专利名称：具有中继功能的profibus集线器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及PROFIBUS多端口设备，特别涉及PROFIBUS集线器， 该集线器可应用于PROFIBUS现场总线网络中，可将网络的总线型拓扑结构 改变为树型结构或混合型结构，同时保留了中继器的功能。
背景技术：
现场总线PROFIBUS是一种开放的、数字式的、串行、多点的工业数据 通信总线，已广泛应用于过程工业、制造业、安全、物流、交通、电力等各 个领域的自动化系统中。
现场总线PROFIBUS物理层可以选择RS-485、光纤、及MBP (IEC61158-2)等传输技术；在PROFIBUS技术标准中，RS-485技术又被进 一步严格定义和补充，包括了网络拓扑结构、段、终端、中继、分支等概念， 并对所使用的电缆、连接器、中继器等网络部件做出详细技术规范。 PROFIBUS基于RS-485技术的物理层传输时， 一般采用总线型的网络结构， 如图1所示，这种网络拓扑结构相对简单，不易实现树型或混合型的网络结构， 因而局限性较大，应用面较窄。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有中继功能的 PROFIBUS集线器，可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树型或混 合型网络结构，并可以增加PROFIBUS网段数量，实现级连，延长通信距离、 增加站点个数。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案
一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控 制逻辑电路组成，多路收/发控制逻辑电路有多组收/发控制端；其特征是
所述每个总线通道由PROFIBUS的端口、 RS—485驱动及隔离电路、检 测及隔离电路组成，RS-485驱动及隔离电路，检测及隔离电路由比较器芯 片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路 的每组收/发控制端由五个通用I/0端口组成，五个通用I/0端口经过程序编程 被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，上述各 器件的接线方式如下每个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路的发送端、 接收端、发送允许端、接收允许端，分别与多路收/发控制逻辑电路中对应的
3一组收/发控制端中的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相
连，RS—485驱动及隔离电路芯片的RS—485接口分别与所述PROFIBUS端口 中PROFIBUS信号线引脚相连，所述比较器芯片的两个输入端分别与 PROFIBUS端口中的PROFIBUS信号线引脚相连，比较器芯片的输出端与放 大器芯片的输入端相连，放大器芯片的输出端与反相器芯片的输入端连接， 反相器芯片的输出端与光隔芯片的输入端连接，光隔芯片的输出端与多路收/ 发控制逻辑电路的触发端连接。
本实用新型有以下积极有益效果
本产品具有集线功能，可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树 型或混合型网络结构。
本产品具有中继功能，可以增加PROFIBUS网段数量，也可实现级连， 因此可以延长通信距离、增加站点个数。
本产品具有隔离功能，每个端口之间是电气隔离的，也就是段之间隔离。 因此，某一段上的断线、短路都不影响其他段的正常运行。
本产品具有诊断监视功能，通过LED指示灯可以监视PROFIBUS网络中 各段的工作状态，为网络诊断提供参考。
本产品是单纯的物理层设备，与上层协议无关；不需要主站配置、无GSD 文件；因此应用范围广，可适用于所有基于RS-485的PROFIBUS协议的网络 中，如PROFIBUS-DP/V0、 VI、 V2以及各种应用层协议，包括PROFIsafe (安全)，Redundancy (冗余)等等，也部分适用于其它RS-485传输技术的 现场总线或网络，如MODBUS。
图l是现有技术中利用PROFIBUS中继器实现的总线型网络拓扑结构图。
图2是本实用新型的集线器的外形结构示意图。
图3是图2的正视图。
图4本实用新型的电路方框图。
图5是本实用新型的电路原理图。
图6是本实用新型的一号总线通道的电路原理图。
图7是本实用新型的工作过程状态转换示意图。
图8是利用本实用新型的集线器实现的混合型网络拓扑结构图。
图9是利用本实用新型的集线器实现的树型网络拓扑结构图。
具体实施方式
请参照图2、图3、图4，本实用新型是一种具有中继功能的PROFIBUS 集线器，由六个总线通道、复位电路、多路收/发控制逻辑电路组成，六个总 线通道分别是一号、二号、三号、四号、五号、六号总线通道。请参照图4、
4图5、图6:
一号总线通道由PROFIBUS的端口Dl、 RS—485驱动及隔离电路U1、检 测及隔离电路N1组成。
二号总线通道由PROFIBUS的端口D2、 RS—485驱动及隔离电路U2、检 测及隔离电路N2组成。
三号总线通道由PROFIBUS的端口D3、 RS—485驱动及隔离电路U3、检 测及隔离电路N3组成。
四号总线通道由PROFIBUS的端口D4、 RS—485驱动及隔离电路U4、检 测及隔离电路N4组成。
五号总线通道由PROFIBUS的端口D5、 RS—485驱动及隔离电路U5、检 测及隔离电路N5组成。
六号总线通道由PROFIBUS的端口D6、 RS—485驱动及隔离电路U6、检 测及隔离电路N6组成。
RS—485驱动及隔离电路U1、 U2、 U3、 U4、 U5、 U6可以由IL485型号的 芯片构成。
请参照图5、图6，每个检测及隔离电路由比较器芯片U8、放大器芯片U9、 反相器芯片UIO、光隔芯片U11组成，比较器芯片U8的型号可以是AD8061。 放大器芯片U9的型号可以是ADCMP600。反相器芯片U10的型号可以是 74AHC1G100。光隔芯片U11的型号可以是HCPL—0600。复位电路U12可以 采用TL7705A型号的芯片，TL7705A的管脚5 (/RSET)与多路收/发控制逻 辑电路U7的/RESET连接。多路收/发控制逻辑电路U7由复杂可编程逻辑器件 (CPLD)组成，型号可以是EPM7064STC-10。多路收/发控制逻辑电路U7
的有六组收/发控制端。每组收/发控制端由五个通用i/o端口组成，各组收/发 控制端中的五个通用i/o端口都经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送
允许端、接收允许端与触发信号端。
六个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路发送端、接收端、发送允许 端、接收允许端分别与多路收/发控制逻辑电路U7中的六组收/发控制端中的 发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连。
例如，多路收/发控制逻辑电路U7的第一组收发控制端的五个通用I/0端 口经过程序编程被定义为发送端TXD1、接收端RXD1、发送允许端RST1、 接收允许端REN1与触发信号端CMP1 。
一号总线通道中的RS—485驱动及隔离电路U1的发送端D、接收端R、发 送允许端DE、接收允许端RE分别与多路收/发控制逻辑电路U7中的第一组收 /发控制端中的发送端TXD1、接收端RXD1、发送允许端RST1、接收允许端 REN1--对应相连。
请参照图6， IL485芯片是一款集成了485驱动和信号隔离功能的芯片。该 电路功能是将PROFIBUS/485物理层电平及"NRZ (不归零)比特编码"，转 换成0—5V电平及异步串行通信信号，反之亦然。检测及隔离电路主要功能 是检测PROFIBUS/485电平状态，输出到光隔芯片Ull，实现检测信号隔离。隔离后输出状态信号到多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMPl，实现集线
器多路信号传送控制。下面以一号总线通道为例，详述各器件的接线方式
请参照图6， RS—485驱动及隔离电路U1的两个RS—485接口A、 B分别与 PROFIBUS端口Dl中的两根信号线引脚3、 8相连，比较器芯片U8的两个输入 端+IN、 -IN分别与PROFIBUS端口Dl中的两根信号线引脚3、 8连接，比较 器芯片U8的输出端与放大器芯片U9的输入端相连，放大器芯片U9的输出端与 反相器芯片U10的输入端连接，反相器芯片U10的输出端与光隔芯片U11的输 入端连接，光隔芯片U11的输出端与多路收/发控制逻辑电路U7的触发端 CMP1连接。
PROFIBUS/485网络不允许有一个以上站点同时发送数据。为此， PROFIBUS协议规定主站与从站之间采用主/从通信方式，主站与主站之间采 用令牌控制，以保证总线控制的正确性。因此，PROFIBUS集线器要实现的 功能就是当任意的一个端口接收到报文信号，立即通过其他端口，无延时 地将报文转发出去。
请参照图6， IL485芯片与其它RS-485驱动电路芯片一样，单双工差动 输出(A 、 B) ， NRZ (不归零)比特编码；由发送允许端DE控制发送、 由接收允许端RE控制接收。当RE-0，且DE=0时，端口 Dl处于接收状态， 此时IL485输出(A 、 B)为高阻，也称释放状态。如果PROFIBUS总线上 有其它站点发送PROFIBUS报文信号，IL485芯片将接收Al、 Bl信号线电 平信号转换成0-5V的异步串行通信信号，通过数据接收端R输出给多路收/ 发控制逻辑电路U7的数据接收端RXD1。当RE=1，且DE-1时，端口 Dl 处于发送状态。此时IL485将来自多路收/发控制逻辑电路U7发送数据端 TXD1信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，再通过其接口 A、 B 输出。
在多路收/发控制逻辑电路U7的发送允许端RTS1上接有LED (发光二 极管)指示灯LRT1，当发送允许端RTS1被置1时，指示灯LRT1亮，表 明PROFIBUS主站在发送。当PROFIBUS主站发送报文完毕，多路收/发控 制逻辑电路U7的按状态转换逻辑将发送允许端RTS1置0，指示灯LRT1灭， 表明PROFIBUS主站报文发送完毕。因此指示灯LRT1可以作为PROFIBUS 主站发送诊断指示。
在多路收拨控制逻辑电路U7的接收端RXD1上接有LED(发光二极管) 指示灯LR1，当RS—48S驱动及隔离电路U1处于接收状态，且端口D1中 的信号线Al、 Bl接收到PROFIBUS报文，则Ul的接收端R向多路收/发控 制逻辑电路U7的RXD1端输出异步串行通信信号，指示灯LR1闪亮，表明 本端口正在接收数据。当端口 Dl中的信号线Al、 Bl接收到PROFIBUS报 文结束，则U1的接收端R转换为持续高电平，指示灯LR1灭，表明本端口 没有接收到数据。如果本接口就没有连接PROFIBUS段，指示灯LR1处于 常灭状态。因此指示灯LR1可以作为本端口 PROFIBUS报文接收诊断指示。
请参照图5、图7，本产品是一种智能控制装置，由多路收/发控制逻辑电路U7 (CPLD)中的程序自动完成收/发控制。收/发控制整个流程包括四个状 态，即上电复位状态T1，接收状态S1、接收转发状态S2、关闭发送状态S3。 其中接收状态S1、接收转发状态S2、关闭发送状态S3构成了一个闭环的循环 过程。
下面详述本产品的工作过程
(1)上电复位并进入接收状态电路上电，复位电路U12的/RSET端向 多路收/发控制逻辑电路U7的/RESET发送复位信号，多路收/发控制逻辑电 路U7的各个发送允许端RTS1、 RTS2、 RTS3、 RTS4、 RTS5、 RTS6置为0, 各个接收允许端REN1、 REN2、 REN3、 REN4、 REN5、 REN6置为0，使 所有端口D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6处在接收状态； (2)接收转发状态
一号总线通道的检测及隔离电路Nl检测本端口 Dl的信号线Al、 Bl电
平；
二号总线通道的检测及隔离电路N2检测本端口 D2的信号线A2、 B2电
平；
三号总线通道的检测及隔离电路N3检测本端口 D3的信号线A3、 B3电
平；
四号总线通道的检测及隔离电路N4检测本端口 D4的信号线A4、 B4电
平；
五号总线通道的检测及隔离电路N5检测本端口 D5的信号线A5、 B5电
平；
六号总线通道的检测及隔离电路N6检测本端口 D6的信号线A6、 B6电平。
当某一端口，例如端口 Dl的信号线Al 、 Bl电平由释放状态转为发送状 态,则该端口 Dl的检测及隔离电路N1即可判定该端口接收到报文启始信号， 该检测及隔离电路Nl立即向多路收/发控制逻辑电路U7的触发端CMP1发 送第一波触发信号；然后，检测及隔离电路N1继续检测该端口D1的信号线 Al、 Bl的电平。多路收/发控制逻辑电路U7收到第一波触发信号后，立即将 与其余端口对应的发送允许端置1，接收允许端置1，即将RTS2、 RTS3、 RTS4、 RTS5、 RTS6-1，将REN2、 REN3、 REN4、 REN5、 REN6-1;使其 余端口 D2、 D3、 D4、 D5、 D6处于发送状态；同时，多路收/发控制逻辑电 路U7将信号接收端RXD1接收到的报文信号转换成发送报文信号，通过信 号发送端TXD2、 TXD3、 TXD4、 TXD5、 TXD6发送给其余RS—485驱动 及隔离电路U2、 U3、 U4、 U5、 U6。然后，RS—485驱动及隔离电路U2将 来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发送端TXD2的发送报文信号转换成 PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口 A、 B输出给端口 D2的信号 线B2、 A2。
RS—485驱动及隔离电路U3将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发 送端TXD3的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接口A、 B输出给端口D3的信号线B3、 A3。
RS—485驱动及隔离电路U4将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发 送端TXD4的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接 口A、 B输出给端口D4的信号线B4、 A4。
RS—485驱动及隔离电路U5将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发 送端TXD5的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接 口A、 B输出给端口D5的信号线B5、 A5。
RS-485驱动及隔离电路U6将来自多路收/发控制逻辑电路U7的信号发 送端TXD6的发送报文信号转换成PROFIBUS/485电平和NRZ编码，通过其接 口A、 B输出给端口D6的信号线B6、 A6。
每当上述中的检测及隔离电路N1检测到端口 Dl的信号线B1、 Al的电 平由发送状态转变为释放状态；检测及隔离电路N1都要向可多路收/发控制 逻辑电路U7的触发端CMP1发送第二波触发信号。
(3)关闭发送状态、返回接收状态:只有当多路收/发控制逻辑电路U7收 到第二波触发信号，且信号电平经持续时间Td以后方可确认Dl的信号线Al、 Bl上报文发送确已结束，这个持续时间Td应大于2Tbit时间，在12M波特率时， Td (2bits) =0.17微秒，因此取Td20.17微秒，根据PROFIBUS协议规定，从 PROFIBUS (Bl、 Al)总线上报文最后一个字符传送结束，到下一个 PROFIBUS回答报文首字符的起始时刻，总线上的空闲时间称Tsdr。 Tsdr最 小是llbits。在12M波特率时，Tsdr (llbits) =0.92微秒。也就是说，当检测 及隔离电路N1检测到端口D1信号线B1、 Al上报文发送结束后，多路收/发控 制逻辑电路U7必须在llbits时间内将其它所有端口D2—D6转换成接收状态， 否则将丢失下次回答报文的信息。因此确认结束的持续时间Td必须小于 llbits。本装置为自适应9.6K—12M波特率，因此必须按照12M条件考虑，取 0.17微秒《Td < 0.92微秒。
经过持续时间Td后，多路收/发控制逻辑电路U7立即将与其余总线通 道对应的发送允许端置0，接收允许端置0，即将RTS2、 RTS3、 RTS4、 RTS5、 RTS6-0， REN2、 REN3、 REN4 、 REN5、 REN6=0;关闭其余端口 D2、 D3、 D4、 D5、 D6，使它们回到接收状态；这时，所有总线通道均回到接收 状态；等待下一次某一端口接收到发送报文。
请参照图8、图9,本实用新型的PROFIBUS集线器在0—12M波特率自适 应，不需要开关设置及系统配置。六通道PROFIBUS总线端口不分主站端口 或从站端口。每个端口上即可接主站、也可以接从站、或主/从混合的段。六 通道PROFIBUS总线端口不分终端端口或非终端端口 ，每个端口即可作为段 的终端端口，也可以作为段的非终端端口。允许有空端口。可方便地实现级 连的结构。
8
权利要求1. 一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控制逻辑电路组成，多路收/发控制逻辑电路有多组收/发控制端；其特征是所述每个总线通道由PROFIBUS的端口、RS—485驱动及隔离电路、检测及隔离电路组成，RS—485驱动及隔离电路，检测及隔离电路由比较器芯片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路的每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，上述各器件的接线方式如下每个总线通道中的RS—485驱动及隔离电路的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端，分别与多路收/发控制逻辑电路中对应的一组收/发控制端中的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连，RS—485驱动及隔离电路芯片的RS—485接口分别与所述PROFIBUS端口中PROFIBUS信号线引脚相连，所述比较器芯片的两个输入端分别与PROFIBUS端口中的PROFIBUS信号线引脚相连，比较器芯片的输出端与放大器芯片的输入端相连，放大器芯片的输出端与反相器芯片的输入端连接，反相器芯片的输出端与光隔芯片的输入端连接，光隔芯片的输出端与多路收/发控制逻辑电路的触发端连接。
专利摘要一种具有中继功能的PROFIBUS集线器，由多个总线通道和多路收/发控制逻辑电路组成，每个总线通道由PROFIBUS的端口、RS-485驱动及隔离电路、检测及隔离电路组成，检测及隔离电路由比较器芯片、放大器芯片、反相器芯片、光隔芯片组成，所述多路收/发控制逻辑电路的每组收/发控制端由五个通用I/O端口组成，五个通用I/O端口经过程序编程被定义为发送端、接收端、发送允许端、接收允许端与触发信号端，这些端口分别与总线通道中的RS-485驱动及隔离电路的发送端、接收端、发送允许端、接收允许端一一对应相连。本产品可改变PROFIBUS总线型网络拓扑结构，实现树型或混合型网络结构，并可以增加PROFIBUS网段数量，实现级连，延长通信距离、增加站点个数。
文档编号H04L12/40GK201274492SQ20082012281
公开日2009年7月15日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者唐济扬 申请人:北京鼎实创新科技有限公司