专利名称：Modbus工业现场总线与无线zigbee间的协议转换装置及其方法
技术领域：
本发明涉及的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，包括 MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和与主控模块，其中MODBUS总线接口模块与现 场总线相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块用于现场总线和电平转 换驱动模块间的串行二进制数据传输，MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连传输 MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块用于信号电平值较高的现场总线接口与TTL 低电平的主控模块之间的电平转换，电平转换驱动模块与主控模块相连传输TTL电平数据 信息，主控模块用于实现MODBUS总线数据报文信息和无线ZIGBEE数据之间的转换以及无 线ZIGBEE数据的接收和发送。 所述的MODBUS现场总线接口模块，包括第一 RS232接口和第一 RS485接口 ， 其中第一 RS232接口和第一 RS485接口分别与现场总线和电平转换驱动模块相连传输 MODBUS总线数据报文信息。 所述的电平转换驱动模块，包括RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动 模块，其中RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与MODBUS现场总线 接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块用于实现RS232接 口高电平与TTL电平之间的转换，RS485电平转换驱动模块用于实现RS485接口高电平与 TTL电平之间的转换，RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与主控模块 相连传输TTL电平数据信息。 所述的RS232电平转换驱动模块包括RS232电平转换芯片和第二 RS232接口 ，其 中RS232电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS232电平转换芯片通过 第二 RS232接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。
所述的RS485电平转换驱动模块包括RS485电平转换芯片和第二 RS485接口 ，其 中RS4S5电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS485电平转换芯片通过 第二 RS485接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。
所述的主控模块包括控制器、射频天线、串行接收缓冲器和串行发送缓冲器，其 中控制器与电平转换驱动模块相连传输TTL电平数据信息，控制器用于实现有线MODBUS 数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，射频天线用于接收和发送无线ZIGBEE数据，串 行接收缓冲器寄存接收到的无线ZIGBEE数据，串行发送缓冲器寄存待发送的无线ZIGBEE 数据，射频天线通过串行接收缓冲器和串行发送缓冲器与控制器相连传输接收到的无线 ZIGBEE数据和发送的无线ZIGBEE数据。 本发明涉及的上述MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置的转换 方法，包括以下步骤 第一步，主控制器读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化 操作；
第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块接收到无线ZIGBEE数据时，执行第三步；当MODBUS现场总线接口模块接收到MODBUS总线数据报文信息时，执行第四步； 第三步，主控模块的控制器对从串行接收缓冲器中接收到的无线ZIGBEE数据报文信息进行解析，将无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文，并由电平转换驱动模块将TTL数据报文转换为MODBUS总线数据报文，实现无线ZIGBEE数据报文转换为MODBUS总线数据报文，通过MODBUS现场总线接口模块将该MODBUS总线数据报文信息传给现场总线； 所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是 1)从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF_ch []，其中SBUF_ch
是地址位，SBUF_ch[l]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位； 2)根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF_ch[2]的长度，并提取数据位SBUF—ch[2]; 3)将数据位SBUF_ch [2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。
第四步，MODBUS现场总线接口模块将接收到的MODBUS总线数据报文信息传给电平转换驱动模块，电平转换驱动模块将MODBUS总线数据报文转换为TTL电平数据报文，主控模块的控制器将该TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，实现MODBUS总线数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，并通过串行发送缓冲器和射频天线发送出去。
所述的TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文是 1)定义一个char型的数组SBUF_ch[]，其中SBUF_ch
是地址位，SBUF_ch[l]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位，SBUF_ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度； 2)把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF_ch[]中； 3)将存入数据位的数组SBUF_ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线
ZIGBEE数据报文。 与现有技术相比，本发明的有益效果是实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。
图1是实施例系统组成示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的系统进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例
实施例 如图1所示，本实施例涉及的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，包括MODBUS总线接口模块1、电平转换驱动模块2和与主控模块3，其中MODBUS总线接口模块1与现场总线18相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块1
6与电平转换驱动模块2相连传输MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块2与主控模块3相连传输TTL电平数据信息，主控模块3将无线ZIGBEE数据传输给ZIGBEE无线网关19，或接收来自ZIGBEE无线网关19的无线ZIGBEE数据。 所述的MODBUS现场总线接口模块1包括第一 RS232接口 4和第一 RS485接口 5，其中第一RS232接口 4和第一RS485接口 5分别与现场总线18和电平转换驱动模块2相连传输MODBUS总线数据报文信息。 所述的电平转换驱动模块2包括RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7，其中RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7分别与MODBUS现场总线接口模块1相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块6和RS485电平转换驱动模块7分别与主控模块3相连传输TTL电平数据信息。
所述的RS232电平转换驱动模块6包括第二 RS232接口 12和MAX232芯片，MAX232芯片包括第一接收器14和第一发送器15，其中第一接收器14将第二 RS232接口12的Rx端口电平转换成+5V的TTL电平并传给主控模块3，第一发送器15将来自于主控模块3Tx端口的TTL电平转换成第二 RS232接口 12的Tx端口的接口电平，实现第二 RS232接口 12的电平与TTL电平之间的转换。 所述的RS485电平转换驱动模块7包括第二 RS485接口 13和SP3485e芯片，SP3485e芯片包括第二接收器16和第二发送器17，其中第二接收器16将第二 RS485接口 13的Rx端口电平转换成+5V的TTL电平并传给主控模块3，第二发送器17将来自于主控模块3的TTL电平转换成第二 RS485接口 13的Tx端的接口电平，实现第二 RS485接口13的电平与TTL电平之间的转换。 所述的主控模块3是JN5139单片机芯片，包括控制器8、射频天线9、串行接收缓存器10和串行发送缓冲器11，其中控制器8完成MODBUS总线数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，控制器8与电平转换驱动模块2相连传输TTL电平数据信息，射频天线9通过串行接收缓冲器10和串行发送缓冲器11与控制器8相连传输接收到的无线ZIGBEE数据报文和发送的无线ZIGBEE数据报文。 本实施例用于将MODBUS工业现场总线数据转换为无线ZIGBEE数据时，包括以下步骤 第一步，控制器8读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作； 采用MODBUS的RTU通讯传送方式，保证与MODBUS总线设备通讯模式一致，否则会
因为模式不一致而导致通讯失败，具体的编码方式如表1所示。 表l
编码8位二进制
起始位l位
数据位8位
7编码8位二进制
奇偶校验位1位(偶校验位)
停止位l位
错误校验CRC(冗余循环码) 第三步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当MODBUS现场总线 接口模块1接收到MODBUS总线数据报文信息时，当MAX232芯片或者SP3485e芯片的使能 端电平为"0"时，发送器禁止，接收器有效，此时电平转换驱动模块2可以接收来自MODBUS 现场总线接口模块1的数据，MODBUS现场总线接口模块1将接收到的MODBUS总线数据报 文信息传给电平转换驱动模块2的第二 RS232接口 12或者第二 485接口 13， MAX232芯片 或者SP3485e芯片将MODBUS总线数据电平转换为TTL电平数据； 第四步，主控模块3接收到经过转换的TTL电平数据，由控制器8将该TTL电平数 据报文转换成无线ZIGBEE数据报文，并由串行发送缓冲器11和射频天线9将无线ZIGBEE 数据报文发送出去。 所述的TTL电平数据报文转换成ZIGBEE数据报文是 1)定义一个char型的数组SBUF_ch[]，其中SBUF_ch
是地址位，SBUF_ch[l] 是功能位，SBUF—ch[2]是数据位，SBUF—ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度。 所减的4个字节即是1个地址码字节、1个功能码字节和2个校验码字节。 2)把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF_ch[]中； 3)将存入数据位的数组SBUF_ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线
ZIGBEE数据报文，完成从MODBUS总线报文到无线ZIGBEE报文的转换。 本实施例用于将无线ZIGBEE数据转换为MODBUS工业现场总线数据时，包括以下
步骤 第一步，控制器8读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化 操作； 采用MODBUS的RTU通讯传送方式，保证与MODBUS总线设备通讯模式一致，否则会 因为模式不一致而导致通讯失败，具体的编码方式如表1所示。 第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块3的射 频天线9和串行接收缓冲器10接收到无线ZIGBEE数据报文信息时，控制器8将接收到的 无线ZIGBEE数据报文转换为TTL电平数据报文；
所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是 1)从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF_ch []，其中SBUF_ch
是地址位，SBUF_ch[l]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位； 2)根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF_ch[2]的长度，并提取数 据位SBUF—ch[2]; 3)将数据位SBUF_ch[2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。
第三步，将得到的TTL电平数据报文由电平转换驱动模块2的MAX232芯片或者 SP3485e芯片转换为MODBUS总线数据报文； 第四步，当MAX232芯片或者SP3485e芯片的使能端电平为"l"时，发送器有效，接 收器禁止，电平转换驱动模块2可以向MODBUS现场总线接口模块1发送数据；电平转换驱 动模块2通过RS232接口或者RS485接口 ，将MODBUS总线数据报文信息通过MODBUS现场 总线接口模块1传输给现场总线。 本实施例实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了 信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。
权利要求
一种MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其特征在于，包括MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和与主控模块，其中MODBUS总线接口模块与现场总线相连传输MODBUS总线数据报文信息，MODBUS总线接口模块用于现场总线和电平转换驱动模块间的串行二进制数据传输，MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，电平转换驱动模块用于信号电平值较高的现场总线接口与TTL低电平的主控模块之间的电平转换，电平转换驱动模块与主控模块相连传输TTL电平数据信息，主控模块用于实现MODBUS总线数据报文信息和无线ZIGBEE数据之间的转换以及无线ZIGBEE数据的接收和发送。
2. 根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其 特征是，所述的MODBUS现场总线接口模块，包括第一RS232接口和第一RS485接口，其中 第一 RS232接口和第一 RS485接口分别与现场总线和电平转换驱动模块相连传输MODBUS 总线数据报文信息。
3. 根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其 特征是，所述的电平转换驱动模块，包括RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动 模块，其中RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与MODBUS现场总线 接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息，RS232电平转换驱动模块用于实现RS232接 口高电平与TTL电平之间的转换，RS485电平转换驱动模块用于实现RS485接口高电平与 TTL电平之间的转换，RS232电平转换驱动模块和RS485电平转换驱动模块分别与主控模块 相连传输TTL电平数据信息。
4. 根据权利要求3所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其 特征是，所述的RS232电平转换驱动模块包括RS232电平转换芯片和第二 RS232接口 ，其 中RS232电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS232电平转换芯片通过 第二 RS232接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。
5. 根据权利要求3所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，其 特征是，所述的RS485电平转换驱动模块包括RS4S5电平转换芯片和第二 RS485接口，其 中RS4S5电平转换芯片和主控模块相连传输TTL电平数据信息，RS485电平转换芯片通过 第二 RS485接口与MODBUS现场总线接口模块相连传输MODBUS总线数据报文信息。
6. 根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置， 其特征是，所述的主控模块包括控制器、射频天线、串行接收缓冲器和串行发送缓冲器，其 中控制器与电平转换驱动模块相连传输TTL电平数据信息，控制器用于实现有线MODBUS 数据报文和无线ZIGBEE数据报文的转换，射频天线用于接收和发送无线ZIGBEE数据，串 行接收缓冲器寄存接收到的无线ZIGBEE数据，串行发送缓冲器寄存待发送的无线ZIGBEE 数据，射频天线通过串行接收缓冲器和串行发送缓冲器与控制器相连传输接收到的无线 ZIGBEE数据和发送的无线ZIGBEE数据。
7. —种根据权利要求1所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置 的转换方法，包括以下步骤第一步，主控制器读取运行参数，对各通讯接口模块和协议转换装置进行初始化操作；第二步，等待接收数据，没有接收到数据时，则进入休眠状态；当主控模块接收到无线ZIGBEE数据时，执行第三步；当MODBUS现场总线接口模块接收到MODBUS总线数据报文信 息时，执行第四步；第三步，主控模块的控制器对从串行接收缓冲器中接收到的无线ZIGBEE数据报文信 息进行解析，将无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文，并由电平转换驱动模块将 TTL数据报文转换为MODBUS总线数据报文，实现无线ZIGBEE数据报文转换为MODBUS总线 数据报文，通过MODBUS现场总线接口模块将该MODBUS总线数据报文信息传给现场总线；第四步，MODBUS现场总线接口模块将接收到的MODBUS总线数据报文信息传给电平转 换驱动模块，电平转换驱动模块将MODBUS总线数据报文转换为TTL电平数据报文，主控模 块的控制器将该TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，实现MODBUS总线数据报 文转换为无线ZIGBEE数据报文，并通过串行发送缓冲器和射频天线发送出去。
8. 根据权利要求7所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方法，其 特征是，第三步中所述的无线ZIGBEE数据报文转换成TTL电平数据报文是1) 从无线ZIGBEE数据报文中提取数据帧，得到数组SBUF—ch[]，其中SBUF_ch
是 地址位，SBUF_ch[l]是功能位，SBUF_ch[2]是数据位；2) 根据数据帧的总长度减去4个字节，得到数据位SBUF—ch[2]的长度，并提取数据位 SBUF_ch [2];3) 将数据位SBUF_ch[2]存入MODBUS总线的数据帧中，转换为TTL电平数据报文。
9. 根据权利要求7所述的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方法，其 特征是，第四步中所述的TTL电平数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文是1) 定义一个char型的数组SBUF—ch[]，其中SBUF_ch
是地址位，SBUF_ch[l]是功 能位，SBUF_ch[2]是数据位，SBUF_ch[2]的长度为数据帧的总长度减去4个字节的长度；2) 把TTL电平数据帧里的数据位存入所定义的数组SBUF—ch[]中；3) 将存入数据位的数组SBUF—ch[]加载到无线ZIGBEE的数据帧中，转换为无线 ZIGBEE数据报文。
全文摘要
本发明公开了一种通信技术领域的MODBUS工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置及其方法，装置包括MODBUS总线接口模块、电平转换驱动模块和主控模块，其中MODBUS总线接口模块与电平转换驱动模块相连，电平转换驱动模块与主控模块相连；方法是通过电平转换驱动模块实现MODBUS总线信号电平与主控模块TTL数据电平之间的转换，主控模块实现TTL电平数据报文与无线ZIGBEE数据报文之间的转换，这样就完成了有线MODBUS数据和无线ZIGBEE数据间的转换。本发明的优点就是实现了工业现场总线MODBUS与无线ZIGBEE之间的协议转换，既满足了信息层的要求，又实现了设备层的无线扩展功能。
文档编号H04L29/06GK101729572SQ20091031003
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者关新平, 梁振虎, 陈彩莲, 高洪昌, 龙承念 申请人:上海交通大学