一种DP转FF通信网关及DP转FF的方法与流程

本发明涉及工业通信设备技术领域，特别是涉及一种dp转ff通信网关及dp转ff的方法。

背景技术

现场总线技术是二十世纪80年代发展起来的一种工业控制网络。profibus是过程现场总线的简写，dp是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。profibus-dp可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。ff现场总线(基金会现场总线)可视为一种基于现场的局域网，用于连接各种仪表、阀门定位器等智能设备，其自身可向整个网络提供控制应用程序。

现场总线协议普遍复杂，相关产品的开发过程费用多、周期长、难度大及工作量大。目前市场上国内控制厂商普遍不能把ff仪表数据直接接入到采用dp总线通信的dcs(distributedcontrolsystem，分布式控制系统)控制器模块，需要通过pc机等较长的链路来达到与主站中的控制器之间的数据传输，数据传输效率低，成本高，控制器中很难实时地把ff节点与dcs常规节点做混合逻辑控制。

综上所述，如何有效地解决数据传输效率低，成本高，控制器中很难实时地把ff节点与dcs常规节点做混合逻辑控制等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种dp转ff通信网关，包括mcu、arm处理器和fpga芯片，所述mcu和所述arm处理器均与所述fpga芯片相连，其中：

所述mcu，用于通过dp协议接收主站的控制器发送的现场ff设备的仪表数据请求指令，并将所述仪表数据请求指令发送给所述fpga芯片；将所述仪表数据上传给所述控制器；

所述fpga芯片，用于将所述仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器；将接收到的所述仪表数据发送给所述mcu；

所述arm处理器，用于通过所述ff协议及所述fpga芯片将所述仪表数据请求指令发送给所述现场ff设备；接收所述现场ff设备返回的仪表数据，并将所述仪表数据发送给所述fpga芯片。

在本发明的一种具体实施方式中，所述fpga芯片，还用于接收诊断数据，并将所述诊断数据发送给所述mcu；其中，所述诊断数据包括dp转ff通信网关中与所述fpga芯片相连的各器件自我诊断的第一诊断数据，还包括所述arm处理器发送的对所述现场ff设备进行诊断获取的第二诊断数据；

所述mcu，还用于将所述诊断数据上传给所述控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括与所述mcu相连的两路dp收发电路，

所述mcu，具体用于接收所述控制器通过所述dp协议的两路dp收发电路发送的所述现场ff设备的所述仪表数据请求指令；通过所述dp协议的两路dp收发电路将所述仪表数据和所述诊断数据返回给所述控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，所述fpga芯片，还用于采集从站地址信息。

在本发明的一种具体实施方式中，所述fpga芯片，具体用于采集通过十进制跳线帽方式设置的从站地址信息。

一种dp转ff的方法，所述方法包括：

mcu通过dp协议接收主站的控制器发送现场ff设备的仪表数据请求指令，并将所述仪表数据请求指令发送给fpga芯片；

所述fpga芯片将所述仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器；

所述arm处理器通过所述ff协议及所述fpga芯片将所述仪表数据请求指令发送给所述现场ff设备；接收所述现场ff设备返回的仪表数据，并将所述仪表数据发送给所述fpga芯片；

所述fpga芯片将接收到的所述仪表数据发送给所述mcu；

所述mcu将所述仪表数据上传给所述控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

所述fpga芯片接收诊断数据，并将所述诊断数据发送给所述mcu；其中，所述诊断数据包括dp转ff通信网关中与所述fpga芯片相连的各器件自我诊断的第一诊断数据，还包括所述arm处理器发送的对所述现场ff设备进行诊断获取的第二诊断数据；

所述mcu将所述诊断数据上传给所述控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，mcu通过dp协议接收主站的控制器发送的现场ff设备的仪表数据请求指令，包括：

mcu接收所述控制器通过所述dp协议的两路dp收发电路发送的所述现场ff设备的所述仪表数据请求指令；

所述mcu将所述仪表数据上传给所述控制器，具体为：

所述mcu通过所述dp协议的两路所述dp收发电路将所述仪表数据上传给所述控制器；

所述mcu将所述诊断数据上传给所述控制器，具体为：

所述mcu通过所述dp协议的两路所述dp收发电路将所述诊断数据上传给所述控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

所述fpga芯片采集从站地址信息。

在本发明的一种具体实施方式中，所述fpga芯片采集从站地址信息，包括：

所述fpga芯片采集通过十进制跳线帽方式设置的从站地址信息。

应用本发明实施例所提供的dp转ff通信网关，mcu通过dp协议接收主站的控制器发送的现场设备的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片，fpga芯片将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器，arm处理器再通过ff协议将仪表数据请求指令发送给现场ff设备，现场ff设备将仪表数据返回给arm处理器，arm处理器将仪表数据发送给fpga芯片，fpga芯片将仪表数据发送给mcu，mcu将仪表数据上传给控制器，从而完成主站中控制器与现场ff设备之间的通信，相较于现有技术中通过pc机等较长的链路来达到现场ff设备与主站中控制器的数据传输的方式，本发明仅需要mcu、arm处理器和fpga芯片的相互配合来完成主站与现场ff设备之间的通信，较大地提高了数据传输效率，降低了成本。

相应的，本发明实施例还提供了与上述dp转ff通信网关相对应的dp转ff的方法，具有上述技术效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种dp转ff通信网关的结构框图；

图2为本发明实施例中一种集成现场ff设备的分布式控制系统结构示意图；

图3为本发明实施例中一种ff总线电路原理图；

图4为本发明实施例中一种dp硬件电路的结构框图；

图5为本发明实施例中一种站地址开关原理框图；

图6为本发明实施例中一种站地址逻辑图；

图7为本发明实施例中一种dp转ff的方法的实施流程图。

附图中标记如下：

1-dp总线、2-控制器、3-ff-h1总线、4-io从站、5-现场ff设备、6-dp转ff通信网关、61-mcu、62-fpga芯片、63-arm处理器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种dp转ff通信网关可以包括mcu61、arm处理器63和fpga芯片62，mcu61和arm处理器63均与fpga芯片62相连，其中：

mcu61，用于通过dp协议接收主站的控制器发送的现场ff设备的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片62；将仪表数据上传给控制器；

fpga芯片62，用于将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器63；将接收到的仪表数据发送给mcu61；

arm处理器63，用于通过ff协议及fpga芯片62将仪表数据请求指令发送给现场ff设备；接收现场ff设备返回的仪表数据，并将仪表数据发送给fpga芯片62。

如图2所示，图2为本发明实施例中一种集成现场ff设备的分布式控制系统结构示意图，分布式控制系统中主站的控制器2通过dp总线1与io从站4进行数据交互，可能需要对现场ff设备5进行控制，即通过本发明实施例所提供的dp转ff通信网关6对现场ff设备5进行控制。dp转ff通信网关6可以通过欧式连接器接入底座，可配置为单机使用，也可配置为冗余使用，通过设置底座上的终端电阻，在非冗余ff-h1总线网络中可作中间节点也可作末端节点与现场ff设备进行ff-h1通讯，在冗余dp总线网络中与控制器2进行dp通信。对于面向dcs系统的较高级别的dp总线网络，dp转ff通信网关6是dp从站，只占用较高级别dp主站系统的一个节点；dp转ff通信网关6是ff-h1主站，是ff-h1总线3上的las(链路活动调度者，linkactivescheduler)，下级现场ff设备5不占用上级dp总线系统的节点地址。如图1所示，该dp转ff通信网关6可以包括mcu61、arm处理器63和fpga芯片62，mcu61和arm处理器63均与fpga芯片62相连，mcu61用于通过dp协议接收主站的控制器2发送的现场ff设备5的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片62，fpga芯片62将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器63，arm处理器63运行ff协议，通过fpga芯片62和ff-h1总线3将仪表数据请求指令发送给现场ff设备5，接收现场ff设备5返回的仪表数据，并将仪表数据发送给fpga芯片62，fpga芯片62将接收到的仪表数据发送给mcu61，mcu61将仪表数据上传给控制器2。fpga芯片62fpga芯片62与现场ff设备5之间可以设置有隔离电路，将dp转ff通信网关6与现场ff设备5进行隔离。输入的现场24v电源经dc/dc隔离及电源转换电路，转换为+5v电源向mcu61、fpga芯片62、arm处理器63及dp通讯部分供电。另外，输入的现场24v电源也经隔离dc/dc隔离及电源转换电路，转换为+24v电源用作现场电源，向ff-h1的媒体结合单元mau(mediumattachmentunit)电路供电。

在实时嵌入式软件和组态接口软件的支撑下，通过dp控制网络及ff-h1现场总线3，并利用配套软件提供的数据接口，对系统实现优化控制。将各种ff总线智能仪表、执行机构、高低压智能保护装置及电磁阀等接入主dcs，同时让ff设备的管理信息、设备维修信息等通过现场总线进入dcs及上层sis/mis软件，实现了机组的优化操作及优化维修管理。

本发明实施例所提供的dp转ff通信网关简单易用，外部接口简单，工程师通过简单的培训就能掌握装置的正确使用，且成本低，可将现场ff设备5的仪表数据上传给dcs系统。

ff-h1总线3是一种半双工总线式数据通信系统。mau是总线供电的现场总线仪表中的关键部件。如图3所示，模拟开关周边电路构成mau的电平转换电路，由vcc1、vcc2和vcc3进行供电，高中低参考电压设定为vh、vm和vl，由于模拟开关的两个地址线接有下拉电阻r1、r2，由二进制算法设置当输入信号a0＝0，a1＝0时，选中开关s0闭合，输出电压vsout＝vm，当a0＝0，a1＝1时，选中开关s1闭合，输出电压vsout＝vm，当a0＝1，a1＝0时，选中开关s2闭合，输出电压vsout＝vh，当a0＝1，a1＝1时，选中开关s3闭合，输出电压vsout＝vl。例如，上电时，当输入信号为a0＝0，a1＝0，vsout＝vm，由a3、a4等器件构成的运放电路两端电压相等，可推算出电流i只受vm和rf决定，在ff-h1总线3电压正常范围内，电路具有恒流特性。在发送信号时，mau从ff-h1总线3上吸收的电流具有曼彻斯特码的正负对称性。mau的信号接收部分电路由a1～a2组成，其中运放a2及其电路构成一个预设中心频率的有源带通滤波器，与其后的迟滞比较器a1结合，可将噪声滤除，且将ff-h1载波信号转换为数字信号，通过二极管ff连接于ff-h1总线3，通过二极管ff进行电路防护，并通过隔离电路与dp转ff通信网关6隔离，避免现场ff设备5出现故障时，造成对dp转ff通信网关6及主站的影响。

mcu61可以选用st公司的stm32f100r8t6，它采用基于arm架构的32位cortex-m3内核，结合了执行thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设，系统时钟最高24mhz，芯片性能达1.25dmips/mhz，内嵌64k字节的固态存储器与动画编辑器flash和8k字节的静态随机存取存储器sram，片上资源丰富，功能上完全可以满足系统设计需求。

arm处理器63可以选用lpc2214fbd144，表贴，tqfp封装，144引脚。集成有16kb的片内ram及256kb的片内flash。

dp转ff通信网关6的数据转发，长发故障的判断，读取监控电源的状态、通道灯的状态显示等基本由硬件逻辑完成。硬件可编程逻辑器件选用赛灵思xilinx公司的spartan-6系列的xc6slx9器件，它具有5720个lut(查找表)，9152个lc(逻辑单元)，11440个ff(触发器)，32个blockram(18kbeach)，最大用户引脚102个，144-pintqfp封装。

dp总线通讯芯片可以采用ti公司的sn65hvd06d，其主要指标如下：通讯速率可达10mbps；最小差动输出电压2.5v(54ω负载)；esd保护超过16kv；带有上电、掉电保护功能，支持热插拔。

应用本发明实施例所提供的dp转ff通信网关，mcu61通过dp协议接收主站的控制器发送的现场设备的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片62，fpga芯片62将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器63，arm处理器63再通过ff协议将仪表数据请求指令发送给现场ff设备，现场ff设备将仪表数据返回给arm处理器63，arm处理器63将仪表数据发送给fpga芯片62，fpga芯片62将仪表数据发送给mcu61，mcu61将仪表数据上传给控制器，从而完成主站与现场ff设备之间的通信，相较于现有技术中通过pc机等较长的链路来达到现场ff设备与主站中控制器的数据传输的方式，本发明仅需要mcu61、arm处理器63和fpga芯片62的相互配合来完成主站与现场ff设备之间的通信，较大地提高了数据传输效率，降低了成本。

在本发明的一种具体实施方式中，fpga芯片62，还用于接收诊断数据，并将诊断数据发送给mcu61；其中，诊断数据包括dp转ff通信网关6中与fpga芯片62相连的各器件自我诊断的第一诊断数据，还包括arm处理器63发送的对现场ff设备进行诊断获取的第二诊断数据；

mcu61，还用于将诊断数据上传给控制器2。

dp转ff通信网关6对控制器2与现场ff设备的进行仪表数据的传输除了需要用到mcu61、fpga芯片62和arm处理器63之外，还需要其他器件的辅助作用，当各器件存在异常时，可以通过自我诊断生成第一诊断数据，并将第一诊断数据直接或间接地汇报给fpga芯片62。arm处理器63还可以对现场ff设备5进行故障诊断，如出现仪表丢失等故障，获得第二诊断数据，并将第二故障诊断数据发送给fpga芯片62，fpga芯片62将第一诊断数据和第二诊断数据发送至mcu61，mcu61将其上传给控制器2，控制器可以根据接收到的第一诊断数据和第二诊断数据进行相应的故障排查。

在本发明的一种具体实施方式中，如图1和图4所示，该dp转ff通信网关还可以包括还包括与mcu61相连的两路dp收发电路，

mcu61，具体用于接收控制器2通过dp协议的两路dp收发电路发送的现场ff设备的仪表数据请求指令；通过dp协议的两路dp收发电路将仪表数据和诊断数据返回给控制器2。

如图1和图4所示，本发明实施例所提供的dp转ff通信网关还可以包括与mcu61相连的两路dp收发电路，mcu61具体用于通过dp协议的两路dp收发电路与主站的控制器2进行数据交互。power部分主要为mcu61、双网切换控制器和dp收发电路提供电源。mcu61是dp收发电路的控制器，主要提供发送串行数据、接收串行数据、诊断dp收发电路故障、切换网络和切断故障等功能。dp转ff通信网关的dp双网采用双通用异步收发传输器uart来实现。发送数据时，mcu61通过ctra、ctrb信号分别控制两路dp收发电路的发送使能。mcu61通过sel控制双网控制器选择mcu61的txda或txdb与txd相连，这样uarta或者uartb会向两个dp收发电路同时发送数据。rxda和rxdb为接收端口，它接入mcu61的uarta和uartb。这样双网的数据同时进入两个uart，由mcu61内部诊断及切换逻辑选择其中一个uart的数据进行处理。dp收发电路可以具体选用485收发器，485收发器是完成485差分信号到串行通信的转换，由485芯片、外围上下拉电路和防护电路组成。485收发器的差分信号通过欧式连接器连接到dp总线上，进行通讯。

在本发明的一种具体实施方式中，fpga芯片62，还用于采集从站地址信息。

主站在与从站进行数据交互时，需要获取从站的站地址信息，本发明实施例所提供的fpga芯片62还可以用于采集从站地址信息。

在本发明的一种具体实施方式中，如图5和图6所示，fpga芯片62，具体用于采集通过十进制跳线帽方式设置的从站地址信息。

fpga芯片62具体可以用于采集通过十进制跳线帽方式设置的从站地址信息。模块读取位于模块上的开关电路及底座上的跳线来获得站地址。如图5所示，dp转ff通信网关的站地址需要两列排针，每列上有一对针插入短路器，可将各io从站的地址设置为10～109号。左边一列排针表示站地址十位上的数字1～10，右边一列排针表示站地址个位上的数字0～9。其中，com1～com2组成十位数行，no.1～no.5组成列共可以构成10种状态，com3～com4组成个位数行，no.1～no.5组成列也可以构成10种状态，所以可以表示100种地址。

如图6所示，读取站地址信息的过程如下：首先在mcu61初始化时，/oe_mcu61_moude、/oe_station_addr、/oe_st_addr_com信号初始化为高电平，le_st_addr_com信号初始化为低电平。读取站地址个位0～4，假设短路器把4号地址短路，mcu61引脚/oe_st_addr_com发出低电平信号，片选74lvc573芯片，数据总线[db0：db4]输出0x1e。然后mcu61通过引脚le_st_addr_com发出高电平，锁存数据总线db[0:4]数据0x1e。由于三态门74lvth125每一路片选和数据端连接在一起，当输入为低电平时，才输出低电平；当输入为高电平时，输出为三态。这样74lvth125输出端com1为低电平，com2、com3和com4为三态。这样通过底座上的跳线可以读取个位0～4范围内的站地址。然后mcu61发出高电平的/oe_st_addr_com信号，和低电平的/oe_station_addr信号，片选读站地址74lvt245芯片。由于短路器把4号地址短路，com1能把低电平信号通过跳线传送到数据线db0上。由于其他地址为未有短路器，保持为上拉的高电平。这样mcu61数据总线上的数据位0x0f。mcu61通过读取数据总线db[0:4]获取个位0～4范围内的站地址，然后mcu61发出高电平的/oe_station_addr信号，完成读取。读取站地址个位5～9，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。读取站地址十位1～5和读取站地址十位6～10，读取过程与读取个位0～4范围的站地址相似。

当跳线个位或十位同时存在多余一个短路器时，mcu61将认为存在故障，无法读取站地址信息。当跳线个位和十位上都不存在短路器时，mcu61将认为存在故障，无法读取站地址信息。由于在站地址电路的74器件需要提高热插拔等级，所以选用lvt逻辑器件，支持2级热插拔。由于74lvc573抗静电和热插拔防护等级不高，不支持三态，所以在74lvc573后附加一个支持2级热插拔等级的74lvth125，并在输出电路上增加嵌位二极管，防护静电。74lvt245和防护电路能够抗静电和支持热插拔。

相应于上面的dp转ff通信网关，本发明实施例还提供了一种dp转ff的方法，下文描述的一种dp转ff的方法与上文描述的一种dp转ff通信网关可相互对应参照。

参见图7，为本发明实施例中一种dp转ff的方法的实施流程图，该方法可以包括以下步骤：

s701：mcu通过dp协议接收主站的控制器发送现场ff设备的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片。

s702：fpga芯片将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器。

s703：arm处理器通过ff协议及fpga芯片将仪表数据请求指令发送给现场ff设备；接收现场ff设备返回的仪表数据，并将仪表数据发送给fpga芯片。

s704：fpga芯片将接收到的仪表数据发送给mcu。

s705：mcu将仪表数据上传给控制器。

应用本发明实施例所提供的dp转ff的方法，mcu通过dp协议接收主站的控制器发送的现场设备的仪表数据请求指令，并将仪表数据请求指令发送给fpga芯片，fpga芯片将仪表数据请求指令通过ff协议发送给arm处理器，arm处理器再通过ff协议将仪表数据请求指令发送给现场ff设备，现场ff设备将仪表数据返回给arm处理器，arm处理器将仪表数据发送给fpga芯片，fpga芯片将仪表数据发送给mcu，mcu将仪表数据上传给控制器，从而完成主站与现场ff设备之间的通信，相较于现有技术中通过pc机等较长的链路来达到现场ff设备与主站中控制器的数据传输的方式，本发明仅需要mcu、arm处理器和fpga芯片的相互配合来完成主站与现场ff设备之间的通信，较大地提高了数据传输效率，降低了成本。

在本发明的一种具体实施方式中，该方法还可以包括以下步骤：

步骤一：fpga芯片接收诊断数据，并将诊断数据发送给mcu；其中，诊断数据包括dp转ff通信网关中与fpga芯片相连的各器件自我诊断的第一诊断数据，还包括arm处理器发送的对现场ff设备进行诊断获取的第二诊断数据；

步骤二：mcu将诊断数据上传给控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，mcu通过dp协议接收主站的控制器发送的现场ff设备的仪表数据请求指令，可以包括以下步骤：

mcu接收控制器通过dp协议的两路dp收发电路发送的现场ff设备的仪表数据请求指令；

步骤s705可以包括以下步骤：

mcu通过dp协议的两路dp收发电路将仪表数据上传给控制器；

mcu将诊断数据上传给控制器，可以包括以下步骤：

mcu通过dp协议的两路dp收发电路将诊断数据上传给控制器。

在本发明的一种具体实施方式中，该方法还可以包括以下步骤：

fpga芯片采集从站地址信息。

在本发明的一种具体实施方式中，fpga芯片采集从站地址信息可以包括以下步骤：

fpga芯片采集通过十进制跳线帽方式设置的从站地址信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的dp转ff通信网关相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。