CN102271100B - EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其协议转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其协议转换方法，包括Zigbee无线模块、EtherCAT模块以及中心处理模块，其特征在于：所述Zigbee无线模块负责接收各种传感收据和发送各种自动控制命令给仪器仪表，中心处理模块负责EtherCAT驱动、与Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据与控制交互处理、应用程序的实现，EtherCAT模块实现从站功能并实现与分布式控制单元中主站数据与控制的交互处理。本发明可实现实时有线高速以太网EtherCAT和Zigbee无线传感技术的结合，在传输通道的部署和规划上带了极大的便利，也减少了大量电缆施工所带来的困扰与代价。

Description

EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其协议转换方法

技术领域

本发明涉及一种网络技术领域的装置及其方法，尤其是一种EtherCat工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其协议转换方法，属于通信技术领域。

背景技术

实时工业以太网EtherCAT技术是一种近年发展起来的通用超高速以太网现场总线技术，用于替代PROFIBUS、CANopen、MODBUS工业总线技术。所谓工业现场总线就是使数据采集装置也即现场仪表和控制单元通过总线互联起来，实现数据采集、分析与自动控制。

EtherCAT 协议是根据IEEE802.3标准的扩展的以太网***，使得数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。传统以太网的介质访问控制方式即带有冲突检测的载波侦听多路访问机制是一种非确定性的介质访问控制方式，不能满足工业现场的实时性要求，因此EtherCAT可以替换原有的以太网星型拓扑结构，可以非常容易地建立线型拓扑，作为主站，标准以太网控制器就可以满足，不需要特定的硬件设备。

   无线传感器网络作为物联网技术的感知层技术，在其发展中起着至关重要的作用，因Zigbee技术特有的低功耗、低复杂度和低成本的优势，其无疑成为无线传感网络通信的首先技术，成功地应用到工业自动控制、智能电网等多个领域之中。

   Zigbee网络由三种网络节点组成：网络协调器、路由节点、终端节点。网络协调器包含所有的网络消息，存储容量大、计算能力最强，发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不间断地接收消息；路由节点是网络中的中继，连接网络各个节点，延伸和扩展网络的覆盖范围和网络规模。终端节点是只能直接发消息给网络协调器和路由节点，所有采集的数据信息都经过该节点而进入Zigbee通信网络。

将基于Zigbee技术的无线传感网络与EtherCAT工业以网结合使用，共同形成各控制领域中仪器仪表或电气设备和分布式控制单元的骨干总线网络，随着实时EtherCAT工业现场总线技术与Zigbee技术的普及，两者协议转换的网关装置势在必行。 

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术在EtherCAT有线总线网络和Zigbee无线网络兼容上的缺失，提供实时工业以太网EtherCAT与无线传感网络Zigbee技术协议的规约转换装置。通过增加该网关设备，实现EtherCAT有线网络和Zigbee无线网络之间的互联互通，其中主站处于分布式控制单元上，从站位于网关装置端。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置，包括：Zigbee无线模块、EtherCAT模块以及中心处理模块，其中Zigbee无线模块主要负责接收各种传感收据和发送各种自动控制命令给仪器仪表，中心处理模块主要负责EtherCAT驱动、与Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据与控制交互处理、应用程序的实现，EtherCAT模块实现从站功能并实现与分布式控制单元中主站数据与控制的交互处理。

前述的EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置，其特征在于：所述Zigbee无线模块包括Zigbee无线芯片和射频天线，在Zigbee无线芯片上实现Zigbee无线技术标准协议栈、无线协议数据帧的处理与封装。

前述的EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置，其特征在于：所述Zigbee无线模块还包括射频功率放大电路，所述射频功率放大电路与Zigbee无线芯片相连。射频功率放大电路为可裁减部分，根据实际应用的距离要求，确实是否裁减，该功率放大电路主要对信号进行线性放大，提高信号发送到空口的信号强度；射频天线增加信号增益，实现信号的全方位或定向发送。

所述的EtherCAT模块，包括EtherCAT技术芯片、以太网收发器芯片、网络变压器以及网口，其中：EtherCAT技术芯片实现从站功能，遵循EtherCAT标准协议，并负责与主站进行通信；以太网收发器芯片负责实现物理层以太网报文的收发控制，同时提供对介质访问控制层的接口；网络变压器用于信号电平耦合，可以增强信号，提高传输距离，同时使芯片与外部隔离，增强抗干扰能力；网口可以通用的RJ45接口，也可以是通过光电转换的光纤以太网接口。

所述的中心处理模块，包括中央处理单元、RAM内存、只读储存器ROM、Flash以及***电路组成，该模块上可以运行各种操作***，如linux、vxworks等，在该模块上实现EtherCAT模块驱动，并同时负责Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据交互处理。

本发明涉及的EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的协议转换方法包括以下步骤：

1）EtherCAT模块作为从站读取来自主站的数据，并进行数据解码，从而得到发往该网关下的仪器仪表或电气设备的数据报文；

2）中心处理模块对数据报文进行处理并进行拆包或组包等处理，将处理后的数据报文发送Zigbee无线模块；

3）Zigbee无线模块将数据报文封装成Zigbee无线数据帧，然后通过空口发送给仪器仪表或电气设备上的Zigbee无线装置；

4）仪器仪表或电气设备上送采集数据的过程是上述过程的逆过程，即：由仪器仪表采集数据，并将采集后的数据交给Zigbee无线装置通过空口发送给协议转换装置上，协议转换装置中的Zigbee无线模块解码来自空口的Zigbee数据包，解析出采集的数据，该数据交给中心处理模块进行缓存、组包等处理，并将处理后的数据包发送给EtherCAT模块，由EtherCAT模块进行EtherCAT报文封装，并将报文送入以太网总线发送给主站。

本发明技术方案的显著性进步和特点主要体现在：通过EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置，可方便实现实时有线高速以太网EtherCAT和Zigbee无线传感技术的结合，在传输通道的部署和规划上带了极大的便利，也减少了大量电缆施工所带来的困扰与代价。该网关装置特别适合用于电厂分布式控制***中分布式控制单元与仪器仪表或电气设备的对接控制、工业自动化控制等。

附图说明

   图1为本发明的EtherCAT工业以太网与Zigbee无线技术结合的总线网络；

   图2为本发明的网关装置模块结构示意图；

图3为本发明的网关装置电路原理示意图；

图4为本发明的EtherCAT与Zigbee协议数据转换示意图；

图5为本发明的仪器仪表采集数据经由网关上送监控***顺序流程图。

具体实施方式

EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其方法，涉及Zigbee无线模块、EtherCAT模块以及中心处理模块，其中Zigbee无线模块主要负责接收各种传感收据和发送各种自动控制命令给仪器仪表，中心处理模块主要负责EtherCAT驱动、与Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据与控制交互处理、应用程序的实现，EtherCAT模块实现从站功能并实现与分布式控制单元中主站数据与控制的交互处理。

所述的Zigbee无线模块，采用Jennic5148芯片来实现Zigbee协议栈，根据传输距离的需求可以加上或去掉功率放大电路，天线可采用2.4GHz的吸盘天线，使得网关的封装以及屏柜的摆放更加灵活。

所述的中心处理模块，采用ARM Cortex A8内核CPU，并在该CPU上裁减linux操作***，实现应用程序以及各协议数据和控制命令的处理。

所述的EtherCAT模块，采用ET1100芯片来实现EtherCAT从站功能，KS8721芯片来实现以太网物理层数据的收发，网络变压器选用H1102芯片来进行隔离与信号恢复处理等，网口选用RJ45连接头。

通过如下步骤实现仪器仪表或电器设备实时状态数据的上传：

1)分布式控制单元将配置发往从站，从站根据配置初始化EtherCAT协议处理程序；

2)仪器仪表或电气设备将采集的数据，如开关量、模拟量和实时状态数据，通过Zigbee无线发送给网关装置；

3)网关装置通过Zigbee无线模块接收来自空口的数据，并将空口的数据进行缓存、处理以及协议数据转换之后，将数据发给EtherCAT模块，由EtherCAT模块在分配的报文位置***数据报文；

4)主站分布式控制单元收到以太网报文后，将数据实时上传给监控***平台，并同时实现自己的自动控制操作，如果需要根据状态数据实施对仪器仪表或电气设备的控制，则下发控制命令；

5)监控***平台也根据分布式控制单元上送的数据进行相应处理，如果需要根据状态数据实施对仪器仪表或电气设备的控制，则下发控制命令；

6)控制命令经由分布式控制单元主站，发送给网关从站，网关从站从分配的报文位置获取控制命令数据，并将命令数据转换成Zigbee空口数据报文下发给仪器仪表或电气设备；

7)仪器仪表或电气设备根据下发的控制命令进行相应的控制操作。

综上所述，采用本发明后，将EtherCAT工业以太网和无线Zigbee技术有机结合起来，给自动控制以及各种传输数据的传输通道灵活布置，数据的实时传输提供很强大的保障，通过EtherCAT工业以太网和无线Zigbee间的网关装置，传输通道的灵活部署大大减少有线电缆的施工量，也弥补了有线和无线技术的不足，特别适用于工业自动化控制、电厂自动化控制以及各种大量仪器仪表的在线监视与控制***。由此可见，本发明具有显著性进步和优化提高的特点，其应用前景非常广阔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与装饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的协议转换方法，利用EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置进行转换，所述EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置，包括Zigbee无线模块、EtherCAT模块以及中心处理模块，其特征在于：所述Zigbee无线模块负责接收各种传感收据和发送各种自动控制命令给仪器仪表，中心处理模块负责EtherCAT驱动、与Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据与控制交互处理、应用程序的实现，EtherCAT模块实现从站功能并实现与分布式控制单元中主站数据与控制的交互处理，

所述Zigbee无线模块包括Zigbee无线芯片和射频天线，Zigbee无线芯片为Jennic芯片,在Zigbee无线芯片上实现Zigbee无线技术标准协议栈、无线协议数据帧的处理与封装，所述Zigbee无线模块还包括射频功率放大电路，所述射频功率放大电路与Zigbee无线芯片相连；

所述的EtherCAT模块包括EtherCAT技术芯片、以太网收发器芯片、网络变压器以及网口，所述EtherCAT技术芯片采用ET1100芯片，EtherCAT技术芯片实现从站功能，遵循EtherCAT标准协议，并负责与主站进行通信；以太网收发器芯片采用KS8721芯片，以太网收发器芯片负责实现物理层以太网报文的收发控制，同时提供对介质访问控制层的接口；网络变压器用于信号电平耦合；网口为通用的RJ45接口或通过光电转换的光纤以太网接口；

所述的中心处理模块包括中央处理单元、RAM内存、只读储存器ROM、Flash以及***电路，中央处理单元为ARM cortex A8 内核CPU，中心处理模块上实现EtherCAT模块驱动，并同时负责Zigbee无线模块和EtherCAT模块的数据交互处理；

包括以下步骤：

1）EtherCAT模块作为从站读取来自主站的数据，并进行数据解码，从而得到发往EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关下的仪器仪表或电气设备的数据报文；

2）中心处理模块对数据报文进行处理并进行拆包或组包处理，将处理后的数据报文发送Zigbee无线模块；

3）Zigbee无线模块将数据报文封装成Zigbee无线数据帧，然后通过空口发送给仪器仪表或电气设备上的Zigbee无线装置；

4）仪器仪表或电气设备上送采集数据的过程是上述过程的逆过程，即：由仪器仪表采集数据，并将采集后的数据交给Zigbee无线装置通过空口发送给协议转换装置上，协议转换装置中的Zigbee无线模块解码来自空口的Zigbee数据包，解析出采集的数据，该数据交给中心处理模块进行缓存、组包处理，并将处理后的数据包发送给EtherCAT模块，由EtherCAT模块进行EtherCAT报文封装，并将报文送入以太网总线发送给主站。