专利名称：一种基于工业以太网的数据传输装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业以太网控制技术，具体地，涉及一种基于工业以太网的数据
传输装置。
背景技术：
目前，网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术，是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术；因此，自动化市场上以太网技术的产品层出不群， 比如工业交换机、工业路由器与工业服务器等一些网络设备。在技术上，工业以太网是基于屏蔽同轴电缆与双绞电缆而建立的电气网络，或基于光纤电缆的光网络；工业以太网与IEEE802.3标准兼容，使用开放系统互联(OSI)参考模型和传输控制协议/因特网互联协议(Transmission Control Protocol/Internet ftOtocol，简称TCP/IP)通讯协议。作为Modbus/RTU协议的扩展，Modbus/TCP协议定义了运用TCP/IP网络的传输与应用协议，具有更高的灵活性和实用的广泛性。一般地，大多数自动化PLC产品都提供入网功能，由于TCP/IP协议栈是开源的，因此很多入网产品多采用嵌入TCP/IP方式实现。其中，LWIP是最广泛用于嵌入系统的开放源代码TCP/IP协议栈，LWIP的含义是轻松(Light Weight)IP协议，相对uip ；LffIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LWIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使Lwip协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。Lwip协议栈支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议，包括实验性扩展的UDP、阻塞控制、RTT估算、快速恢复和快速转发的TCP，提供专门的内部调用接口用于提高应用程序性能，并提供可选择的 Berkeley接口 API。这样，通过在CPU中嵌入TCP/IP协议，使用Modbus-TCP协议进行数据传输，最终实现一个工业入网产品。另外，在现有技术中，工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性；实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用CSMA/⑶方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说， 在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十毫秒(ms)内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/⑶机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的，而且一旦出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。传统的以太网在设计之初并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的
3恶劣的工况，严重的线间干扰以及机械、气候、尘埃等条件的恶劣，而且以太网的抗电磁干扰(EMI)性能非常差，应用于危险场合时，不具备本质安全性能；因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。同时，在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性与可维护性，以保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统、甚至网络系统的崩溃和瘫痪。综上所述，在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷⑴实时性差以太网采用CSMA/⑶方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多； 而解决冲突的机制是以付出时间为代价的，一旦出现掉线，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故；⑵稳定性差工业现场的工况较恶劣，严重的线间干扰以及机械、气候与尘埃等恶劣条件，都会影响以太网的稳定使用；而且，以太网的抗电磁干扰(EMI)性能非常差，应用于危险场合时，稳定性较差，不具备本质安全性能；⑶可靠性差由于以太网易受工业现场的环境及EMI影响，稳定性较差，可靠性也无保障。
发明内容本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于工业以太网的数据传输装置，以实现实时性好、稳定性好与可靠性好的优点。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种基于工业以太网的数据传输装置，包括MCU、网络端与网口芯片，所述MCU及网络端分别与网口芯片信号连接。进一步地，所述MCU包括应用程序接口 API，所述MCU通过应用程序接口 API与网口芯片信号连接。进一步地，所述网络端包括网络应用服务端，所述网络端通过网络服务端与网口芯片连接。进一步地，所述网口芯片包括依次信号连接的数据包检测模块、数据包处理模块、 第一应用程序模块与第一数据包输出模块，以及依次信号连接的超时检测模块、超时处理模块、第二应用程序模块与第二数据包输出模块；所述第一数据包输出模块与超时检测模块信号连接，超时检测模块与数据包检测模块信号连接。进一步地，所述第一应用程序模块包括依次信号连接的数据接收子模块、IP帧获取子模块与工业以太网标准帧转换子模块，所述数据包处理模块与数据接收子模块信号连接，所述工业以太网标准帧转换子模块与第一数据包输出模块信号连接。进一步地，所述第二应用程序模块依次信号连接的第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块与超时标志添加子模块，所述超时处理模块与第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块信号连接，所述超时标志添加子模块与第二数据包输出模块连接。进一步地，所述网口芯片的型号为CP2200。进一步地，所述MCU为型号为80C51的单片机。本实用新型各实施例的基于工业以太网的数据传输装置，由于包括MCU、网络端与
4网口芯片，MCU及网络端分别与网口芯片信号连接；可以应用于工业以太网控制系统，通过自动化设备与该基于工业以太网的数据传输装置连接，可以与自动化设备构成工业环境下的以太网控制系统，打破传统工业自动化“孤岛”状态，并且具有更高的通讯性能，使广泛范围的开放式网络的实现成为可能；从而可以克服现有技术中实时性差、稳定性差与可靠性差的缺陷，以实现实时性好、稳定性好与可靠性好的优点。本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图1为根据本实用新型基于工业以太网的数据传输装置的工作原理示意图；图2为根据本实用新型基于工业以太网的数据传输装置从模式下的工作流程示意图；图3为根据本实用新型基于工业以太网的数据传输装置主模式下的工作流程示意图；图4为根据本实用新型基于工业以太网的数据传输装置应用实施例的工作原理示意图。结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下I-MCU ； 11-应用程序接口(API) ；2-网络端；21-网络应用服务端；3-网口芯片 (CP2200) ；31-数据包检测模块；32-数据包处理模块；33-第一应用程序模块；34-第一数据包输出模块；35-超时检测模块；36-超时处理模块；37-第二应用程序模块；38-第二数据包输出模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。实施例一根据本实用新型实施例，如图1-图3所示，提供了一种基于工业以太网 (Industrial Ethernet)的数据传输装置。如图1所示，本实施例包括MCU 1、网络端2与网口芯片3，MCU 1及网络端2分别与网口芯片3信号连接。其中，MCU 1包括应用程序接口(API) 11，MCU 1通过API 11与网口芯片3信号连接；网络端2包括网络应用服务端21，网络端2通过网络服务端21与网口芯片3连接。这里，网口芯片3的型号为CP2200，MCU 1为型号为80C51的单片机。进一步地，在上述实施例中，网口芯片3包括依次信号连接的数据包检测模块31、 数据包处理模块32、第一应用程序模块33与第一数据包输出模块34，以及依次信号连接的
5超时检测模块35、超时处理模块36、第二应用程序模块37与第二数据包输出模块38 ；第一数据包输出模块34与超时检测模块36信号连接，超时检测模块36与数据包检测模块31 信号连接。这里，上述第一应用程序模块33包括依次信号连接的数据接收子模块、IP帧获取子模块与工业以太网标准帧转换子模块，数据包处理模块与数据接收子模块信号连接，工业以太网标准帧转换子模块与第一数据包输出模块34信号连接。第二应用程序模块37依次信号连接的第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块与超时标志添加子模块，超时处理模块35与第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块信号连接，超时标志添加子模块与第二数据包输出模块38连接。在上述实施例的基于工业以太网的数据传输装置(以下可以简称为Τ-Β0Χ)中，可以使用型号为80C51的单片机嵌入Iwip以及网口芯片CP2200，API是固化在型号为80C51 的单片机中，通过串口发送请求数据和接受来自网络应用服务端的网络数据；核心工作是对应用层和网络层数据的处理流程，包括对数据收发做纠错机制；网络端的网络应用服务主要是用于处理网口端的数据，根据接受数据帧格式做出相应的响应。如图2所示，基于工业以太网的数据传输装置从模式下的工作流程包括以下步骤步骤201 确认当前环境为物理层(Physical Layer)，执行步骤202 ；步骤202 判断缓冲区是否为空，若是，则结束；否则，执行步骤203 ；步骤203 拷贝缓冲区的数据，进行相应的处理；步骤204 判断步骤203所得处理结果是否为Modbus协议，若是，则执行步骤 206 ；否则，执行步骤205 ；这里，可以通过判断TCP-M0DBUS帧头的第2、3字节，判断是否为 MODBUS 协议；步骤205 执行其它协议数据的处理，执行完毕则结束；步骤206 判断是扩展MODBUS协议还是标准MODBUS协议，若是扩展MODBUS协议， 则执行步骤207 ；若为标准MODBUS协议，则执行步骤210 ；这里，通过分析区分功能号，判断是扩展MODBUS协议还是标准MODBUS协议；步骤207 扩展MODBUS处理；步骤208 申请空间，存放发送的数据；步骤209 通过网口发送数据，修改连接表，之后结束；步骤210 主从模式判断，若为主模式，则执行步骤211 ；若为从模式，则执行步骤 212 ；步骤211 通过串口发送数据，并是否存储空间，之后结束；步骤212 入事件队列，由串口通信程序处理。上述基于工业以太网的数据传输装置作为从模式时，主要接受网口端的数据，当接受到数据时需要将数据入队编号，然后对数据进行解析，根据不同的协议类型作相应的处理。当串口数据经过网口发送出去后，应当释放申请的内存存储区，避免内存溢出。如果为扩展的Modbus数据时，需要进行主从判断，只需将数据通过串口透明发送出去即可。如图3所示，基于工业以太网的数据传输装置主模式下的工作流程包括以下步骤
6[0054]步骤301 确认当前环境为物理层(Physical Layer)，执行步骤302 ；步骤302 主从模式判断，若为主模式，则执行步骤303 ；若为从模式，则执行步骤 308 ；步骤303 判断串口是否接收完数据，若是，则执行步骤304 ；否则，执行结束；步骤304 判断站号是否在静态列表，若是，则执行步骤305 ；否则执行步骤307 ；步骤305 判断是否通过TCP层发送，若是，则执行步骤306 ；否则执行步骤315 ；步骤306 判断TCP层是否空闲，若是，则执行步骤315 ；否则结束；步骤307 =TCP发送询问IP命令，之后结束；步骤308 判断事件队列是否为空，若是，则结束；否则，执行步骤309 ；步骤309:判断串口是否可以发送数据，若是，则执行步骤310 ；否则，执行步骤 312 ；步骤310 处理队头事件，执行步骤311 ；步骤311 通过串口发送数据给设备，执行步骤312 ；步骤312 释放队头事件空间；这里，释放队头事件空间具体包括记录事件编号、 协议类型与事务处理标示；步骤313 判断串口是否接收完数据，若是，则执行步骤314 ；否则，结束；步骤314 判断数据是否合法，若是，则执行步骤315 ；否则，结束；步骤315:发送数据。上述基于工业以太网的数据传输装置作为主模式时，主要接受串口端的数据，监测串口是否收到命令，若收到则查表，找到相应站号的IP，若不在表中，则要广播询问该站号的IP，将得到的IP加到IP与站号的动态表中，然后再把串口接收到的数据利用网口发送。应该注意的是通过串口发送给下挂的设备，要释放数据，并把它的编号从连接表中删除。上述实施例的基于工业以太网的数据传输装置，作为一种工业以太网模块，支持 Modbus/RTU串口设备，设计运用于工业以太网控制系统。其中，工业以太网按照国际标准 IEEE802.3，用于工业单元网络。因此，通过自动化设备与T-BOX的连接，将自动化系统构成了工业环境下的以太网控制系统，从而打破了传统工业自动化“孤岛”状态，并且具有更高的通讯性能，使广泛范围的开放式网络的实现成为可能。上述实施例的基于工业以太网的数据传输装置，具有以下特性⑴实现灵活的分布式自动化结构，简化系统管理；⑵通过RJ45标准接口进行以太网访问，基于标准TCP/IP 协议进行通讯；⑶通过工业以太网，实现系统远程编程，监控和诊断，以节省时间和经费； ⑷通过以太网存储和操纵数据信息，为简化过程数据的处理和归档打下基础；ω可使以太网与自动化控制设备互相通讯，使得这些设备可用于复杂的系统中；(6)高性价比并以简单形式将以太网连接到所有自动化的设备和层次；(7)易于维护，支持简单的用户友好诊断功能。上述实施例的基于工业以太网的数据传输装置，具有以下有益效果⑴实现PLC程序通过hternet上下载以及实时监控在远程控制系统中，用户对PLC进行远程监控或者修改程序显得非常困难，当)(C 系列PLC配备TBOX之后，即使控制端处于远程现场，维护人员也依然可通过PC对其进行监
7控，同时，远程PLC程序上下载也成为可能。⑵实现与公司早已开发的组态软件进行配合使用通过TouchWin组态软件，通过 T-BOX控制监视远程现场的PLC，从而在无人看守的工作环境得到广泛使用。⑶产品兼容性整个工业以太网控制系统包括Τ-Β0Χ，连入网络单元的PC，信捷 XC系列PLC及其上位机组态软件XCP pro (支持V3. Od以前版本)，TP系列工业触摸屏或者OP系列文本显示器，网络连接设备(集线器，路由器，交换机等)，双绞电缆或屏蔽同轴电缆等传输数据线。实施例二在实际运用过程中，通过工业以态网的连接，可以使复杂的工业控制系统成为现实。以下举例说明上述实施例基于工业以太网的数据传输装置(T-BOX)的实际运用。如图4所示，在此工业以太网控制系统中，共使用6个T-BOX (第一至六Τ-Β0Χ)， 其中第一 T-BOX与第二 T-BOX处于主模式(Master)，第三至第四T-BOX它处于从模式 (Slave)0对于控制设备而言，第一触摸屏和第二触摸屏为主设备，第一至四站号PLC为从设备。上述工业以太网制系统的目的在于实现多个主设备对于多个从设备的控制，从而使工业以太网在区域上具有更广泛的应用性。综上所述，本实用新型各实施例的基于工业以太网的数据传输装置，由于包括 MCU、网络端与网口芯片，MCU及网络端分别与网口芯片信号连接；可以应用于工业以太网控制系统，通过自动化设备与该基于工业以太网的数据传输装置连接，可以与自动化设备构成工业环境下的以太网控制系统，打破传统工业自动化“孤岛”状态，并且具有更高的通讯性能，使广泛范围的开放式网络的实现成为可能；从而可以克服现有技术中实时性差、稳定性差与可靠性差的缺陷，以实现实时性好、稳定性好与可靠性好的优点。最后应说明的是以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
8
权利要求1.一种基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，包括MCU、网络端与网口芯片， 所述MCU及网络端分别与网口芯片信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，所述MCU包括应用程序接口 API，所述MCU通过应用程序接口 API与网口芯片信号连接。
3.根据权利要求1所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，所述网络端包括网络应用服务端，所述网络端通过网络服务端与网口芯片连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于， 所述网口芯片包括依次信号连接的数据包检测模块、数据包处理模块、第一应用程序模块与第一数据包输出模块，以及依次信号连接的超时检测模块、超时处理模块、第二应用程序模块与第二数据包输出模块；所述第一数据包输出模块与超时检测模块信号连接，超时检测模块与数据包检测模块信号连接。
5.根据权利要求4所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，所述第一应用程序模块包括依次信号连接的数据接收子模块、IP帧获取子模块与工业以太网标准帧转换子模块，所述数据包处理模块与数据接收子模块信号连接，所述工业以太网标准帧转换子模块与第一数据包输出模块信号连接。
6.根据权利要求5所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，所述第二应用程序模块依次信号连接的第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块与超时标志添加子模块，所述超时处理模块与第一应用程序模块IP帧的帧头获取子模块信号连接，所述超时标志添加子模块与第二数据包输出模块连接。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于， 所述网口芯片的型号为CP2200。
8.根据权利要求1所述的基于工业以太网的数据传输装置，其特征在于，所述MCU为型号为80C51的单片机。
专利摘要本实用新型公开了一种基于工业以太网的数据传输装置，包括MCU、网络端与网口芯片，所述MCU及网络端分别与网口芯片信号连接。本实用新型所述基于工业以太网的数据传输装置，可以克服现有技术中实时性差、稳定性差与可靠性差等缺陷，以实现实时性好、稳定性好与可靠性好的优点。
文档编号H04L12/28GK202077049SQ20112011993
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者李新, 王巍, 邹骏宇 申请人:无锡信捷电气有限公司