专利名称：：一种工业以太网适配器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种现场总线控制技术，尤其是涉及一种基于Ethernet/IP协议的工业以太网适配器，Ethemet/IP协议是属于控制信息协议(CIP)的一种。
背景技术：
：工业以太网就是基于以太网和传输控制协议/网间协议(TCP/IP)技术的一种工业控制网络。近几年来，工业自动化控制系统向着分布化和智能化方面发展。现场总线技术的出现和发展给工业自动化带来了一次深刻的革命。多家厂商推出了各自的总线标准，争夺总线的巨大巿场，导致了多种现场总线互不兼容。随着多种总线不兼容的问题的突出，人们对统一的通信协议日益迫切，促使厂家把目光关注在以太网。以太网CEthemet)最初是商用，采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)媒体访问控制方式，不能保证网络传输的确定性和实时性，被认为是不确定的一种网络，不能应用于对确定性和实时性要求的高控制网络。但是随着以太网技术的进步和成熟，智能集线器的使用，主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等，在很大程度上为解决以太网的不确定性和实时性低等问题提供了条件。以太网并没有提供面向工业应用的标准协议。为了满足工业应用的需求，许多研究者在以太网技术和TCP/IP技术上做了大量的改进和探索。概括说，目前采取的方法主要有三种一种是开发在以太网和现有的工业网络之间的网关；另外一种是把现有的工业应用层协议和以太网、传输控制协议/网间协议整合起来；第三种是开发在以太网、传输控制协议/网间协议基础之上的全新工业应用层协议。工业以太网与其他控制网络的优势主要体现在以下几个方面1)工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络和控制网络得以统一。2)以太网受到广泛的开发技术支持。由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。3)以太网同时还受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。并且由于应用的广泛，其硬件价格必然十分低廉。4)通信速率高。目前以太网的通信速率为IOM，100M的快速以太网也开始广泛应用，1000M以太网技术也逐渐成熟，IOG以太网也正在研究。以太网完全可以满足对带宽有更高要求的需要。5)以太网具有大量的软件资源。人们对以太网设计和应用有很多经验，对以太网技术十分熟悉。这意味着可以显著降低系统的开发和培训费用，从而显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。6)易于实现管理控制一体化。易于实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立统一的企业网络。易实现各种底层设备接入以太网，直至与因特网(Intemet)相连。Ethernet/IP(EthernetIndustrialProtocol)工业以太网通讯协议是在2000年ODVA(OpenDeviceNetVendorAssociation)/CI(ControlNetInternational)联合IEA(IndustrialEthernetAssociation)提出的。2001年，在ODVA的官方网站公布了Ethemet/IP的规范，并免费提供下载。控制信息协议(CIP)是其特色部分，控制信息协议采用面向对象的设计方法，运用对象来描述控制设备中的通信信息、服务、节点的外部特征和行为等，提高了设备的互操作性。
发明内容本发明的目的在于提供一种既可以复用原有的设备，节省工业成本，又可以提高系统的性能和兼容性的工业以太网适配器。本发明设有底板插槽、电源模块、适配器模块和本地IO模块。电源模块、适配器模块和本地IO模块的通讯端口插在底板插槽上实现互连。本地IO模块的通讯端口是一个通用接口，设有数据口、地址口、控制口和供电接口等，后续开发的任何满足此通讯接口的模块都可以直接接入本发明。电源模块负责供电，适配器模块负责处理工业以太网数据包和采集io模块数据，本地IO模块负责设备节点通讯。适配器模块设有处理器、电源模块、以太网模块、VGA显示模块、USB控制模块和扩展存储器模块，以太网模块通讯端连接在处理器i/o端口，负责打包处理器传出数据和解析接收的工业以太网数据包，以太网模块输入输出端外接网线接受发送工业以太网数据包，VGA显示模块通讯瑞连接在处理器的I/0端口，VGA显示模块输出端连接在显示器接口，实现人机界面可视化等功能，USB控制模块通讯瑞连接在处理器的I/0端口，输出端连接在USB设备接口，USB控制模块主要是负责USB鼠标键盘通讯，扩展存储器模块用于数据及程序代码保存。现代自动控制对实时性要求越来越高，目前绝大多数工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为510ms，高性能的同步运动控制实时响应要求低于lms。为了满足高实时性应用的需要，已有不少人提出各种工业以太网解决方案，其中有Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus-RTPS等。本发明采用的Ethernet/IP协议主要优势有首先，Ethernet/IP为网络设备提供了良好的一致性规范，解决了互操作的难题，使互操作成为可能。其次，Ethernet/IP由于物理层和链路层采用EtherNet，网络层和传输层采用传输控制协议/网间协议(TCP/IP)，更容易集成到因特网(Internet)上。最后，Ethernet/IP和DeviceNet、ControlNet都采用了控制信息协议(CIP)，具有相同的对象模型和设备描述规范，得到了广大设备商的支持。EtherNet/IP、DeviceNet以及ControlNet采用了相同的应用层(Applicationlayer)协议控制信息协议(CIP)，使用相同的对象库(ObjectLibmry)和一致的行业标准，因此它们之间具有较好的一致性。EtherNet/IP基于标准的以太网和传输控制协议/网间协议(TCP/IP)技术来传送控制信息协议(CIP)数据包。EtherNet/IP协议的体系结构，简单地说，就是通用、开发的应用层协议控制信息协议(CIP)加上已经被广泛使用的EtherNet和传输控制协议/网间协议(TCP/IP)。采用本发明技术方案，可以将各种工业设备以现有的总线接入工业以太网，实现工业以太网数据传输和实时控制。使用本发明，在原有的设备基础上，就可以提高系统的性能，并能方便将管理网络和控制网络组成统一的企业网络。同时用户可以通过VGA显示模块实现人机界面，清楚地了解到工业以太网通讯情况。图l为本发明实施例的结构组成框图。图2为本发明实施例的电源和总线接口电路原理图。图3为本发明实施例的适配器模块原理框图。图4为本发明实施例适配器模块的主控制器电路原理图。图5为本发明实施例适配器模块的存储器电路原理图。图6为本发明实施例适配器模块的以太网通讯电路原理图。图7为本发明实施例适配器模块的VGA接口和USB接口电路原理图。具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作详细说明。参见图l，本发明实施例设有底板插槽l、电源模块2、适配器模块3和本地IO模块4，其中电源模块2、适配器模块3和本地IO模块4都插在底板插槽l上，电源模块2、适配器模块3和本地IO模块4都有一个定义好的IO总线插口，底板插槽1上有10个IO总线插座。电源模块2输入端接1224V直流电源，电源模块2通过IO总线接口给适配器模块3和本地IO模块4供电，适配器模块2通过IO总线接口读写本地IO模块4。参见图2，外接1224V直流电源经过接口J1一路经过保险丝F1、高频滤波器L1后连接到稳压集成电路U1(LM2596型)产生+5V电压，一路经过保险丝F2、高频滤波器L2后连接到稳压集成电路U2(LM2596型)产生+3.3V电压，电源模块通过IO总线接口J2给总线上的其他模块供电。总线接口J2包含16根数据线EX—DO-EX—D15、8根地址线EX—A2-EX—A9、片选线EXjOCS、读入线EX—RD、写入线EX—WR、电压线+5V和+3.3V及其他口线。采用总线接口使得处理器读写IO模块相当于读写外部RAM，一个数字I/0模块等同于一个16bit的存储器件，采用总线接口方便以后模块扩展，任何满足总线接口的模块都可以直接接入系统。参见图3，本发明的适配器模块硬件设有处理器31、外扩存储器32、10总线驱动器33、电源控制器34、总线接口35、以太网控制器36、VGA控制器37、隔离滤波器38、RJ45接口39、D-SUB接口310和USB接口311。其电路连接关系是以处理器为中心与外扩存储器、IO总线驱动器、以太网控制器、VGA控制器、隔离滤波器之间互联，以太网控制器与RJ45接口互连，VGA控制器与D-SUB接口互连，隔离滤波器与USB接口互连。电源控制器从IO总线接口获取电源，并转换成各电路需要的电压。处理器EP9315用于读取本地IO模块上的数据，放入Ethemet/IP协议帧里，后将数据帧通过工业以太网传输出去，为了调试方便，通过VGA控制器将信息显示在外接的显示器上，处理器同时读取USB设备数据，外扩储存器用于保存运行代码和数据。以太网控制器用于将处理器发出的数据耦合到以太网上，VGA控制器用于将需要显示的信息转换成显示器信号，隔离滤波器用于使USB设备数据满足EMI/ESD要求。参见图4，处理器U3-A外接两个无源晶振，晶振Y2(14.7456MHz)经芯片倍频作为CPU及总线工作时钟。晶振Y1G2.768KHz)为芯片内部RTC电路提供工作时钟。JTAG口JP1连接到处理器U3-A上用于程序的烧写、系统调试。芯片U4和U5连接到处理器用于降低噪声影响，保证RTC时钟的正确性。参见图5，系统扩展一片容量为128M的FLASH存储器U8和两片容量为256M的SDRAM存储器U6和U7。外扩存储器连接在处理器的数据总线D0-D15和地址总线A0-A25上，外扩存储器的控制引脚也连接处理器相应引脚。FLASH存储器U8用于存放操作系统代码和掉电后需要保存的用户数据，SDRAM存储器用于保存在工业以太网传输的数据、VGA显示数据和本地IO模块数据。参见图6，本以太网通讯电路由KSZ8721BL以太网通讯控制芯片U9和以太网RJ45接口J3组成。以太网通讯控制芯片U9通过其CPU接口与处理器EP9315相连，在代码控制下，完成初始化和网络控制，数据通讯等功能。工业以太网报文通过RJ45接口J3进入以太网通讯控制芯片U9，芯片先完成部分链路层功能，后以中断形式通知处理器读取数据，处理器将各种以太网通讯命令数据写到以太网通讯控制芯片U9，以太网通讯控制芯片U9处理后再通过以太网RJ45接口J3发送到工业以太网网络上。参见图7，本VGA接口电路由ADV7123视频转换芯片U10和D-SUB接口J4组成。视频转换芯片U10通过其CPU接口与处理器EP9315相连，在代码控制下完成信息显示功能。处理器EP9315将需显示的数据发给视频转换芯片U10，视频转换芯片U10将数据转换成显示器信号，后通过D-SUB接口J4传送给显示器。处理器EP9315内部集成了USB2.0全速接口，隔离滤波器U11和U12连接在处理器的USB引脚上，用于使USB设备数据满足EMI/ESD要求。电源和总线接口电路的标号、称值和元器件名称参见表l。表l电源和总线接口电路<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>适配器模块的主控制器电路的标号、称值和元器件名称参见表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>适配器模块的以太网通讯电路的标号、称值和元器件名称参见表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1.一种工业以太网适配器，其特征在于设有底板插槽、电源模块、适配器模块和本地IO模块，电源模块、适配器模块和本地IO模块的通讯端口插在底板插槽上实现互连，本地IO模块的通讯端口设有数据口、地址口、控制口和供电接口。2.如权利要求l所述的一种工业以太网适配器，其特征在于适配器模块设有处理器、电源模块、以太网模块、VGA显示模块、USB控制模块和扩展存储器模块，以太网模块通讯端连接在处理器I/0端口，负责打包处理器传出数据和解析接收的工业以太网数据包，以太网模块输入输出端外接网线接受发送工业以太网数据包，VGA显示模块通讯端连接在处理器的1/0端口，VGA显示模块输出端连接在显示器接口，实现人机界面可视化功能，USB控制模块通讯端连接在处理器的I/0端口，输出端连接在USB设备接口，USB控制模块负责USB鼠标键盘通讯，扩展存储器模块用于数据及程序代码保存。全文摘要一种工业以太网适配器，涉及一种现场总线控制技术。提供一种既可以复用原有的设备，节省工业成本，又可以提高系统的性能和兼容性的工业以太网适配器。设有底板插槽、电源模块、适配器模块和本地IO模块。电源模块、适配器模块和本地IO模块的通讯端口插在底板插槽上实现互连。本地IO模块的通讯端口是一个通用接口，设有数据口、地址口、控制口和供电接口等，后续开发的任何满足此通讯接口的模块都可以直接接入本发明。电源模块负责供电，适配器模块负责处理工业以太网数据包和采集IO模块数据，本地IO模块负责设备节点通讯。文档编号H04L12/28GK101442460SQ20081007248公开日2009年5月27日申请日期2008年12月26日优先权日2008年12月26日发明者刘暾东,文唐,灏江申请人:厦门大学