基于工业物联网的智能网关设计

张 仪,杨露霞，张 椅

(重庆川仪软件有限公司,重庆 401121)

0 引言

物联网时代的到来为我国的工业领域带来了新的机遇和挑战。它将快速引导传统的工业进入现代化。智能制造应用服务实施的关键是设备和网络。当设备实施了智能化改造之后，信息的传输渠道的建立是关键。传统设备的通信标准种类繁多，使得设备之间的互联互通很难实现。对于未来面向智能工厂的工业物联网的发展，研究一种能够满足各种工业现场的通信需求、适用于各类设备通用接入功能、可实现设备间互联互通的新技术是很有必要的。本文基于工业物联网，设计了一种面向现场仪表的智能网关，实现了现场仪表与网络层的互联互通。

1 工作原理

智能网关是一种采集仪表数据的通信设备，主要功能有：为仪表供电、与仪表通信进行曼彻斯特编码(Manchester encoding，ME)调制等。智能网关控制流程图如图1所示。

图1 智能网关控制流程图Fig.1 Control flowchart of intelligent gateway

图1中，智能网关硬件部分由现场可编程门阵列[1](field-programmable gate array,FPGA)核心板与采集底板组成。其中，采集底板部分包括以太网、信号隔离电路、曼彻斯特调制电路。FGPA核心板实现曼彻斯特编码与解码，以及以太网的网络层媒体访问控制(media access control,MAC)子层协议的部分功能。采集底板有多个独立通道，每个通道都通过两线制连接一组仪表，实现供电和曼彻斯特编码通信功能。控制端通过以太网口与FPGA进行通信，并向下发送数据。FPGA收到数据后进行曼彻斯特编码，再由曼彻斯特调制电路进行调制后通过传输线发送至仪表；仪表进行数据处理后，再返回数据；返回数据通过智能网关中的采集底板解调后发送至FPGA，经处理后再通过以太网传输至控制端进行结果显示。

2 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码又称相位编码(phase encoding,PE)，是一个同步时钟编码技术[2]。曼彻斯特编码具有很多优点：易实现同步；时钟信号非常丰富，在多个相同码元连续出现的情况下，也能通过跳变找到同步信号，能在解码过程中减少误码率；信号通过交流分量传输，具有较强的抗干扰性能[3]。

曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输的信道编码技术。其具有隐含时钟、去除零频率信号的特性，得到了广泛的应用。

3 硬件设计

3.1 FPGA核心板

FPGA是在可编程阵列逻辑(programmable array logic,PAL)、通用阵列逻辑(generic array logic,GAL)、复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device,CPLD)等可编程器件的基础上进一步发展而来的。它实际上是一种半定制的电路，能够弥补定制电路的缺点。

由硬件描述语言Verilog[4]完成的电路设计，可以快速地烧录至 FPGA 上进行测试，是集成电路设计的主流技术。逻辑单元存在于FPGA内部，是用于搭建逻辑电路、完成用户设计逻辑的最小单元。这些单元能实现逻辑门电路或者一些组合功能。

FPGA内部的逻辑块可通过程序设计连接起来，类似芯片内的集成电路。因为逻辑块和连接方式可任意改变，所以FPGA具有较大的灵活性，可按需要实现相应的逻辑功能。

智能网关中的FPGA核心板采用基于Xilinx ZYNQ系列系统级芯片(system on chip,SoC)器件，内部集成ARM公司双核Cortex-A9处理器的核心板，集成512 MB DDR3 SDRAM，1 GB内存资源；具有丰富的外设资源，通过外部扩展，可以实现高速USB、SD卡、总线、10/100/1 000 Mbit/s以太网、调试接口等功能。

3.2 电源方案

3.2.1 FPGA及隔离电路供电方案

选用24 V转5 V电源模块，输入电压+24 V，输出电压+5 V，功率6 W，带载能力1.2 A。此部分电源可保证FPGA核心板以及信号隔离电路正常工作。

3.2.2 调制电路通道供电

每个调制电路通道是相互独立的，由总电源24 V给每个通道供电。每个调制电路通道采用一个独立的24 V转18 V电源模块，将总电源24 V转换成独立的18 V，为通道供电。24 V转18 V电源模块输出功率为2 W；最大带载能力为2 W/18 V≈111 mA。

3.3 曼彻斯特调制电路

曼彻斯特调制电路分为信号发送电路和信号接收电路两部分。发送电路[5]将FPGA核心板发送的曼彻斯特编码调制后发送；接收电路[6]负责接收仪表传送的曼彻斯特编码[7]，并将其解调后传送至FPGA核心板进行解码处理。曼彻斯特调制电路方案框图如图2所示。

图2 曼彻斯特调制电路方案框图Fig.2 Block diagram of Manchester modulation circuit

信号发送电路由过压过流保护电路、滤波电路、放大电路、稳压电路组成。过压过流保护电路可在电路中出现过压过流情况时，及时切断电源，对电路进行保护。滤波电路用于滤除传输数据中包含的其他频率成分的信号，以增加抗干扰能力。放大电路对数据波形进行运算放大处理。稳压电路为整个信号发送电路提供稳定的工作电压。

信号接收电路由滤波电路、放大电路、耦合电路组成。滤波电路、放大电路功能与信号发送电路中滤波电路、放大电路的功能类似；耦合电路用于将数据波形进行整形，以便FPGA进行处理。

3.4 网络通信

智能网关中包含三路以太网。以太网包括网络层MAC[8]协议、物理层(physical layer,PHY)[9]物理接口收发器以及以及网络接口三部分。

三路以太网中，两路的MAC协议部分由FPGA的专用输入输出接口搭建，另外一路由FPGA的普通输入/输出接口搭建。MAC协议主要负责控制与连接物理层的物理介质。

三路以太网中，两路的PHY部分由FPGA的专用输入输出接口搭建，另外一路由FPGA的普通输入/输出接口搭建，实现了以太网的物理层功能。以太网的外围电路由专用PHY芯片以及供电电路、网络接口等构成，与FPGA搭建的协议部分一起组成了以太网功能。经测试，此方案能实现千兆以太网稳定通信。

4 试验验证

通过搭建基于智能网关的试验测试平台，验证方案的可行性。测试平台由控制端(计算机)、智能网关、电缆线、通信卡、压力变送器组成。智能网关与计算机通过以太网连接通信，通过电缆与带通信卡的压力变送器连接。在计算机上，使用以太网调试软件发送与接收数据。该软件能够实时显示发送与接收的数据，将发送与接收的数据进行对比，以达到验证的效果。数据发至FPGA后，由FPGA进行曼彻斯特编码，再发送至智能网关曼彻斯特编码调制电路，最后通过电缆传输至压力变送器。压力变送器接收到数据后进行解码，然后再返回同样的数据；返回的数据通过电缆传输到智能网关，再通过以太网通信传输至控制端计算机[10]。接收到的数据在以太网调试软件界面上显示，并进行对比验证。在示波器上捕捉到控制端发送波形与接收波形，二者基本一致，说明曼彻斯特编码在智能网关传输通道中比较稳定。

控制端发送与接收数据显示界面是以太网调试软件界面，分为发送区和接收区。发送区显示控制端发送一次00、01、02、03、04、05、06这7个字节的数据，接收区显示控制端接收到返回的00、01、02、03、04、05、06这7个字节的数据。采用发送间隔100 ms的连续发送模式，进行长期通信试验。在测试过程中，总共发送10 003个字节，接收到10 003个字节，误码率为0%。该方案能够通过控制端与现场仪表稳定通信，实现将现场仪表数据上传至云端。

5 结束语

传统的控制系统只能处理设备的过程量，无法承载智能设备的智能服务信息以及与现场关联的数据处理。通过研究控制和服务信息分流的智能网关，解决了设备的现场服务和运行数据无法处理以及多个设备同时通信传输的问题；既提高了接入设备的数量，又增强了数据处理能力；既兼顾了传统现场的控制系统，又可适应以数据流为核心的物联网平台，很好地提升了传统装备和智能装备共存于一个网络的服务能力，有效地保障了制造现场的设备便捷地接入服务网络。通过信息汇聚，构造智能设备云，开展技术信息交付、智能故障诊断及服务执行、服务网络与备件优化、远程诊断与预防性维护、质量可靠性修正等业务，为快速响应、跟踪现场状况、调整现场运行提供了技术条件，为构建工业互联服务奠定了基础。

参考文献:

[1] 李丞,张玉,胡进,等.基于改进曼彻斯特算法的二次雷达混扰信号分选[J].现代雷达,2017,39(12):29-30.

[2] 陈强军,方倪,胡安正.基于曼彻斯特码解码的 125kHz射频卡设计[J].科技创新与应用,2016(30)：57.

[3] 舒平平,王小军,赵嘎,等.基于 FPGA 的曼彻斯特编码DSG的设计与实现[J].实验科学与技术,2012(10):7.

[4] 潘慧峰.数字集成电路设计中的Vhdl应用探讨[J].电子世界,2018(7):18-19.

[5] 康华光．电子技术基础模拟部分[M]．5版.武汉：高等教育出版社,2005：28-37.

[6] 申莎莎.低频低噪声模拟信号自动增益控制系统的设计[J].山西大同大学学报(自然科学版),2018,34(1):24-28.

[7] 萧宝瑾,程江亮.一种基于反相对称调制的曼彻斯特码解码系统[J].信息技术,2016(10)：23-24.

[8] 吴长瑞,徐建清,蒋景红.基于FPGA的千兆以太网接口应用研究与实现[J].现代电子技术,2018(9):1-5.

[9] 孙伟龙,朱元武,张振华,等.实时以太网核心调度模块设计及FPGA实现[J].火力与指挥控制,2018,43(3):111-115.

[10]孙鹏，宋坤，何成，等.物联网技术在电网设备运维管理中的应用[J].计算机科学与探索，2017，11(增刊)：363-365.