[发明专利]MODBUS-TSN网关芯片

说明书

本发明提供了一种MODBUS‑TSN网关芯片，使MODBUS总线网络能够与TSN网络兼容。该芯片用于MODBUS协议数据和TSN协议数据的接收、协议格式转化、发送。对于芯片的总线收发模块收到的上行MODBUS协议数据，MODBUS‑TSN网关芯片根据VLAN Tag映射模块内的寄存器数值给MODBUS数据添加相应的VLAN Tag，使MODBUS数据带有优先级、VID号和是否可丢弃信息，并封装上以太网帧头、帧尾，形成TSN协议数据，最后通过GMII口将数据发送给TSN交换机；对于GMII接口接收到的下行TSN数据，MODBUS‑TSN网关芯片将数据中的VLAN Tag和以太网帧头、帧尾去除，得到MODBUS协议数据，最后通过总线收发模块将数据发送到MODBUS总线网络上。

技术领域

本发明涉及总线通信和芯片设计领域，特别涉及一种MODBUS-TSN网关芯片。

背景技术

随着信息技术、芯片技术的飞速发展，工业控制系统已由最初的单机控制演变到如今的系统控制。随着“中国制造2025”规划的提出，总线通信作为工业控制系统中的重要技术，成为工业控制领域的热点。

Modbus总线协议是一种串行通信协议，相比其他同类型协议，因其公开发表并且无版权要求、易于部署和维护、数据帧格式简单等特点，成为各大厂商最常用的总线协议之一。但是以Modbus为代表的总线通信速率比较低，无法满足实时控制的要求。

对于工业通信领域而言，实时性与确定性是发展的方向。时间敏感型网络(timesensitive network，TSN)是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。

目前市场上现有芯片产品不能很好地解决MODBUS协议传输速率低、协议不具备实时性、缺乏优先调度机制等缺点。所以设计一款网关芯片，使MODBUS网络与TSN网络融合，可以将MODBUS总线数据与TSN协议数据相互转化，使MODBUS数据在TSN网络中流通转发，使MODBUS总线数据也能带有优先级调度的属性。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的目的在于提出一种MODBUS-TSN网关芯片，使MODBUS总线网络能够与TSN网络兼容。该芯片支持MODBUS协议数据和TSN协议数据的接收、协议格式转化、发送，支持TSN网络接口和MODBUS总线接口，能够解决传统MODBUS总线设备存在的不具备实时控制、缺乏数据流优先级调度机制、与TSN网络不兼容等问题。本发明提供的MODBUS-TSN网关芯片是这样的：

该芯片包括：总线收发模块、协议转化模块、GMII接口、APB接口。总线收发模块与MODBUS总线网络连接，收发MODBUS协议数据。协议转化模块主要有两个功能：对于 MODBUS总线网络传来的上行MODBUS协议数据，根据VLAN Tag映射模块的寄存器数值给MODBUS数据添加相应的VLAN Tag，使MODBUS数据带有优先级、VID号和是否可丢弃信息，并封装上以太网帧头、帧尾，形成TSN协议数据；对于GMII接口接收到的下行TSN 数据，将数据中的VLANTag和以太网帧头、帧尾去除，得到MODBUS协议数据。GMII接口用于MODBUS-TSN网关芯片与片外的TSN交换机的数据交互。APB接口用于片外CPU 对芯片内VLAN Tag映射模块进行配置。

优选地，所述VLAN Tag映射模块内的寄存器用于存储每个MODBUS从站节点分别对应的3bit的优先级代码、1bit的丢弃标志位、12bit的VID。用户可根据需求定义每一个MODBUS 从站节点对应的优先级代码、丢弃标志位和VID。VLAN Tag映射模块可由片外CPU通过 APB接口进行初始化配置。