集成通信单元的制作方法

本发明涉及一种集成通信单元，借助于所述集成通信单元能提供从工业应用程序和设备到“物联网”(iot)的连接。

背景技术：

“物联网”的概念涉及在通用数字网络中集成物理的和虚拟的物品，从而这些物品可以独立地通过互联网通信和自主地操作。因此，在工业应用领域中，iot能实现经济上更有效且时间上更高效的生产过程以及可持续的质量管理。

由现有技术已知使工业应用程序和设备网络化的不同的可能性。

对此，文献us2017/0040737a1描述了一种工业网络模块，其能在执行器模块上装配和拆卸。执行器模块目前包括驱动器、控制器以及制动器。网络模块具有带大量贯通孔的壳体以及通信模块，该通信模块置入所述壳体中。

通信模块包括两个控制电路板、第一接口、第二接口以及第三接口，外部设备的电流信号能借助于所述第一接口传输到第一控制电路板上，外部设备的控制信号能借助于所述第二接口传输到第一控制电路板上，外部设备的控制信号能借助于所述第三接口施加到执行器模块上。第二接口构造为可插接的螺旋接口、d-sub、usb、rj45、bnc或者m12。外部设备的控制信号借助工业网络提供，所述工业网络可以作为canopen、cc-link、profibus、ethercat、profinet或者devicenet存在。

此外，文献wo2007/149669a2公开了一种模块，其具有在第一数据存储器上的文件，该文件包含数据代码并且所述模块具有在第二数据存储器上的固件映像，其中，所述映象包含web应用程序。此外，所述模块包括第一接口以及处理器，所述第一接口构造用于数据接收，所述处理器给接收的数据分配数据代码，执行web应用程序并且与外部的软件交互，以便在包含数据的情况下渲染网站的至少一部分。

此外，文献cn104852845a描述了一种智能iot网关。所述网关具有处理器，所述处理器与数据预处理单元电连接，所述网关还具有中间件处理单元、多协议处理单元以及初始化接口。借助于所述网关，可通过对应的数据规则预处理输入的数据，可存储经过预处理的中间数据及结果，并且为等待通信信道分配的数据提供缓存。因为网关承担了大量的数据预处理及数据解码的任务，所以大大降低了网络的负担，改善了传输效率并且也因此减小了服务器的负担。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供一种解决方案，借助于该解决方案能将工业应用程序和设备连接到物联网上，该解决方案能用于大量不同的应用程序和设备，其能以低的布局成本和设计成本节省空间地集成到现有的系统中，这种系统控制不同的现场总线系统并且能接入大量协议并且还能低成本地制造。

该任务通过权利要求1中列举的特征以及备选地通过在权利要求2中列举的特征来解决。优选的改进方案由从属权利要求得出。

按照本发明的集成通信单元表明了一种解决方案，尤其是如何以低耗费和高可靠性将现场设备和其他应用程序接入到通信中。基础在于，尤其是现场设备，比如像用于检测运行状态的单元、通常的传感器以及执行器，越来越多地与应用程序连接并且为此相应地使用主机cpu。具有主机cpu的应用程序随后被称为应用程序单元。

为此，集成通信单元作为基本零件具有壳体、主板、至少一个rj45接口以及spi接口。

壳体这样构造，使得主板以及rj45接口容纳在壳体中。壳体还具有至少一个开口。开口的高度和宽度对应于rj45标准。rj45意指现有技术中已知的用于电信电缆的标准化插入式连接，其中该标准化涉及构型和触点分配。所述至少一个rj45接口优选构造为插口。

主板具有微控制器。所述微控制器具有中间件。

集成通信单元的spi接口这样设计，使得其能与应用程序单元的另一个spi接口耦合。应用程序单元的spi接口和应用程序单元不是按照本发明的通信单元的组成部分。在本申请文件的意义上，要这样理解集成通信单元的spi接口设计成与应用程序单元的spi接口耦合，即集成通信单元的spi接口不仅能在逻辑上而且能在物理上与应用程序单元的spi接口耦合。物理耦合优选通过待焊接的排针建立，下文也称为pin-header。

spi接口意指串行外设接口，即用于同步串行数据总线的接口，数字电路能利用该接口相互连接。

在此，集成通信单元的spi接口这样设计，使得能从其接收应用程序单元的应用程序数据并且能将其可传输地提供给微控制器。

此外，应用程序数据能由微控制器处理。经处理的应用程序数据能借助于rj45接口提供给外部的控制单元。为此，借助于rj45接口能建立与外部的控制单元的有线连接。外部的控制单元同样不是按照本发明的通信单元的组成部分。外部的控制单元优选是plc单元(可编程存储器控制单元)。

此外，集成通信单元这样构造，使得能借助tht(通孔技术)或者smt(表面组装技术)固定在电路板上。

按照本发明的集成通信单元的组件例如相互作用如下：

例如将模拟的电信号从现场设备、例如传感器传输到应用程序单元上并且由应用程序单元转换成数字信号。这些数字信号经由应用程序单元的spi接口传输到集成通信单元的spi接口上。这些经传输的数字信号在本发明的意义上是应用程序数据。所述应用程序数据在集成通信单元内进一步利用微控制器的中间件传输到该微控制器上并且在那里被进一步处理。结果，数据以现场总线协议的标准存在，从而这些数据能经由rj45接口传输并且因此例如由plc单元接收并且在那里被评估。由集成通信单元输出经进一步处理的数据在物理上通过rj45插入式连接、优选rj45插口实现。

此外，集成通信单元可以以相反的方式经由其rj45接口接收现场总线协议、例如plc单元的现场总线协议。在利用微控制器的中间件传输到该微控制器上之后，处理现场总线协议，从而因此存在数字数据、例如作为指令数据的数字数据，接着这些指令数据在传输到spi接口上之后从所述spi接口进一步传输到应用程序单元的spi接口上。接着，应用程序单元可以将这些指令数据转换成控制信号，这种控制信号的格式对应于相应的现场设备、例如调节电机，并且接着能够由该现场设备执行相应的动作。

在此，集成通信模块能实时地工作。

根据现有技术通常所需的、通过应用程序单元实现的、对现场总线协议的运行(在那里由主处理器执行现场总线协议)被集成通信单元承担。令人意外地发现，利用根据本发明的通信单元，以相对低的设备技术成本同时获得以下两个效果：

首先，极大地降低了应用程序单元的负载，从而在那里需要使用的资源明显减少，特别是在处理器性能、主存、闪存和可能的外部组件方面。

其次，可以很大程度上取消应用程序单元对所使用的现场总线系统的适配性，因为集成通信单元已经设计成可以识别和处理不同的现场总线系统，例如canopen、profinet、ethernetip、powerlink、ethercat，并且在该集成通信单元的spi接口上要传输和接收的数据格式与现场总线系统无关。

与此相关联的优点在于，借助于按照本发明的通信单元，较小的应用程序单元也可以被升级为通信用户设备，否则这将是不可能的。较小的应用程序单元意指这样的应用程序单元，其中，主cpu(随后也被称为主处理器)或者主存具有很少的资源，以致不可能直接连接到现场总线上。

另一个特别的优点在于按照本发明的集成通信单元的模块性。在此，所述模块性不仅作为物理模块性而且作为功能模块性存在。物理模块性理解为，集成通信单元作为本身独立的组件存在，该组件可以与应用程序单元在其spi接口上电连接以及在其电路板上机械连接。功能模块性理解为，用于将来自应用程序单元的数据转换成现场总线协议的所有过程和相反的过程在集成通信单元中运行并且该集成通信单元在外部在应用程序侧通过spi接口不受应用程序影响并且在现场总线侧通过rj45接口不受现场总线影响。

由于应用程序中立性和现场总线中立性，可以使用该集成通信单元的应用程序单元或现场设备因此尤其可以是所有自动化设备、传感器、执行器、网关、小型控制装置、plc单元，只要它们的主处理器具有spi接口。

在按照权利要求2的一种备选的解决方案中，集成通信单元作为基本零件具有主板、至少一个rj45接口以及spi接口，其中，主板具有微控制器，并且其中，所述微控制器具有中间件，其中，借助于rj45接口能提供与外部的控制单元的有线连接，其中，所述spi接口能与应用程序单元的另一个spi接口耦合，其中，能从该spi接口接收应用程序单元的应用程序数据并且能可传输地提供给微控制器，并且其中，应用程序数据能由微控制器处理并且能借助于rj45接口提供给外部的控制单元，并且其中，集成通信单元能借助于tht(通孔技术)或者smt(表面组装技术)固定在电路板上。

权利要求2的解决方案与权利要求1的解决方案的区别在于，集成通信装置构造为无壳体的。关于所有其他特征和这些特征的配合并关于优点，对权利要求1的说明部分以相应的方式适用于权利要求2的解决方案。

在一种有利的改进方案中，集成通信单元具有另一个rj45接口。所述rj45接口与所述另一个rj45接口(也总称为rj45接口)构造用于，将外部的控制单元或者另一个集成通信单元与所述集成通信单元串行连接。

该改进方案能有利地实现在现场总线布线被物理地构造为链条状的串联线路(随后也称为菊花链)时集成通信单元的连接。

因此，集成通信单元可以通用地设置在菊花链中。可能的是，在两个rj45接口其中之一上连接外部的控制单元并且在两个rj45接口的另一个上连接另一个通信单元。也可能的是，在两个rj45接口上均连接另一个集成通信单元。最后，也可能的是，两个rj45接口中仅一个rj45接口连接到外部的控制单元上并且两个rj45接口中的另一个rj45接口不被占用。

按照该改进方案的集成通信单元随后也被称为双端口模块，以及在其基本形状方面具有仅一个rj45接口的集成通信单元也被称为单端口模块。

附图说明

作为实施例，借助以下内容详细阐述本发明：

图1示出具有一个rj45接口的集成通信单元的示意图(单端口模块)。

图2示出具有两个rj45接口的集成通信单元的示意图(双端口模块)。

图3示出具有一个rj45接口的集成通信单元的构型的立体图(单端口模块)。

图4示出具有两个rj45接口的集成通信单元的构型的立体图(双端口模块)。

图5a示出框图(双端口模块)。

图5b示出框图(双端口模块)，(与图5a内容一致，基于英语的技术术语)。

具体实施方式

在图1的实施例中，集成通信单元具有一个rj45接口3。这是单端口模块。

图1示出集成通信单元在应用程序单元8和外部的控制单元10之间的布置方式。在该实施例中，场设备10(当前为传感器)与应用程序单元8连接。该传感器将模拟信号传输到应用程序单元8上，这些模拟信号在那里被进一步处理成数字信号。

如图1所示，集成通信单元在其基本结构中具有带开口5的壳体1，其中，该壳体在该实施例中是板状弯曲冲压件。壳体容纳有主板2，该主板承载有作为单芯片计算机系统的微控制器6。该微控制器具有作为中间件7的软件层。该中间件7在该实施例中是执行层，在该执行层中通过软件准备现场总线协议的功能并且通过协议栈实现。同样在这里接收来自应用程序单元的原始数据。在此，通过中间件7执行如下过程。

为了在现场总线侧进行连接，集成通信模块在该实施例中具有rj45接口3，其构造为rj45插口，利用该rj45接口可以从现场总线线路12接收现场总线协议或者将现场总线协议传输给现场总线线路。壳体1的开口5的大小和形状适配于rj45插口。在该实施例中，现场总线线路12是星型布线。现场总线12导向至外部的控制单元10，其中，该外部的控制单元在该实施例中是plc单元。

集成通信模块在应用程序侧具有spi接口3。该spi接口在该实施例中以其物理构造同样布置在主板2上。在该实施例中，spi接口3在功能上还与应用程序单元8的spi接口9连接。该连接是经由pin-header进行的电连接。

应用程序单元8及其spi接口9、现场设备13、现场总线线路12和外部的控制单元10不是集成通信单元的组成部分；然而它们在图1中与集成通信单元共同示出。

图2示出另一实施例，其中，集成通信模块具有两个rj45接口。这是双端口模块。在基本结构方面，图2的实施例与图1的实施例一致，从而与图1相同的附图标记和说明目前适用于该实施例。

图2的实施例与图1的实施例的区别在于，除了rj45接口3之外还具有另一个rj45接口11。也为所述另一个rj接口11在壳体1中设有开口5。两个rj45接口3、11构造为rj45插口。在按照图2的实施例的集成通信模块中，两个rj45接口能通过现场总线线路12占用。在该实施例中，一个所述rj45接口与外部的控制单元10连接并且所述另一个rj45接口与另一个通信用户设备14连接。所述另一个通信用户设备14在该实施例中是另一个集成通信模块。图2的集成通信模块这样构造，使得也可以连接任意的其他通信用户设备14，只要这些通信用户设备14具有现场总线功能即可。与外部的控制单元10和其他通信用户设备14的连接通过现场总线线路12进行，所述现场总线线路构造为菊花链布线。类似于图1，对图2也适用的是，除了应用程序单元8及其spi接口9、现场设备13、现场总线线路12和外部的控制单元10之外，所述其他通信用户设备14也不是集成通信单元的组成部分，然而它们在图2中与集成通信单元共同示出。

图3和图4示出集成通信单元在其结构构造方面的实施例。在图3和图4中均示出壳体1和构造为rj45插口的rj45接口。图4还附加地示出同样构造为rj45插口的另一个rj45接口11。

图5a和图5b示出作为双端口模块的实施例的框图，其中，图5a和图5b内容相同并且仅使用部分不同的术语。

图5a和图5b的框图在一实施例中示出集成通信单元的组件与应用程序单元的组件的交互。

“通信模块”＝“communicationmodule”，意指所述集成通信单元，并且“客户系统(电路板)”＝“deviceapplicationboard”，意指所述应用程序单元。

“客户应用”＝“deviceapplication”，意指所述应用程序单元的应用软件，该应用软件还将数据传输到集成通信单元上或者反之，从所述集成通信单元接收数据。

“用于数据交换的共享存储区”＝“libgoalsharedlibrary”，意指作为源代码提供给应用程序单元的主体库，其使应用程序单元能够尽可能简单地将数据传输到集成通信单元上。

“c2c-用于在cpu内核之间的信息交换的软件”＝“c2c”，以及“c2c”＝“c2c”，代表内核到内核的通信——此c2c模块的一部分在应用程序单元的cpu上运行，另一部分在集成通信单元中运行。应用程序单元的操作员不必也不应对其进行更改。libgoalsharedlibrary和c2c都作为原始资料提供给应用程序单元的操作员并且由他尽可能地编译到应用软件中，而不进行任何更改。

“spi接口”＝“spiinterface”，组合成一个功能单元来表示集成通信模块的spi接口和应用程序单元的spi接口。

“双端口交换机驱动”＝“2-portswitchdriver”，意指集成通信单元的用于操作、监视和配置托管交换机的部分。

“goal”＝“goal”，意指执行层，在该执行层在软件中准备现场总线协议的功能并且通过协议栈实现。同样在这里接收来自应用程序单元的原始数据。这是中间件。goal是在该实施例中使用的名称“通用开放抽象层”的缩写。

“通信协议”＝“communicationprotocol”——这种软件模块根据在集成通信单元和应用程序单元的主cpu之间的相应的现场总线标准通过两个单元的spi接口处理通信。

“双端口交换机”＝“2-portswitch”，意指集成通信单元的与两个rj45接口相互连接的模块。

“phy”代表物理接口并且意指按照该实施例的双端口模块的两个rj45接口。

使用的附图标记

1壳体

2主板

3rj45接口

4spi接口

5开口

6微控制器

7中间件

8应用程序单元

9应用程序单元的spi接口

10外部的控制单元

11另一个rj45接口

12现场总线线路

13现场设备

14另一个通信用户设备