CN216751793U

CN216751793U - 一种多功能多协议智能网关

Info

Publication number: CN216751793U
Application number: CN202123015911.6U
Authority: CN
Inventors: 王峥瀛; 王乾; 杜子超; 庄羽飞; 周洋; 肖棋元; 孟显涛; 王晨; 丁鹏
Original assignee: China Three Gorges Corp
Current assignee: China Three Gorges Corp
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2031-12-03

Abstract

本实用新型涉及一种多功能多协议智能网关，包括处理器芯片、以及通过处理器芯片上PCIE接口相对接的扩展存储与通讯装置、通过处理器芯片上RGMII接口相对接的以太网通讯装置、通过处理器芯片上SPI接口相对接的协议转换装置、通过处理器芯片上DDR接口相对接的内存模块、通过处理器芯片上UART接口相对接的RS232收发装置、通过处理器芯片上CAN接口相对接的CAN收发器，基于TSN技术设计，集多种通讯于一身，并且加入跨网络协议框架下通讯解决方案，能够有效提升所设计网关装置在实际应用网络环境中的通讯工作效率，做到了高带宽、零损耗，并且能够处理速率受限的流量、以及同时应对不同类型数据和通讯需求。

Description

一种多功能多协议智能网关

技术领域

本实用新型涉及一种多功能多协议智能网关，属于智能网络设备技术领域。

背景技术

在某些工业控制应用场合，常规的以太网无法获得亚微秒级的同步精度，也无法满足高容错性和较低成本等特点，由此在现有技术的网关设备中，暂时没有能够满足高带宽、零损耗，并且能够处理速率受限的流量、以及同时应对不同类型数据和通讯需求的网关设备，大大影响了现有工业控制应用场合下的网络应用，阻碍工业网络中智能化应用的普及，以及阻碍了工作效率的提升。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多功能多协议智能网关，基于TSN技术设计，集多种通讯于一身，并且能够解决跨网络协议框架下通讯，提供网络传输通讯的工作效率。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种多功能多协议智能网关，用于实现目标终端的联网；包括处理器芯片、以及通过处理器芯片上PCIE接口相对接的扩展存储与通讯装置、通过处理器芯片上RGMII接口相对接的以太网通讯装置、通过处理器芯片上SPI接口相对接的协议转换装置、通过处理器芯片上DDR接口相对接的内存模块、通过处理器芯片上UART接口相对接的RS232收发装置、通过处理器芯片上CAN接口相对接的CAN收发器；处理器芯片的电源端连接外部电源进行取电，处理器芯片与目标终端相连接进行通讯。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述处理器芯片上包括4路PCIE接口，所述扩展存储与通讯装置包括SATA存储模块、WIFI模块、5G模块、PCIE转USB模块、MINI PCIE 4G模块、USB连接器、USB转4串口模块、RS485收发器；

其中，通过1路PCIE接口对接扩展SATA存储模块，通过1路PCIE接口对接WIFI模块，通过1路PCIE接口经M.2接口对接5G模块，通过1路PCIE接口对接PCIE转USB模块扩展三路，其中，第一路经USB接口对接MINI PCIE 4G模块，第二路经USB接口对接USB连接器，第三路依次经USB转4串口模块、RS485收发器对接4个RS485接口。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述处理器芯片上还包括2路备用PCIE接口；所述对接PCIE转USB模块的1路PCIE接口，通过对接PCIE转USB模块还扩展获得第四路，作为备用USB连接路。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述各个USB接口均为USB2.0接口。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述处理器芯片上包括两路RGMII接口，所述以太网通讯装置包括3口交换器百兆以太网芯片、5口交换器千兆以太网芯片、以及2个光模块；其中，通过1路RGMII接口经3口交换器百兆以太网芯片对接2个光模块，通过1路RGMII接口经5口交换器千兆以太网芯片外接以太网。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述协议转换装置包括以太网协议转换模块、以及2个光模块，所述处理器芯片上SPI接口经以太网协议转换模块对接2个光模块。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述RS232收发装置包括RS232收发器与调试串口，所述处理器芯片上UART接口经RS232收发器对接调试串口。

本实用新型所述一种多功能多协议智能网关，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型所设计多功能多协议智能网关，基于TSN技术设计，集多种通讯于一身，囊括了远距离光纤通讯，WIFI、4G、5G多种无线通讯方式，以及RS485/RS232、CAN、以太网多种有线通讯方式，并且加入跨网络协议框架下通讯解决方案，能够有效提升所设计网关装置在实际应用网络环境中的通讯工作效率，做到了高带宽、零损耗，并且能够处理速率受限的流量、以及同时应对不同类型数据和通讯需求，尤其能够高效提升工业网络互联中的通讯工作效率。

附图说明

图1是本实用新型所设计多功能多协议智能网关的应用架构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型所设计一种多功能多协议智能网关，用于实现目标终端的联网；在具体实际当中，如图1所示，包括国产强大的FT2000/4处理器芯片、以及通过处理器芯片上PCIE接口相对接的扩展存储与通讯装置、通过处理器芯片上RGMII接口相对接的以太网通讯装置、通过处理器芯片上SPI接口相对接的协议转换装置、通过处理器芯片上DDR4接口相对接的内存模块、通过处理器芯片上UART接口相对接的RS232收发装置、通过处理器芯片上CAN接口相对接的CAN收发器；处理器芯片的电源端连接外部电源进行取电，处理器芯片与目标终端相连接进行通讯。

FT2000/4处理器芯片的实际应用中，FT2000/4处理器芯片集成 4 个飞腾自主研发的处理器核心FTC663，兼容64位ARMv8 指令集，16nm制程，主频最高3.0GHz，最大功耗10W。该款芯片在CPU核心技术上实现了新突破，进一步缩小了与国际主流桌面CPU的性能差距，并在内置安全性方面拥有独到创新。

在具体的实施应用中，关于通过处理器芯片上PCIE接口对接扩展存储与通讯装置的设计，具体FT2000/4处理器芯片上包括6路PCIE接口，所述扩展存储与通讯装置具体应用包括SATA存储模块、WIFI模块、5G模块、PCIE转USB模块、MINI PCIE 4G模块、USB连接器、USB转4串口模块、RS485收发器。

具体实施应用中，通过1路PCIE接口对接扩展SATA存储模块，通过1路PCIE接口对接WIFI模块，通过1路PCIE接口经M.2接口对接5G模块，通过1路PCIE接口对接PCIE转USB模块扩展四路，其中，第一路经USB接口对接MINI PCIE 4G模块，第二路经USB接口对接USB连接器，第三路依次经USB转4串口模块、RS485收发器对接4个RS485接口，第四路则作为备用USB连接路；剩余2路PCIE接口则作为2路备用PCIE接口；

并且在实际应用中，本实用新型所设计多功能多协议智能网关中涉及到的USB接口，均为USB2.0接口。

关于WIFI模块，具体应用AF51Y，AF51Y是移远通信新推出高性能、低成本的 WiFi& BT 5.1模块；支持 2 × 2 + 1 × 1 dual MAC，其超紧凑的封装尺寸仅为 19.5 mm ×21.5 mm × 2.5 mm，AF51Y 采用 SMT 贴片技术，可靠性高并能满足复杂环境的应用需求。紧凑的 LGA 封装使其尤其适用于尺寸受限且要求可靠网络连接的场合。该封装类型适合大规模、自动化生产，能有效帮助降低生产成本和提高生产效率。

如此设计，基于可靠的PCIe 2.0接口，模块可实现高速率、低功耗的 WLAN 无线传输。结合其超紧凑尺寸、较低功耗、超宽温度范围以及高可靠性，AF51Y可满足各类应用要求。

关于MINI PCIE 4G模块，具体应用EC20 R2.1 Mini PCIe，EC20 R2.1 Mini PCIe是一款支持 PCI Express Mini Card 标准接口的 LTE 模块。采用 LTE 3GPP Release 11技术，支持最大下行速率 150 Mbps 和最大上行速率 50 Mbps ；同时在封装上兼容移远通信多网络制式 LTE Cat 4 EG25-G Mini PCIe 模块，实现了从 3G 网络向 4G 网络的轻松平滑过渡。EC20 R2.1 Mini PCIe 模块能够向后兼容现存的 EDGE 和 GSM/GPRS 网络，支持多路输入输出技术（MIMO），在接收端可以使用多个接收天线，使信号通过接收端的多个天线进行接收，从而降低误码率，改善通信质量。同时，它结合了高速无线连接与内置多星座高精度 GNSS接收机，大大提升了定位精度与速度。EC20 R2.1 Mini PCIe 内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，多种操作系统和软件功能(适用于 Windows 7/8/8.1/10、Linux、Android 等操作系统下的 USB 驱动等)。

关于5G模块，具体应用RM500U-CN，RM500U-CN是一款5G Sub-6 GHz 模块。采用3GPP Release 15技术，同时支持5G NSA 和SA 模式。RM500U-CN采用M.2封装，与移远通信RM500Q系列模块兼容。RM500U-CN内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，并支持多种驱动和软件功能。

关于PCIE转USB模块来说，实际应用中，具体应用UPD720201，UPD720201最多支持四个USB3.0超高速端口，UPD720201使用PCIE 2.0系统接口总线，可以将四个USB3.0超高速端口添加到包含PCIE总线接口的系统中。

对于USB转4串口模块的实际应用中，具体采用CH9344，CH9344是一颗USB接口转4串口的转接芯片，支持windows/linux/android等系统。广泛应用于安卓/windows主板扩展多个串口的需求。提供4组全双工的异步串口 UART0/1/2/3，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备升级到 USB 总线。

关于通过处理器芯片上RGMII接口对接以太网通讯装置的设计中，具体FT2000/4处理器芯片上包括两路RGMII接口，所述以太网通讯装置具体应用包括3口交换器百兆以太网芯片、5口交换器千兆以太网芯片、以及2个光模块；其中，通过1路RGMII接口经3口交换器百兆以太网芯片对接2个光模块，通过1路RGMII接口经5口交换器千兆以太网芯片外接以太网。实际应用中，这里5口交换器千兆以太网芯片具体采用TSN芯片，并诸如采用SJA1105TEL，SJA1105TEL解决方案可灵活连接各种开关、微处理器和PHY设备，提供五个端口，均可单独配置，以1000 Mb/s的速度在MII、RMII和RGMII模式下运行。

并且对于3口交换器百兆以太网芯片来说，具体应用LAN9303，即LAN9303实现对外两口百兆通讯，实现冗余通讯。

关于通过处理器芯片上SPI接口对接协议转换装置的设计中，所述协议转换装置具体应用包括以太网协议转换模块、以及2个光模块，具体FT2000/4处理器芯片上SPI接口经以太网协议转换模块对接2个光模块。实际应用中，以太网协议转换模块具体采用XONE协议转换模块，XONE协议转换模块是可插拔的嵌入式板卡形式的通讯接口板，支持几乎所有主流现场总线和工业以太网从站协议，只需要进行简单的开发，即可在同一平台支持各种现场总线通讯协议，目前支持的工业以太网协议包括PROFINET、EtherNet/IP、ModbusTCP、EtherCAT、POWERLINK、OPCUA、General Ethernet。

关于通过处理器芯片上UART接口对接RS232收发装置的设计中，RS232收发装置具体应用包括RS232收发器与调试串口，具体FT2000/4处理器芯片上UART接口经RS232收发器对接调试串口。

将本实用新型所设计多功能多协议智能网关应用于实际当中时，并应用TSN技术，TSN技术能够满足关键程序对高带宽、零损耗的要求，以及能够处理速率受限的流量、同时应对不同类型的数据和通讯需求；与此同时，在这些场合的系统中，TSN技术能够做到高可靠性，并且能够进行故障检测、故障隔离、零切换/恢复时间等性能；TSN技术是一项全球性技术，组件成本低；TSN作为骨干网满足了所有需求：简单的网络部署、完全可扩展的网络理念、可兼容现有的传统网络架构进行升级、全连接以及高带宽（整合数据流可达950Mbps）、实时和确定性数据（高优先级的流总是可以在传输的窗口中）、不同的数据流混合传输（基于优先级的TSN数据流混合传输能力）、高可靠性（双链路冗余、切换恢复零延时）。

本实用新型所设计多功能多协议智能网关应用于实际当中，所涉及到的光纤通讯中，具有优点包括：1、传输频带极宽，通信容量很大；2、光纤衰减小，无中继设备，传输距离远；3、串扰小，信号传输质量高；4、光纤抗电磁干扰，保密性好；5、光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；6、耐化学腐蚀；7、光纤是石英玻璃拉制成形，原材料来源丰富，节约大量有色金属。

对于所涉及的WIFI通讯来说，具有的优点包括：1、灵活性和移动性：无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。2、安装便捷：一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。3、故障定位容易：无线网络很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。

对于所涉及4G通讯来说，具有的优点包括：1、业务种类“多”：4G不仅能够支持2G/3G网络下的话音、短信、彩信；同时还能够支持高清视频会议、实时视频监控、视频调度等高带宽实时性业务。2、上网速度“快”：4G峰值速率能达到百兆以上。3、用户感知“好”：4G网络时延比3G网络一半还要低，对于在线游戏、视频实时传送等这些实时性要求高的业务感知特别好。

对于所涉及5G通讯来说，5G网络的峰值理论传输速度可达每8秒1GB，比4G网络的传输速度快数百倍；5G与4G相比，最大的优势在于高速率、低时延、大容量等。比如，理论上5G网速比4G快几倍，同样的密集的商业地区，5G要比4G更快、更稳定。

对于所涉及RS485通讯来说，利用专用通信总线把集中器和主站安全、可靠的连接起来。除非设备接口硬件损坏，或者总线线路断开，总线抄表系统会一直保持很好的通信效果和抄收成功率。通信速率高。由于是专用的有线通信线路连接，线路上除了通信信号外，再无其他信号。外来的干扰信号耦合到线路衰减很大，所以集中器可以以较高的速率与主站通信。

对于所涉及到的CAN通讯来说，具有的优点包括：1、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。2、采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。3、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络。4、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。5、可靠的错误处理和检错机制。6、发送的信息遭到破坏后，可自动重发。7、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。8、报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

上述技术方案所设计多功能多协议智能网关，基于TSN技术设计，集多种通讯于一身，囊括了远距离光纤通讯，WIFI、4G、5G多种无线通讯方式，以及RS485/RS232、CAN、以太网多种有线通讯方式，并且加入跨网络协议框架下通讯解决方案，能够有效提升所设计网关装置在实际应用网络环境中的通讯工作效率，做到了高带宽、零损耗，并且能够处理速率受限的流量、以及同时应对不同类型数据和通讯需求，尤其能够高效提升工业网络互联中的通讯工作效率。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种多功能多协议智能网关，用于实现目标终端的联网；其特征在于：包括处理器芯片、以及通过处理器芯片上PCIE接口相对接的扩展存储与通讯装置、通过处理器芯片上RGMII接口相对接的以太网通讯装置、通过处理器芯片上SPI接口相对接的协议转换装置、通过处理器芯片上DDR接口相对接的内存模块、通过处理器芯片上UART接口相对接的RS232收发装置、通过处理器芯片上CAN接口相对接的CAN收发器；处理器芯片的电源端连接外部电源进行取电，处理器芯片与目标终端相连接进行通讯。

2.根据权利要求1所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述处理器芯片上包括4路PCIE接口，所述扩展存储与通讯装置包括SATA存储模块、WIFI模块、5G模块、PCIE转USB模块、MINI PCIE 4G模块、USB连接器、USB转4串口模块、RS485收发器；

3.根据权利要求2所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述处理器芯片上还包括2路备用PCIE接口；所述对接PCIE转USB模块的1路PCIE接口，通过对接PCIE转USB模块还扩展获得第四路，作为备用USB连接路。

4.根据权利要求2或3所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述通过1路PCIE接口对接PCIE转USB模块扩展三路中，第一路所接USB接口、第二路所接USB接口均为USB2.0接口。

5.根据权利要求1所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述处理器芯片上包括两路RGMII接口，所述以太网通讯装置包括3口交换器百兆以太网芯片、5口交换器千兆以太网芯片、以及2个光模块；其中，通过1路RGMII接口经3口交换器百兆以太网芯片对接2个光模块，通过1路RGMII接口经5口交换器千兆以太网芯片外接以太网。

6.根据权利要求1所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述协议转换装置包括以太网协议转换模块、以及2个光模块，所述处理器芯片上SPI接口经以太网协议转换模块对接2个光模块。

7.根据权利要求1所述一种多功能多协议智能网关，其特征在于：所述RS232收发装置包括RS232收发器与调试串口，所述处理器芯片上UART接口经RS232收发器对接调试串口。