背景

工業通訊協議多種多樣，如何解決數據交互難題？

現場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末國際上開始發展形成的一種工業數據總線，是連接現場設備和控制系統之間的一種開放式的、全數字化的、雙向傳輸的、多分支結構的通信網絡。而工業以太網是以太網在工業控制領域的延伸。工業以太網技術的發展，是由于高速以太網技術、交換式以太網技術以及全雙工通信模式技術的發展及其相互結合和應用，提高了以太網通信的可靠性和實時性，在技術上與IEEE 802.3標準兼容。

目前市場上現場總線和工業以太網還沒有形成真正統一的標準，CAN、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、PROFINET、EtherCAT等多種標準并行存在，廣泛應用于過程自動化、醫藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域。如今，隨著工業4.0的演變和推進，數據交互是其中重要組成部分，現場設備集成各種工業通訊協議變得尤為不可或缺。

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簡單易用的通信模塊

虹科HK-OEM通信模塊工作原理

虹科HK-OEM通訊模塊是一款適用于工業以太網和現場總線協議的嵌入式IC模塊，能夠使用戶的設備快速、方便地連接到工業網絡中，而不需要進行大量的開發工作。這將極大地節省研發成本，尤其體現在引進新產品的開發時間成本上，可以使產品快速上市。

該模塊上具備運行協議棧與數據處理所需的組件，包括專用協議芯片、微控制器、內存以及散熱器等，因此不會給需要集成工業網口接口的現場設備帶來額外負擔。

虹科HK-OEM系列通訊模塊預留了三組插針，便于連接到設備控制器與擴展外圍硬件接口，包括USAST接口、SPI接口、供電電源、模塊復位、工業以太網接口或現場總線接口。該模塊作為設備與現場總線之間的“橋梁”，為用戶通過USART和SPI接口與設備控制器交換實時網絡數據提供了基礎性支持，報文格式參照MODBUS協議。此外，該模塊還具備32個引腳的數字量I/O信號，可以直接滿足32個點的數字量I/O設計，這32個I/O引腳可以任意設置成DI或DO。由于采用了通用的針腳分配，該系列的工業以太網和現場總線通訊模塊都可以簡單快速地被替換，為檢修提供了便捷的同時，還能最大程度縮短更換升級的時間。

虹科HK-OEM的關鍵特性

○支持PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通信協議；

○ 具備32個引腳的數字量I/O信號，可以直接滿足32個點任意DI或DO的IO設計；

○ 對用戶開放了2種串行接口，包括USART接口和SPI接口，報文內容參照標準MODBUS協議；

○通用的針腳分配，可互換的接口，支持主流工業網絡通訊協議；

○允許用戶自定義廠商名稱、廠商標識、產品型號等產品信息；

虹科HK-OEM通訊模塊由于其緊湊的尺寸設計，可以嵌入到小型設備或通信接口空間小的設備當中，用以開發各類儀器儀表、傳感器、遠程I/O、網關等設備，尤其適用于工業物聯網、儀表傳感器行業、數據采集、自動化等領域。

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典型應用案例

讓MFC輕松集成工業以太網

采用HK-OEM通訊模塊作為MFC與西門子PLC之間通訊的“中間件”，即可集成PROFINET通訊接口。

質量流量控制器（Mass Flow Controller縮寫為MFC）用于對于氣體或者液體的質量流量進行精密測量和控制。它由一個入口，一個出口，一個質量流量傳感器和一個比例控制閥組成，質量流量傳感器采集的數據與控制器輸入信號進行比較，并相應地調節比例閥以達到所需流量。

MFC常用于制藥、生物技術、石油、天然氣、化學和工業氣體行業以及食品和飲料等行業。然而，傳統質量流量控制器往往面臨以下問題：

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無法兼容現場PLC控制器

如今，在各行各業的現場應用中也開始逐步引入了通訊速率更高、實時性更好的如PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通訊方式的PLC控制器，而質量流量控制器本身應用領域比較廣，需要現場控制器給其發送控制參數或者采集現場數據，因此傳統的質量流量控制器可能無法與現場PLC相兼容。

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集成工業通訊協議難度大

PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通訊協議本身在開發難度上比較大，開發周期也很長，MFC制造商需要對相應的通訊協議研究比較深入才能獨立實現相應的協議代碼，顯然，這并不是一種很好的解決方案。

虹科HK-OEM嵌入式通訊模塊是解決以上難題的理想方案。以質量流量控制器集成PROFINET通訊為例，可以采用HK-OEM通訊模塊作為MFC與西門子PLC之間通訊的“中間件”，用戶只需要采用支持PROFINET協議的HK-OEM通訊模塊，并根據該模塊預留的外圍硬件電路接口，實現原有MFC與該通訊之間的USART通訊或SPI通訊即可集成PROFINET通訊接口，從而無需用戶去熟悉與PROFINET協議相關的內容。現場應用中，熟悉PROFINET網絡組態的工程師，可直接利用虹科HK-OEM通訊模塊配套的GSD文件導入到配置軟件中進行配置，便可建立與MFC設備之間的PROFINET通訊。

虹科HK-OEM通訊模塊數據區定義

根據功能的不同，HK-OEM模塊用到的數據區劃分為5個區域，分別是：通訊信息區、下發數據區、下發參數區、設備信息區、上傳數據區。HK-OEM模塊在狀態機“S1 握手”階段讀取設備信息區的數據，由于PROFINET模塊目前未使用此區域的內容，所以用戶僅需要正確回復報文即可。

下發數據：4xxxx區 - 10H功能碼：

上傳數據：3xxxx區 - 04H功能碼：

無論使用USART還是SPI，HK-OEM模塊都作為主站運行，遵循下面的狀態機，完成HK-OEM模塊與外部MCU之間的握手后，開始進行數據交互：

示例程序

本示例以USART實現數據交互為例。

USART接口規定如下：

USART接口波特率支持：9.6Kbps、19.2Kbps、38.4Kbps、57.6Kbps、115.2Kbps、230.4Kbps、460.8Kbps；

HK-OEM模塊上電后，在S1握手階段，通過握手報文，OEM模塊可以自動適應用戶的波特率。用戶使用的波特率需要在以上7種波特率之中；

USART接口數據幀格式：8 個數據位、偶校驗、1 個停止位；

USART使用標準MODBUS協議；

HK-OEM模塊做為USART通訊主站，用戶做為USART通訊從站；

用戶串口的處理機制：用戶作為標準的MODBUS從站，只需要在收到HK-OEM模塊的報文命令后，按照相應命令回復報文即可。

通訊報文約定如下：

A.下發數據

板卡發送：

用戶應答：

B.上傳數據

板卡發送：

用戶應答：

程序代碼如下：

USART配置

USART接收數據處理

USART發送數據處理

USART中斷

MFC與西門子S7-1200 PLC通訊連接

現場應用中，PROFINET網絡中通常由PROFINET的主站和從站構成，PROFINET主站實現對網絡中各從站設備的控制和數據采集，西門子 S7-1200 PLC是常用的PROFINET主站之一。本應用案例中，以集成了PROFINET通訊接口的質量流量控制器作為從站，要實現與西門子 S7-1200 PLC主站的通訊，不僅需要通過網線將MFC設備接入PROFINET網絡，同時也需要在主站配置軟件TIA Portal中進行適當的網絡組態并下載配置給PLC才能正確建立兩者之間通訊。

組態配置如下：

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運行博途TIA Portal軟件，新建項目工程后在項目視圖中進行PROFINET網絡組態。在菜單欄“選項”下拉菜單中選擇“管理通用站描述文件（GSD）”，安裝HK-OEM通訊模塊的GSD文件，在彈出的對話框中選擇GSD文件的路徑，選中文件并點擊安裝。

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在配置界面右側“硬件目錄”導航區中找到HK-OEM通訊模塊，將對應的模塊標簽拖入PLC PN/IE_1網絡中，然后點擊“未分配”，在彈出的提示框中點擊“PLC_1.PROFINET interface_1”,將HK-OEM模塊分配到Profinet網絡中。

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在“設備視圖”中，首先選擇HK-OEM通訊模塊，配置其輸入輸出數據量，并在右側“硬件目錄”導航區中，將所需IO拖入到HONGKE Interface節點下，本例拖入16個字節的輸入模塊16個字節的輸出模塊。然后分別選中PLC和HK-OEM通訊模塊的以太網口，分配對應的IP地址和子網掩碼。

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以上關于PLC與HK-OEM模塊的配置基本完成，便可以選擇編譯和下載配置至PLC中，PLC會通過組態的參數識別PROFINET網絡中設備并建立通訊。下載完成并提示無誤后，轉到在線模式，便可查看各設備狀態，同時添加新監控表，查看數據變化。

總結/Conclusion

通過虹科HK-OEM通訊模塊可以讓質量流量控制器輕松集成像PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通信協議，且無需對原有設備做太多修改，從而極大的節約開發工作量和開發成本，輕松的實現與現場應用中各種PLC控制器之間的通訊。同樣的，該通訊模塊也可以這種方式集成到其他設備中，如RFID，工業讀寫器，稱重設備，罐裝設備等，十分適用于當前工業4.0發展需要。