摘要：討論工業(yè)控制系統(tǒng)設備連接轉換網橋的基本概念和工業(yè)控制系統(tǒng)對網橋的基本要求。在此基礎上，提出轉換網橋和網絡轉換的概念，并給出工業(yè)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術對網橋和網絡轉換的基本要求。通過討論，提出用MC68HC05C8設計的三種總線系統(tǒng)連接類型，并針對這三種連接類型，提出網橋模塊和網絡轉換的基本結構。

關鍵詞：現(xiàn)場總線 通信 工業(yè)控制 網橋 近年來隨著現(xiàn)場總線技術的進步與發(fā)展，出現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)連接網橋的概念以及相應的產品。應當說，網橋概念和產品的出現(xiàn)標志著解決“開放式”系統(tǒng)問題的開始，同時也是徹底實現(xiàn)信息化現(xiàn)場總線技術的開始。 目前，工業(yè)控制現(xiàn)場總線中的網橋設備所起的作用，是實現(xiàn)不同信號傳輸模式設備之間的連接，特別是物理層的連接；但網橋決不僅僅是一個物理接口轉換器，還必須具有通信協(xié)議轉換的功能。根據現(xiàn)場總線技術內容以及工業(yè)控制系統(tǒng)通信結構，本文提出工業(yè)控制系統(tǒng)網橋必須實現(xiàn)的基本功能，這些功能實際上也就是工業(yè)控制系統(tǒng)對總線網橋的基本要求。

物理接口的轉換主要是實現(xiàn)信號模式轉換，同時也是通信協(xié)議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協(xié)議轉換提供了不同總線之間的數(shù)據連接和通信模式等的轉換。這三個轉換功能中操作信息轉換功能的實現(xiàn)是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現(xiàn)。 本文根據對網橋基本技術要求的討論，設計三種網橋實現(xiàn)的方案。這三種網橋方案實際上也是控制系統(tǒng)信息網絡轉換的基本設備。

1 轉換網橋的基本概念

對使用不同現(xiàn)場總線技術的一個控制系統(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)場總線系統(tǒng)相互獨立，并且相互之間不需要控制信息嚴格實時處理，僅需要傳遞一些系統(tǒng)信息。這種類型的連接比較容易實現(xiàn)，只要把兩個系統(tǒng)分別與信息系統(tǒng)連接，再設置相應的管理平臺即可。

（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的設備，這時就叫作緊密型連接。緊密型連接的特點是設備相互獨立，而系統(tǒng)必須實現(xiàn)統(tǒng)一總線結構。毫無疑問，緊密型連接中就必須使用專用網橋。 （3）相關型。把原有的兩個或多個各自獨立的控制系統(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型連接。相關型連接的特點是設備總線形成分組形式，這時將需要專用的網橋。由此可知，相關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，均須使用專用的網橋實現(xiàn)總線連接。此外，對于沒有使用現(xiàn)場總線技術的設備，當與現(xiàn)場總線系統(tǒng)連接或自行連接成總線系統(tǒng)時，也需要專用的網橋設備。

根據前面討論的現(xiàn)場總線技術內容以及工業(yè)控制系統(tǒng)通信結構，可以提出工業(yè)控制系統(tǒng)網橋必須實現(xiàn)的基本功能。這些功能的提出，就是工業(yè)控制系統(tǒng)對總線網橋的基本要求： （1）具有物理接口轉換功能； （2）具有通信協(xié)議轉換功能； （3）具有操作信息轉換功能。 物理接口的轉換主要是實現(xiàn)信號模式轉換，同時也是通信協(xié)議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協(xié)議轉換提供了不同總線之間的數(shù)據連接和通信格式等的轉換。這三個轉換功能中，操作信息轉換功能的實現(xiàn)是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現(xiàn)。

2 總線網橋的基本特征與結構

實際上，現(xiàn)場總線系統(tǒng)對網橋提出的基本功能要求也就是總線轉換網橋的基本特征。根據上述提出的三項基本要求，本文提出了不同總線網橋的基本結構。

（1）緊密型網橋的基本結構。對于緊密型轉換要求，網橋實際上是附加在不同總線系統(tǒng)設備上的一個功能模塊。也就是說，這種網橋是總線設備的一個必需的附加設備，其模塊結構如圖1所示。從圖1中可以看出，要把總線A的設備連接到總線B系統(tǒng)中使用，網橋模塊中就應當包含總線A和總線B的總線模塊，通過協(xié)議轉換層，使總線A的設備與總線B連接在一起。對總線A設備來說，它所連接的仍然是總線A；而對總線B來說，它上面掛接的仍然是總線B設備。

（2）相關型網橋的基本結構。相關型連接中，網橋的作用是實現(xiàn)不同總線系統(tǒng)之間的信息連接和管理。與緊密型網橋相比，相關型網橋實際上是一個復雜的轉換系統(tǒng)，但不需要為每個設備都配備一個網橋模塊，只需要把轉換系統(tǒng)當作每個總線系統(tǒng)的一個信息設備即可。這種網絡轉換的結構如圖2所示。由圖2可知，兩種總線系統(tǒng)都把對方當成了本系統(tǒng)的一個設備，因此，這種網絡轉換對兩個總線系統(tǒng)來說是透明的。

（3）通信模塊轉換型網橋。除上述不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)之間的網橋和網絡轉換外，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之間轉換的網橋。使用這種網橋可以把不同信號模式的設備連接在一個系統(tǒng)上，如果再配合某種現(xiàn)場總線的設備模塊，則可以把原有的設備和系統(tǒng)直接升級為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。與前兩種網橋和網絡轉換相比，這種網橋比較簡單，基本上相當于一個特殊的信號交換器，目前市場上的網橋產品基本屬于此種類型。本文主要討論此類網橋的結構設計。

3 通信模式轉換網橋的三種設計方案

針對上述通信模式轉換網橋、本文提出三種通信模式轉換網橋結構。

（1）整體實現(xiàn)方案。根據通信模式轉換網橋的基本功能要求，本方案采用在一個電路板上實現(xiàn)不同通信協(xié)議轉換的方法，如圖3所示。網橋的控制核心是MC68HC05C8單片機，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位用來控制HART協(xié)議電路的收和尋，I/O口D的功能是實現(xiàn)SPI（同步串行通信接口）和SCI（異步串行通信接口）。SCI口通過譯碼器可選擇兩條通道，一個用來與上位機進行通信，一個用來連接HART電路；SPI口上通過譯碼器可選擇兩個RS-485電路、一個RS232電路和E2PROM。E2PROM用于保存網橋的設置狀態(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，網橋即可繼續(xù)工作而不必再次設置和調整。本方案的特點是電路結構緊湊，比較適合于較小的網絡使用；不足之處是網橋為固定式整體結構，靈活性稍差。

（2）接口模塊電路組合方案。模塊化網橋的基本結構如圖4所示。采用模塊化設計方案，使整個網橋可以根據工程實際需要，由不同的物理接口模塊電路組合而成。這種結構比較適合于通信協(xié)議類型較多的場合，具有相當大的靈活性。它可連接四種設備：RS-232、RS-485、4-20mA電流環(huán)及HART設備。每種設備都形成一個模塊，可使任意兩臺非智能化的、具有不接口標準的現(xiàn)場設備實現(xiàn)相互通信，并使其具有一定程度的智能化。在模塊化的電路結構中，網橋控制電路保持不變，SCI總線部分只用于與上位機通信的RS-232，而RS-485及HART則采用局部模塊電路的方法設計。此外，考慮到IEEE-488在現(xiàn)場中用的不是很廣泛，而4～20mA電流環(huán)在現(xiàn)場中還有很大的應用，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橋控制電路連接。由于取消了并行接口，因此，單片機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，最多可接入16個模塊。值得注意的是，由于本文設計的網橋采用控制器交換方式，因此，接入模塊的數(shù)量應由現(xiàn)場對數(shù)據傳輸時間間隔的要求決定。

（3）智能模塊組合方案。上述兩個方案壓制技術特點基本相同。由于用一個單片機控制多個接口的轉換，勢必對系統(tǒng)形成多種技術性能方面的限制。為提高轉換網橋的智能化，這里提出第三種設計方案：智能模塊電路組合方案。本方案采用智能模塊實現(xiàn)各種不同類型通信協(xié)議的物理接口，每個小模塊上都采用單獨的單片機，使網橋具備了智能通信協(xié)議接口的特點。這種智能模塊方案提高了網橋的智能化程度，因而使整個網橋的技術性能得到了極大的提高。系統(tǒng)結構如圖5所示。

第三方案中采用SPI系統(tǒng)總線插卡結構。系統(tǒng)由主控板和不同的智能插板組成。在主控板上設置了許多插座，這樣現(xiàn)場可以根據實際需要任意插拔。主控板的任務是通過SPI總線管理整個系統(tǒng)，提供各插板所需要的智能服務（如參數(shù)連接、轉換等）。每個插板都是一個獨立的單片機系統(tǒng)，通過SPI總線與主控板連接。在每個插板上配有相應的接口電路。在主控板的基礎上，可以實現(xiàn)插板到插板、插板內部的通信接口轉換連接和協(xié)議轉換。

4 結論

通過討論，本文提出對使用不同現(xiàn)場總線技術的控制系統(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，均需使用專用的網橋實現(xiàn)總線連接。此外，對于沒有使用現(xiàn)場總線技術的設備，當與現(xiàn)場總線系統(tǒng)連接或自行連接成總線系統(tǒng)時，也需要專用的網橋設備。 工業(yè)控制系統(tǒng)網橋必須實現(xiàn)的基本功能是物理接口轉換、通信協(xié)議轉換和操作信息轉換。物理接口的轉換主要實現(xiàn)信號模式轉換，同時也是通信協(xié)議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協(xié)議轉換提供了不總線之間的數(shù)據連接和通信格式等的轉換。這三個轉換功能中，操作信息轉換功能的實現(xiàn)是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現(xiàn)。