2023年11月30日发(作者：)

Profibus-DP总线监控系统的WiFi无线网关设计

赵立琼;陈辉煌;周奇峰

【摘 要】WiFi技术为Profibus-DP总线技术提供了无线接入,实现了Profibus-

DP总线的无线监控功能.在分析两种技术协议的基础上,设计了WiFi无线网关,将

Profibus-DP总线与WiFi无线网络互连.在硬件上以Exynos4412处理器为核心,

设计了RS485、RS232、USB接口及电源转换等电路.在软件上设计了系统登录模

块和系统网络配置.实际应用表明,该系统运行稳定,接入可靠,数据传输正常.

【期刊名称】《辽宁大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2018(045)003

【总页数】6页(P232-237)

【关键词】Profibus-DP总线技术;WiFi网络;监控系统;无线网关

【作 者】赵立琼;陈辉煌;周奇峰

【作者单位】湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254;湄洲湾职业技术学院,福建莆

田351254;湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254

【正文语种】中 文

【中图分类】TU855;TP273

0 引言

Profibus-DP总线技术作为一种开放式的国际化总线标准，以其技术的成熟性和

开放性在工业、楼宇、交通等领域的自动化中得到了广泛应用.可实现现场设备的

分散式数字控制，可根据不同的应用对象灵活选取不同规格的总线系统进行远距离

高速度传输.

随着近年来无线WiFi的兴起和应用，无线连接已深入到生产生活的各个方面.无线

WiFi不仅覆盖面广，而且还无需布线，传输速度快，健康安全，广为人们使用[1].

同时也为工业生产和制造，信号的采集和监控提供了很大的便利.

将WiFi技术应用于Profibus-DP总线中，能让技术人员摆脱固定工作站的束缚.

以手机或平板电脑等无线终端通过WiFi网关与Profibus-DP总线相连，对总线数

据进行采集，对执行设备实现监控.给Profibus-DP总线技术带来了更大的生命力，

在提高工业控制灵活度的同时，也让其更能适应新的技术发展.

1 网络协议转换分析

1.1 Profibus-DP协议

根据OSI七层网络模型，Profibus-DP总线只应用了物理层、数据链路层和用户

接口层这三层.物理层定义了Profibus-DP的RS485传输标准，使用的传输介质为

双绞线或光纤，为数据链路层提供了物理连接.数据链路层则为与Profibus-DP兼

容的总线介质提供访问控制MAC以及现场总线链路控制.用户接口层实现了总线

和用户间的最终交互，让用户通过可视界面和可调用的应用功能达到监控总线设备

的目的.

1.2 WiFi协议

WiFi技术是一种无线网络传输技术.它以IEEE802.11标准为基础，以无线射频技

术来构成局域网络.其中物理层包括PLCP(物理会聚协议)和PMD(物理介质关联层

接口)，PLCP用于比特位的无线传输，PMD利用天线传送数据到媒介，指示

MAC是否检测到信号[2].二者的协议模型如图1所示.

1.3 Profibus-DP协议与WiFi协议的转换原理

由于Profibus-DP总线与WiFi无线网络各执行着不同的协议原理，因此要实现二

者通信，则需要对两种协议进行相互转换[3].在整个数据发送过程中，主要是根据

不同的协议要求将数据进行封装与解封装.以WiFi数据向Profibus-DP总线传输

为例.首先WiFi设备发送出的数据按Wiif协议进行逐层封装，封装后的数据进入

到负责协议转换的WiFi网关中.网关将接收到的数据逐层解封，然后再将解封得到

的数据按Profibus-DP协议进行封装，封装后的数据就以比特流的形式传输到

Profibus-DP总线中，通过再次解封即能被Profibus-DP总线设备识别，具体过

程如图2所示.当Profibus-DP总线网络发送数据到WiFi设备时，则过程相反.

图1 Profibus-DP协议、WiFi协议对照OSI模型

图2 Profibus-DP协议与WiFi协议的转换过程

WiFi网关是执行这一转换的关键，通过它将一方的协议数据向另一方协议数据进

行转换，以实现两种异构网络的互通.

2 无线WiFi网关的硬件设计

2.1 总体设计

Profibus-DP总线系统主要由主站和从站构成，WiFi网关的作用是允许管理人员

以无线终端连入Profibus-DP总线，进行数据的监测和设备的控制.虽然从原理上

可以摆脱有线工作站，但为了提高系统的可靠性，因此在保留有线工作站的基础上

增加WiFi网关模块，以提高Profibus-DP总线操控的便捷度，系统总构成如图3

所示.

图3 系统总构成图

2.2 WiFi网关核心模块

本WiFi网关核心处理器选用三星公司开发的Exynos4412，最高核心频率为1.4

GHz，采用Cortex-A9架构，相比其它同类处理器具有更高的性能和更低的功耗

[4].拥有丰富的硬件外设接口，在此使用其常用通用引脚，进行RS485、RS232、

USB与网络接口、电源等电路的转换与设计，其使用引脚图如图4所示.

图4 Exynos4412处理器

2.3 RS485接口模块

要实现网关与Profibus-DP总线的连接，必须通过RS485接口.在此以AT485转

换芯片来实现Exynos4412处理器的RS485接口转换，如图5所示.AT485的1

脚和4脚分别接串口XuRXD3、XuTXD3，2脚和3脚连接处理器的XEINT端，

以控制AT485的工作状态，最后6脚和7脚连接485接口插座.

图5 RS485接口转换

2.4 RS232接口模块

在此通过ICL232芯片来实现RS232串口的转换.其中11脚与12脚连接处理器的

XuTXD0和XuRXD0，并将13、14脚的RsRXD0与RsTXD0与RS232接口相

连.具体如图6所示.

图6 RS232接口转换

2.5 USB接口与网络接口模块

当处理器与设备进行数据交互通信时需借助USB接口.因此，以USB4640芯片来

进行处理器的USB接口转换. 具体连接电路如图7、图8所示. USB4640芯片的上

行输入引脚与Exynos4412处理器的XuhostData1和XuhostStore1引脚相连，

下行分别从USBDN_DP2、USBDN_DM2与USBDN_DP3、USBDN_DM3输出

两路USB接口信号，一路直接与USB接口连接，另一路接入芯片DM9621的

DP和DM引脚.经由DM9621转换之后，将信号由4、5、8、9脚输出到RJ45

接口，为系统预留出有线网络接口.

图7 USB接口转换电路

图8 网络接口转换电路

2.6 电源模块

由于系统需要3.3、5、1.8、5.2 V多种电源，因此需要对输入的9～12 V直流电

源进行转换.MXT2596是DC/DC开关稳压电源调节器，电源电压范围为4.5～40

V，电压调整率小.不仅可直接输出3.3、5、12 V三个固定电压外，还可通过元件

调节输出其它所需电压[5].其外围元件少，应用简单，转换效率高.还具有过热保护

和限流保护电路，适合作为本系统的电源转换芯片.其电源转换电路如图9所示：

当输出电压为3.3、5 V时，电路中的R5、R6、C7不连接，通过电感和电容值来

调节输出电压[6].当输出为5 V时，电感值为33 μH，电容值为330 μF.当输出为

可调电压时，根据确定的输出电压值通过公式(1)来计算得到R6的阻值.

(1)

当输出电压为1.8 V时，R6阻值为460 Ω，当输出电压为5.2 V时，R6阻值为

3.23 kΩ.同时R6应当尽量靠近反馈脚.当输出电压大于10 V时，C7作为反馈电

容对电路进行补偿，以使输出更加稳定.由于本系统中输出电压小于10 V，因此不

需要连接C7.

3 系统软件设计

系统软件设计包括系统登录软件模块和系统的网络配置.

3.1 系统登录软件模块

通过手机或平板终端在启动浏览界面后，进入注册或是直接登录到Profibus总线

控制界面.当为普通用户身份时，权限较低，只能查询设备运行情况.当为管理员时，

则可同时查询和控制设备运行.其相关操作都将被记录到系统日志当中.登录软件流

程如图9所示.

图9 电源转换电路

图10 系统登录软件模块设计

3.2 系统的网络配置

系统的网络配置即对WiFi网络进行初始化，以完成网络的连接.在Linux操作系统

上调用wpa_supplicant工具中的wpa_supplicant和wpa_cli两个程序.其中

wpa_supplicant相当于Server端，wpa_cli相当于Client端，Server端用于后

台运行，Client端用于搜索、设置和连接网络[7-10].先添加

wpa_配置文件，然后执行“/bin/wpa_supplicant-B-wlan0-

C/etc/wpa-”命令将完成WiFi网络的配置.

4 实验应用

将设计好的WiFi网关通过RS485接口与Profibus总线相连，并将平板电脑与之

建立连接.在平板上输入网关IP，登录到WiFi控制界面，即出现注册/登录界面.当

登录信息无误时则进入相应界面进行操作.实验结果表明WiFi网关运行良好，信号

连接稳定，数据传输无误，能实现Profibus总线与无线终端之间的通信.

图11 Profibus无线监控系统登录界面和管理员界面

5 结论

本文设计的WiFi网关用于将Profibus-DP总线与WiFi无线网络相结合，实现了

异构网络的互连.分别从硬件和软件两方面进行设计，并对设计产品进行了实验应

用.结果显示系统运行稳定可靠，数据传输正常.大大提高了Profibus-DP总线监控

系统的工作效率和便捷度，具有良好的发展前景.

【相关文献】

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