CN109428798B - 一种工业以太网与DeviceNet间的转换装置 - Google Patents

一种工业以太网与DeviceNet间的转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，包括：第一介质存储单元，收发工业以太网设备传输的上下报文；第二介质存储单元，收发DeviceNet设备设备传输的上下报文；及数据转换单元，分别接收、转换及处理所述第一介质存储单元和第二介质存储单元传输来的报文。本发明通过在DeviceNet设备与以太网设备之间增加一种高效的转换装置，来满足生产管理中对于DevciNet设备的高效管理、控制一体化问题。

Description

一种工业以太网与DeviceNet间的转换装置
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置。
背景技术
现场总线是应用在生产现场控制设备之间实现双向串行通信的***，也称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。
现场总线技术经过几十年的发展，已广泛应用于生活的各个领域，形成了多标准共存的局面，任何一种标准都无法完全取代提前标准。生产厂商为了提高产品的竞争力，在开发某种产品时开始寻求为其配备多种现场总线接口的方案，而用户在选用产品时也要考虑所选用的产品与整个***的兼容性及可扩展性。
现存的多种现场总线标准普遍存在数据传输率较低的情况，为此推出了基于工业以太网技术的多协议转换技术的解决方案。
工业以太网是在以太网的基础上定义的适用工业现场环境的应用层、用户层等高层协议构成的网络。工业以太网具有通讯速度高、基础节点多、底层协议标准统一等优点，并且具有广泛的市场前景。协议转换技术作为异种网络互连的关键技术，已经成为业内的研究热点，国内外公司根据市场前景，纷纷研制各种功能的协议转换装置。如：德国的SIEMENS公司基于Profibus的控制***中，实现控制层现场总线与管理层以太网的连接；美国Rockwell Automation公司在控制***中实现FF H1、ControlNet、DeviceNet、以太网等现场总线之间的互联；瑞典的HMS公司开发的AnyBus-X系列的工业以太网与现场总线协议转换器。浙大中控公司的开发的HART协议现场总线、FF H1现场总线与以太网的互连；北京鼎实创新科技公司开发的Profibus与CAN、MODBUS等现场总线的协议转换装置等。
工业以太网的发展和协议转换技术的发展均对现场总线技术起了推动作用，但是目前的一些研究和应用多是针对两种现场总线协议之间的转换，而且多是基于同种协议标准的协议之前的转换，而针对现场总线设备与工业以太网之间的协议转换的研究还有待于在理论和应用上进一步深化。
在现有技术中，如：MODBUS/TCP和设备网现场总线间的协议转换方法和装置；MODBUS/TCP与DeviceNet、PROFIBUS DP之间多协议转换方法和装置。这些技术仅适用于一台主设备和多个从设备的***，并且通过轮询方式来消除MAC层访问方式CSMA/CD的不确定性来提高实时性，但在很大程度上影响了网络速度，降低了实时性，而且轮询的访问方式效率并不高，不能满足用户实时性要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，包括：
第一介质存储单元，收发工业以太网设备传输的上下报文；
第二介质存储单元，收发DeviceNet设备设备传输的上下报文；及
数据转换单元，分别接收、转换及处理所述第一介质存储单元和第二介质存储单元传输来的报文。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述第一介质存储单元包括：
第一网络协议介质存储器件，处理来自工业以太网设备或上一节点的TCP/IP协议；
第二网络协议介质存储器件，处理来自下一节点的TCP/IP协议。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，第二介质存储单元包括：DeviceNet协议介质存取器件，与DeviceNet设备进行数据交换。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述数据转换单元包括：
第一网络协议处理器件，与所述第一网络协议介质存储器件及通讯，将接收来的TCP/IP协议解包，把TCP/IP数据按照约定的格式放入VME背板总线上；
第二网络协议处理器件，与所述第二网络协议介质存储器件通讯，将接收来的TCP/IP协议封装；
DeviceNet协议处理器件，分别与所述第一网络协议处理器件、第二网络协议处理器件和DeviceNet协议介质存取器件通讯，从所述VME背板总线上读取所需输入数据，并把输出数据放置在VME背板总线上。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述第一介质存储单元有四个工业以太网收发端口。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述四个端口包括：端口0、端口1、端口2和端口3，且按照端口0→端口2→端口3→端口1→端口0的固定顺序传输。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，本装置的一个数据帧由以太网帧头、以太网报文和帧校验序列FCS组成。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述以太网帧头包括：目的地址、源地址、帧类型和数据头。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述以太网报文包括若干个子报文。
进一步的，在所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置中，所述子报文包括子报文头、数据以及相应的工作计数器。
使用本发明的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，具有以下有益效果：本发明通过在DeviceNet设备与以太网设备之间增加一种高效的转换装置，来满足生产管理中对于DevciNet设备的高效管理、控制一体化问题。进一步的，通过现场总线物理层采用通讯效率较高的总线转换技术减少编解码，来提高现场总线数据转换以太网的效率及实时性问题。
附图说明
图1是工业以太网、DeviceNet设备及本发明转换装置的结构示意图；
图2是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的结构示意图；
图3是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的内部结构示意图；
图4是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的数据帧格式。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的复数个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示之。
请参考图1，其是工业以太网、DeviceNet设备及本发明转换装置的结构示意图。如图1所示，由于工业以太网数据帧可容量较多字节的数据，而DeviceNet设备数据仅为几个字节的数据，因此通过在工业以太网200和DeviceNet设备300间增加本发明的转换装置100，可实现一条以工业太网数据帧命令可控制多个DeviceNet设备300，来满足生产管理中对于DevciNet设备300的高效管理、控制一体化问题。
请参考图2，其是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的结构示意图。如图2所示，本发明提供一种工业以太网200与DeviceNet设备300间的转换装置100，包括：第一介质存储单元10、第二介质存储单元20及数据转换单元30；
所述第一介质存储单元10，有四个工业以太网收发端口，收发工业以太网200传输的上下报文；所述四个端口包括：端口0、端口1、端口2和端口3，且按照端口0→端口2→端口3→端口1→端口0的固定顺序传输，如果某个端口没有外部链接，则此端口关闭，数据帧会自动跳过此端口传输到下一个未关闭的端口。这种四端口的收发机制，使得本装置可以构成多种物理拓扑结构，如树型、线型和星型结构等，以便多种场合的使用。
所述第一介质存储单元10主要完成相应网络协议的收发控制，并不对网络协议的格式进行处理。是网络协议实现的物理媒介及***与外部通信媒介之间的接口，用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理。
所述第二介质存储单元20，收发DeviceNet设备300传输的上下报文；并不对CAN协议的格式进行处理，用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，即传输介质、媒体访问的控制与处理。
所述数据转换单元30，分别接收、转换及处理所述第一介质存储单元10和第二介质存储单元20传输来的报文。所述数据转换单元30拥有一条很高带宽的VME背部总线和内部交换矩阵。所述第一介质存储单元10和第二介质存储单元20均挂接在这条VME背部总线上，通过内部交换地址表，来有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。所述数据转换单元30包括三个控制芯片，两个用于完成开放互联模型中第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；另一个用于CAN协议的处理，执行DeviceNet设备300的寻址、数据访问等功能。所述数据转换单元30还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。所述数据转换单元30的内部交换地址表中，一条表项主要由ID地址和协议端口号组成。整张交换表的生产采用动态自学习的方法，既当所述数据转换单元30收到来第一介质存储单元10和第二介质存储单元20的数据包以后，将介质存储单元10中数据包的ID地址和第二介质存储单元20中数据包的协议端口号分别记录在交换地址表中。交换地址表有一个时间标记，如果在一定时间范围内地址表的的引用发生改变，它就会更新地址表。因此地址表所维护的一直是最有效和最精确的匹配信息。
请参考图3，其是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的内部结构示意图。如图3所示，所述第一介质存储单元10包括：第一网络协议介质存储器件101和第二网络协议介质存储器件102；其中，所述第一网络协议介质存储器件101处理来自工业以太网设备或上一节点的TCP/IP协议；所述第二网络协议介质存储器件102，处理来自下一节点的TCP/IP协议。所述第二介质存储单元20包括：DeviceNet协议介质存取器件201，与DeviceNet设备进行数据交换。所述数据转换单元30包括：第一网络协议处理器件301、第二网络协议处理器件302和DeviceNet协议处理器件303；其中，所述第一网络协议处理器件，与所述第一网络协议介质存储器件及通讯，将接收来的TCP/IP协议解包，把TCP/IP数据按照约定的格式放入VME背板总线上；所述第二网络协议处理器件，与所述第二网络协议介质存储器件通讯，将接收来的TCP/IP协议封装；所述DeviceNet协议处理器件，分别与所述第一网络协议处理器件、第二网络协议处理器件和DeviceNet协议介质存取器件通讯，从所述VME背板总线上读取所需输入数据，并把输出数据放置在VME背板总线上。
请参考图4，其是本发明工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置的数据帧格式。本装置的一个数据帧由以太网帧头、以太网报文和帧校验序列FCS组成。所述以太网帧头中目的地址指的是接收方MAC地址，源地址指的是发送方MAC地址，特殊帧类型为0X88A4，其中11位的数据长度指的是后续所有子报文长度的总和，4位的类型可使用1代表主站与从站间通信。数据部分可以包含若干个子报文，每个子报文由三部分组成，分别是子报文头、数据以及相应的工作计数器WKC。所述子报文即***的DevicNet的报文，包含信息头和数据两部分。
综上所述，本发明通过在DeviceNet设备与以太网设备之间增加一种高效的转换装置，来满足生产管理中对于DevciNet设备的高效管理、控制一体化问题。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并不用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，包括：
第一介质存储单元，收发工业以太网设备传输的上下报文；
第二介质存储单元，收发DeviceNet设备设备传输的上下报文；及
数据转换单元，分别接收、转换及处理所述第一介质存储单元和第二介质存储单元传输来的报文；
其中，所述数据转换单元具有VME背板总线，所述第一介质存储单元和所述第二介质存储单元均挂接在所述VME背板总线上，通过所述VME背板总线交换地址表；
所述第一介质存储单元有四个工业以太网收发端口，用于所述转换装置与工业以太网设备之间和/或两个所述转换装置之间数据的传输，所述四个端口包括：端口0、端口1、端口2和端口3，且按照端口0→端口2→端口3→端口1→端口0的固定顺序传输，若其中某一端口没有外部连接，则关闭，数据帧传输至下一端口；
所述第一介质存储单元包括：
第一网络协议介质存储器件，处理来自工业以太网设备或上一节点的TCP/IP协议；
第二网络协议介质存储器件，处理来自下一节点的TCP/IP协议；
第二介质存储单元包括：DeviceNet协议介质存取器件，与DeviceNet设备进行数据交换。
2.如权利要求1所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，所述数据转换单元包括：
第一网络协议处理器件，与所述第一网络协议介质存储器件及通讯，将接收来的TCP/IP协议解包，把TCP/IP数据按照约定的格式放入VME背板总线上；
第二网络协议处理器件，与所述第二网络协议介质存储器件通讯，将接收来的TCP/IP协议封装；
DeviceNet协议处理器件，分别与所述第一网络协议处理器件、第二网络协议处理器件和DeviceNet协议介质存取器件通讯，从所述VME背板总线上读取所需输入数据，并把输出数据放置在VME背板总线上。
3.如权利要求1所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，本装置的一个数据帧由以太网帧头、以太网报文和帧校验序列FCS组成。
4.如权利要求3所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，所述以太网帧头包括：目的地址、源地址、帧类型和数据头。
5.如权利要求3所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，所述以太网报文包括若干个子报文。
6.如权利要求5所述的工业以太网与DeviceNet设备间的转换装置，其特征在于，所述子报文包括子报文头、数据以及相应的工作计数器。
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