Profibus-DP总线监控系统的WiFi无线网关设计

('Profibus-DP总线监控系统的WiFi无线网关设计赵立琼;陈辉煌;周奇峰【摘要】WiFi技术为Profibus-DP总线技术提供了无线接入,实现了Profibus-DP总线的无线监控功能.在分析两种技术协议的基础上,设计了WiFi无线网关,将Profibus-DP总线与WiFi无线网络互连.在硬件上以Exynos4412处理器为核心,设计了RS485、RS232、USB接口及电源转换等电路.在软件上设计了系统登录模块和系统网络配置.实际应用表明,该系统运行稳定,接入可靠,数据传输正常.【期刊名称】《辽宁大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)003【总页数】6页(P232-237)【关键词】Profibus-DP总线技术;WiFi网络;监控系统;无线网关【作者】赵立琼;陈辉煌;周奇峰【作者单位】湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254;湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254;湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254【正文语种】中文【中图分类】TU855;TP2730引言Profibus-DP总线技术作为一种开放式的国际化总线标准，以其技术的成熟性和开放性在工业、楼宇、交通等领域的自动化中得到了广泛应用.可实现现场设备的分散式数字控制，可根据不同的应用对象灵活选取不同规格的总线系统进行远距离高速度传输.随着近年来无线WiFi的兴起和应用，无线连接已深入到生产生活的各个方面.无线WiFi不仅覆盖面广，而且还无需布线，传输速度快，健康安全，广为人们使用[1].同时也为工业生产和制造，信号的采集和监控提供了很大的便利.将WiFi技术应用于Profibus-DP总线中，能让技术人员摆脱固定工作站的束缚.以手机或平板电脑等无线终端通过WiFi网关与Profibus-DP总线相连，对总线数据进行采集，对执行设备实现监控.给Profibus-DP总线技术带来了更大的生命力，在提高工业控制灵活度的同时，也让其更能适应新的技术发展.1网络协议转换分析1.1Profibus-DP协议根据OSI七层网络模型，Profibus-DP总线只应用了物理层、数据链路层和用户接口层这三层.物理层定义了Profibus-DP的RS485传输标准，使用的传输介质为双绞线或光纤，为数据链路层提供了物理连接.数据链路层则为与Profibus-DP兼容的总线介质提供访问控制MAC以及现场总线链路控制.用户接口层实现了总线和用户间的最终交互，让用户通过可视界面和可调用的应用功能达到监控总线设备的目的.1.2WiFi协议WiFi技术是一种无线网络传输技术.它以IEEE802.11标准为基础，以无线射频技术来构成局域网络.其中物理层包括PLCP(物理会聚协议)和PMD(物理介质关联层接口)，PLCP用于比特位的无线传输，PMD利用天线传送数据到媒介，指示MAC是否检测到信号[2].二者的协议模型如图1所示.1.3Profibus-DP协议与WiFi协议的转换原理由于Profibus-DP总线与WiFi无线网络各执行着不同的协议原理，因此要实现二者通信，则需要对两种协议进行相互转换[3].在整个数据发送过程中，主要是根据不同的协议要求将数据进行封装与解封装.以WiFi数据向Profibus-DP总线传输为例.首先WiFi设备发送出的数据按Wiif协议进行逐层封装，封装后的数据进入到负责协议转换的WiFi网关中.网关将接收到的数据逐层解封，然后再将解封得到的数据按Profibus-DP协议进行封装，封装后的数据就以比特流的形式传输到Profibus-DP总线中，通过再次解封即能被Profibus-DP总线设备识别，具体过程如图2所示.当Profibus-DP总线网络发送数据到WiFi设备时，则过程相反.图1Profibus-DP协议、WiFi协议对照OSI模型图2Profibus-DP协议与WiFi协议的转换过程WiFi网关是执行这一转换的关键，通过它将一方的协议数据向另一方协议数据进行转换，以实现两种异构网络的互通.2无线WiFi网关的硬件设计2.1总体设计Profibus-DP总线系统主要由主站和从站构成，WiFi网关的作用是允许管理人员以无线终端连入Profibus-DP总线，进行数据的监测和设备的控制.虽然从原理上可以摆脱有线工作站，但为了提高系统的可靠性，因此在保留有线工作站的基础上增加WiFi网关模块，以提高Profibus-DP总线操控的便捷度，系统总构成如图3所示.图3系统总构成图2.2WiFi网关核心模块本WiFi网关核心处理器选用三星公司开发的Exynos4412，最高核心频率为1.4GHz，采用Cortex-A9架构，相比其它同类处理器具有更高的性能和更低的功耗[4].拥有丰富的硬件外设接口，在此使用其常用通用引脚，进行RS485、RS232、USB与网络接口、电源等电路的转换与设计，其使用引脚图如图4所示.图4Exynos4412处理器2.3RS485接口模块要实现网关与Profibus-DP总线的连接，必须通过RS485接口.在此以AT485转换芯片来实现Exynos4412处理器的RS485接口转换，如图5所示.AT485的1脚和4脚分别接串口XuRXD3、XuTXD3，2脚和3脚连接处理器的XEINT端，以控制AT485的工作状态，最后6脚和7脚连接485接口插座.图5RS485接口转换2.4RS232接口模块在此通过ICL232芯片来实现RS232串口的转换.其中11脚与12脚连接处理器的XuTXD0和XuRXD0，并将13、14脚的RsRXD0与RsTXD0与RS232接口相连.具体如图6所示.图6RS232接口转换2.5USB接口与网络接口模块当处理器与设备进行数据交互通信时需借助USB接口.因此，以USB4640芯片来进行处理器的USB接口转换.具体连接电路如图7、图8所示.USB4640芯片的上行输入引脚与Exynos4412处理器的XuhostData1和XuhostStore1引脚相连，下行分别从USBDN_DP2、USBDN_DM2与USBDN_DP3、USBDN_DM3输出两路USB接口信号，一路直接与USB接口连接，另一路接入芯片DM9621的DP和DM引脚.经由DM9621转换之后，将信号由4、5、8、9脚输出到RJ45接口，为系统预留出有线网络接口.图7USB接口转换电路图8网络接口转换电路2.6电源模块由于系统需要3.3、5、1.8、5.2V多种电源，因此需要对输入的9～12V直流电源进行转换.MXT2596是DC/DC开关稳压电源调节器，电源电压范围为4.5～40V，电压调整率小.不仅可直接输出3.3、5、12V三个固定电压外，还可通过元件调节输出其它所需电压[5].其外围元件少，应用简单，转换效率高.还具有过热保护和限流保护电路，适合作为本系统的电源转换芯片.其电源转换电路如图9所示：当输出电压为3.3、5V时，电路中的R5、R6、C7不连接，通过电感和电容值来调节输出电压[6].当输出为5V时，电感值为33μH，电容值为330μF.当输出为可调电压时，根据确定的输出电压值通过公式(1)来计算得到R6的阻值.(1)当输出电压为1.8V时，R6阻值为460Ω，当输出电压为5.2V时，R6阻值为3.23kΩ.同时R6应当尽量靠近反馈脚.当输出电压大于10V时，C7作为反馈电容对电路进行补偿，以使输出更加稳定.由于本系统中输出电压小于10V，因此不需要连接C7.3系统软件设计系统软件设计包括系统登录软件模块和系统的网络配置.3.1系统登录软件模块通过手机或平板终端在启动浏览界面后，进入注册或是直接登录到Profibus总线控制界面.当为普通用户身份时，权限较低，只能查询设备运行情况.当为管理员时，则可同时查询和控制设备运行.其相关操作都将被记录到系统日志当中.登录软件流程如图9所示.图9电源转换电路图10系统登录软件模块设计3.2系统的网络配置系统的网络配置即对WiFi网络进行初始化，以完成网络的连接.在Linux操作系统上调用wpa_supplicant工具中的wpa_supplicant和wpa_cli两个程序.其中wpa_supplicant相当于Server端，wpa_cli相当于Client端，Server端用于后台运行，Client端用于搜索、设置和连接网络[7-10].先添加wpa_supplicant.conf配置文件，然后执行“/bin/wpa_supplicant-B-wlan0-C/etc/wpa-supplicant.conf”命令将完成WiFi网络的配置.4实验应用将设计好的WiFi网关通过RS485接口与Profibus总线相连，并将平板电脑与之建立连接.在平板上输入网关IP，登录到WiFi控制界面，即出现注册/登录界面.当登录信息无误时则进入相应界面进行操作.实验结果表明WiFi网关运行良好，信号连接稳定，数据传输无误，能实现Profibus总线与无线终端之间的通信.图11Profibus无线监控系统登录界面和管理员界面5结论本文设计的WiFi网关用于将Profibus-DP总线与WiFi无线网络相结合，实现了异构网络的互连.分别从硬件和软件两方面进行设计，并对设计产品进行了实验应用.结果显示系统运行稳定可靠，数据传输正常.大大提高了Profibus-DP总线监控系统的工作效率和便捷度，具有良好的发展前景.【相关文献】[1]周原.基于Wi_Fi的PROFIBUS_DP无线Web接入方法[J].吉林大学学报：自然科学版,2016(4):43-48.[2]郭建伟.基于Wi_Fi自组网的船舶视频监控系统的研究[D].厦门:集美大学,2014.[3]陈美镇.基于Android系统的温室异构网络环境监测智能网关开发[J].农业工程学报,2015(5):21-25.[4]赵立琼.PROFIBUS_DP总线技术在楼宇空调自控系统中的应用[J].辽宁大学学报：自然科学版,2018(1):24-27.[5]张建奇.Profibus总线的无线网关设计[J].自动化仪表,2013(4):55-58.[6]杨新华.光伏储能电动汽车充电站的监控系统研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2015(9):64-68.[7]邓凡平.深入理解Android：Wi-Fi，NFC和GPS卷[M].北京:机械出版社,2014,12.[8]翟维枫.基于无线传感网络的环境监测系统设计[J].中国农机化学报,2016(6):27-32.[9]张太杰.现场总线PROFIBUS_DP和WiFi集成网关研究与设计[D].南昌:华东交通大学,2016.[10]孔超.PROFIBUS_DP无线传输技术的工业应用研究[J].化工自动化及仪表,2017(11):54-59.',)