嵌入式HART至Profibus协议转换网关设计与实现
日期：2007-3-22 18:26:09 来源：本文摘自《PLC&FA》
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现场总线技术的发展极大地改变了企业控制系统的结构，它具有开放、分散、数字化、可互操作等特点，有利于企业自动化系统与信息管理系统的集成。然而目前国际上流行的现场总线协议有12种之多，异类现场总线系统之间的互操作难以进行，无法直接进行信息互访与交换。采用PROFInet工业以太网技术或OPC接口技术实现互操作只是在各系统主机间的通信，无法直接在彼此的现场仪表间进行，不符合系统的实时性要求。设计嵌入式现场总线协议转换网关可以集成不同的现场总线网络，使企业在升级控制系统时节省大量工程费用、优化控制网络，友好的人机界面和便捷的远程管理将使得嵌入式协议转换网关具有很强的竞争力和市场空间信息。
2.1 业务级转换方法
业务级转换方法要求协议业务初始化，业务级转换中，两个协议的通信业务是相互关联的。假设N层以上的网络协议兼容，转换将在N层进行。网关由上升为转换级的两个协议级组成，它包括在(N)－业务级的业务接口适配器。在早期设计阶段，该方法不包括信息交换的协议数据单元顺序，图1表明了业务级转换的结构。
业务级转换方法由于协议转换器与网络的相互作用严格限制在业务用户级，由于该方法不包括对协议级的处理，在转换过程中，转换器无法通过传送网络间的协议数据单元来创造功能。
2.2 协议级转换方法
在协议级或协议数据单元转换中，交互操作建立在协议级转换的基础上，网络协议N层以上的协议都是兼容的，协议数据单元的交换在N层上进行，网关在此交换期间明确其功能。该方法提供了更有效的转换，但规格太复杂，实施起来很困难，由于协议层转换忽略了对网络间业务用户级的所有处理，因此在行为上缺乏主动性，转换器只能在不兼容的协议间进行端到端的数据翻译与转换，无法在转换期间创建功能。图2表明了协议级转换的结构。
2.3 混合式转换方法
混合式转换方法是业务级方法和协议级方法相结合的产物，采用该方法的转换器，其集成处理开始于业务级，延伸至协议级，所产生的转换器既反映了对协议级的处理，也反映了对业务级的处理。采用混合式转换方法，克服了以上两种方法的不足，功能更加强大，能动性也有所提高。
由于现场总线的协议结构均可参照ISO/OSI七层通讯参考模型，为提高协议转换器的性能，宜采用混合式协议转换方法实现不同协议间的相互转换。不同的现场总线网络通信速率有一定的差异，协议转换器的通信速率将受到速率较低的总线网络通信速率的限制，至多只能与通信速率较低的总线速率相同，因此在对实时性要求较高的场合，协议转换器的应用将受到一定的限制。考虑到绝大多数现场总线协议在数据链路层及更高的通信层次上定义的通信标准不同，因此现场总线协议转换器的最终实现方式是现场总线协议转换网关。
1 引言
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现场总线技术的发展极大地改变了企业控制系统的结构，它具有开放、分散、数字化、可互操作等特点，有利于企业自动化系统与信息管理系统的集成。然而目前国际上流行的现场总线协议有12种之多，异类现场总线系统之间的互操作难以进行，无法直接进行信息互访与交换。采用PROFInet工业以太网技术或OPC接口技术实现互操作只是在各系统主机间的通信，无法直接在彼此的现场仪表间进行，不符合系统的实时性要求。设计嵌入式现场总线协议转换网关可以集成不同的现场总线网络，使企业在升级控制系统时节省大量工程费用、优化控制网络，友好的人机界面和便捷的远程管理将使得嵌入式协议转换网关具有很强的竞争力和市场空间信息。
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2 网络协议转换原理及方法WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
在结构复杂的分布式网络环境中，协议转换可解决协议的不兼容问题，实现不同网络用户的交互操作，在两个已知协议之间建立一个起调解作用的协议转换，它从一个协议接收信息，经翻译后送向另一个协议，协议转换的作用在于协调不兼容网络边界的信息交换。现场总线协议的转换可以通过设计协议网关的方法来实现，不同的现场总线设备间通过网关实现信息的映射与互访。目前常用的协议转换技术主要有3种。
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2.1 业务级转换方法
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业务级转换方法要求协议业务初始化，业务级转换中，两个协议的通信业务是相互关联的。假设N层以上的网络协议兼容，转换将在N层进行。网关由上升为转换级的两个协议级组成，它包括在(N)－业务级的业务接口适配器。在早期设计阶段，该方法不包括信息交换的协议数据单元顺序，图1表明了业务级转换的结构。
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图1 通信业务中的业务级转换
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业务级转换方法由于协议转换器与网络的相互作用严格限制在业务用户级，由于该方法不包括对协议级的处理，在转换过程中，转换器无法通过传送网络间的协议数据单元来创造功能。
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2.2 协议级转换方法
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在协议级或协议数据单元转换中，交互操作建立在协议级转换的基础上，网络协议N层以上的协议都是兼容的，协议数据单元的交换在N层上进行，网关在此交换期间明确其功能。该方法提供了更有效的转换，但规格太复杂，实施起来很困难，由于协议层转换忽略了对网络间业务用户级的所有处理，因此在行为上缺乏主动性，转换器只能在不兼容的协议间进行端到端的数据翻译与转换，无法在转换期间创建功能。图2表明了协议级转换的结构。
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图2 通信业务中的协议级转换
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2.3 混合式转换方法
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混合式转换方法是业务级方法和协议级方法相结合的产物，采用该方法的转换器，其集成处理开始于业务级，延伸至协议级，所产生的转换器既反映了对协议级的处理，也反映了对业务级的处理。采用混合式转换方法，克服了以上两种方法的不足，功能更加强大，能动性也有所提高。
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由于现场总线的协议结构均可参照ISO/OSI七层通讯参考模型，为提高协议转换器的性能，宜采用混合式协议转换方法实现不同协议间的相互转换。不同的现场总线网络通信速率有一定的差异，协议转换器的通信速率将受到速率较低的总线网络通信速率的限制，至多只能与通信速率较低的总线速率相同，因此在对实时性要求较高的场合，协议转换器的应用将受到一定的限制。考虑到绝大多数现场总线协议在数据链路层及更高的通信层次上定义的通信标准不同，因此现场总线协议转换器的最终实现方式是现场总线协议转换网关。
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3 协议结构分析与网关通信模型P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
对现场总线协议结构的剖析是构造协议转换网关通信模型的前提。网关必须同时符合两类现场总线的工作机制，包括总线存取方式、总线循环时间以及不同数据帧的定义。在运行过程中，网关首先对一类现场设备的数据报文解包，取得用户数据，然后再将该数据重新封装，转换为另一类现场设备能够识别的数据报文，并转发到该设备。
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