专利名称：Profibus-dp工业现场总线与无线zigbee间的协议转换装置和方法
技术领域：
本发明涉及的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置，包 括PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片、主控制模块和电源模块，其中 PROFIBUS-DP总线接口模块与PROFIBUS-DP现场总线相连传输PROFIBUS-DP数据信息， PROFIBUS-DP总线接口模块与PROFIBUS-DP协议芯片相连传输PROFIBUS-DP数据报文信息， PROFIBUS-DP协议芯片与主控制模块相连传输解析的PROFIBUS-DP报文信息，电源模块分 别与PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片和主控制模块相连传输电源信息。
所述的PROFIBUS-DP总线接口模块，包括PROFIBUS-DP标准接口和光耦隔离器， 其中PROFIBUS-DP标准接口与PROFIBUS-DP现场总线相连传输PROFIBUS-DP现场总线数 据，光耦隔离器分别与PROFIBUS-DP标准接口和PROFIBUS-DP协议芯片相连传输总线数据， PROFIBUS-DP标准接口和光耦隔离器分别与电源模块相连传输电源信息。
所述的PROFIBUS-DP协议芯片，用于实现PROFIBUS-DP总线数据的解析和封装。
所述的主控制模块，包括控制器、射频天线、串行接收缓存器和串行发送缓冲器， 其中控制器与PROFIBUS-DP协议芯片相连传输解析的PROFIBUS-DP数据信息，控制器实现 解析的PROFIBUS-DP数据报文与无线ZIGBEE数据报文之间的转换，控制器分别与串行接收 缓冲器和串行发送缓冲器相连传输无线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；射频天线分别与串行接收缓 冲器和串行发送缓冲器相连传输接收到的ZIGBEE数据和发送的ZIGBEE数据。
所述的电源模块，包括第一电源和第二电源，电源模块既提供电源能量，又实 现PROFIBUS-DP总线接口模块和PROFIBUS-DP协议芯片间的电气隔离，其中第一电源 与PROFIBUS-DP标准接口相连传输电源信息；第二电源分别与光耦隔离器、主控制模块和 PROFIBUS-DP协议芯片相连传输电源信息。 本发明涉及的上述PROFIBUS-DP工业现场总线与无线ZIGBEE间的协议转换装置 的转换方法，包括步骤如下 第一步，对协议转换装置进行初始化，包括控制器初始化和PROFIBUS-DP协议芯 片初始化。 所述的控制器初始化，包括1/0 口的初始化，看门狗清零，控制器定义所需的变 量、常量和数据类型。 所述的PROFIBUS-DP协议芯片初始化，包括以下步骤
1)设置允许的中断，写入现场总线设备的地址； 2)设置协议芯片内部方式寄存器的初始化参数，包括转换装置的地址、缓冲器地 址、控制位信息；状态寄存器寄存转换装置的状态信息；中断控制器接收不同事件的中断 请求；设置的初始值，得到每个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针； 4)根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区和指针。 第二步，PROFIBUS-DP协议芯片根据现场总线的报文产生中断，主控制模块将
PROFIBUS-DP协议芯片的中断输出作为主控制器的中断输入。 所述的PROFIBUS-DP协议芯片根据现场总线的报文产生中断，包括以下步骤
1)判断是否接收到PRM(Parameter，参数)报文，如果是，协议芯片产生PRM中断， 为转换装置预定本地参数和全局参数、特征和功能；如果否，执行2); 2)判断是否接收到CFG (Configuration,组态)报文，如果未接收到CFG组态报 文，则执行3);如果接收到CFG组态报文，则继续判断接收到的报文是否为新的CFG组态报 文，如果是新的CFG组态报文，协议芯片产生CFG中断，读取现场总线标识符，获得转换装置 在总线中被交换的输入输出区域范围和结构；如果不是新的CFG组态报文，结束中断；
3)判断是否接收到SSA(Set Slave Address,设置从站地址)地址报文，如果是， 协议芯片产生SSA中断，存入地址缓冲区，对转换装置设备的地址进行更新；如果否，结束 中断。 第三步，主控制模块等待接收数据，如果没有接收到数据，进入休眠状态；如果主 控制模块接收到PROFIBUS-DP协议芯片的数据，则执行第四步；如果主控制模块接收到无 线ZIGBEE数据，则执行第五步。 第四步，PROFIBUS-DP总线接口模块将接收到的总线数据信息传给PR0FIBUS-DP 协议芯片，该协议芯片通过对总线数据的解析将数据报文传给控制器，控制器将接收到的 PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，无线ZIGBEE数据通过串 行发送缓冲器经射频天线进行无线发射。 所述的控制器将接收到的R0FIBUS-DP工业现场总线数据报文转换为无线ZIGBEE 数据报文，包括以下步骤 1)控制器获取解析的PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文的报文长度、IEEE地址 和附加地址，剩余位为功能码和数据，解析的报文作为ZIGBEE协议的应用层负载；
2)控制器将ZIGBEE协议报文的设备地址与PROFIBUS-DP报文的IEEE地址绑定， 通过IEEE地址来获取ZIGBEE协议地址； 3)加载应用层帧头、网络层帧头和MAC层帧头，完成ZIGBEE数据报文的封装。
第五步，主控制模块的控制器对从射频天线经串行接收缓冲器接收到的无线 ZIGBEE数据报文信息进行解析并将接收到的数据报文转换成解析的PROFIBUS-DP总线数 据帧格式，实现无线ZIGBEE数据报文到PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文的转换，并经 PROFIBUS-DP总线接口模块传送至现场总线。 所述的无线ZIGBEE数据报文到PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文的转换是控
制器获取无线ZIGBEE数据的地址位、功能位和数据位，生成解析的PROFIBUS-DP总线数据
报文，该总线数据报文由协议芯片封装成标准PROFIBUS-DP总线数据报文。 与现有技术相比，本发明的有益效果是实现了 PROFIBUS-DP现场总线协议与无
线ZIGBEE协议在物理层与数据链路层之间的转换，既满足了现场总线设备层的要求，又实
现了信息层与设备层的有机结合，扩展了有线网络的应用范围。
图1是实施例的系统组成示意图； 图2是实施例中SPC3芯片的连接示意图； 图3是实施例中PROFIBUS-DP数据报文转换成ZIGBEE数据报文的示意图；
图4是实施例中ZIGBEE数据报文转换成PROFIBUS-DP数据报文的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的装置和方法作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，本实施例的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议 转换装置，包括PROFIBUS-DP总线接口模块1、 PROFIBUS-DP协议芯片2、主控制模块3、 第一电源4和第二电源5，其中PROFIBUS-DP总线接口模块1与现场总线12相连传输 PROFIBUS-DP数据信息，PROFIBUS-DP总线接口模块1与PROFIBUS-DP协议芯片2相连传 输PROFIBUS-DP数据报文信息，PROFIBUS-DP协议芯片2与主控制模块3相连传输解析的 PROFIBUS-DP数据报文信息，主控器模块3实现PROFIBUS-DP数据报文与无线ZIGBEE数据 报文的转换，主控制模块3将无线ZIGBEE数据传输给无线网关13，或接收来自无线网关13 的无线ZIGBEE数据，第一电源4和第二电源5分别与PROFIBUS-DP总线接口模块1相连传 输电源信息，第二电源5分别与PROFIBUS-DP协议芯片2和主控制模块3相连传输电源信 息。 所述的PROFIBUS-DP总线接口模块1，包括PROFIBUS-DP标准接口 6和光耦隔离 器7， PROFIBUS-DP总线接口模块l实现协议转换装置和PROFIBUS-DP现场总线之间的数据 传输，其中PROFIBUS-DP标准接口 6与现场总线12相连传输PROFIBUS-DP现场总线数据， 光耦隔离器7分别与PROFIBUS-DP标准接口 6和PROFIBUS-DP协议芯片2相连传输总线数 据，PROFIBUS-DP标准接口 6与第一电源4相连传输电源信息，光耦隔离器7与第二电源5 相连传输电源信息。 所述的PROFIBUS-DP协议芯片2是SPC3芯片，该芯片用于解析和封装 PROFIBUS-DP数据帧，该芯片与光耦隔离器7相连传输PROFIBUS-DP总线数据报文信息，该 芯片与主控制模块3相连传输解析的PROFIBUS-DP数据报文信息。 所述的主控制模块3是JN5139单片机芯片，用于实现PROFIBUS-DP总线数据报文 和ZIGBEE数据报文的转换，并发送和接收ZIGBEE数据信息，主控制模块3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与PROFIBUS-DP协议 芯片2相连传输解析的PROFIBUS-DP数据报文，控制器8分别与串行接收缓冲器10和串行 发送缓冲器11相连传输无线ZIGBEE数据，射频天线9分别与串行接收缓冲器10和串行发 送缓冲器11相连传输接收到的ZIGBEE数据和发送的ZIGBEE数据。 如图2所示，所述的SPC3芯片的具体连接方式是SPC3芯片的八位地址线ABO AB7分别与JN5139单片机芯片的低八位地址线接口 Port 2相连，SPC3芯片的八位数据线 DBO DB7分别与JN5139单片机芯片的八位数据线接口 Port 0相连；JN5139单片机芯片把SPC3芯片的RAM当作外部RAM进行数据交换，SPC3芯片的RAM在JN5139单片机芯片的 地址空间中统一分配地址，SPC3芯片的XCTS为清除发送端口， XCTS低电平表示允许SPC3 芯片发送数据，RTS为SPC3芯片的请求发送端口 ，与PROFIBUS-DP总线接口模块1的输出使 能端相连，RXD和TXD分别为串行接收端口和串行发送端口 ， RXD和TXD分别与PROFIBUS-DP 总线接口模块1相连传输总线数据。 本实施例用于将PROFIBUS-DP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，对协议转换装置进行初始化，包括控制器8初始化和SPC3芯片初始化。
所述的控制器8初始化包括1/0 口的初始化，看门狗清零，控制器定义所需的变 量、常量和数据类型。 所述的SPC3芯片初始化，包括以下步骤
1)设置允许的中断，写入现场总线设备的地址； 2)设置协议芯片内部方式寄存器的初始化参数，包括转换装置的地址、缓冲器地 址、控制位信息；状态寄存器寄存转换装置的状态信息；中断控制器接收不同事件的中断 请求； 3)根据设置的初始值，得到各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针； 4)根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区和指针。 第二步，SPC3芯片根据现场总线的报文产生中断，控制器8将SPC3芯片的中断输
出作为主控制模块3的中断输入。 所述的SPC3芯片根据现场总线的报文产生中断，包括以下步骤 1)判断是否接收到PRM参数报文，如果是，协议芯片产生PRM中断，为转换装置预
定本地参数和全局参数、特征和功能；如果否，执行2); 2)判断是否接收到CFG组态报文，如果未接收到CFG组态报文，则执行3);如果接 收到CFG组态报文，则继续判断接收到的报文是否为新的CFG组态报文，如果是新的CFG组 态报文，协议芯片产生CFG中断，读取现场总线标识符，获得转换装置在总线中被交换的输 入输出区域范围和结构；如果不是新的CFG组态报文，结束中断； 3)判断是否接收到SSA地址报文，如果是，协议芯片产生SSA中断，存入地址缓冲 区，对转换装置设备的地址进行更新；如果否，结束中断。 第三步，等待接收数据，如果PROFIBUS-DP总线接口模块1没有接收到现场总线12 的数据，装置进入休眠状态；如果PROFIBUS-DP总线接口模块1接收到数据，则将该数据传 给SPC3芯片，SPC3芯片通过对总线数据的解析将数据报文传给控制器8，控制器8将接收 到的PROFIBUS-DP工业现场总线数据转换为无线ZIGBEE数据，实现PROFIBUS-DP总线数据 报文到无线ZIGBEE数据报文的转换，无线ZIGBEE数据通过串行发送缓冲器11经射频天线 9进行发射。 如图3所示，所述的PROFIBUS-DP工业现场总线数据转换为无线ZIGBEE数据，包 括以下步骤控制器8获取解析的PROFIBUS-DP数据报文的报文长度、IEEE地址和附加 地址，剩余位为功能码和数据，解析后的报文作为ZIGBEE协议的应用层负载；控制器8将 ZIGBEE协议报文的设备地址与PROFIBUS-DP报文的IEEE地址绑定，通过IEEE地址来获取 ZIGBEE协议地址；加载应用层帧头、网络层帧头和MAC层帧头，完成ZIGBEE数据报文的封装。 本实施例用于将无线ZIGBEE数据转换为PROFIBUS-DP工业现场总线数据时，包括 以下步骤 第一步，对协议转换装置进行初始化，包括控制器8初始化和SPC3芯片初始化；
所述的控制器8初始化包括1/0 口的初始化，看门狗清零，控制器定义所需的变 量、常量和数据类型。 所述的SPC3芯片初始化，包括以下步骤
1)设置允许的中断，写入现场总线设备的地址； 2)设置协议芯片内部方式寄存器的初始化参数，包括转换装置的地址、缓冲器地 址、控制位信息；状态寄存器寄存转换装置的状态信息；中断控制器接收不同事件的中断 请求； 3)根据设置的初始值，得到各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针； 4)根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区和指针。 第二步，控制器8等待接收无线ZIGBEE数据，如果没有接收到数据，装置进入休眠
状态；当主控制模块3接收到无线ZIGBEE数据时，传给控制器8，控制器8将无线ZIGBEE数
据报文转换为PROFIBUS-DP总线数据报文，并经PROFIBUS-DP总线接口模块1传到现场总
线12上。 如图4所示，所述的无线ZIGBEE数据报文转换为PROFIBUS-DP总线数据报文， 包括以下步骤控制器8去除接收到的ZIGBEE无线数据报文的MAC层帧头、网络层帧头 和应用层帧头，得到有效的地址位、功能位、数据位等，按照解析的PROFIBUS-DP报文格式 构造PROFIBUS-DP数据报文并传给SPC3芯片，SPC3芯片将解析的数据报文封装成标准的 PROFIBUS-DP总线数据报文。 所述的PROFIBUS-DP标准报文的结构依次为开始分解符、长度、重复长度、开始 分界符、目的地址、源地址、功能码、目的服务存取点、源服务存取点、数据单元、帧检查顺序 和结束分界符。 所述的协议芯片解析的PROFIBUS-DP数据报文的结构依次为目的地址、长度、功 能码、目的服务存取点、源服务存取点、数据单元和校验和。 本实施例的开发环境用Code blocks实现无线收发功能代码的编译，用 Flashprogrammer将编译好的代码下载到协议转换装置中的JN5139单片机芯片中。
本实施例方法简单、易于实现，转换装置为PROFIBUS-DP工业现场总线和无线 ZIGBEE网络的异构信息传输和集成提供必要的连接，有效促进工业有线网络和无线网络的 融合。
权利要求
一种PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片、主控制模块和电源模块，其中PROFIBUS-DP总线接口模块与PROFIBUS-DP现场总线相连传输PROFIBUS-DP数据信息，PROFIBUS-DP总线接口模块与PROFIBUS-DP协议芯片相连传输PROFIBUS-DP数据报文信息，PROFIBUS-DP协议芯片与主控制模块相连传输经过协议芯片解析的报文信息，电源模块分别与PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片和主控制模块相连传输电源信息。
2. 根据权利要求1所述的PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP总线接口模块，包括PROFIBUS-DP标准接口和光耦隔离 器，其中PROFIBUS-DP标准接口与PROFIBUS-DP现场总线相连传输PROFIBUS-DP现场总线 数据，光耦隔离器分别与PROFIBUS-DP标准接口和PROFIBUS-DP协议芯片相连传输现场总 线数据，PROFIBUS-DP标准接口和光耦隔离器分别与电源模块相连传输电源信息。
3. 根据权利要求1所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装 置，其特征是，所述的主控制模块，包括控制器、射频天线、串行接收缓存器和串行发送缓 冲器，其中控制器与PROFIBUS-DP协议芯片相连传输解析的PROFIBUS-DP数据信息，控制 器实现解析的PROFIBUS-DP数据报文与无线ZIGBEE数据报文之间的转换，控制器分别与串 行接收缓冲器和串行发送缓冲器相连传输无线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；射频天线分别与串行 接收缓冲器和串行发送缓冲器相连传输接收到的ZIGBEE数据和发送的ZIGBEE数据。
4. 根据权利要求2所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装 置，其特征是，所述的电源模块，包括第一电源和第二电源，电源模块既提供电源能量，又 实现PROFIBUS-DP总线接口模块和PROFIBUS-DP协议芯片间的电气隔离，其中第一 电源 与PROFIBUS-DP标准接口相连传输电源信息，第二电源分别与光耦隔离器、主控制模块和 PROFIBUS-DP协议芯片相连传输电源信息。
5. —种根据权利要求1所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转 换装置的转换方法，其特征在于，包括步骤如下第一步，对协议转换装置进行初始化，包括控制器初始化和PROFIBUS-DP协议芯片初 始化；第二步，PROFIBUS-DP协议芯片根据现场总线的报文产生中断，主控制模块将 PROFIBUS-DP协议芯片的中断输出作为主控制器的中断输入；第三步，主控制模块等待接收数据，如果没有接收到数据，进入休眠状态；如果主控 制模块接收到PROFIBUS-DP协议芯片的数据，则执行第四步；如果主控制模块接收到无线 ZIGBEE数据，则执行第五步；第四步，PROFIBUS-DP总线接口模块将接收到的总线数据信息传给PROFIBUS-DP协 议芯片，该协议芯片通过对总线数据的解析将数据报文传给控制器，控制器将接收到的 PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文转换为无线ZIGBEE数据报文，无线ZIGBEE数据通过串 行发送缓冲器经射频天线进行无线发射；第五步，主控制模块的控制器对从射频天线经串行接收缓冲器接收到的无线ZIGBEE 数据报文信息进行解析并将接收到的数据报文转换成解析的PROFIBUS-DP总线数据帧 格式，实现无线ZIGBEE数据报文到PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文的转换，并经PROFIBUS-DP总线接口模块传送至现场总线。
6. 根据权利要求5所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方 法，其特征是，第一步中所述的控制器初始化，包括1/0 口的初始化，看门狗清零，控制器 定义所需的变量、常量和数据类型。
7. 根据权利要求5所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方 法，其特征是，第一步中所述的PROFIBUS-DP协议芯片初始化，包括以下步骤1) 设置允许的中断，写入现场总线设备的地址；2) 设置协议芯片内部方式寄存器的初始化参数，包括转换装置的地址、缓冲器地址、控 制位信息；状态寄存器寄存转换装置的状态信息；中断控制器接收不同事件的中断请求；3) 根据设置的初始值，得到每个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针；4) 根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区和指针。
8. 根据权利要求5所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方 法，其特征是，第二步中所述的PROFIBUS-DP协议芯片根据现场总线的报文产生中断，包括 以下步骤1) 判断是否接收到PRM参数报文，如果是，协议芯片产生PRM中断，为转换装置预定本 地参数和全局参数、特征和功能；如果否，执行2);2) 判断是否接收到CFG组态报文，如果未接收到CFG组态报文，则执行3);如果接收到 CFG组态报文，则继续判断接收到的报文是否为新的CFG组态报文，如果是新的CFG组态报 文，协议芯片产生CFG中断，读取现场总线标识符，获得转换装置在总线中被交换的输入输 出区域范围和结构；如果不是新的CFG组态报文，结束中断；3) 判断是否接收到SSA地址报文，如果是，协议芯片产生SSA中断，存入地址缓冲区，对 转换装置设备的地址进行更新；如果否，结束中断。
9. 根据权利要求5所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换方 法，其特征是，第四步中所述的控制器将接收到的ROFIBUS-DP工业现场总线数据报文转换 为无线ZIGBEE数据报文，包括以下步骤1) 控制器获取解析的PROFIBUS-DP工业现场总线数据报文的报文长度、IEEE地址和附 加地址，剩余位为功能码和数据，解析后的报文作为ZIGBEE协议的应用层负载；2) 控制器将ZIGBEE协议报文的设备地址与PROFIBUS-DP报文的IEEE地址绑定，通过 IEEE地址来获取ZIGBEE协议地址；3) 加载应用层帧头、网络层帧头和MAC层帧头，完成ZIGBEE数据报文的封装。
10. 根据权利要求5所述的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转 换方法，其特征是，第五步中所述的无线ZIGBEE数据报文到PROFIBUS-DP工业现场总线 数据报文的转换是控制器获取无线ZIGBEE数据的地址位、功能位和数据位，生成解析的 PROFIBUS-DP总线数据报文，该总线数据报文由协议芯片封装成标准PROFIBUS-DP总线数 据报文。
全文摘要
本发明公开了一种通信技术领域的PROFIBUS-DP工业现场总线和无线ZIGBEE间的协议转换装置和方法，装置包括PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片、主控制模块和电源模块，其中PROFIBUS-DP总线接口模块与PROFIBUS-DP协议芯片相连，PROFIBUS-DP协议芯片与主控制模块相连，电源模块分别与PROFIBUS-DP总线接口模块、PROFIBUS-DP协议芯片和主控制模块相连；协议转换方法是由PROFIBUS-DP协议芯片实现标准PROFIBUS-DP总线数据报文的解析和封装，由主控制模块实现解析的PROFIBUS-DP总线数据报文和无线ZIGBEE数据报文之间的转换。本发明实现了PROFIBUS-DP工业现场总线与无线ZIGBEE间的协议转换，为工业现场数据在有线网络和无线网络中混合传输提供有效途径。
文档编号H04L29/06GK101719922SQ20091031089
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者关新平, 袁亚洲, 陈彩莲, 高洪昌, 龙承念 申请人:上海交通大学