如何使用FPGA實現(xiàn)4G和PROFIBUS的嵌入式網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡協(xié)議的設計

　　PROFIBUS（Process Field Bus，過程現(xiàn)場總線）是一種國際化現(xiàn)場總線標準，具有完善的技術(shù)體系、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和完整的技術(shù)標準等特點，成為工業(yè)網(wǎng)絡中最流行、最成功的一種總線。在制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化、樓宇、交通電力及其他領域得到廣泛應用。

　　4G（the 4th Generation mobile communication technology）作為新一代的移動通信技術(shù)，具有通信速度快、網(wǎng)絡頻譜更寬、延遲低的優(yōu)點，是未來幾年通信技術(shù)的佼佼者?！耙苿泳W(wǎng)+工業(yè)控制網(wǎng)”一直是研究的熱點，而4G 通信技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)控制網(wǎng)絡移動互聯(lián)成為可能，其在工業(yè)領域的應用一直備受矚目。

　　本項研究在對 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和4G 移動網(wǎng)絡兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡協(xié)議深入研究和分析的基礎上，提出了基于FPGA 嵌入式網(wǎng)關(guān)的方法實現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的無縫連接。PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線通過該網(wǎng)關(guān)接入到4G 通信模塊，將現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通過4G 通信模塊上傳到云服務器，實現(xiàn)在Android 客戶端上查看、控制PROFIBUS-DP 現(xiàn)場設備，從而達到利用無處不在的4G 移動網(wǎng)對PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線上設備遠程實時監(jiān)控的目的。同時，在系統(tǒng)安全方面，考慮到PROFIBUS-DP 工控網(wǎng)絡通過嵌入式網(wǎng)關(guān)接入移動互聯(lián)網(wǎng)的安全性，在FPGA網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實現(xiàn)基于AES 128bit 的數(shù)據(jù)加密算法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

　　本項研究以 Altera 公司Cyclone IV 系列FPGA（EP4CE6E22C8）作為核心處理器，加上Nios II 軟核處理器，配合外圍模塊電路組成整個嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)。4G 通信模塊采用華為公司的ME909s-821 LTE 模塊，加上中國移動的4G SIM 卡。軟件系統(tǒng)分為三個部分：在Quartus II 軟件平臺上配合Nios II IDE eclipse 軟件實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)加密功能；在Android Studio 平臺上開發(fā)Android 客戶端，提供查詢、控制現(xiàn)場設備的友好可視化界面；服務器部分采用阿里云端服務器ECS，服務器架構(gòu)采用Nginx 服務器+基于Django 的Web 應用框架+MongoDB 數(shù)據(jù)庫，提供響應更快、效率更高、更適用于工業(yè)控制網(wǎng)絡的后臺服務支持。

　　本研究對設計的網(wǎng)關(guān)進行了模擬驗證與測試，測試結(jié)果表明：以FPGA 為控制器的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)4G 和PROFIBUS-DP 兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)安全傳輸；開發(fā)的服務器和Android 客戶端能達到通過移動4G 網(wǎng)對PROFIBUS-DP 總線上的設備進行方便快捷、實時遠程監(jiān)控的目的。該網(wǎng)關(guān)具有高靈活性、快速高效和安全性高的優(yōu)點。