一种支持多总线的IO-LINK主站装置的制作方法

本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种支持多总线的IO-LINK主站装置。

背景技术：

IO-LINK是一种近年来新出现的一种新型的IO层级的通信技术，它不是一种新的现场总线技术，而是一种点对点通信技术，可以在M12线缆上传递事件、配置、过程数据，目前已经被接纳为IEC 61131-9国际标准。IO-LINK设备通常需要IO-LINK主站充当网关，从而将IO-LINK设备接入现场总线或工业以太网进行通信。主站作为现场总线上的设备将连接在主站上的IO-LINK设备传来的讯息解释，并重新打包成帧，并实时发送到现场总线控制设备，如PLC、工控机等；同时主站还可以在端口和设备配置工具(PDCT)的控制下并对IO-LINK 设备的参数进行设置；并且主站上具有非易失性存储器，用于保存连接于主站上的IO-LINK设备的讯息。

IO-LINK将传感器与执行器的接口统一起来，使得可以用同一种接口来进行IO连接，减少了备件种类，从而使得自动化设备更加模块化，提高了自动化设备组装调试效率。并且IO-LINK传递的事件、配置数据可以被用来进行IO层的调试与故障诊断，从而提高系统整体可靠性。

目前现场总线的技术标准并未统一，存在多种现场总线标准，每种现场总线都占据一定的市场份额，并没有一种占主导地位的现场总线或工业以太网。而目前现有的IO-LINK的主站方案都是针对某一固定总线的。对于市场的多总线并存的现状，单一现场总线的主站方案提高了设备集成商的采购成本，并限制了其后续升级潜力。

另外，在现有的厂矿企业中，已经存在了大量的基于现场总线的IO设备，比如Modbus数据采集器等。如果仅仅将IO层设备其替换成IO-LINK设备的话，将不能在实施后充分体现IO-LINK在IO层故障诊断、灵活配置以及系统可维护性上面的优势，要完全体现这些优势，则需要更改上位机控制层软件，在控制软件中加入IO层的配置调试代码。而这个过程的复杂性会让用户缺乏实施新技术的动力。

此外，现有的PDCT工具都是采用USB或接入现场总线等有线连接的方式来进行配置。这种方式受设备安装位置和空间的限制，对于IO点数比较多的大型企业使用不便。

技术实现要素：

本实用新型实施例提出的一种支持多总线的IO-LINK主站装置，本发明目的在于解决IO-LINK集成于各类现场总线方式复杂，升级旧设备需要更改原有控制系统，不利于旧设备的升级改造。且现有IO-LINK设备配置工具(PDCT)通常以USB等有线方式连接IO-LINK主站，需在工业现场进行配置工作，操作不便。

一种支持多总线的IO-LINK主站装置，包括中心处理模块与通信模块；所述通信模块包括工业以太网模块、CAN总线接口模块、RS485通信模块、IO-LINK 主站物理层通信模块以及无线通信模块。其中，工业以太网模块通过MII接口方式连接到中心处理模块；CAN总线接口模块通过UART接口连接到中心处理模块；RS485通信模块通过UART接口连接到中心处理模块；无线通信模块采用UART接口与中心处理模块连接。其中，所述中心处理模块用于读取IO-LINK 设备的设备参数，并通过所述工业以太网模块、CAN总线接口模块或RS485通信模块与主控设备建立过程数据代理；所述无线通信模块用于与服务器建立非周期数据代理。

进一步地，IO-LINK主站通过现场总线与主控设备进行通信并交换周期性数据。

进一步地，工业以太网模块包括数据链路接口单元、以太网物理层芯片、网络变压器与RJ45接口或通过光电转换的光线以太网；所述以太网物理层芯片、网络变压器、RJ45接口负责物理层的以太网物理层报文收发；所述数据链路接口单元运行工业以太网的数据链路层。

进一步地，中心处理模块包括微处理器、RAM内存、ROM、Flash、MMCD 以及外围电路组成。

进一步地，无线通信模块以无线以太网方式进行通信，并采用MQTT协议与服务器交换数据。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

1、一种支持多总线的IO-LINK主站的装置包括：支持多种工业以太网的数据链路层模块、物理层模块；支持DeviceNet和Canopen的Can数据链路层和物理层模块；支持Profibus DP和Modbus的数据链路层和物理层通信模块。以及支持wifi或蓝牙的无线通信模块。

1、IO-LINK设备讯息分开传送：过程数据讯息经过工业以太网、现场总线传输到控制设备如PLC或者PAC，设备调试和事件讯息经过无线模块传输到远端服务器上，由服务器负责处理和转发到移动端设备。由现场人员在移动端的 PDCT工具进行参数配置。这种方式使得无需在控制设备PLC或IPC上添加事件或配置代码，而是通过额外无线网络通道处理事件和配置讯息。

2、远端服务器负责转发IO-LINK设备的事件、诊断和控制讯息。既可以通过OPC server的方式集成到MES系统，也可以转发到移动设备端，供现场人员在现场进行设备组态和控制。

3、无线移动端的PDCT工具，可以通移动PDCT工具通过无线通信方式与运行于局域网或云端的服务器相联系。通过这种方式进行IO-LINK主站进行通信，来进行IO-LINK设备的参数配置和调试。方便了现场人员操作，使现场人员不用进入现场就可以进行IO-LINK设备的调试、参数配置等。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型提供一种支持多总线IO-LINK主站的装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的一种支持多总线IO-LINK主站集成结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。

参见图1和图2,图1是本实用新型提供一种支持多总线IO-LINK主站的装置的结构示意图，图2是本实用新型提供的一种支持多总线IO-LINK主站集成结构示意图。本实用新型的目的在于解决目前IO-LINK主站面临的多总线并存问题，提供了一种支持多总线的IO-LINK主站装置，并提供了现有IO设备平滑过渡到IO-LINK设备的方案，该方案能保留大多数IO-LINK在诊断、组态、安装方面的技术优势。并在IO-LINK主站上利用了无线通信，实现设备的诊断、组态能灵活的用移动手持设备完成。

本实用新型实施例提供一种支持多总线IO-LINK主站的装置，具体包括：工业以太网模块、CAN总线接口模块、RS485通信模块、IO-LINK主站物理层通信模块、中心处理模块以及无线通信模块。其中，所述中心处理模块有多个 UART接口；所述工业以太网模块通过MII接口方式连接到所述中心处理模块；所述CAN总线接口模块通过UART接口连接到所述中心处理模块；所述RS485 通信模块通过UART接口连接到所述中心处理模块；所述无线通信模块采用 UART接口与所述中心处理模块连接。

其中，所述中心处理模块用于读取IO-LINK设备的设备参数，并通过所述工业以太网模块、CAN总线接口模块或RS485通信模块与主控设备建立过程数据代理；所述无线通信模块用于与服务器建立非周期数据代理。

IO-LINK主站通过现场总线与主控设备进行通信并交换周期性数据。其中，本实施例中过程数据也叫周期性数据，事件、诊断、控制数据也叫非周期性数据。

工业以太网模块包括数据链路接口单元、以太网物理层芯片、网络变压器与RJ45接口或通过光电转换的光线以太网。以太网物理层芯片、网络变压器、 RJ45接口负责物理层的以太网物理层报文收发。数据链路接口单元运行工业以太网的的数据链路层，可以采用软件控制下支持Profinet、PowerLink、 EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP等工业以太网总线通信。在中心处理模块中运行以上的工业以太网的协议栈，从而支持工业以太网通信。工业以太网的数据链路层单元可以采用Ti的sitara处理器中的PRU-ICSS单元来实现， PRU-ICSS可以通过编程支持多种工业以太网，并且可以将以太网的数据链路层单元和中央处理单元集成在一起，从而减小PCB开销。

CAN总线接口模块包含CAN物理层收发器及相关电路组成。CAN总线接口模块用来实现支持CANOpen、DeviceNet物理层和数据链路层，并在中央处理单元模块中运行支持CANOpen、DeviceNet的协议栈。CAN接口可以用集成于微处理器的CAN控制器来实现，或者独立的CAN物理层收发器如ISO1050T 来实现。

RS485通信模块由485通信隔离收发器与附属电路组成，隔离收发器采用 ISO1176T。RS485通信模块用来支持Profibus和Modbus的物理层和数据链路层通信，在中心处理模块中运行支持Profibus和Modbus通信协议栈。

无线通信模块以WIFI、蓝牙、GPRS等方式进行通信，无线通信模块可以采用透传模式与局域网中的服务器进行通信。例如：采用ESP8266来进行通信。

中心处理模块包括微处理器、RAM内存、ROM、Flash以及MMCD等以及外围电路组成。微处理器采用TI的sitara处理器AM437x或AM335x处理器，存储器包括易失性存储器DDR SDRAM与非易失性存储器NAND FLASH，DDR SDRAM采用三星的K4H511638D,NAND Flash采用三星的K9F5608UOD，中心处理模块运行实时操作系统如vxWorks、FreeRTOS、TI-RTOS、ucOS、QNX以及打过实时补丁的Linux系统。主控制器运行的任务有：前述的某一现场总线的协议栈，IO-LINK主站协议栈，协议转换任务、无线通信任务、参数同步与存储任务、主控状态管理。

IO-LINK主站通过无线通信模块与现场的无线路由器接入局域网，由局域网的服务器或云端服务器负责处理与转发。通过该无线通道传递的讯息为事件、诊断与控制讯息。在服务器上运行监控或报警功能，当IO设备损坏时，可实时报警并提醒现场人员予以处理，同时服务器也可以通过OPC或OPC UA接口接入工厂的MES系统。另外现场人员通过移动设备与服务器进行通信，移动设备可接受服务器的报警讯息，并且能够通过移动APP具备PDCT功能，能对 IO-LINK设备进行组态。

IO-LINK模块由数字隔离模块与IO-LINK主站物理层收发模块以及附属电路组成，数字隔离模块采用Max14931,IO-LINK主站物理层收发模块采用 Max14819，中心处理模块采用SPI接口与之连接，SPI连接4片Max14819，每片Max14819可以支持两路IO-LINK通信。

以上所述通信模块分成三大部分：第一部分是IO-LINK主站物理层通信模块，IO-LINK主站与现场执行器与传感器连接，用于传递现场IO-LINK设备的周期性数据与非周期性数据；第二部分是现场总线通信，包括工业以太网通信模块、CAN总线接口模块、RS485通信模块。同一时刻只能采用一种现场总线进行通信，采用哪种通信在开机时候采集DIP开关的1-3位的状态决定。现场总线部分将IO-LINK通信产生的周期性数据传递到现场总线上供控制器使用；第三部分是无线通信部分，无线通信部分将IO-LINK主站物理层通信模块传递来的非周期数据，如调试、事件、报警、配置信息传递到网路服务器上。

程序启动时，首先检查DIP开关状态，DIP1-3组成3个2进制位，可以代表0-7总共8个数字，通过DIP开关的状态决定使用的现场总线类型，如DIP1-3 为0时选择Profinet。不同的现场总线将针对不同的通信模块加载不同的驱动程序与协议栈。对于工业以太网，使用Sitara处理器内部集成的PRU协处理器实现工业以太网的MAC层。

然后，初始化IO-LINK通信模块，加载IO-LINK协议栈，并扫描IO-LINK 端口，读取IO-LINK设备的参数，并进行参数检查。

在检查了IO-LINK设备参数后，根据连接的IO-LINK设备，建立面向现场总线的过程数据代理。如对于Profinet，设置一个SLOT代表IO-LINK主站，针对每个IO-LINK设备，设置一个subSlot，在subSlot中映射每个IO-LINK设备的过程数据。Profinet总线上的控制器可以通过IO-LINK设备地址和SLOT和 subSLOT可以寻址到相应过程数据，从而读取过程数据。

接下来，初始化无线模块ESP8266，将其以WIFI方式连接到代理服务器， ESP8266模块集成了TCP/IP协议与MQTT协议，使用MQTT方式注册并订阅主题。注册的主题有：设备参数主题，事件主题，直接参数回复主题、ISDU参数回复主题。

订阅的主题有：设备参数确认主题，事件回复主题，直接参数访问主题，ISDU 参数访问主题。

根据IO-LINK设备扫描的参数，通过MQTT通道的设备参数主题发送设备参数到代理服务器，服务器根据发来的参数可以自动生成IO-LINK主站的现场总线设备描述文件。

依据以上生成的设备描述文件，可以在现场总线上进行组态，从而能通过控制器PLC或PAC通过现场总线读取IO-LINK主站上的过程数据。

任何移动端或PC端的PDCT配置工具，都可以采用MQTT的方式连接到代理服务器，通过注册事件回复主题、直接参数访问主题、ISDU参数访问主题来与IO-LINK主站进行通信。通过这种通信机制，可以用PDCT进行IO-LINK 的设备参数设置与调试。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。