第４期 ２０１５年４月 组合机床与自动化加工技术
Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２０１５
文章编号：１００１—２２６５（２０１５）０４—００７１—０３ ＤＯＩ：１０．１３４６２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｍｍｔａｍｔ．２０１５．０４．０１８
ＥｔｈｅｒＣＡＴ与Ｍｏｄｂｕｓ协议转换网关的设计及实现术
徐健，宋宝，唐小琦 （华中科技大学机械科学与工程学院，武汉４３００７４）
摘要：为解决工业应用中不同现场总线协议设备之间不能进行互联互通的问题，首先深入研究了 ＥｔｈｅｒＣＡＴ和Ｍｏｄｂｕｓ两种现场总线协议通信的原理以及运行机制，分析并阐述了基于对象字典映射 方法的协议转换网关实现的原理，然后设计了基于“ＳＴＭ３２＋ＦＰＧＡ”架构的协议网关实现的软硬件 方案，并搭建实验平台进行标准协议设备的实验测试，实验结果表明，该网关实现了ＥｔｈｅｒＣＡＴ标准 设备与Ｍｏｄｂｕｓ标准设备通信，从而实现了两种网络协议的转换功能。 关键词：ＥｔｈｅｒＣＡＴ；Ｍｏｄｂｕｓ；网关；协议转换 中图分类号：ＴＨ１６６；ＴＧ５０６ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｇａｔｅｗａｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ＥｔｈｅｒＣＡＴ ａｎｄ Ｍｏｄｂｕｓ ＸＵ Ｊｉａｎ，ＳＯＮＧ Ｂａｏ，ＴＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｑｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａＺｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉ— ｃａｔｉｏｎｓ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｄｅｅｐｌｙ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ＥｔｈｅｒＣＡＴ ａｎｄ Ｍｏｄｂｕｓ，ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｅｘｐｌ￣ｎｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｇａｔｅｗａｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｂｊｅｃｔ￣ｃｆｉｏｎａｒｙ ｍａｐｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｇａｔｅｗａｙ’Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ”ＳＴＭ３２＋ＦＰＧＡ”ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ａ ｐｌａｔ— ｆｏｒｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｆｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｇａｔｅｗａｙ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＥｔｈｅｒＣＡＴ ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｏｄｂｕｓ ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥｔｈｅｒＣＡＴ；Ｍｏｄｂｕｓ；ｇａｔｅｗａｙ；ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ
０引言 １ ＥｔｈｅｒＣＡＴ与Ｍｏｄｂｕｓ通信原理 随着现场总线技术在工业自动化领域获得的广泛 应用，各种各样的总线协议也层出不穷，根据 ＩＥＣ６１１５８第四版国际标准，已有２０种现场总线协议 成为国际标准¨引。常用的现场总线协议有Ｅｔｈｅｒ． ＣＡＴ、Ｐｒｏｆｉｎｅｔ、Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ和Ｍｏｄｂｕｓ等，由于不同厂商支 持的协议标准不同导致了不同设备协议之间的互不兼 容性，不能进行互联互通，造成不同协议的机床设备不 能成套应用的困境。 本文针对实时工业以太网协议ＥｔｈｅｒＣＡＴ和标准 串行协议Ｍｏｄｂｕｓ ＲＴＵ进行了深入的研究，并设计和 实现了一种ＥｔｈｅｒＣＡＴ与Ｍｏｄｂｕｓ协议转换网关的软硬 件方案，解决了ＥｔｈｅｒＣＡＴ标准设备与Ｍｏｄｂｕｓ标准设 备集成在一个现场总线网络中进行互联互通的问题。
１．１ ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信原理 ＥｔｈｅｒＣＡＴ是一种应用于工业自动化领域的实时 工业以太网通信技术 。它具有广泛的适用性，完全 符合以太网标准、高效率、刷新周期短和同步性能好等 特点。 ＥｔｈｅｒＣＡＴ采用的是主从模式的介质访问控制 Ｊ， 如图１所示，主站发送标准以太网集总帧给第一个从 站，然后由第一个从站抽取或者插入有效数据，依次经 过各个从站进行相应的操作，由最后一个从站返回数 据帧给主站进行处理。其中，经过每个从站采用的是 非常低延时的飞读飞写的方式，极大程度上缩短了最 小循环周期。
收稿日期：２０１４—０７—０１：修回日期：２０１４—０７—１７ 基金项目：”高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（２０１２ＺＸ０４００１０１２）；国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＦ１３Ｂ０１）；广东省部产学研重大专项 （２０１２Ａ０９０３０００１２） 作者简介：徐健（１９９２一），男，江西宜春人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为数控技术、现场总线及网络，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｘｕｊｉａｎ０９３５＠１６３．ｔｏｍ。 ・７２・ 组合机床与自动化加工技术 第４期 从站１从站ｆ 从站 图１ ＥｔｈｅｒＣＡＴ运行原理 ＥｔｈｅｒＣＡＴ支持的应用层协议有ＣＡＮｏｐｅｎ和ＳＥＲ． ＣＯＳ，直接面向控制任务，为应用程序提供了操作对象 的标准协议控制。其次，ＥｔｈｅｒＣＡＴ支持高精度的分布 时钟，可以同时控制各个设备的同步运动，保证了多轴 运动控制的严格实时同步性 ］，达到了数控系统中高 精度的同步运动控制要求。 １．２ Ｍｏｄｂｕｓ通信原理 Ｍｏｄｂｕｓ是一项应用层报文传输协议，可以基于以 太网、光纤和串口等物理层来实现Ｍｏｄｂｕｓ协议。由于 其具有标准开放、支持多种电气接口以及帧格式简单 紧凑等特点，广泛应用于各种类型的总线控制当中 。 Ｍｏｄｂｕｓ采用的是请求／应答的方式进行主从通 信，并且提供了功能码所规定的服务，标准的Ｍｏｄｂｕｓ 协议支持公共功能码和用户自定义功能码 ，其运行 原理如图２所示。Ｍｏｄｂｕｓ主站通过向相应物理地址 的从站或者广播的方式来发送相应的控制信息进行总 线数据的交互，采用的是一对多的物理连接方式，其实 质通信为主从一对一或者广播模式的通信过程。
一一
从站１ 从站ｉ 从站ｎ 从站１ 从站ｉ 从站” 图２ Ｍｏｄｂｕｓ运行原理
２协议转换网关实现的方法 ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议与Ｍｏｄｂｕｓ协议进行协议转换的关 键是在于对有效数据的封装以及调度上的改变，对于 ＥｔｈｅｒＣＡＴ网络中的数据在经过网关之后则变为Ｍｏｄｂｕｓ 网络中的有效数据，反之则是同样的过程 。因此，所 设计的协议转换网关的实质为不同网络中共享的有效 数据的相互映射的过程，其运行原理如图３所示。
参数Ｅｔｈｅｒ 数 图３协议转换网关实现方法
基于这个设计的原理，协议转换网关的软硬件方 案不仅仅要能够同时兼容ＥｔｈｅｒＣＡＴ和Ｍｏｄｂｕｓ两种通 信网络，同时也要在软件中建立数据映射对象字典来 建立两种通信网络的转换关系。
３协议转换网关硬件设计 针对ＥｔｈｅｒＣＡＴ和Ｍｏｄｂｕｓ协议转换的需求分析可 以知道，ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议进行飞读飞写处理时需要专用 的ＡＳＩＣ芯片或者可编程逻辑器件的硬件来实现，其次 对于协议转换也需要一块ＭＣＵ来进行协议转换的整 体处理。因此，本文采用的是Ａｌｔｅｒａ公司生产的ＥＰ２Ｃ ８Ｔ１４４Ｃ８Ｎ的ＦＰＧＡ和ＳＴ公司生产的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６ 这两块通用芯片来实现协议转换的功能，具体硬件结 构如图４所示。
ＦＭＳＣ 嘲 ＡＲＭ 总线 ＦＰＧＡ
ＳＴＭ３ ＥＰ２哪 １Ｏ３ｚ酣 ！４４Ｃ８Ｎ） 艘
图４协议转换网关硬件设计 ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信网络经由ＲＪ４５工业以太网接口到 以太网处理芯片ＰＨＹ，最后到ＦＰＧＡ内部进行协议的 处理和转发。ＦＰＧＡ处理高速百兆以太网的飞读飞写 操作，用来处理ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议的数据链路层。ＡＲＭ 通过ＦＭＳＣ总线访问ＦＰＧＡ内的缓存区，并通过驱动 程序处理ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信应用层协议，同时，ＡＲＭ利用 内部集成的串口进行Ｍｏｄｂｕｓ协议的通信过程，因此， ＡＲＭ通过内部数据字典映射的方式来进行ＥｔｈｅｒＣＡＴ 协议与Ｍｏｄｂｕｓ协议之间的有效数据转换。 对于处理高速的ＥｔｈｅｒＣＡＴ飞读飞写操作的硬件 ＦＰＧＡ设计参照专用ＡＳＩＣ芯片的设计，如图５所示， 用来实现数据链路层协议，并为从站ＭＣＵ提供有效数 据接口。其中包括ＥｔｈｅｒＣＡＴ数据帧处理单元、现场总 线内存管理单元ＦＭＭＵ、储存同步单元ＳＭ、ＭＣＵ接口 单元以及高精度分布时钟单元等。
ＦＰＧＡ￣部ＤＰＲＡＭ １分布时钟ｌ ｌ寄存器ｌ 用户数据存储区 Ｉ Ｉ控制单元ｌ
１『 ］『 Ｅｔｈｅ托ＡＴ ｌ ＳｙｎｃＭａｎａｇｅｒ ｌ 议 块 ｌ复位控制
Ｉ ＦＭＭＵ ｌ ｛ Ｅｔ｝ｌｅＩＣＡＴ数据帧处理单元 ｌ ｌ状态控制ｌ
匦 。
复位信号
图５协议转换网关的ＦＰＧＡ整体设计 其中，ＥｔｈｅｒＣＡＴ数据帧处理单元如图６所示，核