一种工业无线网关装置及其协议转换方法
【专利摘要】本发明涉及一种工业无线网关装置及其协议转换方法，包括双CPU微处理器模块、Profibus-DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块；所述双CPU微处理器模块由CPU1微处理器、CPU2微处理器和双口RAM存储器组成，所述Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成；本发明很好的实现了ZigBee无线网络和有线工业网络技术的相互结合；简化了软件编程的复杂程度，大大提高了系统的工作效率；有效的解决了因Profibus-DP网络与ZigBee网络速率不匹配而产生数据丢失、通信中断等问题。
【专利说明】
一种工业无线网关装置及其协议转换方法
技术领域
[0001]本发明涉及工业通信技术领域，尤其涉及一种工业无线网关装置及其协议转换方法。
【背景技术】
[0002]随着工业自动化的飞速发展，现场总线技术在工业通信领域发挥着举足轻重的作用，特别是Profibus现场总线以其实时性好、稳定性高等优点在我国成为发展速度最快的现场总线之一。但当工业环境恶劣或现场终端设备过于分散时，布线困难成为现场总线技术中不可避免的问题。近年来，物联网技术快速发展，与此相关的无线传感器网络ZigBee技术也得到了飞速发展，ZigBee技术以其可靠性高、低成本、低功耗、布局灵活等众多优势，越来越受到工业通信领域的重视。如果将ZigBee无线终端节点代替传统的执行器或传感器，接入Profibus现场总线网络组成可移动的混合网络，便可以解决上述现场总线布线困难等问题。因此为了解决这种兼容性，研究Prof ibus现场总线与ZigBee之间协议转换的工业无线网关是非常有必要的。现有技术中，如专利为“PR0FIBUS-DP工业现场总线与无线ZIGBEE之间的协议转换装置和方法”和论文“Prof ibus总线的无线网关设计”都介绍了 Prof ibus-DP现场总线与ZigBee无线传感器网络之间的协议转换方法，但这些技术研究都采用单CPU的硬件结构，单个CHJ不仅要完成对两种通信网络的控制，还要完成两种网络的数据交换及协议转换，使得CPU负担过重，软件嵌套复杂，这样必然影响网关协议转换的速率，不能满足现场总线的实时性要求。
[0003]
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种工业无线网关装置及其协议转换方法，该装置内置两个CPU微处理器，分别对Prof ibus-Dp现场总线网络和ZigBee无现场感器网络的数据进行控制与处理，并通过双口 RAM连接，实现数据的共享和交换。本发明可靠性高、实时性强、软件编程简单，很好的实现了无线网络和有线工业网络技术的相互融合。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现:
一种工业无线网关装置及其协议转换方法，包括双CPU微处理器模块、Prof ibus-DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块;所述双CPU微处理器模块由CPUl微处理器、CPU2微处理器和双口 RAM存储器组成，所述Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成。
[0006]进一步地，所述双CPU微处理器模块为中心，所述双CPU微处理器模块两端分别与Prof ibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接;所述CPUl微处理器通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片连接;所述SPC3协议芯片通过光耦隔离电路与RS485驱动器连接，所述RS485驱动器与Prof ibus_DP现场总线网络连接，所述Prof ibus_DP总线通信模块作为Prof ibus网络的DP从站，可以与Prof ibus_DP主站进行通信;所述CPU2微处理器通过UART串口与CC2530芯片连接，所述ZigBee通信模块作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信，所述CPUl微处理器与CPU2微处理器通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口 RAM存储器的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换;所述电源管理模块分别与双CHJ处理器模块、Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接，为三个模块提供所需的工作电源。
[0007]进一步地，该网关在Prof ibus-DP网络一侧作为DP从站，在ZigBee网络一侧作为协调器，其工作原理是CPUl微处理器和CPU2微处理器并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块的数据进行控制与处理，并通过双口 RAM连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。
[0008]进一步地，所述双口RAM被划分为数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，所述数据发送缓冲区存放的是Profibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，所述数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Prof ibus-DP网络发送的数据;所述CPUl微处理器只能对双口 RAM的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，所述CPU2微处理器只能对双口 RAM的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作，因此数据发送缓冲区和接收缓冲区都是单输入单输出的缓冲区，这样把双口RAM划分成为不同的数据区域可以避免双方存取数据时发生冲突。
[0009]进一步地，所述双口RAM—般通过硬件仲裁或中断仲裁方式来避免数据冒险问题，为了保证系统的实时性，本发明采用双口 RAM的中断仲裁方式来通知对方CPU进行数据交换和协议转换，具体工作步骤如下:
步骤一:对CPUl微处理器和CPU2微处理器进行初始化，并对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块进行初始化。
[0010]步骤二:CPU2微处理器内建立地址映射表。在Prof ibus通信中，主站是通过地址信息与从站进行通信，ZigBee网络中也是用网络地址来区分不同的设备，因此可以通过Prof ibus-DP设备地址与ZigBee节点网络地址的绑定来实现主从站之间的地址定向。其实现方式是:ZigBee协调器建立网络并允许ZigBee节点加入网络后，协调器会根据网络拓扑结构为每一个ZigBee节点分配网络地址，ZigBee节点在被分配网络地址后将其发送给协调器，再通过串口发送给CPU2微处理器，这样就可以在CPU2微处理器内建立一张ZigBee节点网络地址和Prof ibus-DP设备地址相对应的地址映射表，当发生设备断电导致网络地址改变时，只需要及时更新地址映射表就可以保证设备的正常通信。
[0011]步骤三:SPC3协议芯片等待Profibus-DP主站对其进行参数设置、组态设置，新地址设置等。SPC3根据接受到的不同的报文，通过中断的方式通知CPUl微处理器进行以上事件处理，当这些工作全部完成后，主站就可以循环的与从站交换用户数据。
[0012]步骤四:进入数据交换阶段。首先CPUl微处理器查询是否收到Profibus-DP主站发送来的数据，如果是，则将Profibus-DP数据帧放入双口 RAM的发送缓冲区，并对双口 RAM的右端中断信箱进行写操作，向CPU2微处理器发/INTR中断。同时CPU2微处理器查询是否收到ZigBee通信模块发送来的数据，如果收到数据，则查询ZigBee网络与Prof ibus-DP网络对应的地址映射表，并对ZigBee数据帧进行分析并重新打包成符合Prof ibus_DP协议的数据包，存入双口 RAM的接收缓冲区。
[0013]步骤五:若CPU2微处理器收到中断事件，响应/INTR中断，读出双口 RAM发送缓冲区的Prof ibus-DP数据帧后，对Prof ibus-DP数据帧进行分析并重新打包成符合ZigBee协议的数据包，并查询Prof ibus-DP网络与ZigBee网络对应的地址映射表，发送给ZigBee网络里地址相对应的ZigBee节点，最后对双口RAM的右端中断信箱进行读操作，清除中断。同时对双口 RAM的左端中断信箱进行写操作，向CPUl微处理器发/INTL中断。
[0014]步骤六:若CPUl微处理器收到中断事件，响应/INTL中断，读出双口RAM接收缓冲区内已经打包好的数据帧后，发送给Prof ibus-DP主站，最后对双口 RAM的左端中断信箱进行读操作，清除中断。这样该系统就完成了一次完整的数据交换和协议转换过程，之后再返回步骤四，进入下一轮的数据交换。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下突出特点和显著进步:
1、面对现场总线技术因工业现场环境恶劣而无法布线时，引入了ZigBee无线传感器技术，很好的实现了 ZigBee无线网络和有线工业网络技术的相互结合。
2、本发明采用双CPU的硬件结构，使得两个CPU并行工作，互不干扰，既减轻了CPU的工作负担，也简化了软件编程的复杂程度，大大提高了系统的工作效率。
[0016]3、通过双口 RAM的中断冲裁方式实现两个CPU的高速通信，有效的解决了因Prof ibus-DP网络与ZigBee网络速率不匹配而产生数据丢失、通信中断等问题。
[0017]
【附图说明】
[0018]图1是本发明一种工业无线网关装置的硬件结构图。
[0019]图2是图1中Profibus-DP总线通信模块的电路连接图。
[0020]图3是图1中双CPU微处理器模块和ZigBee通信接口模块的电路连接图。
[0021]图4是本发明一种工业无线网关装置及其协议转换方法流程图。
[0022]图5是CPUl微处理器4与CPU2微处理6通过双口 RAM实现数据交换的工作时序图。
[0023]图中:1、RS485驱动器，2、光耦隔离电路，3、SPC3协议芯片，4、CPU1微处理器，5、双口RAM存储器，6、CHJ2，7、ZigBee通信模块，8、双CPU微处理器模块，9、电源管理模块，10、Prof ibus-DP总线通信模块。
[0024]
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]请参阅图1-5，图1是本发明一种工业无线网关装置的硬件结构图；图2是图1中Prof ibus-DP总线通信模块的电路连接图；图3是图1中双CPU微处理器模块和ZigBee通信接口模块的电路连接图；图4是本发明一种工业无线网关装置及其协议转换方法流程图；图5是CPUl微处理器4与CPU2微处理6通过双口 RAM实现数据交换的工作时序图。
[0027]一种工业无线网关装置及其协议转换方法，包括双CPU微处理器模块8、Prof ibus-DP总线通信模块10、ZigBee通信模块7和电源管理模块9。其中，双CPU微处理器模块8由CPUl微处理器4、CPU2微处理器6和双口 RAM存储器5组成，Prof ibus-DP总线通信模块10由SPC3协议芯片3、光耦隔离电路2和RS485驱动器I组成，ZigBee通信模块7由CC2530芯片和相关外围电路组成。
[0028]所述CPU微处理器模块8为中心，两端分别与Prof ibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7连接。CPUl微处理器4通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片3连接，SPC3协议芯片3通过光耦隔离电路2与RS485驱动器I连接，RS485驱动器I与Prof ibus-DP现场总线网络连接，Prof ibus-DP总线通信模块10作为Prof ibus网络的DP从站，可以与Prof ibus-DP主站进行通信。CPU2微处理器6通过UART串口与CC2530芯片连接，ZigBee通信模块7作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信。CPUl微处理器4与CPU2微处理器6通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口 RAM存储器5的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。电源管理模块9分别与双CHJ处理器模块8、Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7连接，为三个模块提供所需的工作电源。
[0029]所述CPUl微处理器与CPU2微处理器为SOC单片机C8051F021，这种单片机与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。标准的8051单片机执行一个单周期指令需要12个系统时钟周期，而C8051F021执行一个单周期指令只需要一个系统时钟周期。
[0030]所述双口 RAM存储器5选用高速1K*8双口静态RAM的IDT7130芯片，SPC3协议芯片3是西门子公司生产的Prof ibus-DP协议芯片，CC2530芯片是TI公司生产的支持ZigBee协议栈的片上系统芯片(SOC)。
[0031]所述Pofi bus-DP总线通信接口模块1的电路连接如图2所示，由SPC3协议芯片3、光耦隔离电路2和RS485驱动器I组成。SPC3协议芯片3的8位数据/低8位地址端DB[7…0]、高8位地址端AB[7…O]和中断信号端X/INT与CPUl微处理器4相对应的8位数据/低8位地址端?3[7‘"0]、高8位地址端?2化"0]和中断信号端/1阶0连接，3?03协议芯片3的读信号端父1?、写信号端XWR和地址锁存信号端ALE与CPUl微处理器4相对应的读信号端/RD、写信号端/WR和地址锁存信号端ALE连接，SPC3协议芯片的串行发送端TXD、接收端RXD和请求发送端RTS与光耦隔离电路2相对应的串行接收端RXD、发送端TXD和请求发送端RTS连接;光耦隔离电路2的串行发送端TXDl、接收端RXDl和请求发送端RTSl和RS485驱动器I的相对应的串行接收端RXDl、发送端TXDl和请求发送端RTSl连接;RS485驱动器I与Profibus-DP现场总线网络连接。
[0032]所述双CPU微处理器模块8的电路连接如图3所示，由CPUl微处理器4、CPU2微处理器6和双口 RAM存储器5组成。CPUl微处理器4的8位数据端P3 [ 7…O ]与双口 RAM存储器5相对应的8位数据端D7L-D0L连接，CPUl微处理器4的低8位地址端P3[7…O]通过锁存器与双口RAM存储器5相对应的低8位地址端A7L-A0L连接，CPUl微处理器4的高2位地址端P2[ I…O]与双口 RAM存储器5相对应的高2位地址端A9L-A8L连接，CPUl微处理器4的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INTl、1/0口P2.2端与双口RAM存储器5相对应的输出使能端/0EL、读写使能端R/WL、中断信号端/INTL和/CEL片选端连接;CPU2微处理器6的8位数据端P0[7…O]与双口 RAM存储器5相对应的8位数据端D7R-D0R连接，CPU2微处理器6的低8位地址端P3[7…O ]通过锁存器与双口 RAM存储器5相对应的低8位地址端A7R-A0R连接，CPU2微处理器6的高2位地址端P2[卜_0]与双口RAM存储器5相对应的高2位地址端A9R-A8R连接，CPU2微处理器6的读信号端/RD、写信号端/WR、中断信号端/INTO、I/O口P2.2端与双口RAM存储器5相对应的的输出使能端/OER、读写使能端R/WR、中断信号端/INTR和/CER片选端连接。
[0033]所述ZigBee通信接口模块7的电路连接如图3所示，由CC2530芯片和相关外围电路组成。CC2530芯片的接收端RXD、发送端TXD连接与CPU2微处理器6相对应的发送端TXD、接收端RXD连接。该网关在Profibus-DP网络一侧作为DP从站，在ZigBee网络一侧作为协调器，其工作原理是CPUl微处理器4和CPU2微处理器6并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7的数据进行控制与处理，并通过双口 RAM存储器5连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。其中，双口RAM存储器5被划分为两个区域，包括数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，数据发送缓冲区存放的是Profibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Profibus-DP网络发送的数据。CPUl微处理器4只能对双口 RAM存储器5的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，而CPU2微处理器6只能对双口 RAM存储器5的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作，因此数据发送缓冲区和接收缓冲区都是单输入单输出的缓冲区，这样把双口RAM存储器5划分成为不同的数据区域可以避免双方存取数据时发生冲突。
[0034]作为本似乎用新型一个较佳的实施例，双口RAM—般通过硬件仲裁或中断仲裁方式来避免数据冒险问题，为了保证系统的实时性，本发明采用双口 RAM的中断仲裁方式来通知对方CPU进行数据交换和协议转换，具体工作步骤参阅图2所示:
步骤一:对CPUl微处理器4和CPU2微处理器6进行初始化，并对Profibus-DP总线通信模块10和ZigBee通信模块7进行初始化。
[0035]1)CPU1微处理器4和CPU2微处理器6的初始化主要包括看门狗、I/O口、中断寄存器和一些变量的初始化，CPU2微处理器6还需要初始化UART串口。
[0036]2)Profibus-DP总线通信模块10的初始化主要指SPC3协议芯片3的初始化，包括配置需要的寄存器，设置协议芯片的中断允许，写入从站识别ID号的地址，设置SPC3方式寄存器，设置诊断缓冲器、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区、初始化长度，并根据以上初始化值得到给个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针，根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针。
[0037]3)ZigBee通信模块7的初始化主要指ZigBee协调器CC2530的初始化，包括系统时钟、I/o 口、定时器等硬件模块的初始化和操作系统的初始化。
[0038]步骤二:CPU2微处理器6内建立地址映射表。在Profibus通信中，主站是通过地址信息与从站进行通信，ZigBee网络中也是用网络地址来区分不同的设备，因此可以通过Prof ibus-DP设备地址与ZigBee节点网络地址的绑定来实现主从站之间的地址定向。其实现方式是:ZigBee协调器建立网络并允许ZigBee节点加入网络后，协调器会根据网络拓扑结构为每一个ZigBee节点分配网络地址，ZigBee节点在被分配网络地址后将其发送给协调器，再通过串口发送给CPU2微处理器6，这样就可以在CPU2微处理器6内建立一张ZigBee节点网络地址和Prof ibus-DP设备地址相对应的地址映射表，当发生设备断电导致网络地址改变时，只需要及时更新地址映射表就可以保证设备的正常通信。
[0039]步骤三:SPC3协议芯片3等待Prof ibus-DP主站对其进行参数设置、组态设置，新地址设置等。SPC3协议芯片3根据接受到的不同的报文，通过中断的方式通知CPUl微处理器4进行以上事件处理，当这些工作全部完成后，主站就可以循环的与从站交换用户数据。
[0040]I)参数设置。包括从站类型、从站标识号、参数数据长度、参数数据、从站地址等，这些必须与网关的设备数据库文件(GSD)里描述的一致。当CPUl微处理器4接收到新的参数报文时，会与SPC3协议芯片3初始化设置的实际参数进行比较，如果相同时DP从站才接收此报文。
[0041]2)组态设置。包括从站的输入/输出数据的格式及长度，如果与SPC3协议芯片3初始化时设置的实际通信接口配置一致，网关会给主站发送应答报文，主站再请求网关的诊断数据，以查明网关是否准备好进行用户数据交换。由于ZigBee终端节点数据类型比较多，为每种节点类型配置一次输入/输出数据的格式及长度会比较麻烦，在这里需要定义每个ZigBee节点的数据结构相同。
[0042]3)新地址设置。考虑到Prof ibus-DP总线上可能挂多个无线网关装置，网关地址的从站地址需设置成允许用户修改的模式。
[0043]步骤四:进入数据交换阶段。首先CPUl微处理器4查询是否收到Prof ibus-DP主站发送来的数据，如果是，则将Prof ibus-DP数据帧放入双口 RAM存储器5的发送缓冲区，并对双口 RAM存储器5的03FF单元进行写操作，向CPU2微处理器6发/INTR中断。同时CPU2微处理器6查询是否收到ZigBee通信模块7发送来的数据，如果收到数据，则查询ZigBee网络与Prof ibus-DP网络对应的地址映射表，并对ZigBee数据帧进行分析并重新打包成符合Prof ibus-DP协议的数据包，存入双口 RAM存储器5的接收缓冲区。
[0044]本实施例中选用的IDT7130双口RAM的容量为1K，因此两个最高存储单元03FE和03FF被用作双口RAM中断工作时的中断信箱，其中03FE为左端口中断信箱，03FF为右端口中断信箱，此处并不限于双口 RAM的容量大小，可以选择存储容量更大的双口 RAM。
[0045]步骤五:若CPU2微处理器6收到中断事件，响应/INTR中断，读出双口 RAM存储器5发送缓冲区的Prof ibus-DP数据帧后，对Prof ibus-DP数据帧进行分析并重新打包成符合ZigBee协议的数据包，并查询Prof ibus-DP网络与ZigBee网络对应的地址映射表，发送给ZigBee网络里地址相对应的ZigBee节点，最后对双口 RAM存储器5的03FF单元进行读操作，清除中断。同时对双口 RAM存储器5的03FE单元进行写操作，向CPUl微处理器4发/INTL中断。
[0046]步骤六:若CPUl微处理器4收到中断事件，响应/INTL中断，读出双口 RAM存储器5接收缓冲区内已经打包好的数据帧后，发送给Prof ibus-DP主站，最后对双口 RAM的03FE单元进行读操作，清除中断。这样该系统就完成了一次完整的数据交换和协议转换过程，之后再返回步骤四，进入下一轮的数据交换。
[0047]CPUl微处理器4与CPU2微处理器6通过双口 RAM存储器5实现数据交换的时序图如图3所示，时序图的波形只是示意性的，具体时间长度与两个CPU微处理器的速度，Profibus-DP总线和ZigBee网络的数据传输速率、数据传输长度，以及ZigBee节点个数和节点数据采集频率等特性有关。
[0048]在步骤三的组态设置里规定，为了方便主站对网关的通信接口配置，定义每个ZigBee节点的输入/输出数据的格式及长度完全相同。本实施例假定ZigBee网络里有三种不同传感器(温度、压力、湿度)的ZigBee终端节点准备与Profibus-DP主站进行通信，因此设计每个ZigBee节点的数据长度为8字节输入和2字节输出，其组态数据为0X17和0X21。
[0049]输入数据是ZigBee节点发送给Profibus-DP主站的数据，长度为8个字节。定义第一个字节为节点类型，节点类型指ZigBee节点是路由器节点或终端节点；第二字节到第三字节为ZigBee节点的网络地址;第四字节代表传感器类型，传感器类型指是温度传感器、压力传感器或湿度传感器;第五字节为传感器测量的数据长度;第六字节到第七字节为传感器测量的数据;第八字节为Profibus-DP设备地址。当ZigBee节点发送数据给网关时，实际上只发送前面七个字节，而网关在接收到ZigBee节点发送来的数据后，会根据地址映射表查询到相应的Profibus-DP设备地址，并写入第八个字节发送给Profibus-DP主站，这样主站就知道是哪个ZigBee节点发送的数据。
[0050]输出数据是Profibus-DP主站发送给ZigBee节点的数据，长度为2个字节，也就是主站发送命令给网关，需要读取哪个ZigBee节点的数据。定义第一字节为Prof ibus-DP设备地址;第二字节为传感器类型。当Prof ibus-DP主站发送命令给网关后，同样会根据地址映射表查询到相应的ZigBee网络地址，并把网络地址写入第三个字节后发送给ZigBee协调器，协调器再发送给地址指向的ZigBee节点，这样主站就可以准确无误的发送命令给指定的ZigBee节点。
[0051]本实施例中并不限于规定输入\输出数据的长度和数据包的结构，用户可以根据自己的需求定义输入\输出数据的长度及数据包含义。
[0052]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:包括双CHJ微处理器模块、Profibus-DP总线通信模块、ZigBee通信模块和电源管理模块;所述双CPU微处理器模块由CPUl微处理器、CHJ2微处理器和双口 RAM存储器组成，所述Profibus-DP总线通信模块由SPC3协议芯片、光耦隔离电路和RS485驱动器组成，所述ZigBee通信模块由CC2530芯片和相关外围电路组成。2.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述双CPU微处理器模块为中心，所述双CPU微处理器模块两端分别与Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接;所述CPUl微处理器通过数据/地址总线及读写控制总线与SPC3协议芯片连接，所述SPC3协议芯片通过光耦隔离电路与RS485驱动器连接，所述RS485驱动器与Prof ibus-DP现场总线网络连接，所述Prof ibus-DP总线通信模块作为Prof ibus网络的DP从站，可以与Profibus-DP主站进行通信;所述CPU2微处理器通过UART串口与CC2530芯片连接，所述ZigBee通信模块作为ZigBee无线传感器网络的协调器，负责组建ZigBee网络，可以与ZigBee路由器节点或终端节点进行无线通信;所述CPUl微处理器与CPU2微处理器通过各自的数据/地址总线及读写控制总线与双口RAM存储器的两端连接，实现两种网络的数据交换和协议转换;所述电源管理模块分别与双CPU处理器模块、Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块连接，为三个模块提供所需的工作电源。3.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述的CPUl微处理器与CPU2微处理器为SOC单片机C8051F021。4.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述的双口 RAM存储器选用高速1K*8双口静态RAM的IDT7130芯片，所述SPC3协议芯片是西门子公司生产的Prof ibus-DP协议芯片，所述CC2530芯片是TI公司生产的支持ZigBee协议栈的片上系统芯片。5.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述ZigBee通信接口模块由CC2530芯片和相关外围电路组成;所述CC2530芯片的接收端RXD、发送端TXD连接与CPU2微处理器相对应的发送端TXD、接收端RXD连接。6.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述CPUl微处理器和CPU2微处理器并行工作，分别对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块的数据进行控制与处理，并通过双口 RAM存储器连接，实现两种网络的数据交换和协议转换。7.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:所述双口 RAM存储器被划分为数据发送缓冲区和数据接收缓冲区，所述数据发送缓冲区存放的是Prof ibus-DP网络向ZigBee网络发送的数据，所述数据接收缓冲区存放的是ZigBee网络向Prof ibus-DP网络发送的数据;所述CPUl微处理器只能对双口 RAM存储器的数据发送缓冲区进行写操作，对数据接收缓冲区进行读操作，所述CPU2微处理器只能对双口 RAM存储器的数据发送缓冲区进行读操作，对数据接收缓冲区进行写操作。8.根据权利要求1所述的一种工业无线网关装置及其协议转换方法，其特征在于:采用双口 RAM的中断仲裁方式来通知对方CPU进行数据交换和协议转换，具体工作步骤如下: 步骤一:对CPUl微处理器和CPU2微处理器进行初始化，并对Profibus-DP总线通信模块和ZigBee通信模块进行初始化； 1)CPU1微处理器和CPU2微处理器的初始化主要包括看门狗、I/O口、中断寄存器和一些变量的初始化，CPU2微处理器还需要初始化UART串口 ； 2)Profibus-DP总线通信模块的初始化主要指SPC3协议芯片的初始化，包括配置需要的寄存器，设置协议芯片的中断允许，写入从站识别ID号的地址，设置SPC3方式寄存器，设置诊断缓冲器、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区、初始化长度，并根据以上初始化值得到给个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针，根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针； 3)ZigBee通信模块的初始化主要指ZigBee协调器CC2530的初始化，包括系统时钟、I/O口、定时器等硬件模块的初始化和操作系统的初始化； 步骤二: CPU2微处理器内建立地址映射表，在Prof ibus通信中，主站是通过地址信息与从站进行通信，ZigBee网络中也是用网络地址来区分不同的设备，因此可以通过Profibus-DP设备地址与ZigBee节点网络地址的绑定来实现主从站之间的地址定向；其实现方式是:ZigBee协调器建立网络并允许ZigBee节点加入网络后，协调器会根据网络拓扑结构为每一个ZigBee节点分配网络地址，ZigBee节点在被分配网络地址后将其发送给协调器，再通过串口发送给CPU2微处理器，这样就可以在CPU2微处理器内建立一张ZigBee节点网络地址和Prof ibus-DP设备地址相对应的地址映射表，当发生设备断电导致网络地址改变时，只需要及时更新地址映射表就可以保证设备的正常通信； 步骤三:SPC3协议芯片3等待Profibus-DP主站对其进行参数设置、组态设置，新地址设置等；SPC3协议芯片根据接受到的不同的报文，通过中断的方式通知CPUl微处理器进行以上事件处理，当这些工作全部完成后，主站就可以循环的与从站交换用户数据； 1)参数设置，包括从站类型、从站标识号、参数数据长度、参数数据、从站地址等，这些必须与网关的设备数据库文件(GSD)里描述的一致；当CPUl微处理器接收到新的参数报文时，会与SPC3协议芯片3初始化设置的实际参数进行比较，如果相同时DP从站才接收此报文； 2)组态设置，包括从站的输入/输出数据的格式及长度，如果与SPC3协议芯片初始化时设置的实际通信接口配置一致，网关会给主站发送应答报文，主站再请求网关的诊断数据，以查明网关是否准备好进行用户数据交换； 由于ZigBee终端节点数据类型比较多，为每种节点类型配置一次输入/输出数据的格式及长度会比较麻烦，在这里需要定义每个ZigBee节点的数据结构相同； 3)新地址设置，考虑到Profibus-DP总线上可能挂多个无线网关装置，网关地址的从站地址需设置成允许用户修改的模式； 步骤四:进入数据交换阶段，首先CPUl微处理器查询是否收到Profibus-DP主站发送来的数据，如果是，则将Prof ibus-DP数据帧放入双口 RAM的发送缓冲区，并对双口 RAM的右端中断信箱进行写操作，向CPU2微处理器发/INTR中断；同时CPU2微处理器查询是否收到ZigBee通信模块发送来的数据，如果收到数据，则查询ZigBee网络与Prof ibus-DP网络对应的地址映射表，并对ZigBee数据帧进行分析并重新打包成符合Prof ibus-DP协议的数据包，存入双口RAM的接收缓冲区； 步骤五:若CPU2微处理器收到中断事件，响应/INTR中断，读出双口 RAM发送缓冲区的Prof ibus-DP数据帧后，对Profibus-DP数据帧进行分析并重新打包成符合ZigBee协议的数据包，并查询Prof ibus-DP网络与ZigBee网络对应的地址映射表，发送给ZigBee网络里地址相对应的的ZigBee节点，最后对双口 RAM的右端中断信箱进行读操作，清除中断；同时对双口RAM的左端中断信箱进行写操作，向CPUl微处理器发/INTL中断； 步骤六:若CPUl微处理器收到中断事件，响应/INTL中断，读出双口RAM接收缓冲区内已经打包好的数据帧后，发送给Profibus-DP主站，最后对双口 RAM的左端中断信箱进行读操作，清除中断;这样该系统就完成了一次完整的数据交换和协议转换过程，之后再返回步骤四，进入下一轮的数据交换。9.根据权利要求8—种工业无线网关装置及其协议转换方法，所述的CPUl微处理器与CPU2微处理器通过双口 RAM存储器实现数据交换的时序图的具体时间长度与两个CPU微处理器的速度，Prof ibus-DP总线和ZigBee网络的数据传输速率、数据传输长度，以及ZigBee节点个数和节点数据采集频率等特性有关。10.根据权利要求8—种工业无线网关装置及其协议转换方法，所述的步骤三中组态设置里规定，为了方便主站对网关的通信接口配置，定义每个ZigBee节点的输入/输出数据的格式及长度完全相同。
【文档编号】H04L29/06GK105939253SQ201610229743
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】叶杨婷, 谭翠兰, 王莉, 吴向成
【申请人】江汉大学