CN107948059A - 基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关 - Google Patents

基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关 Download PDF

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邢计元
杨文龙
赵乾伟
南扬
范文斌
张彪
刘云龙
霍书侠
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Abstract

本发明提供一种基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，所述网关包括：EtherCAT从站控制器，与至少两个EtherCAT通信接口连接，用于处理EtherCAT从站物理层和数据链路层协议；RS‑485接口电路，用于对Modbus‑RTU协议数据帧与485信号数据帧进行双向转换处理；SPARC架构微处理器，用于与通过通信总线连接的EtherCAT从站控制器和通过串口通信连接的RS‑485接口电路进行双向通信并将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS‑485接口电路的Modbus‑RTU主站应用层协议进行通信转换。本发明能够最大程度的提高安全性以及生产自主控制能力、进一步扩大了通信适用范围，并大幅度减少成本。

Description

基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关
技术领域
本发明涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关。
背景技术
目前，以太网控制自动化技术(Ethernet Control Automation Technology，以下简称EtherCAT)最初是在2003年由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH)基于以太网技术提出的一种实时工业以太网技术，该技术不仅具有高速和高数据有效率的特点，还具有控制周期短、网络实时性高、拓扑结构灵活多样、配置简便等优点，上述优点使其市场占有率和客户认可度不断提高。该技术采用主从式结构，主站具有总线控制权，主站按照控制周期下发报文，数据帧遍历所有的从站设备，每个从站设备在数据帧经过时寻址到本站报文，根据数据帧中的命令写入数据或者读入数据到报文中指定位置。直到数据帧访问到整个总线中的最后一个从站。
同时，Modbus-RTU是由MoDICon公司开发的一种通讯协议，并且Modbus技术作为自动化工业领域的使用最广泛的现场总线标准。Modbus同样也是一种“主-从”结构***，实现一个主设备与多个从设备进行通讯。Modbus-RTU从站设备一般都是现场仪表设备，所有的现场仪表设备都通过RS485接口相连。当Modbus-RTU主站设备想要从一个从站设备中得到数据时候，主站设备就会发送一条包含该设备地址、所需数据以及一个用于检测错误的求和校验码的信息。网络上的所有其他设备都可以看到这一条信息，但只有地址被指定的从站设备才会做出反应。
但是，在工业现场中，不同的工业总线设备组成各自的总线网络进行通讯，不同的总线设备之间无法直接进行数据交互，给工业现场使用带来了不便。
发明内容
本发明提供的基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，能够最大程度的提高安全性以及生产自主控制能力、进一步扩大了通信适用范围，并大幅度减少成本。
第一方面，本发明提供一种基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，包括：
EtherCAT从站控制器，与至少两个EtherCAT通信接口连接，用于处理EtherCAT从站物理层和数据链路层协议；
RS-485接口电路，用于对Modbus-RTU协议数据帧与485信号数据帧进行双向转换处理；
SPARC架构微处理器，用于与通过通信总线连接的EtherCAT从站控制器和通过串口通信连接的RS-485接口电路进行双向通信并将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485接口电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换。
可选地，所述SPARC架构微处理器包括：
转换控制模块，用于将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485驱动电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换；
中断响应模块，用于接收由EtherCAT从站控制器产生的IRQ中断信号，并根据所述中断信号执行IRQ中断进程。
可选地，所述转换控制模块包括：
第一协议转换模块，用于读写EtherCAT从站协议数据包并对所述数据包进行解析处理，然后将EtherCAT从站协议数据包解析后的有效数据转换成Modbus-RTU协议数据帧并输出至RS-485接口电路；
第二协议转换模块，用于收发Modbus-RTU协议数据帧并对所述数据帧进行解析处理，然后将Modbus-RTU协议数据帧解析后的有效数据转换成EtherCAT从站协议数据包并输出至EtherCAT从站控制器。
可选地，所述网关还包括：
SRAM，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储SPARC架构微处理器运行的程序和数据信息；
Flash，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储启动SPARC架构微处理器所需加载的程序，所述EtherCAT从站应用层协议和Modbus-RTU协议栈的配置信息、以及所述Modbus-RTU主站应用层协议和EtherCAT协议栈的配置信息。
可选地，所述网关还包括：
EEPROM，通过IIC总线与所述EtherCAT从站控制器连接，用于存储所述EtherCAT从站控制器的配置信息。
可选地，所述RS-485接口电路包括：
RS-485驱动电路，分别与SPARC架构微处理器和RS-485接口连接，用于将所述SPARC架构微处理器的Modbus-RTU协议数据帧以RS485信号发送，或者读取Modbus-RTU从站设备经RS-485接口发送的485信号以Modbus-RTU协议数据帧发送至SPARC架构微处理器进行解析处理；
RS-485接口，用于收发RS-485信号。
可选地，所述RS-485接口电路还包括：
光耦隔离器，分别与RS-485驱动电路和SPARC架构微处理器连接，用于隔离485芯片的通信引脚和SPARC架构微处理器的串口引脚。
可选地，所述EtherCAT从站控制器与EtherCAT通信接口通过EBUS低压差分传输线连接，并在所述EBUS低压差分传输线上设置工模、差模电感。
本发明实施例提供的基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，所述网关主要采用SPARC V8架构32位国产微处理器，通过并行总线与EtherCAT从站控制器ET1100通信，并通过串口与RS485接口电路连接进行Modbus-RTU数据帧收发，进而利用SPARC架构微处理器对所述EtherCAT从站应用层协议和Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换，实现将Modbus网络并入EtherCAT网路，有利于设备的集中控制，提高自动化的效率。
同时，本发明通过采用SPARC V8架构32位国产微处理器，一方面所述SPARC V8架构微处理器采用寄存器窗口结构，函数调用速度快，同时SPARC V8架构是开源架构，因此，使用该架构微处理器可实现设计与生产完全自主化；另一方面，还进一步的提高信息安全，实现完全自主可控。
综上所述，本发明所述网关最大程度的提高安全性以及生产自主控制能力、进一步扩大了通信适用范围，并大幅度减少成本。
附图说明
图1为本发明一实施例基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关的结构示意图；
图2为本发明另一实施例基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，如图1所示，所述网关包括：
EtherCAT从站控制器11，与至少两个EtherCAT通信接口连接，用于处理EtherCAT从站物理层和数据链路层协议；
RS-485接口电路12，用于对Modbus-RTU协议数据帧与485信号数据帧进行双向转换处理；
SPARC架构微处理器13，用于与通过通信总线连接的EtherCAT从站控制器和通过串口通信连接的RS-485接口电路进行双向通信并将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485接口电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换。
本发明实施例提供的基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，所述网关主要采用SPARC V8架构32位国产微处理器，通过并行总线与EtherCAT从站控制器ET1100通信，并通过串口与RS485接口电路连接进行Modbus-RTU数据帧收发，进而利用SPARC架构微处理器对所述EtherCAT从站应用层协议和Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换，实现将Modbus网络并入EtherCAT网路，有利于设备的集中控制，提高自动化的效率。
同时，本实施例通过采用SPARC V8架构32位国产微处理器，一方面所述SPARC V8架构微处理器采用寄存器窗口结构，函数调用速度快，同时SPARC V8架构是开源架构，因此，使用该架构微处理器可实现设计与生产完全自主化；另一方面，还进一步的提高信息安全，实现完全自主可控。
综上所述，本实施例所述网关最大程度的提高安全性以及生产自主控制能力、进一步扩大了通信适用范围，并大幅度减少成本。
可选地，如图2所示，所述SPARC架构微处理器13包括：
转换控制模块131，用于将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485驱动电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换；
中断响应模块132，用于接收由EtherCAT从站控制器产生的IRQ中断信号，并根据所述中断信号执行IRQ中断进程。
可选地，所述转换控制模块131包括：
第一协议转换模块1311，用于读写EtherCAT从站协议数据包并对所述数据包进行解析处理，然后将EtherCAT从站协议数据包解析后的有效数据转换成Modbus-RTU协议数据帧并输出至RS-485接口电路；
第二协议转换模块1312，用于收发Modbus-RTU协议数据帧并对所述数据帧进行解析处理，然后将Modbus-RTU协议数据帧解析后的有效数据转换成EtherCAT从站协议数据包并输出至EtherCAT从站控制器。
具体的，本实施例所述SPARC架构微处理器13的第一协议转换模块1311通过并行总线响应EtherCAT从站控制器ET1100的从站协议数据包，并将数据包解析并处理打包成Modbus-RTU协议数据帧格式，输出至RS-485接口电路；
所述SPARC架构微处理器13的第二协议转换模块1312通过串口响应RS-485接口电路的Modbus-RTU协议数据帧，并将数据帧解析处理打包成从站协议数据包格式，输出至EtherCAT从站控制器；进而实现EtherCAT从站控制器与RS-485接口电路之间的双向互联互通，使得所述网关能够智能化适应EtherCAT协议和Modbus协议。
同时，SPARC架构微处理器13与EtherCAT从站控制器ET1100之间除了并行通信接口外，还包括ET1100_IRQ中断信号；其中，所述ET1100_IRQ中断信号由EtherCAT从站控制器ET1100产生给SPARC架构微处理器13的IRQ2中断，是EtherCAT从站控制器ET1100应用层事件中断及时钟同步中断信号，SPARC架构微处理器13的中断响应模块通过此中断信号响应EtherCAT通信的各种应用层事件；进而提高了所述网关的工作安全和工作效率。
可选地，所述网关还包括：
SRAM14，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储SPARC架构微处理器运行的程序和数据信息；
Flash15，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储启动SPARC架构微处理器所需加载的程序，所述EtherCAT从站应用层协议和Modbus-RTU协议栈的配置信息、以及所述Modbus-RTU主站应用层协议和EtherCAT协议栈的配置信息。
具体的，本实施例中所述SPARC架构微处理器13通过16位数据地址总线外扩静态随机存取存储器SRAM和闪存只读存储器FLASH。
可选地，所述网关还包括：
EEPROM16，通过IIC总线与所述EtherCAT从站控制器连接，用于存储所述EtherCAT从站控制器的配置信息。
可选地，所述RS-485接口电路12包括：
RS-485驱动电路121，分别与SPARC架构微处理器和RS-485接口连接，用于将所述SPARC架构微处理器的Modbus-RTU协议数据帧以RS485信号发送，或者读取Modbus-RTU从站设备经RS-485接口发送的485信号以Modbus-RTU协议数据帧发送至SPARC架构微处理器进行解析处理；
RS-485接口122，用于收发RS-485信号。
可选地，所述RS-485接口电路12还包括：
光耦隔离器123，分别与RS-485驱动电路和SPARC架构微处理器连接，用于隔离485芯片的通信引脚和SPARC架构微处理器的串口引脚。
具体的，本实施例中所述RS-485接口电路12中通过在RS-485驱动电路121与SPARC架构微处理器设置光耦合隔离器123，一方面提高了所述网关的***抗电磁干扰能力；另一方面还实现Modbus-RTU通信现场侧与网关***侧的电气隔离，从而提高从站***抗电磁干扰的能力。
同时，所述RS-485接口电路还通过在485差分传输线上设置TVS管和终端分压电阻，进一步提高了所述网关通信的抗干扰能力。
可选地，所述EtherCAT从站控制器与EtherCAT通信接口通过EBUS低压差分传输线连接，并在所述EBUS低压差分传输线上设置工模、差模电感。
具体的，本实施例中在EtherCAT从站控制器与EtherCAT通信接口之间的EBUS低压差分传输线上设置共模、差模电感，进一步提高所述网关抗共模、差模电磁干扰的能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于SPARC架构微处理器的EtherCAT与Modbus协议转换网关，其特征在于，包括：
EtherCAT从站控制器，与至少两个EtherCAT通信接口连接，用于处理EtherCAT从站物理层和数据链路层协议；
RS-485接口电路，用于对Modbus-RTU协议数据帧与485信号数据帧进行双向转换处理；
SPARC架构微处理器，用于与通过通信总线连接的EtherCAT从站控制器和通过串口通信连接的RS-485接口电路进行双向通信并将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485接口电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换。
2.根据权利要求1所述的网关，其特征在于，所述SPARC架构微处理器包括：
转换控制模块，用于将所述EtherCAT从站控制器的EtherCAT从站应用层协议与所述RS-485驱动电路的Modbus-RTU主站应用层协议进行通信转换；
中断响应模块，用于接收由EtherCAT从站控制器产生的IRQ中断信号，并根据所述中断信号执行IRQ中断进程。
3.根据权利要求2所述的网关，其特征在于，所述转换控制模块包括：
第一协议转换模块，用于读写EtherCAT从站协议数据包并对所述数据包进行解析处理，然后将EtherCAT从站协议数据包解析后的有效数据转换成Modbus-RTU协议数据帧并输出至RS-485接口电路；
第二协议转换模块，用于收发Modbus-RTU协议数据帧并对所述数据帧进行解析处理，然后将Modbus-RTU协议数据帧解析后的有效数据转换成EtherCAT从站协议数据包并输出至EtherCAT从站控制器。
4.根据权利要求1-3任一所述的网关，其特征在于，所述网关还包括：
SRAM，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储SPARC架构微处理器运行的程序和数据信息；
Flash，与所述SPARC架构微处理器连接，并用于存储启动SPARC架构微处理器所需加载的程序，所述EtherCAT从站应用层协议和Modbus-RTU协议栈的配置信息、以及所述Modbus-RTU主站应用层协议和EtherCAT协议栈的配置信息。
5.根据权利要求4所述的网关，其特征在于，所述网关还包括：
EEPROM，通过IIC总线与所述EtherCAT从站控制器连接，用于存储所述EtherCAT从站控制器的配置信息。
6.根据权利要求1-5任一所述的网关，其特征在于，所述RS-485接口电路包括：
RS-485驱动电路，分别与SPARC架构微处理器和RS-485接口连接，用于将所述SPARC架构微处理器的Modbus-RTU协议数据帧以RS485信号发送，或者读取Modbus-RTU从站设备经RS-485接口发送的485信号以Modbus-RTU协议数据帧发送至SPARC架构微处理器进行解析处理；
RS-485接口，用于收发RS-485信号。
7.根据权利要求6所述的网关，其特征在于，所述RS-485接口电路还包括：
光耦隔离器，分别与RS-485驱动电路和SPARC架构微处理器连接，用于隔离485芯片的通信引脚和SPARC架构微处理器的串口引脚。
8.根据权利要求1-7任一所述的网关，其特征在于，所述EtherCAT从站控制器与EtherCAT通信接口通过EBUS低压差分传输线连接，并在所述EBUS低压差分传输线上设置工模、差模电感。
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