一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)總線領(lǐng)域，尤其涉及一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)通信大部分都是基于有限距離的小范圍應(yīng)用，如應(yīng)用在工廠生產(chǎn)線上或者某一工藝車間中，應(yīng)用范圍大多數(shù)都在1千米范圍以內(nèi)，傳統(tǒng)的工業(yè)總線網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在這樣的場(chǎng)合也非常成熟。目前通過(guò)廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備、系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控使用的商用以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)，考慮到工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性等方面不夠多，一般只是實(shí)現(xiàn)要求不高的普通數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，在一些需要采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的情況下，一般都必須增加控制器以實(shí)現(xiàn)通用儀表總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)接入。
[0003]現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，比如SCADA (Supervisory ControlAnd Data Acquisit1n,數(shù)據(jù)米集與監(jiān)視控制系統(tǒng))、DCS (Distributed Control System,分布式控制系統(tǒng))、FCS(Fieldbus Control System,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))等控制系統(tǒng)。在現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)廠家都發(fā)展了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各個(gè)總線之間的不兼容問(wèn)題。因此在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，就需要能夠有設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)總線之間的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換有兩種方式:一種是透明傳輸?shù)姆绞?；另一種是網(wǎng)關(guān)的方式。透明傳輸?shù)姆绞皆谵D(zhuǎn)換設(shè)備的兩端運(yùn)行的是同一個(gè)協(xié)議，轉(zhuǎn)換設(shè)備只進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包和解包工作；網(wǎng)關(guān)設(shè)備的兩端運(yùn)行的是兩種/多種不同的協(xié)議，在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，各種協(xié)議的數(shù)據(jù)都在這個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行操作。透明傳輸?shù)脑O(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總線協(xié)議；對(duì)網(wǎng)關(guān)而言，上位機(jī)不用實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總線協(xié)議。兩種類型的設(shè)備都具有相應(yīng)的市場(chǎng)，根據(jù)應(yīng)用不同而分別采用透明傳輸或者網(wǎng)關(guān)的方式。
[0004]當(dāng)前各控制系統(tǒng)或者通過(guò)自我研發(fā)的協(xié)議擴(kuò)展單元來(lái)實(shí)現(xiàn)多協(xié)議的擴(kuò)展；或者通過(guò)第三方的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多總線的支持，因此市場(chǎng)急需一種通用型的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)多種總線協(xié)議并存使用的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)出一種通用型的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，該工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置具有靈活有效的冗余技術(shù)和多樣化的模塊組裝方式，提高多總線協(xié)議之間的互聯(lián)互通性和冗余系統(tǒng)的可靠性。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置包括:MCU控制模塊(Micro Controller Unit,微控制單元,還叫單片微型計(jì)算機(jī))、10接口模塊(Input/Output,即輸入輸出接口模塊)、人機(jī)接口模塊、底板和電源模塊；通過(guò)系統(tǒng)總線將10接口模塊和MCU控制模塊連接，MCU控制模塊和人機(jī)接口模塊通過(guò)總線連接；電源模塊通過(guò)底板給MCU控制模塊、人機(jī)接口模塊和10接口模塊實(shí)現(xiàn)冗余供電，同時(shí)整個(gè)裝置的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的可靠連接。
[0007]優(yōu)選的，所述MCU控制模塊為兩個(gè)，且該兩個(gè)MCU控制模塊采用層疊式架構(gòu)，MCU控制模塊的內(nèi)部設(shè)置有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。采用此技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)各現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議快速、高效的轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)不同的10接口模塊，實(shí)現(xiàn)兩種以上的協(xié)議同時(shí)運(yùn)行。
[0008]進(jìn)一步優(yōu)選的方案，所述MCU控制模塊采用32位CPU(Central Processing Unit,中央處理器)，且在其兩側(cè)具有2個(gè)40pin接口。MCU控制模塊通過(guò)2個(gè)40pin接口可以與外部的并行總線、多路串行總線、雙網(wǎng)絡(luò)接口以及控制線連接。
[0009]更進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述兩個(gè)MCU控制模塊設(shè)有CPLD邏輯控制單元(ComplexProgrammable Logic Device,復(fù)雜可編程邏輯器件),所有的CPLD邏輯控制單元采用同一根總線連接，通過(guò)CPLD邏輯控制單元實(shí)現(xiàn)多個(gè)MCU控制模塊之間控制權(quán)的有效競(jìng)爭(zhēng)。
[0010]所述MCU控制模塊之間的有效競(jìng)爭(zhēng)邏輯為:所有的CPLD邏輯控制單元都設(shè)置有獲得主控制權(quán)模式和待機(jī)狀態(tài)模式；當(dāng)CPLD邏輯控制單元處于獲得主控制權(quán)模式時(shí)，該CPLD邏輯控制單元輸出方波信號(hào)給總線；iCPLD邏輯控制單元處于待機(jī)狀態(tài)模式時(shí)，該CPLD邏輯控制單元無(wú)方波信號(hào)輸出，且CPLD邏輯控制單元在待機(jī)狀態(tài)會(huì)循環(huán)檢測(cè)總線的信號(hào)；如果CPLD邏輯控制單元檢測(cè)不到方波信號(hào)，則該CPLD邏輯控制單元對(duì)應(yīng)的MCU控制模塊獲得主控制權(quán)。
[0011]當(dāng)MCU控制模塊發(fā)生故障時(shí)，比如發(fā)生電源故障、系統(tǒng)復(fù)位、CPU宕機(jī)、程序跑飛等情況時(shí)，則發(fā)生故障的MCU控制模塊對(duì)應(yīng)的CPLD邏輯控制單元停止方波信號(hào)輸出，允許其他MCU控制模塊接管。
[0012]所述的每個(gè)CPLD邏輯控制單元都預(yù)先設(shè)有工作優(yōu)先級(jí)，以決定其信號(hào)檢測(cè)的時(shí)間窗口。采用此技術(shù)方案可以優(yōu)先避免競(jìng)爭(zhēng)時(shí)出現(xiàn)沖突。
[0013]通過(guò)CPLD邏輯控制單元控制MCU控制模塊的各信號(hào)引腳，獲得主控權(quán)的MCU控制模塊各信號(hào)引腳有效，而處于待機(jī)狀態(tài)的MCU控制模塊的各引腳則為高阻狀態(tài)；這樣，MCU控制模塊可以實(shí)現(xiàn)有效的層疊，實(shí)現(xiàn)靈活可靠的冗余特性。
[0014]所述人機(jī)接口模塊設(shè)有顯示運(yùn)行信息和故障信息的顯示設(shè)備。
[0015]所述兩個(gè)MCU控制模塊采用平鋪方式，這種平鋪方式適合于接口模塊尺寸比較大的情況，一個(gè)網(wǎng)關(guān)裝置共用一個(gè)10接口模塊。
[0016]所述MCU控制模塊為兩個(gè)，每個(gè)MCU控制模塊都各自對(duì)應(yīng)有一個(gè)10接口模塊和底板，兩個(gè)MCU控制模塊之間通過(guò)外部總線連接。
[0017]主控狀態(tài)的MCU控制模塊中的各個(gè)總線協(xié)議棧完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作；待機(jī)狀態(tài)的MCU模塊中的各個(gè)總線協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)不進(jìn)行操作，其協(xié)議棧處于空閑狀態(tài)；但是主控狀態(tài)的MCU控制模塊中任何對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的寫(xiě)入操作都會(huì)同步到處于待機(jī)狀態(tài)的MCU控制模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
[0018]每個(gè)MCU控制模塊的以太網(wǎng)信號(hào)通過(guò)Mil/ RMII接口引出到底板，通過(guò)總線開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行切換，主控MCU模塊連接位于底板上的以太網(wǎng)收發(fā)器(PHY);處于待機(jī)狀態(tài)的MCU模塊的以太網(wǎng)信號(hào)處于高阻狀態(tài)。當(dāng)切換發(fā)生時(shí)，處于待機(jī)狀態(tài)的MCU模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺啬K，同時(shí)接管以太網(wǎng)收發(fā)器(PHY)單元。
[0019]這種方式可以有效減少網(wǎng)絡(luò)切換的事件，以太網(wǎng)收發(fā)器單元不需要重新檢測(cè)線路狀況；接管后處于主控制權(quán)狀態(tài)的MCU控制模塊甚至都不需要重新對(duì)以太網(wǎng)收發(fā)器(PHY)進(jìn)行初始化。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置的模塊架構(gòu)組成示意圖；
圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例中兩個(gè)MCU控制模塊采用層疊式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例中兩個(gè)MCU控制模塊采用平鋪式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明再一實(shí)施例中兩個(gè)MCU控制模塊采用堆疊式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置的CPLD邏輯控制單元的仲裁邏輯示意圖；
圖6為本發(fā)明一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置的主控狀態(tài)MCU控制模塊和待機(jī)狀態(tài)MCU控制模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)同步的原理示意圖；
圖7為本發(fā)明一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置的底板網(wǎng)絡(luò)接口模塊的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1至圖7之一所示，本發(fā)明提供的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議網(wǎng)關(guān)裝置包括:MCU控制模塊(Micro Controller Unit,微控制單元,還叫單片微型計(jì)算機(jī))、10接口模塊(Input/Output，即輸入輸出接口模塊)、人機(jī)接口模塊、底板和電源模塊；通過(guò)系統(tǒng)總線將10接口模塊和MCU控制模塊連接，MCU控制模塊和人機(jī)接口模塊通過(guò)系統(tǒng)總線連接；電源模塊通過(guò)底板給MCU控制模塊、人機(jī)接口模塊和