摘要：討論工業控制系統設備連接轉換網橋的基本概念和工業控制系統對網橋的基本要求。在此基礎上，提出轉換網橋和網絡轉換的概念，并給出工業控制系統和現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：現場總線 通信 工業控制 網橋 近年來隨著現場總線技術的進步與發展，出現了工業控制系統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標志著解決“開放式”系統問題的開始，同時也是徹底實現信息化現場總線技術的開始。 目前，工業控制現場總線中的網橋設備所起的作用，是實現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，還必須具有通信協議轉換的功能。根據現場總線技術內容以及工業控制系統通信結構，本文提出工業控制系統網橋必須實現的基本功能，這些功能實際上也就是工業控制系統對總線網橋的基本要求。

物理接口的轉換主要是實現信號模式轉換，同時也是通信協議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協議轉換提供了不同總線之間的數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是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現。 本文根據對網橋基本技術要求的討論，設計三種網橋實現的方案。這三種網橋方案實際上也是控制系統信息網絡轉換的基本設備。

1 轉換網橋的基本概念

對使用不同現場總線技術的一個控制系統，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場總線系統相互獨立，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信息。這種類型的連接比較容易實現，只要把兩個系統分別與信息系統連接，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，而系統必須實現統一總線結構。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連接在一起，從而形成新的、完整的控制系統，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總線連接。此外，對于沒有使用現場總線技術的設備，當與現場總線系統連接或自行連接成總線系統時，也需要專用的網橋設備。

根據前面討論的現場總線技術內容以及工業控制系統通信結構，可以提出工業控制系統網橋必須實現的基本功能。這些功能的提出，就是工業控制系統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信號模式轉換，同時也是通信協議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協議轉換提供了不同總線之間的數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是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現。

2 總線網橋的基本特征與結構

實際上，現場總線系統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，網橋的作用是實現不同總線系統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，但不需要為每個設備都配備一個網橋模塊，只需要把轉換系統當作每個總線系統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，兩種總線系統都把對方當成了本系統的一個設備，因此，這種網絡轉換對兩個總線系統來說是透明的。

（3）通信模塊轉換型網橋。除上述不同現場總線系統之間的網橋和網絡轉換外，目前工業系統中，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上，如果再配合某種現場總線的設備模塊，則可以把原有的設備和系統直接升級為現場總線控制系統。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不同通信協議轉換的方法，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協議電路的收和尋，I/O口D的功能是實現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和記錄重要的接口控制參數。在系統維修、掉電或發生其他意外情況之后，只要再次上電，網橋即可繼續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場設備實現相互通信，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在現場中用的不是很廣泛，而4～20mA電流環在現場中還有很大的應用，決定增加4～20mA電流環模塊，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，接入模塊的數量應由現場對數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各種不同類型通信協議的物理接口，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。系統結構如圖5所示。

第三方案中采用SPI系統總線插卡結構。系統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，提供各插板所需要的智能服務（如參數連接、轉換等）。每個插板都是一個獨立的單片機系統，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，可以實現插板到插板、插板內部的通信接口轉換連接和協議轉換。

4 結論

通過討論，本文提出對使用不同現場總線技術的控制系統，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總線連接。此外，對于沒有使用現場總線技術的設備，當與現場總線系統連接或自行連接成總線系統時，也需要專用的網橋設備。 工業控制系統網橋必須實現的基本功能是物理接口轉換、通信協議轉換和操作信息轉換。物理接口的轉換主要實現信號模式轉換，同時也是通信協議轉換的基礎。在物理接口轉換的基礎上，通信協議轉換提供了不總線之間的數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是最復雜的，一般需要專用的轉換控制平臺才能實現。