基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器论文和设计

全文摘要

本实用新型公开一种基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，包括主控制器；因主控制器包括Cortex‑M3处理器，外围电路；使用时，利用Cortex‑M3处理器将POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口，ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口连接在一起构成FPGA硬件平台，FPGA硬件平台中MSP430单片机主要负责ZigBee通信接口电路的通信，通过UART与主控制器进行数据交互。POWERLINK接口采用基于FPGA的通信通道，其与主控制器之间通过SPI实现数据交互，再利用主控制器完成各个接口方式的通信以及协议之间的转换，消除现场总线多标准并存和不同网络通信接口之间协议差异，扩展数据采集范围不同的技术问题，实现多种网络之间互通的方便综合管理工业现场所有设备的功能。

主设计要求

1.一种基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其包括主控制器，分别与主控制器双向交互连接的有线模块和无线模块；所述的有线模块包括POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口；所述无线模块包括ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口；其特征在于：所述的主控制器包括Cortex-M3处理器，以及Cortex-M3处理器外围的外围电路；该主控制器主要完成接口方式的通信以及协议之间的转换；Cortex-M3处理器中MCU中设计有3个串口，3个SPI口，以及CAN总线接口通道；其中3个串口连接为：一个串口与RS485接口连接，一个串口与WIFI通信模块连接，还有一个串口与ZigBee通信接口相互连接，该ZigBee通信接口内部的ZigBee协议栈选择TI的Z-STACK协议，该协议栈在MSP430上运行，所以该串口用于连接MSP430；其中3个SPI口连接为：其中一个SPI口与RF433模块接口连接，该SPI口主要用于433MHz通信通；另一个SPI口用于连接FPGA通道，实现与POWERLINK接口相互连接，还有一个SPI口的接口用于外该接一片Flash，实现路由器初始配置；其中一个CAN总线接口通道，该CAN总线接口通道用于CAN总线通信，与CAN总线接口；Cortex-M3处理器也可以内核的STM32F103作为MCU，因为STM32F103有5个串口，112个IO口，3个SPI口，1个CAN接口，还具有16\/32位FSMC用于外扩存储器连接，运行速度达72MHz。

设计方案

其中3个串口连接为：一个串口与RS485接口连接，一个串口与WIFI通信模块连接，还有一个串口与ZigBee通信接口相互连接，该ZigBee通信接口内部的ZigBee协议栈选择TI的Z-STACK协议，该协议栈在MSP430上运行，所以该串口用于连接MSP430；

其中3个SPI口连接为：其中一个SPI口与RF433模块接口连接，该SPI口主要用于433MHz通信通；另一个SPI口用于连接FPGA通道，实现与POWERLINK接口相互连接，还有一个SPI口的接口用于外该接一片Flash，实现路由器初始配置；

其中一个CAN总线接口通道，该CAN总线接口通道用于CAN总线通信，与CAN总线接口；Cortex-M3处理器也可以内核的STM32F103作为MCU，因为STM32F103有5个串口，112个IO口，3个SPI口，1个CAN接口，还具有16\/32位FSMC用于外扩存储器连接，运行速度达72MHz。

2.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述POWERLINK接口包括FPGA芯片，外扩存储器，配置芯片，拨码开关，太网PHY芯片；FPGA芯片：所选用的FPGA芯片至少具有5000Les逻辑单元；ALTERA芯片和XILLINX芯片系列都可以选用，但是ALTERA芯片选用CYCLONE4CE6以上，对于XILLINX至少选用spartan6；

外扩存储器：为了运行时对存储器大容量与速度高或高实时的需求，FPGA芯片外部需要外接512KB的SDRAM或SRAM，其采用并行32位或16位接口与FPGA芯片连接；

配置芯片：为了存储FPGA芯片的运行程序，需要2Mbytes以上的配置芯片，可以选择EPCS或Flash；Flash芯片选择EPCS16，它有16Mbits的存储空间，用来保存FPGA芯片程序；SDRAM芯片选择IS61LV512，它有512Kbytes的存储空间；工作在RMII模式，FPGA芯片选择ALTERA公司的EP4CE10E22芯片，作为POWERLINK通信使用，FPGA芯片与MCU连接通过SPI口进行数据传递，TQFP-144封装的EP4CE10E22具有10320个Les，91个UserI\/O，NiosII处理器最大需要约3000逻辑单元，POWERLINK的IP核需要大概6000逻辑单元；

拨码开关：POWERLINK通信接口过程中需要设备的ID号来寻址，系统中的节点具有唯一的NodeID，8位拨码开关可以设置256个节点号；

太网PHY芯片：可以使用1片或2片PHY芯片，根据配置要求，使用VHDL在FPGA芯片内部实现了以太网HUB；若采用2片PHY芯片，则POWERLINK通信接口为网络拓扑结构；若采用2片PHY芯片，则POWERLINK通信接口为星形拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述ZigBee通信接口电路是厂商提供的ZigBee软硬件模块，该ZigBee软硬件模块中TI提供的基于MSP430单片机的ZigBee解决方案；在TI提供的ZigBee协议栈中，型号为ZStack-EXP5438-2.5.1的芯片是一个基于MSP430F5438的半开源协议栈，MSP430F5438芯片上设计有便于后续网络扩展和各类数据的采集终端；所述MSP430F5438芯片包括256KB+512B的Flash存储器，16KB的RAM，12路外部通道12位ADC，4路内部通道12位ADC，3个具有捕获或比较模式的16位的定时器Timer，4个通用串行通信接口模块，简称为USCI；ZigBee通信接口电路内数据收发部分选用基于型号CC2520的射频数据收发模块，射频数据收发模块属于TI提供的第二代ZigBee的RF收发器，通信频带为2.4GHz，射频数据收发模块具有良好的通信连接特性、优异的链路预算特性，射频数据收发模块满足ZigBee无线系统的通信标准，降低用户应用主机控制器上的负载，射频数据收发模块包括数据缓冲器，数据包处理机制，突发传输，数据加密，数据认证，空闲信道评估，通信链路质量指示，射频数据收发模块满足IEEE802.15.4通信标准，通信数据速率可达250kbps，接收灵敏度为-98dBm，输出功率可编程控制，最高可达+5dBm；射频数据收发模块具有103dB的链路预算和50dB的相邻通道抑制，使得节点之间的通信距离可达400m，供电电压为1.8V到3.8V，环境温度-40℃到+125℃范围内均可。

4.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述WIFI通信接口是由RAK410通信模块构成的，RAK410通信模块是一款完全符合802.11b\/g\/n无线协议的WIFI模块，该WIFI模块内部集成完整的TCP\/IP协议栈，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP，DHCP，CLIENT，DHCP，SERVER，DNS多种协议；主机通过UART或者SPI接口发送AT命令与模块通信，用户可以方便、快速地使用本模块实现组网及数据收发，在SPI接口下，模块最大传输速率可达1.5Mbps，RAK410通信模块支持参数保存，重启后自动连接，减少系统组网时间；RAK410通信模块有5种电源管理模式，最小待机功耗为0.5uA，完全满足低功耗设计；RAK410通信模块中的SPI的最大时钟可达到4MHZ，使用UART\/SPI接口通过AT命令与模块通信，支持Station、Ad-hoc及AP模式，可配置为DHCP，SERVER，DHCP，CLIENT，支持OPEN，WEP，WPA-PSK，WPA2-PSK，WPS加密方式；支持TCP，UDP通信协议，最大可以创立8个UDP\/TCP连接，最快连接时间仅为300ms。

5.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述RF433模块接口是由型号Si4332芯片构成，型号Si4332芯片是Silicon LaboratoriesEZRadioPRO系列的高集成度单芯片的无线ISM收发器件，作为433MHz无线数据收发模块；无线ISM收发器件包括发射机，接收机，射频收发器；型号Si4332芯片提供了先进的无线功能，包括连续频率范围从240MHz到930MHz和可调输出功率高达+20dBm，高集成度降低了BOM，同时简化了整体设计，极低的接受灵敏度(-118dBm)，加上业界领先的+20dBm输出功率，保证传输范围和穿透能力，内置天线多样化并且支持跳频。

6.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述RS485接口是由RS-485总线是在RS-232串行接口基础上改进而成，所述RS485接口是将使用差分信号替代RS-232的单端信号，接口电平的判断阈值低至200mV，在使用光电隔离或者电磁隔离的情况下，两端的供电系统可以不共地，通常情况下，RS-485总线的通信速率可以达到10Mbps，通信距离可达1200m；RS-485总线中将RS-485差分信号对中一根线定义为A，另一根为B，要将网络中所有设备的A端连接在一起，B端连接在一起，使得RS-485网络只能是点到点或者总线型，不能组成星型网或者环网；RS-485总线特性形成多点组网，RS-485收发器可以支持32个接收负载，收发器最大可支持200个以上的负载；RS-485总线的两端放置端接电阻，阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，一般选择120Ω；基于半双工通信多采用一主多从的模式，有主节点轮询点名的方式完成数据通信；集成RS-485通信接口只需使用RS-485电平转化芯片，将STM32的UART接口转换为差分电平即可，常见的SP3485作为收发器，实现RS-485通信接口。

7.根据权利要求1所述的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其特征在于：所述CAN总线接口是由Bosch公司于1985年推出具有通信速度快、故障安全特性、成本低的控制器局域网模块，CAN总线接口是采用与RS-485的差分电平传输数据，多采用一主多从方式，CAN总线通过指定通信帧的优先级来解决多个节点同时发送数据时产生的冲突，优先级在在通信帧的“标识符”段中表示；采用TJA1050作为CAN总线收发器，该CAN总线收发器为5V供电，最大传输速率可达1Mbit\/s，最多可以连接110个节点；TJA1050芯片内部主控制器STM32通过串行数据线TXD和RXD连接CAN收发器，而收发器通过具有差动接受和发送功能的CANH和CANL连接到总线线路，用于CAN总线的模式控制；TJA1050芯片具有两种模式：高速模式和静音模式。

设计说明书

【技术领域】

本实用新型涉及一种用于工业控制领域的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器。

【背景技术】

随着社会不断向前进步和发展，伴随对通信网络电子产品的智能化和信息化的要求越来越高。然而，使得工业总线的出现和发展是工业领域科技更新的重要标志，工业总线已经成为现代化工业现场不可缺少的重要组成部分。所述工业总线主要是为了实现自动化装置之间数字化，串行，多点组网络数据通信，减少布线压力，其大部分工业领域均采用工业总线RS-485，该工业总线虽然具有通信距离远，抗干扰能力强，方便组装，布线简单，但是，由于工业总线RS-485，采用半双工通信方式，同一时刻总线上只能有一个发送节点，如两个发送节点同时发送数据，则会造成总线冲突，导致通信失败。为了解决此技术问题随后出现的是CAN工业总线，该CAN工业总线虽然具有比RS-485总线更高的通信速率和可靠性，通信速度可高达1Mbps，通信距离可达10km，但是CAN工业总线基于优先仲裁的防冲突机制，能够有效解决总线上的冲突现象，实现总线的多主控制。随着工业化一体化发展，很多工业应用对工业总线的要求不限于事件上报和状态监控等低速通信，而是对数据通信速度、延迟的实时性有更高的要求。例如：在多轴伺服控制中，同步速度达到几十频率，控制循环仅能实现几百个微秒，通信延迟将严重影响控制精度。在这些应用中不仅要求通信速度快，而且要求网络延迟低且可预测。所述的CAN工业总线已经很难满足这些领域的需求。由于现有工业测控领域的数据采集和传输的大部分设备为有线接口，接口单一，不同接口与接口之间的协议差异，扩展数据采集范围各自不相同，使得不方便综合管理工业现场所有设备。

【实用新型内容】

本实用新型的技术目的是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种能够消除现场总线多标准并存和不同网络通信接口之间协议差异，扩展数据采集范围不同的技术问题，实现多种网络之间互通的方便综合管理工业现场所有设备的基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器。

为了实现上述技术问题，本实用新型所提供一种基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其包括主控制器，分别与主控制器双向交互连接的有线模块和无线模块；所述的有线模块包括POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口；所述无线模块包括ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口。

所述的主控制器包括Cortex-M3处理器，以及Cortex-M3处理器外围的外围电路；该主控制器主要完成接口方式的通信以及协议之间的转换；Cortex-M3 处理器中MCU中设计有3个串口，3个SPI口，以及CAN总线接口通道。

其中3个串口连接为：一个串口与RS485接口连接，一个串口与WIFI通信模块连接，还有一个串口与ZigBee通信接口相互连接，该ZigBee通信接口内部的ZigBee协议栈选择TI的Z-STACK协议，该协议栈在MSP430上运行，所以该串口用于连接MSP430。

其中3个SPI口连接为：其中一个SPI口与RF433模块接口连接，该SPI 口主要用于433MHz通信通；另一个SPI口用于连接FPGA通道，实现与 POWERLINK接口相互连接，还有一个SPI口的接口用于外该接一片Flash，实现路由器初始配置。

其中一个CAN总线接口通道，该CAN总线接口通道用于CAN总线通信，与CAN总线接口；Cortex-M3处理器也可以内核的STM32F103作为 MCU，因为STM32F103有5个串口，112个IO口，3个SPI口，1个CAN 接口，还具有16\/32位FSMC用于外扩存储器连接，运行速度达72MHz。

进一步限定，所述POWERLINK接口包括FPGA芯片，外扩存储器，配置芯片，拨码开关，太网PHY芯片；FPGA芯片：所选用的FPGA芯片至少具有5000Les逻辑单元；ALTERA芯片和XILLINX芯片系列都可以选用，但是ALTERA芯片选用CYCLONE4CE6以上，对于XILLINX至少选用spartan6；

外扩存储器：为了运行时对存储器大容量与速度高或高实时的需求， FPGA芯片外部需要外接512KB的SDRAM或SRAM，其采用并行32位或16 位接口与FPGA芯片连接；

配置芯片：为了存储FPGA芯片的运行程序，需要2Mbytes以上的配置芯片，可以选择EPCS或Flash；Flash芯片选择EPCS16，它有16Mbits 的存储空间，用来保存FPGA芯片程序；SDRAM芯片选择IS61LV512，它有512Kbytes的存储空间；工作在RMII模式，FPGA芯片选择ALTERA公司的EP4CE10E22芯片，作为POWERLINK通信使用，FPGA芯片与MCU连接通过SPI口进行数据传递，TQFP-144封装的EP4CE10E22具有10320 个Les，91个User I\/O，NiosII处理器最大需要约3000逻辑单元， POWERLINK的IP核需要大概6000逻辑单元；

拨码开关：POWERLINK通信接口过程中需要设备的ID号来寻址，系统中的节点具有唯一的NodeID，8位拨码开关可以设置256个节点号；

太网PHY芯片：可以使用1片或2片PHY芯片，根据配置要求，使用 VHDL在FPGA芯片内部实现了以太网HUB；若采用2片PHY芯片，则POWERLINK通信接口为网络拓扑结构；若采用2片PHY芯片，则POWERLINK通信接口为星形拓扑结构；

进一步限定，所述ZigBee通信接口电路是厂商提供的ZigBee软硬件模块，该ZigBee软硬件模块中TI提供的基于MSP430单片机的ZigBee解决方案；在TI提供的ZigBee协议栈中，型号为ZStack-EXP5438-2.5.1的芯片是一个基于MSP430F5438的半开源协议栈，MSP430F5438芯片上设计有便于后续网络扩展和各类数据的采集终端；所述MSP430F5438芯片包括256KB+512B的Flash存储器，16KB的RAM，12路外部通道12位ADC，4路内部通道12位ADC，3个具有捕获或比较模式的16位的定时器Timer，4个通用串行通信接口模块，简称为USCI；ZigBee通信接口电路内数据收发部分选用基于型号CC2520的射频数据收发模块，射频数据收发模块属于T1提供的第二代ZigBee的RF收发器，通信频带为2.4GHz，射频数据收发模块具有良好的通信连接特性、优异的链路预算特性，射频数据收发模块满足ZigBee无线系统的通信标准，降低用户应用主机控制器上的负载，射频数据收发模块包括数据缓冲器，数据包处理机制，突发传输，数据加密，数据认证，空闲信道评估，通信链路质量指示，射频数据收发模块满足IEEE802.15.4通信标准，通信数据速率可达250kbps，接收灵敏度为-98dBm，输出功率可编程控制，最高可达+5dBm；射频数据收发模块具有103dB的链路预算和50dB的相邻通道抑制，使得节点之间的通信距离可达400m，供电电压为1.8V到3.8V，环境温度-40℃到+125℃范围内均可。

进一步限定，所述WIFI通信接口是由RAK410通信模块构成的，RAK410通信模块是一款完全符合802.11b\/g\/n无线协议的WIFI模块，该WIFI模块内部集成完整的TCP\/IP协议栈，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP，DHCP，CLIENT， DHCP，SERVER，DNS多种协议；主机通过UART或者SPI接口发送AT命令与模块通信，用户可以方便、快速地使用本模块实现组网及数据收发，在SPI接口下，模块最大传输速率可达1.5Mbps，RAK410通信模块支持参数保存，重启后自动连接，减少系统组网时间；RAK410通信模块有5种电源管理模式，最小待机功耗为0.5uA，完全满足低功耗设计；RAK410通信模块中的 SPI的最大时钟可达到4MHZ，使用UART\/SPI接口通过AT命令与模块通信，支持Station、Ad-hoc及AP模式，可配置为DHCP，SERVER，DHCP， CLIENT，支持OPEN，WEP，WPA-PSK，WPA2-PSK，WPS加密方式；支持TCP， UDP通信协议，最大可以创立8个UDP\/TCP连接，最快连接时间仅为 300ms。

进一步限定，所述RF433模块接口是由型号Si4332芯片构成，型号 Si4332芯片是Silicon Laboratories EZRadioPRO系列的高集成度单芯片的无线ISM收发器件，作为433MHz无线数据收发模块；无线ISM收发器件包括发射机，接收机，射频收发器；型号Si4332芯片提供了先进的无线功能，包括连续频率范围从240MHz到930MHz和可调输出功率高达 +20dBm，高集成度降低了BOM，同时简化了整体设计，极低的接受灵敏度 (-118dBm)，加上业界领先的+20dBm输出功率，保证传输范围和穿透能力，内置天线多样化并且支持跳频。

进一步限定，所述RS485接口是由RS-485总线是在RS-232串行接口基础上改进而成，所述RS485接口是将使用差分信号替代RS-232的单端信号，接口电平的判断阈值低200mV，在使用光电隔离或者电磁隔离的情况下，两端的供电系统可以不共地，通常情况下，RS-485总线的通信速率可以达到10Mbps，通信距离可达1200m；RS-485总线中将RS-485差分信号对中一根线定义为A，另一根为B，要将网络中所有设备的A端连接在一起，B端连接在一起，使得RS-485网络只能是点到点或者总线型，不能组成星型网或者环网；RS-485总线特性形成多点组网，标准RS-485收发器可以支持32个接收负载，收发器最大可支持200个以上的负载；RS-485总线的两端放置端接电阻，阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，一般选择120Ω；基于半双工通信多采用一主多从的模式，有主节点轮询点名的方式完成数据通信；集成RS-485通信接口只需使用RS-485电平转化芯片，将STM32的UART 接口转换为差分电平即可，常见的SP3485作为收发器，实现RS-485通信接口。

进一步限定，所述CAN总线接口是由Bosch公司于1985年推出具有通信速度快、故障安全特性、成本低的控制器局域网模块，CAN总线接口是采用与 RS-485的差分电平传输数据，多采用一主多从方式，CAN总线通过指定通信帧的优先级来解决多个节点同时发送数据时产生的冲突，优先级在在通信帧的“标识符”段中表示；采用TJA1050作为CAN总线收发器，该CAN总线收发器为 5V供电，最大传输速率可达1Mbit\/s，最多可以连接110个节点；TJA1050芯片内部主控制器STM32通过串行数据线TXD和RXD连接CAN收发器，而收发器通过具有差动接受和发送功能的CANH和CANL连接到总线线路，用于 CAN总线的模式控制；TJA1050芯片具有两种模式：高速模式和静音模式。

本实用新型的有益效果：因所述的主控制器是以Cortex-M3处理器，以及 Cortex-M3处理器外围的外围电路；Cortex-M3处理器中MCU中设计有3个串口， 3个SPI口，以及CAN总线接口通道。使用时，利用所述Cortex-M3处理器将 POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口，ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口连接在一起构成FPGA硬件平台，由于ZigBee通信接口电路中有TI提供的基于MSP430单片机的FPGA硬件平台，所述MSP430单片机主要负责ZigBee通信接口电路的通信，通过UART与主控制器进行数据交互。POWERLINK接口采用基于FPGA的通信通道，该通信通道与主控制器之间通过SPI实现数据交互，再利用主控制器完成各个接口方式的通信以及协议之间的转换，消除现场总线多标准并存和不同网络通信接口之间协议差异，扩展数据采集范围不同的技术问题，实现多种网络之间互通的方便综合管理工业现场所有设备的功能。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1是本实用新型基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器的原理图；

图2是本实用新型RS485接口的传输示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参考图1及图2所示，下面结合实施例说明一种基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，其包括主控制器，分别与主控制器双向交互连接的有线模块和无线模块。所述的有线模块包括POWERLINK接口，RS485 接口，CAN总线接口；所述无线模块包括ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口。

所述的主控制器包括Cortex-M3处理器，以及Cortex-M3处理器外围的外围电路。该主控制器主要完成各种接口方式的通信以及协议之间的转换。Cortex-M3处理器中MCU中设计有3个串口，3个SPI口，以及CAN总线接口通道。其中3个串口连接为：一个串口与RS485接口连接，一个串口与WIFI通信模块连接，还有一个串口与ZigBee通信接口相互连接，该ZigBee通信接口内部的ZigBee协议栈选择TI的Z-STACK协议，该协议栈在 MSP430上运行，所以该串口用于连接MSP430。其中3个SPI口连接为：其中一个SPI口与RF433模块接口连接，该SPI口主要用于433MHz通信通；另一个 SPI口用于连接FPGA通道，实现与POWERLINK接口相互连接，还有一个SPI 口的接口用于外该接一片Flash，实现路由器初始配置。其中一个CAN总线接口通道，该CAN总线接口通道用于CAN总线通信，与CAN总线接口；Cortex-M3 处理器也可以内核的STM32F103作为MCU，因为STM32F103有5个串口，112 个IO口，3个SPI口，1个CAN接口，还具有16\/32位FSMC用于外扩存储器连接，运行速度达72MHz。

所述POWERLINK接口包括FPGA芯片，外扩存储器，配置芯片，拨码开关，太网PHY芯片。FPGA芯片所选用的FPGA芯片至少具有5000Les逻辑单元； ALTERA芯片和XILLINX芯片系列都可以选用，但是ALTERA芯片选用 CYCLONE4CE6以上，对于XILLINX至少选用spartan6。

为了运行时对外扩存储器大容量与速度高或高实时的需求，FPGA芯片外部需要外接512KB的SDRAM或SRAM，其采用并行32位或16位接口与FPGA芯片连接，即为外扩存储器。

配置芯片，为了存储FPGA芯片的运行程序，需要2Mbytes以上的配置芯片，可以选择EPCS或Flash；Flash芯片选择EPCS16，它有16Mbits的存储空间，用来保存FPGA芯片程序；SDRAM芯片选择IS61LV512，它有 512Kbytes的存储空间；工作在RMII模式，FPGA芯片选择ALTERA公司的 EP4CE10E22芯片，作为POWERLINK通信使用，FPGA芯片与MCU连接通过SPI 口进行数据传递，TQFP-144封装的EP4CE10E22具有10320个Les，91个 User I\/O，NiosII处理器最大需要约3000逻辑单元，POWERLINK的IP核需要大概6000逻辑单元。

POWERLINK通信接口过程中需要设备的ID号来寻址，系统中的节点具有唯一的NodeID，8位拨码开关可以设置256个节点号，即为拨码开关。

太网PHY芯片可以使用1片或2片PHY芯片，根据配置要求，使用 VHDL在FPGA芯片内部实现了以太网HUB。若采用2片PHY芯片，则 POWERLINK通信接口为网络拓扑结构；若采用2片PHY芯片，则POWERLINK 通信接口为星形拓扑结构。太网PHY芯片工作在RMII模式。基于上述需求，FPGA芯片选择ALTERA公司的型号为EP4CE10E22的芯片，这是一款低该FPGA芯片只是作为POWERLINK通信通道使用，FPGA芯片与MCU连接通过SPI口进行数据传递，TQFP-144封装的型号EP4CE10E22的芯片，该芯片具有10320个Les，91个User I\/O，NiosII处理器最大需要约3000逻辑单元，POWERLINK通信通道IP核需要大概6000逻辑单元，完全满足系统需求。Flash芯片选择型号EPCS16的芯片，Flash芯片有16Mbits的存储空间，用来保存FPGA程序。SDRAM芯片选择型号为IS61LV512的芯片，SDRAM芯片有512Kbytes的存储空间，满足设计要求。

所述ZigBee通信接口电路是厂商提供的ZigBee软硬件模块，该 ZigBee软硬件模块中TI提供的基于MSP430单片机的ZigBee解决方案，由于其开发成本低，周期短，可靠性高而广受青睐，在TI提供的ZigBee 协议栈中，型号为ZStack-EXP5438-2.5.1的芯片是一个基于MSP430F5438 的半开源协议栈，型号为MSP430F5438芯片上设计有便于后续网络扩展和各类数据的采集终端；所述MSP430F5438芯片包括256KB+512B的Flash存储器，16KB的RAM，12路外部通道12位ADC，4路内部通道12位ADC，3 个具有捕获或比较模式的16位的定时器Timer，4个通用串行通信接口模块，简称为USCI；ZigBee通信接口电路内数据收发部分选用基于型号CC2520的射频数据收发模块，射频数据收发模块属于TI提供的第二代 ZigBee的RF收发器，通信频带为2.4GHz，射频数据收发模块具有良好的通信连接特性、优异的链路预算特性，射频数据收发模块满足ZigBee无线系统的通信标准，降低用户应用主机控制器上的负载，射频数据收发模块包括数据缓冲器，数据包处理机制，突发传输，数据加密，数据认证，空闲信道评估，通信链路质量指示。射频数据收发模块满足IEEE802.15.4通信标准，通信数据速率可达250kbps，接收灵敏度为-98dBm，输出功率可编程控制，最高可达 +5dBm；射频数据收发模块具有103dB的链路预算和50dB的相邻通道抑制，使得节点之间的通信距离可达400m，供电电压为1.8V到3.8V，环境温度 -40℃到+125℃范围内均可。

所述WIFI通信接口是由RAK410通信模块构成的，RAK410通信模块是一款完全符合802.11b\/g\/n无线协议的WIFI模块，该WIFI模块内部集成完整的TCP\/IP协议栈，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP，DHCP，CLIENT，DHCP， SERVER，DNS多种协议；主机通过UART或者SPI接口发送AT命令与模块通信，用户可以方便、快速地使用本模块实现组网及数据收发，在SPI接口下，模块最大传输速率可达1.5Mbps，RAK410通信模块支持参数保存，重启后自动连接，减少系统组网时间；RAK410通信模块有5种电源管理模式，最小待机功耗为0.5uA，完全满足低功耗设计。RAK410通信模块中的SPI的最大时钟可达到4MHZ，使用UART\/SPI接口通过AT命令与模块通信，支持Station、Ad-hoc 及AP模式，可配置为DHCP，SERVER，DHCP，CLIENT，支持OPEN，WEP，WPA-PSK， WPA2-PSK，WPS加密方式；支持TCP，UDP通信协议，最大可以创立8个UDP\/TCP 连接，最快连接时间仅为300ms。所述WIFI通信接口为笔记本电脑、智能手机的便携设备在一定的移动范围内提供与以太网相近的通信速度。WIFI通信接口既能够共享互联网入口，又方便了设备间通信，极大地改善了通信体验。WIFI 通信接口只提供了物理层和媒介访问控制层，上层协议一般使用TCP\/IP协议簇，完成网际通信。

所述RF433模块接口是由型号Si4332芯片构成，型号Si4332芯片是 SiliconLaboratories EZRadioPRO系列的高集成度单芯片的无线ISM收发器件，作为433MHz无线数据收发模块。无线ISM收发器件包括发射机，接收机，射频收发器。型号Si4332芯片提供了先进的无线功能，包括连续频率范围从240MHz到930MHz和可调输出功率高达+20dBm，高集成度降低了BOM，同时简化了整体设计，极低的接受灵敏度(-118dBm)，加上业界领先的+20dBm输出功率，保证传输范围和穿透能力，内置天线多样化并且支持跳频。

所述RS485接口是由RS-485总线是在RS-232串行接口基础上改进而成，用于解决RS-232通信速度低，传输距离短的缺陷。所述RS485接口是将使用差分信号替代RS-232的单端信号，使得RS-485总线能够有效抵抗共模干扰，接口电平的判断阈值低至200mV，这就极大地通信距离有了很大的提高。差分信号传输的另一个优点是发送端与接收端之间不再需要有公共电压参考点，在使用光电隔离或者电磁隔离的情况下，两端的供电系统可以不共地，进一步增加抗干扰能力。通常情况下，RS-485的通信速率可以达到10Mbps，通信距离可达1200m。由于RS-485总线的通信通道只有一条，该通信通道是半双工通信，即使在同一时刻，只能处于发送状态或者接收状态，因此，RS-485总线中将RS-485差分信号对中一根线定义为A，另一根为B，为了完成组网通信，要将网络中所有设备的A端连接在一起，网络中所有设备的B端连接在一起，使得RS-485网络只能是点到点或者总线型，不能组成星型网或者环网。RS-485总线特性形成多点组网，标准RS-485收发器可以支持32个接收负载，收发器最大可支持200 个以上的负载。RS-485总线的另外一个优点是对通信线缆没有过高的的要求，平行双绞线为常见选择，但是，为了防止通信线路上瘾阻抗不连续而造成的信号反射，提高通信质量，在RS-485总线的两端放置端接电阻，阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，一般选择120Ω。由于RS-485总线的定义为物理电气特性，既然差分半双工多点总线型通信，需要使用者实行网络管理以及数据通信。基于半双工通信是多采用一主多从的模式，有主节点轮询点名的方式完成数据通信。集成RS-485通信接口只需使用RS-485电平转化芯片，将STM32的UART 接口转换为差分电平即可，常见的SP3485作为收发器，实现RS-485通信接口。

所述CAN总线接口是由Bosch公司于1985年推出具有通信速度快、故障安全特性、成本低的控制器局域网模块，CAN总线接口是采用与RS-485的差分电平传输数据，具有更高的实际通信速度和稳定性。CAN总线接口上的电平不再使用RS-485中的逻辑“0”和“1”来表示数据。取而代之的是定义“显性电平”代表逻辑0，“隐形电平”代表逻辑1。当总线上没有数据传输时呈现隐形电平，代表逻辑1。有数据传输时才会有显性电平，代表逻辑0。显性电平能够覆盖隐形电平，类似12C总线的“线与”逻辑。“显性电平”和“隐形电平”的定义是CAN总线访问机制的错误管理的前提条件。

在RS-485总线中，因为没有有效的防冲突机制，而是多采用一主多从方式，占大多数的从节点通常处于接收状态，等待主机节点的通信命令，在主机的授权下才能发送数据，这就导致了整个网络的实时性受限于主机的处理能力和网络的通信速度，不能满足高速系统的需求。为了实现更高的通信实时性， CAN总线通过指定通信帧的优先级来解决多个节点同时发送数据时产生的冲突，优先级在在通信帧的“标识符”段中表示。发送数据时，CAN发送器将数据按位发送到总线，与此同时接收器也监听总线。当发现发送电平与监听到的电平相异时。例如想要发送的是“隐形电平”而接收到的是“显性电平”，依据电平的“线与”逻辑，说明总线冲突，则立即退出发送模式，进入接收模式。如果在发送到通信帧的“标识符”段时发现电平相异，说明网络中有CAN 节点正在发送一条优先级更高的帧，则退出发送。这样优先级高的帧享有总线并继续被发送。当总线空闲后，在仲裁过程未发送的通信帧再次通过仲裁过程发送。如果通信帧的“标识符”相同，数据帧比远程帧有更高的方优先级。CAN总线使用不归零编码方式传输数据位，每一位的传送时间内电平保持不变。为了实现整个网络内的位同步，发送节点需要在极性相同的5个位之后插入一个极性相反的填充位，以此强制提供足够的边沿变化。CAN总线区别于其他串行通信网络的一大特点就是独特的错误检测和处理机制。前面提到，在发送的同时监听总线电平，能够有效防止冲突的产生。通过检测填充位、CRC、应答以及通信帧格式，可以检测出大多数的总线错误。总线错误将被计数，达到一定的错误计数值后就自动断开与总线的连接，防止对总线造成通信干扰。CAN总线的高通信速率、有效的防冲突机制、全面的错误检测处理机制使之成为工业现场最受青睐的总线之一，获得了广泛的应用。采用TJA1050作为CAN总线收发器，该CAN总线收发器为5V供电，最大传输速率可达1Mbit\/s，最多可以连接110个节点。型号为TJA1050芯片内部主控制器STM32通过串行数据线TXD和 RXD连接CAN收发器，而收发器通过具有差动接受和发送功能的CANH和 CANL连接到总线线路，用于CAN总线的模式控制；TJA1050芯片具有两种模式：高速模式和静音模式。

采用基于FPGA芯片和openPowerlink协议栈实现了POWERLINK从站接口设计，STM32作为系统的核心控制器，使用自带的UART和CAN控制器实现了RS485接口和CAN总线接口通道，通过UART和SPI外挂无线模块实现了RF433模块接口和WIFI通信接口，采用MSP430单片机加CC2520模块和Z-stack协议栈实现了ZigBee通信接口电路。系统软件使用 RTX多任务实时操作系统，完成多任务调度，最终实现在协议之间数据透传。

综上所述，因所述的主控制器是以Cortex-M3处理器，以及Cortex-M3处理器外围的外围电路；Cortex-M3处理器中MCU中设计有3个串口，3个SPI口，以及CAN总线接口通道。使用时，利用所述Cortex-M3处理器将POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口，ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI 通信接口连接在一起构成FPGA硬件平台，由于ZigBee通信接口电路中有TI 提供的基于MSP430单片机的FPGA硬件平台，所述MSP430单片机主要负责 ZigBee通信接口电路的通信，通过UART与主控制器进行数据交互。POWERLINK 接口采用基于FPGA的通信信道，该通信信道与主控制器之间通过SPI实现数据交互，再利用主控制器完成各个接口方式的通信以及协议之间的转换，消除现场总线多标准并存和不同网络通信接口之间协议差异，扩展数据采集范围不同的技术问题，实现多种网络之间互通的方便综合管理工业现场所有设备的功能。

以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。

设计图

基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器论文和设计

基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器论文和设计

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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