嵌入式现场总线协议转换网关开发

1、 255嵌入式现场总线协议转换网关开发胥 军,方彦军(武汉大学自动化系,武汉 430072摘 要:针对目前多种现场总线协议共存的现状,提出了一种嵌入式现场总线协议转换网关的设计方案。分析了工控领域广泛应用的现场 总线 PROFIBUS-DP 与 MODBUS 的协议结构与数据传输方法、设计协议转换网关的可行性以及网关的电路设计与工作流程。采用基于 ARM7内核的嵌入式微处理器 S3C4510B ,该处理器易于与 PROFIBUS-DP 协议芯片 ASPC2接口、扩展以太网接口实现对网关的远程动态 监控。目前该网关已投入现场试运行,稳定可靠,取得了很好的实效。 关键词:嵌入式;协议转换; ARM

2、 ;现场总线;网关Development of Embedded Fieldbus Protocol Conversion GatewayXU Jun, FANG Yanjun(Department of Automatization, Wuhan University, Wuhan 430072【 Abstract 】 A design scheme for an embedded protocol conversion gateway is proposed as there are many fieldbus protocols coexisting. Thestructures of

3、two widely used fieldbus, i.e., PROFIBUS-DP and MODBUS are analyzed, as well as the data transmission methods and the feasibilityto design the protocol conversion gateway. Based on the analysis results, the circuit design and the workflow of the gateway are presented. Adoptingthe microprocessor S3C4

4、510B has an easy access to the protocol chip ASPC2 of PROFIBUS-DP, and it makes it easy to develop Ethernetinterface for long-distance dynamic supervision. The gateway has been put into field area for testing, the results shows that it is reliable and effective. 【 Key words】 Embedded; Protocol conve

5、rsion; ARM; Fieldbus; Gateway计 算 机 工 程 Computer Engineering第 32卷 第 12期Vol.32 12 2006年 6月June 2006·开发研究与设计技术 ·文章编号:1000 3428(200612 0255 03文献标识码:A中图分类号:TP393.03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 行的现场总线协议有 12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

6、 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。1 现场总线协议转换网关原理10年前, Green 发表了针对协议转换技术性的重要论断, 认为可以根据协议转换原理构造协议转换器。按照协议转换器工作在 ISO/OSI参考模型的层次,协议 转换器又可以划

7、分为中继器、网桥、路由器和网关。网关工 作在协议的最高层,经过不断打包数据、解包数据实现从一 类协议接收信息,经翻译后送往另一类协议。由于不同的现 场总线协议在物理层、数据链路层定义了不同的传输媒介与 数据转发机制,因此现场总线协议转换器应当工作在协议的 最高层,即必须采用协议转换网关实现异类现场总线协议间 的转换。现场总线协议基于精简的 ISO/OSI 7层参考模型,一般 包括物理层、 数据链路层、 应用层和用户接口, 省略了第 3第 6层以确保高效的数据传输。现场总线协议的开放性结构 决定了开发协议转换网关是可行的,各类现场总线协议芯片使得设计网关硬件要相对简单。现场总线协议与通信业务的

8、关系可以在两个抽象层中进行描述:高层抽象层中,通信系 统作为业务提供者,向用户提供特定的通信服务;低层抽象 层 中 , 通 信 系 统 被 看 作 由 若 干 合 作 的 协 议 实 体 (Protocol Entities, PEs组成,用于交换协议信息,即协议数据单元 (Protocol Data Units, PDUs。协议实体按照先进先出的规则, 在可靠的通信媒体上交换信息。协议转换网关的作用是将一个现场总线设备的高层信息 逐层向下传递,通过最下层的信道,到达另一个现场总线设 备,而后再逐层上升,直至到达信息发送的对等层。由于绝 大多数的现场总线都采用主从式总线机制,因此协议转换网 关

9、通常是一类现场总线的主站,同时又是另一类现场总线的 从站,见图 1。 总线设备1总线设备2作者简介:胥 军 (1977 , 男, 博士, 主研方向:现场总线, DSP , 视频监控;方彦军,教授收稿日期:2005-06-07 E-mail :xu_human2 协议结构分析与网关通信模型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。2.1

10、 现场总线协议结构分析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 MODBUS 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; MODBUS 适用于主从式控制,是工业串行通信事实 上的标准。 PROFIBUS-DP 协议与 MODBUS 协议的结构可以 分别用图 2(a和图 2(b描述如下: 图 2 PROFIBUS-DP 与 MODBUS 协议结构在 PROFIBUS-DP 协议中,第 2层称为现场总线数据链 路层 (FDL层 ,该层

11、的数据服务由上层协议通过第 2层的服 务存取点 SAP (Service Access Point调用。 PROFIBUS-DP 使 用了这些服务的子集, 即 SRD(send and require responsive data和 SDN(send no-responsive data服务。在 PROFIBUS-DP 中, 每个 SAP 都赋有一个定义明确的功能,其中 Default SAP 用 于数据交换。MODBUS 协议定义了协议数据单元 (protocol data unit, PDU ,它与下层的通信层次无关。 MODBUS 协议定义了 3种 PDU ,即 MODBUS 请求 P

12、DU(mb_req_pdu、 MODBUS 应 答 PDU(mb_rsp_pdu和 MODBUS 异 常 响 应 PDU(mb_excep_rsp_pdu。 MODBUS 协议映射到特定的总线 或网络上时, 要在 PDU 的前后附加特定的数据域组成应用数 据单元 (application data unit, ADU 。 MODBUS 设备运行在串 行总线和以太网总线上时,采用了不同格式的 ADU 。 2.2 协议转换网关通信模型PROFIBUS-DP 总线与 MODBUS 总线在物理层都可以采 用 RS-485通信标准,但它们的数据链路层和用户接口 /应用 层完全不同,是两个异构的网络。协议

13、转换需采用分层的方 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 MODBUS 协议转换的通信模型的构造如图 3。图 3所示的网关是一个单向网关,由 PROFIBUS-DP 主 站发出请求报文, MODBUS 从站响应请求并发出响应报文。 通 信 过 程 可 以 描 述 如 下 :DP 主 站 在 MODBUS 请 求 PDU(mb_req_pdu的前后加上地址域和 CRC 校验组成一个 ADU ,然后调用数据链路层 Default SAP服务; DP 的数据链 路层将 A

14、DU 作为它的报文的 DU 域,组成一个 SRD 服务报 文再交付给物理层发送到网关;网关的数据链路层接收到有 效的 SRD 报文后,通知 DP 用户接口, DP 用户接口调用 Default SAP服务将其 DU 中的数据 ADU 取走; 网关不对 ADU 做任何处理,直接交付到 MODBUS 的数据链路层发送出去; 被寻址的 MODBUS 从站的数据链路层接收到网关发过来的 有效的 ADU 后,应用层将 PDU 取走; MODBUS 从站依据 PDU 的 要 求 执 行 相 应 的 操 作 , 并 将 结 果 组 成 一 个 应 答 PDU(mb_rsp_pdu或者异常响应 PDU(mb_

15、excep_rsp_pdu, 按 前述过程的逆过程发送到 DP 主站。DP - Master(class 1GatewayMODBUS图 3 PROFIBUS-DP至 MODBUS 协议转换网关模型 3 协议转换网关设计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 MODBUS 协议至 PROFIBUS-DP 的单向协议转换, 因此 网关必须同时实现 MODBUS 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 uClinux 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

16、 入式方式实现现场总线协议转换网关是一个优化的选择。 3.1 硬件设计网关电路主要包括 PROFIBUS-DP 、 MODBUS 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 MODBUS 主站, 网关与 MODBUS 从站的通信通 过 S3C4510B 的通用串行通信通道 UARXD0和 UATXD0进 行, 经过高速光耦隔离、 RS-485总线驱动器 SN75176连接到 MODBUS 总线,最多可以挂接 125个 MODBUS 从站;作为 PROFIBUS-DP 从站, 网关与 PROFIBUS-DP 主站的通信通过 寻 址 协 议 芯 片 ASPC2实

17、 现 , ASPC2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 由协议 芯片 ASPC2片内集成的 1.5K 双口 RAM 提供, 该 RAM 可同 图 4 网关电路结构 256S3C4510B 是三星公司生产的以 ARM(Advanced RISC Machines16/32bits的 RISC ARM7TDMI微处理器为内核的一 逆过程,见图 6。选用 uClinux 作为嵌入式操作系统,由于该操作系统支 持 TCP/IP协议, 因此针对网络端口的编程十分便捷。 采

18、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。用 , 1994, 10(4: 43-44.5 李驹光 . ARM应用系统开发详解 M. 北京 : 清华大学出版社 , 2003. (上接第 243页 配套北桥设计的 RTL 代码已经完成仿真验证工作, 已经运行 在 FPGA 原型上。参考文献1 Iyer V V. Comparison of Verification Methodologies for Datapath TestingC. Proceedings of the 4