一种基于S7COMM协议的通讯数据分析装置

一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置
技术领域
1.本实用新型属于通讯领域，尤其是涉及一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置。


背景技术：

2.工业控制系统是国家基础设施的重要组成部分，广泛应用于能源、制造、交通、军工等行业，是关乎国计民生的重要资源，工控协议是控制系统实现实时数据交换、数据采集、参数配置、状态监控、异常诊断、命令发布和执行等众多功能有机联动的重要纽带，其安全问题与工控系统的可靠稳定运行密切相关，目前西门子工业控制系统网络使用普遍，s7-comm通讯协议作为西门子工业控制系统中较为常用的通讯协议，具有一定的安全风险，当前的协议分析仪存在较多缺陷，如现有协议分析仪不能灵活部署，只能应用于多块成箱的一体化测试仪器，且大部分协议分析仪采用pci或者isa总线通讯，总线带宽受限，特别在配置多个采集模块时，会导致通讯能力急速下降，从而限制了协议分析仪的处理能力。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，以解决现有现有协议分析装置不能灵活部署的问题。
4.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
5.一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，包括：电源输入保护滤波模块、电源模块、树莓派cm4核心控制模块、4g网络通讯模块、双路rs485接口模块、sd卡存储模块、以太网接口模块、usb集线器模块、usb-otg切换模块、输出端口模块、输入端口模块和模拟量采集模块，所述电源输入保护滤波模块连接至所述电源模块，所述usb集线器模块分别连接至所述usb-otg切换模块和所述4g网络通讯模块，所述电源模块、所述4g网络通讯模块、所述双路rs485接口模块、所述sd卡存储模块、所述以太网接口模块、所述usb-otg切换模块、所述输出端口模块、所述输入端口模块和所述模拟量采集模块均连接至所述树莓派cm4核心控制模块；
6.所述输出端口模块包括排阻r44、光电耦合器u5、芯片q6、芯片q5、芯片q4、芯片q3和连接器jp5，所述排阻r44分别连接至所述树莓派cm4核心控制模块和所述光电耦合器u5,所述光电耦合器u5分别与所述芯片q6、所述芯片q5、所述芯片q4和所述芯片q3相连接，所述芯片q6、所述芯片q5、所述芯片q4和所述芯片q3均连接至所述连接器jp5。
7.进一步的，所述电源输入保护滤波模块包括芯片q7、插座con1、二极管d4、热敏电阻r55、电阻r56、电阻r57、共模电感l1、电容c28和电容c29，所述芯片q7的s极连接至所述共模电感l1第1引脚，所述共模电感l1第3引脚连接至vcc_24v。
8.进一步的，所述4g网络通讯模块包括芯片m1、芯片u2和芯片u3，所述芯片m1第36引脚和第38引脚分别连接至所述usb集线器模块，所述芯片m1分别连接至所述芯片u2和所述芯片u3。
9.进一步的，所述双路rs485接口模块包括芯片m3、芯片m2和连接器jp2，所述芯片m2分别与所述树莓派cm4核心控制模块和所述连接器jp2相连接，所述芯片m3分别与所述树莓派cm4核心控制模块和连接器jp2相连接。
10.进一步的，所述usb集线器模块包括芯片u18，所述芯片u18第1引脚和第2引脚均连接至所述芯片m1，所述芯片u18第6引脚、第7引脚、第8引脚和第9引脚分别连接至所述芯片usb1，所述芯片u18第30引脚和第31引脚分别连接至所述usb-otg切换模块。
11.进一步的，所述usb-otg切换模块包括芯片u11和连接器j1，所述芯片u11连接至所述树莓派cm4核心控制模块，所述芯片u11第6引脚和第7引脚分别连接至所述芯片u18，所述芯片u11第8引脚和第9引脚分别连接至所述连接器j1。
12.进一步的，所述输出端口模块还包括两路hdmi输出模块，所述两路hdmi输出模块连接至所述树莓派cm4核心控制模块。
13.进一步的，所述输入端口模块包括光电耦合器u4和连接器jp4，所述光电耦合器u4分别连接至所述树莓派cm4核心控制模块和所述连接器jp4。
14.进一步的，所述模拟量采集模块包括芯片u12，所述芯片第9引脚和第10引脚均连接至所述树莓派cm4核心控制模块。
15.相对于现有技术，本实用新型所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置具有以下优势：
16.本实用新型所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，具有较小的体积，通过接入已有工控网络进行快速部署，无需修改工控设备及相关设备，该装置具有输入输出接口、rs485接口、模拟量输入接口，可将这些端口接入工业控制系统中，进行其他功能拓展，从而实现通讯数据分析、监控，并对异常数据进行报警，可通过输入输出接口输出报警信息。
附图说明
17.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
18.图1为本实用新型实施例所述的电源输入保护滤波模块示意图；
19.图2为本实用新型实施例所述的5v稳压电源模块示意图；
20.图3为本实用新型实施例所述的4v稳压电源模块示意图；
21.图4为本实用新型实施例所述的3.3v稳压电源模块示意图；
22.图5为本实用新型实施例所述的树莓派cm4核心控制模块示意图；
23.图6为本实用新型实施例所述的树莓派cm4核心控制模块示意图；
24.图7为本实用新型实施例所述的sd卡存储模块示意图；
25.图8为本实用新型实施例所述的usb集线器模块示意图；
26.图9为本实用新型实施例所述的usb-otg切换模块示意图；
27.图10为本实用新型实施例所述的以太网接口模块示意图；
28.图11为本实用新型实施例所述的4g网络通讯模块示意图；
29.图12为本实用新型实施例所述的双路rs485接口模块示意图；
30.图13为本实用新型实施例所述的输出端口模块示意图；
31.图14为本实用新型实施例所述的输出端口模块示意图；
32.图15为本实用新型实施例所述的输入端口模块示意图；
33.图16为本实用新型实施例所述的模拟量采集模块示意图；
34.图17为本实用新型实施例所述的整体组成框图示意图。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
39.如图1至图17所示，一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，包括：电源输入保护滤波模块、电源模块、树莓派cm4核心控制模块、4g网络通讯模块、双路rs485接口模块、sd卡存储模块、以太网接口模块、usb集线器模块、usb-otg切换模块、输出端口模块、输入端口模块和模拟量采集模块，所述电源输入保护滤波模块连接至所述电源模块，所述usb集线器模块连接至所述usb-otg切换模块，所述电源模块、所述4g网络通讯模块、所述双路rs485接口模块、所述sd卡存储模块、所述以太网接口模块、所述usb-otg切换模块、所述输出端口模块、所述输入端口模块和所述模拟量采集模块均连接至所述树莓派cm4核心控制模块。
40.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述电源输入保护滤波模块包括芯片q7、插座con1、二极管d4、热敏电阻r55、电阻r56、电阻r57、共模电感l1、电容c28和电容c29，所述芯片q7用于防止电源反接，所述芯片q7的d极分别连接至所述热敏电阻r55一端、所述二极管d4负极和插座con1第1引脚，所述二极管d4负极还连接至vcc_in，所述二极管d4正极、所述热敏电阻r55另一端、插座con1第2引脚和第0引脚均接地，所述芯片q7的s极分别连接至所述电阻r56一端和所述共模电感l1第1引脚，所述芯片q7的g极分别连接至所述电阻r56另一端和所述电阻r57一端，所述电阻r57另一端和所述共模电感l1第2引脚均接地，所述共模电感l1第3引脚分别连接至所述电容c28一端和所述电容c29一端，所述电容c29一端还连接至vcc_24v，所述共模电感l1第4引脚分别连接至所述电容c28另一端和所述电容c29
另一端，所述电容c29另一端接地，在实际使用时，电源输入保护滤波模块用于对该装置整机电源供电保护，支持12-36v通用直流供电范围，具有防反接、防浪涌、防脉冲放电、防共模干扰等功能，用于保证该装置在工业现场环境下的稳定可靠运行。
41.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述电源模块包括5v稳压电源模块、4v稳压电源模块和3.3v稳压电源模块，所述5v稳压电源模块输入端与所述电源输入保护滤波模块相连接，所述5v稳压电源模块输出端连接至vcc_5v，所述5v稳压电源模块包括芯片u8；所述4v稳压电源模块输入端连接至vcc_5v，所述4v稳压电源模块输出端连接至vcc_4v，所述4v稳压电源模块包括芯片u7，所述3.3v稳压电源模块输入端连接至vcc_5v，所述3.3v稳压电源模块输出端连接至vcc_3v3，所述3.3v稳压电源模块包括芯片u9，在实际使用时，所述芯片u8型号为tps5430，所述芯片u7型号为tps562200ddcr，所述芯片u9型号为spx3819-33，5v稳压电源模块将输入电源转换成供给树莓派cm4核心控制模块使用的稳定5v直流电源，用于保证系统核心处理器稳定运行；4v稳压电源模块将输入电源转换成供4g网络通讯模块模块使用的稳定4v直流电源，用于保证4g网络通讯模块稳定运行；3.3v稳压电源模块将输入电源转换成供输入、输出、通讯模块的使用的稳定3.3v直流电源，用于保证外部设备模块稳定运行。
42.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述树莓派cm4核心控制模块包括芯片ud1a、芯片ud1b和芯片u13，在实际使用时，芯片ud1a和芯片ud1b型号均为raspberry cm4，芯片u13型号为pcf8563/ds1307，该模块为装置的核心控制模块，主要用于通信数据采集、处理、分析、存储等功能。
43.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述4g网络通讯模块包括芯片m1、芯片u2和芯片u3，所述芯片m1第36引脚和第38引脚分别连接至所述usb集线器模块，所述芯片m1第8引脚分别连接至所述芯片u2第1引脚和所述芯片u3第3引脚，所述芯片m1第10引脚连接至所述芯片u2第6引脚和所述芯片u3第6引脚，所述芯片m1第12引脚连接至所述芯片u2第3引脚和所述芯片u3第5引脚，所述芯片m1第14引脚连接至所述芯片u2第2引脚和所述芯片u3第4引脚，所述芯片m1第2引脚和第24引脚，在实际使用时，4g网络通讯模块通过usb接口连接至树莓派cm4核心控制模块，用于模块的网络通讯，远程配置、远程调试等功能。
44.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述双路rs485接口模块包括芯片m3和芯片m2，所述芯片m2第1引脚连接至电阻r16一端，电阻r16另一端连接至所述芯片ud1a第28引脚，所述芯片m3第2引脚连接至电阻r18一端，电阻r18另一端连接至所述芯片ud1a第31引脚，所述芯片m2第7引脚分别连接至电阻r20一端、电阻r22一端和二极管d1第1引脚，电阻r22另一端连接至连接器jp2，所述芯片m2第6引脚分别连接至电阻r26一端、电阻r24一端和二极管d1第2引脚，电阻r24另一端连接至连接器jp2，电阻r26另一端连接至所述芯片m2第8引脚，所述芯片m2第5引脚分别连接至二极管d1第3引脚和电阻r20另一端；所述芯片m3分别与所述芯片ud1a和连接器jp2相连接，在实际使用时，所述双路rs485接口模块具有双路rs485接口，最高支持1mbps通讯速率，用于装置连接外部通讯设备。
45.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述sd卡存储模块包括芯片j2，所述芯片j2第1引脚连接至所述芯片ud1a第69引脚，所述芯片j2第2引脚连接至所述芯片ud1a第61引脚，所述芯片j2第5引脚连接至所述芯片ud1a第57引脚，所述芯片j2第7引脚连接至所述芯片ud1a第63引脚，所述芯片j2第8引脚连接至所述芯片ud1a第67引脚，所述芯片j2第4引
脚连接至所述电阻r70一端，所述电阻r70另一端连接至vcc_3v3，在实际使用时，所述sd卡存储模块用于拓展树莓派cm4核心控制模块的存储容量，用于存储设备工作数据。
46.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述以太网接口模块包括芯片ud2，所述芯片ud2与所述芯片ud1a相连接，在实际使用时，以太网接口模块采用1000mbps接口，主要用于连接至工业控制网络，采集网络数据包等功能。
47.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述usb集线器模块包括芯片u18，所述芯片u18第1引脚和第2引脚均连接至所述芯片m1，所述芯片u18第6引脚、第7引脚、第8引脚和第9引脚分别连接至所述芯片usb1，所述芯片u18第30引脚和第31引脚分别连接至所述usb-otg切换模块，在实际使用时，usb集线器模块支持4路usb集线功能，用于拓展核心控制模块的usb接口数量。
48.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述usb-otg切换模块包括芯片u11和连接器j1，所述芯片u11第1引脚连接至所述芯片ud1b第101引脚，所述芯片u11第3引脚连接至所述芯片ud1b第105引脚，所述芯片u11第3引脚连接至所述芯片ud1b第103引脚，所述芯片u11第6引脚和第7引脚分别连接至所述芯片u18，所述芯片u11第8引脚和第9引脚分别连接至所述连接器j1，在实际使用时，所述usb-otg切换模块用于根据usb外接设备自动切换至usb-device或者usb-host模式。
49.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述输出端口模块包括排阻r44、光电耦合器u5和连接器jp5，所述排阻r44第1引脚、第2引脚、第3引脚和第4引脚分别连接至所述芯片ud1a，所述排阻r44第5引脚连接至所述光电耦合器u5第7引脚,所述排阻r44第5引脚连接至所述光电耦合器u5第7引脚,所述排阻r44第6引脚连接至所述光电耦合器u5第5引脚,所述排阻r44第7引脚连接至所述光电耦合器u5第3引脚,所述排阻r44第8引脚连接至所述光电耦合器u5第1引脚,所述光电耦合器u5第10引脚连接至所述电阻r52一端，所述电阻r52另一端分别连接至所述电阻r53一端和所述芯片q6第4引脚，所述电阻r53另一端分别连接至vcc_led和所述芯片q6的s极，所述芯片q6的d极连接至所述连接器jp5；所述光电耦合器u5第12引脚连接至所述电阻r49一端，所述电阻r49另一端分别连接至所述电阻r47一端和所述芯片q5第4引脚，所述电阻r47另一端分别连接至vcc_led和所述芯片q5的s极，所述芯片q5的d极连接至所述连接器jp5；所述光电耦合器u5第14引脚连接至所述电阻r46一端，所述电阻r46另一端分别连接至所述电阻r43一端和所述芯片q4第4引脚，所述电阻r43另一端分别连接至vcc_led和所述芯片q4的s极，所述芯片q4的d极连接至所述连接器jp5；所述光电耦合器u5第16引脚连接至所述电阻r42一端，所述电阻r42另一端分别连接至所述电阻r41一端和所述芯片q3第4引脚，所述电阻r41另一端分别连接至vcc_led和所述芯片q3的s极，所述芯片q3的d极连接至所述连接器jp5；所述输出端口模块还包括两路hdmi输出模块，所述两路hdmi输出模块连接至所述芯片ud1b；在实际使用时，所述输出端口模块采用光电隔离器件与外界输出信号进行隔离，可以有效保护核心控制模块io安全，同时减少干扰，用于外部io接口功能拓展。
50.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述输入端口模块包括光电耦合器u4和连接器jp4，所述光电耦合器u4第16引脚、第14引脚、第12引脚和第10引脚分别连接至所述芯片ud1a，所述光电耦合器u4第1引脚分别连接至vin_m和所述电阻r33一端，所述光电耦合器u4第2引脚分别连接至所述电阻r33另一端和所述电阻r34一端，所述电阻r34另一端连接
至所述连接器jp4；所述光电耦合器u4第3引脚分别连接至vin_m和所述电阻r35一端，所述光电耦合器u4第4引脚分别连接至所述电阻r35另一端和所述电阻r36一端，所述电阻r36另一端连接至所述连接器jp4；所述光电耦合器u4第5引脚分别连接至vin_m和所述电阻r37一端，所述光电耦合器u4第6引脚分别连接至所述电阻r37另一端和所述电阻r38一端，所述电阻r38另一端连接至所述连接器jp4；所述光电耦合器u4第7引脚分别连接至vin_m和所述电阻r39一端，所述光电耦合器u4第8引脚分别连接至所述电阻r39另一端和所述电阻r40一端，所述电阻r40另一端连接至所述连接器jp4；在实际使用时，所述输入端口模块采用光电隔离器件与外界输入信号进行隔离，可以有效保护核心控制模块io安全，同时减少干扰，用于外部io接口功能拓展。
51.在本实用新型的一种优选的实施方式中，所述模拟量采集模块包括芯片u12，所述芯片第9引脚和第10引脚均连接至所述芯片ud1a，在实际使用时，所述芯片u12型号为ads1015idgsr。
52.一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置工作原理：
53.本装置通过以太网接入已部署的基于s7-comm通讯协议的工业控制网络中，通过工业控制系统进行底层数据监听，并根据通讯协议进行数据过滤、分析，将解析后的数据按照指令码进行分类、统计、入数据库，经过一段时间的数据采集可获取工控网络中正常操作的数据特征，将该特征作为基准信息，随后工业控制系统即可对工控网络通讯中的数据进行异常分析，可根据异常分析结果控制输入输出端口、rs485输出端口输出报警信号至外部设备，从而实现外部设备的联动控制，工业控制系统为现有技术；
54.本装置通过以上业务流程，实现基于s7-comm通讯协议的数据分析，从而提升工业控制网络安全性能。
55.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：包括：电源输入保护滤波模块、电源模块、树莓派cm4核心控制模块、4g网络通讯模块、双路rs485接口模块、sd卡存储模块、以太网接口模块、usb集线器模块、usb-otg切换模块、输出端口模块、输入端口模块和模拟量采集模块，所述电源输入保护滤波模块连接至所述电源模块，所述usb集线器模块分别连接至所述usb-otg切换模块和所述4g网络通讯模块，所述电源模块、所述4g网络通讯模块、所述双路rs485接口模块、所述sd卡存储模块、所述以太网接口模块、所述usb-otg切换模块、所述输出端口模块、所述输入端口模块和所述模拟量采集模块均连接至所述树莓派cm4核心控制模块；所述输出端口模块包括排阻r44、光电耦合器u5、芯片q6、芯片q5、芯片q4、芯片q3和连接器jp5，所述排阻r44分别连接至所述树莓派cm4核心控制模块和所述光电耦合器u5,所述光电耦合器u5分别与所述芯片q6、所述芯片q5、所述芯片q4和所述芯片q3相连接，所述芯片q6、所述芯片q5、所述芯片q4和所述芯片q3均连接至所述连接器jp5。2.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述电源输入保护滤波模块包括芯片q7、插座con1、二极管d4、热敏电阻r55、电阻r56、电阻r57、共模电感l1、电容c28和电容c29，所述芯片q7的s极连接至所述共模电感l1第1引脚，所述共模电感l1第3引脚连接至vcc_24v。3.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述4g网络通讯模块包括芯片m1、芯片u2和芯片u3，所述芯片m1第36引脚和第38引脚分别连接至所述usb集线器模块，所述芯片m1分别连接至所述芯片u2和所述芯片u3。4.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述双路rs485接口模块包括芯片m3、芯片m2和连接器jp2，所述芯片m2分别与所述树莓派cm4核心控制模块和所述连接器jp2相连接，所述芯片m3分别与所述树莓派cm4核心控制模块和所述连接器jp2相连接。5.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述usb集线器模块包括芯片u18，所述芯片u18第1引脚和第2引脚均连接至所述芯片m1，所述芯片u18第6引脚、第7引脚、第8引脚和第9引脚分别连接至所述芯片usb1，所述芯片u18第30引脚和第31引脚分别连接至所述usb-otg切换模块。6.根据权利要求5所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述usb-otg切换模块包括芯片u11和连接器j1，所述芯片u11连接至所述树莓派cm4核心控制模块，所述芯片u11第6引脚和第7引脚分别连接至所述芯片u18，所述芯片u11第8引脚和第9引脚分别连接至所述连接器j1。7.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述输出端口模块还包括两路hdmi输出模块，所述两路hdmi输出模块连接至所述树莓派cm4核心控制模块。8.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述输入端口模块包括光电耦合器u4和连接器jp4，所述光电耦合器u4分别连接至所述树莓派cm4核心控制模块和所述连接器jp4。9.根据权利要求1所述的一种基于s7comm协议的通讯数据分析装置，其特征在于：所述模拟量采集模块包括芯片u12，所述芯片第9引脚和第10引脚均连接至所述树莓派cm4核心
控制模块。

技术总结
本实用新型提供了一种基于S7COMM协议的通讯数据分析装置，电源输入保护滤波模块、电源模块、树莓派CM4核心控制模块、4G网络通讯模块、双路RS485接口模块、SD卡存储模块、以太网接口模块、USB集线器模块、USB-OTG切换模块、输出端口模块、输入端口模块和模拟量采集模块。本实用新型有益效果：具有较小的体积，通过接入已有工控网络进行快速部署，无需修改工控设备及相关设备，该装置具有输入输出接口、RS485接口、模拟量输入接口，可将这些端口接入工业控制系统中，进行其他功能拓展，从而实现通讯数据分析、监控，并对异常数据进行报警，可通过输入输出接口输出报警信息。输入输出接口输出报警信息。输入输出接口输出报警信息。


技术研发人员：赵磊 胡双喜 穆蔚伟 杜石雷 刘继伟 杨勇 叶乔生 卢剑焘 薛婧宜 张婷 赵意杉
受保护的技术使用者：天津理工大学中环信息学院
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/8/5