基于工業物聯網的智能網關設計

張 儀,楊露霞，張 椅

(重慶川儀軟件有限公司,重慶 401121)

0 引言

物聯網時代的到來為我國的工業領域帶來了新的機遇和挑戰。它將快速引導傳統的工業進入現代化。智能制造應用服務實施的關鍵是設備和網絡。當設備實施了智能化改造之后，信息的傳輸渠道的建立是關鍵。傳統設備的通信標準種類繁多，使得設備之間的互聯互通很難實現。對于未來面向智能工廠的工業物聯網的發展，研究一種能夠滿足各種工業現場的通信需求、適用于各類設備通用接入功能、可實現設備間互聯互通的新技術是很有必要的。本文基于工業物聯網，設計了一種面向現場儀表的智能網關，實現了現場儀表與網絡層的互聯互通。

1 工作原理

智能網關是一種采集儀表數據的通信設備，主要功能有：為儀表供電、與儀表通信進行曼徹斯特編碼(Manchester encoding，ME)調制等。智能網關控制流程圖如圖1所示。

圖1 智能網關控制流程圖Fig.1 Control flowchart of intelligent gateway

圖1中，智能網關硬件部分由現場可編程門陣列[1](field-programmable gate array,FPGA)核心板與采集底板組成。其中，采集底板部分包括以太網、信號隔離電路、曼徹斯特調制電路。FGPA核心板實現曼徹斯特編碼與解碼，以及以太網的網絡層媒體訪問控制(media access control,MAC)子層協議的部分功能。采集底板有多個獨立通道，每個通道都通過兩線制連接一組儀表，實現供電和曼徹斯特編碼通信功能。控制端通過以太網口與FPGA進行通信，并向下發送數據。FPGA收到數據后進行曼徹斯特編碼，再由曼徹斯特調制電路進行調制后通過傳輸線發送至儀表；儀表進行數據處理后，再返回數據；返回數據通過智能網關中的采集底板解調后發送至FPGA，經處理后再通過以太網傳輸至控制端進行結果顯示。

2 曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼又稱相位編碼(phase encoding,PE)，是一個同步時鐘編碼技術[2]。曼徹斯特編碼具有很多優點：易實現同步；時鐘信號非常豐富，在多個相同碼元連續出現的情況下，也能通過跳變找到同步信號，能在解碼過程中減少誤碼率；信號通過交流分量傳輸，具有較強的抗干擾性能[3]。

曼徹斯特編碼是一種超越傳統數字傳輸的信道編碼技術。其具有隱含時鐘、去除零頻率信號的特性，得到了廣泛的應用。

3 硬件設計

3.1 FPGA核心板

FPGA是在可編程陣列邏輯(programmable array logic,PAL)、通用陣列邏輯(generic array logic,GAL)、復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device,CPLD)等可編程器件的基礎上進一步發展而來的。它實際上是一種半定制的電路，能夠彌補定制電路的缺點。

由硬件描述語言Verilog[4]完成的電路設計，可以快速地燒錄至 FPGA 上進行測試，是集成電路設計的主流技術。邏輯單元存在于FPGA內部，是用于搭建邏輯電路、完成用戶設計邏輯的最小單元。這些單元能實現邏輯門電路或者一些組合功能。

FPGA內部的邏輯塊可通過程序設計連接起來，類似芯片內的集成電路。因為邏輯塊和連接方式可任意改變，所以FPGA具有較大的靈活性，可按需要實現相應的邏輯功能。

智能網關中的FPGA核心板采用基于Xilinx ZYNQ系列系統級芯片(system on chip,SoC)器件，內部集成ARM公司雙核Cortex-A9處理器的核心板，集成512 MB DDR3 SDRAM，1 GB內存資源；具有豐富的外設資源，通過外部擴展，可以實現高速USB、SD卡、總線、10/100/1 000 Mbit/s以太網、調試接口等功能。

3.2 電源方案

3.2.1 FPGA及隔離電路供電方案

選用24 V轉5 V電源模塊，輸入電壓+24 V，輸出電壓+5 V，功率6 W，帶載能力1.2 A。此部分電源可保證FPGA核心板以及信號隔離電路正常工作。

3.2.2 調制電路通道供電

每個調制電路通道是相互獨立的，由總電源24 V給每個通道供電。每個調制電路通道采用一個獨立的24 V轉18 V電源模塊，將總電源24 V轉換成獨立的18 V，為通道供電。24 V轉18 V電源模塊輸出功率為2 W；最大帶載能力為2 W/18 V≈111 mA。

3.3 曼徹斯特調制電路

曼徹斯特調制電路分為信號發送電路和信號接收電路兩部分。發送電路[5]將FPGA核心板發送的曼徹斯特編碼調制后發送；接收電路[6]負責接收儀表傳送的曼徹斯特編碼[7]，并將其解調后傳送至FPGA核心板進行解碼處理。曼徹斯特調制電路方案框圖如圖2所示。

圖2 曼徹斯特調制電路方案框圖Fig.2 Block diagram of Manchester modulation circuit

信號發送電路由過壓過流保護電路、濾波電路、放大電路、穩壓電路組成。過壓過流保護電路可在電路中出現過壓過流情況時，及時切斷電源，對電路進行保護。濾波電路用于濾除傳輸數據中包含的其他頻率成分的信號，以增加抗干擾能力。放大電路對數據波形進行運算放大處理。穩壓電路為整個信號發送電路提供穩定的工作電壓。

信號接收電路由濾波電路、放大電路、耦合電路組成。濾波電路、放大電路功能與信號發送電路中濾波電路、放大電路的功能類似；耦合電路用于將數據波形進行整形，以便FPGA進行處理。

3.4 網絡通信

智能網關中包含三路以太網。以太網包括網絡層MAC[8]協議、物理層(physical layer,PHY)[9]物理接口收發器以及以及網絡接口三部分。

三路以太網中，兩路的MAC協議部分由FPGA的專用輸入輸出接口搭建，另外一路由FPGA的普通輸入/輸出接口搭建。MAC協議主要負責控制與連接物理層的物理介質。

三路以太網中，兩路的PHY部分由FPGA的專用輸入輸出接口搭建，另外一路由FPGA的普通輸入/輸出接口搭建，實現了以太網的物理層功能。以太網的外圍電路由專用PHY芯片以及供電電路、網絡接口等構成，與FPGA搭建的協議部分一起組成了以太網功能。經測試，此方案能實現千兆以太網穩定通信。

4 試驗驗證

通過搭建基于智能網關的試驗測試平臺，驗證方案的可行性。測試平臺由控制端(計算機)、智能網關、電纜線、通信卡、壓力變送器組成。智能網關與計算機通過以太網連接通信，通過電纜與帶通信卡的壓力變送器連接。在計算機上，使用以太網調試軟件發送與接收數據。該軟件能夠實時顯示發送與接收的數據，將發送與接收的數據進行對比，以達到驗證的效果。數據發至FPGA后，由FPGA進行曼徹斯特編碼，再發送至智能網關曼徹斯特編碼調制電路，最后通過電纜傳輸至壓力變送器。壓力變送器接收到數據后進行解碼，然后再返回同樣的數據；返回的數據通過電纜傳輸到智能網關，再通過以太網通信傳輸至控制端計算機[10]。接收到的數據在以太網調試軟件界面上顯示，并進行對比驗證。在示波器上捕捉到控制端發送波形與接收波形，二者基本一致，說明曼徹斯特編碼在智能網關傳輸通道中比較穩定。

控制端發送與接收數據顯示界面是以太網調試軟件界面，分為發送區和接收區。發送區顯示控制端發送一次00、01、02、03、04、05、06這7個字節的數據，接收區顯示控制端接收到返回的00、01、02、03、04、05、06這7個字節的數據。采用發送間隔100 ms的連續發送模式，進行長期通信試驗。在測試過程中，總共發送10 003個字節，接收到10 003個字節，誤碼率為0%。該方案能夠通過控制端與現場儀表穩定通信，實現將現場儀表數據上傳至云端。

5 結束語

傳統的控制系統只能處理設備的過程量，無法承載智能設備的智能服務信息以及與現場關聯的數據處理。通過研究控制和服務信息分流的智能網關，解決了設備的現場服務和運行數據無法處理以及多個設備同時通信傳輸的問題；既提高了接入設備的數量，又增強了數據處理能力；既兼顧了傳統現場的控制系統，又可適應以數據流為核心的物聯網平臺，很好地提升了傳統裝備和智能裝備共存于一個網絡的服務能力，有效地保障了制造現場的設備便捷地接入服務網絡。通過信息匯聚，構造智能設備云，開展技術信息交付、智能故障診斷及服務執行、服務網絡與備件優化、遠程診斷與預防性維護、質量可靠性修正等業務，為快速響應、跟蹤現場狀況、調整現場運行提供了技術條件，為構建工業互聯服務奠定了基礎。

參考文獻:

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[10]孫鵬，宋坤，何成，等.物聯網技術在電網設備運維管理中的應用[J].計算機科學與探索，2017，11(增刊)：363-365.