基于 DSP的混合现场总线以太网网关的设计

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    摘 要:工业底层控制网络正处于多种总线并存的局面，混合现场总线是工业生产控制系统中较为常见的一种组网方式。各个工业部门迫切需要将不同的总线设备进行集成，以实现一体化的控制和管理。本文利用TI公司的DSP芯片针对这个问题设计了一个将Modbus PLus,CAN以及DeviceNet三种典
型现场总线混合的以太网网关，给出了一种解决方案。
    关键词:现场总线;DSP;以太网;网关
0 引 言
    目前，工业底层控制网络正处于多种总线并存的局面，包括IEC 61158国际标准规定的8种总线在内，现场总线标准约有40多种。面对如此之多的协议标准，使得各具优势的现场总线往往共存于一个网络控制系统中，混合现场总线是工业生产控制系统中较为常见的一种组网方式。各个工业部门迫切需要将不同的总线设备进行集成，以实现一体化的控制和管理。因此，设计一种实时性良好的通信网关，以实现完成各类现场总线间的协议转换、信息集成，成为现代工业网络必然的要求。同时，随着网络与信息技术的的日渐成熟，将现代工业网络直接接人以太网，以便实现工业设备的远程监控已成为顺应时代的要求。
    针对这些工业需求，本文利用 TI公司的 DSP芯片为核心芯片，在实验室环境下实现一个ModbusPlus,CAN以及DeviceNet三种典型现场总线混合的以太网网关。当系统中存在多种异类现场总线时，在网关内通过软件对不同现场总线信息附加识别码，建立通信端口映射关系加以识别。该网关的模型如图 1所示。


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1系统硬件构成
    本系统采用2块不同型号的DSP以及上位机监控软件实现混合现场总线控制网络与以太网的信息集成与 交 互。网 关 中 采 用 了 TMS320LV5406,TMS320LF2407A以及全双工以太网控制芯片RTL8019AS为核心芯片来设计硬件电路。下面给出系统硬件框图，如图2所示。(图中略去了 CPLD地址译码电路、]TAG仿真电路)。现将主要的硬件功能简述如下 。


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                  图z系统硬件结构框图
1.1 以太网控制器及下行混合现场总线转换模块
    该模块主要由TMS3201.V5406和RTL8019AS全双工以太网控制芯片构成。通过对 RTL8019AS进行编程，完成以太网帧的数据收发。5406为以太网控制器用程序设置RTL8019AS的工作状态和工作方式，分配收发数据的缓冲区，通过对地址及数据 口的读写来完成以太网帧的接收与发送。运行时先要对RTL8019AS进行复位，然后对RTL8019AS的工作参数进行设置，以使其开始工作;接下来读写RTL8019AS的RAM以完成数据包的接收和发送。考虑到以太网通信速度比现场层快，故选用高速DSP 5406实现对以太网传来的信息进行总线类型解析和协议转换 ，并根据总线类型分发给DSP TMS320LF2407A;同时通过双口RAM接收现场设备层的信息，并通过RTL8019AS打包成TCP/1P报文上传给以太网。
1.2 上行混合现场总线协议转换模块
    TMS320LF'2407A主要完成的功能:
    (1) 通过2407A自身的CAN模块及相应CAN收发接口电路完成 DeviceNet总线信息的收发;用软件实现DeviceNet协议栈及相应的上行数据协议转换，并完成协议转换器的 EDS文件编写;
    (2) 利用2407A的SCI模块实现对ModBus Plus现场总线信息的传递;
    (3) 用2407A的vo口扩展CAN控制器和收发接口电路，实现对CAN总线中上行信息的转换以及下行数据的发送;
    (4) 将三种现场总线的信息帧加人相应的IP标识，提 交 给 TMS320LV5406;或 根 据 IP 将TMS320LV5406下传的信息分发给各总线接口;
    (5) 当用户不需要组成以太网控制网络，而是要求将其他总线信息融合到另外的网络时(如 CAN总线网络或是 DeviceNet网络时 (通 过开关量设置))，2407A也将完成另外两种异类现场总线的双向协议转换任务。
1.3 其他电路模块
    人机接口:为节省2407A的软件开销，在5406上扩展了人机接口模块，主要由2x6小键盘和LCD显示屏构成。主要完成对各个端口的IP地址设定、系统的自检显示、系统内存空间监视、现场参数设定等功能。
    通信指示:在各现场总线通过以太网与上位机交互的时候，在各个现场总线的接 口处安装了通信状态
指示灯，指示灯的不同闪烁方案可以反映当前具体通信的端口工作和故障情况。
    另外，在网关设计时考虑加人双口RAM建立了以太网控制器和混合协议转换器间的数据桥，提高了系
统的实时性。
2 软件实现
    本文尚处于实验室验证阶段，故配置了一台PC机作为网络的信息管控工作站。利用施耐德昆腾系列
PLC(140 CPU434 12A)中的ModBus Plus总线,CAN总线和罗克韦尔的 DeviceNet总线对象中的开关量和电
动机转速等模拟量作为数据来源，并与我们研制的混合现场总线以太网网关连接测试。同时，将该网关的
以太网TCP/IP接口与另外一台PC的网卡相连，形成接人INTERNET网络的一个网络节点。这样就在该节
点上完成了对三种总线信息间的交互与管理，并结合三种现场总线上传的信息实现各总线间的信息交换，
构成系统信息的管控一体化。系统的网络拓扑如图3所示 。


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    本网关中的软件主要是面向工业控制，可以完成工业控制中的常见的测控任务。根据目前工业测控系
统中多种现场总线并存的局面，我们在设计时构建了监控层系统软件参考模型如图4所示。该参考模型一
定程度上解决了多种现场总线并存于一个系统的问题，同时系统软件具有了较好的可扩展性。


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    在本网关的监控层软件参考模型中:①表示层为上位机建构友好的人机监控界面;②调度层是表示层
和传输层衔接层，该层根据上层的要求，向下层索取相关数据;同时将下层上传的各项数据提交给上层;③传
输层识别调度层下传的数据所属现场总线协议，将对应的数据打包成帧，通过通信物理层硬件设备发送给
下位机，同时识别下位机上传数据帧的协议类型，解包，提交给数据调度层。
    从这个模型中可以看出，不同的现场总线测控网络间组网时，其间的差异主要体现在数据传输层，而上
面两层则相对比较独立。针对这种情况，系统在2407A软件的设计中借鉴了COM组件的概念，建立了现场总
线的对象封装模型来实现上行数据传输层，并定义其与数据调度层的接口。然后，以此接口分别为MODB-
US PLUS, CAN, DevlceNct编写遵守各自协议的组件类(子程序模块)。在应用程序中根据某个通信接口所挂
接的不同类型网络，调用不同的组件类(子程序模块)，来实现应用程序对不同总线的测控数据获取与控制。
另外，在DSP 5406的软件设计中也借鉴了COM技术，为各通信端口建立通信组件类的一维数组COmmOb-ject，与现场设备地址一维数组形成的多对一的映射，实现了现场设备地址的动态管理;并可实现数据下行总线协议的的解析，减少2407的工作量并适应以太网的高速性。同时，在上位机程序中采用时间片调度算法，使得应用程序后台调度均匀合理(例如系统校时等处理)，且不影响其前台程序的运行。由于文章篇幅有限，系统相关的程序流程图在文中略去。
3 结 论
    利用TI公司生产的具有优良性能的DSP芯片，在混合现场总线系统中，利用高速DSP TMS320LV5406
芯片适应高速以太网的下行数据协议的快速识别与协议转换;利用较低速度的DSP TMS320LF2407A芯片完
成与较低速现场层现场总线的识别与上行数据的协议转换;实现了混合多类现场总线间信息的实时交互;同
时通过以太网实现了这些设备网间的远程监控。此课题的实现，为各类现场总线的智能仪表在同一系统中
的联网，为社会工业生产中的信息化集成和 RTOS系统的远程监控应用提供一定的参考模型，并具有较好的
应用前景。
               参考文献
I 阳宪惠.现场总线技术及其应用【M〕.北京:清华大学出版  社，1999.6
2 李策等 基于现场总线技术的电子滴纱器网络监控系统  (1l.自动化仪表，2003.12
3 刘和平，严利平等. TMS32OLF24OX DSP结构、原理及应用    (M〕 北京 北京航空航天大学出版社，2002.4
4 王志锋 ，截一奇.基于TMS320C54xDSP的高速路由器安全卡    设计「11.计算机工程与应用，2002一3一巧
         
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