IP通信网关的研制和应用

IP通信网关的研制和应用 IP通信网关的研制和应用 ? 现场总线?低压电器(2009~15) 通用低压电器篇 EtherNet/IP通信网关的研制和应用 邱浩,奚培峰,杨帆,殷君 (上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海200063) 摘要:研制了一种EtherNet/IP通信网关.以ARM9芯片为核心处理器,采用嵌 入式操作系统Reworks进行多任务运行和协调,给出了该网关的软硬件设计,介绍了网 关应用情况.该网关可轻松实现数据的双向交换,性价比高. 关键词:通信网关;嵌入式系统;多任务 中图分类号:TP393.05文献标识码:B文章编号:1001—5531(2009)15-0035— 03 DesignandApplicationofEtherNet/IP CommunicationGateway 邱浩(1981一), 男,工程师,硕士研 究生,从事工业以 太网技术和产品的 研究. QIUHao,XIPeng,YANGFan,YINJun (ShanghaiElectricalApparatusResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200063,Chi na) Abstract:AnEtherNet/IPcommunicationgatewaywasdesigned.TakingARM9ascoreproc essor,muhitask wasrunandharmonizedbyusingembeddedoperationsystemReworks.Thesoftware/hardw aredesignandapplica— tionofgatewaywereintroduced.Thegatewaycanimplementbidirectiondataexchangeeasil y,withhighcostper— formance. Keywords:communicationgateway;embeddedsystem;muititask 0引言 近年工业自动化系统正向分布式,智能化的 实时控制方面发展,随着用户对现场控制层和管 理层信息集成的要求的提高和通信开放式发 展的趋势,工业以太网Ethernet/IP逐渐进入了控 制领域,形成新型的基于以太网的控制网络技术, 成为新一代工业网络的主流…. 目前,用户应用最广泛工业通信协议是Mod— bus,现场设备大多数备有Modbus通信接口,Mod— bus有简单易用的特点,但不适合远距离的信息 传输,工业以太网技术正好具有距离远,信息量大 的优点,因此,通过EtherNet/IP通信网关把现场 设备接人EtherNet/IP网络,通过网关将设备层数 据筛选打包传输到以太网,这是目前实现远程监 控时大数据量快速,可靠传输的最优选择. EtherNet/IP通信网关是EtherNet/IP工业以 太网的接口类通信产品,它主要实现现场设 备的Modbus通信协议到EtherNet/IP协议的协议 转换功能.该产品的出现,使得原来各种带有串 行口的工业现场设备可以方便地接人到Ether. Ne~IP工业以太网中,既方便信息层和控制层对 现场设备的数据采集和监控,又在保证原有设备 仍可继续使用的前提下,实现将其升级至接人工 业以太网的目的. 1EtherNet/IP通信网关的研制 1.1产品概述 EtherNet/IP通信网关为嵌入式产品,采用了 高性能的32位ARM9芯片作为处理单元,软件上 采用嵌入式操作系统Reworks进行多任务的运行 和协调.该产品具有4个RS-485独立接口,采用 奚培峰(1981一),男,工程师,从事工业以太网技术和产品的研究. 杨帆(1980一),男,工程师,从事工业以太网技术和产品的研究. 殷君(1979一),男,工程师,从事工业以太网技术和产品的研究. 一 35— 低压电器(2009NQ15)通用低压电器篇?现场总线? 1kV的光耦隔离,串口半双工工作,波特率支持 多种速率,校验位和停止位等均可配置.网关可 作为Modbus主站,支持基本的Modbus功能码, 每个RS-485接口支持最多8段Modbus命令和最 多4个Modbus从站,网关总共最大支持32个 Modbus从站网络的管理,4个RS-485接口相互独 立并行处理,提高了Modbus网络的效率.以太 网侧支持10/100MB自适应,具有EtherNet/IP适 配器功能,支持CIP协议和CIP基本对象库,如 ID对象,消息路由对象,组合对象,连接管理对 象,TCP/IP对象和EtherNetLink对象等,支持周 期性的10数据和非周期的UCMM报文的传输, 最大输入/输出字节数均为512Byte. 1.2网关硬件设计 网关硬件系统由电源模块,CPU模块,存储 器模块,以太网接口模块,串口接口模块及其他模 块组成.具体的硬件框图如图1所示. 图1网关硬件框图 电源电路:设计中选用3.3V作为主电源,选 用的各种芯片包括CPU,Flash,SRAM,以太网芯 片等都使用3.3V电源,而5V电源只使用在Rs一 485接口电路中,4路RS-485电路是相互隔离的. 时钟和复位模块:选用11.0592MHz晶振产 生CPU芯片所需要的主时钟频率,同时选用专门 的复位芯片支持自动复位和手动复位. CPU模块:选用了高性能的ARM9芯片 RM9200.该处理器内嵌ARM920TARM/Thumb 处理器,主频为180MHz时性能可达200MIPS,内 部资源和外设资源非常丰富. 以太网和串口电路:RM9200具有10/100M 自适应的以太网MAC控制器,通过MII接口外接 物理层芯片,网络变压器和RJ45接头构成了网络 , 36一 电路模块.RM9200具有4个独立的UART接 口,因此,外接4个独立的RS-485电路模块即可 构成4个串口,该串口电路稳定,抗干扰能力强. 其他模块:主要包括拨码开关,指示灯电路和 存储器电路. 1.3网关软件设计 1.3.1Reworks概述 通信网关软件设计上采用嵌入式实时操作系 统Reworks平台,该平台包含了基本的操作系统 内核,底层芯片驱动,高性能的TCP/IP协议栈和 其他操作系统组件.Reworks操作系统是华东计 算技术研究所自主研发的一个高可靠,强实时嵌 入式实时操作系统,采用微内核及组件技术,能根 据应用需要对操作系统内核进行配置,裁剪,扩展 与定制,具备较强的伸缩能力.使用者开发产品 时只需在定制的平台上进行应用程序的开发. 1.3.2任务和优先级设定 根据通信网关产品功能和应用可在系统软件 上划分为以下任务块:EtherNet/IPAdapter任务, Modbus通信任务,设备状态指示控制任务,还有 Reworks驱动和内核任务,如系统时钟和TCP, UDP任务等.系统任务运行如图2所示. 系统初始化 硬件初始化 Reworks初始化 各协议栈初始化 系统白检 f读取Flashf l配置数据到缓存l —专]一. ESDK任务,lI设备llModbus 包括ll状态Il处理任务包 配置服务器ll控制Il含4个串口 进程ll任务IJ的处理进程 图2网关软件系统任务运行不意 EtherNet/IPAdapter任务为网关主要任务, 实现EtherNet/IP协议的解析和应用数据的接收, 发送,包括10周期数据和非周期数据的解析和收 发.该功能采用移植和裁剪ESDK软件包,将 ESDK原来的单线程机制作为本软件的一个任务 执行,赋予恰当的优先级.以太网数据IO周期一 般为10—2000ms,调度较频繁,且处理时间较 短,因此,设定优先级为100(优先级号越小示 优先级越高). ?现场总线?低压电器(2009?15) 通用低压电器篇 Modbus通信任务负责解析Modbus数据,接 收和发送Modbus数据,定时刷新Modbus数据输 入和输出.通信网关一共4个串口,根据配置情 况,系统可并行启动1,4个任务分别对应4个串 口的处理过程.Modbus协议处理遵守国标,串口 驱动为Reworks操作系统下的10读写驱动. Modbus处理比以太网慢,当客户端发送请求报文 给服务器端后等待1S或2S以上没有接收到响 应报文可视为超时,设定优先级105.4个串口并 发的处理,分别利用4个并发的任务,它们的优先 级均为105,利用时间片轮转调度机制调度. 设备状态控制任务简单却很重要,实现设备 状态灯,网络状态灯,配置状态灯,Modbus通信状 态灯的控制.设备状态指示控制任务执行频率相 对较低,其优先级设定108. 1.3.3任务通信机制 利用操作系统的通信机制主要达到2个目 的:行为同步,互斥和任务问数据通信.Reworks 操作系统提供任务通信机制信号量,事件和消息 队列,信号量主要用于任务的同步和互斥,不能用 于传递数据;事件和消息队列则二者皆可用.通 信网关多任务设计采用事件机制通信,如Ether. Net/IPAdapter任务的周期性10数据通信连接的 建立,超时等通过事件机制通知设备状态控制任 务,后者根据事件内容做出相应处理;Modbus侧 的数据则通过全局变量的机制传递给以太网侧. 2通信网关的应用 EtherNet/IP通信网关实现了2个工业网络 的互联,提供了简单和灵活的配置方式和将Mod. bus接口设备接入到工业以太网的解决.利 用上位机配置软件可以对工业以太网参数如IP 地址,网关地址,IO数据长度,DNS服务器等进行 配置,还能对Modbus参数进行灵活的配置,支持 最多32个从站设备的接入,支持全面的Modbus 功能码,并对扫描周期和超时时问间隔进行配置. 图3为基本的通信网关应用拓扑.假设图中每个 EtherNet/IP通信网关接有最大允许限度8个的 从站,对每个从站配置1条Modbus命令,Modbus 扫描周期设置为100ms,那么实现所有设备的数 据更新周期为800ms,这也是以太网侧周期性数 据的更新频率.如果Modbus部分数据发生变化 也更新以太网侧周期性数据,则以太网数据更新 周期能缩短到更小.对于目前电力变电站设备大 多数为Modbus接口的情况,通信网关起到承上 启下,打包和转发数据,网络衔接,扩展远程监控 功能等作用.EtherNet/IP主站可以是PC主站或 PLC主站,EtherNet/IP通信网关将主站往下发送 的命令,数据和请求寻址到各个Modbus设备,以 及将Modbus设备作出的响应数据组合打包上传 至主站,以到达数据监控,远程控制等功能.该网 关在轨道交通电力监控,机电工程,楼宇自动化等 工业控制领域均有很好的应用前景. ?||鼍Em.rN.仇 一?鬻Master 变频器过程控制多功能变频器过程控制多功能 仪电能监测仪表记录仪电能监测仪表 图3通信网关的应用 3结语 EtherNet/IP通信网关通过EtherNet/IP协议 与Modbus协议的相互转换,将Modbus串口设备 接入EtherNet/IP网络,可轻松实现数据的双向交 换,实现管理层网络对设备层网络的实时监控,既 提高了系统的性能,又保护原有设备的投资,减少 了系统升级的成本.EtherNet/IP通信网关的出 现,为工业产品的系统升级提供了一个高性价比 的方案,该产品具有广泛的市场应用契机. 【参考文献】 [1]毕旭,李孝茹,傅志中.工业以太网技术的发展现 状及趋势[J].自动化与仪器仪表,2005(3):1-3. [2]ODVA.Volume2:EtherNet/IPAdaptationofCIPE— dition1.2[Z].2006. 收稿日期:2009-04-27 — 37—