行傳輸，實現(xiàn)Modbus RTU網絡與Modbus TCP網絡的可靠通信，同時使該協(xié)議轉換器所在節(jié)點具有Modbus TCP主站功能,按照現(xiàn)場設備的Modbus協(xié)議規(guī)約發(fā)送相應控制命令至本實用新型，通過本實用新型的協(xié)議解析及數(shù)據(jù)轉發(fā)，達到控制下行串口設備的目的。本實施例的工業(yè)以太網協(xié)議轉換器將Modbus現(xiàn)場總線組建的設備網絡聯(lián)入工業(yè)以太網，采用透明傳輸方式實現(xiàn)了 Modbus RTU協(xié)議與Modbus TCP協(xié)議間的數(shù)據(jù)傳輸，通過建立OpenTCP協(xié)議棧實現(xiàn)了 Modbus TCP主站的功能，通過基于HTTP網頁協(xié)議的配置軟件修改波特率、校驗方式等串口參數(shù)以及IP地址、子網掩碼等以太網參數(shù)，使上位機可以實時監(jiān)控Modbus串口設備的工作狀態(tài)和采集Modbus串口設備的運行數(shù)據(jù)，使不同廠家生產的智能通信設備互聯(lián)成網絡，實現(xiàn)集中全面的監(jiān)控。上述實施例中所用的各模塊器件均通過商購途徑獲得，各硬件部分之間的連接方法是本技術領域的技術 人員所能掌握的。
權利要求1.工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、以太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態(tài)指示模塊和復位及晶振電路構成；上述部件的電路連接關系是:電源模塊連接到MCU模塊和RS485串行接口模塊;MCU模塊又分別與RS485串行接口模塊、以太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態(tài)指示模塊和復位及晶振電路互連；其中軟件部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協(xié)議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協(xié)議兩部分；上述硬件部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現(xiàn)與Modbus網絡的連接，通過以太網接口模塊實現(xiàn)與工業(yè)以太網的連接，所有硬件部分相互配合使Modbus網絡與工業(yè)以太網信息相通。
2.按照權利要求1所說工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:所述電源摸塊，包括作為電源主輸入的DC24V輸入、DC24V-DC5V隔離電源和DC5V-DC3.3V穩(wěn)壓芯片。
3.按照權利要求1所說工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:所述RS485串行接口模塊，包括RS485收發(fā)芯片和RS485端子。
4.按照權利要求1所說工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:所述以太網接口模塊，包括以太網網絡變壓器和RJ45接口。
5.按照權利要求1所說工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:所述通信狀態(tài)指示模塊，包括狀態(tài)/電源、速率/連接、以太網收發(fā)和485收發(fā)四個雙色狀態(tài)指示燈。
6.按照權利要求1所說工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，其特征在于:所述的復位及晶振電路，其中包括單片機內部自帶上電復位模塊及軟件復位模塊，晶振電路選用25.0OOM晶振為單片機提供所需主頻時鐘?！?br> 專利摘要本實用新型涉及工業(yè)以太網協(xié)議轉換器，涉及數(shù)字信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)開關網絡，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分由MCU模塊、電源模塊、RS485串行接口模塊、以太網接口模塊、外擴存儲器、通信狀態(tài)指示模塊和復位及晶振電路構成；其中軟件部分包括在單片機內嵌入的OpenTCP協(xié)議棧和在單片機內嵌入的HTTP網頁協(xié)議兩部分；上述硬件部分以MCU為核心器件，通過RS485串行接口模塊實現(xiàn)與Modbus網絡的連接，通過以太網接口模塊實現(xiàn)與工業(yè)以太網的連接，所有硬件部分相互配合使Modbus網絡與工業(yè)以太網信息相通。本實用新型實現(xiàn)了Modbus網絡上現(xiàn)場設備高速和實時通信，克服了現(xiàn)有技術安裝空間大、成本高和安裝不便的缺點。
文檔編號H04L29/08GK203135924SQ201220722060
公開日2013年8月14日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者陸儉國, 任世彬, 劉國興, 李奎, 王麗麗, 張軍, 韓松, 張?zhí)礴? 陳思敏 申請人:河北工業(yè)大學