PROFIBUS-DP／MODBUS的網(wǎng)關結構設計

引 言
作為我國第一個工業(yè)通信領域現(xiàn)場總線技術國家標準的PROFIBUS現(xiàn)場總線，其應用范圍已經(jīng)相當廣泛，占有很大的市場份額。在PROFIBUS家族中，PROFIBUS－DP總線的應用最為廣泛。

國內(nèi)的一些廠商都在開發(fā)并相繼推出自己的現(xiàn)場總線系列產(chǎn)品。但是其FCS系列產(chǎn)品在快速接入主流現(xiàn)場總線系統(tǒng)中有一些阻力，所占市場份額比較小，其提供的系統(tǒng)設計方案大多還是在主推DCS系統(tǒng)。為了能夠快速接入主流現(xiàn)場總線，結合國家863課題，中國四聯(lián)儀器儀表集團有限公司與本教研室共同研發(fā)PROFIBUS－DP／MODBUS網(wǎng)關，以期實現(xiàn)其FCS系列輸入／輸出從站設備快速無縫接入PROFIBUS－DP網(wǎng)絡，并借此來提高其自動化設備的應用范圍。

1 系統(tǒng)的總體設計

MODBUS總線采用單主多從、查詢一回應的工作方式，具有結構簡單、可靠性高、受干擾的概率低、傳輸實時性能較好等優(yōu)點；但是MODBUS總線沒有路由器、網(wǎng)關等網(wǎng)絡互聯(lián)設備，網(wǎng)絡規(guī)模有限，大型組網(wǎng)能力和網(wǎng)絡處理能力較差。

本系統(tǒng)使采用MODBUS協(xié)議的現(xiàn)場設備無縫接入PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，以此來提高現(xiàn)場設備選擇的靈活性。這樣做不僅僅擴展了MODBUS網(wǎng)絡和PROFIBUS－DP網(wǎng)絡的互聯(lián)性，還大大降低了系統(tǒng)升級和更新?lián)Q代所需要的費用。

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。其關鍵部分是智能網(wǎng)關，它實現(xiàn)了協(xié)議之間的相互轉換，無縫鏈接PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)與MODBUS總線系統(tǒng)，使同一系統(tǒng)內(nèi)同時存在PROFIBUS－DP總線和MODBUS總線的設備，已經(jīng)存在和使用的設備不必做任何改變就能夠直接接入PROFIBUS－DP網(wǎng)絡。

其中，微控制器為中國四聯(lián)集團開發(fā)的主控制器，本智能網(wǎng)關在設計上為其預留了一個用于和主控制器進行通信的通信接口。底層的I／O模塊實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信號的檢測或控制執(zhí)行設備的運行。

2 PROFIBUS－DP／MODBUS網(wǎng)關結構設計

PROFIBUS－DP／MODBUS嵌入式網(wǎng)關硬件結構如圖2所示。按照功能模塊劃分，網(wǎng)關可以分為電源管理模塊、中央處理器模塊、PROFIBUS－DP從站模塊和RS485通信模塊。

本硬件設計要求串行口速率能夠達到921．6 kbps?；诖艘螅布脚_選用Philips公司的ARM7TDMI核的微處理器。電源管理模塊負責整套系統(tǒng)的電源供給。系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電源模塊的穩(wěn)定性能關系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換的功能。PROFIBUS－DP從站模塊的核心功能由協(xié)議芯片(VPC3+C)來實現(xiàn)，從站單元的配置和管理則由中央處理器模塊來完成。

中央處理器模塊除了實現(xiàn)對PROFIBUS－DP從站模塊的配置和管理外，還要完成MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)以及兩種協(xié)議數(shù)據(jù)交換協(xié)議棧的實現(xiàn)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，和外界進行通信的部分需要和系統(tǒng)在物理接口上進行電氣隔離，此處的3個通信接口都需要進行隔離。根據(jù)通信速度要求的不同，選擇磁耦芯片模塊完成PROFIBUS－DP通信的隔離兼物理層電平轉換功能；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的磁耦。和傳統(tǒng)的光耦比較，其轉換速度、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。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3．1 軟件總體結構設計

一般情況下，現(xiàn)場總線協(xié)議之間的轉換器可分為物理層的中繼器、MAC層的網(wǎng)橋及應用層的網(wǎng)關等幾種形式。中繼器方式需要更改底層硬件，網(wǎng)橋方式對應MAC層的協(xié)議轉換復雜，而網(wǎng)關的形式則使得原有網(wǎng)段的協(xié)議不需做任何改變，實現(xiàn)起來最為簡單。

本系統(tǒng)采用了網(wǎng)關形式，軟件總體流程如圖3所示，主要實現(xiàn)了PROFIBUS－DP協(xié)議芯片VPC3+C的驅(qū)動程序和MODBUS協(xié)議，同時在應用層實現(xiàn)了PROFIBUS－DP總線和MODBUS總線協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉換。MODB－US協(xié)議只是定義了消息域的格局和內(nèi)容的公共格式，具體的物理層及應用層可以由用戶根據(jù)需要定義。本網(wǎng)關MODBUS通信部分物理層采用標準的RS485總線，MAC協(xié)議是由軟件實現(xiàn)的。

CPU通過驅(qū)動VPC3+C來實現(xiàn)對PROFIBUS熔一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)議實現(xiàn)對下掛的輸入／輸出從站模塊的查詢操作；通過對輸入／輸出模塊的應答幀(或通信超時)進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PROFIBUS－DP的診斷域的數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)來對網(wǎng)關狀態(tài)(正常通信、報告錯誤或警告信息)進行控制。

3．2 網(wǎng)關協(xié)議棧設計

網(wǎng)關協(xié)議棧為MODBUS輸入／輸出模塊和PROFI－BUS－DP通信的橋梁。協(xié)議棧采用分層結構：PROFIBUS－DP通信層、協(xié)議映射層和MODDBUs I／O通信層。協(xié)議棧結構及報文處理流程如圖4所示。

(1)PROFIBUS－DP通信層

負責對VPC3+C通信狀態(tài)的監(jiān)控管理，按照一定的規(guī)則將PROFIBUS－DP總線通信收到的數(shù)據(jù)映射到CPU內(nèi)部的存儲器，供I／O通信層調(diào)用，完成輸出數(shù)據(jù)的更新；把I／O通信層的輸入數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則映射到CPU內(nèi)部的寄存器，在適當?shù)臅r候?qū)懭隫PC3+C的輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以完成輸入數(shù)據(jù)的更新。

(2)協(xié)議數(shù)據(jù)映射層

負責將I／O模塊映射為標準PROFIBUS－DP I／O模塊的工作，包括對下掛的I／O模塊類型和通信接口控制字的檢查；各輸入模塊通道輸入數(shù)據(jù)在PROFIBUS－DP輸入數(shù)據(jù)中起始位置及所占長度的管理；PROFIBUS－DP輸出數(shù)據(jù)向各輸出模塊通道輸出數(shù)據(jù)上的映射關系管理。

(3)MODBUS通信層

負責完成和下掛MODBUS從站I／O模塊的所有通信，包括讀取I／O模塊類型、讀取通道輸出值、設定通道輸出值和參數(shù)設置等工作；根據(jù)映射層提供的輸出數(shù)據(jù)映射關系，將PROFIBUS－DP的輸出數(shù)據(jù)在CPU存儲器里的映射數(shù)據(jù)更新到輸出模塊的相應通道上；讀取各輸入模塊的通道輸入值，給映射層提供輸入數(shù)據(jù)資源。

3．3 PROFIBUS－DP總線驅(qū)動

此網(wǎng)關PROFIBUS－DP部分采用協(xié)議芯片VPC3+C，其內(nèi)部含有4KB RAM，用戶可根據(jù)需要對其進行設置；有兩種微處理器接口，數(shù)據(jù)／地址總線復用或單獨操作。因為ARM核對外部RAM操作的速度較快，時序不能滿足VPC3+C的操作時序，因此這里不采用數(shù)據(jù)／地址總線復用的方式，而是用ARM的GPIO口來模擬VPC3+C的操作時序。在這里模擬的是其在Intel模式下內(nèi)部寄存器的讀寫時序。此驅(qū)動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)分別向上層應用提供了讀寫VPC3+C寄存器、對其初始化、復位操作及中斷的處理功能。其中對寄存器的讀寫操作是關鍵部分，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)。

3．4 MODBUS協(xié)議的實現(xiàn)

為增加信號傳輸?shù)木嚯x并提高抗干擾能力，MODB-US物理層采用標準的RS485通信。MODBUS協(xié)議實現(xiàn)軟件的流程如圖5所示。

為了提高協(xié)議處理報文的效率，并提供良好的擴展性能，定義了函數(shù)指針數(shù)組，用于MODBUS應用層的數(shù)據(jù)處理。函數(shù)指針數(shù)組指針按照模塊類型進行信息處理的導向。

3．5 協(xié)議數(shù)據(jù)的映射處理

此網(wǎng)關的主要任務是完成PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)和MODB-實現(xiàn)的流程US數(shù)據(jù)的相互轉換，為了保證數(shù)據(jù)的實時性采用單緩沖區(qū)技術來實現(xiàn)信息的及時更新。所謂“單緩沖區(qū)”，即不管是PROFIBUS-DP還是MODBUS中待轉換的數(shù)據(jù)，只保留當前最新的一幀?？紤]到現(xiàn)場通信的數(shù)據(jù)主要是數(shù)據(jù)的采集或模擬量的輸出，采用單個緩沖區(qū)不僅僅大大降低了對內(nèi)存的需求，而且可以保證通信的實時性。因為PROFIBUS-DP的正常通信需要組態(tài)的軟件和下掛模塊的硬件一致，才能保證系統(tǒng)的可靠運行。因此如何將MODBUS從站模塊合理地映射成PROFIBUS-DP的標準模塊很關鍵。這里根據(jù)模塊特點(類型、數(shù)字量／模擬量、通道數(shù)量等)定義了不同的通信接口控制字(CFG_DAT)。系統(tǒng)上電后，網(wǎng)關通過MODBUS功能碼0x11對下掛從站模塊進行類型及狀態(tài)查詢，并根據(jù)類型得到對應不同模塊的CFG_DAT。在PROFIBUS-DP進行通信接口配置(CFG_CHK)的過程中檢查下掛模塊的CFG_DAT和對主站硬件組態(tài)的模塊對應的CFG_DAT，并根據(jù)此來填充診斷數(shù)據(jù)。如果檢查通過，控制PROFIBUS-DP從站協(xié)議芯片進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)；否則主站在進行診斷數(shù)據(jù)請求(DIAG-REQ)的時候，將診斷數(shù)據(jù)報告給主站。此網(wǎng)關判斷的診斷信息包括：對應CFG_DAT錯誤的模塊地址、模擬量輸入MODBUS模塊的通道斷線標志。

3．6 關鍵技術研究

(1)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)映射——保證實時性

網(wǎng)關在對兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)進行映射的過程中，采用了一次性內(nèi)存拷貝技術和單緩沖區(qū)技術來盡快完成數(shù)據(jù)的處理且保證是最新數(shù)據(jù)，以此來保證數(shù)據(jù)傳輸在經(jīng)過網(wǎng)關時的實時性。

一次性內(nèi)存拷貝技術是指，網(wǎng)關從協(xié)議芯片內(nèi)部讀取到PROFIBUS-DP的輸出數(shù)據(jù)后，直接將存到的數(shù)據(jù)填充到MODBUS輸出幀內(nèi)；從MODBUS輸入模塊得到的數(shù)據(jù)直接填入到PROFIBUS-DP協(xié)議芯片的輸入緩沖區(qū)。這樣的方式可減少內(nèi)存拷貝過程中所耗費的時間。如上所述，網(wǎng)關單緩沖區(qū)技術也是為了保證數(shù)據(jù)是最新采用的。此網(wǎng)關連接的兩種設備的正常數(shù)據(jù)通信都是周期性的，且周期一般是固定不變的。如果MODBUS數(shù)據(jù)交換的周期小于PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)交換周期，則網(wǎng)關的緩存中只有1幀有效數(shù)據(jù)；如果MODBUS數(shù)據(jù)交換周期大于PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)交換周期，若采用鏈表保存PRO-FIBUS-DP的幀數(shù)據(jù)，則不管緩沖區(qū)的大小有多少，肯定導致緩沖區(qū)溢出，從而使PROFIBUS-DP的輸出數(shù)據(jù)不能即時更新到MODBUS從站的通道上進而影響系統(tǒng)的實時性。

(2)實時模塊通信檢查——保證可靠性

系統(tǒng)除了在上電之后對下掛的MODBUS模塊進行類型查詢并和PROFIBUS-DP主站組態(tài)模塊類型進行比較外，在進入正常數(shù)據(jù)交換之后，也會對模塊的狀態(tài)進行查詢，判斷模塊是否發(fā)生錯誤。錯誤標志是在網(wǎng)關和MODB-US從站進行通信過程中根據(jù)從站的回應幀來判斷的。在逐個檢查模塊錯誤標志后，如果沒有錯誤標識被置位，繼續(xù)正常通信過程；如果發(fā)現(xiàn)有錯誤標識被置位，則控制PRO-FIBUS-DP協(xié)議芯片離開數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，并且填充診斷信息。在此之后，不斷查詢MODBUS模塊類型，直至模塊類型和對PROFIBUS-DP主站組態(tài)數(shù)據(jù)一致為止，再控制PROFIBUS-DP協(xié)議芯片進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)。這樣采用實時查詢模塊是否出錯狀態(tài)的方式來保證軟件組態(tài)數(shù)據(jù)和硬件類型相一致，防止出現(xiàn)輸入／輸出數(shù)據(jù)的錯誤。

此網(wǎng)關系統(tǒng)中MODBUS協(xié)議是由軟件來實現(xiàn)的，考慮到需要定時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PROFIBUS-DP輸出數(shù)據(jù)的讀取采用查詢的方式而非中斷方式進行。這樣在PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)到來后不會打斷正在進行的MODBUS通信，尤其是在PROFIBUS-DP通信速率較高的情況下，這種設計的可靠性更加明顯。如果采用中斷的方式，在PRO-FIBUS-DP通信速率超過一定值，其勢必影響網(wǎng)關和MODBUS從站之間的通信(詳見下面性能分析部分)，嚴重時會導致MODBUS幀傳輸?shù)牟煌暾?，從而導致網(wǎng)關對MODBUS模塊通信狀態(tài)的誤判，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 網(wǎng)關測試結果

在規(guī)定的條件下，對通信次數(shù)進行計數(shù)，程序的每個掃描周期進行一次MODBUS數(shù)據(jù)輸入／輸出的更新；PROFIBUS-DP輸入／輸出數(shù)據(jù)的更新，則是在VPC3+C收到PROFIBUS-DP的輸出數(shù)據(jù)標志位置位后進行。對這兩種數(shù)據(jù)更新的次數(shù)進行計數(shù)，分別為Cmidbus和Cdp在PROFIBUS-DP通信速率(λdp)變化的情況下，實際測試數(shù)據(jù)如表1所列。

從表中可以看出，λdp=187．5 kbps時，Cdp=Cmodbus,實際上，此時已經(jīng)出現(xiàn)了PROFIBUS-DP丟包現(xiàn)象。這也解釋了上邊所提到的如果λdp超過一定值，若采用中斷方式處理PROFIBUS-DP的輸出數(shù)據(jù)，勢必影響正在進行的MODBUS的通信。

5 結 論

將中國四聯(lián)集團采用MODBUS協(xié)議的輸入／輸出從站設備無縫接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的智能通信網(wǎng)關的實現(xiàn)方案，有效地拓寬了其應用范圍。在硬件設計上，采用電源管理模塊實現(xiàn)網(wǎng)關的熱插拔功能；采用專用芯片解析PROFIBUS-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)設計、一次性內(nèi)存拷貝技術、實時模塊狀態(tài)查詢方式以及合理的中斷應用來保證系統(tǒng)的實時性和可靠性，還對網(wǎng)關的性能進行了測試和簡單計算，給出了保證不丟包所需要滿足的公式。為其他工業(yè)通信網(wǎng)關的設計提供了參考。