本發(fā)明涉及計算機技術、信息通信技術以及自動控制技術領域，尤其是用來實現(xiàn)profibus-dp與4g兩種異構網(wǎng)絡互聯(lián)接入的一種基于fpga的4g-profibus嵌入式網(wǎng)關設備。

背景技術：

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、“移動互聯(lián)網(wǎng)”、“工業(yè)4.0”的提出和發(fā)展，利用無處不在的移動4g網(wǎng)和廣泛使用的無線客戶端對工業(yè)網(wǎng)絡中現(xiàn)場設備進行實時監(jiān)控，可以為企業(yè)管理者和工程技術人員隨時掌控和調(diào)試設備帶來極大便利。

將工業(yè)生產(chǎn)過程的實時信息通過4g網(wǎng)接入internet，在一定條件下就可以通過移動4g網(wǎng)絡監(jiān)視并管理生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)和各種參數(shù)。管理人員可以遠程監(jiān)控設備及生產(chǎn)運行情況、根據(jù)經(jīng)營需要及時發(fā)出調(diào)度指令。技術人員可以根據(jù)查詢到的實時信息來判斷設備工作狀態(tài)、調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程、及時檢測設備故障并診斷。移動4g網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關和無線客戶端在profibus-dp遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用，可以將現(xiàn)場設備系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)及企業(yè)信息管理系統(tǒng)有機結合起來，并實現(xiàn)對現(xiàn)場總線的遠程實時監(jiān)控。

為了實現(xiàn)通過移動4g網(wǎng)絡對工業(yè)現(xiàn)場總線的實時監(jiān)控，設計了一種基于fpga的4g-profibus嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決利用4g網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控profibus現(xiàn)場設備而提供的一種基于fpga的4g-profibus-dp的嵌入式網(wǎng)關，該設備能夠很好地實現(xiàn)移動4g網(wǎng)絡與profibus-dp的互聯(lián)通信，從而將profibus工控網(wǎng)絡通過移動4g網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術方案是：

一種基于fpga的4g-profibus的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備，特點是：該設備包括fpga核心架構模塊、電源電路模塊、usb接口模塊、jtag接口模塊、復位電路模塊、flash模塊、rs232接口模塊及sdram模塊，fpga分別與電源電路模塊、rs232接口模塊、jtag接口模塊、復位電路模塊、usb接口模塊、flash模塊以及sdram模塊相連接，電源電路模塊為fpga核心架構模塊進行供電。jtag接口模塊主要用于程序下載和燒寫flash。

所述fpga核心架構模塊包括fpga芯片及由niosii搭建的處理核心，以實時處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)換、過濾、分包操作。

所述usb接口模塊使用ch376s芯片文件管理控制芯片來實現(xiàn)fpga對sd卡或u盤的讀寫。

所述jtag接口模塊是四線tms、tck、tdi、tdo，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線；主要用于程序下載和燒寫flash，同時jtag接口還負責連接jlink仿真器，用于嵌入式開發(fā)的調(diào)試。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)、通過fpga處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的方案，相對傳統(tǒng)的通過linux操作系統(tǒng)處理的方案，該方案具有并行處理、數(shù)據(jù)處理速度快、集成度高、內(nèi)部硬件模塊可定義、靈活性大的特點。

(2)、本發(fā)明將4g移動通信技術應用到工業(yè)網(wǎng)絡中，實現(xiàn)對profibus-dp現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控，解決了有線監(jiān)控布線繁瑣、成本高的缺點。

附圖說明

通過參考以下結合附圖的說明及權利要求書的內(nèi)容,并且隨著對本發(fā)明專利的更全面理解,本發(fā)明專利的其它目的及結果將更加明白及易于理解。在附圖中：

圖1為本發(fā)明專利一種基于fpga的4g-profibus嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備結構示意圖；

圖2為本發(fā)明專利一種基于fpga的4g-profibus嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備工作流程圖；

圖3為本發(fā)明專利一種基于fpga的4g-profibus嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備的應用系統(tǒng)連接示意圖

其中：1.云計算模塊，2.lte，3.一種基于fpga的4g-profibus嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關設備,4.profibus網(wǎng)絡，5.profibus現(xiàn)場設備，6.應用平臺，7.數(shù)據(jù)服務器。

具體實施方式

為了加深對本發(fā)明專利的理解，下面將結合實施例對本發(fā)明專利作進一步詳述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明專利，并不構成對本發(fā)明專利保護范圍的限定。

參閱圖1，本發(fā)明包括：fpga核心架構模塊、電源電路模塊、usb接口模塊、jtag接口模塊、復位電路模塊、flash模塊、rs232接口模塊及sdram模塊，fpga模塊分別與電源電路模塊、rs232接口模塊、jtag接口模塊、復位電路模塊、usb接口模塊、flash模塊以及sdram模塊相連接，電源電路模塊為fpga核心架構模塊進行供電。jtag接口模塊主要用于程序下載和燒寫flash。

本發(fā)明的fpga核心架構模塊包括fpga芯片及由niosii搭建的處理核心，以實時處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)換、過濾、分包操作。

本發(fā)明的usb接口模塊使用ch376s芯片文件管理控制芯片來實現(xiàn)fpga對sd卡或u盤的讀寫。

本發(fā)明的jtag接口模塊是四線tms、tck、tdi、tdo，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。主要用于程序下載和燒寫flash，同時jtag接口還負責連接jlink仿真器，用于嵌入式開發(fā)的調(diào)試。

本發(fā)明的電源電路模塊為fpga核心架構模塊進行供電。

本發(fā)明的rs232接口模塊與4g通信模塊連接，并將數(shù)據(jù)通過4g網(wǎng)絡上傳到云端服務器。rs485模塊與模擬profibus-dp現(xiàn)場設備的pc機相連接，獲取pc機中模擬的profibus-dp設備的數(shù)據(jù)。

參閱圖2為本發(fā)明的協(xié)議轉(zhuǎn)換原理圖，本發(fā)明是這樣工作的：

嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)上電后。網(wǎng)關接收到profibus-dp總線的數(shù)據(jù)后，針對收到的每一個profibus-dp數(shù)據(jù)幀，進行所有字節(jié)的校驗，并按照profibus-dp協(xié)議幀具體結構進行解包。

網(wǎng)關先校驗數(shù)據(jù)幀的開始字節(jié)，通過校驗sd的值來判斷該數(shù)據(jù)包是無數(shù)據(jù)幀或是可變字段長度的數(shù)據(jù)幀亦或是固定長度的數(shù)據(jù)幀；接著校驗ed、le等，然后取出da、sa、fc、fcs等，然后就可以獲得數(shù)據(jù)，最后還要校驗fcs位，若fcs位正確，說明該數(shù)據(jù)有效，若不正確，該數(shù)據(jù)無效。

在一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每一數(shù)據(jù)的幀都需要校驗，在校驗過程中，若是其中有一個字節(jié)在校驗的時候不符合profibus-dp協(xié)議幀的規(guī)定，即出現(xiàn)錯誤，那么這次數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)包都要算作無效數(shù)據(jù)。

當數(shù)據(jù)從4g通信模塊發(fā)送到網(wǎng)關時，網(wǎng)關首先校驗數(shù)據(jù)幀的幀頭，判斷該數(shù)據(jù)幀是不是lte的數(shù)據(jù)幀，若不是，則舍棄等待下一個數(shù)據(jù)流的來臨。若是則按照lte的協(xié)議結構進行解包，然后再按照profibus-dp協(xié)議幀的結構添加起始字節(jié)、da、sa等字節(jié)，最后封裝成能在profibus-dp現(xiàn)場總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

參閱圖3為本發(fā)明的連接應用系統(tǒng)示意圖。

網(wǎng)關有兩個接口，分別連接profibus-dp與4g模塊，作為兩個網(wǎng)絡的輸入輸出接口。profibus-dp發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關，網(wǎng)關按照profibus-dp協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、用戶接口層的順序逐層解包，解包后的數(shù)據(jù)加密后，再按照lte協(xié)議的應用層、pdcp層、rlc層、mac層、物理層的順序進行逐層封裝，然后將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器上，從而完成數(shù)據(jù)從profibus-dp協(xié)議到lte協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程。同理，數(shù)據(jù)從lte協(xié)議到profibus-dp協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程，就是上述過程的逆過程，通過相同原理進行數(shù)據(jù)的解包和封裝，再發(fā)送到profibus-dp現(xiàn)場總線設備上。

嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)上電后，pc端的串口調(diào)試助手sscom模擬profibus從站向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關接收到數(shù)據(jù)后進行解包然后發(fā)送給4g模塊，4g模塊上傳到服務器的數(shù)據(jù)庫中。通過串口向網(wǎng)關連續(xù)發(fā)送不帶數(shù)據(jù)的固定長度的發(fā)送/請求幀、帶數(shù)據(jù)的固定長度的發(fā)送/請求幀以及可變數(shù)據(jù)字段長度的發(fā)送/請求幀，數(shù)據(jù)在網(wǎng)關中經(jīng)過解包后發(fā)送到客戶端。最終實現(xiàn)了4g移動網(wǎng)絡與profibus-dp的互聯(lián)通信。