基于嵌入式的工业多信息网络交换系统设计

黄俊杰，汪 涛，王文烁，胡丹晖

(国网湖北省电力公司电力科学研究院，国家电网公司高压电气设备现场实验技术重点实验室，湖北武汉 430077)

0 引言

工业控制系统中很多部分起着关键性作用，例如信号采集和控制系统的数据交换可以说关系着整个工业工厂系统的可靠与稳定。目前工业网络结构越来越向安全性、可控性和扩展性发展[1]，因此开发一种基于多种网络的总体拓扑系统。

工业网络有集中式控制和分布式控制，而且目前分布式控制方法种类繁多，因此开发一种针对通用工业网络的系统[2]，可以应用在数据采集与工业数据交换的嵌入式网络交换机中。

针对工业多信息交换网络的嵌入式系统，先采用ERTEC200P开发出PROFINET协议，经过RS485协议与STM32进行通讯，在STM32上开发出USB、RJ32、RS232、CAN和RS485等多种接口的下位机系统，完成硬件模块基础上开发出多种协议驱动程序。

1 系统网络信息交换设计

控制系统是为适配目前多样的工业网络，即把越来越多的工业网络应用到嵌入式开发系统中，目前生产应用之间的通信主要是通过工业以太网交换信息[3]，由于其拥有更好的抗干扰性已经被很多厂家应用在自己的系统中。在开发嵌入式工业多信息交换系统中首先要考虑系统可以兼容主流的工业接口，且通信协议与工业标准统一。除了开发一般的工业系统外还针对嵌入式开发板上常用到的接口进行开发，由于嵌入式系统使用起来比工业通信复杂，因此对目前的程序进行固化，保证扩展的外部设备可以很快接入到工业信息网络中。

如图1所示，主站控制系统是西门子通信专用的ENTEC200p开发版，硬件已经集成了MCU、外扩的SDRAM存储部分、快速存储、工业以太网接口、电源、常用在线调试接口、多路DIO和最小系统组件等硬件电路[4]，已经移植的eCos软件操作系统可以对PROFINET 3层网络中任一协议栈进行修改，用户可以开发出加密性能更好的协议来保护工业设备被盗用。除此之外STM32通过常用RS485通信接口扩展更多的工业设备，软件部分通过移植UCOS的操作系统来实现多任务管理功能，从而更能保证多信号之间的无干扰通信。

图1 工业多信息网络交换系统

2 系统网络信息交换机硬件设计

在设计网络信息交换系统中，既有关于网关和协议的硬件架构，整体网络系统网关硬件是用来保证ERTEC200P与系统进行数据交换协议的主站系统，可以通过以太网接口和PROFINET控制器的I/O口连接[5]，也可以通过Modbus协议把扩展板定义为从站通过11路GPIO与主站进行硬件连接。针对拓展板开发的硬件电路主要是设计硬件接口，包括RS485接口、UART接口、CAN接口和以太网接口。

2.1 主从站硬件连接设计

PROFINET网络中把被控系统的I/O控制器定义为协议主站，而把使用的200P硬件电路板设计为协议从站。基于Modbus的网络中扩展板作为协议主站设备，而从站只要是支持RS485接口的工业设备都可以接入到系统中。

如图2所示，以此介绍信号传递过程，当PLC或同类控制器通过工业网络接口发送连接请求到ENTEC200P开发板中，当得到从站的回应后系统开始在两个设备之间建立通信联系[6]。当工业应用中的控制器把协议数据包传输到从站时，从站对传输过来的信息进行协议解析并存储到内存中，并把一部分解析包反馈给主站后再对另一从站进行控制数据和协议数据包的发送。如图2所示2个电路板之间通信一共用到了11路I/O口，其中8路用来传输MODBUS协议数据和地址信号，另外3路分别作为读入读出信号的使能引脚和传输地址的选择引脚。同理串口主从站之间的通信过程也类似。

图2 主从站I/O引脚连接示意图

2.2 RS485通信接口电路设计

在工业强干扰环境下由于232单端特性其传输距离非常近，对于站点较远、速度要求较高场合RS232并不是最好的选择[7]。RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，具有接口简单、组网方便、传输距离远等优点，数据传输速率能达到10 Mbit/s，因此使用抗扰动效果更好的RS485模块实现主单片机与远端站点MCGS触摸屏的数据通信，这样能够保证从站设备信息显示和反馈信号的实时性。图3为RS485接口电路，电路采用兼容3.3 V逻辑电平的 MAX485(ESA)芯片。

图3 RS485通信硬件电路设计

其中芯片的传输信号主要由STM32提供串口通信开始和结束的TTL电平信号，包括数据传输信号、起始位等，在MCU与通信电路之间加入了一个高速光耦电路进行隔离来保证信号更加可靠。串口采用差分的形式，差分电压设置在-5～+5 V之间，接收信号灵敏度为0.1 V左右，而且选用MAX485芯片可以防止高压静电放电的冲击。考虑到工业应用环境非常复杂，为了增强线路阻抗特性匹配并防止芯片被击穿采用2个20 Ω电阻来提高电路实用性。

2.3 CAN通信部分电路设计

CAN通信是一种串行的通信协议，其一开始被应用到汽车电子行业中，由于成本低且可靠性高，CAN通信协议已经被汽车行业作为标准协议[8]。随着工业信息发展，现场总线已经成为目前工业中的热点，CAN总线作为局域网已经被各大工业公司接受并应用，硬件设计电路如图4所示。

图4 CAN通信硬件电路

CAN电路主要有2个部分。一个是MCU和芯片之间的高速信号转换电路采用6N137，其 VE使能引脚接高电平或者悬空，将分别产生正逻辑和负逻辑，此处使用正逻辑控制。为了更好地适应工业环境，在电源引脚处接入一个0.1 μF去耦电容，在显示电路部分接入限流电阻，另外采用上拉电阻R55来提高驱动能力。另一个就是CAN总线与处理器的连接，首先使用2个高速光耦实现光信号转化来减少电路中的高频噪声，VP230可以实现稳定的电平转换，在信号输入侧接入2个22 Ω电阻用来完成信号路线的阻抗匹配。

3 信息交换系统软件架构

在通讯电路板中运行着2个通讯程序，一个是200p电路的eCos系统[9]，另一个是STM32电路的uCos系统，这2个系统都处于软件架构中的顶层设计，即通过移植操作系统才能发挥芯片最大的多信息网络交换。第二层主要是确认系统的应用程序可以正常读取协议之间的协议寄存器，并通过通讯设置向电路之间读取或者写入数据。第三层应用层即向用户展示函数封装和调用。本文主要针对第二和第三层进行设计包括协议层面的内容。

3.1 信息交换系统软件架构

在标准协议中所有网络节点都需要通过依靠识别机器码地址来区分设备，即每个设备都有一个自己的名字，而在PROFINET中采用的是给每个设备定义一个专用地址，在这个网络中可以随时呼叫来识别网络中的节点。

在操作系统和协议寄存器之间需要有一个适应层，可以实现隔离系统的调用从而保护操作系统。此软件设计的主要目的除了应用到工业网络中，另一个重要目的就是使PROFINET和Modbus协议实现无缝信号传输，基于PNPB层主要是做用户开发使用，在信息交换过程中RS485支持半双工[10]，而PROFINET支持全双工，因此设计的软件网关可以实现半双工数据交换。

3.2 改进Modbus通信帧设计

Modbus-RTU数据传输模式的帧格式包括地址、功能代码、数据和差错校验4部分，如表1所示。

表1 Modbus-RTU帧格式

其中地址为8位数，主设备和子设备的通讯主要通过内部寄存器的地址与来进行设备的选取，设备之间的响应和回应主要通过设备中的地址域数据进行呼应。

功能代码占一个字节为8位，其中序号代表了设备要进行的动作[11]。通过读取寄存器的状态判断设备的状态和程序运行，Modbus协议规定的常见功能码，作用及其数据类型如表2所示。

表2 数据帧定义

数据占0～252字节可为N x 8位，由RTU字符组成。差错校验占2个字节为16位，在RTU模式中对整个报文的传输信号进行CRC校验。

Modbus-RTU数据传输模式的消息帧没有明确的起始帧和结束帧，协议发送有自己的命名格式包括开始帧和结束帧的定义范围，通过校验传送数据帧尾判断发送数据的正确性。数据传送时间必须按要求严格控制即波特率的设置，时间间隔示意图如图5所示。

图5 Modbus-RTU帧间隔示意图

利用上述方法，Modbus-RTU帧被重新构造为有起始和结束标志的新数据帧，重构后的Modbus-RTU帧格式如表3所示。

表3 重构后Modbus-RTU帧格式

4 系统功能测试

信号测试方式比较抽象，很难通过系统的测试来确定信息交换流，因此通过2个方面验证系统，一是通过测试系统的传输信号的错误率，二是直接观察协议寄存器内的数据状态。图6为PROFINET与Modbus通信站。

图6 PROFINET与Modbus通信站

4.1 PROFINET测试

通过把PLC与交换系统连接后进行测试，工控网关中数据误码率测试结果如表4所示。把基于工业以太网的波特率设定为100 Mbit/s，PLC刷新时间设定为1 s，通过测试发现系统确实处于半双工方式，当速率继续上升时系统就开始出现错误。

表4 PROFINET网关数据误码率测试结果

4.2 Modbus测试

在系统上电后把协议全部配置完成，让电路属于正常工作状态时，通过在线调试JTAG接口把系统与PC机相连。在系统处于正常工作时读取Modbus的信息寄存器，不仅能看到采集卡的网络名称，还能通过系统采样率等信息，验证发现系统可以实现稳定的数据交换。图7为PROFINET与Modbus通信站的数据交换。

图7 PROFINET与Modbus通信站的数据交换

5 结论

本文通过双CPU的嵌入应用系统，把PROFINET与常用工业网络连接在一起。设计工业网络的硬件接口电路，对工业设备常用的工业协议进行改造来增强通信系统的可靠性，并把设计电路融入到工业信息交换系统中辅以高效的操作系统实现多信号的可靠传输。实验证明此系统可以实现多种工业信息网络的数据交换，并且能高效可靠地保证多种工业设备的实时交互。