一种工业现场总线协议网关装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业总线领域，尤其涉及一种工业现场总线协议网关装置。
【背景技术】
[0002]传统的工业总线网络通信大部分都是基于有限距离的小范围应用，如应用在工厂生产线上或者某一工艺车间中，应用范围大多数都在1千米范围以内，传统的工业总线网关应用在这样的场合也非常成熟。目前通过广域网实现工业设备、系统的远程监控使用的商用以太网协议技术，考虑到工业应用场合的安全性、可靠性和实时性等方面不够多，一般只是实现要求不高的普通数据监视功能，在一些需要采集现场仪表数据的情况下，一般都必须增加控制器以实现通用仪表总线的协议转换和网络接入。
[0003]现场总线技术已经广泛用于工业控制系统中，比如SCADA (Supervisory ControlAnd Data Acquisit1n,数据米集与监视控制系统)、DCS (Distributed Control System,分布式控制系统)、FCS(Fieldbus Control System,现场总线控制系统)等控制系统。在现场总线的发展过程中，各个厂家都发展了自己的现场总线标准，导致各个总线之间的不兼容问题。因此在实际的应用过程中，就需要能够有设备实现各种现场总线之间的转换，这种转换有两种方式:一种是透明传输的方式；另一种是网关的方式。透明传输的方式在转换设备的两端运行的是同一个协议，转换设备只进行数据的打包和解包工作；网关设备的两端运行的是两种/多种不同的协议，在网关设备上有一个实时数据库，各种协议的数据都在这个实时数据库上进行操作。透明传输的设备相对简单，上位机需要实现现场设备的总线协议；对网关而言，上位机不用实现现场设备的总线协议。两种类型的设备都具有相应的市场，根据应用不同而分别采用透明传输或者网关的方式。
[0004]当前各控制系统或者通过自我研发的协议扩展单元来实现多协议的扩展；或者通过第三方的网关来实现对多总线的支持，因此市场急需一种通用型的协议转换网关装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对多种总线协议并存使用的现状，开发出一种通用型的协议转换网关，该工业现场总线协议网关装置具有灵活有效的冗余技术和多样化的模块组装方式，提高多总线协议之间的互联互通性和冗余系统的可靠性。
[0006]为达到上述目的，本发明提供的一种工业现场总线协议网关装置包括:MCU控制模块(Micro Controller Unit,微控制单元,还叫单片微型计算机)、10接口模块(Input/Output,即输入输出接口模块)、人机接口模块、底板和电源模块；通过系统总线将10接口模块和MCU控制模块连接，MCU控制模块和人机接口模块通过总线连接；电源模块通过底板给MCU控制模块、人机接口模块和10接口模块实现冗余供电，同时整个装置的系统实现以太网的可靠连接。
[0007]优选的，所述MCU控制模块为两个，且该两个MCU控制模块采用层叠式架构，MCU控制模块的内部设置有实时操作系统和实时数据库。采用此技术方案，能够实现各现场总线协议快速、高效的转换，可以根据不同的10接口模块，实现两种以上的协议同时运行。
[0008]进一步优选的方案，所述MCU控制模块采用32位CPU(Central Processing Unit,中央处理器)，且在其两侧具有2个40pin接口。MCU控制模块通过2个40pin接口可以与外部的并行总线、多路串行总线、双网络接口以及控制线连接。
[0009]更进一步的优选方案，所述两个MCU控制模块设有CPLD逻辑控制单元(ComplexProgrammable Logic Device,复杂可编程逻辑器件),所有的CPLD逻辑控制单元采用同一根总线连接，通过CPLD逻辑控制单元实现多个MCU控制模块之间控制权的有效竞争。
[0010]所述MCU控制模块之间的有效竞争逻辑为:所有的CPLD逻辑控制单元都设置有获得主控制权模式和待机状态模式；当CPLD逻辑控制单元处于获得主控制权模式时，该CPLD逻辑控制单元输出方波信号给总线；iCPLD逻辑控制单元处于待机状态模式时，该CPLD逻辑控制单元无方波信号输出，且CPLD逻辑控制单元在待机状态会循环检测总线的信号；如果CPLD逻辑控制单元检测不到方波信号，则该CPLD逻辑控制单元对应的MCU控制模块获得主控制权。
[0011]当MCU控制模块发生故障时，比如发生电源故障、系统复位、CPU宕机、程序跑飞等情况时，则发生故障的MCU控制模块对应的CPLD逻辑控制单元停止方波信号输出，允许其他MCU控制模块接管。
[0012]所述的每个CPLD逻辑控制单元都预先设有工作优先级，以决定其信号检测的时间窗口。采用此技术方案可以优先避免竞争时出现冲突。
[0013]通过CPLD逻辑控制单元控制MCU控制模块的各信号引脚，获得主控权的MCU控制模块各信号引脚有效，而处于待机状态的MCU控制模块的各引脚则为高阻状态；这样，MCU控制模块可以实现有效的层叠，实现灵活可靠的冗余特性。
[0014]所述人机接口模块设有显示运行信息和故障信息的显示设备。
[0015]所述两个MCU控制模块采用平铺方式，这种平铺方式适合于接口模块尺寸比较大的情况，一个网关装置共用一个10接口模块。
[0016]所述MCU控制模块为两个，每个MCU控制模块都各自对应有一个10接口模块和底板，两个MCU控制模块之间通过外部总线连接。
[0017]主控状态的MCU控制模块中的各个总线协议栈完成对实时数据库的操作；待机状态的MCU模块中的各个总线协议栈对数据库不进行操作，其协议栈处于空闲状态；但是主控状态的MCU控制模块中任何对实时数据库的写入操作都会同步到处于待机状态的MCU控制模块的实时数据库中。
[0018]每个MCU控制模块的以太网信号通过Mil/ RMII接口引出到底板，通过总线开关阵列进行切换，主控MCU模块连接位于底板上的以太网收发器(PHY);处于待机状态的MCU模块的以太网信号处于高阻状态。当切换发生时，处于待机状态的MCU模块转变为主控模块，同时接管以太网收发器(PHY)单元。
[0019]这种方式可以有效减少网络切换的事件，以太网收发器单元不需要重新检测线路状况；接管后处于主控制权状态的MCU控制模块甚至都不需要重新对以太网收发器(PHY)进行初始化。
【附图说明】
[0020]图1为本发明一种工业现场总线协议网关装置的模块架构组成示意图；
图2为本发明较佳实施例中两个MCU控制模块采用层叠式的结构示意图；
图3为本发明另一实施例中两个MCU控制模块采用平铺式的结构示意图；
图4为本发明再一实施例中两个MCU控制模块采用堆叠式的结构示意图；
图5为本发明一种工业现场总线协议网关装置的CPLD逻辑控制单元的仲裁逻辑示意图；
图6为本发明一种工业现场总线协议网关装置的主控状态MCU控制模块和待机状态MCU控制模块的数据库同步的原理示意图；
图7为本发明一种工业现场总线协议网关装置的底板网络接口模块的原理示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1至图7之一所示，本发明提供的一种工业现场总线协议网关装置包括:MCU控制模块(Micro Controller Unit,微控制单元,还叫单片微型计算机)、10接口模块(Input/Output，即输入输出接口模块)、人机接口模块、底板和电源模块；通过系统总线将10接口模块和MCU控制模块连接，MCU控制模块和人机接口模块通过系统总线连接；电源模块通过底板给MCU控制模块、人机接口模块和