CN107124358A - 一种基于fpga的4g‑profibus嵌入式系统网关设备 - Google Patents

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周原
于乐
刘明山
李晓坤
肖文萍
高凤喜
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的4G‑PROFIBUS嵌入式系统网关设备，其设备包括FPGA核心处理器、Nios II软核处理器、4G通信模块、4G SIM卡及外围模块电路。本发明为了解决PROFIBUS‑DP现场总线网络和4G移动网络两种异构网络的无缝连接，将现场总线的数据通过4G通信模块上传到云服务器，以实现在Android客户端上查看、控制PROFIBUS‑DP现场设备。本发明提供了基于Android系统的C/S客户端，基于Nginx服务器+基于Diango的Web应用框架+MongoDB数据库架构的云端服务器。具有响应更快，高灵活性、高安全性、更适用于工业控制网络后台管理的优点。为涉及到管理和技术人员通过Android客户端实现对工业现场PROFIBUS‑DP上的设备方便快捷、实时监视和控制提供了一种全新的解决方案。

Description

一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备
技术领域
本发明涉及计算机技术、信息通信技术以及自动控制技术领域，尤其是用来实现PROFIBUS-DP与4G两种异构网络互联接入的一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式网关设备。
背景技术
随着“互联网+”、“移动互联网”、“工业4.0”的提出和发展，利用无处不在的移动4G网和广泛使用的无线客户端对工业网络中现场设备进行实时监控，可以为企业管理者和工程技术人员随时掌控和调试设备带来极大便利。
将工业生产过程的实时信息通过4G网接入Internet，在一定条件下就可以通过移动4G网络监视并管理生产系统和现场设备的运行状态和各种参数。管理人员可以远程监控设备及生产运行情况、根据经营需要及时发出调度指令。技术人员可以根据查询到的实时信息来判断设备工作状态、调整和优化生产过程、及时检测设备故障并诊断。移动4G网络、嵌入式网关和无线客户端在PROFIBUS-DP远程监控系统的应用，可以将现场设备系统、现场控制系统及企业信息管理系统有机结合起来，并实现对现场总线的远程实时监控。
为了实现通过移动4G网络对工业现场总线的实时监控，设计了一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备。
发明内容
本发明是为了解决利用4G网络实现远程监控PROFIBUS现场设备而提供的一种基于FPGA的4G-PROFIBUS-DP的嵌入式网关，该设备能够很好地实现移动4G网络与PROFIBUS-DP的互联通信，从而将PROFIBUS工控网络通过移动4G网络接入互联网。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于FPGA的4G-PROFIBUS的嵌入式系统网关设备，特点是：该设备包括FPGA核心架构模块、电源电路模块、USB接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、FLASH模块、RS232接口模块及SDRAM模块，FPGA分别与电源电路模块、RS232接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、USB接口模块、FLASH模块以及SDRAM模块相连接，电源电路模块为FPGA核心架构模块进行供电。JTAG接口模块主要用于程序下载和烧写FLASH。
所述FPGA核心架构模块包括FPGA芯片及由Nios II搭建的处理核心，以实时处理网络数据，并对网络数据包进行转换、过滤、分包操作。
所述USB接口模块使用CH376S芯片文件管理控制芯片来实现FPGA对SD卡或U盘的读写。
所述JTAG接口模块是四线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线；主要用于程序下载和烧写FLASH，同时JTAG接口还负责连接JLINK仿真器，用于嵌入式开发的调试。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、通过FPGA处理网络数据的方案，相对传统的通过Linux操作系统处理的方案，该方案具有并行处理、数据处理速度快、集成度高、内部硬件模块可定义、灵活性大的特点。
(2)、本发明将4G移动通信技术应用到工业网络中，实现对PROFIBUS-DP现场设备的远程监控，解决了有线监控布线繁琐、成本高的缺点。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容,并且随着对本发明专利的更全面理解,本发明专利的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明专利一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备结构示意图；
图2为本发明专利一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备工作流程图；
图3为本发明专利一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备的应用系统连接示意图
其中：1.云计算模块，2.LTE，3.一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备,4.PROFIBUS网络，5.PROFIBUS现场设备，6.应用平台，7.数据服务器。
具体实施方式
为了加深对本发明专利的理解，下面将结合实施例对本发明专利作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明专利，并不构成对本发明专利保护范围的限定。
参阅图1，本发明包括：FPGA核心架构模块、电源电路模块、USB接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、FLASH模块、RS232接口模块及SDRAM模块，FPGA模块分别与电源电路模块、RS232接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、USB接口模块、FLASH模块以及SDRAM模块相连接，电源电路模块为FPGA核心架构模块进行供电。JTAG接口模块主要用于程序下载和烧写FLASH。
本发明的FPGA核心架构模块包括FPGA芯片及由Nios II搭建的处理核心，以实时处理网络数据，并对网络数据包进行转换、过滤、分包操作。
本发明的USB接口模块使用CH376S芯片文件管理控制芯片来实现FPGA对SD卡或U盘的读写。
本发明的JTAG接口模块是四线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。主要用于程序下载和烧写FLASH，同时JTAG接口还负责连接JLINK仿真器，用于嵌入式开发的调试。
本发明的电源电路模块为FPGA核心架构模块进行供电。
本发明的RS232接口模块与4G通信模块连接，并将数据通过4G网络上传到云端服务器。RS485模块与模拟PROFIBUS-DP现场设备的PC机相连接，获取PC机中模拟的PROFIBUS-DP设备的数据。
参阅图2为本发明的协议转换原理图，本发明是这样工作的：
嵌入式网关系统上电后。网关接收到PROFIBUS-DP总线的数据后，针对收到的每一个PROFIBUS-DP数据帧，进行所有字节的校验，并按照PROFIBUS-DP协议帧具体结构进行解包。
网关先校验数据帧的开始字节，通过校验SD的值来判断该数据包是无数据帧或是可变字段长度的数据帧亦或是固定长度的数据帧；接着校验ED、LE等，然后取出DA、SA、FC、FCS等，然后就可以获得数据，最后还要校验FCS位，若FCS位正确，说明该数据有效，若不正确，该数据无效。
在一次数据传输的过程中，每一数据的帧都需要校验，在校验过程中，若是其中有一个字节在校验的时候不符合PROFIBUS-DP协议帧的规定，即出现错误，那么这次数据传输中的数据包都要算作无效数据。
当数据从4G通信模块发送到网关时，网关首先校验数据帧的帧头，判断该数据帧是不是LTE的数据帧，若不是，则舍弃等待下一个数据流的来临。若是则按照LTE的协议结构进行解包，然后再按照PROFIBUS-DP协议帧的结构添加起始字节、DA、SA等字节，最后封装成能在PROFIBUS-DP现场总线传输的数据。
参阅图3为本发明的连接应用系统示意图。
网关有两个接口，分别连接PROFIBUS-DP与4G模块，作为两个网络的输入输出接口。PROFIBUS-DP发送数据到网关，网关按照PROFIBUS-DP协议的物理层、数据链路层、用户接口层的顺序逐层解包，解包后的数据加密后，再按照LTE协议的应用层、PDCP层、RLC层、MAC层、物理层的顺序进行逐层封装，然后将得到的数据发送到服务器上，从而完成数据从PROFIBUS-DP协议到LTE协议的转换过程。同理，数据从LTE协议到PROFIBUS-DP协议的转换过程，就是上述过程的逆过程，通过相同原理进行数据的解包和封装，再发送到PROFIBUS-DP现场总线设备上。
嵌入式网关系统上电后，PC端的串口调试助手SSCOM模拟PROFIBUS从站向网关发送数据，网关接收到数据后进行解包然后发送给4G模块，4G模块上传到服务器的数据库中。通过串口向网关连续发送不带数据的固定长度的发送/请求帧、带数据的固定长度的发送/请求帧以及可变数据字段长度的发送/请求帧，数据在网关中经过解包后发送到客户端。最终实现了4G移动网络与PROFIBUS-DP的互联通信。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备，其特征在于：该设备包括FPGA核心架构模块、电源电路模块、USB接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、FLASH模块、RS232接口模块及SDRAM模块，FPGA分别与电源电路模块、RS232接口模块、JTAG接口模块、复位电路模块、USB接口模块、FLASH模块以及SDRAM模块相连接，电源电路模块为FPGA核心架构模块进行供电；JTAG接口模块主要用于程序下载和烧写FLASH。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备，其特征在于：所述FPGA核心架构模块包括FPGA芯片及由Nios II搭建的处理核心，以实时处理网络数据，并对网络数据包进行转换、过滤、分包操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备，其特征在于：所述USB接口模块使用CH376S芯片文件管理控制芯片来实现FPGA对SD卡或U盘的读写。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的4G-PROFIBUS嵌入式系统网关设备，其特征在于：所述JTAG接口模块是四线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线；主要用于程序下载和烧写FLASH，同时JTAG接口还负责连接JLINK仿真器，用于嵌入式开发的调试。
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