摘要：討論工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備連接轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的基本概念和工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)橋的基本要求。在此基礎(chǔ)上，提出轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的概念，并給出工業(yè)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)網(wǎng)橋和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的基本要求。通過(guò)討論，提出用MC68HC05C8設(shè)計(jì)的三種總線系統(tǒng)連接類型，并針對(duì)這三種連接類型，提出網(wǎng)橋模塊和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 通信 工業(yè)控制 網(wǎng)橋 近年來(lái)隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)連接網(wǎng)橋的概念以及相應(yīng)的產(chǎn)品。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，網(wǎng)橋概念和產(chǎn)品的出現(xiàn)標(biāo)志著解決“開放式”系統(tǒng)問(wèn)題的開始，同時(shí)也是徹底實(shí)現(xiàn)信息化現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開始。 目前，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線中的網(wǎng)橋設(shè)備所起的作用，是實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)傳輸模式設(shè)備之間的連接，特別是物理層的連接；但網(wǎng)橋決不僅僅是一個(gè)物理接口轉(zhuǎn)換器，還必須具有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)內(nèi)容以及工業(yè)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)，本文提出工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)橋必須實(shí)現(xiàn)的基本功能，這些功能實(shí)際上也就是工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)總線網(wǎng)橋的基本要求。

物理接口的轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)模式轉(zhuǎn)換，同時(shí)也是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。在物理接口轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換提供了不同總線之間的數(shù)據(jù)連接和通信模式等的轉(zhuǎn)換。這三個(gè)轉(zhuǎn)換功能中操作信息轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)是最復(fù)雜的，一般需要專用的轉(zhuǎn)換控制平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)。 本文根據(jù)對(duì)網(wǎng)橋基本技術(shù)要求的討論，設(shè)計(jì)三種網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)的方案。這三種網(wǎng)橋方案實(shí)際上也是控制系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的基本設(shè)備。

1 轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的基本概念

對(duì)使用不同現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)控制系統(tǒng)，可將其相互之間的連接分為如下3種類型： （1）松散型。這種類型的連接是指需要連接的各現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相互獨(dú)立，并且相互之間不需要控制信息嚴(yán)格實(shí)時(shí)處理，僅需要傳遞一些系統(tǒng)信息。這種類型的連接比較容易實(shí)現(xiàn)，只要把兩個(gè)系統(tǒng)分別與信息系統(tǒng)連接，再設(shè)置相應(yīng)的管理平臺(tái)即可。

（2）緊密型。如果在同一控制系統(tǒng)中，使用了分屬兩種不同總線技術(shù)的設(shè)備，這時(shí)就叫作緊密型連接。緊密型連接的特點(diǎn)是設(shè)備相互獨(dú)立，而系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一總線結(jié)構(gòu)。毫無(wú)疑問(wèn)，緊密型連接中就必須使用專用網(wǎng)橋。 （3）相關(guān)型。把原有的兩個(gè)或多個(gè)各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)連接在一起，從而形成新的、完整的控制系統(tǒng)，這種連接類型就叫作相關(guān)型連接。相關(guān)型連接的特點(diǎn)是設(shè)備總線形成分組形式，這時(shí)將需要專用的網(wǎng)橋。由此可知，相關(guān)型是一種與緊密型十分相似的連接類型。 從上述3種連接類型中可以看出，除松散型之外，均須使用專用的網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)總線連接。此外，對(duì)于沒(méi)有使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備，當(dāng)與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連接或自行連接成總線系統(tǒng)時(shí)，也需要專用的網(wǎng)橋設(shè)備。

根據(jù)前面討論的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)內(nèi)容以及工業(yè)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)，可以提出工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)橋必須實(shí)現(xiàn)的基本功能。這些功能的提出，就是工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)總線網(wǎng)橋的基本要求： （1）具有物理接口轉(zhuǎn)換功能； （2）具有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能； （3）具有操作信息轉(zhuǎn)換功能。 物理接口的轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)模式轉(zhuǎn)換，同時(shí)也是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。在物理接口轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換提供了不同總線之間的數(shù)據(jù)連接和通信格式等的轉(zhuǎn)換。這三個(gè)轉(zhuǎn)換功能中，操作信息轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)是最復(fù)雜的，一般需要專用的轉(zhuǎn)換控制平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)。

2 總線網(wǎng)橋的基本特征與結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)橋提出的基本功能要求也就是總線轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的基本特征。根據(jù)上述提出的三項(xiàng)基本要求，本文提出了不同總線網(wǎng)橋的基本結(jié)構(gòu)。

（1）緊密型網(wǎng)橋的基本結(jié)構(gòu)。對(duì)于緊密型轉(zhuǎn)換要求，網(wǎng)橋?qū)嶋H上是附加在不同總線系統(tǒng)設(shè)備上的一個(gè)功能模塊。也就是說(shuō)，這種網(wǎng)橋是總線設(shè)備的一個(gè)必需的附加設(shè)備，其模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，要把總線A的設(shè)備連接到總線B系統(tǒng)中使用，網(wǎng)橋模塊中就應(yīng)當(dāng)包含總線A和總線B的總線模塊，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換層，使總線A的設(shè)備與總線B連接在一起。對(duì)總線A設(shè)備來(lái)說(shuō)，它所連接的仍然是總線A；而對(duì)總線B來(lái)說(shuō)，它上面掛接的仍然是總線B設(shè)備。

（2）相關(guān)型網(wǎng)橋的基本結(jié)構(gòu)。相關(guān)型連接中，網(wǎng)橋的作用是實(shí)現(xiàn)不同總線系統(tǒng)之間的信息連接和管理。與緊密型網(wǎng)橋相比，相關(guān)型網(wǎng)橋?qū)嶋H上是一個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但不需要為每個(gè)設(shè)備都配備一個(gè)網(wǎng)橋模塊，只需要把轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當(dāng)作每個(gè)總線系統(tǒng)的一個(gè)信息設(shè)備即可。這種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，兩種總線系統(tǒng)都把對(duì)方當(dāng)成了本系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)備，因此，這種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換對(duì)兩個(gè)總線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是透明的。

（3）通信模塊轉(zhuǎn)換型網(wǎng)橋。除上述不同現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)之間的網(wǎng)橋和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換外，目前工業(yè)系統(tǒng)中，還需要一種用于不同模式和類型信號(hào)之間轉(zhuǎn)換的網(wǎng)橋。使用這種網(wǎng)橋可以把不同信號(hào)模式的設(shè)備連接在一個(gè)系統(tǒng)上，如果再配合某種現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備模塊，則可以把原有的設(shè)備和系統(tǒng)直接升級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。與前兩種網(wǎng)橋和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換相比，這種網(wǎng)橋比較簡(jiǎn)單，基本上相當(dāng)于一個(gè)特殊的信號(hào)交換器，目前市場(chǎng)上的網(wǎng)橋產(chǎn)品基本屬于此種類型。本文主要討論此類網(wǎng)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 通信模式轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的三種設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述通信模式轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋、本文提出三種通信模式轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)。

（1）整體實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)通信模式轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的基本功能要求，本方案采用在一個(gè)電路板上實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法，如圖3所示。網(wǎng)橋的控制核心是MC68HC05C8單片機(jī)，利用其并行I/O口A和B組成IEEE488接口電路；I/O口C的高4位作為三八譯碼器的輸入端，C口的PC3位用來(lái)控制HART協(xié)議電路的收和尋，I/O口D的功能是實(shí)現(xiàn)SPI（同步串行通信接口）和SCI（異步串行通信接口）。SCI口通過(guò)譯碼器可選擇兩條通道，一個(gè)用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信，一個(gè)用來(lái)連接HART電路；SPI口上通過(guò)譯碼器可選擇兩個(gè)RS-485電路、一個(gè)RS232電路和E2PROM。E2PROM用于保存網(wǎng)橋的設(shè)置狀態(tài)和記錄重要的接口控制參數(shù)。在系統(tǒng)維修、掉電或發(fā)生其他意外情況之后，只要再次上電，網(wǎng)橋即可繼續(xù)工作而不必再次設(shè)置和調(diào)整。本方案的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)緊湊，比較適合于較小的網(wǎng)絡(luò)使用；不足之處是網(wǎng)橋?yàn)楣潭ㄊ秸w結(jié)構(gòu)，靈活性稍差。

（2）接口模塊電路組合方案。模塊化網(wǎng)橋的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用模塊化設(shè)計(jì)方案，使整個(gè)網(wǎng)橋可以根據(jù)工程實(shí)際需要，由不同的物理接口模塊電路組合而成。這種結(jié)構(gòu)比較適合于通信協(xié)議類型較多的場(chǎng)合，具有相當(dāng)大的靈活性。它可連接四種設(shè)備：RS-232、RS-485、4-20mA電流環(huán)及HART設(shè)備。每種設(shè)備都形成一個(gè)模塊，可使任意兩臺(tái)非智能化的、具有不接口標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)相互通信，并使其具有一定程度的智能化。在模塊化的電路結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)橋控制電路保持不變，SCI總線部分只用于與上位機(jī)通信的RS-232，而RS-485及HART則采用局部模塊電路的方法設(shè)計(jì)。此外，考慮到IEEE-488在現(xiàn)場(chǎng)中用的不是很廣泛，而4～20mA電流環(huán)在現(xiàn)場(chǎng)中還有很大的應(yīng)用，決定增加4～20mA電流環(huán)模塊，刪除并行口。所有模塊全部采用插接方式與網(wǎng)橋控制電路連接。由于取消了并行接口，因此，單片機(jī)可以提供更大的接口模塊選擇空間。本文使用I/O口A和B直接提供模塊選擇信號(hào)，最多可接入16個(gè)模塊。值得注意的是，由于本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)橋采用控制器交換方式，因此，接入模塊的數(shù)量應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔的要求決定。

（3）智能模塊組合方案。上述兩個(gè)方案壓制技術(shù)特點(diǎn)基本相同。由于用一個(gè)單片機(jī)控制多個(gè)接口的轉(zhuǎn)換，勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)形成多種技術(shù)性能方面的限制。為提高轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋的智能化，這里提出第三種設(shè)計(jì)方案：智能模塊電路組合方案。本方案采用智能模塊實(shí)現(xiàn)各種不同類型通信協(xié)議的物理接口，每個(gè)小模塊上都采用單獨(dú)的單片機(jī)，使網(wǎng)橋具備了智能通信協(xié)議接口的特點(diǎn)。這種智能模塊方案提高了網(wǎng)橋的智能化程度，因而使整個(gè)網(wǎng)橋的技術(shù)性能得到了極大的提高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

第三方案中采用SPI系統(tǒng)總線插卡結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主控板和不同的智能插板組成。在主控板上設(shè)置了許多插座，這樣現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際需要任意插拔。主控板的任務(wù)是通過(guò)SPI總線管理整個(gè)系統(tǒng)，提供各插板所需要的智能服務(wù)（如參數(shù)連接、轉(zhuǎn)換等）。每個(gè)插板都是一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)SPI總線與主控板連接。在每個(gè)插板上配有相應(yīng)的接口電路。在主控板的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)插板到插板、插板內(nèi)部的通信接口轉(zhuǎn)換連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

通過(guò)討論，本文提出對(duì)使用不同現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，可將其相互之間的連接分為松散型、緊密型和相關(guān)型三種。這三種連接類型中，除松散型之外，均需使用專用的網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)總線連接。此外，對(duì)于沒(méi)有使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備，當(dāng)與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)連接或自行連接成總線系統(tǒng)時(shí)，也需要專用的網(wǎng)橋設(shè)備。 工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)橋必須實(shí)現(xiàn)的基本功能是物理接口轉(zhuǎn)換、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和操作信息轉(zhuǎn)換。物理接口的轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)模式轉(zhuǎn)換，同時(shí)也是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。在物理接口轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換提供了不總線之間的數(shù)據(jù)連接和通信格式等的轉(zhuǎn)換。這三個(gè)轉(zhuǎn)換功能中，操作信息轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)是最復(fù)雜的，一般需要專用的轉(zhuǎn)換控制平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)。