用于风电设备的兼有Profibus与CAN的装置的制作方法

用于风电设备的兼有profibus与can的装置
技术领域
1.本发明创造属于风电设备领域，尤其是涉及一种用于风电设备的兼有profibus与can的装置。


背景技术：

2.can是controller area network的缩写，是国际标准化的串行通信。can的高性能及可靠性已被广泛认同，canopen是can总线的高层协议，运用于can总线之上的应用层协议，其实时性较高，且具有响应快、精度高的特性，被广泛地应用于工业自动化、医疗设备、工业设备等方面；但是，目前现风电设备控制中plc(设备占有很大的比重，并且现大部分plc是不带通讯接口的，部分有接口的plc通信是采用profibus通讯协议，因此需要一种兼有profibus协议与 can协议的通讯模块的装置，从而实现设备并入can实时总线，与其他不同总线系统之间进行互联。
3.现有的profibus通信网络一般都是通过一个主机带多个从机来实现的，大多数情况下都只是简单的用双绞线将接口的“a”、“b”端进行连接，同样can通信网络也是简单的通过接口的“canh”、“canl”端进行连接，这样简单的连接不适用于风电领域这种包含有高次谐波干扰的领域，有一定的隐患，主要包括：
4.无论是profibus还是can接口都是采用半双工差分方式来传输信号，并不会像其他简单的di/d0信号有一定的参考地来进行衡量，系统只会认识到差分信号a与b之间、或canh与canl之间的电位差就可以了，实际上每一个收发器都用一定的差模电压范围，必须满足上述条件网络才可正常工作；而且当超过一定的电压范围系统不只不稳定还会损坏接口，因此通信接口应用于不同的环境下，需要特点的来进行设计其信号的稳定性；为了保证信号的稳定性，需要在保证正常通信的情况下，增强端口的emc抗扰能力，本方案也是对这方面提出了改进性的一些研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种用于风电设备的兼有profibus与can的装置。
6.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
7.用于风电设备的兼有profibus与can的装置，包括profibus
‑
dp 协议通信模块、can协议通信模块、以及主控模块；所述profibus
‑
dp 协议通信模块、以及can协议通信模块均分别与主控模块连接；
8.所述主控模块包括处理器单元、外部接口单元、以及供电单元，所述外部接口单元、以及供电单元均分别与处理器单元连接；
9.所述profibus
‑
dp协议通信模块包括profibus
‑
dp接口芯片单元、profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元、db9接口单元一、以及晶振单元；所述profibus
‑
dp接口芯片单元与处理器单元连接，所述 profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元、以及晶振单元均分别与 profibus
‑
dp接口芯片单元连接，所述db9接口单元一与profibus
‑
dp 物理层隔离芯片单元连接；
10.所述can协议通信模块包括can总线协议隔离芯片单元、以及 db9接口单元二，所述can总线协议隔离芯片单元与处理器单元连接，所述db9接口单元二与can总线协议隔离芯片单元连接。
11.进一步的，所述供电单元包括通信隔离总电源，该通信隔离总电源通过线性电源为处理器单元、can总线协议隔离芯片单元、 profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元、以及profibus
‑
dp接口芯片单元供电。
12.进一步的，所述外部接口单元包括拨码开关、flash芯片、以及网口接口，所述拨码开关、以及flash芯片均分别与处理器单元连接，所述网口接口通过phy芯片与处理器单元连接。
13.进一步的，所述db9接口单元一、以及db9接口单元二均设有 emc等级防护电路。
14.进一步的，所述emc等级防护电路包括雷电防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、esd防护子电路、以及过流防护子电路；所述的雷电防护子电路、esd防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、过流防护子电路均分别与profibus接口或can接口电气并联连接。
15.进一步的，所述雷电防护子电路包括气体放电管da和db，所述气体放电管da的一端与profibus接口的a端口或can接口的canh 端口连接，另一端接大地保护；所述气体放电管db的一端与profibus 接口的b端口或can接口的canl端口连接，另一端接大地保护。
16.进一步的，所述esd防护子电路包括快恢复式tvs阵列，tvs的一端分别与profibus接口的a端口或b端口连接，另一端接大地保护。
17.相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
18.本发明创造实现了canopen设备与profibus
‑
dp设备之间进行通信互联，不同协议模块之间可在一种装置上进行数据交换，大大降低了风电变流柜台整体的成本；profibus
‑
dp协议部分及canopen协议部分通信隔离电源，由相应的profibus
‑
dp隔离芯片及canopen协议隔离芯片产生，并不需要在板上产生多路隔离电源，只需要有模块电源为5v为物理层隔离驱动的另一端供电即可，即保证了总线通信工作的独立性，又在设计上减少了多路电源有可能带来的相互串扰的风险；canopen协议芯片内部带高压隔离功能，相当于一个芯片即实现了canopen电平转换的功能，又可实现了高压隔离，电源无需供两路，只需隔离前端给5v供电即可，这样优化了硬件的电路设计，节约了成本，并保证了通信功能的隔离特性。
附图说明
19.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明创造的结构框图；
21.图2为本发明创造实施例所述profibus
‑
dp隔离芯片的pin脚图；
22.图3为本发明创造实施例所述canopen隔离芯片的pin脚图；
23.图4为本发明创造实施例所述profibus
‑
dp协议芯片的引脚连接示意图；
24.图5为本发明创造实施例所述线性电源芯片tl5209dr的pin脚图；
25.图6为本发明创造实施例所述profibus部分接口电路emc电路示意图；
26.图7为本发明创造实施例所述can部分接口电路emc电路示意图；
27.图8为本发明创造实施例所述tvs阵列smda15c的pin脚图。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
31.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
32.用于风电设备的兼有profibus与can的装置，如图1至图8所示，包括profibus
‑
dp协议通信模块、can协议通信模块、以及主控模块；所述profibus
‑
dp协议通信模块、以及can协议通信模块均分别与主控模块连接；
33.所述主控模块包括处理器单元、外部接口单元、以及供电单元，所述外部接口单元、以及供电单元分别与处理器单元连接；具体的，处理器单元采用嵌入式arm处理器stm32f407系列，本领域技术人员也可以根据需要选择合适的处理器，只要可以实现与profibus
‑
dp协议通信模块、can协议通信模块的连接即可；
34.所述profibus
‑
dp协议通信模块包括profibus
‑
dp接口芯片单元、profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元、db9接口单元一、以及晶振单元；所述profibus
‑
dp接口芯片单元与处理器单元连接，所述 profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元、以及晶振单元均分别与 profibus
‑
dp接口芯片单元连接，所述db9接口单元一与profibus
‑
dp 物理层隔离芯片单元连接；具体的，profibus
‑
dp接口芯片单元采用profibus
‑
dp接口芯片spc3lv，profibus
‑
dp物理层隔离芯片单元采用profibus
‑
dp物理层隔离芯片ltm2881it
‑
3#pb，晶振单元采用48m 晶振；所述profibus
‑
dp接口芯片通过并行总线与arm处理器连接； profibus
‑
dp物理层隔离芯片通过tx/rx与profibus
‑
dp接口芯片连接，48晶振通过clkin与profibus
‑
dp接口芯片连接；
35.所述can协议通信模块包括can总线协议隔离芯片单元、以及 db9接口单元二，所述can总线协议隔离芯片单元与处理器单元连接，所述db9接口单元二与can总线协议隔离芯片单元连接；具体的，can 总线协议隔离芯片单元采用can总线隔离芯片ltm2889iy
‑
5#pbf，所述can总线协议隔离芯片通过tx/rx与arm处理器连接。
36.所述供电单元包括通信隔离总电源，该通信隔离总电源通过线性电源tl5209为处理器单元、can总线协议隔离芯片单元、profibus
‑
dp 物理层隔离芯片单元、以及profibus
‑
dp接口芯片单元供电。
37.所述外部接口单元包括拨码开关、flash芯片、以及网口接口，所述拨码开关、以及flash芯片均分别与处理器单元连接，所述网口接口通过phy芯片与处理器单元连接；具体的，flash芯片采用 w25q128jw，phy芯片采用lan8720a，网口接口采用rj45，拨码开关通过i/o与arm处理器连接，flash芯片通过spi与arm处理器连接。
38.所述db9接口单元一、以及db9接口单元二均设有emc等级防护电路；所述emc等级防护电路包括雷电防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、esd防护子电路、以及过流防护子电路；所述的雷电防护子电路、esd防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、过流防护子电路均分别与profibus接口或can接口电气并联连接。
39.所述雷电防护子电路包括气体放电管da和db，所述气体放电管da的一端与profibus接口的a端口或can接口的canh端口连接，另一端接大地保护；所述气体放电管db的一端与profibus接口的b 端口或can接口的canl端口连接，另一端接大地保护。
40.所述esd防护子电路包括快恢复式tvs阵列，tvs的一端分别与 profibus接口的a端口或b端口连接，另一端接大地保护；具体的， tvs可以采用smda15c。
41.实施例：
42.用于风电设备的兼有profibus与can的装置，其中板内包含有 arm处理器作为主控芯片，相关的晶振模块，主控制器接口相连的 profibus
‑
dp协议接口芯片，profibus
‑
dp物理层隔离芯片及can总线协议及物理层隔离模块，其中arm处理器与profibus
‑
dp协议芯片双向通信(主线上包含发送和接收机制)，profibus
‑
dp隔离芯片与 profibus
‑
dp协议芯片双向通信连接，can总线协议及物理层隔离模块也与arm处理器双向通信(主线上包含发送和接收机制)， profibus
‑
dp物理层隔离芯片与外部db9接口双向通信，can总线协议及物理层隔离模块也与外部db9接口双向通信，最终构成 profibus
‑
dp接口与can接口与外界进行信息交互。
43.本装置还包括用于芯片本身供电的供电单元，供电单元包括通信隔离总电源，可实现外部输入电源与本装置通信电源之间的隔离，隔离等级1500v左右。
44.所述的arm处理器还连接有拨码开关、调试jtag接口、存参数用的外扩的flash芯片及可调试用的ethernet网口协议phy芯片。
45.在一个可选的实施例中，所述通信隔离总电源部分电路有电源保护部分，包括有过流过压保护器件、反接保护器件电路，本领域技术人员可以根据需要自行选择。
46.profibus
‑
dp协议及can协议的物理层接口处有emc等级防护电路，如附图6和附图7所述，其特征包含有雷电防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、esd防护子电路、过流防护子电路，所述的雷电防护子电路、esd防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、过流防护子电路分别与profibus接口a与b端、can接口的canh与canl端电气并联连接。
47.如附图6所示，雷电防护子电路包括气体放电管d3与d4，所述的气体放电管的一端分别与profibus接口的a与b端口连接，另一端接大地保护。
48.如附图6所示，esd防护子电路包括快恢复式tvs阵列d2，tvs 的一端分别与profibus接口芯片ltm2881iy
‑
3#pbf的l6
‑
pin脚为a 与l5
‑
pin脚为b端口连接，另一端接大
地保护。
49.如附图6所示，快速脉冲过压防护子电路包括快恢复式tvs阵列 d2，tvs的一端分别与profibus接口芯片ltm2881iy
‑
3#pbf的l6
‑
pin 脚为a与l5
‑
pin脚为b端口连接，另一端接大地保护。
50.本装置通过加入d2
‑‑
tvs阵列，对信号连接有保护地进行防护，并且由于profibus与can为差模信号，有过压信号(无论是esd产生的高脉冲，或电快速脉冲过压信号)出现可通过tvs阵列吸收到保护地上，增强了系统的稳定性。
51.所述的过流防护子电路包含r16与r23，r16与r23的两端分别连接到profibus接口芯片ltm2881iy
‑
3#pbf的l6
‑
pin脚a端与 l5
‑
pin脚b端，另一端连接到profibus接口的a/b端口，一旦有过流信号产生通过电阻进行能量衰减，防止端口损坏。
52.附图7为can接口的emc防护，与profibus接口近似，其中canh 与canl分别电气连接到can协议芯片ltm2889iy
‑
5#pbf的l3脚与 l1脚，其特征同样包含有雷电防护子电路、快速脉冲过压防护子电路、esd防护子电路、过流防护子电路，与profibus防护电路功能一致。
53.如附图1所示，用于风电设备的兼有profibus与can的装置，其中板内包含有arm处理器stm32f407zgt6作为主控芯片，相关的48m晶振模块，主控制器接口相连的profibus
‑
dp协议接口芯片 spc3lv，profibus
‑
dp物理层隔离芯片ltm2881iy
‑
3#pbf及can总线协议及物理层隔离芯片ltm2889iy
‑
5#pbf，其中arm处理器 stm32f407zgt6与profibus
‑
dp协议芯片spc3lv双向通信(主线上包含发送和接收机制)，profibus
‑
dp隔离芯片ltm2881iy
‑
3#pbf与 profibus
‑
dp协议芯片spc3lv双向通信连接，can总线协议及物理层隔离芯片ltm2889iy
‑
5#pbf也与arm处理器stm32f407zgt6双向通信 (主线上包含发送和接收机制)，profibus
‑
dp物理层隔离芯片 ltm2881iy
‑
3#pbf与外部db9接口双向通信，can总线协议及物理层隔离芯片ltm2889iy
‑
5#pbf也与外部db9接口双向通信，最终完成 profibus
‑
dp接口与can接口与外界进行信息交互。
54.本方案中，包含有用于本装置的高压隔离供电单元，所述供电单元包括profibus
‑
dp通信模块及can通信模块的总电源，由主控芯片线性电源芯片tl5209dr产生。其中，所述通信模块总电源与 profibus
‑
dp通信模块的物理层及can通信模块的物理层的电源芯片电性连接，所述通信模块总电源与arm处理器stm32f407zgt6及外扩的flash芯片、ethernet网口协议phy芯片电性连接。
55.profibus
‑
dp通信模块及can通信模块的总电源为是5v，其中 profibus
‑
dp通信模块内部经过芯片线性电源变为3.3v，来给 profibus
‑
dp通信模块单独应用，can通信模块则只应用5v即可，而 profibus
‑
dp通信模块和can通信模块均只需5v电源即可，隔离后端的电源由协议芯片自身产生。
56.在一个可选的实施例中，所述用于本装置的总电源部分电路有电源保护部分，包括有过流过压保护器件、反接保护器件电路，另外 profibus
‑
dp协议及can协议的物理层接口有emc等级防护电路，本领域技术人员可以根据需要设置，用来自适应不同领域下的通信设备。
57.所述的arm处理器stm32f407zgt6还连接有拨码开关、调试jtag 接口、profibus
‑
dp协议芯片spclv3、外扩的flash芯片w25q128jwsiq 及可调试用的ethernet网口协议phy芯片lan8720a。
58.本方案中，arm处理器为32位处理器，该处理器采用stm32f407zgt6作为主要控制芯片，can总线协议及物理层隔离芯片为ltm2889iy
‑
5#pbf，profibus
‑
dp协议接口芯片为spc3lv， profibus
‑
dp物理层隔离芯片为ltm2881iy
‑
3#pbf，stm32f407zgt6 与profibus
‑
dp协议接口芯片通过10位地址总线和8位数据总线实现双向通信,profibus
‑
dp物理层隔离芯片从外部的db9接口接收到工业plc的报文数据后，采用中断的方式通知主控芯片 stm32f407zgt6处理，stm32f407zgt6将报文数据处理后发送到can 协议芯片ltm2889iy
‑
5#pbf；当stm32f407zgt6接收到can协议芯片 ltm2889iy
‑
5#pbf的数据后，经过程序内部的canopen协议栈处理后转发到profibus
‑
dp协议芯片spc3lv中，从而实现canopen协议和 profibus
‑
dp协议之间的数据交换。
59.本方案中，还留有ethernet网口协议phy芯片可进行软件在线实时调试，phy芯片采用lan8720ai，该芯片留有独立于介质的接口 rmii，用于stm32f407zgt6的mac层与外接的phy芯片lan8720ai通信互联，速率能达到100mbit/s。
60.优选的，profibus
‑
dp协议通信模块、can协议通信模块、以及主控模块可以形成单独的三块板件，本装置内部总体包含三块板件实现，profibus
‑
dp通信模块为一块板件，can通信模块为一块板件，包含主控芯片stm32f407zgt6的为一块板件，均在附图中标出其内部功能，三块板件相对独立，易于拆装维护升级。
61.本发明创造的有益效果如下：
62.1、实现了canopen设备与profibus
‑
dp设备之间进行通信互联，不同协议模块之间可在一种装置上进行数据交换，大大降低了风电变流柜台整体的成本；
63.2、profibus
‑
dp协议部分及canopen协议部分通信隔离电源，由相应的profibus
‑
dp隔离芯片ltm2881iy
‑
3#pb f及canopen协议隔离芯片ltm2889iy
‑
5#pbf产生，并不需要在板上产生多路隔离电源，只需要有模块电源为5v为物理层隔离驱动的另一端供电即可，即保证了总线通信工作的独立性，又在设计上减少了多路电源有可能带来的相互串扰的风险；
64.3、canopen协议芯片ltm2889iy
‑
5#pbf内部带高压隔离功能，相当于一个芯片即实现了canopen电平转换的功能，又可实现了高压隔离，电源无需供两路，只需隔离前端给5v供电即可，这样优化了硬件的电路设计，节约了成本，并保证了通信功能的隔离特性。
65.4、装置设置有ethernet网口，可以简单快捷并独立进行参数及程序模块配置；
66.5、arm处理器stm32f407zgt6和profibus
‑
dp协议芯片spc3lv 之间通过10位地址总线和8位数据总线实现通信双向交换，数据快速稳定，可靠性高。
67.6、由过流、过压、反接保护组成的电源保护部分，可以为装置整体供电提供可靠保障，使设备在操作异常情况下不会快速损坏；
68.7、profibus
‑
dp协议及can协议的物理层接口处配置有tvs，气体放电管等高emc等级防护电路，适合风电工业领域这种存在高强输入电磁波干扰的情况，profibus部分接口电路emc电路如附图6，can接口部分emc电路如附图7，极大的提高了通信系统的稳定性，避免了因雷击、过流过压造成的系统损坏；按照如附图的emc端口设计，雷电防护、esd防护、快速脉冲过压防护、过流防护均可做到三级，满足工业级要求甚至更高；
69.8、本装置内部将profibus
‑
dp协议功能部分和can总线协议功能部分做成模块式连接，易于拆装、维护及更新，适合风电领域应用。
70.以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。