王雪迪，王 博，時(shí)廣軼，嚴(yán) 偉

(北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京 102627)

0 引言

現(xiàn)場總線是20 世紀(jì)80 年代中期發(fā)展起來的通信、控制技術(shù)，帶給20 世紀(jì)90 年代的工業(yè)控制領(lǐng)域一場革命。與其他工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)相比，現(xiàn)場總線采用串行通信方式，具有穩(wěn)定性高、布網(wǎng)簡單、設(shè)備開發(fā)周期快等優(yōu)點(diǎn)，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)。

自現(xiàn)場總線出現(xiàn)以來，工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)在出現(xiàn)之初都曾被廣泛應(yīng)用過，它們在不同的方面占據(jù)優(yōu)勢。隨著工業(yè)應(yīng)用場景的變化其他新型總線標(biāo)準(zhǔn)不斷出現(xiàn)。目前業(yè)內(nèi)大約存在著40種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，但絕大部分的市場份額被少數(shù)幾種總線標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)。

目前現(xiàn)場總線出現(xiàn)的這種多種標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)象，一方面是受到商業(yè)利益的驅(qū)使[1]，另一方面還存在客觀上的原因。新應(yīng)用場景、新技術(shù)層出不窮，至今仍沒有一種現(xiàn)存的現(xiàn)場總線能夠滿足所有應(yīng)用要求，用戶不得不根據(jù)自己的需要選擇不同的總線設(shè)備。不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)間不可互相通信，所以多種總線標(biāo)準(zhǔn)并存勢必會大大降低系統(tǒng)的組態(tài)性和靈活性，增加系統(tǒng)的后續(xù)改造升級難度。由此可見，提出實(shí)現(xiàn)一種不同現(xiàn)場總線間的協(xié)議轉(zhuǎn)換架構(gòu)，是一個(gè)具有較高使用價(jià)值的研究內(nèi)容，解決工業(yè)領(lǐng)域不同設(shè)備不同總線協(xié)議之間的通信問題，降低開發(fā)、組網(wǎng)成本。

國內(nèi)對協(xié)議轉(zhuǎn)換的研究與開發(fā)仍主要集中在現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)的開發(fā)，且大多采用通用嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性和確定性較差。戈瑞[2]實(shí)現(xiàn)了一種MODBUS 總線與CAN 總線的一對一的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，包括兩種總線協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和地址的互相尋址。轉(zhuǎn)換方案的硬件平臺采用DSP 和CAN 總線控制器實(shí)現(xiàn)，PC 作為MODBUS 主站，另一個(gè)DSP 和51 單片機(jī)以及CAN 控制器作為兩個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)。DSP 芯片集成了CAN 總線控制器。莊乾成等[3]實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線CAN 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，文獻(xiàn)中提到的協(xié)議轉(zhuǎn)換方案，是將CAN 總線幀中的數(shù)據(jù)或者以太網(wǎng)幀中的數(shù)據(jù)提取出來，再封裝進(jìn)目的協(xié)議幀中，沒有對網(wǎng)絡(luò)中的地址、錯(cuò)誤處理等部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。胥軍等[4]通過嵌入式的方式，采用ASPC2 專用PROFIBUS-DP 芯片實(shí)現(xiàn)了從PROFIBUS-DP 主站到MODBUS 從站的單向協(xié)議轉(zhuǎn)換。其中協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式是將MODBUS 的ADU 數(shù)據(jù)作為PROFIBUS-DP 數(shù)據(jù)鏈路層的DU 域從PROFIBUS-DP 發(fā)給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器再將DU 中的數(shù)據(jù)ADU 取走發(fā)給MODBUS 從站，僅實(shí)現(xiàn)了協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。LOU GUOHUAN 等[5]進(jìn)行了PROFIBUS和CAN 協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，建立了統(tǒng)一的報(bào)文格式和地址編址。硬件平臺采用ARM9 單片機(jī)S3C2410 作為主控芯片，使用Linux 操作系統(tǒng)。文獻(xiàn)中對PROFIBUS 和CAN協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換做了較為詳細(xì)的闡述，但是采用嵌入式操作系統(tǒng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性較差，且沒有對協(xié)議的錯(cuò)誤處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RONG YIN 等[6]進(jìn)行了統(tǒng)一的協(xié)議數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀中包括了da、sa、pr、fc 和df 共五段。設(shè)計(jì)了消息緩沖機(jī)制。一旦應(yīng)用層需要讀取現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，就向網(wǎng)關(guān)發(fā)送讀取命令消息。硬件平臺采用ARM11 微處理器s3c6410 為核心，采用嵌入式的處理方式，實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

綜合以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前對于協(xié)議轉(zhuǎn)換工作的研究，大多只對協(xié)議數(shù)據(jù)做重新封裝，將協(xié)議數(shù)據(jù)放入目的協(xié)議幀中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，部分研究進(jìn)行了較深入的協(xié)議轉(zhuǎn)換，編制了統(tǒng)一的地址，定義了統(tǒng)一的報(bào)文格式。但絕大多數(shù)的研究工作都沒有對協(xié)議的錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，協(xié)議的錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤響應(yīng)機(jī)制在協(xié)議組成中是至關(guān)重要的一部分，它能保證總線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行以及總線突發(fā)情況的正確及時(shí)處理，能夠極大地保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，所以對協(xié)議的錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤響應(yīng)機(jī)制的轉(zhuǎn)換，是協(xié)議轉(zhuǎn)換工作中重要的組成部分。其次絕大多數(shù)的研究工作采用的是嵌入式的處理方式，即由總線控制模塊和通用處理器組成，采用嵌入式軟件或基于Linux 操作系統(tǒng)的軟件平臺進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，受限于通用處理器的通用架構(gòu)和中斷處理等機(jī)制，以及操作系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制，總線協(xié)議幀接收以及轉(zhuǎn)換時(shí)間較長且不確定，協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)性較差，不能滿足工業(yè)4.0 對于通信實(shí)時(shí)性和確定性的要求。

1 協(xié)議轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)

1.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本協(xié)議轉(zhuǎn)換方案支持三種協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)、CAN 總線網(wǎng)絡(luò)、HART 總線網(wǎng)絡(luò)。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所不同。

1.1.1 MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有1 個(gè)MODBUS 主設(shè)備，MODBUS 從設(shè)備以及CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備、HART 從站，均是MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備。協(xié)議轉(zhuǎn)換器和其他MODBUS 從設(shè)備相同，通過MODBUS 物理層電路接入MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過CAN 總線的控制器和收發(fā)器與CAN 總線網(wǎng)絡(luò)連接；通過HART 總線的控制器和物理層電路與HART 總線網(wǎng)絡(luò)連接。

MODBUS 主設(shè)備可尋址網(wǎng)絡(luò)中的MODBUS 從設(shè)備以及CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備、HART 從站設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中的CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備、HART 從站設(shè)備轉(zhuǎn)接到MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只作為MODBUS 主設(shè)備的從站，可將MODBUS 主站請求的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)組ODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中。其中CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)接到MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備不可向其他CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 設(shè)備、HART 從站發(fā)送遙控幀請求數(shù)據(jù)；HART 從站設(shè)備轉(zhuǎn)接到MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不可向其他HART 從站和CAN 節(jié)點(diǎn)、MODBUS從設(shè)備發(fā)送命令幀請求數(shù)據(jù)。

1.1.2 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

協(xié)議轉(zhuǎn)換器和其他CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備相同，通過CAN 收發(fā)器電路接入CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過MODBUS 控制器和物理層電路與MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)連接；通過HART 總線的控制器和物理層電路與HART 總線網(wǎng)絡(luò)連接。

CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備，可向MODBUS 從設(shè)備和HART 從站發(fā)送遙控幀請求數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中的MODBUS 從設(shè)備、HART 從站設(shè)備轉(zhuǎn)接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只作為CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，不可發(fā)送遙控幀請求數(shù)據(jù)，可發(fā)送數(shù)據(jù)幀和錯(cuò)誤幀等其他幀類型。其中MODBUS從設(shè)備轉(zhuǎn)接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MODBUS 從設(shè)備不可向其他MODBUS 設(shè)備發(fā)送MODBUS 命令請求數(shù)據(jù)；HART從站設(shè)備轉(zhuǎn)接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不可向其他HART 從站和發(fā)送命令幀請求數(shù)據(jù)。

1.1.3 HART 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在HART 總線網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 HART 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有1 個(gè)HART 主站、1 個(gè)HART 第二主站，MODBUS 從設(shè)備以及CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備均是HART 總線網(wǎng)絡(luò)的從站。協(xié)議轉(zhuǎn)換器和其他HART 從站相同，通過HART 物理層電路接入HART 總線網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過CAN 總線的控制器和收發(fā)器與CAN 總線網(wǎng)絡(luò)連接；通過MODBUS 總線的控制器和物理層電路與MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)連接。

HART 主站可尋址網(wǎng)絡(luò)中的HART 從站以及CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)備、MODBUS 從設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中的CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備、MODBUS 從設(shè)備轉(zhuǎn)接到HART 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只作為HART網(wǎng)絡(luò)的從站，可將HART 主站請求的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)紿ART 總線網(wǎng)絡(luò)中。其中CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)接到HART 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備不可向其他CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 設(shè)備、HART 從站發(fā)送遙控幀請求數(shù)據(jù)；MODBUS 從設(shè)備轉(zhuǎn)接到HART 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不可向其他HART 從站和CAN 節(jié)點(diǎn)、MODBUS 從設(shè)備發(fā)送命令幀請求數(shù)據(jù)。

1.2 地址轉(zhuǎn)換

1.2.1 MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則要求給每個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備和HART 從設(shè)備分配一個(gè)8 位地址，且符合MODBUS 總線協(xié)議地址要求。對于HART 設(shè)備，要求使用長地址，且每個(gè)長地址對應(yīng)一個(gè)MODBUS總線地址，此MODBUS 總線地址在整個(gè)MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中唯一。對于CAN 設(shè)備，需要找到每個(gè)CAN 設(shè)備獨(dú)特的ID 號，獨(dú)特的ID 號表示只有本CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備可接收的ID 幀數(shù)據(jù)，其他CAN 設(shè)備不能接收此ID 幀數(shù)據(jù)，如果CAN 總線設(shè)備沒有獨(dú)特的ID 號，則需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的ID 號，專門用來被MODBUS 主設(shè)備尋址，然后將此ID 號對應(yīng)為一個(gè)MODBUS 總線地址。

1.2.2 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)

CAN 設(shè)備沒有主從之分，而是通過總線幀中的仲裁段ID 進(jìn)行仲裁，以獲取總線發(fā)送權(quán)。CAN 節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送遙控幀請求其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級要高于遙控幀。

當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)為每個(gè)MODBUS 從設(shè)備和HART 從站分配一個(gè)固定的CAN ID號，同時(shí)規(guī)定這些ID 號只能用來尋址MODBUS 從設(shè)備和HART 從站，其他CAN 節(jié)點(diǎn)不能回復(fù)此ID 幀數(shù)據(jù)，保證只有一個(gè)MODBUS 從設(shè)備或HART 從站回復(fù)此ID的協(xié)議幀。要求HART 采取長地址，也就是唯一地址，每一個(gè)長地址對應(yīng)一個(gè)CAN ID。

1.2.3 HART 總線網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在HART 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則要求HART網(wǎng)絡(luò)使用長地址模式，由于HART 設(shè)備的長地址是設(shè)備廠商出場時(shí)所附有的唯一地址，因此本轉(zhuǎn)換模塊工作的HART 總線網(wǎng)絡(luò)中MODBUS 總線和CAN 總線設(shè)備的地址為虛擬HART 長地址，僅滿足在本HART 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一即可。對于網(wǎng)絡(luò)中的MODBUS 設(shè)備，需要將每個(gè)MODBUS 設(shè)備的地址對應(yīng)為一個(gè)HART 長地址；對于網(wǎng)絡(luò)中的CAN 設(shè)備，需要將每個(gè)CAN 設(shè)備獨(dú)特的ID 號對應(yīng)為一個(gè)HART 長地址。

1.3 協(xié)議幀轉(zhuǎn)換

本部分定義一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將接收到的各協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行緩存，然后再將緩存的統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為目標(biāo)協(xié)議的幀格式發(fā)送出去。兩種協(xié)議幀之間的轉(zhuǎn)換，可以采用一對一的轉(zhuǎn)換方式，但這樣做的缺點(diǎn)在于每增加一種新的總線形式都需要針對其他總線類型進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性和兼容性較差。所以本方案定義一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，增加新的協(xié)議幀不需要再針對其他協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，只需要將新的協(xié)議幀轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式。

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

SAddr 代表源地址，DAddr 代表目的地址，Length 代表Data 字段長度，即字節(jié)數(shù)量；Timer_a 和Timer_b 用來存放時(shí)間戳信息，Type 表示原協(xié)議幀類型，Data 字段表示協(xié)議幀數(shù)據(jù)。

SAddr 和DAddr，如果原協(xié)議幀是CAN 總線協(xié)議幀，那么SAddr 和DAddr 均為CAN 協(xié)議幀中的ID 號；如果原協(xié)議幀是MODBUS 總線和HART 總線協(xié)議幀，那么SAddr 是發(fā)送協(xié)議幀的設(shè)備地址，DAddr 是目的地址。

Length，表示Data 字段的字節(jié)數(shù)量，長度為1 B。

Timer_a 和Timer_b，字段長度均為1 B，用于應(yīng)用層對鏈路層協(xié)議幀的實(shí)時(shí)性進(jìn)行控制，為了保證通信的實(shí)時(shí)性，應(yīng)在應(yīng)用層設(shè)計(jì)監(jiān)聽程序，對所有的數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)交換進(jìn)行監(jiān)聽與調(diào)度，利用此字段進(jìn)行時(shí)間約束。

Type，字段長度為1 B，表示原協(xié)議幀類型。

Data 為數(shù)據(jù)字段。如果原協(xié)議幀是MODBUS 總線協(xié)議幀，需要將MODBUS 總線協(xié)議幀的功能碼、數(shù)據(jù)段填入此Data 段。如果原協(xié)議幀是HART 總線協(xié)議幀，需要將HART 協(xié)議幀的命令字段、數(shù)據(jù)段填入此Data 段。如果原協(xié)議幀是CAN 總線協(xié)議幀，需要將CAN 協(xié)議幀的數(shù)據(jù)段填入此Data 段。

1.4 錯(cuò)誤通知轉(zhuǎn)換

1.4.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在CAN 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一方面需要將MODBUS 從設(shè)備和HART 從站的錯(cuò)誤響應(yīng)轉(zhuǎn)換為CAN總線的錯(cuò)誤響應(yīng)，另一方面，協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為發(fā)送設(shè)備應(yīng)發(fā)出錯(cuò)誤通知和作為接收設(shè)備檢測總線錯(cuò)誤。

當(dāng)CAN 總線設(shè)備發(fā)送遙控幀，請求MODBUS 從設(shè)備和HART 從站數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)送遙控幀的CAN 設(shè)備產(chǎn)生了位錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊中的CAN 控制器在接收到此類錯(cuò)誤時(shí)，不會將錯(cuò)誤的遙控幀轉(zhuǎn)換后發(fā)給MODBUS 從設(shè)備和HART 從站，同時(shí)按照CAN 協(xié)議規(guī)范向總線發(fā)送錯(cuò)誤通知。如果轉(zhuǎn)換模塊接收到遙控幀，檢測到總線上的遙控幀的填充錯(cuò)誤或CRC 錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊的CAN 控制器產(chǎn)生錯(cuò)誤通知，不會將錯(cuò)誤的遙控幀轉(zhuǎn)換后發(fā)給MODBUS 從設(shè)備和HART 從站。如果CAN設(shè)備的遙控幀成功發(fā)送給MODBUS 從設(shè)備和HART 從站后，MODBUS 從設(shè)備和HART 從站回復(fù)錯(cuò)誤響應(yīng)給轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊將不會向CAN 設(shè)備發(fā)出錯(cuò)誤幀，這是由于CAN 協(xié)議的錯(cuò)誤通知均是在協(xié)議幀正在發(fā)送過程中進(jìn)行上報(bào)，轉(zhuǎn)換模塊成功接收遙控幀后，不能再上報(bào)CAN 協(xié)議錯(cuò)誤通知。

如果MODBUS 從設(shè)備和HART 從站回復(fù)校驗(yàn)錯(cuò)誤，或HART 設(shè)備回復(fù)組幀錯(cuò)誤，那么轉(zhuǎn)換模塊將再次發(fā)送命令幀給MODBUS/HART 設(shè)備回復(fù)，并設(shè)定最大重復(fù)次數(shù)；如果MODBUS 從設(shè)備和HART 從站回復(fù)地址錯(cuò)誤，或MODBUS 設(shè)備回復(fù)非法功能錯(cuò)誤等其他應(yīng)用層錯(cuò)誤，那么轉(zhuǎn)換模塊將錯(cuò)誤響應(yīng)幀轉(zhuǎn)換為CAN 協(xié)議的ACK幀，將錯(cuò)誤信息放入data 字段，回復(fù)給CAN 設(shè)備。

如果CAN 設(shè)備的遙控幀成功發(fā)送給MODBUS 從設(shè)備和HART 從站后，MODBUS 從設(shè)備和HART 從站回復(fù)正確的響應(yīng)幀，轉(zhuǎn)換模塊將響應(yīng)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CAN 總線上，如在發(fā)送過程中產(chǎn)生位錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、ACK 錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊將按照CAN 協(xié)議要求進(jìn)行錯(cuò)誤通知與重發(fā)操作，如果CAN 接收設(shè)備檢測到響應(yīng)幀的填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、CRC 錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊在檢測到錯(cuò)誤通知后進(jìn)行錯(cuò)誤響應(yīng)與重發(fā)操作。

1.4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在MODBUS 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要將CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站的錯(cuò)誤響應(yīng)轉(zhuǎn)換為MODBUS 總線的異常響應(yīng)。當(dāng)MODBUS 主站發(fā)送的命令幀請求CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站回復(fù)時(shí)，如果轉(zhuǎn)換模塊接收到的命令幀CRC 校驗(yàn)錯(cuò)誤或奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，轉(zhuǎn)換模塊不會將此幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站，同時(shí)轉(zhuǎn)換模塊回復(fù)異常響應(yīng)PDU 至MODBUS 主站設(shè)備。

如果轉(zhuǎn)換模塊接收到正確的MODBUS 主站命令PDU，轉(zhuǎn)換模塊將命令PDU 轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站，CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的鏈路層錯(cuò)誤，按照相應(yīng)協(xié)議要求，在CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站和轉(zhuǎn)換模塊之間進(jìn)行錯(cuò)誤響應(yīng)與錯(cuò)誤處理，不會將錯(cuò)誤通知發(fā)送到MODBUS 網(wǎng)絡(luò)中；CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的應(yīng)用層錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊將錯(cuò)誤碼轉(zhuǎn)換成MODBUS 協(xié)議中規(guī)定的錯(cuò)誤代碼，回復(fù)異常響應(yīng)PDU 至MODBUS 主站。

1.4.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在HART 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器工作在HART 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要將CAN節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備的錯(cuò)誤響應(yīng)轉(zhuǎn)換為HART 總線的錯(cuò)誤響應(yīng)。當(dāng)HART 主站發(fā)送的命令幀請求CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備回復(fù)時(shí)，如果轉(zhuǎn)換模塊接收到的命令幀奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊不會將此幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備，同時(shí)轉(zhuǎn)換模塊回復(fù)異常響應(yīng)幀至HART 主站設(shè)備。

如果轉(zhuǎn)換模塊接收到正確的HART 主站命令PDU，轉(zhuǎn)換模塊將命令PDU 轉(zhuǎn)換后發(fā)送至CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS從設(shè)備，CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的鏈路層錯(cuò)誤，按照相應(yīng)協(xié)議要求，在CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備和轉(zhuǎn)換模塊之間進(jìn)行錯(cuò)誤響應(yīng)與錯(cuò)誤處理，不會將錯(cuò)誤通知發(fā)送到HART網(wǎng)絡(luò)中；CAN 節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的應(yīng)用層錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換模塊將錯(cuò)誤碼轉(zhuǎn)換成HART 協(xié)議中規(guī)定的錯(cuò)誤代碼，回復(fù)錯(cuò)誤響應(yīng)PDU 至HART 主 站。

1.5 總線速度匹配

本部分主要解決兩個(gè)傳輸速率差距較大的總線網(wǎng)絡(luò)之間的通信問題。當(dāng)傳輸速率高的總線網(wǎng)絡(luò)向速率低的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令請求數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率差距較大，應(yīng)答設(shè)備通過速率較低的網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送應(yīng)答幀，發(fā)出命令的設(shè)備可能會出現(xiàn)等待應(yīng)答超時(shí)的錯(cuò)誤。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在HART 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)，由于HART 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率最低，傳輸速率為1 200 b/s，HART 主站向CAN節(jié)點(diǎn)和MODBUS 從設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，不會出現(xiàn)等待超時(shí)的錯(cuò)誤。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在MODBUS 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)，傳輸速率可選較低的9 600 b/s。MODBUS 主設(shè)備向CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，由于CAN 總線的傳輸速率最高可達(dá)1 Mb/s，因此不會出現(xiàn)等待超時(shí)錯(cuò)誤；MODBUS 主設(shè)備向HART 從站發(fā)送命令時(shí)，經(jīng)計(jì)算，即使HART 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為9 600 b/s，也能滿足MODBUS 總線協(xié)議要求的應(yīng)答間隔低于3.5 個(gè)字符時(shí)間，所以不會出現(xiàn)等待超時(shí)錯(cuò)誤。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在CAN 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如果CAN 網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率是最高的1 Mb/s，則與其他兩種總線傳輸速率差距很大，但是由于CAN 總線協(xié)議只規(guī)定了鏈路層傳輸規(guī)范，沒有定義應(yīng)答超時(shí)的錯(cuò)誤機(jī)制。為解決此狀態(tài)下的總線速度不匹配問題，可采取以下兩種方式：(1)在CAN 網(wǎng)絡(luò)上定義的應(yīng)用層，其應(yīng)答間隔定義時(shí)長能滿足總線速度差異產(chǎn)生的傳輸間隔。采用這種方式，缺點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率較低，浪費(fèi)了CAN 網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬；優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)難度較小。(2)采取異步數(shù)據(jù)緩存的方法。在總線網(wǎng)絡(luò)空閑階段，轉(zhuǎn)換模塊不斷向HART/MODBUS 設(shè)備請求關(guān)鍵數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換模塊將此數(shù)據(jù)預(yù)存到緩沖區(qū)內(nèi)，并不斷刷新，當(dāng)CAN 設(shè)備請求HART/MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，可將緩沖區(qū)內(nèi)預(yù)存的數(shù)據(jù)回復(fù)給CAN 設(shè)備。采用這種方式，優(yōu)點(diǎn)是能夠及時(shí)響應(yīng)CAN 設(shè)備的請求，傳輸效率高，缺點(diǎn)是請求的數(shù)據(jù)類型受限，這是由于在總線空閑期間，轉(zhuǎn)換模塊不斷向HART/MODBUS 設(shè)備請求的數(shù)據(jù)，并不能覆蓋所有的設(shè)備數(shù)據(jù)類型，如果不斷請求所有的設(shè)備數(shù)據(jù)類型，會占用較大的緩沖區(qū)空間。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

協(xié)議轉(zhuǎn)換的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件架構(gòu)圖

協(xié)議轉(zhuǎn)換部分共包括rec_buffer、tran_buffer、addr_conver、frame_conver、error_conver、discriminator 共6 個(gè)模塊；filedbus_controller 模塊是三種總線控制器模塊；apb_reg和intr 模塊為本硬件架構(gòu)的配置模塊。

2.1 filedbus_controller 模塊

此模塊中集成了3 種總線協(xié)議控制器，用來接收來自總線物理層的協(xié)議串行數(shù)據(jù)。當(dāng)filedbus_controller 模塊接收到總線物理層上的數(shù)據(jù)，需要將物理層的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)據(jù)，并將字節(jié)數(shù)據(jù)存入到rec_buffer 中。其中MODBUS 總線協(xié)議幀輸出地址域、功能碼和數(shù)據(jù)字段，不輸出CRC 校驗(yàn)字段；CAN 總線協(xié)議幀輸出仲裁段的11 bit CAN ID、控制端的4 bit DLC(數(shù)據(jù)長度)和數(shù)據(jù)段；HART 總線協(xié)議幀輸出定界符、地址段、擴(kuò)展字段、DLL 載荷段(command、octet count、data)。

2.2 緩存模塊

rec_buffer 模塊、tran_buffer 模塊完成的是總線協(xié)議幀的緩存工作，2 個(gè)緩存模塊均采用異步FIFO 實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)IFO寬度是1 B，深度為256 B，之所以將FIFO 深度設(shè)計(jì)為256 B，是因?yàn)槿N協(xié)議幀幀長最長是256 B，而CAN 總線協(xié)議和HART 總線協(xié)議的協(xié)議幀中均有數(shù)據(jù)長度或者幀長度字段，所以需要預(yù)先緩存整個(gè)協(xié)議幀，才能獲得實(shí)際的數(shù)據(jù)長度或者幀長度。rec_buffer 模塊緩存接收到的上游原始協(xié)議幀數(shù)據(jù)，tran_buffer 模塊緩存協(xié)議轉(zhuǎn)換后的協(xié)議幀數(shù)據(jù)。

2.3 addr_conver 模塊

此模塊主要完成的是協(xié)議轉(zhuǎn)換中的協(xié)議地址轉(zhuǎn)換工作。模塊內(nèi)含有一個(gè)地址映射表，此地址映射表中含有原協(xié)議網(wǎng)絡(luò)地址和目標(biāo)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)地址的映射關(guān)系，表格可通過外部總線維護(hù)。

映射表中的每一項(xiàng)的前半部分是原協(xié)議幀的地址，后半部分是目標(biāo)協(xié)議地址。由于不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，其原協(xié)議幀地址和目標(biāo)協(xié)議地址長度均不相同，因此，需要根據(jù)轉(zhuǎn)換判斷模塊輸出的指示信號，進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換查找。

2.4 frame_conver 模塊

frame_conver 模塊原理圖如圖6 所示，模塊內(nèi)含有6個(gè)不同的轉(zhuǎn)換電路模塊，根據(jù)選擇信號，來判斷原協(xié)議幀將進(jìn)入哪個(gè)轉(zhuǎn)換電路模塊。選擇信號由4 bit 位寬的信號組成，高2 bit 用來表示原數(shù)據(jù)幀總線類型，低2 bit用來表示目標(biāo)總線類型，數(shù)據(jù)分配器將依據(jù)此信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。

圖6 frame_conver 模塊原理圖

當(dāng)MODBUS 總線協(xié)議幀向CAN 總線協(xié)議和HART總線協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，MODBUS 總線協(xié)議幀中的命令字段和數(shù)據(jù)字段需填到CAN 總線協(xié)議幀或HART 總線協(xié)議幀的數(shù)據(jù)字段；當(dāng)CAN 總線協(xié)議幀向MODBUS 總線協(xié)議和HART 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，CAN 總線協(xié)議幀中的數(shù)據(jù)字段填到MODBUS 總線協(xié)議幀或HART 總線協(xié)議幀的數(shù)據(jù)字段；當(dāng)HART 總線協(xié)議幀向MODBUS 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，HART 總線協(xié)議幀中的命令字段填到MODBUS 總線協(xié)議幀中的命令字段，數(shù)據(jù)字段填到MODBUS 總線協(xié)議幀的數(shù)據(jù)字段，當(dāng)HART 總線協(xié)議幀向CAN 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)，HART 總線協(xié)議幀中的命令字段和數(shù)據(jù)字段填到CAN 總線協(xié)議幀的數(shù)據(jù)字段。

2.5 error_conver 模塊

此模塊主要完成原協(xié)議幀無錯(cuò)誤的被轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)協(xié)議設(shè)備后，目標(biāo)協(xié)議設(shè)備回復(fù)的協(xié)議幀出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)的轉(zhuǎn)換工作。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從站將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的鏈路層錯(cuò)誤，按照相應(yīng)協(xié)議要求，在CAN 節(jié)點(diǎn)和HART從站和轉(zhuǎn)換模塊之間進(jìn)行錯(cuò)誤響應(yīng)與錯(cuò)誤處理，不會將錯(cuò)誤通知發(fā)送到MODBUS 網(wǎng)絡(luò)中；HART 從站將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的應(yīng)用層錯(cuò)誤，本模塊需要將HART 總線協(xié)議定義的錯(cuò)誤碼轉(zhuǎn)換為MODBUS總線協(xié)議規(guī)定的異常響應(yīng)碼，然后將錯(cuò)誤幀發(fā)送給filedbus_controller 模塊中的MODBUS 總線控制器。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作在HART 總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MODBUS 總線從設(shè)備將響應(yīng)幀發(fā)送至轉(zhuǎn)換模塊的過程中產(chǎn)生的應(yīng)用層錯(cuò)誤，本模塊需要將MODBUS 總線協(xié)議定義的一場響應(yīng)碼轉(zhuǎn)換為HART 總線協(xié)議規(guī)定的錯(cuò)誤碼，然后將此錯(cuò)誤碼發(fā)送給filedbus_controller 模塊中的HART 總線控制器。

3 仿真驗(yàn)證

圖7 展示了MODBUS 總線協(xié)議傳輸測試，由仿真圖可以看出MODBUS 總線控制器數(shù)據(jù)收發(fā)正常，波特率配置、奇偶校驗(yàn)配置正常，能進(jìn)行正?？偩€通信。

圖7 MODBUS 總線協(xié)議仿真圖

圖8 展示了HART 總線協(xié)議傳輸測試，由仿真圖可以看出HART 總線控制器數(shù)據(jù)收發(fā)正常，中斷產(chǎn)生正常，能進(jìn)行正常的總線通信。

圖8 HART 總線協(xié)議仿真圖

FPGA 原型驗(yàn)證原理圖如圖9 所示，本現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器內(nèi)集成了三種總線控制器，所以僅需要連接三種總線的物理層芯片，即可接入到三種總線網(wǎng)絡(luò)中。

圖9 FPGA 原型驗(yàn)證原理圖

圖9 展示的是轉(zhuǎn)換器工作在MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中，MODBUS 物理層采用的是RS232 芯片，轉(zhuǎn)換器通過RS232接入到MODBUS 總線網(wǎng)絡(luò)中，MODBUS 主站向MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送協(xié)議幀尋址CAN 節(jié)點(diǎn)或者HART 從設(shè)備，轉(zhuǎn)換器通過RS232 接收MODBUS 總線協(xié)議幀，然后將轉(zhuǎn)換后的協(xié)議幀通過CAN 收發(fā)器和HART 調(diào)制解調(diào)電路發(fā)送至相應(yīng)的總線網(wǎng)絡(luò)中，CAN 節(jié)點(diǎn)和HART 從設(shè)備在相應(yīng)的總線網(wǎng)絡(luò)中接收轉(zhuǎn)換后的協(xié)議幀。

4 結(jié)論

本文介紹了MODBUS 總線、CAN 總線和HART 總線三種總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換原理，并依據(jù)此轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件架構(gòu)，硬件架構(gòu)集成有總線控制器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及配置模塊。采用硬件電路并行處理總線數(shù)據(jù)，進(jìn)行總線協(xié)議幀轉(zhuǎn)換，仿真驗(yàn)證表明實(shí)現(xiàn)了三種總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間短且具有確定性。