夏繼強(qiáng)，梁超眾，邢春香

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

采用現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)測控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、開放性、分散性和可互操作性等優(yōu)點(diǎn)。但因?yàn)楝F(xiàn)階段多種現(xiàn)場總線協(xié)議的共存，導(dǎo)致其上述優(yōu)點(diǎn)不能充分體現(xiàn)出來。針對目前工業(yè)測控領(lǐng)域多種現(xiàn)場總線共存的客觀事實(shí)，探討如何將兩種或多種現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成具有重要意義。

在上述情況下，網(wǎng)關(guān)無疑是系統(tǒng)集成解決方案很好的選擇。結(jié)合國家863課題，本文以中國四聯(lián)集團(tuán)與北京航空航天大學(xué)共同研發(fā)PROFIBUS-DP智能網(wǎng)關(guān)為例對工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)用網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述并對其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場總線用網(wǎng)關(guān)一般要擔(dān)負(fù)兩種或多種總線之間的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的責(zé)任，屬于系統(tǒng)連接的關(guān)鍵部分。因此系統(tǒng)大多采用圖1所示的的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用本網(wǎng)關(guān)所組成的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中無縫連接PROFIBUS-DP(以下簡稱”DP”)現(xiàn)場總線系統(tǒng)與MODBUS總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同一系統(tǒng)內(nèi)兩種總線設(shè)備的共存。

本系統(tǒng)中，微控制器為中國四聯(lián)集團(tuán)研發(fā)的控制器。本智能網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)上為其預(yù)留了一個(gè)用于與控制器通信的接口。底層的I/O模塊實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)的檢測或控制執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行。

圖1 現(xiàn)場總線用網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)主要有協(xié)議芯片、硬核、軟核三種解決方案：

(1)協(xié)議芯片解決方案：采用專門芯片來實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議，這種方法開發(fā)周期短，實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，比較適合于快速開發(fā)，但成本稍高。

(2)硬核解決方案:主要是對 ASIC如 CPLD、FPGA等進(jìn)行硬件編程來實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議的IP核。此方案對開發(fā)人員的硬件及軟件知識(shí)要求最高，協(xié)議稍復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度就很大。但是網(wǎng)關(guān)性能可以與采用協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)方式相媲美。

(3)軟核解決方案：用軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議處理功能,結(jié)合相應(yīng)的外圍硬件電路實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能。此方法成本低，但需要開發(fā)人員充分了解相關(guān)協(xié)議及協(xié)議運(yùn)作機(jī)制。對于復(fù)雜的協(xié)議，編程工作量巨大，且可靠性不易保證，受單片機(jī)處理速度影響，通常網(wǎng)關(guān)的性能不如其他兩種方法。

在一般工業(yè)控制用網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，都有較短的開發(fā)周期及很高的可靠性要求。因此，對于復(fù)雜的協(xié)議如DP、CAN、FF總線等一般選用協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)；對于較簡單的協(xié)議如MODBUS等一般用軟核實(shí)現(xiàn)。本網(wǎng)關(guān)采用了DP協(xié)議芯片與MODBUS軟核相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

按照功能劃分，網(wǎng)關(guān)可以分為電源管理模塊、中央管理模塊、DP從站模塊和RS485通信模塊。

本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要求串行口速率能夠達(dá)到921.6 kb/s?；诖艘?，硬件平臺(tái)選用PHILIPS公司的ARM7-TDMI核微處理器。

電源管理模塊負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的電源供給，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與電源模塊的穩(wěn)定性能關(guān)系密切，此處設(shè)計(jì)的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉(zhuǎn)換功能；DP從站模塊的核心功能由協(xié)議芯片(VPC3+C)實(shí)現(xiàn)；中央管理模塊除了實(shí)現(xiàn)對DP從站模塊的配置和管理，還要完成MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及兩種協(xié)議數(shù)據(jù)交換協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。

3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面與網(wǎng)關(guān)連接總線系統(tǒng)所采用的協(xié)議有較大差別，但一般協(xié)議在定義時(shí)為了實(shí)現(xiàn)靈活性好、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)都采用分層結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)時(shí)也可以采用分層結(jié)構(gòu)，最后在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。本網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)采用的就是這種分層的思想。

網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧是連接MODBUS輸入/輸出模塊與DP通信的橋梁。協(xié)議棧分為DP通信層、協(xié)議數(shù)據(jù)映射層和MODBUS通信層三層。網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)及各層功能如圖4所示。

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的軟件總體流程如圖5所示。CPU通過驅(qū)動(dòng)VPC3+C來實(shí)現(xiàn)對DP通信過程的控制,包括通信接口檢查、正常和發(fā)生故障情況下的診斷數(shù)據(jù)的發(fā)送及數(shù)據(jù)交換等過程；通過MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)對下掛的輸入/輸出從站模塊的查詢操作；通過對模塊應(yīng)答幀(或通信超時(shí))進(jìn)行分析來判斷模塊的狀態(tài)以及模塊的通道狀態(tài)，根據(jù)模塊狀態(tài)信息填充DP的診斷域的數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)通信狀態(tài)(正常通信、報(bào)告故障或警告信息)的控制。

3.2 PROFIBUS-DP總線驅(qū)動(dòng)

此網(wǎng)關(guān)DP通信部分采用協(xié)議芯片VPC3+C，其內(nèi)部含有4 KB RAM，用戶可根據(jù)需要對其進(jìn)行設(shè)置；具有兩種微處理器接口：數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用或單獨(dú)操作。因?yàn)锳RM核對外部RAM操作的速度較快,時(shí)序不能滿足VPC3+C的操作時(shí)序,因此這里用ARM的GPIO口來模擬VPC3+C的操作時(shí)序。本文模擬的是其在Intel模式下內(nèi)部寄存器的讀寫時(shí)序。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

此驅(qū)動(dòng)主要提供了以下功能：nxp_vpc3_read、nxp_vpc3_write 、nxp_vpc3_init、nxp_vpc3_reset、nxp_vpc3_isr，這些函數(shù)分別向上層應(yīng)用提供了讀寫VPC3+C寄存器、對其初始化、復(fù)位操作及中斷的處理功能。其中對寄存器的讀寫操作是關(guān)鍵部分，函數(shù)原型如下：

unsigned char nxp_vpc3_read(unsigned int addr);

void nxp_vpc3_write(unsigned int addr,unsigned char data);其中addr為要讀寫的寄存器地址，data為要寫入的數(shù)據(jù)。

3.3 MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

為提高信號(hào)傳輸?shù)木嚯x及抗干擾能力,此處MODBUS物理層采用標(biāo)準(zhǔn)RS485通信。為了保證MODBUS協(xié)議軟核的健壯性，設(shè)計(jì)了其有限狀態(tài)機(jī)[1]模型，如圖6所示，并根據(jù)此有限狀態(tài)機(jī)模型運(yùn)用狀態(tài)路由器進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)。

3.4 協(xié)議數(shù)據(jù)的映射處理

此部分處理效率的高低直接關(guān)系到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的性能，因此設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)。

此部分完成協(xié)議數(shù)據(jù)映射層的實(shí)現(xiàn)，具體的數(shù)據(jù)映射關(guān)系管理見4.1節(jié)闡述。

4 網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

對于工業(yè)用網(wǎng)關(guān)應(yīng)用來說，保證網(wǎng)關(guān)正常工作的首要條件是其所連接的系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射關(guān)系的正確性，其次可靠性和故障處理能力是網(wǎng)關(guān)可長期穩(wěn)定工作的重要影響因素，對網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)性的要求則因系統(tǒng)的不同而各異。

4.1 數(shù)據(jù)映射關(guān)系管理

如何管理網(wǎng)關(guān)連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設(shè)備在通信數(shù)據(jù)中的映射關(guān)系，即通常意義上的尋址，是很重要的步驟。而這一部分針對網(wǎng)關(guān)所連接的不同，總線設(shè)備也有很大區(qū)別。

本網(wǎng)關(guān)對所有可能下掛的模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析，然后分別定義了各個(gè)模塊對應(yīng)的通信接口配置字，并在GSD文件以下例格式進(jìn)行描述：

Module="AI31xx——4 channels"0xd3;輸入模塊

AI31xx占4個(gè)字長

EndModule

這樣在對其進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)，只需要將對應(yīng)的模塊放到對應(yīng)的地址槽中即可。

在網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧中同樣保留上述表用來查詢下掛模塊類型對應(yīng)的控制字和硬件組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。并以硬件組態(tài)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)填充數(shù)據(jù)映射表，單個(gè)模塊數(shù)據(jù)映射表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct{

unsigned char cfg_data; /*記錄模塊的參數(shù)配置字*/

MODULE_STATE this_state; /*當(dāng)前模塊的狀態(tài)*/

unsigned char start_position; /*記錄模塊數(shù)據(jù)在

PROFIBUS-DP中交換數(shù)據(jù)中的起始地址*/

unsigned char data_length; /*記錄模塊數(shù)據(jù)在

PROFIBUS-DP中交換數(shù)據(jù)中所占長度*/

unsigned char data_direction; /*記錄模塊數(shù)據(jù)在

PROFIBUS-DP中是輸入數(shù)據(jù)還是輸出數(shù)據(jù)*/

}IO_CONFIG_PRM。

其中MODULE_STATE為枚舉數(shù)據(jù)類型，代表MODBUS從站當(dāng)前狀態(tài)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef enum module_state{

TYPE_OK,

NOT_EXIST,

TYPE_DISAGREE

}MODULE_STATE;

4.2 保證實(shí)時(shí)性措施

網(wǎng)關(guān)在對兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行映射的過程中采用了一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)和單緩沖區(qū)技術(shù)來盡快完成數(shù)據(jù)的處理且保證是最新數(shù)據(jù)，以此來保證網(wǎng)關(guān)通信的實(shí)時(shí)性能。

一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)是指網(wǎng)關(guān)從協(xié)議芯片內(nèi)部讀取到DP的輸出數(shù)據(jù)后，直接將此數(shù)據(jù)填充到MODBUS輸出幀對應(yīng)的位置；從MODBUS輸入模塊得到的數(shù)據(jù)直接填入到DP協(xié)議芯片的輸入緩沖區(qū)的對應(yīng)位置。用這種方式來減少內(nèi)存拷貝過程中所耗費(fèi)的時(shí)間。

網(wǎng)關(guān)單緩沖區(qū)[2,3]技術(shù)也是為了保證數(shù)據(jù)為最新數(shù)據(jù)而采用的。所謂單緩沖區(qū)即不管兩種協(xié)議通信中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)而只保留當(dāng)前最新的一幀。此網(wǎng)關(guān)連接的兩種設(shè)備的正常數(shù)據(jù)通信都是周期性的,且周期一般固定不變。如果MODBUS數(shù)據(jù)交換的周期小于DP的數(shù)據(jù)交換周期，網(wǎng)關(guān)的緩存中只有一幀有效數(shù)據(jù)；如果MODBUS數(shù)據(jù)交換周期大于DP的數(shù)據(jù)交換周期，且采用鏈表結(jié)構(gòu)保存DP的幀數(shù)據(jù)，則不管預(yù)先緩沖區(qū)有多大,肯定導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出的問題,從而使DP的輸出數(shù)據(jù)不能及時(shí)更新到MODBUS從站的通道上進(jìn)而影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

高效地使用指針可以大大提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧性能。本網(wǎng)關(guān)在MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程的信息處理中就采用了函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)指針路由功能，避免了因過多判斷對系統(tǒng)性能的影響，這樣做不僅提高了系統(tǒng)處理信息的能力，也使系統(tǒng)有很好的擴(kuò)展性能。上述一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)也是通過指針來實(shí)現(xiàn)的。

4.3 保證可靠性措施

在硬件方面，除了保證網(wǎng)關(guān)性能所必須的參數(shù)外，還應(yīng)在成本和可靠性方面做出一定的折中。本系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，與外界通信的部分和系統(tǒng)在物理接口上都進(jìn)行b電氣隔離，此處的3個(gè)通信接口都需要進(jìn)行隔離。根據(jù)通信性能要求的不同，選擇磁耦隔離+驅(qū)動(dòng)芯片完成DP通信的隔離兼物理層電平轉(zhuǎn)換功能；用雙通道磁耦隔離芯片來完成另外兩路串行口通信的隔離。這兩款芯片都采用了最新的基于芯片尺寸的變壓器隔離技術(shù)的磁耦，與傳統(tǒng)的光耦比較，其轉(zhuǎn)換速度、瞬態(tài)共模抑制能力、功耗、尺寸及成本等方面均有很明顯的優(yōu)勢。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場即插即用的要求，設(shè)計(jì)了電源轉(zhuǎn)換及保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，并支持帶電作業(yè)(熱插拔功能)。

系統(tǒng)除了在上電之后對下掛的MODBUS模塊進(jìn)行類型查詢并與DP主站組態(tài)模塊類型進(jìn)行比較外，在進(jìn)入正常數(shù)據(jù)交換之后，也會(huì)實(shí)時(shí)地對模塊的狀態(tài)進(jìn)行分析以判斷是否有故障發(fā)生。故障標(biāo)志是在網(wǎng)關(guān)和MODBUS從站進(jìn)行通信過程中根據(jù)從站的回應(yīng)幀來判斷的。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中如何保證多種總線通信的互不干擾是很重要的環(huán)節(jié)。此網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中MODBUS協(xié)議是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，考慮到需要定時(shí)器等保證通信的可靠性，為了防止兩種協(xié)議通信的相互影響，對DP輸出數(shù)據(jù)的讀取采用查詢的方式而非中斷方式進(jìn)行訪問。這樣在DP的數(shù)據(jù)到來后不會(huì)打斷正在進(jìn)行的MODBUS通信過程，尤其是在DP通信速率較高的情況下，這種設(shè)計(jì)的可靠性更加明顯。如果采用中斷的方式，當(dāng)DP通信速率超過一定值后，其勢必影響網(wǎng)關(guān)與MODBUS從站之間的通信，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致MODBUS幀傳輸?shù)牟煌暾?，從而?dǎo)致網(wǎng)關(guān)對MODBUS模塊通信狀態(tài)的誤判，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性。

4.4 模塊故障信息的處理

如果MODBUS模塊出現(xiàn)故障，如何將對應(yīng)的故障上傳到對智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行組態(tài)的DP主站是很重要的一環(huán)，處理得當(dāng)可以使系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)變得簡便靈活。

西門子的DP從站設(shè)備只要有一個(gè)模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，則模塊從屬的從站會(huì)退出正常的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，這樣導(dǎo)致此從站相連的其他正常模塊也不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而對于整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生影響。這種處理方式認(rèn)為所有的模塊都屬于關(guān)鍵模塊，只要有一個(gè)出現(xiàn)問題其余都會(huì)“被迫下線”，但這種處理方式不太靈活。本網(wǎng)關(guān)處理方式為：在查詢到模塊類型之后，實(shí)際模塊類型和組態(tài)類型一致則網(wǎng)關(guān)將對應(yīng)模塊映射為標(biāo)準(zhǔn)的DP模塊；否則，將判斷故障，并將故障診斷信息傳遞給DP主站，并不斷查詢錯(cuò)誤模塊的類型，直到相應(yīng)故障解除后將其映射成標(biāo)準(zhǔn)的DP模塊。在此過程中正常模塊的通信不受影響。相比來看，本網(wǎng)關(guān)在處理故障的策略則更加靈活。本網(wǎng)關(guān)可以判斷的故障診斷信息包括：模塊類型錯(cuò)誤、模塊超時(shí)故障、模塊不存在故障以及模擬量輸入模塊的通道斷線標(biāo)志。

本網(wǎng)關(guān)在其對應(yīng)的GSD文件中的用戶自定義診斷數(shù)據(jù)部分定義了上述4種故障對應(yīng)的代碼。故障代碼格式如下：

Unit_Diag_Bit(x)=“插槽 x中模塊不存在”

Unit_Diag_Bit(8+x)=“插槽 x中模塊類型錯(cuò)誤”

Unit_Diag_Bit(16+x)=“插槽 x中模塊超時(shí)”

Unit_Diag_Bit(24+x+8×y)=“插槽 x中模塊通道 y斷線”

在正常運(yùn)行中，在標(biāo)準(zhǔn)的診斷信息后只需要使用3+x個(gè)字節(jié)即可描述x個(gè)模塊的診斷信息。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中該診斷信息由中央管理模塊管理，如果存在故障，則填入VPC3+C的用戶診斷緩沖區(qū)，然后置位診斷狀態(tài)位，這樣主站會(huì)在檢測到此診斷位的下一個(gè)訪問周期發(fā)送請求從站診斷報(bào)文幀，待取回診斷幀后繼續(xù)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換請求。上述過程不斷重復(fù)，直至網(wǎng)關(guān)下掛的模塊故障消除為止。在此過程中不存在上述故障的模塊則仍然映射成標(biāo)準(zhǔn)的DP從站模塊，正常的數(shù)據(jù)更新不受影響。該網(wǎng)關(guān)采用這種方式來保證狀態(tài)正常的模塊不停止工作，提高系統(tǒng)的靈活性。

5 網(wǎng)關(guān)性能測試

網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)好之后，必須對其進(jìn)行性能測試以判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),并為用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本網(wǎng)關(guān)的性能和下掛模塊以及DP總線波特率設(shè)定有直接的關(guān)系。經(jīng)過測試和DP通信速率可以到達(dá)DP協(xié)議規(guī)定的最高速度12 Mb/s;與MODBUS每個(gè)模塊完成一次通信的最長時(shí)間為10.7 ms(波特率為115.2 kb/s時(shí))；一個(gè)掃描周期內(nèi)故障判斷等所用時(shí)間為400 μs。用戶在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行具體分析和配置。

本文對工業(yè)通信用網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，以PROFIBUS-DP智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)為例對此類網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。針對本網(wǎng)關(guān)，硬件方面，采用電源管理模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的熱插拔功能,采用專用芯片解析DP協(xié)議,采用磁耦隔離代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光耦隔離，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。軟件方面，采用單緩沖區(qū)設(shè)計(jì)、一次性內(nèi)存拷貝技術(shù)以及合理的中斷應(yīng)用來保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。對網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)映射處理和故障處理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了其性能參數(shù)。本設(shè)計(jì)為其他工業(yè)通信用網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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