一种基于fpga的工业无线网拓展装置的制造方法

一种基于fpga的工业无线网拓展装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于工业无线网拓展装置领域，尤其涉及一种基于FPGA的工业无线网拓展装置。
【背景技术】
[0002]目前，工业上采用的无线网络路由器在连接设备上存在数量限制。这是由于当前无线网络路由器采用的是SSID技术，即将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络技术，每一个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络。而对于单个的工业无线网络路由器，其SSID通常只有四个，并且每个SSID最多只能接收32个用户，这样极大的限制了用户的接入个数。而目前现有的无线网络拓展装置，由于其控制器串口数量的限制，不能大规模的拓展接入的设备数，满足不了大型工业控制、管理的需要。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型针对现有技术中的问题，提供一种基于FPGA的工业无线网拓展装置，有利于减小整个装置的体积；功耗低，满足节能的要求；稳定性好，并可外接天线用来扩大其产生的无线网范围。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种基于FPGA的工业无线网拓展装置，该装置包括接收模块、核心控制模块、拓展模块和电源模块，接收模块与核心控制模块之间通过UART连接，核心控制模块与拓展模块之间通过UART (通用异步收发传输器)连接，接收模块、核心控制模块、拓展模块分别与电源模块连接；接收模块由一个STA模式的第一 WiFi模块组成，核心控制模块由FPGA和存储模块组成，其中存储模块采用MT48LC4M32B2芯片，FPGA采用EP2C35F484C8芯片，拓展模块由若干个AP模式的第二 WiFi模块组成；接收模块用于与工业无线网络路由器互相传递数据，并通过核心控制模块与拓展模块相互传递数据；拓展模块用于连接各待接入工业无线网络的设备；工业无线网拓展装置在配置时，核心控制模块中的FPGA用于初始化第一 WiFi和各第二 WiFi模块，工业无线网拓展装置在工作时，核心控制模块中的FPGA用于控制接收模块和拓展模块之间的数据传输；电源模块为接收模块，核心控制模块和拓展模块供电。
[0005]通过核心控制模块中的FPGA，将接收模块的第一 WiFi模块的工作模式配置成STA模式，再将拓展模块中的第二 WiFi模块的工作模式配置成AP模式。此时，工业无线网络的数据可以与接收模块相互传递。接收模块把所接收的数据传递给核心控制模块，核心控制模块发送给拓展模块中所有的第二 WiFi模块，这些工作在AP模式下的第二 WiFi模块即可以将数据传递给与它们无线相连的设备中，完成数据的发送。工作在AP模式下的第二WiFi模块收集与其无线相连的设备发送的数据，再把数据传递给核心控制模块。核心控制模块将这些数据按顺序存入到存储模块中，然后，FPGA依次将这些数据发送给接收模块，接收模块将这些数据发送给工业无线网络，完成数据的接收。从而实现待接入的设备正常地接入到工业无线网络中，实现工业无线网络的拓展。
[0006]按上述技术方案，第一 WiFi模块采用USR-WIFI232-S模块。
[0007]本实用新型产生的有益效果是:1)核心控制模块中采用FPGA，FPGA作为现场可编程门阵列，其内部有丰富的触发器和I/o引脚资源，可以在其内部构造相当多数量的串口，进而可以连接多个第二 WiFi模块，突破了现有控制器串口数量的限制，实现大规模的网络拓展。2)采用的第一 WiFi模块、第二 WiFi模块体积小，有利于减小整个工业无线网拓展装置的体积；功耗低，满足节能的要求；稳定性好，并可外接天线用来扩大其产生的无线网范围。
【附图说明】
[0008]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0009]图1为本实用新型实施例工业无线网拓展装置的系统结构框图；
[0010]图2为本实用新型实施例工业无线网拓展装置中FPGA与第一 WiFi模块、第二WiFi模块电路连接示意图；
[0011]图3为本实用新型实施例工业无线网拓展装置中FPGA与单个第二 WiFi模块硬件连接电路图；
[0012]图4为本实用新型实施例工业无线网拓展装置中FPGA与存储单元电路连接示意图；
[0013]图5为本实用新型实施例工业无线网拓展装置的工作原理图。
【具体实施方式】
[0014]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0015]本实用新型实施例中，提供一种基于FPGA的工业无线网拓展装置，如图1所示，该装置包括接收模块、核心控制模块、拓展模块和电源模块，接收模块与核心控制模块之间通过UART连接，核心控制模块与拓展模块之间通过UART (通用异步收发传输器)连接，接收模块、核心控制模块、拓展模块分别与电源模块连接；接收模块由一个STA模式的第一 WiFi模块组成，核心控制模块由FPGA和存储模块组成，其中存储模块采用MT48LC4M32B2芯片，FPGA采用EP2C35F484C8芯片，拓展模块由若干个AP模式的第二 WiFi模块组成；接收模块用于与工业无线网络路由器互相传递数据，并通过核心控制模块与拓展模块相互传递数据；拓展模块用于连接各待接入工业无线网络的设备；工业无线网拓展装置在配置时，核心控制模块中的FPGA用于初始化第一 WiFi和各第二 WiFi模块，工业无线网拓展装置在工作时，核心控制模块中的FPGA用于控制接收模块和拓展模块之间的数据传输；电源模块为接收模块，核心控制模块和拓展模块供电。
[0016]通过核心控制模块中的FPGA，将接收模块的第一 WiFi模块的工作模式配置成STA模式，再将拓展模块中的第二 WiFi模块的工作模式配置成AP模式。此时，工业无线网络的数据可以与接收模块相互传递。接收模块把所接收的数据传递给核心控制模块，核心控制模块发送给拓展模块中所有的第二 WiFi模块，这些工作在AP模式下的第二 WiFi模块即可以将数据传递给与它们无线相连的设备中，完成数据的发送。工作在AP模式下的第二WiFi模块收集与其无线相连的设备发送的数据，再把数据传递给核心控制模块。核心控制模块将这些数据按顺序存入到存储模块中，然后，FPGA依次将这些数据发送给接收模块，接收模块将这些数据发送给工业无线网络，完成数据的接收。从而实现待接入的设备正常地接入到工业无线网络中，实现工业无线网络的拓展。
[0017]进一步地，其中第一 WiFi模块采用USR-WIFI232-S模块。
[0018]如图2所示，第一 WiFi模块、各第二 WiFi模块与FPGA分别通过串口相连，并将第一 WiFi模块、各第二 WiFi模块的Reset脚和nReload脚分别与FPGA的Reset和设定好的nReload脚相连。因此FPGA能自由接收第一 WiFi模块、各第二 WiFi模块WiFi模块的数据，并通过对Reset脚和nReload脚的输出电平的控制，起到对第一 WiFi模块、各第二 WiFi模块复位和重置的作用。
[0019]如图3所示，对于第一 WiFi模块或单个的第二 WiFi模块，其UART_TX和UART_RX分别与FPGA对应的RX和TX相连，其nLink和nReady脚分别外接LED l和LED0。当第一WiFi模块或单个的第二 WiFi模块正常启动时，nReady脚会输出低电平，LEDO会被点亮，因此用户可以通过LEDO的亮灭判断第一 WiFi模块或单个的第二 WiFi模块工作是否正常。对于工作在STA模式的第一 WiFi模块，当其正常连入工业无线网络路由器时，nLink脚会输出低电平，LEDl会因此被点亮，因此用户可以通过LEDl的亮灭来判断第一 WiFi模块是否正常连入无线网。根据这两个LED，我们可以判断第一 WiFi模块是否配置成功。当第一WiFi模块出现故障时，FPGA可以通过将Reset脚拉低至少10ms，对第一 WiFi模块进行复位。若用户希望根据自己的需要改变第一 WiFi模块的工作模式，可以设置FPGA的nReload脚输出低电平恢复模块的出厂设置。第二 WiFi模块的原理与此相同。
[0020]本实用新型工业无线网拓展装置，在其配置过程中主要完成FPGA对第一 WiFi模块和第二 WiFi模块工作模式的配置。通过FPGA中已配置好的IP核，经由串口，发送特定的工作指令使第一 WiFi模块和第二 WiFi模块进入命令模式。再通过FPGA发送的相应的AT指令完成对第一 WiFi模块和第二 WiFi模块的工作模式设定。对于第一 WiFi模块，发送“AT+WM0DE=STA”指令将其设置为STA模式。STA即每一个连接到无线网络中的终端。在本实用新型装置中，第一 WiFi模块用于连入工业无线网络路由器。对于装置中的第二 WiFi模块，我们发送“AT+WM0DE=AP”指令将其设置为AP模式。AP即无线访问接入点。在本实用新型装置中，第二 WiFi模块用于接入待接入工业无线网的设备。再通过其余对应AT指令，完成两种模式的具体设置。完成设置工作模式后，FPGA再发送“AT+ENTM”指令，将第一WiFi模块和第二 WiFi模块转换为透传模式，进行数据通信。
[0021]接收模块把接收的数据传递给核心控制模块，核心控制模块发送该数据给拓展模块中所有的第二 WiFi模块，这些工作在AP模式下的第二 WiFi模块即可以将数据传递给与它无线相连的设备中，完成数据的发送。工作在AP模式下的第二WiFi模块收集与其相连设备发送的数据，再把这些数据传递并保存在核心控制模块中的存储模块。存储模块与FPGA的连接示意图如图4所示。核心控制模块内设定一个标志位fp，并在每条数据存入到存储模块后依次加I。然后，FPGA逐条将这些数据发送给接收模块，每发送完一条数据，标志位fp减一。当fp为O时，即表示工业无线网已成功完成对所有新连接设备的数据接收。其工作原理图如图5所示。
[0022]第二 WiFi模块设置成AP模式后，能各自建立起一个拥有独立名称，独立密码的无线网络。新增添的设备可以通过收索对应无线网络的名称，输入对应的无线网络密码，快速、简洁的连入无线网络。于是该设备能通过建立TCP连接，和第二 WiFi模块串口进行数据交互，从而达到与拓展装置的数据传输。TCP是应用在传输层上，一种面向连接、全双工的协议。通过“三次握手”建立连接。主机I首先发起TCP连接请求，并在所发送的分段中将编码位字段中的SYN位置为“1”、ACK位置为“O”。主机2收到该分段，若同意建立连接，则发送一个接受连接的应答分段，其中编码位字段的SYN和ACK位均被置“ I ”，指示对第一个SYN报文段的确认，以继续握手操作。主机I收到主机2发来的同意建立连接分段后，向主机2发送确认分段，完成连接。
[0023]第一 WiFi模块设置成STA模式后，可以采集本装置上的数据并将其通过路由器发送到与此路由器相连的其他设备。也能采取TCP连接，通过网关，把本装置连接到Internet网上。由于采用的第一 WiFi模块是通过Socket来实现TCP通信，并且其有两个TCP
Socket--Socket A 和 Socket B。此时，模块的 Socket B 设置成 TCP Client，与 Internet
网上的远端TCP server相连。模块的Socket A设置成TCP server，用作局域网处理。将装置的数据采集并发送到服务器上处理和存储，远程设备和PC与服务器通信，实现数据获取。
[0024]本实用新型实施例中，存储模块采用Micron公司生产的MT48LC4M32B2芯片。FPGA采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F484C8芯片。
[0025]本实用新型提出的基于FPGA的工业无线网拓展装置，由于其内部有丰富的触发器和I/o引脚资源，因此我们可以通过对FPGA建模，在它内部构造相当多数量的串口，进而连接多个WiFi模块，突破一般控制器串口数量的限制，实现大规模的网络拓展。采用的第一 WiFi模块、第二 WiFi模块体积小，有利于减小整个装置的体积；功耗低，满足节能的要求；稳定性好，并可外接线用来扩大其产生的无线网范围。
[0026]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于FPGA的工业无线网拓展装置，其特征在于，该装置包括接收模块、核心控制模块、拓展模块和电源模块，接收模块与核心控制模块之间通过UART连接，核心控制模块与拓展模块之间通过UART连接，接收模块、核心控制模块、拓展模块分别与电源模块连接；接收模块由一个STA模式的第一 WiFi模块组成，核心控制模块由FPGA和存储模块组成，其中存储模块采用MT48LC4M32B2芯片，FPGA采用EP2C35F484C8芯片，拓展模块由若干个AP模式的第二 WiFi模块组成；接收模块用于与工业无线网络路由器互相传递数据，并通过核心控制模块与拓展模块相互传递数据；拓展模块用于连接各待接入工业无线网络的设备；工业无线网拓展装置在配置时，核心控制模块中的FPGA用于初始化第一 WiFi和各第二WiFi模块，工业无线网拓展装置在工作时，核心控制模块中的FPGA用于控制接收模块和拓展模块之间的数据传输；电源模块为接收模块，核心控制模块和拓展模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的工业无线网拓展装置，其特征在于，第一WiFi模块采用USR-WIFI232-S模块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于FPGA的工业无线网拓展装置，该装置包括接收模块、核心控制模块、拓展模块和电源模块，接收模块由一个STA模式的第一WiFi模块组成，核心控制模块由FPGA和存储模块组成，其中存储模块采用MT48LC4M32B2芯片，FPGA采用EP2C35F484C8芯片，拓展模块由若干个AP模式的第二WiFi模块组成。工业无线网拓展装置在配置时，核心控制模块中的FPGA用于初始化第一WiFi和各第二WiFi模块，工业无线网拓展装置在工作时，核心控制模块中的FPGA用于控制接收模块和拓展模块之间的数据传输。本实用新型工业无线网拓展装置功耗低，满足节能的要求；稳定性好，并可外接线用来扩大其产生的无线网范围。
【IPC分类】G05B19-042
【公开号】CN204613682
【申请号】CN201520357604
【发明人】王典洪, 张旭帆, 程卓, 曾旭明
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月29日