PROFI BUS-DP／MODBUS的网关结构设计

引 言
作为我国第一个工业通信领域现场总线技术国家标准的PROFIBUS现场总线，其应用范围已经相当广泛，占有很大的市场份额。在PROFIBUS家族中，PROFIBUS－DP总线的应用最为广泛。
国内的一些厂商都在开发并相继推出自己的现场总线系列产品。但是其FCS系列产品在快速接入主流现场总线系统中有一些阻力，所占市场份额比较小，其提供的系统设计方案大多还是在主推DCS系统。为了能够快速接入主流现场总线，结合国家863课题，中国四联仪器仪表集团有限公司与本教研室共同研发PROFIBUS－DP／MODBUS网关，以期实现其FCS系列输入／输出从站设备快速无缝接入PROFIBUS－DP网络，并借此来提高其自动化设备的应用范围。

1 系统的总体设计
MODBUS总线采用单主多从、查询一回应的工作方式，具有结构简单、可靠性高、受干扰的概率低、传输实时性能较好等优点；但是MODBUS总线没有路由器、网关等网络互联设备，网络规模有限，大型组网能力和网络处理能力较差。
本系统使采用MODBUS协议的现场设备无缝接入PROFIBUS－DP现场总线系统，以此来提高现场设备选择的灵活性。这样做不仅仅扩展了MODBUS网络和PROFIBUS－DP网络的互联性，还大大降低了系统升级和更新换代所需要的费用。
系统总体结构如图1所示。其关键部分是智能网关，它实现了协议之间的相互转换，无缝链接PROFIBUS－DP现场总线系统与MODBUS总线系统，使同一系统内同时存在PROFIBUS－DP总线和MODBUS总线的设备，已经存在和使用的设备不必做任何改变就能够直接接入PROFIBUS－DP网络。

其中，微控制器为中国四联集团开发的主控制器，本智能网关在设计上为其预留了一个用于和主控制器进行通信的通信接口。底层的I／O模块实现工业现场信号的检测或控制执行设备的运行。

2 PROFIBUS－DP／MODBUS网关结构设计
PROFIBUS－DP／MODBUS嵌入式网关硬件结构如图2所示。按照功能模块划分，网关可以分为电源管理模块、中央处理器模块、PROFIBUS－DP从站模块和RS485通信模块。

本硬件设计要求串行口速率能够达到921．6 kbps。基于此要求，硬件平台选用Philips公司的ARM7TDMI核的微处理器。电源管理模块负责整套系统的电源供给。系统的稳定运行和电源模块的稳定性能关系密切，此处设计的电源模块兼有热插拔和电压转换的功能。PROFIBUS－DP从站模块的核心功能由协议芯片(VPC3+C)来实现，从站单元的配置和管理则由中央处理器模块来完成。
中央处理器模块除了实现对PROFIBUS－DP从站模块的配置和管理外，还要完成MODBUS协议的实现以及两种协议数据交换协议栈的实现。为了提高系统的抗干扰能力，和外界进行通信的部分需要和系统在物理接口上进行电气隔离，此处的3个通信接口都需要进行隔离。根据通信速度要求的不同，选择磁耦芯片模块完成PROFIBUS－DP通信的隔离兼物理层电平转换功能；用双通道磁耦隔离芯片来完成另外两路串行口通信的隔离。这两款芯片都采用了最新的基于芯片尺寸的变压器隔离技术的磁耦。和传统的光耦比较，其转换速度、瞬态共模抑制能力、功耗、尺寸及成本等方面均有很明显的优势。

3 系统的软件设计
3．1 软件总体结构设计
一般情况下，现场总线协议之间的转换器可分为物理层的中继器、MAC层的网桥及应用层的网关等几种形式。中继器方式需要更改底层硬件，网桥方式对应MAC层的协议转换复杂，而网关的形式则使得原有网段的协议不需做任何改变，实现起来最为简单。
本系统采用了网关形式，软件总体流程如图3所示，主要实现了PROFIBUS－DP协议芯片VPC3+C的驱动程序和MODBUS协议，同时在应用层实现了PROFIBUS－DP总线和MODBUS总线协议数据帧的转换。MODB－US协议只是定义了消息域的格局和内容的公共格式，具体的物理层及应用层可以由用户根据需要定义。本网关MODBUS通信部分物理层采用标准的RS485总线，MAC协议是由软件实现的。

CPU通过驱动VPC3+C来实现对PROFIBUS熔一DP通信过程的控制，包括通信接口检查、正常和发生故障情况下诊断数据的发送及数据交换等过程；通过MODBUS协议实现对下挂的输入／输出从站模块的查询操作；通过对输入／输出模块的应答帧(或通信超时)进行分析来判断模块的状态以及模块的通道状态；根据模块状态信息填充PROFIBUS－DP的诊断域的数据，并以此为依据来对网关状态(正常通信、报告错误或警告信息)进行控制。
3．2 网关协议栈设计
网关协议栈为MODBUS输入／输出模块和PROFI－BUS－DP通信的桥梁。协议栈采用分层结构：PROFIBUS－DP通信层、协议映射层和MODDBUs I／O通信层。协议栈结构及报文处理流程如图4所示。

(1)PRO