用单片机设计现场总线转换网桥

    摘要：讨论工业控制系统设备连接转换网桥的基本概念和工业控制系统对网桥的基本要求。在此基础上，提出转换网桥和网络转换的概念，并给出工业控制系统和现场总线技术对网桥和网络转换的基本要求。通过讨论，提出用MC68HC05C8设计的三种总线系统连接类型，并针对这三种连接类型，提出网桥模块和网络转换的基本结构。

    关键词：现场总线 通信 工业控制 网桥

近年来随着现场总线技术的进步与发展，出现了工业控制系统连接网桥的概念以及相应的产品。应当说，网桥概念和产品的出现标志着解决“开放式”系统问题的开始，同时也是彻底实现信息化现场总线技术的开始。

目前，工业控制现场总线中的网桥设备所起的作用，是实现不同信号传输模式设备之间的连接，特别是物理层的连接；但网桥决不仅仅是一个物理接口转换器，还必须具有通信协议转换的功能。根据现场总线技术内容以及工业控制系统通信结构[1]，本文提出工业控制系统网桥必须实现的基本功能，这些功能实际上也就是工业控制系统对总线网桥的基本要求。

    物理接口的转换主要是实现信号模式转换，同时也是通信协议转换的基础。在物理接口转换的基础上，通信协议转换提供了不同总线之间的数据连接和通信模式等的转换。这三个转换功能中操作信息转换功能的实现是最复杂的，一般需要专用的转换控制平台才能实现。

本文根据对网桥基本技术要求的讨论，设计三种网桥实现的方案。这三种网桥方案实际上也是控制系统信息网络转换的基本设备[2]。

1 转换网桥的基本概念

对使用不同现场总线技术的一个控制系统，可将其相互之间的连接分为如下3种类型：

（1）松散型。这种类型的连接是指需要连接的各现场总线系统相互独立，并且相互之间不需要控制信息严格实时处理，仅需要传递一些系统信息。这种类型的连接比较容易实现，只要把两个系统分别与信息系统连接，再设置相应的管理平台即可。

    (2)紧密型。如果在同一控制系统中，使用了分属两种不同总线技术的设备，这时就叫作紧密型连接。紧密型连接的特点是设备相互独立，而系统必须实现统一总线结构。毫无疑问，紧密型连接中就必须使用专用网桥。

（3）相关型。把原有的两个或多个各自独立的控制系统连接在一起，从而形成新的、完整的控制系统，这种连接类型就叫作相关型连接。相关型连接的特点是设备总线形成分组形式，这时将需要专用的网桥。由此可知，相关型是一种与紧密型十分相似的连接类型。

从上述3种连接类型中可以看出，除松散型之外，均须使用专用的网桥实现总线连接。此外，对于没有使用现场总线技术的设备，当与现场总线系统连接或自行连接成总线系统时，也需要专用的网桥设备。

根据前面讨论的现场总线技术内容以及工业控制系统通信结构，可以提出工业控制系统网桥必须实现的基本功能。这些功能的提出，就是工业控制系统对总线网桥的基本要求：

（1）具有物理接口转换功能；

（2）具有通信协议转换功能；

（3）具有操作信息转换功能。

物理接口的转换主要是实现信号模式转换，同时也是通信协议转换的基础。在物理接口转换的基础上，通信协议转换提供了不同总线之间的数据连接和通信格式等的转换。这三个转换功能中，操作信息转换功能的实现是最复杂的，一般需要专用的转换控制平台才能实现。

2 总线网桥的基本特征与结构

实际上，现场总线系统对网桥提出的基本功能要求也就是总线转换网桥的基本特征[2]。根据上述提出的三项基本要求，本文提出了不同总线网桥的基本结构。

（1）紧密型网桥的基本结构。对于紧密型转换要求，网桥实际上是附加在不同总线系统设备上的一个功能模块。也就是说，这种网桥是总线设备的一个必需的附加设备，其模块结构如图1所示。从图1中可以看出，要把总线A的设备连接到总线B系统中使用，网桥模块中就应当包含总线A和总线B的总线模块，通过协议转换层，使总线A的设备与总线B连接在一起。对总线A设备来说，它所连接的仍然是总线A；而对总线B来说，它上面挂接的仍然是总线B设备。

（2）相关型网桥的基本结构。相关型连接中，网桥的作用是实现不同总线系统之间的信息连接和管理。与紧密型网桥相比，相关型网桥实际上是一个复杂的转换系统，但不需要为每个设备都配备一个网桥模块，只需要把转换系统当作每个总线系统的一个信息设备即可。这种网络转换的结构如图2所示。由图2可知，两种总线系统都把对方当成了本系统的一个设备，因此，这种网络转换对两个总线系统来说是透明的。

（3）通信模块转换型网桥。除上述不同现场总线系统之间的网桥和网络转换外，目前工业系统中，还需要一种用于不同模式和类型信号之间转换的网桥。使用这种网桥可以把不同信号模式的设备连接在一个系统上，如果再配合某种现场总线的设备模块，则可以把原有的设备和系统直接升级为现场总线控制系统。与前两种网桥和网络转换相比，这种网桥比较简单，基本上相当于一个特殊的信号交换器，目前市场上的网桥产品基本属于此种类型。本文主要讨论此类网桥的结构设计。

3 通信模式转换网桥的三种设计方案

针对上述通信模式转换网桥、本文提出三种通信模式转换网桥结构[3]。

（1）整体实现方案。根据通信模式转换网桥的基本功能要求，本方案采用在一个电路板上实现不同通信协议转换的方法，如图3所示。网桥的控制核心是MC68HC05C8单片机，利用其并行I/O口A和B组成IEEE488接口电路；I/O口C的高4位作为三八译码器的输入端，C口的PC3位用来控制HART协议电路的收和寻，I/O口D的功能是实现SPI（同步串行通信接口）和SCI（异步串行通信接口）。SCI口通过译码器可选择两条通道，一个用来与上位机进行通信，一个用来连接HART电路；SPI口上通过译码器可选择两个RS-485电路、一个RS232电路和E2PROM。E2PROM用于保存网桥的设置状态和记录重要的接口控制参数。在系统维修、掉电或发生其他意外情况之后，只要再次上电，网桥即可继续工作而不必再次设置和调整。本方案的特点是电路结构紧凑，比较适合于较小的网络使用；不足之处是网桥为固定式整体结构，灵活性稍差。

（2）接口模块电路组合方案。模块化网桥的基本结构如图4所示。采用模块化设计方案，使整个网桥可以根据工程实际需要，由不同的物理接口模块电路组合而成。这种结构比较适合于通信协议类型较多的场合，具有相当大的灵活性。它可连接四种设备：RS-232、RS-485、4-20mA电流环及HART设备。每种设备都形成一个模块，可使任意两台非智能化的、具有不接口标准的现场设备实现相互通信，并使其具有一定程度的智能化。在模块化的电路结构中，网桥控制电路保持不变，SCI总线部分只用于与上位机通信的RS-232，而RS-485及HART则采用局部模块电路的方法设计。此外，考虑到IEEE-488在现场中用的不是很广泛，而4～20mA电流环在现场中还有很大的应用，决定增加4～20mA电流环模块，删除并行口。所有模块全部采用插接方式与网桥控制电路连接。由于取消了并行接口，因此，单片机可以提供更大的接口模块选择空间。本文使用I/O口A和B直接提供模块选择信号，最多可接入16个模块。值得注意的是，由于本文设计的网桥采用控制器交换方式，因此，接入模块的数量应由现场对数据传输时间间隔的要求决定。

（3）智能模块组合方案。上述两个方案压制技术特点基本相同。由于用一个单片机控制多个接口的转换，势必对系统形成多种技术性能方面的限制。为提高转换网桥的智能化，这里提出第三种设计方案：智能模块电路组合方案。本方案采用智能模块实现各种不同类型通信协议的物理接口，每个小模块上都采用单独的单片机，使网桥具备了智能通信协议接口的特点。这种智能模块方案提高了网桥的智能化程度，因而使整个网桥的技术性能得到了极大的提高。系统结构如图5所示。

第三方案中采用SPI系统总线插卡结构。系统由主控板和不同的智能插板组成。在主控板上设置了许多插座，这样现场可以根据实际需要任意插拔。主控板的任务是通过SPI总线管理整个系统，提供各插板所需要的智能服务（如参数连接、转换等）。每个插板都是一个独立的单片机系统，通过SPI总线与主控板连接。在每个插板上配有相应的接口电路。在主控板的基础上，可以实现插板到插板、插板内部的通信接口转换连接和协议转换。

4 结论

通过讨论，本文提出对使用不同现场总线技术的控制系统，可将其相互之间的连接分为松散型、紧密型和相关型三种。这三种连接类型中，除松散型之外，均需使用专用的网桥实现总线连接。此外，对于没有使用现场总线技术的设备，当与现场总线系统连接或自行连接成总线系统时，也需要专用的网桥设备。

工业控制系统网桥必须实现的基本功能是物理接口转换、通信协议转换和操作信息转换。物理接口的转换主要实现信号模式转换，同时也是通信协议转换的基础。在物理接口转换的基础上，通信协议转换提供了不总线之间的数据连接和通信格式等的转换。这三个转换功能中，操作信息转换功能的实现是最复杂的，一般需要专用的转换控制平台才能实现。