基于PROFIBUS-DP从站的现场总线多协议转换网关研究

摘要

现场总线以其具有开放性、可操作性、实时性等特点而被广泛应用于现代工业控制领域，并成为生产企业实现信息化的重要途径。而然，由于历史原因和应用领域的不同，实际生产中存在着多种总线标准共存的局面。不同标准的现场总线之间无法直接互联，这不但加大了企业在原有设备基础上进行技术升级的难度，同时也阻碍了不同总线间的信息交互，不利于企业的信息化发展。因此，研究不同标准的现场总线之间的互联变得迫切和具有实际意义。
　　 本课题将PROFIBUS-DP、CAN总线和工业以太网等目前使用较广的几种现场总线作为研究对象，通过分析各类现场总线的协议和通信模型，提出了基于协议帧转换的现场总线协议转换方法。并根据该方法设计相应的协议转换网关，实现多协议转换。在研究中，PROFIBUS-DP总线作为主网络，其它总线设备作为接入的从站设备，因此协议转换网关主要基于PROFIBUS-DP从站进行设计开发
　　 文章首先介绍了各主流现场总线的技术特点，并重点研究和分析了PROFIBUS-DP总线、CAN总线、以太网和RS232的工作方式，协议帧结构。然后，结合网关要实现的功能进行多协议转换网关软硬件的设计。为了提高网关性能并降低设计难度，硬件系统采用了高性能的ARM9处理器作为控制核心，使用专门的现场总线协议芯片进行各总线通信接口的设计。最后的协议转换网关的软件设计则是在前面协议帧设计和转换方法研究的基础上进行的，是整个网关设计的重点。文章阐述了软件的设计目标和框架，介绍Linux操作系统的特点，以及相关设备驱动的开发，并分析协议转换在Linux系统下的实现方式，相关任务的调度和通信。
　　 在实验室的环境下，利用虚拟设备模拟了协议转换网关的应用环境，对网关各总线接口的数据通信进行测试。试验结果表明该网关可以较好的实现CAN总线设备、RS232设备与PROFIBUS-DP主站的通信，以及主站和上层以太网的通信。