工业控制自动化网络通信协议转换器及通信协议转换方法技术

本发明专利技术公开一种工业控制自动化网络通信协议转换器及通信协议转换方法，所述通信协议转换器包括微处理器、上端接口拓展电路、下端接口拓展电路、存储器和电源电路；所述上端接口拓展电路包括串行通讯接口、以太网接口、硬件协议栈芯片、软件协议栈芯片以及用于切换所述硬件协议栈芯片和软件协议栈芯片与上位机通信的切换开关，所述串行通讯接口实现所述微处理器与Modbus网络的连接，所述以太网接口实现所述微处理器与工业以太网的连接；所述下端接口拓展电路包括与多个下位机一一对应通信连接的多个串行通讯接口。本发明专利技术可以实现自由协议与Modbus RTU协议或TCP/IP协议之间的相互转换，满足现场级控制和远程控制的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业自动化控制
，尤其涉及一种工业控制自动化网络通信协议转换器及通信协议转换方法。
技术介绍
随着工业现代化的程度越来越高，现代工业控制系统发展成了一种由各种传感器、控制器、执行器以及各种具有具体功能的子系统构成的具有复杂结构的控制网络,比如，现代工业控制系统中常见的传感模块就由传感器、转换器与发射器(甚至可能会有小型的控制器用于前端数据处理)组成；数据采集与监控系统作为控制系统中的关键子系统，通常又由大量的传感模块、发射器及控制器组成；而现代工业控制系统普遍采用可编程控制器(ProgrammableController,PLC)通常集成了发射器与控制器，用于进行具体工业过程的控制。因此，现代工业控制系统通常以PC机或一台PLC等为上位机，通过网络的连接和通讯协议的支持，对多个如PLC等现场工控子设备(下位机)进行集中管理，以及与之进行实时的数据交换与处理，例如CN105137928A公开的一种全自动化生产线数据采集系统，包括现场数据采集网络单元与远程上位机单元，该数据采集网络单元包括多个底层模块、下位机与中位机，其相互之间通过网络连接并形成三层架构；所述底层模块包括生产设备自身的控制器，所述下位机包括基于PLC控制模块的和网关，其中，所述底层模块通过设定的通信方式对现场生产数据进行实时采集，通过设定的通信方式与一通信转换模块交互通讯；所述网关将各底层模块的通信方式转换成统一的兼容通信方式及数据，并通过该兼容通信方式将生产数据上传至系统；所述中位机对生产数据进行运算和处理，并供远程上位机单元调用。然而，现代工业控制系统中的不同设备之间的通讯通常需要采用不同的通讯协议来实现，例如上位机(PC)通过网线只能发送TCP/IP协议，而一些子设备(下位机)只能识别自由协议，所以通讯一端的设备传输的数据必须通过协议转换才能被通讯另一端的其他设备接收并识别，为了方便不同设备之间的相互通讯，目前现代工业控制系统中使用的通讯协议转换器通常通过移植协议栈进行网络传输，例如CN104932364A公开的一种Modbus通讯协议的OPCUA转换装置及方法，将OPCUA协议栈移植到Modbus通讯协议的设备中，以将Modbus通讯协议转换为OPCUA协议，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPCUA服务器，符合OPCUA协议的OPCUA客户端程序均按照OPCUA规范对这些Modbus设备的数据进行读、写、订阅操作。这种移植OPCUA协议协议栈的通讯协议转换器虽然可以实现一些相应的不同设备之间的通讯，但是却具有不够灵活、误码率较高、传输速率较慢等不足，不能满足现代工业控制系统用于不同应用环境的需求。因此，针对传统通讯协议转换器的不足，急需一种高速、兼容性强且结构简单可靠的通信协议转换器及方法。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于设计一种工业控制自动化网络通信协议转换器，具有高速、兼容性强且结构简单可靠的特点，能够实现自由协议与ModbusRTU协议或以太网TCP/IP协议之间的相互转换。本专利技术的另一个目的在于设计一种所述工业控制自动化网络通信协议转换器的通信协议转换方法，能够实现自由协议与ModbusRTU协议或以太网TCP/IP协议之间的相互转换，从而使上位机和下位机之间进行高速、实时、可靠的通信，兼容性强。为了实现上述目的，本专利技术提供一种工业控制自动化网络通信协议转换器，包括：微处理器以及均连接至所述微处理器的上端接口拓展电路、下端接口拓展电路、存储器和电源电路；其中，所述上端接口拓展电路包括串行通讯接口、以太网接口、硬件协议栈芯片、软件协议栈芯片以及用于切换所述硬件协议栈芯片和软件协议栈芯片与上位机通信的切换开关，所述串行通讯接口实现所述微处理器与Modbus网络的连接，所述以太网接口实现所述微处理器与工业以太网的连接；所述下端接口拓展电路包括与多个下位机一一对应通信连接的多个串行通讯接口。进一步的，所述微处理器为STM32F103系列芯片；所述硬件协议栈芯片为M5500系列协议芯片；所述软件协议栈芯片为ENC28J60系列以太网控制芯片。进一步的，所述上端接口拓展电路的串行通讯接口和所述下端接口拓展电路的串行通讯接口均包括RS232接口和RS485接口。进一步的，所述工业控制自动化网络通信协议转换器还包括分别连接所述微处理器的转换器状态指示灯、电源指示灯。本专利技术还提供一种上述的工业控制自动化网络通信协议转换器的通信协议转换方法，包括：步骤1：根据通信要求对所述通信协议转换器的切换开关进行操作，选择使用所述上端接口拓展电路中的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片与上位机通信；步骤2：所述上位机通过所述通信协议转换器向相应的下位机传达请求数据，具体包括：步骤2.1：所述上位机根据所请求的数据通过选择的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片发送TCP/IP协议至所述通信协议转换器的微处理器；步骤2.2：所述微处理器接收到所述上位机发送的数据后，通过预设的数据位和校验位判断所述数据是否符合通信协议，若符合则执行步骤2.3，若不符合则返回错误信号至所述上位机，请求所述上位机重新发送数据；步骤2.3：所述微处理器把接收到的TCP/IP协议保存并转换为自由协议，并通过所述下端接口拓展电路发送给相应的下位机；步骤3：所述下位机返回响应数据至所述上位机，具体包括：步骤3.1：所述下位机接收到自由协议后进行检验，并根据所述自由协议中的请求采集自由协议响应数据，并通过所述下端接口拓展电路反馈至所述微处理器；步骤3.2：所述微处理器接收到所述自由协议响应数据后，判断所述自由协议响应数据是否符合协议规格，若符合则执行步骤3.3，若不符合则返回故障信息给所述上位机，以使所述上位机知晓所述下位机出现错误并重新发送请求数据；步骤3.3：所述微处理器根据是否需要远程监控，来将接收到的所述自由协议响应数据转换为ModbusRTU协议或者为TCP/IP协议，并将转换后的数据通过所述上端接口扩展电路发送给所述上位机。进一步的，所述步骤1中，所述切换开关与所述微处理器的PB0口相连，所述微处理器通过Key(key)函数检测PB0口状态，如果需要满足基本通信要求则切换开关按下、PB0口为低电平，此时使用所述硬件协议栈芯片与以太网接口来实现所述上位机与所述微处理器之间的数据传输；如果通信要求比较高、需要满足特殊功能则切换开关抬起、PB0口为高电平，此时所述微处理器使用所述软件协议栈芯片与以太网接口，进行L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业控制自动化网络通信协议转换器，其特征在于，包括：微处理器以及均连接至所述微处理器的上端接口拓展电路、下端接口拓展电路、存储器和电源电路；其中，所述上端接口拓展电路包括串行通讯接口、以太网接口、硬件协议栈芯片、软件协议栈芯片以及用于切换所述硬件协议栈芯片和软件协议栈芯片与上位机通信的切换开关，所述串行通讯接口实现所述微处理器与Modbus网络的连接，所述以太网接口实现所述微处理器与工业以太网的连接；所述下端接口拓展电路包括与多个下位机一一对应通信连接的多个串行通讯接口。

【技术特征摘要】
1.一种工业控制自动化网络通信协议转换器，其特征在于，包括：微处理器以及均连接
至所述微处理器的上端接口拓展电路、下端接口拓展电路、存储器和电源电路；其中，所述
上端接口拓展电路包括串行通讯接口、以太网接口、硬件协议栈芯片、软件协议栈芯片以及
用于切换所述硬件协议栈芯片和软件协议栈芯片与上位机通信的切换开关，所述串行通讯接
口实现所述微处理器与Modbus网络的连接，所述以太网接口实现所述微处理器与工业以太
网的连接；所述下端接口拓展电路包括与多个下位机一一对应通信连接的多个串行通讯接口。
2.如权利要求1所述的工业控制自动化网络通信协议转换器，其特征在于，所述微处理
器为STM32F103系列芯片；所述硬件协议栈芯片为M5500系列协议芯片；所述软件协议栈
芯片为ENC28J60系列以太网控制芯片。
3.如权利要求1所述的工业控制自动化网络通信协议转换器，其特征在于，所述上端接
口拓展电路的串行通讯接口和所述下端接口拓展电路的串行通讯接口均包括RS232接口和
RS485接口。
4.如权利要求1所述的工业控制自动化网络通信协议转换器，其特征在于，所述工业控
制自动化网络通信协议转换器还包括分别连接所述微处理器的转换器状态指示灯、电源指示
灯。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的工业控制自动化网络通信协议转换器的通信协议
转换方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据通信要求对所述通信协议转换器的切换开关进行操作，选择使用所述上端
接口拓展电路中的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片与上位机通信；
步骤2：所述上位机通过所述通信协议转换器向相应的下位机传达请求数据，具体包括：
步骤2.1：所述上位机根据所请求的数据通过选择的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片发
送TCP/IP协议至所述通信协议转换器的微处理器；
步骤2.2：所述微处理器接收到所述上位机发送的数据后，通过预设的数据位和校验位判
断所述数据是否符合通信协议，若符合则执行步骤2.3，若不符合则返回错误信号至所述上位
机，请求所述上位机重新发送数据；
步骤2.3：所述微处理器把接收到的TCP/IP协议保存并转换为自由协议，并通过所述下
端接口拓展电路发送给相应的下位机；
步骤3：所述下位机返回响应数据至所述上位机，具体包括：
步骤3.1：所述下位机接收到自由协议后进行检验，并根据所述自由协议中的请求采集自

\t由协议响应数据，并通过所述下端接口拓展电路反馈至所述微处理器；
步骤3.2：所述微处理器接收到所述自由协议响应数据后，判断所述自由协议响应数据是
否符合协议规格，若符合则执行步骤3.3，若不符合则返回故障信息给所述上位机，以使所述
上位机知晓所述下位机出现错误并重新发送请求数据；
步骤3.3：所述微处理器根据是否需要远程监控，来将接收到的所述自由协议响应数据转
换为ModbusRTU协议或者为TCP/IP协议，并将转换后的数据通过所述上端接口扩展电路发
送给所述上位机。
6.如权利要求5所述的通信协议转换方法，其特征在于：所述步骤1中，所述切换开关
与所述微处理器的PB0口相连，所述微处理器通过Key(key)函数检测PB0口状态，如果需
要满足基本通信要求则切换开关按下、PB0口为低电平，此时使用所述硬件协议栈芯片与以
太网接口来实现所述上位机与所述微处理器之间的数据传输；如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一鹤，葛洲宏，章飞，陈星星，封晓丽，王欢，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32