摘要：針對(duì)異構(gòu)總線間不兼容的問題，提出了一種異構(gòu)現(xiàn)場總線融合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法.網(wǎng)關(guān)采用STM32F207作為主控制器，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)了CANBUS與MODBUS兩種總線的互連互通，分別給出了軟硬件設(shè)計(jì)方案.該網(wǎng)關(guān)的創(chuàng)新點(diǎn)在于定義了CANBUS的應(yīng)用層協(xié)議，使用該嵌入式現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關(guān)構(gòu)建的總線融合通信網(wǎng)絡(luò)能夠完全兼容CANBUS和MODBUS的原有功能.實(shí)踐證明現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關(guān)能很好地實(shí)現(xiàn)2種總線間的數(shù)據(jù)傳輸，為異構(gòu)現(xiàn)場總線設(shè)備之間的通信提供了一個(gè)實(shí)用可行的方法.

　　0 引言

　　現(xiàn)場總線是近年來發(fā)展迅速的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它是溝通生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與高控制管理層次的橋梁.現(xiàn)場總線作為一項(xiàng)以智能傳感.控制.計(jì)算機(jī).數(shù)字通信等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已成受到世界范圍的關(guān)注.

　　很多具有國際影響力的公司都先后進(jìn)行了現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)，盡管國際電工委員會(huì)（IEC）自1984年開始制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，目前仍然是多種現(xiàn)場總線并存.多種標(biāo)準(zhǔn)并存的情況造成了不同總線系統(tǒng)之間的不兼容，大大降低了總線系統(tǒng)間的互聯(lián)性和互操作性，給系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)容造成了很大的困難.CANBUS和MODBUS是2種應(yīng)用廣泛的工業(yè)現(xiàn)場總線，在實(shí)際應(yīng)用中隨著這2 種總線技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用，2種總線的交集越來越多，因此彼此間的數(shù)據(jù)共享變得日漸重要.

　　文中設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關(guān)提供了對(duì)CANBUS和MODBUS 的支持，實(shí)現(xiàn)了CANBUS 與MODBUS 數(shù)據(jù)的透明傳輸，為2種總線的兼容提供了可行方案.

　　1 網(wǎng)關(guān)模型分析

　　本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關(guān)具備MODBUS主站及MODBUS 從站的功能，以下以兩種典型的應(yīng)用場景為例分析網(wǎng)關(guān)的工作方式.圖1所示的應(yīng)用場景網(wǎng)關(guān)工作在MODBUS主站模式，圖2所示的應(yīng)用場景網(wǎng)關(guān)工作在MODBUS從站模式.

　　1.1 網(wǎng)關(guān)的MODBUS主站模式

　　網(wǎng)關(guān)工作于MODBUS 主站模式時(shí)，當(dāng)CANBUS 上的監(jiān)控主機(jī)發(fā)出一幀數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)作為CANBUS上的設(shè)備接收到該數(shù)據(jù)，根據(jù)驗(yàn)收碼和屏蔽碼判斷是否處理該數(shù)據(jù).若驗(yàn)證成功，則解析收到的CAN 數(shù)據(jù)幀，得到CAN 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)按照MODBUS 協(xié)議逐層打包生成MODBUS 幀，網(wǎng)關(guān)作為MODBUS 主站向MODBUS上的從站發(fā)送這一幀數(shù)據(jù)，完成了CAN-BUS到MODBUS的單向數(shù)據(jù)傳輸.協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示.

　　1.2 網(wǎng)關(guān)的MODBUS從站模式

　　網(wǎng)關(guān)工作于MODBUS 從站模式時(shí)，當(dāng)由MODBUS上的監(jiān)控主機(jī)發(fā)出一幀信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)收到該MODBUS幀，檢查地址碼與功能碼，若與自身地址相符且功能碼為發(fā)送，按MODBUS 協(xié)議逐層解析，得到其數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)按照CANBUS 協(xié)議打包形成CAN 的數(shù)據(jù)幀，向CANBUS發(fā)送該幀，并向MODBUS主站發(fā)送回應(yīng)幀，完成了MODBUS到CANBUS的單向數(shù)據(jù)傳輸.

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的嵌入式現(xiàn)場總線通信網(wǎng)關(guān)包括主控制器（STM32F207），CANBUS 接口單元，MODBUS 接口單元用于接入MODBUS,以及3.2 英寸LCD 觸摸屏模塊.

　　硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示.

　　2.1 STM32F207微控制器本文選用STM32F207 構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，STM32F207是一款基于ARM Cortex-BM3 內(nèi)核的32位微處理器，工作頻率120 MHz.STM32F207提供了豐富的接口，支持2 路CAN 2.0 協(xié)議的CANBUS 接口，3 路USART 接口，2 路UART 接口，6 路定時(shí)器，F(xiàn)SMC+SPI 接口（16BITFSMC+SPI）用于接入LCD觸摸屏模塊，支持2種調(diào)試接口：串行接口和JTAG調(diào)試接口.

　　2.2 CANBUS接口單元由于STM32F207 內(nèi)置有bxCAN 控制器，該控制器是一種在標(biāo)準(zhǔn)CAN 總線基礎(chǔ)上擴(kuò)展的總線接口，支持CAN 總線協(xié)議2.0 A 和2.0 B.能以的CPU 負(fù)荷來高效處理收到的大量報(bào)文.它也支持報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)要求（優(yōu)先級(jí)特性可軟件配置）.為了滿足CAN總線協(xié)議中的標(biāo)識(shí)符硬件過濾需求，bxCAN控制器提供了位寬可變的.可配置的過濾器組，用來完成只接收軟件需要的報(bào)文功能.CAN 接口電路選擇SN65HVD230CANBUS 收發(fā)器.SN65HVD230 是一種專用于帶CAN控制器設(shè)備的CANBUS收發(fā)器，可應(yīng)用于ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的CANBUS 串行通信的物理層中.SN65HVD230CANBUS收發(fā)器可以向總線和CAN控制器提供不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，速度為1 Mb/s.

　　2.3 MODBUS接口單元MODBUS 接口單元使用RS 485 串行接口，接口芯片為MAX485.MAX485 是用于RS 485 與RS 422 通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器.驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗.接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出.MAX485 的驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)2.5 Mb/s的傳輸速率.