基于KSZ8873的雙網(wǎng)口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

摘要：本文基于Micrel公司推出的3端口10/100M交換芯片KSZ8873，充分利用其價(jià)格低廉、配置方便、應(yīng)用多樣等特點(diǎn)，結(jié)合PIC32系列單片機(jī)，提出并設(shè)計(jì)出一種RS485/RS232接口轉(zhuǎn)雙網(wǎng)口的模塊，并且軟件實(shí)現(xiàn)了將Modbus-RTU協(xié)議與Modbus-TCP、IEC104協(xié)議的轉(zhuǎn)換。該模塊成功應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器中，雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)在組網(wǎng)時(shí)采用菊花鏈方式，可節(jié)省了布線(xiàn)成本50%以上，同時(shí)還具有性能穩(wěn)定、獨(dú)立性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

引言

　　隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)設(shè)備的智能化和網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展趨勢(shì)，而大量已有設(shè)備多采用低速和非智能的RS485總線(xiàn)，人們對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的信息獲取要求越來(lái)越高，要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、高效和安全的設(shè)備管理，就對(duì)總線(xiàn)速度提出來(lái)高需求，設(shè)備IP化和網(wǎng)絡(luò)化也是必然趨勢(shì)。

　　針對(duì)新建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和舊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造兩方面問(wèn)題，本文提出的雙網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊，既可對(duì)新設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，又能對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造。具有低成本、高可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 模塊原理

　　如圖1所示，模塊包含兩個(gè)子模塊，交換子模塊和轉(zhuǎn)換子模塊。

　　交換子模塊的主要器件為KSZ8873^[1]，包含了兩個(gè)對(duì)外的RJ45接口(標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口)和一個(gè)對(duì)內(nèi)的RMII接口，其中對(duì)外RJ45網(wǎng)口由KSZ8873的兩組標(biāo)準(zhǔn)差分總線(xiàn)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器轉(zhuǎn)換生成，RMII接口由KSZ8873的標(biāo)準(zhǔn)RMII總線(xiàn)[2]轉(zhuǎn)換而來(lái)。交換子模塊有兩個(gè)主要功能，一是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)對(duì)外網(wǎng)口間的數(shù)據(jù)交換，該過(guò)程完全由KSZ8873芯片自動(dòng)完成，不需要軟件參與;二是完成兩個(gè)對(duì)外網(wǎng)口與對(duì)內(nèi)RMII接口間的數(shù)據(jù)交換，該過(guò)程需要與轉(zhuǎn)換子模塊配合進(jìn)行。

　　轉(zhuǎn)換子模塊主要器件有PIC32MX695F512H^[4]、MAX485和MAX232芯片，對(duì)內(nèi)的RMII接口由PIC32MX695F512H的RMII接口生成，與交換子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)外的RS485和RS232接口由PIC32MX695F512H的兩路獨(dú)立UART接口經(jīng)MAX485和MAX232芯片轉(zhuǎn)換而來(lái)，可以與另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.2 雙網(wǎng)口電路

　　KSZ8873RLLI的電源包括數(shù)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(fù)位信號(hào)由PIC32單片機(jī)控制。芯片工作溫度范圍-40℃~85℃。

　　KSZ8873的配置方式有軟件和硬件兩種。軟件配置使用SPI或I2C總線(xiàn)進(jìn)行，通過(guò)對(duì)KSZ8873內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成工作模式配置。硬件配置采用芯片上電時(shí)讀取器件管腳電平來(lái)完成，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)工作模式預(yù)先對(duì)管腳進(jìn)行上下拉操作。

　　表1給出了網(wǎng)口1、網(wǎng)口2和RMII總線(xiàn)在KSZ8873芯片的管腳分布。網(wǎng)口1和網(wǎng)口2為對(duì)外網(wǎng)口。RMII接口與PIC32單片機(jī)的RMII接口連接。

1.3 單片機(jī)以及外圍電路

　　單片機(jī)PIC32MX695F512H主要使用資源包括UART1、UART2和RMII接口。其中UART1和UART2分別經(jīng)過(guò)MAX232和MAX485芯片轉(zhuǎn)換成RS232和RS485接口。RMII接口與KSZ8873的RMII接口連接。該部分電路成熟度高，在此不作贅述。