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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及工业设备现场通讯
，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。
技术介绍
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。中国专利技术专利申请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。该专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术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，本专利技术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(QuadriPhaseShiftKeying，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


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。


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。


4.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。


5.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。


6.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(QuadriPhaseShiftKeying，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。


7.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。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凯，刘斌辉，黄林轶，徐华伟，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所工业和信息化部电子第五研究所中国赛宝实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44