CN100388713C - 基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自动控制领域，具体说是一种基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器。包括主控器模块和无线通信模块两部分，其中：主控器模块运行EPA工业以太网现场总线通信协议栈，无线通信模块负责与其他的无线现场设备进行通信，并提供与以太网的无缝连接，通过USB接口电路与主控器模块相连，共同构成EPA控制网络。本发明基于EPA工业以太网现场总线的智能化控制设备，在工业现场实现控制功能，适合改造传统工业控制***，消除了现场设备间或与监控网络间的有线连接，降低控制***的造价，特别适合环境恶劣的工业控制现场。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体说是一种基于工厂自动化(EPA，Ethernet for Plant Automation)工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器。
背景技术
目前现场控制***主要采用集散控制***(DCS)。DCS是采用一个或多个控制单元对多回路进行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每个控制板上有一个或多个回路。在DCS***形成的过程中，由于受计算机***早期存在的***封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成体系，不同厂家的设备不能互连在一起，这种专用网络难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络***存在很多困难。
随着以太网TCP/UDP(Transfer Control Protocol，User DatagramProtocol)技术的迅速发展，以太网已经广泛地应用在互联网、局域网、办公网络和企业管理网络，特别是以太网技术在Internet中的应用，使其技术日臻成熟。由于以太网协议相对较为简单，因此得到了大多数计算机设备制造商和软件开发人员以及用户的认可。正是这种以太网被广泛接受的事实，使得以太网的应用具有了向工业控制***底层发展的趋势和可能。将以太网+TCP/UDP技术应用到控制***中成了控制界新的发展方向。
EPA工业以太网现场总线是顺应国际现场总线与以太网技术相结合的发展趋势，由我国制定的具有完全自主知识产权的现场总线标准。EPA工业以太网现场总线标准的制定解决了以太网应用于工业现场设备级通信的关键技术-数据通信的实时性问题，同时为现场总线标准化和网络集成的一致性问题提供了解决方案，彻底改变了我国现场总线技术的研究开发在技术上受制于人的现状，对于发展我国自己的现场总线技术具有里程碑式的作用。
以无线局域网(IEEE 802.11b)为代表的无线通信技术经过了多年的发展，已经可以满足工业控制使用的要求，特别是在以太网和无线局域网之间可以通过接入点(AP，Access Point)实现无缝互联，从而为实现无线网络和有线网络的集成提供了有利条件；将无线通信技术与EPA工业以太网技术相结合应用于工业控制现场尚未见报道。
发明内容
为了克服专用网络构成的封闭***所造成的缺陷，本发明的目的是提供了一种基于EPA工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，它把无线通信技术和EPA工业以太网技术相结合，依靠控制器本身实现控制以及设备间的无线通信，与其它基于EPA工业以太网现场总线标准的设备构成EPA控制网络。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及以下几项关键技术：
1)EPA工业以太网现场总线通信协议栈的开发；
2)实现控制功能的应用程序的开发；
3)将EPA工业以太网技术和无线通信技术相结合，实现无线通信与以太网技术的无缝连接；
本发明技术方案包括：包括主控器模块、无线通信模块两部分，其中：
-主控器模块，运行EPA工业以太网现场总线通信协议栈，执行控制功能；存储有EPA工业以太网现场总线通信协议栈；
-无线通信模块，负责嵌入式控制器的无线通信功能，通过USB接口电路与主控器模块相连；
其中：主控器模块由微控制器和存储部分组成，以微控制器为核心，存储部分由第一～二随机存储器、闪存构成，分别与微控制器相连；其中闪存存储有EPA工业以太网现场总线通信协议栈；微控制器通过USB接口电路与无线通信模块；
所述EPA工业以太网现场总线通信协议栈由EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA套接字映射模块和EPA用户层应用模块组成，其中EPA管理***模块从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，将处理后的响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道；EPA应用层模块从自身的管道中获取来自EPA用户层应用模块、EPA套接字映射模块的数据，进行处理后发送到EPA套接字映射模块的管道或EPA用户层应用模块的管道；EPA套接字映射模块从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，对来自EPA管理***模块、EPA应用层模块的数据进行重新封装后调用TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块，同时，EPA套接字映射模块将来自EPA控制网络的数据解析后发送到EPA管理***模块的管道或EPA应用层模块的管道；EPA用户层应用模块从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，完成控制操作，将输出数据发送到EPA应用层模块的管道中；
所述EPA管理***模块具体任务为：首先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，对获取的数据进行解析，判断服务请求的类型，根据具体的服务执行相应的操作，设置设备的状态，再将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道；其中服务请求的类型分为设备查询请求服务、设备查询请求应答服务、设备信息读取服务、设备声明服务、设备属性设置服务、清除设备属***；
所述EPA应用层模块具体任务为：先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块、EPA用户层应用模块的数据，对来自EPA套接字映射模块的数据进行解析，判断服务的类型，根据具体的服务执行相应的操作，其中服务分为域下载服务、域上载服务、事件通知服务、变量读服务、变量写服务、信息分发服务；如果为域下载服务和域上载服务，执行完相应的操作后将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道中，如果为事件通知服务、变量读服务、变量写服务或信息分发服务，则将数据发送到EPA用户层应用模块的管道；对来自EPA用户层应用模块的数据进行封装后发送到EPA套接字映射模块的管道；
所述EPA套接字映射模块具体任务为：先从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，然后对是否是来自EPA控制网络的数据进行判断，如果不是来自EPA控制网络的数据，则通过TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块；如果是来自EPA控制网络的数据，再判断是否是发送到EPA管理***模块的数据，是发送到EPA管理***模块的数据，则将数据发送到EPA管理***模块；否则再判断是否是发送到EPA应用层模块的数据，如果是发送到EPA应用层模块的数据，则将数据发送到EPA应用层模块；否则不做任何处理而丢弃数据；
所述EPA用户层应用模块具体任务为：首先从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，进行解析后完成控制操作，并产生相应的输出数据，将输出数据进行封装后发送到EPA应用层模块的管道中。
本发明是用来完成过程自动化领域中数据采集与控制的无线嵌入式控制器。控制器的核心技术——EPA工业以太网现场总线通信协议栈，并与无线局域网标准IEEE 802.11b无线通信技术相结合，具有如下优点：
1.应用广泛。可以应用于化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、数控***等行业的自动化控制领域。
2.具有全分布式控制的特点。本发明中的用户层应用模块，即可以完成数据采集功能，同时又可以完成控制功能，采用本发明可以构成全分布式的控制***。
3.具有***的开放性。由于本发明所遵循的通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换，能够通过本产品构筑自动化领域的开放互联***。
4.降低成本。本发明采用无线通信方式，可以节省传统控制***中的布线成本，大大降低***造价。
5.与以太网无缝集成。本发明通过无线通信模块可以轻易实现与以太网的无缝集成。
由于本发明有以上特点，使控制***从设备、安装到正常运行及其检修维护，都体现出优越性。如：
1.节省硬件数量与投资。由于本发明可以同时进行数据采集和实现控制功能，从而可以节省传感器和执行器的使用数量，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
2.节省安装费用。由于采用了无线通信技术，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设备与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，即可直接使用，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
3.节省维护开销。由于本发明提供设备管理功能，用户可以在线查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。
4.提高了***的准确性与可靠性。由于本发明的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；同时由于本发明可以在设备内部实现控制功能，提高了***的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明硬件结构框图。
图2-1是本发明的主控器模块电路原理图(含微控制器)。
图2-2是本发明的主控器模块电路原理图(存储部分)。
图3-1是本发明的无线通信模块电路原理图。
图3-2是本发明的USB接口电路。
图4是本发明EPA工业以太网现场总线通信协议栈程序结构框图。
图5是本发明EPA管理***模块程序流程图。
图6是本发明EPA应用层模块程序流程图。
图7是本发明EPA套接字模块程序流程图。
图8是本发明EPA用户层应用模块程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括主控器模块和无线通信模块两部分，即：
主控器模块运行EPA工业以太网现场总线通信协议栈，负责对协议数据进行处理，执行控制功能。主控器模块由微控制器和存储部分组成如图2-1所示，主控器模块是核心电路，控制着整个***的正常运行和各功能的实现。该模块是以微控制器U1(ATMEL公司的ARM9产品——AT91RM9200芯片)为核心的硬件平台。如图2-2所示，存储部分由第一～二随机存储器U2～U3、闪存U4构成，分别与微控制器U1相连；其中EPA工业以太网现场总线通信协议栈存储在闪存U4；微控制器U1通过USB接口电路与无线通信模块。
如图1所示，无线通信模块(为市购产品)固化了标准的IEEE802.11b无线局域网通信协议，所述无线通信模块作为无线嵌入式控制器通讯接口，提供符合无线局域网标准的接口，无线通信模块对发送和接收的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动对接收的数据进行帧校验。对发送和接收的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动对接收的数据进行帧校验。如图3-1所示，无线通信模块主要由USB无线控制器U5(ATMEL公司的AT76C505芯片)及无线收发器U6(RFMD公司2958芯片)、电可擦除只读存储器U7、静态随机存储器U8组成，USB无线控制器U5输入端通过USB接口电路与微控制器U1相连，输出端至无线收发器U6；USB无线控制器U5配有电可擦除只读存储器U7、静态随机存储器U8；实现基于IEEE802.11b协议的无线数据通信。
如图3-2所示，所述USB接口电路由第十二～十五电阻R12～R15、第十六～十七电容C16～C17组成，其中：第十二电阻R12的一端与微控制器U1的USB接口U+端连接，第十二电阻R12的另一端分别与第十五电阻R15和第十七电容C17的一端相连，同时与USB无线控制器U5的USB接口相连，第十五电阻R15和第十七电容C17的另一端与数字地相连接；第十三电阻R13的一端与微控制器U1的USB接口U-端连接，第十三电阻R13的另一端分别与第十四电阻R14和第十六电容C16的一端相连，同时与USB无线控制器U5的USB接口相连，第十四电阻R14和第十六电容C16的另一端与数字地相连接。
如图4所示，EPA工业以太网现场总线通信协议栈由EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA套接字映射模块和EPA用户层应用模块组成，各模块分别具有一个管道，模块之间通过管道进行通信。其中EPA管理***模块从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，并将处理完成后的响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道；EPA应用层模块从自身的管道中获取来自EPA用户层应用模块、EPA套接字映射模块的数据，对来自EPA用户层应用模块、EPA套接字映射模块的数据进行处理后发送到EPA套接字映射模块的管道或EPA用户层应用模块的管道；EPA套接字映射模块从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，对来自EPA管理***模块、EPA应用层模块的数据进行重新封装后调用TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块的USB无线控制器U5里(通过驱动程序)，同时，EPA套接字映射模块将来自EPA控制网络的数据解析后发送到EPA管理***模块的管道或EPA应用层模块的管道；EPA用户层应用模块从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，在此基础上完成控制操作，并将输出数据发送到EPA应用层模块的管道中。EPA工业以太网现场总线通信协议栈运行于TCP/UDP/IP之上，在无线通信模块上实现与EPA网络的通信。
如图5所示，EPA管理***模块具体任务为：首先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，然后对获取的数据进行解析，判断服务请求的类型，根据具体的服务执行相应的操作，其中服务请求的类型分为设备查询请求服务、设备查询请求应答服务、设备信息读取服务、设备声明服务、设备属性设置服务、清除设备属***，EPA管理***模块根据不同的服务作出相应的操作，设置设备状态，然后将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道。
如图6所示，EPA应用层模块具体任务为：先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块、EPA用户层应用模块的数据，对来自EPA套接字映射模块的数据进行解析，判断服务的类型，根据具体的服务执行相应的操作，其中如果为域下载服务和域上载服务，执行完相应的操作后将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道中，如果为事件通知服务、变量读服务、变量写服务或信息分发服务，则将数据发送到EPA用户层应用模块的管道；对来自EPA用户层应用模块的数据进行封装后发送到EPA套接字映射模块的管道。
如图7所示，EPA套接字映射模块具体任务为：先从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，然后对是否是经TCP/UDP来自EPA控制网络的数据进行判断，如果不是经TCP/UDP来自EPA控制网络的数据，则通过TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块的USB无线控制器U5里；如果是经TCP/UDP来自EPA控制网络的数据，再判断是否是发送到EPA管理***模块的数据，是发送到EPA管理***模块的数据，则将数据发送到EPA管理***模块；否则再判断是否是发送到EPA应用层模块的数据，如果是发送到EPA应用层模块的数据，则将数据发送到EPA应用层模块；否则不做任何处理而丢弃数据。
如图8所示，EPA用户层应用模块具体任务为：首先从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，将来自EPA应用层模块的数据进行解析，获取所需要的数据，在这些数据的基础上完成控制操作，并产生相应的输出数据，然后将输出数据进行封装后发送到EPA应用层模块的管道中。
Claims (7)
1.一种基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：包括主控器模块、无线通信模块两部分，其中：
-主控器模块，运行EPA工业以太网现场总线通信协议栈，执行控制功能；存储有EPA工业以太网现场总线通信协议栈；
-无线通信模块，负责嵌入式控制器的无线通信功能，通过USB接口电路与主控器模块相连；
其中：所述EPA工业以太网现场总线通信协议栈由EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA套接字映射模块和EPA用户层应用模块组成，其中EPA管理***模块从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，将处理后的响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道；EPA应用层模块从自身的管道中获取来自EPA用户层应用模块、EPA套接字映射模块的数据，进行处理后发送到EPA套接字映射模块的管道或EPA用户层应用模块的管道；EPA套接字映射模块从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，对来自EPA管理***模块、EPA应用层模块的数据进行重新封装后调用TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块，同时，EPA套接字映射模块将来自EPA控制网络的数据解析后发送到EPA管理***模块的管道或EPA应用层模块的管道；EPA用户层应用模块从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，完成控制操作，将输出数据发送到EPA应用层模块的管道中。
2.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：主控器模块由微控制器和存储部分组成，以微控制器(U1)为核心，存储部分由第一～二随机存储器(U2～U3)、闪存(U4)构成，分别与微控制器(U1)相连；其中闪存(U4)存储有EPA工业以太网现场总线通信协议栈；微控制器(U1)通过USB接口电路与无线通信模
3.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：所述USB接口电路由第十二～十五电阻(R12～R15)、第十六～十七电容(C16～C17)组成，其中：第十二电阻(R12)通过USB接口与微控制器(U1)连接，另一端分别与第十五电阻(R15)和第十七电容(C17)的一端相连，同时通过USB接口与无线通信模块相连，第十五电阻(R15)和第十七电容(C17)的另一端接地；第十三电阻(R13)的一端通过USB接口与主控器模块连接，另一端分别与第十四电阻(R14)和第十六电容(C16)的一端相连，同时通过USB接口与无线通信模块相连，第十四电阻(R14)和第十六电容(C16)的另一端接地。
4.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：所述EPA管理***模块具体任务为：首先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块的数据，对获取的数据进行解析，判断服务请求的类型，根据具体的服务执行相应的操作，设置设备的状态，再将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道；其中服务请求的类型分为设备查询请求服务、设备查询请求应答服务、设备信息读取服务、设备声明服务、设备属性设置服务、清除设备属***。
5.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：所述EPA应用层模块任务为：先从自身的管道中获取来自EPA套接字映射模块、EPA用户层应用模块的数据，对来自EPA套接字映射模块的数据进行解析，判断服务的类型，根据具体的服务执行相应的操作，其中服务分为域下载服务、域上载服务、事件通知服务、变量读服务、变量写服务、信息分发服务；如果为域下载服务和域上载服务，执行完相应的操作后将响应数据发送到EPA套接字映射模块的管道中，如果为事件通知服务、变量读服务、变量写服务或信息分发服务，则将数据发送到EPA用户层应用模块的管道；对来自EPA用户层应用模块的数据进行封装后发送到EPA套接字映射模块的管道。
6.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：所述EPA套接字映射模块具体任务为：先从自身的管道中获取来自EPA管理***模块、EPA应用层模块、EPA控制网络的数据，然后对是否是来自EPA控制网络的数据进行判断，如果不是来自EPA控制网络的数据，则通过TCP/UDP数据传输服务将数据发送到无线通信模块；如果是来自EPA控制网络的数据，再判断是否是发送到EPA管理***模块的数据，是发送到EPA管理***模块的数据，则将数据发送到EPA管理***模块；否则再判断是否是发送到EPA应用层模块的数据，如果是发送到EPA应用层模块的数据，则将数据发送到EPA应用层模块；否则不做任何处理而丢弃数据。
7.按照权利要求1所述基于工厂自动化工业以太网现场总线的无线嵌入式控制器，其特征在于：所述EPA用户0.层应用模块具体任务为：首先从自身的管道中获取EPA应用层模块的数据，进行解析后完成控制操作，并产生相应的输出数据，将输出数据进行封装后发送到EPA应用层模块的管道中。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WUXI ZHONGKE FANZAI INFORMATION MANUFACTURING RESE Free format text: FORMER OWNER: SHEN YANG AUTOMATION INST., CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20110504 |
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 110016 NO. 114, NANTA STREET, DONGLING DISTRICT, SHENYANG CITY, LIAONING PROVINCE TO: 214135 TOWER C, NO. 200, LINGHU AVENUE, NEW DISTRICT, WUXI CITY, JIANGSU PROVINCE |
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Effective date of registration: 20110504 Address after: 214135 Jiangsu New District of Wuxi City Linghu Road No. 200 block C Patentee after: Wuxi Zhongke information manufacturing research and Development Center Co.,Ltd. Address before: South Street in Dongling District of Shenyang city of Liaoning Province, No. 114 110016 Patentee before: SHENYANG INSTITUTE OF AUTOMATION, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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Owner name: WUXI CAS-UI TECHNOLOGY RESEARCH + DEVELOPMENT CENT Free format text: FORMER NAME: WUXI ZHONGKE FANZAI INFORMATION MANUFACTURING RESEARCH + DEVELOPMENT CENTER CO., LTD. |
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Granted publication date: 20080514 |
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