基于KS28873的雙網口協議轉換模塊設計

摘要：本文基于Micrel公司推出的3端口10/100M交換芯片K528873，充分利用其價格低廉、配置方便、應用多樣等特點，結合PIC32系列單片機，提出并設計出一種RS485/RS232接口轉雙網口的模塊，并且軟件實現了將Modbus-RTU協議與Modbus-TCP、IEC104協議的轉換。該模塊成功應用于光伏并網逆變器中，雙網口設計在組網時采用菊花鏈方式，可節省了布線成本50%以上，同時還具有性能穩定、獨立性強、維護方便等優點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281884.htm

關鍵詞：KS28873；單片機；雙網口；RS485；RS232；協議轉換

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.008

基金項目：國家高新技術研究發展863計劃（2011AA05A305）

魯錦鋒（1983-），男，碩士，中級工程師，研究方向：網絡通信。

引言

隨著工業4.0時代的到來，工業設備的智能化和網絡化成為發展趨勢，而大量已有設備多采用低速和非智能的RS485總線，人們對工業網絡的信息獲取要求越來越高，要實現統一、高效和安全的設備管理，就對總線速度提出來高需求，設備IP化和網絡化也是必然趨勢。

針對新建設備網絡和舊設備網絡化改造兩方面問題，本文提出的雙網口轉換模塊，既可對新設備進行網絡化設計，又能對舊設備進行網絡化改造。具有低成本、高可靠等優點。

1.硬件設計

1.1模塊原理

如圖1所示，模塊包含兩個子模塊，交換子模塊和轉換子模塊。

交換子模塊的主要器件為KS28873^[1]，包含了兩個對外的RJ45接口（標準網口）和一個對內的RMII接口，其中對外RJ45網口由KS28873的兩組標準差分總線經網絡變壓器轉換生成，RMII接口由KS28873的標準RMII總線^[2]轉換而來。交換子模塊有兩個主要功能，一是實現兩個對外網口間的數據交換，該過程完全由KS28873芯片自動完成，不需要軟件參與；二是完成兩個對外網口與對內RMH接口間的數據交換，該過程需要與轉換子模塊配合進行。

轉換子模塊主要器件有PIC32MX695F512H^[4]、MAX485和MAX232芯片，對內的RMII接口由PIC32MX695F512H的RMII接口生成，與交換子模塊進行數據通信，對外的RS485和RS232接口由PIC32MX695F512H的兩路獨立UART接口經MAX48560MAX232芯片轉換而來，可以與另一個系統進行數據交互。

1.2雙網口電路

KS28873RLLI的電源包括數字電源+3.3V和+1.8V，以及模擬電源+3.3A和+1.8A。使用外部25MHZ有源晶振。復位信號由PIC32單片機控制。芯片工作溫度范圍-40℃～85℃。

KS28873的配置方式有軟件和硬件兩種。軟件配置使用SPI或I²C總線進行，通過對KS28873內部寄存器進行讀寫操作，完成工作模式配置。硬件配置采用芯片上電時讀取器件管腳電平來完成，在電路設計時需要根據工作模式預先對管腳進行上下拉操作。

表1給出了網口1、網口2和RMII總線在KS28873芯片的管腳分布。網口1和網口2為對外網口。RMII接口與PIC32單片機的RMII接口連接。

1.3單片機以及外圍電路

單片機PIC32MX695F512H主要使用資源包括UART1、UART2和RMH接口。其中UART1和UART2分別經過MAX232和MAX485芯片轉換成RS232和RS485接口。RMII接口與KS28873的RMII接口連接。該部分電路成熟度高，在此不作贅述。

2.軟件設計

2.1軟件架構

軟件按照分層思路設計，有驅動層、適配層和應用層。如圖2所示。

驅動層主要完成與硬件相關的寄存器配置，從硬件寄存器接收數據，傳入適配層，或從適配層接收數據，傳給硬件寄存器。

適配層隔離了應用層和驅動層的耦合，實現Modbus-RTU協議、Modbus-TCP^[3]和IEC104協議的解析，根據不同協議從應用層獲取相關數據，進行格式組幀后，傳入驅動層發送，或者從驅動層獲取數據幀，按照不同協議解析出有效數據，傳入應用層。

應用層主要完成數據存儲和映射功能，把來自于不同協議的數據進行綜合，按照一定格式進行存儲，并實時刷新。

2.2軟件流程

軟件流程如圖3所示。進入主函數后依次進行MCU、驅動層、適配層和應用層的初始化工作，再進入主循環，主循環共包括3個子任務，RS232子任務、RS485子任務和網口子任務。每個子任務主要完成從驅動層接收并解析數據幀，傳入應用層；或者從應用層獲取實時數據，按照協議進行組幀后，傳入驅動層發送。

為了提高軟件執行效率和可靠性，采用時分方式進行子任務調度，調度時間間隔為10ms。系統使用1ms的時鐘節拍工作，進入主循環前時間計數器t清零，第10ms調用RS232子任務，第20ms調用RS485子任務，第30ms調用網口子任務，并清零時間計數器t。

3.組網模式

菊花鏈式的組網模式可以替代原有RS485總線。再增加一條網線，可以實現環網，起到冗余作用，提高網絡的可靠性^[5]。如圖4所示。虛線表示增加的網線。

4.結束語

本文介紹了一種基于KS28873芯片的雙網口協議轉換模塊，能夠實現RS485/RS232總線與網口的物理層轉換，再通過軟件實現不同總線上不同協議的轉換。使用該模塊既可以替代現有RS485總線，也可以在新建系統時實現設備網絡化工作，并且能夠快速實現環網，使得網絡更加可靠，低成本和靈活配置也是其主要特點。

參考文獻：

[1]KS28873 Datesheet [M].MicreI，INC，2009

[2]RMII Specification [M].NationaI，INC，1998

[3]Modicon Modbus Protocol [M]，ABB，INC，2002

[4]PIC32M5XX/6XX/7XX Datesheet[M].Microchip Technology INC，2009

[5]王浩，彭川虎，王平，等用于數字化變電站的嵌入式環網模塊設計[J].電測與儀表，2012，49（12）：86-91