CN111464339B - 一种基于动态重构的异构工业网络互联方法及通用有线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态重构的通用有线通信模块，其包括总线通信板卡、光收发器和和相应物理接口，其与一可重构控制模块、一可重构无线模块连接并且交互通信，组成基于动态重构的通用工业现场网联融合系统。本发明还公开了采用该模块的异构工业网络互联方法：设置通用工业现场网联融合系统，其对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，生成与网络管理策略文件；加载对应的网络管理策略文件，下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络重构。本发明可实现异构设备之间互联互通和工业数据的联网采集，使设备相互之间具备互可操作性与互用性，易于灵活组网和重构，以促进工业设备自动化、智能化升级改造的进程。

Description

一种基于动态重构的异构工业网络互联方法及通用有线通信 模块

技术领域

本发明涉及工业设备现场通讯技术领域，具体涉及一种基于动态重构的异构工业网络互联方法及通用有线通信模块，其是基于软件定义的通用工业网联系统及重构不同通讯方式的通用实现方法，可用于工业现场各类工控设备不同接入方式的数据采集。

背景技术

现场总线(Fieldbus)是电气工程及其自动化领域发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

现场总线(Fieldbus)是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。因此，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

如前说述，在工业设备的历史发展中，由于工业设备控制领域多种现场总线技术的竞争，产生了几大类、数百种工业设备现场通讯标准，各种标准相互不具备兼容性。同时由于各设备在厂家设计环节的独立性，导致现有的工业设备采用的通信方式、协议及接口繁杂，很多种通讯协议及接口之间往往无法兼容并存和进行连接、通信。

目前，国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线(sensorbus)，属于位传输；设备总线(devicebus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输，同时，也还没有一种网联系统能够同时兼容多类工业现场总线协议，且在不更换任何硬件的情况下，在同一设备上实现多种通讯方式的互联互通，导致用户不能掌握系统集成主动权，且系统的准确性与可靠性、易重构性等均存在着明显的不足。

中国发明专利申请201711351078.8公开了一种异构网络互联互通融合系统及方法，异构网络互联互通融合系统包括：网关融合层，用于实现基于 Zigbee的WSN与无线接入网络间的互联；在网络层添加的网络适配层，用于统一管理无线接入网络的网络接口；具体包括核心处理模块；核心处理模块通过无线分别连接Zigbee模块、触摸显示屏块、WCDMA模块、WLAN模块。该发明采用嵌入式技术还可以降低HWG的功耗，从而满足工业现场设备的低功耗要求。通过HWG将传感信息通过无线接入网络上传到Internet，实现传感信息的共享。但是其仅解决了单一异构工业现场设备的网络融合和接入问题，而没有解决异构工业现场总线设备的网络融合和接入问题，也不方便进行网络系统的重构。

针对上述问题，非常有必要研究一种通用的异构工业现场总线的网联融合方法及通用有线通信模块，支持各类设备以不同方式的接入，实现异构设备之间互联互通和工业数据的联网采集，使设备相互之间具备互可操作性与互用性，并易于灵活组网和重构，以促进工业设备自动化、智能化升级改造的进程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于动态重构的通用有线通信模块及采用该模块的异构工业现场网络互联的方法，使采用不同现场总线技术的各类工业设备通讯接口之间，可以快速实现设备与设备、设备与系统之间的互联、互通融合，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种基于动态重构的通用有线通信模块，其特征在于，其包括总线通信板卡、光收发器和和相应物理接口，其与一可重构控制模块、一可重构无线模块连接并且交互通信，组成基于动态重构的通用工业现场网联融合系统；所述的可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、配置收发通信接口、DSP 子系统、FPGA子系统。

所述的总线通信板卡，通过缓存器或MII接口与可重构控制模块中的FPGA 子系统连接，用于可重构控制模块与10BASE-T、100BASE-TX及CAN总线通讯模块以太网收发器进行有线的数据交互通信。

所述的光收发器通过SERDES与可重构控制模块中的FPGA子系统连接，用于可重构控制模块与各类工业设备之间进行无源光网络的数据交互通信。

所述的相应物理接口包括配置收发通信接口、宽频带无线射频模块、无源光收发器、工业以太网接口和工业现场总线接口。

所述的可重构无线模块，由可重构主控制电路、宽频带发射通道和接收通道组成；其可重构主控制电路包括FPGA、频率配置、衰减器、增益控制、逻辑开关控制、PLL(锁相环)、电源模块、FLASH、射频滤波器、中频滤波器、 CPCI组成；所述的ARM子系统，其由ARM微处理器、ARM电源电路和ARM复位电路、ARM时钟电路、ARM存储器以及ARM外设组成；该ARM子系统通过配置程序在线重构FPGA子系统，实现对所述的可重构主控制电路的在线动态重构。

所述DSP子系统部分由DSP、DSP电源电路、DSP时钟电路、DSP复位电路以及DSP外设构成；该DSP子系统主要是处理射频模块传送过来的信号和进行复杂运算，主要包括幅度、频率、脉冲调制及正交相移键控(QuadriPhase ShiftKeying，QPSK)、正交调幅(QuadratureAmplitudeModulation，QAM) 多进制调制方式，通用信号的处理及算法的设计，卷积、希尔伯特变换以及 FFT等特殊运算；所述的FPGA子系统部分由FPGA、SDRAM、FPGA下载电路、 FPGA时钟电路、FPGA复位电路、FPGA电源以及FPGA外设构成；该FPGA子系统根据ARM子系统的配置程序重构电路，同时负责DSP子系统与ARM子系统之间的相互通讯和大规模任务的并行处理。

所述配置收发通信接口，用于通用工业现场网联融合系统与上位机或云平台的通信，使得上位机或云平台可以通过软件定义的方式，将融合策略文件发送给ARM子系统，ARM子系统将会按照融合策略文件执行相应的配置程序。

一种采用前述通用有线通信模块的异构工业网络互联方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；

(2)使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(3)，如果无告警则执行步骤(4)；

(3)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤(2)；

(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；

(5)加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。

在步骤(2)中对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，具体包括以下步骤：

S21、通用工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；

S22、根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；

S23、通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对 FPGA的重构；

S24、向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；

S25、将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

步骤(3)中对通用工业现场网联融合系统根据网络转换需求手动配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件，具体包括以下步骤：

S31、设置一上位机或云平台，由用户根据自身需求，在该上位机或云平台建立异构网络管理模型；

S32、异构网络管理模型包括与通用工业现场网联融合系统异构网络协议类型、网络拓扑结构、数据采集规则、数据转发规则、数据处理过程等方面；

S33、根据组网过程中的通信要求，套用异构网络模型建模格式，形成网络管理策略文件；

S34、上位机或云平台将网络管理策略文件通过配置收发通信接口下载到可重构控制模块的存储器中。

本发明具有以下有益效果与优点：

1、本发明提供的基于动态重构的通用有线通信模块及网络互连方法，将可重构技术应用于工业现场总线设备的异构网络融合，其提供的通用工业现场网联融合系统，集成了多种物理接口，包括宽频带无线射频模块、光收发器、以太网收发器(PHY)、CAN总线通讯模块、RS-485总线接口和RS-232总线接口，支持无线通信、光通信和电信号有线通信三种通信方式；且以FPGA可重构技术为基础，结合ARM和DSP微处理器实现实时嵌入式运算控制，在不改变硬件架构的情况下，能够以统一的硬件架构和基于软件定义，实现不同工业场景下多种通讯方式的互联互通，给予用户低成本的系统集成主动权，使用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品被限定设备的选择范围，也不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

2、本发明采用的通用工业现场网联融合系统的协议辨识方法，通过对网路链路层的数据进行周期性的检测以及分析，根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，读取通信帧中相应字段的内容来识别当前的网络协议类型。协议辨识功能是通用工业现场网联融合系统对于所处系统网络的感知器，它能够在底层设备处于非正常工作状态的条件下对网络通信进行观测，分析其特征完成对协议类型辨识。

3、本发明提供的模块及网络互联方法，基于统一的硬件架构，只需要在上位机或云平台建立相应的异构网络管理模型，通用工业现场网联融合系统根据相应的网络管理策略文件，完成异构通信网络的数据报文采集、处理、转发等功能，从而实现通用工业现场网联融合系统各项功能的软件定义，而且可大幅提升其准确性与可靠性。

4、本发明提供的模块及方法，可使现场总线设备低成本的完成智能化、数字化升级，从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差；同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

附图说明：

图1是本发明通用工业现场网联设备的系统模块组成结构示意图；

图2是本发明异构网络协议辨识方法的实施流程示意图；

图3是本发明异构工业网络互联方法的实现过程示意图。

图4是本发明整体网络分层拓扑结构示意图。

具体实时方式：

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。此处应该理解为所描述的具体实施例，仅限于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参见附图1-4，本发明实施例提供的基于动态重构的通用有线通信模块，其包括总线通信板卡、光收发器和和相应物理接口，其与一可重构控制模块、一可重构无线模块连接并且交互通信，组成基于动态重构的通用工业现场网联融合系统；所述的可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统。

所述的总线通信板卡，通过缓存器或MII接口与可重构控制模块中的FPGA 子系统连接，用于可重构控制模块与10BASE-T、100BASE-TX及CAN总线通讯模块以太网收发器进行有线的数据交互通信。

所述的光收发器通过SERDES与可重构控制模块中的FPGA子系统连接，用于可重构控制模块与各类工业设备之间进行无源光网络的数据交互通信。

所述的相应物理接口包括配置收发通信接口、宽频带无线射频模块、无源光收发器、工业以太网接口和工业现场总线接口。

所述的可重构无线模块，由可重构主控制电路、宽频带发射通道和接收通道组成；其可重构主控制电路包括FPGA、频率配置、衰减器、增益控制、逻辑开关控制、PLL(锁相环)、电源模块、FLASH、射频滤波器、中频滤波器、 CPCI组成；所述的ARM子系统，其由ARM微处理器、ARM电源电路和ARM复位电路、ARM时钟电路、ARM存储器以及ARM外设组成；该ARM子系统通过配置程序在线重构FPGA子系统，实现对所述的可重构主控制电路的在线动态重构。

所述DSP子系统部分由DSP、DSP电源电路、DSP时钟电路、DSP复位电路以及DSP外设构成；该DSP子系统主要是处理射频模块传送过来的信号和进行复杂运算，主要包括幅度、频率、脉冲调制及正交相移键控(QuadriPhase ShiftKeying，QPSK)、正交调幅(QuadratureAmplitudeModulation，QAM) 多进制调制方式，通用信号的处理及算法的设计，卷积、希尔伯特变换以及 FFT等特殊运算；所述的FPGA子系统部分由FPGA、SDRAM、FPGA下载电路、 FPGA时钟电路、FPGA复位电路、FPGA电源以及FPGA外设构成；该FPGA子系统根据ARM子系统的配置程序重构电路，同时负责DSP子系统与ARM子系统之间的相互通讯和大规模任务的并行处理。

所述配置收发通信接口，用于通用工业现场网联融合系统与上位机或云平台的通信，使得上位机或云平台可以通过软件定义的方式，将融合策略文件发送给ARM子系统，ARM子系统将会按照融合策略文件执行相应的配置程序。

一种采用前述通用有线通信模块的异构工业网络互联方法，其包括以下步骤：

(1)设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块、通用有线通信模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；

(2)使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(3)，如果无告警则执行步骤(4)；

(3)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤(2)；

(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；

(5)加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的 FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。

在步骤(2)中对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，具体包括以下步骤：

S21、通用工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；

S22、根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；

S23、通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对 FPGA的重构；

S24、向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；

S25、将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

步骤(3)中对通用工业现场网联融合系统根据网络转换需求手动配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件，具体包括以下步骤：

S31、设置一上位机或云平台，由用户根据自身需求，在该上位机或云平台建立异构网络管理模型；

S32、异构网络管理模型包括与通用工业现场网联融合系统异构网络协议类型、网络拓扑结构、数据采集规则、数据转发规则、数据处理过程等方面；

S33、根据组网过程中的通信要求，套用异构网络模型建模格式，形成网络管理策略文件；

S34、上位机或云平台将网络管理策略文件通过配置收发通信接口下载到可重构控制模块的存储器中。

本发明可以实现硬件及软件的双层重构。硬件上的可重构是指可重构控制模块与可重构无线模块和通用有线通信模块采用分离架构设计，其中的可重构控制模块为主板，可重构无线模块和通用有线通信模块为子板。子板本身是一个结构功能简单的通信模块，能够实现对信号的直接下变频处理和滤波等操作。而主板是一个通用的高性能信号处理平台，可以根据不同的需求重构出不同的平台来实现所需功能。

本发明的软件上的可重构分为两个方面。一是采用具有动态重构功能的高性能FPGA芯片来实现。利用FPGA针对时序变化的数字逻辑系统借助其内部特有的缓存逻辑资源实现局部或者全局芯片逻辑的动态重构。基于FPGA的这种重构方式可以采用基于模块化的设计思想或EAPR(Early Access Partial Reconfiguration)的设计流程实现。软件可重构的另外一个体现是借助FPGA 内部丰富资源构造出双口RAM来实现DSP子系统和ARM子系统的相互通讯。总之，采用这种设计方案可以增加系统硬件的灵活性，并能够充分实现软件的可重构性。

参见图1，本发明中提供的通用异构工业现场网联融合系统的系统模块组成结构，包括可重构控制模块、可重构无线模块、通用有线通信模块三个部分。其为一基于软件定义的通用工业现场网联融合系统，所述系统具体包括可重构控制模块、可重构无线模块。

所述步骤(2)中，所述的通用异构工业现场网联融合系统，对异构网络进行检测与分析，具体包括以下步骤：

(21)通用异构工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；

(22)根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；

(23)通用异构工业现场网联融合系统，加载相应协议的重构配置文件，完成对FPGA的重构；

(24)向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；

(25)将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

上述步骤(22)中所述对通信协议类型进行识别的决策树算法如下：

输入训练数据集D,特征集A,阈值ε；

过程：函数TreeGenerate(D,A)。

STEP1：节点a的熵：Ent(D,a)

STEP2：集合D的熵：Ent(D)

STEP3：计算节点信息增益：Gain(D,a)＝Ent(D)-Ent(D,a)

STEP4:节点a把集合D划分{D₁,D₂,...D_v}：

STEP5:节点信息增益比：

参见图2，其为异构网络协议辨识流程示意图，具体包括以下步骤：

(1)将通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场异构网络中；

(2)通用工业现场网联融合系统从ARM存储器中加载协议解析策略文件；

(3)按协议解析策略重构FPGA子系统，周期性检测所接入异构网络中链路层数据；

(4)根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；

(5)通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对FPGA 的重构；

(6)向异构网络发送相应协议的拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构，自动检测、分类和识别网络上的设备；

(7)如果通用异构工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤(8)，如果无告警则执行步骤(9)；

(8)通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中。完成配置后，执行步骤(2)；

(9)将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

本申请实施例仅以图3所示的多种异构工业网络互联应用为例介绍本申请实施例所提出的基于软件定义的异构工业网络互联方法的实现过程，但是并不对该方法的应用场景做严格限定，在不脱离本申请实施例技术方案宗旨的前提下，可以对不同的异构工业网络融合场景进行灵活应用。

参见图3(a)，该通用异构工业现场网联融合系统，共设有5类数据交换接口，其中配置收发通信接口主要用于通用工业现场网联融合系统与上位机或云平台的通信，同时也可与北向信息系统通信(比如SCADA、MES、ERP 等)，但不可作为南向通信接口使用。宽频带无线射频模块、无源光收发器、工业以太网接口和工业现场总线接口主要用于兼容各类异构网络的物理通信接口，涵盖无线通信、无源光网络、现场总线和工业以太网，可作为南向或北向实时通信接口使用，比如可以同时连接各类工业设备、工业机器人、传感器、控制器等南向设备，和SCADA、MES、ERP等北向信息系统，具体连接类型和数量视具体应用场景和通信接口数量而定。

例如，通用异构工业现场网联融合系统作为从站通过工业以太网与EtherCAT协议类型的主站相连；将目标伺服电机通过工业现场总线的CAN总线接口与通用异构工业现场网联融合系统相连；工业传感器通过Lora与宽频带无线射频模块相连；通用工业现场网联融合系统需要将EtherCAT主站发出的控制数据通过CAN总线转发给目标伺服电机，同时定期读取工业传感器所感知到的数据，并将这些数据通过无源光网络发送给北向信息系统。

参见图3(b)，该应用场景具体包括以下步骤：

(1)将通用异构工业现场网联融合系统联入相应的工业现场异构网络中；具体包括通过无源光网络连接北向信息系统，通过工业以太网连接 EtherCAT主站，通过CAN总线连接目标伺服电机，通过Lora连接工业传感器。

(2)进行异构网络协议识别，若无法进行自动识别，需先进行手动配置。

(3)向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构。并将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

(4)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中。本应用场景中，即将工业以太网的数据报文与CAN总线上的数据报文相互解码转发，使EtherCAT主站驱动目标伺服电机；通过Lora周期性的读取工业传感器所感知到的数据，并将这些数据通过无源光网络发送给北向信息系统；确定时间同步、优先级、Qos保证等配置参数。

(5)根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中。加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成重构。

(6)通用异构工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络的融合。

参见图4，本发明提供的通用异构工业现场网联融合系统，可作为智能制造车间现场级和车间级的工业网络集成设备，其部署于生产现场，通过涵盖无线通信、无源光网络、现场总线和工业以太网等多种异构网络物理通信接口，实现现场设备、传感器等通信接口的通信协议转换并与控制器、监测监控装置进行互联互通。也可同时部署在车间级机房，通过与北向信息系统 (HMI、SCADA、MES等)连接，以产线为单位进行监控与集成控制，实现车间内部不同产线之间、集中式控制器与设备之间的互联互通以及产线与车间外部工厂内部网络实现互联互通。

本发明提供的基于动态重构的通用有线通信模块及异构工业现场总线网络互联的方法，可支持各类设备以不同方式的接入，实现异构设备之间互联互通和工业数据的联网采集，使设备相互之间具备互可操作性与互用性，并易于灵活组网和重构，且成本低，可促进工业设备自动化、智能化升级改造的进程。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于动态重构的通用有线通信模块，其特征在于，其包括总线通信板卡、光收发器和相应物理接口，其与一可重构控制模块、一可重构无线模块连接并且交互通信，组成基于动态重构的通用工业现场网联融合系统；所述的可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；

所述的总线通信板卡，通过缓存器或MII接口与可重构控制模块中的FPGA子系统连接，用于可重构控制模块与10BASE-T、100BASE-TX及CAN总线通讯模块、以太网收发器进行有线的数据交互通信；

所述的光收发器通过SERDES与可重构控制模块中的FPGA子系统连接，用于可重构控制模块与各类工业设备之间进行无源光网络的数据交互通信；

所述的相应物理接口包括配置收发通信接口、宽频带无线射频模块、无源光收发器、工业以太网接口和工业现场总线接口；

所述的可重构无线模块，由可重构主控制电路、宽频带发射通道和接收通道组成；其可重构主控制电路包括FPGA、频率配置、衰减器、增益控制、逻辑开关控制、锁相环PLL、电源模块、FLASH、射频滤波器、中频滤波器、CPCI组成；所述的ARM子系统，其由ARM微处理器、ARM电源电路和ARM复位电路、ARM时钟电路、ARM存储器以及ARM外设组成；该ARM子系统通过配置程序在线重构FPGA子系统，实现对所述的可重构主控制电路的在线动态重构；

所述的基于动态重构的通用有线通信模块用于实现硬件及软件的双层重构：其中硬件上的可重构是指可重构控制模块与可重构无线模块和通用有线通信模块采用分离架构设计，其中的可重构控制模块为主板，可重构无线模块和通用有线通信模块为子板；子板本身是一个结构功能简单的通信模块，能够实现对信号的直接下变频处理和滤波操作；而主板是一个通用的高性能信号处理平台，能根据不同的需求重构出不同的平台来实现所需功能；

所述的基于动态重构的通用有线通信模块通过软件的可重构分为两个方面：一是采用具有动态重构功能的高性能FPGA芯片来实现，利用FPGA针对时序变化的数字逻辑系统借助其内部特有的缓存逻辑资源实现局部或者全局芯片逻辑的动态重构；基于FPGA的这种重构方式是采用基于模块化的设计思想或EAPR（Early Access Partial Reconfiguration）的设计流程实现；软件可重构的另外一个体现是借助FPGA内部丰富资源构造出双口RAM来实现DSP子系统和ARM子系统的相互通讯；采用这种设计方案能增加系统硬件的灵活性，并能够充分实现软件的可重构性。

2.根据权利要求1所述基于动态重构的通用有线通信模块，其特征在于，所述DSP子系统部分由DSP、DSP电源电路、DSP时钟电路、DSP复位电路以及DSP外设构成；该DSP子系统主要是处理射频模块传送过来的信号和进行复杂运算，主要包括幅度、频率、脉冲调制及正交相移键控（Quadri Phase Shift Keying，QPSK）、正交调幅（Quadrature AmplitudeModulation，QAM）多进制调制方式，通用信号的处理及算法的设计，卷积、希尔伯特变换以及FFT特殊运算；所述的FPGA子系统部分由FPGA、SDRAM、FPGA下载电路、FPGA时钟电路、FPGA复位电路、FPGA电源以及FPGA外设构成；该FPGA子系统根据ARM子系统的配置程序重构电路，同时负责DSP子系统与ARM子系统之间的相互通讯和大规模任务的并行处理。

3.根据权利要求1所述基于动态重构的通用有线通信模块，其特征在于，所述配置收发通信接口，用于通用工业现场网联融合系统与上位机或云平台的通信，使得上位机或云平台可以通过软件定义的方式，将融合策略文件发送给ARM子系统，ARM子系统将会按照融合策略文件执行相应的配置程序。

4.一种采用权利要求1至3任一项所述通用有线通信模块的异构工业网络互联方法，其特征在于，其包括以下步骤：

（1）设置一通用工业现场网联融合系统，其包括相互连接并且通信的可重构控制模块、可重构无线模块，其中可重构控制模块包括依次连接的ARM子系统、可配置收发通信接口、DSP子系统、FPGA子系统；并将该通用工业现场网联融合系统联入多个工业现场总线设备的异构网络中；

（2）使该通用工业现场网联融合系统通过其相应通信接口，周期性的对异构网络中链路层数据进行检测以及分析；根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，分析当前的网络通信协议类型，通过解析帧类型自动辨识协议种类，并向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；如通用工业现场网联融合系统无法识别当前异构网络，则进行告警，执行步骤（3），如果无告警则执行步骤（4）；

（3）通过手动配置当前异构网络的协议类型，生成与之对应的协议解析策略，并更新到协议解析策略中，完成配置后，执行步骤（2）；

（4）根据网络转换需求配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件储存在可重构控制模块的存储器中；

（5）加载对应的网络管理策略文件，ARM子系统按照融合网络管理策略执行配置程序，将编译好的特定配置比特流文件下载至可重构控制模块的FPGA子系统中，完成网络系统重构；此时该通用工业现场网联融合系统按照对应的网络管理策略对异构网络之间的数据报文进行处理和转发，完成异构网络基于软件定义的融合与重构。

5.根据权利要求4所述的异构工业网络互联方法，其特征在于，在步骤（2）中对异构网络中链路层数据进行检测以及分析，具体包括以下步骤：

S21、通用工业现场网联融合系统通过加载协议解析策略文件，在网络链路层构建一个协议辨识器，自动对网路链路层的数据进行周期性的解析；

S22、根据不同协议之间链路层数据的不同结构特征，基于决策树算法确定当前网络的通信协议类型；

S23、通用工业现场网联融合系统加载相应协议的重构配置文件，完成对FPGA的重构；

S24、向异构网络发送拓扑发现数据报文，扫描异构网络的网络拓扑结构；

S25、将异构网络的网络拓扑结构信息通过配置收发通信接口发送至上位机或云平台。

6.根据权利要求4所述的异构工业网络互联方法，其特征在于，步骤（3）中对通用工业现场网联融合系统根据网络转换需求手动配置异构网络管理模型，生成与之对应的网络管理策略文件，具体包括以下步骤：

S31、设置一上位机或云平台，由用户根据自身需求，在该上位机或云平台建立异构网络管理模型；

S32、异构网络管理模型包括与通用工业现场网联融合系统异构网络协议类型、网络拓扑结构、数据采集规则、数据转发规则、数据处理过程方面；

S33、根据组网过程中的通信要求，套用异构网络模型建模格式，形成网络管理策略文件；

S34、上位机或云平台将网络管理策略文件通过配置收发通信接口下载到可重构控制模块的存储器中。

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