CN111083046A - 一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关 - Google Patents

一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向工业现场的5G—Profibus‑DP网关，主要包括FPGA处理器模块、RS485接口电路、UART接口电路、5G模块及外部存储器模块。本发明的网关将5G技术应用到工业现场，可以实现5G网络与Profibus‑DP总线两种异构网络的互联互通。本发明针对5G与Profibus‑DP总线需要互联互通的应用场景，例如：利用5G终端远程操作、监控Profibus‑DP总线设备。本发明不仅可以解决有线网络布线繁琐、成本高的问题，还可以保障通信过程的实时性与可靠性，在工业领域具有强烈的市场需求与广阔的应用前景。

Description

一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关
技术领域
本发明属于工业互联网及蜂窝通信领域，涉及一种面向工业现场的嵌入式网关，特别涉及一种实现5G和Profibus-DP互联互通的嵌入式网关。
背景技术
随着万物互联时代的到来，互联网对产业的影响日益凸显，互联网经济已经正式进入下半场，从消费互联网进入工业互联网。工业互联网对工业生产全流程、无死角的网络覆盖要求，使得5G技术在工厂内部的部署已成为必然。5G作为新一代蜂窝通信技术，它支持数10Gbps的峰值速率，毫秒级的端到端时延，每平方公里一百万的连接数密度，每小时500Km以上的移动性。如今在5G技术的大力发展下，利用5G技术有效监管和控制工业生产过程，对现场设备进行远程操控、维护，已经成为研究热点。
Profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。它由兼容的三部分组成，即Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)、Profibus-PA(Process Automation)、Profibus-FMS(Fieldbus MessageSpecification)。其中Profibus-DP是一种经过优化的、高速廉价的通信连接，专为自动控制***和设备级分散I/O之间的通信而设计。
本发明针对5G与Profibus-DP总线互联互通的应用场景(例如：利用5G终端远程操作、监控Profibus-DP总线设备；Profibus-DP总线上的中央控制器通过5G网络远程控制自动运输车)，发明了一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，具有强烈的市场需求和广阔的应用场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向工业现场的嵌入式网关，以解决5G网络和Profibus-DP总线两种异构网络的协议转换问题，用来实现5G网络和Profibus-DP总线的互联互通。
为实现本发明的目的，采取的技术方案如下：
一种面向工业现场的嵌入式网关，包含以下模块：FPGA处理器模块、RS485接口电路、UART接口电路、5G模块及外部存储器模块。所述FPGA处理器模块通过所述RS485接口电路连接工业现场的Profibus-DP总线，所述FPGA处理器模块通过所述UART接口电路连接所述5G模块。所述外部存储器模块与所述FPGA模块进行电气连接。
进一步，所述FPGA处理器模块采用Cyclone IV系列的EP4CE30F23C8芯片作为整个网关的主控制芯片，负责数据流与控制指令的接收与发送，负责5G与Profibus-DP两种异构网络之间的协议转换。所述FPGA处理器模块采用1GB的DDR3 RAM作为内部存储器，负责数据与程序的存储。
进一步，所述FPGA处理器模块包括***的电源电路模块、复位电路模块及JTAG模块。所述的电源电路模块负责提供所述的FPGA处理器模块内各种逻辑电路正常运行及I/O引脚正常工作所需的电压；所述的复位电路模块负责将所述的FPGA处理器模块恢复到初始状态；所述的JTAG模块是下载配置电路，主要用于程序下载调试和烧写FLASH。
进一步，所述RS485接口电路由MAX485芯片与RS485接口组成，所述MAX485芯片负责TTL电平与RS485电平之间的电平转换，所述RS485接口用来连接Profibus-DP总线。
进一步，所述UART接口电路由USB/RS232双向转换芯片PL2303SA构成，负责连接所述FPGA处理器模块与所述5G模块。
进一步，所述5G模块采用华为公司的5G工业模块MH5000，MH5000模块搭载华为5G通信芯片巴龙5000，下行速率可达2Gbps，上行速率可达230Mbps，支持非独立、独立组网模式，可以匹配中国5G网络。
进一步，所述的外部存储器模块由型号为W25Q128BV的FLASH存储器和型号为24LC04的EEPROM存储器组成，用于保存***文件和程序。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)现有的Profibus-DP总线网关主要解决Profibus-DP总线与Wi-Fi、4G等传统无线网络互联互通的问题。但Wi-Fi、4G在传输速率、可靠性、移动性等方面存在不足，不适用于远程操作、监控工业现场设备等对网络实时性要求高的工业场合，相应的网关设备也不适用于对网络实时性要求高的工业现场。
(2)本发明提供一种能实现Profibus-DP总线与5G互联互通的网关，5G的低时延、高可靠等关键性能指标，使其可以广泛应用于工业领域，目前5G在工业领域的应用已经成为研究热点，相应的本发明的网关在工业领域具有强烈的市场需求与广阔的应用前景。
(3)本发明可以作为远程操作、监控Profibus-DP总线设备的***的核心设备，不仅可以解决有线网络布线繁琐、成本高的问题，还可以保障通信过程的实时性与可靠性。本发明将5G技术应用到工业网络中，为5G在工业现场的应用提供了一种方案，符合工业化+信息化、工业互联网发展的必然趋势。
附图说明
在附图中：
图1是本发明的硬件结构框图；
图2是本发明将Profibus-DP协议转换成5G协议的过程示意图；
图3是基于本发明实现工业现场设备远程监控与自动运输车远程控制的***结构示意图。
其中：1、FPGA处理器；2、DDR3 RAM内部存储器；3、RS485接口电路；4、UART接口电路；5、5G模块；6、FLASH；7、EEPROM；8、电源电路模块；9、复位电路模块；10、JTAG模块；11、5G网络；12、Profibus-DP总线；13、主站；14、从站；15、网关设备；16、5G终端；17、自动运输车。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明的硬件结构框图。本发明的硬件主要包括FPGA处理器1、DDR3 RAM内部存储器2、RS485接口电路3、UART接口电路4、5G模块5、外部存储器模块(FLASH 6与EEPROM7)、电源电路模块8、复位电路模块9以及JTAG模块10。
所述的DDR3 RAM内部存储器2、RS485接口电路3、UART接口电路4、5G模块5、外部存储器模块(FLASH 6与EEPROM 7)、电源电路模块8、复位电路模块9及JTAG模块10均与所述FPGA处理器1进行电气连接。
所述RS485接口电路3用于连接网关设备15和Profibus-DP总线12；所述UART接口电路4用于连接所述FPGA处理器1与所述5G模块5，所述5G模块5可以匹配5G网络11，用于连接网关设备15和5G网络11；所述外部存储器模块由FLASH 6与EEPROM 7组成，负责存储***配置文件和***程序；所述电源电路模块8提供本发明的网关正常工作所需电压；所述复位电路模块9负责所述FPGA处理器1的初始化；所述JTAG模块10用于下载调试程序。
所述FPGA处理器1作为本发明的网关的核心模块，负责数据流和控制指令的接收与发送，在其余模块配合下完成Profibus-DP总线12和5G网络11两种异构网络之间的协议转换，进而实现两种异构网络的互联互通。
图2是本发明将Profibus-DP协议转换成5G协议的协议转换过程示意图。如图2所示，Profibus-DP协议包括物理层、数据链路层、用户层，5G协议包括物理层、数据链路层、网路层、传输层、应用层。本领域技术人员应当理解的是，5G协议与Profibus-DP协议均有物理层、数据链路层，但是各自的具体结构全然不同。图2中H3、HA分别表示Profibus-DP用户层与5G应用层的头部，头部由该层的一些必要信息组成。HT、HN是5G传输层、网络层的头部，H2、T2是Profibus-DP数据链路层的头部与尾部，HL、TL是5G数据链路层的头部与尾部。
协议转换过程的实质是：网关将Profibus-DP协议数据包逐层解析得到数据部分，再将得到的数据部分按照5G协议结构进行逐层封装得到5G协议数据包的过程。
具体过程是：网关的RS485接口电路3将接收的电信号转换成二进制比特流，然后交给物理层，物理层则根据数据链路层的头部与尾部提取出帧，并交给数据链路层，数据链路层剥除本层的头部与尾部，然后向上传递给用户层继续进行解析，直到最终得到数据部分。网关将得到的数据部分按照5G应用层结构加上头部，然后向下传递给运输层，之后每往下一层传递之前，都要先加上该层的头部。数据链路层为传下来的数据加上本层的头部与尾部后传给物理层，物理层通过UART接口电路4将数据传给5G模块5，最终5G模块5将数据发送到5G网络11。
网关将5G协议转换成Profibus-DP协议的过程是上述过程的逆过程。
图3是基于本发明实现工业现场设备远程监控与自动运输车远程控制的***结构示意图。Profibus-DP总线***由Profibus-DP总线12与总线上连接的设备组成，总线上的设备分为主站13和从站14。所述主站13是***的中央控制器，可以主动地、周期性地与所组态的所述从站14进行数据交换；所述从站14是进行输入信息采集和输出信息发送的工业现场设备，例如传感器、执行器等。
网关设备15负责Profibus-DP协议与5G协议之间的协议转换，可以实现所述Profibus-DP总线12与5G网络11之间的互联互通。技术人员可以通过5G终端16读取从所述5G网络11传送来的工业现场设备数据，从而实现远程实时监控工业现场设备；所述主站13通过所述5G网络11向自动运输车17发送数据和控制指令，达到远程实时控制所述自动运输车17的目的。
基于本发明实现远程监控工业现场设备的具体过程如下：
1)所述5G终端16接入所述5G网络11，与所述网关设备15建立通信连接；
2)所述5G终端16通过所述5G网络11向所述网关设备15发送指令(5G协议结构)，要求查看Profibus-DP总线***的现场设备的运行参数；
3)所述网关设备15接收到指令后进行协议转换，将指令转换成Profibus-DP协议结构的数据；
4)协议转换完成后，所述网关设备15将指令(已经是Profibus-DP协议结构)发送给所述Profibus-DP总线12；
5)所述主站13接收指令，并收集所述从站14(工业现场设备)的运行参数；
6)所述主站13将收集到的现场设备运行参数(Profibus-DP协议结构)发送给所述网关设备15；
7)所述网关设备15接收到设备运行参数后进行协议转换，将设备运行参数转换成5G协议结构的数据；
8)所述网关设备15将设备运行参数(已经是5G协议结构)发送到所述5G网络11，进而发送给所述5G终端16，相关技术人员通过所述5G终端16就能查看现场设备运行参数。
上述过程就是基于本发明实现远程监控工业现场设备的具体过程。
同理，所述主站13通过所述网关设备15发送控制指令，利用所述5G网络11远程控制所述自动运输车17的过程与上述过程类似。本发明的网关作为核心设备，实现5G协议与Profibus-DP协议之间的协议转换，进而实现这两种异构网络的互联互通。

Claims (7)

1.一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：包括FPGA处理器模块、RS485接口电路、UART接口电路、5G模块及外部存储器模块；
所述FPGA处理器模块通过所述RS485接口电路连接工业现场的Profibus-DP总线；所述FPGA处理器模块通过所述UART接口电路连接所述5G模块；所述外部存储器模块与所述FPGA模块进行电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述FPGA处理器模块采用Cyclone IV系列的EP4CE30F23C8芯片。
3.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述FPGA处理器模块采用1GB的DDR3RAM作为内部存储器，负责数据与程序的存储；所述FPGA处理器模块包括***的电源电路模块、复位电路模块及JTAG模块。
4.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述RS485接口电路由MAX485芯片与RS485接口组成，所述MAX485芯片负责TTL电平与RS485电平之间的电平转换，所述RS485接口用来连接Profibus-DP总线。
5.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述UART接口电路由USB/RS232双向转换芯片PL2303SA组成，负责连接所述FPGA处理器模块与所述5G模块。
6.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述5G模块采用华为公司的5G工业模块MH5000，MH5000模块搭载华为5G通信芯片巴龙5000，可以匹配中国5G网络。
7.根据权利要求1所述的一种面向工业现场的5G—Profibus-DP网关，其特征在于：所述的外部存储器模块由型号为W25Q128BV的FLASH存储器和型号为24LC04的EEPROM存储器组成，用于保存***文件和程序。
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