CN109739124A - 多总线接口数据处理应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多总线接口数据处理应用系统，针对目前工业网络中的多种总线通信数据采集困难的问题，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多总线接入、多路径上报的数据处理应用系统。该数据处理应用系统以FPGA为硬件平台，基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信，在Linux操作系统上实现NB‑IoT、LTE/LTE‑A及UDP/IP数据上传。通过操作系统的多任务管理及FPGA的多串口管理、并行处理优势等功能的设计,实现多总线接入、多路径上报的操作。该发明在不改变现有工业网络环境下，实现了多总线数据分析、处理及上报，可实时查询相关数据，进而提高了工业设备的可靠性和稳定性。

Description

多总线接口数据处理应用系统

技术领域

本发明涉及控制工程领域，尤其涉及多总线接口数据处理应用系统。

背景技术

随着计算机网络的发展和物联网的兴起，将智能设备接入网络已成为一种趋势，以实现数据的共享与远程管理。但是目前大多智能设备使用的是不同类型的总线或网络。

以较为常见的工业网络为例，主要内容包括计算机网络体系结构、局域网技术、工业以太网、CAN总线技术、DeviceNet现场总线、DeviceNet节点设计与组网、ControlNet现场总线、工业网络及其应用等。仅ModBus协议目前就有下列三种通信方式：1、异步串行传输(RS-232/422/485/),对应的通信模式是MODBUS RTU或MODBUS ASCII。2、以太网，对应的通信模式是MODBUS TCP。3、高速令牌传递网络，对应的通信模式是Modbus PLUS。所以目前工业网络中的多种总线通信数据采集困难，工业设备的可靠性和稳定性不高。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种多总线接口数据处理应用系统，该系统为基于现场可编程门阵列(FPGA)的多总线接入、多路径上报的数据处理应用设计系统。能够实现多总线接入、多路径上报的操作。该发明在不改变现有工业网络环境下，实现了多总线数据分析、处理及上报，可实时查询相关数据，进而提高了工业设备的可靠性和稳定性。

技术方案：一种多总线接口数据处理应用系统，包括输入接口模块、数据处理模块和输出接口模块；其特征在于：输入接口模块与数据处理模块相连，将接收到的信息传递给数据处理模块，数据处理模块将数据解码、分析、处理、编码后通过输出接口模块发送给运维云平台；所述数据处理模块以FPGA为硬件平台，基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信，在Linux操作系统上实现对数据进行解码、分析、处理、编码，所述数据处理模块采用FIFO存储器进行数据缓存；并将编码后的数据通过输出接口模块发送给运维云平台。

具体的，输出接口模块包括：NB-IoT模块、LTE/LTE-A模块和RJ45网络模块。所述RJ45网络模块采用千兆网技术。所述RJ45网络模块通过UDP/IP协议实现数据与运维云平台的通信。输入接口模块与现场工业设备相连，用于实时获取工业设备的工作状态信息；输入接口模块包括工业以太网、DeviceNet现场总线、Modbus RTU总线，输入接口模块与数据处理模块相连，将接收到的信息传递给数据处理模块。输出接口模块提前将通信双方事先约定的一些信息封装在IP包里，添加到裸数据的报头里发送出去，发送模块在系统检测到数据有效标志后开始工作。

FPGA硬件平台接收到数据后通过所述FIFO存储器缓存，经过FPGA硬件平台组帧后通过超五类双绞线传输数据。

考虑到输入接口模块需要较多的通信接口，硬件设计时应尽量选用组合芯片、封装兼容的芯片模组，故输入接口模块硬件选用组合芯片或封装兼容的芯片模组。

有益效果：1、本发明的多总线接口数据处理应用系统中所述的输入接口模块包含工业以太网(Ethernet)、DeviceNet现场总线、Modbus RTU总线(RS485/RS232)等多种工业总线接口及外部数字信号，可实现与多台多类型设备连接，并同时处理采集的数据；2、本发明的多总线接口数据处理应用系统中所述的数据处理模块以FPGA为硬件平台，基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信，在Linux操作系统上实现对数据进行解码、分析、处理、编码，NB-IoT、并将编码后的数据通过LTE/LTE-A及UDP/IP发送给输出接口模块。3、本发明的多总线接口数据处理应用设计中所述的输出接口模块包含NB-IoT模块、LTE/LTE-A模块和RJ45网络模块，通过自动选择速度最快的接口服务器进行数据转发，以达到数据加速作用，可以有效减少网络丢包和网络延迟，进而提高了该应用设计的灵活性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的数据处理系统架构图；

图2为本发明的数据处理应用设计系统总体结构图；

图3为本发明的各模块所处时钟域；

图4为本发明的NB-IoT网络数据通信结构；

图5为本发明的LTE/LTE-A网络数据通信结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，多总线接口数据处理应用系统在实际应用中与工业设备及工业机器人运维云平台相连接，其具体应用如下：

工业设备，包括焊接机器人、切割机器人、搬运机器人及PLC等工业设备，工业设备将自身工作状态数据通过不同的工业总线发送给多总线接口数据处理应用系统；多总线接口数据处理应用系统，包括输入接口模块、数据处理模块和输出接口模块，数据处理应用设计通过不同工业总线获取工业设备工作状态信息，并对数据进行解码、分析、处理、编码，最后将编码后的数据通过输出接口模块传递给工业机器人运维云平台；工业机器人运维云平台，具有远程联网监测、设备故障特征的提取、故障的分离与估计、故障的评价上报与决策等功能，支持设备软故障预警功能，通过构建工业网络运维云平台，可创建大数据处理中心，为客户提供服务。

如图2所示，多总线接口数据处理应用系统，包括：

1)输入接口模块，输入接口模块与现场工业设备相连，用于实时获取工业设备的工作状态信息，输入接口模块包含工业以太网(Ethernet)、DeviceNet现场总线、ModbusRTU总线(RS485/RS232)等多种工业总线接口及外部数字信号，输入接口模块与数据处理模块相连，将接收到的信息传递给数据处理模块；考虑到输入接口模块需要较多的通信接口，硬件设计时应尽量选用组合芯片、封装兼容的芯片模组，例如，异步串行接口在设计时不选用分离的RS232+RS485组合芯片，因为芯片选择多，用量多，导致占用很多空间，可以选用复合型的RS232+RS485集成在一起的接口芯片，一颗复合芯片相当于一颗RS232+一颗RS485集成在一起，大大的节省了板子的空间；应用设计中选用的复合芯片为SP339EER1；

2)数据处理模块，数据处理模块以FPGA为硬件平台，基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信，在Linux操作系统上实现对数据进行解码、分析、处理、编码，并将编码后的数据通过NB-IoT、LTE/LTE-A及UDP/IP发送给工业机器人运维云平台；系统采用Xilinx公司的ISE14.7软件开发，采用自顶向下的方法进行设计，使用Verilog HDL硬件描述语言编写各个功能模块；如图3所示，数据处理模块具体包括：

2.1)数据接收：当系统接收到前导码后，接收目标MAC地址并判断该地址是否与系统预设的MAC地址一致，若一致则接收剩余的数据信息，进行下一步数据的处理；若不一致则回到初始状态，等待接收前导码；

2.2)数据处理：数据处理为分析接收的数据，并提取有价值的数据上传给运维云平台；

2.3)FIFO：FIFO为FIFO(First Input First Output)存储器，FIFO存储器是一个先入先出的双口缓冲器，即第一个进入其内的数据第一个被移出，其中一个存储器的输入口，另一个口是存储器的输出口，以增加数据传输率、处理大量数据流、匹配具有不同传输率，能有效提高系统的传输速率；

2.4)数据发送：数据发送与数据接收原理基本相同，区别在于发送模块增加了组帧的工作，需要提前将通信双方事先约定的一些信息封装在IP包里，添加到裸数据的报头里发送出去，发送模块在系统检测到数据有效标志后开始工作。以UDP/IP为例，首先将按照IP报头的要求，依次发送前导码、目的MAC地址、源MAC地址、版本号报头长度等报头信息，接着将读取的FIFO中的数据进行发送，在发送完全部数据后最后再发送CRC32校验数据。

如图4所示，在本实施例中，数据处理模块的系统工作流程：

系统通过前导码判断并接收采集的数据，将去掉帧头的数据缓存到一个FIFO中，FPGA对数据进行分析、处理后发送给运维云平台进行进一步分析。

系统工作流程如下：

步骤1)系统上电后完成一系列的初始化工作，准备接收采集的数据；

步骤2)采集的数据进入FIFO1进行一个缓存，再通过FIFO1传递给FPGA；

步骤3)FPGA的接收模块从FIFO1中读取采集的数据，并对数据进行分析、处理；

步骤4)将处理后的数据校验确认，并将数据存入FPGA产生的FIFO2中做缓存处理；

步骤5)FPGA的发送模块从FIFO2中将缓存的数据取出，并对数据的结构做一定的处理，同时对数据进行编码，添加相关的信息；

步骤6)FPGA将组装好的数据流经NB-IoT、LTE/LTE-A、TCP/IP传递给运维云平台。

3)输出接口模块，如图2所示，输出接口模块包括：NB-IoT模块、LTE/LTE-A模块和RJ45网络模块；

如图4所示，在本实施例中，NB-IoT网络数据通信具体结构如下：

NB-IoT模块：NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。本应用系统中NB-IoT模块选用SIM7000C模块，SIM7000C是基于高通MDM9206平台开发LTE CAT M1(eMTC)和NB-IoT模块，能支持LTETDD/LTE-FDD/LTE/LTE-A/EDGE多个频段，上下行数据流量峰值达到375kbps，并采用SMT封装，其性能稳定、外观小巧、性价比高、极低功耗特性。SIM7000C提供了业内广泛的外部接口，为客户的应用提供极大的便利，其中硬件接口包括UART、USB2.0、PCM等，软件接口包括：TCP、HTTP、HTTPS、SMS等。

NB-IoT网络数据通信采用四种协议模式，分别为透明传输、CoAP模式、协议透传模式和AT指令模式。本设计主要选择CoAP指令模式，CoAP协议(Constrained ApplicaTIonProtocol)是IETF专门为受限应用环境设计的协议，功能上与HTTP类似，但相比HTTP更轻量化和高效，适合于NB-IoT终端。UE直接和IoT平台或者M2M APP Server通过CoAP协议进行通信，承载应用层数据，M2M APP server支持CoAP协议时，业务数据可不经过IoT平台。

如图5所示，在本实施例中，LTE/LTE-A网络数据通信具体结构如下：

LTE/LTE-A模块：LTE指使用5GHz无需授权WIiFi频段的LTE，LTE-A指高级LTE，占用3G附近专用频段。二者技术的主要区别在于空口的物理层上。LTE系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据，而LTE-A系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，较LTE-A双工方式，LTE有着较高的频谱利用率。LTE可提供高速移动中的通信需求，支持多播和广播流，LTE频段扩展度好，支持1.4MHZ至20MHZ的时分多址和码分多址频段。本应用设计中LTE/LTE-A模块选用SIM7600C模块，SIM7600C是一款SMT封装的模块，支持LTE-TDD、LTE-FDD、HSPA+、TD-SCDMA、EVDO和GSM、GPRS、EDGE等频段,支持LTE CAT4(下行速度为150Mbps)，其性能稳定，外观小巧，性价比高，可以低功耗实现SMS和数据信息的传输。

LTE/LTE-A网络数据通信采用四种协议模式，分别为网络透传模式、短信透传模式、HTTP模式、协议透传模式和AT指令模式。本系统主要选择协议透传模式和AT指令模式，AT指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的指令。每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。

如表1所示，为Cellular IoT速率分布；

表1 Cellular IoT速率分布

可根据工业现场的环境选择相应的传输方式，进而提高了该应用设计的灵活性和稳定性。

RJ45网络模块：RJ45网络接口选用HR911102A,内置集成网络隔离变压器，HR911102A是在HR911105A的基础上集成了RJ45和初级中心抽头接地电路(75欧姆+高压电容，bob-smith接头)，集成式的在噪声抑制方面会强一点。

如图2所示，在本实施例中，RJ45网络模块采用千兆网技术：

为满足数据传输系统对远距离、大数据、抗干扰性和可靠性的需求，采用千兆以太网传输以取代以往的百兆网传输方式，实现大数据的快速远距离传输。FPGA接收到数据后通过FIFO缓存，经过FPGA组帧后通过超五类双绞线传输，系统传输速度最高可达1Gbit/s，硬件完成对数据的采集、校验和发送控制。

千兆网的优势在于兼容原有以太网标准所规定的全部技术规范，又同时具有一些新的特性，如使用8B/10B编码解码方案、分组突发技术等，使得网络传输速度得到了大幅度的提高。要通过千兆以太网传输数据，涉及到开放系统互联模型(OSI)中的1～4层，分别是物理层、数据链路层、网络层和传输层。

本实施例的数据传输系统的网络协议由FPGA实现，综合考虑实现的网络协议具有以下特点：

1)点对点通信，为实现千兆网络的数据传输，至少要使用到开放互联模型七层机构中的数据链路层和物理层，数据链路层负责帧的组装、传输、差错校验，物理层主要负责数据编码、状态监测等。由于系统实现的是点对点的数据传送，因此可以不考虑网络延迟堵塞可能引起的数据丢失和错误；

2)UDP协议，为提高传输速率，因此无需选用复杂的协议，使用传输速度快的UDP协议即可；

3)简化接口信号，因为是点对点通信，因此可以简化一些不必要的信号接口，如冲突检测和载波监听信号；

4)通信双方信息确定，通信双方的MAC地址，IP地址，协议类型，端口号等都是事先固定的，直接封装在数据包中，这样做一方面可以简化系统设计的复杂性，另一方面也可以提高信息的可靠度和传输速度。

上述三种网络上报接口可根据工业现场的环境进行自动选择，通过数据处理模块判断用户的网络线路类型，并将数据处理模块的网络数据转发到指定的接口服务器，由接口服务器转发给数据处理模块请求的真正服务器。通过自动选择速度最快的接口服务器进行数据转发，以达到数据加速作用，可以有效减少网络丢包和网络延迟。

具体来说，在本实施例提供的多总线接口数据处理应用设计，以FPGA为硬件平台，利用FPGA并行处理的优势和丰富的输入接口的优势构建单元模块实现通信，在Linux操作系统上实现对数据进行解码、分析、处理、编码，并可根据工业现场的环境选择将编码后的数据通过NB-IoT、LTE/LTE-A或UDP/IP发送给运维云平台。在不改变现有工业网络环境下，实现了多总线数据分析、处理及上报，实现远程联网监测、设备故障特征的提取、故障的分离与估计、故障的评价上报与决策等功能，数据处理应用设计硬件部分用接口转换芯片拓展应用设计的有效接口数量，软件部分基于开源的Linux操作系统，移植与修改较为方便，并引入客户端服务器之间的心跳机制，接口连接的故障检测和设备断开后重新枚举等功能增加了应用设计的可靠性。

Claims (8)

1.一种多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：包括输入接口模块、数据处理模块和输出接口模块；其特征在于：输入接口模块与数据处理模块相连，将接收到的信息传递给数据处理模块，数据处理模块将数据解码、分析、处理、编码后通过输出接口模块发送给运维云平台；所述数据处理模块以FPGA为硬件平台，基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信，在Linux操作系统上实现对数据进行解码、分析、处理、编码，所述数据处理模块采用FIFO存储器进行数据缓存；并将编码后的数据通过输出接口模块发送给运维云平台。

2.根据权利要求1所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述输出接口模块包括：NB-IoT模块、LTE/LTE-A模块和RJ45网络模块。

3.根据权利要求2所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述RJ45网络模块采用千兆网技术。

4.根据权利要求2所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述RJ45网络模块通过UDP/IP协议实现数据与运维云平台的通信。

5.根据权利要求3所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述FPGA硬件平台接收到数据后通过所述FIFO存储器缓存，经过FPGA硬件平台组帧后通过超五类双绞线传输数据。

6.根据权利要求1所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述输出接口模块提前将通信双方事先约定的一些信息封装在IP包里，添加到裸数据的报头里发送出去，发送模块在系统检测到数据有效标志后开始工作。

7.根据权利要求1所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述输入接口模块与现场工业设备相连，用于实时获取工业设备的工作状态信息；输入接口模块包括工业以太网、DeviceNet现场总线、Modbus RTU总线，输入接口模块与数据处理模块相连，将接收到的信息传递给数据处理模块。

8.根据权利要求7所述的多总线接口数据处理应用系统，其特征在于：所述输入接口模块硬件选用组合芯片或封装兼容的芯片模组。