本發明涉及工業自動化中的網絡和通信
技術領域：
，具體涉及一種多路并發型智能網關及其工作方法。
背景技術：
：在當前的工業自動化網絡中，作為工廠管理級、車間監控級的上層網絡通常采用以太網或RS485總線等高速工業總線；而作為現場設備信號采集的現場層網絡通常采用現場總線，同時基于HART協議設備在現場的廣泛應用，進一步的，大部分現場層網絡采用HART總線。這種上層采用以太網或RS485總線等高速工業總線、下層采用HART總線的情況，導致如何解決上層高速工業總線和HART總線之間互聯互通的問題成為當務之急。隨著電子科技的不斷發展，多路復用型智能網關的產生在一定程度上解決了上層高速工業總線和現場層HART總線之間互聯互通的問題，但當前的多路復用型智能網關存在如下問題：1、采用多路切換復用的方式，每次只能訪問一路HART設備，然后切換到下一通道，導致每路HART設備訪問速度慢，無法滿足HART數據實時刷新要求；2、HART協議訪問采用非透傳模式，通常只支持HART協議中部分命令，導致可實現的HART協議功能受限；3、通信接口少，不方便與上位系統集成。。技術實現要素：本發明的目的是提供一種多路并發型智能網關及其工作方法，解決當前的多路復用型智能網關訪問速度慢、支持HART協議功能受限、與上位系統集成不方便的問題。本發明通過下述技術方案實現：一種多路并發型智能網關，包括HART通信模塊，微控制單元、上層通信接口模塊和電源，其中，所述多路并發型智能網關的每個HART回路對應設有一個HART通信模塊，所述HART通信模塊一端外接HART設備，另一端連接微控制單元，實現HART設備數字量信號與微控制單元之間的數據轉換；所述HART通信模塊設有隔離單元，用于避免HART通信模塊對HART設備模擬量信號的干擾；所述微控制單元與上層通信接口模塊和HART通信模塊均電連接，用于控制每路HART通信模塊與上層通信網絡之間的數據處理并傳送；所述上層通信接口模塊外接上層網絡，用于上層網絡與微控制單元之間數據交換；所述電源與HART通信模塊，微控制單元、上層通信接口模塊均電連接，用于給上述模塊供電。特別地，所述上層通信接口模塊包括以太網接口模塊和RS485總線接口模塊，所述以太網接口模塊和RS485總線接口模塊分別外接以太網和RS485總線，用于微控制單元分別與以太網和RS485總線與之間數據交換。特別地，所述以太網接口模塊包括以太網接口、浪涌保護電路、隔離變壓器和以太網協處理器。特別地，所述RS485總線接口模塊包括RS485電平轉換電路和浪涌保護電路。特別地，所述HART通信模塊包括直流隔離單元、電壓保護單元和信號調理單元。一種上述多路并發型智能網關的工作方法，具體包括如下步驟：A、微控制單元發出HART設備自檢指令，建立每個HART通道對應的HART設備地址數據庫；B、上位系統發出訪問HART設備命令數據包，依次經上層通信接口模塊、微控制單元、HART通信模塊將其發送至HART設備；C、HART設備接收訪問HART設備命令數據包，并發出反饋HART設備命令數據包，依次經HART通信模塊、微控制單元、上層通信接口模塊將其發送至上層網絡，進一步通過上層網絡發送至上位系統；其中，所述步驟B具體包括：B1、上位系統發出訪問HART設備命令數據包；B2、上層通信接口模塊接收訪問HART設備命令數據包，并將其發送至微控制單元；B3、微控制單元檢查接收到的訪問HART設備命令數據包，若數據包合法，則解構訪問HART設備命令數據包，并從中提取目標HART設備地址信息，與HART設備地址數據庫中信息進行匹配，若匹配則執行步驟B4，若不匹配或數據包不合法，則丟棄該訪問HART設備命令數據包；B4、重構訪問HART設備命令數據包，并將重構的訪問HART設備命令數據包經HART通信模塊發送至匹配地址的目標HART設備；其中，所述步驟C具體包括：C1、目標HART設備接收重構的訪問HART設備命令數據包，并將反饋HART設備命令數據包經HART通信模塊發送至微控制單元；C2、微控制單元檢查接收到的反饋HART設備命令數據包，若數據包合法，則解構反饋HART設備命令數據包，并從中提取HART設備地址信息，核對后重構反饋HART設備命令數據包，并將重構的反饋HART設備命令數據包發送至上層通信接口模塊，進一步通過上層網絡發送至上位系統。特別地，所述步驟C1還包括若微控制單元超時未收到反饋HART設備命令數據包，則HART通信模塊向微控制單元發送超時信號。特別地，所述步驟D具體為微控制單元對訪問HART設備命令數據包和反饋HART設備命令數據包相關參數進行統計，并將統計結果發送到上位系統，所述參數包括數據包完好率、收發次數及已探測到接入網關的HART設備地址信息。本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：本發明所述一種多路并發型智能網關及其工作方法，每路HART通道設有一個HART通信模塊，利用高速工業總線與低速HART總線的速度差，實現單路高速數據總線(RS485、以太網)與多路低速HART設備的并發通信，大大提高了HART設備的訪問速度。同時，上層高速工業總線和現場層HART總線之間數據傳送采用解構、分析、重構、再發送的工作模式，不對HART數據包進行協議轉換，從而多路并發型智能網關的兼容性得到大大提高，解決了上層高速工業總線和HART總線之間互聯互通的問題。并且，所述多路并發型智能網關同時設有以太網通信接口模塊和RS485通信接口模塊，進一步方便多路并發型智能網關與上位系統集成。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：圖1為本發明實施例1提供的多路并發型智能網關結構框圖。圖2為本發明實施例2提供的多路并發型智能網關工作方法流程圖。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作為對本發明的限定。實施例1如圖1所示，圖1為本發明實施例1提供的多路并發型智能網關結構框圖。本實施例中，所述多路并發型智能網關具體為8路并發型智能網關，其具有8路HART通道，每路HART通道對應設有一個HART通信模塊，每一個通道最多可連接16臺HART設備，具體包括八個HART通信模塊，一個微控制單元、一個上層通信接口模塊和一個電源。其中：所述HART通信模塊具體包括直流隔離單元、電壓保護單元、信號調理單元，其中，HART設備輸入的HART信號包括4-20mA的模擬量信號和HART數字疊加信號，直流隔離單元采用磁耦隔離，將4-20mA的模擬量信號和HART數字疊加信號進行分離，保證各自的輸出精度不受影響。電壓保護單元具有過電壓保護功能，保證HART通信模塊工作于正常穩定狀態。信號調理單元對HART設備輸入的HART信號進行整形濾波和調制解調。所述HART通信模塊一端外接HART設備，另一端連接微控制單元，實現HART儀表數字量信號與微控制單元之間的數據轉換。所述微控制單元設備與上層通信接口模塊和八個HART通信模塊均電連接，控制每個HART通信模塊與上層通信網絡之間的數據傳送，微控制單元接收上層通信接口模塊收到的上位系統訪問HART設備數據包，解碼分析數據包目標HART設備地址信息，并據此轉發數據包到匹配HART設備的HART通信模塊，傳輸到現場HART設備，HART設備返回數據包，通過HART通信模塊接收整形后，返回微控制單元，經檢查過濾后，發送到以上層通信網絡，進一步送回到上層通信網絡。所述上層通信接口模塊包括以太網接口模塊和RS485總線接口模塊，所述以太網接口模塊外接以太網，包括以太網接口、浪涌保護電路、隔離變壓器和以太網協處理器，用于微控制單元分別與以太網之間的數據交換。所述RS485總線接口模塊外接RS485總線，包括RS485電平轉換電路和浪涌保護電路，用于微控制單元分RS485總線與之間的數據交換。所述電源提供3.3V和5V電壓，與HART通信模塊，微控制單元、上層通信接口模塊、模擬量輸出接口模塊均電連接，根據上述模塊各自對應的電壓等級向其供電。在本實施例的一個優選實施方式中，所述HART通信模塊采用DS8500。在本實施例的一個優選實施方式中，所述以太網通信接口模塊采用W5500。在本實施例的一個優選實施方式中，所述RS485通信接口芯片采用ADM2483。在本實施例的一個優選實施方式中，所述微控制單元采用STM32F103。當前的自動化網絡中，上層總線采用以太網或RS485總線等高速工業總線，下層總線采用HART總線，而以太網接口的通信速率可達100MBits/S，RS485串口通信速率可達115200bits/S，HART協議通信速率為1200bits/S，上層總線通信速率遠遠超過下層總線，故上層總線可同時處理多路下層總線數據。但現有的智能網關采用多路切換復用的方式，每次訪問一路HART設備，然后切換到下一通道，導致每路HART設備訪問速度慢，無法滿足HART數據實時刷新要求，本發明的第一實施例的技術方案，每路HART通道設有一個HART通信模塊，利用上層總線與下層總線的速度差，實現單路高速數據總線(RS485、以太網)與多路低速HART設備的并發通信，大大提高了HART設備的訪問速度。并且，所述多路并發型智能網關同時設有以太網通信接口模塊和RS485通信接口模塊，進一步方便多路并發型智能網關與上位系統集成。實施例2如圖2所示，圖2本發明實施例2提供的多路并發型智能網關工作方法流程圖。本實施例示出上述多路并發型智能網關的工作方法，具體包括如下步驟：S101、微控制單元發出HART設備自檢指令，建立每個HART通道對應的HART設備地址數據庫。多路并發型智能網關啟動后，微控制單元定時自動發出HART設備查詢指令，查詢每路HART通道上連接的HART設備，根據反饋的HART數據包，建立每個通道對應HART設備地址數據庫。該數據庫定時自動掃描更新。S102、上位系統發出訪問HART設備命令數據包。本實施例中，多路并發型智能網關的上層總線為以太網或RS485總線，當上層總線連接的上位系統需要獲取現場HART設備數據時，上位系統發出訪問HART設備命令數據包，通過上層總線發送至上層通信接口模塊。S103、上層通信接口模塊接收訪問HART設備命令數據包，并將其發送至微控制單元；以太網接口模塊或RS485接口模塊接收上層總線發送的訪問HART設備命令數據包，通過內部高速總線傳輸給微控制單元。S104、微控制單元檢查接收到的訪問HART設備命令數據包。微控制單元驗證訪問HART設備命令數據包格式和校驗碼，根據HART協議，計算并檢查HART協議中數據校驗碼與計算校驗碼是否相同，以及對HART協議數據包字段逐一進行有效性測試，確保每個字段都在規定取值范圍。S105、判斷訪問HART設備命令數據包是否合法，若合法，則執行步驟S106；若不合法，則丟棄該訪問HART設備命令數據包。若HART協議中數據校驗碼與計算校驗碼相同，HART協議數據包字段每個字段都在規定取值范圍內，則判斷數據包合法，執行步驟S106；否則，則判斷數據包不合法，丟棄該訪問HART設備命令數據包。S106、解構訪問HART設備命令數據包，并從中提取目標HART設備地址信息，與HART設備地址數據庫中信息進行匹配。訪問HART設備命令數據包和反饋HART設備命令數據包結構不同，其中，訪問HART設備命令數據包格式為：startaddrcmdlendatachksum不同命令(cmd)對應的數據(data)和響應(respond)域長度和類型都不相同，根據不同命令(cmd)，微控制單元解構HART設備命令數據包，從構HART設備命令數據包中分離出各個不同的域，暫存到內存數據結構中，并通過數據長度、校驗和進行基礎檢查，再根據HART協議進行各個數據域合規性檢查，從檢查合格的數據中提取目標HART設備地址信息，并將目標HART設備地址信息與HART設備地址數據庫中信息進行匹配。S107、若目標HART設備地址信息與HART設備地址數據庫中信息相匹配，則執行步驟S108；若不匹配，則丟棄該訪問HART設備命令數據包。若在HART設備地址數據庫中找到匹配的目標HART設備地址，則執行步驟S108；若無法找到，則丟棄該訪問HART設備命令數據包。S108、重構訪問HART設備命令數據包，將重構的訪問HART設備數據包經HART通信模塊發送至匹配地址的目標HART設備。重構的過程是解構的逆過程，利用檢驗合格的內存數據結構，重新生成合法的HART數據包，并進行轉發。S109、目標HART設備接收重構的訪問HART設備數據包，并將反饋HART設備數據包經HART通信模塊發送至微控制單元。目標HART設備接收訪問HART設備命令數據包，HART設備反饋數據包，通過HART通信模塊接收整形后，發送至微控制單元。若微控制單元超時未收到返回HART設備數據包，則HART通信模塊向微控制單元發送超時信號。S110、微控制單元檢查接收到的反饋HART設備命令數據包，若數據包合法，則執行步驟S111；若數據包不合法，則丟棄該反饋HART設備命令數據包。反饋HART設備命令數據包合法性檢查的方法，與訪問HART設備命令數據包合法性檢查方法基本相同，不同的是反饋數據包返回數據內容是隨命令不同而變化。S111、解構反饋HART設備命令數據包，并從中提取HART設備地址信息，核對后重構反饋HART設備命令數據包，將其發送至上層通信接口模塊，進一步通過上層網絡發送至上位系統。反饋HART設備命令數據包格式為：startaddrcmdlenresponddatachksum不同命令(cmd)對應的數據(data)和響應(respond)域長度和類型都不相同，根據不同命令(cmd)，微控制單元解構反饋HART設備命令數據包，從反饋HART設備命令數據包中分離出各個不同的域，暫存到內存數據結構中，并通過數據長度、校驗和進行基礎檢查，再根據HART協議進行各個數據域合規性檢查，從檢查合格的數據中提取HART設備地址信息進行核對，驗證反饋HART設備命令數據包格式和校驗碼后，重構反饋HART設備命令數據包，特別處理突發模式的HART數據包后，將其發送到以太網通信接口和RS485通信接口，送回以太網和RS485總線，進一步通過上層網絡發送至上位系統。重構的過程是解構的逆過程，利用檢驗合格的內存數據結構，重新生成合法的HART數據包，并進行轉發。微控制單元還進一步對訪問HART設備命令數據包和反饋HART設備命令數據包相關參數進行統計，并將統計結果發送至上位系統，所述參數包括數據包完好率、收發次數及已探測到接入網關的HART設備地址信息。需要說明的是，實施例1所述多路并發型智能網關為8路并發型智能網關，同理，網關根據配置不同，可設置不同的路數，每個HART回路對應設有一個HART通信模塊,本發明優選8-32路HART通道。本發明的第二實施例的技術方案，每路HART通道設有一個HART通信模塊，利用高速工業總線與低速HART總線的速度差，實現單路高速數據總線(RS485、以太網)與多路低速HART設備的并發通信，大大提高了HART設備的訪問速度。同時，上層高速工業總線和現場層HART總線之間的數據傳送，采用解構收到的數據包，分析后重構數據包，再進行發送的方式，此工作模式的優點如下：一、確保HART數據包得到完整的分析和檢查，確保只有符合HART協議，且地址匹配的HART數據包才能轉發，保證了安全性；二、對接收到的HART數據包進行清理，工業環境下使用，常常出現丟失前導字符或正常數據傳輸序列后增加隨機數據等問題，解構后重構，可以一定程度上重建正確的HART數據包，起到數據清洗、放大增強的功能；三、同時實現了透明HART協議傳輸。不對HART數據包進行協議轉換，對HART功能沒有限制，從而多路并發型智能網關的兼容性得到大大提高，解決了上層高速工業總線和HART總線之間互聯互通的問題。以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3