第
31
卷第
10
期
2011
年
10
月
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l.
31
No.
lO
Oc
t.
2011
文章编号:
1001 - 9081
(2011)
10 - 2617 - 04
doi:l0.
3724/SP.
J.
1087.2011.02617
基于
DSP
和
FPGA
的网络转换网关
陈明,宋宝,唐小琦
(华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,武汉
430074)
(diwujichenm@
163.
com)
摘
要:以高性能的
DSP+FPGA
作为核心处理芯片构成硬件平台,开发了一种实时性强的现场总线
NCUC-Bus
与以太网转换的嵌入式网络转换网关。该网关在网络的物理层和数据链路层完成协议转换,解决了现场总线和以太
网无法实现直接通信的问题。通过实验证明,该设计的可行性和有效性达到设计妥求。
关键词:现场总线;以太网;嵌入式网关;协议转换;数字信号处理器;现场可编程门阵列
中图分类号:
T
P3
93.03;TN915.05
文献标志码
:A
Network conversion gateway based on
DSP
and FPGA
CHEN
Ming
,
SONG
Bao
,
TANG
Xiao-qi
(N
,
ωω
阳
l
Numerical Control System Engineering Research Center, Huazhong University o/Science and Technology, Wuhan
Hubei
430074, China)
Abstract:
With Digital Signal Processor
(DSP)
and Field Programmable Gate Array
(FPGA)
adopted as the kernel
processors, the embedded network conversion gateway of high real-time
was
designed
to
realize the conversion between fieldbus
and Ethernet. The conversion
was
finished on the physical layer and the data link layer, and the problem of direct
communications between fieldbus and Ethernet was solved. The experimental results indicate that the feasibility and
effectiveness of the design satisfy the requirements.
Key
words:
fieldbus; Ethernet; embedded gateway; protocol conversion; Digital Signal Processor
(DSP);
Field
Programmable Gate Array ( FPGA)
0
引言
现代数控技术朝着网络化方向发展,通过网络将数控机
床与企业局域网以及更外延的
Internet
连接起来,构成一个集
网络制造、远程监控、远程诊断与维护于一体的现代制造系统
是数控技术发展的重要方向
[1
-3]
。在机床内部,常使用现场
总线将数控系统、伺服驱动器、
ν0
单元等部件连接构成一个
全数字控制的通信系统[
4]
。现场总线与标准的以太网有不
同协议结构和数据帧格式,导致两者之间无法进行直接通信,
成为远程计算机与数控机床通信的壁垒。文献
[5J
设计了一
种实现
PROFIBUS-DP
与
MODBUS
转换的协议转换网关;文
献
[6]
设计了一款实现以太网与
CAN
现场总线转换的网关,
上述文献提到的网关实现的基本思想都是在网络物理层实现
传输介质的转换,在应用层完成网络协议转换。上述网关都
是基于特定应用开发的设备,对数据采样速率要求不高,不适
合应用于实时性强的数控领域。因此,开发一种实时性强、应
用于数控机床领域,可实现数控机床与远程计算机通信的网
络转换网关,提高网络通信的实时性具有重要意义。
本文设计了一款基于数字信号处理器
(Digital
Signal
Processor
,
DSP)
和现场可编程门阵列
(Field
Programmable
Gate Array
,
FPGA)
双核架构的嵌入式网络转换网关。该网关
提供
1
个标准的以太网接口和
4
个现场总线通信接口,利用
软硬件相结合的处理方式,在网络协议的物理层和数据链路
层实现协议格式的转换。这种实现方案可以显著提高数据处
理速度,具有处理灵活、可扩展性强的特点,能够满足远程计
算机与数控机床通信的功能要求。
1
嵌入式网络转换网关工作原理
通常,异构网络需要一个中间设备才能实现互联,这个中
间设备实现不同网络协议之间的转换,也称为协议转换
器
[7]
。不同网络协议在物理层定义了不同的传输介质,在数
据链路层定义了不同的数据转发方式,协议转换器应忽略传
输介质和数据转发方式的差异,直接对数据进行操作。以太
网中,网关是常见的协议转换器之一,通常工作在网络层及以
上。以太网和现场总线属于两种完全不同类型的网络,具有
不同的协议结构和数据格式。以太网采用标准的
ISOIOSI7
层参考模型,数据按照标准的
TCP/IP
协议数据结构封装
[8];
现场总线只保留了
ISOIOSI7
层参考模型中的物理层、数据
链路层、应用层
[9]
。根据网关工作原理[阳]可知,传统的网关
无法实现以太网和现场总线的协议转换。因此本文设计了一
种嵌入式网络转换网关,该网关工作在网络的物理层和数据
链路层,通过直接操作数据完成现场总线和以太网的转换。
嵌入式网络转换网关的工作原理如图
I
所示,网关接收
源协议完整的数据,在数据链路层分析源协议的数据帧格式,
去除数据控制信息,并提取出有效的用户数据,再按照目标协
议的数据帧格式,在其数据链路层封装为新的数据,最后通过
目标协议对应的物理层接口把数据发送到目标设备。这种网
关实现方案在网络物理层完成传输介质的转换,在数据链路
层完成数据格式的变换,能有效地实现以太网和现场总线透
明的数据传输。
收稿日期
:2011
-04
-22;
修回日期
:2011
一
06
一
13
0
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(50875099;20100192)
;国家重大科技专项
(2
0l
0ZX0417
-D
ll
)。
作者简介:陈明(1
986
- )
,男,四川广安人,硕士研究生,主要研究方向:数控;
宋宝
(1974
一)
,女,湖北黄冈人,副教授,博士,主要研究方
向:数控、交流伺服驱动;
唐小琦(1
957
- )
,男,湖南邵东人,教授,博士生导师,博士,主要研究方向:数控、交流伺服驱动、非线性运动控制。