CN116095199A - 一种基于fpga的多协议接入装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的多协议接入装置，属于物联网系统领域，包括接口层、协议层和控制层，接口层与外部射频模块连接，在外部射频模块和协议层间传输数据包；协议层对数据包进行有效载荷封装和协议抽象，将其传递至控制层，并接收控制层的反馈指令，将封装和协议抽象后的有效载荷处理成数据包，将其传递至接口层；控制层将有效数据载荷传递至处理器，并接收处理器控制指令，向协议层下发反馈指令。本发明能够支持基于各种通信协议的射频模块的动态接入和控制，并在模型中对各个物联网通讯协议进行了封装，提供统一的操作接口，实现了各通讯协议的兼容，各射频模块通过处理器进行统一控制，使得物联网的网络资源的动态负载均衡成为可能。

Description

一种基于FPGA的多协议接入装置

技术领域

本发明属于物联网系统领域，特别涉及一种基于FPGA的多协议接入装置。

背景技术

在物联网设备通信中，为满足不同应用情境下的要求，存在多种无线通信协议，例如LTE、ZigBee、Bluetooth等，常用的物联网的通讯协议的特点如下图1所示。而在很多应用情境下存在多种无线通讯协议，在各通讯模块需要跨协议通讯。如申请公布号CN105516185A的发明公开了一种多协议网关设备，用于对接收的IP网络信息或家电设备信息进行协议转换，使其与目的设备端口所采用的协议一致，然后进行信息发送，包括IP网络功能模块、网关设备控制器和异构网络协议转换模块。该多协议网关设备能够解决不同通信介质、不同通信协议的设备之间消息传递难的问题。又如申请公布号CN102448202A的发明公开了一种多协议多接口无线传感网网关，涉及无线传感器网络技术领域，该网关主要由嵌入式处理器、SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块组成，操作系统用网络化的操作系统Linux，兼容TCP/IP协议IPv6。该专利通过设计协议转换程序处理完成多种协议之间的转换，可以用来组建多种架构的网络，以及多种架构网络之间的互联和数据的转发。但是各通讯模块跨协议通讯时伴随着数据包形式不一致和同步性差等问题，该专利采用不同协议网络之间路由转发的方法，不能解决上述问题。且网关存在可移植和拓展性差的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于FPGA的多协议接入装置，能够支持基于各种通信协议的射频模块的动态接入和控制，并在模型中对各个物联网通讯协议进行了封装，提供统一的操作接口，增强了异质物联网系统互联网络软硬件系统的拓展性，实现了各通讯协议的兼容，各射频模块通过嵌入式处理器进行统一控制，使得物联网的网络资源的动态负载均衡成为可能。

本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA的多协议接入装置，包括依次设置的接口层、协议层和控制层，

所述接口层用于与外部射频模块连接，对不同接口协议进行总线逻辑管理，并在外部射频模块和协议层间传输数据包，

所述协议层用于对不同接口协议进行识别并对外部射频模块进行初始化配置，同时对数据包进行有效载荷封装和协议抽象，将其传递至控制层，并接收控制层的反馈指令，将封装和协议抽象后的有效载荷处理成数据包，将其传递至接口层；

所述控制层用于接收有效数据载荷和协议抽象，并对其进行状态管理，同时将有效数据载荷传递至处理器，并接收处理器控制指令，向协议层下发反馈指令。

进一步的，所述接口层包括总线协议逻辑管理模块和总线协议接口，所述总线协议逻辑管理模块与多个不同的总线协议接口连接，所述总线协议接口用于与外部射频模块连接，

所述协议层包括协议栈、载荷封装模块、抽象协议栈和接入设备自识别与初始化配置模块，多个所述协议栈与载荷封装模块连接，所述载荷封装模块与抽象协议栈连接，所述接入设备自识别与初始化配置模块、协议栈均与总线协议逻辑管理模块连接，

所述控制层包括连接控制模块、数据传输模块、状态管理模块和控制器模块，所述控制器模块分别与连接控制模块、数据传输模块、状态管理模块连接，所述状态管理模块分别与所述连接控制模块、数据传输模块、接入设备自识别与初始化配置模块连接，所述连接控制模块、数据传输模块均与所述抽象协议栈连接，所述控制器模块用于连接处理器。

进一步的，协议栈用于对外部射频模块的输入进行协议分析、数据包的拆解和有效载荷提取，所述协议栈的数量为多个，分别处理不同类型的协议；载荷封装模块用于对协议栈中提取的有效载荷进行融合处理和统一封装；抽象协议栈用于对协议栈中不同种类协议进行统一的封装，为控制层提供统一接口。

进一步的，所述总线协议接口为UART接口、I2C接口、SPI接口、USB接口、mini PCIE接口中的多个。

进一步的，所述接入设备自动识别与初始化配置模块用于识别外部射频模块的型号，并通过XML文件来对外部射频模块进行配置。

进一步的，所述控制器模块与嵌入式处理器采用片上连接方式或外部板级连接方式。

进一步的，外部射频模块接入总线协议接口后，产生与总线协议对应的中断信号，总线协议逻辑管理模块将中断信号处理成为统一的形式，并传递到接入设备自识别与初始化配置模块；接入设备自识别与初始化配置模块向外部射频模块依次发送进入配置模式的请求命令，得到正确应答后，读取外部射频模块对应的XML文件来对外部射频模块进行配置，并将外部射频模块接入情况发送至状态管理模块；

外部射频模块配置完成后，其输入的数据包经过总线协议接口、总线协议逻辑管理模块传输至协议栈，再经过协议栈、载荷封装模块和抽象协议栈的处理后，传入数据传输模块，后通过控制器模块传入处理器；

处理器根据封装抽象后的有效载荷，按预置规则进行逻辑运算，形成信息包及控制指令并下发给控制层，数据传输模块向协议层传输信息包，信息包内有待处理的封装抽象后的有效载荷数据，同时连接控制模块根据控制指令向协议层下发反馈指令。协议层根据反馈指令将信息包依次经过抽象协议栈、载荷封装模块和协议栈，处理成数据包，后经过接口层发送到外部射频模块。

进一步的，若接入的是不支持热插拔的外部射频模块，本多协议接入装置重启后，总线协议逻辑管理模块再发送统一形式的中断信号。

进一步的，是否支持热插拔由总线协议类型和外部射频模块的型号共同决定。

进一步的，连接控制模块用于本装置与外部射频模块之间建立/切换/断开连接；数据传输模块用于接收来自协议层的有效数据载荷和向其发送载荷；状态管理模块用于查询本装置的工作状态。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1.相比其他多协议的网关设备，本发明采用分层结构，并对各层内部具体的功能模块和各层次间的通讯进行了明确的规定，为后续的实际应用提供支持。明确规定了各层次之间的通讯方式和传递的内容，为后续的基于此的应用提供接口。各个层次相互独立，有利于标准化接口，以及便于后续的物联网通信协议栈、总线协议等存在更新时模型的维护。

2.本发明各层次内部划分出针对具体功能的多种功能模块，各部分分工明确，便于实现。接入层能够支持多种总线协议，并且实现了对某些通讯模块的热插拔，使得采用本发明的设备能够自由接入其他已存在的物联网通讯网络，可更灵活地选择的接入的模块和对应的通讯协议，需要某种具体的模块就可以选择接入对应的种类，相比于其他固定的支持特定种协议的物联网网关具有更低的成本和更高的灵活性，后续新的模块出现也可以通过接入层再接入基于此模型的设备上，具有更强的可拓展性。在协议层中对各种支持的具体的物联网通讯协议进行具体的数据包的拆分，并将有效载荷传入控制层的数据传输模块，增加设备自识别和初始化配置模块，借由该模块来对新接入的模块进行分类，向上层传递模块状态信息，在模块初始化配置中，使用XML文件来发送具体的配置命令，使得配置过程更加简明。在控制层中添加了状态管理模块，能够对具体的模块的开闭状态，连接情况等方面进行更明确具体的控制。

3.本发明实现了接入装置对接入通讯模块的热插拔和模块的自动识别的支持，增强了物联网设备的可移植性。在协议层进行有效载荷压缩使得有限的网络宽带传输更多有用信息并提高协议解析速度。分层结构能够实现对模块的功能的解耦合和封装从而为更高层次的应用提供统一方便的接口。对各层的功能、传输信息和传输方式明确规定，设计统一的层次模型，以实现不同协议的跨层次动态解析和不同协议间的高速互联互通。

4.本发明为控制层与嵌入式处理器的连接方式存在片上连接和外部板级连接两种方案，可以从成本、吞吐量等多方面考虑来选择更适合的连接方式，灵活性更强。

附图说明

图1为常用的物联网的通讯协议的特点示意图；

图2为本发明实施例的结构框图。

图中：1-总线协议接口，2-总线协议逻辑管理模块，3-接入设备自识别与初始化配置模块，4-协议栈，5-载荷封装模块，6-抽象协议栈，7-状态管理模块，8-连接控制模块，9-数据传输模块，10-控制器模块，11-外部射频模块，12-处理器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明的实施例提供了一种基于FPGA的多协议接入装置，如图2所示，其包括依次设置的接口层、协议层和控制层。

所述接口层用于与外部射频模块11连接，对不同接口协议进行总线逻辑管理，并在外部射频模块11和协议层间传输数据包。所述接口层包括总线协议逻辑管理模块2和总线协议接口1，所述总线协议逻辑管理模块2与多个不同的总线协议接口1连接，所述总线协议接口1用于与外部射频模块11连接。每个所述总线协议接口1适配一种总线协议，常用的，总线协议接口1包括UART接口、I²C接口、SPI接口、USB接口、mini PCIE接口。是否支持热插拔由总线协议类型和外部射频模块11的型号共同决定。

接口层的电气规范：本装置与外部射频模块11间接入互联满足相关电气规范国家标准以防止连接、安全等方面出现问题。工作模式：接口层具有主/从设备切换功能，当适配除UART外的其他总线协议时，本装置自动切换至主设备工作模式；当适配UART总线协议时本装置切换至从设备工作模式。热插拔：当接入的外部射频模块11适配USB和mini PCIE总线协议时，支持接入射频模块的热插拔。自动识别：不支持热插拔的接入设备接入时，本装置上电后对不同总线协议接入装置进行扫描，以确认接入模块的物理接口、装置型号以及所支持的总线协议类型。

所述协议层用于对不同接口协议进行识别并对外部射频模块11进行初始化配置，同时对数据包进行有效载荷封装和协议抽象，将其传递至控制层，并接收控制层的反馈指令，将封装和协议抽象后的有效载荷处理成数据包，将其传递至接口层。所述协议层包括协议栈4、载荷封装模块5、抽象协议栈6和接入设备自识别与初始化配置模块3，多个所述协议栈4与载荷封装模块5连接，所述载荷封装模块5与抽象协议栈6连接，所述接入设备自识别与初始化配置模块3、协议栈4均与总线协议逻辑管理模块2连接。协议栈4用于对外部射频模块11的输入进行协议分析、数据包的拆解和有效载荷提取，所述协议栈4的数量为多个，分别处理不同类型的协议，外部射频模块11的型号决定了其所采用的无线通讯协议。载荷封装模块5用于对协议栈4中提取的有效载荷进行融合处理和统一封装。抽象协议栈6用于对协议栈4中不同种类协议进行统一的封装，为控制层提供统一接口，实现提供统一的互操作接口，对控制层屏蔽各具体协议栈4细节差异。所述接入设备自动识别与初始化配置模块用于识别外部射频模块11的型号，并通过XML文件来对外部射频模块11进行配置。

所述控制层用于接收有效数据载荷和协议抽象，并对其进行状态管理，同时将有效数据载荷传递至处理器12，并接收处理器12控制指令，向协议层下发反馈指令。所述控制层包括连接控制模块8、数据传输模块9、状态管理模块7和控制器模块10，所述控制器模块10分别与连接控制模块8、数据传输模块9、状态管理模块7连接，所述状态管理模块7分别与所述连接控制模块8、数据传输模块9、接入设备自识别与初始化配置模块3连接，所述连接控制模块8、数据传输模块9均与所述抽象协议栈6连接，所述控制器模块10用于连接处理器12。连接控制模块8用于本装置与外部射频模块11之间建立/切换/断开连接；数据传输模块9用于接收来自协议层的有效数据载荷和向其发送载荷；状态管理模块7用于查询本装置的工作状态，由于接入的射频模块基于的无线通讯协议的不同，显示的具体参数存在差异。

所述控制器模块10与嵌入式处理器12采用片上连接方式或外部板级连接方式。片上连接时，本装置作为处理器12中的一个专用控制器，以AXI总线或类SRAM总线的方式进行接入。板级连接时，本装置作为一个独立芯片，与处理器12进行板级连接。对具体的通信协议不作限定，可选择各种常用的总线协议接口1实现。当使用I²C和SPI作为总线接口时，本装置端进入从设备模式。

控制层的内容可以加载为多协议融合通讯装置驱动程序和多协议融合通讯工具库；多协议融合通讯装置驱动程序兼容通用Linux系统环境，并为应用程序提供符合POSIX标准的标准化API互操作接口；多协议融合通讯工具库在上述驱动程序的基础上对驱动程序的API进行物联网常用操作的应用层封装，屏蔽驱动程序的访问细节，以实现物联网应用程序与操作系统、硬件平台的解耦。

接口层与协议层连接细节：

a)连接方式：接口层与协议层之间的连接是片内的信号连接。

b)信号主要分为：数据信号(双向，接口层<->协议层)、接口层数据信号响应(单向，接口层->协议层)和协议层数据信号响应(单向，协议层->接口层)。

c)通信方式：接口层与协议层采用异步方式通信。接口层发出的信号由协议层接收后协议层立刻返回信号正确接收的响应。若是模块自识别的信号，协议层接收后先发送正确接收的响应，之后由协议层中的接入设备自识别和初始化配置模块处理完成后，结果向上发送至控制层；若是外部射频模块11接收到信息的信号，则发送正确接收的响应后，信号由协议层对应协议栈4再依次经过载荷封装模块5和抽象协议栈6将有效数据载荷发送到控制层。

协议层与控制层连接细节：

a)连接方式：控制层与协议层之间的连接是片内的信号连接。

b)信号主要分为：控制信号(单向，控制层->协议层)、控制信号响应(单向，协议层->控制层)、数据信号(双向，控制层<->协议层)和数据信号响应(双向，控制层<->协议层)。

c)通信方式：控制层与协议层通信可以使用同步方式或异步方式。在同步方式下，由控制层发出的信号(控制信号、数据信号)由协议层接收，抽象协议栈6完成接收并进行数据处理后，通过响应信号向控制层反馈执行结果，控制层接收响应信号后更新状态并向处理器12发送中断，提示处理完成。同步通信方式适用于低时延的操作。在异步方式下，控制层发出的信号协议层在收到后会立刻返回响应，表示信号已正确接收。控制层接收到响应后向处理器12发出中断信号，通知信号已经正确发送。当信号的请求处理完成后，协议层会再次通过响应信号将处理结果发送给控制层。控制层通过中断信号通知处理器12进行状态查询，提示处理完成。异步通信方式适用于高时延的操作，例如建立网络连接、发送网络数据等情形。

协议层在接收网络数据后会主动发送数据或响应信号至控制层，以改变状态，或是写入数据到接收数据缓冲区。

下面通过一个支持热插拔的外部射频模块11的接入过程来说明本实施例的具体使用过程：

外部射频模块11接入总线协议接口1后，产生与总线协议对应的中断信号，不同的总线协议产生的中断信号不同，每种总线协议对应一种特定的中断信号。中断信号进入总线协议逻辑管理模块2后，总线协议逻辑管理模块2将中断信号处理成为统一的形式，并传递到接入设备自识别与初始化配置模块3。

接入设备自识别与初始化配置模块3向与本设备连接的所有外部射频模块11依次发送进入配置模式的请求命令，得到正确应答后，读取外部射频模块11对应的XML文件来对外部射频模块11进行配置，并将外部射频模块11接入情况发送至状态管理模块7。通过能否得到外部射频模块11的正确应答，即可判断对应的外部射频模块11的型号，对外部射频模块11进行识别。

外部射频模块11配置完成后，其输入的数据包经过总线协议接口1、总线协议逻辑管理模块2传输至与该外部射频模块11的型号及总线协议对应的协议栈4中，依次经过协议栈4、载荷封装模块5和抽象协议栈6的处理后，传入数据传输模块9，后通过控制器模块10传入处理器12。

处理器12根据封装抽象后的有效载荷，按预置规则进行逻辑运算，形成信息包及控制指令并下发给控制层，数据传输模块9向协议层传输信息包，信息包内有待处理的封装抽象后的有效载荷数据，同时连接控制模块8根据控制指令向协议层下发反馈指令。协议层根据反馈指令将信息包依次经过抽象协议栈6、载荷封装模块5和协议栈4，处理成数据包，后经过接口层发送到外部射频模块11。若进行跨协议通讯，本设备的已接通的各个射频模块通过嵌入式处理器12进行响应的跨协议通讯即可。

若接入的是不支持热插拔的外部射频模块11，本装置进行复位，重启后，总线协议逻辑管理模块2再发送统一形式的中断信号，自动进行模块的识别和配置，后续的信息传递等各种功能与支持热插拔的模块接入一致。若要去除不支持热插拔的模块则应在设备关闭后进行移除。若要同时接入多个不支持热插拔的模块与接入一个模块处理方式相同。

本装置可以实现对使用3GPP LTE协议、IEEE 802.11g协议、IEEE802.15.4、ZigBee协议、Bluetooth协议等多种常见无线通信协议的物联网外部设备的统一接入、数据采集与传输和指令控制。本装置支持基于UART、I2C和SPI等协议的常见的物理接口，并提供对多种无线通信协议的抽象融合，为应用软件提供统一的数据传输通道，以便应用软件通过统一的接口实现有效载荷数据的收发。

本装置能够实现以下功能：

1.外部设备射频模块的热插拔、自识别和各射频模块的自动的初始化配置，并对各模块进行状态监控和管理，实现无线通讯协议的动态变更。

2.对不同的无线通信协议栈4进行识别以及数据包的自动拆分和封装，为控制各个通讯模块提供统一接口，使得跨协议通讯更加简便。

3.将有效数据载荷以统一的形式传入嵌入式处理器12，以便于后续的处理器12中的逻辑运算和形成控制指令并下发。

4.外部射频模块11的动态插拔和控制提升了物联网硬件系统的拓展性，各层次的封装屏蔽内部细节，实现了应用程序、操作系统和硬件的解耦。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：包括依次设置的接口层、协议层和控制层，

所述接口层用于与外部射频模块连接，对不同接口协议进行总线逻辑管理，并在外部射频模块和协议层间传输数据包；

所述协议层用于对不同接口协议进行识别并对外部射频模块进行初始化配置，同时对数据包进行有效载荷封装和协议抽象，将其传递至控制层，并接收控制层的反馈指令，将封装和协议抽象后的有效载荷处理成数据包，将其传递至接口层；

所述控制层用于接收有效数据载荷和协议抽象，并对其进行状态管理，同时将有效数据载荷传递至处理器，并接收处理器控制指令，向协议层下发反馈指令。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：所述接口层包括总线协议逻辑管理模块和总线协议接口，所述总线协议逻辑管理模块与多个不同的总线协议接口连接，所述总线协议接口用于与外部射频模块连接；

所述协议层包括协议栈、载荷封装模块、抽象协议栈和接入设备自识别与初始化配置模块，多个所述协议栈与载荷封装模块连接，所述载荷封装模块与抽象协议栈连接，所述接入设备自识别与初始化配置模块、协议栈均与总线协议逻辑管理模块连接；

所述控制层包括连接控制模块、数据传输模块、状态管理模块和控制器模块，所述控制器模块分别与连接控制模块、数据传输模块、状态管理模块连接，所述状态管理模块分别与所述连接控制模块、数据传输模块、接入设备自识别与初始化配置模块连接，所述连接控制模块、数据传输模块均与所述抽象协议栈连接，所述控制器模块用于连接处理器。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：所述总线协议接口为UART接口、I²C接口、SPI接口、USB接口、mini PCIE接口中的多个。

4.如权利要求2所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：所述控制器模块与嵌入式处理器采用片上连接方式或外部板级连接方式。

5.如权利要求2所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：协议栈用于对外部射频模块的输入进行协议分析、数据包的拆解和有效载荷提取，所述协议栈的数量为多个，分别处理不同类型的协议；载荷封装模块用于对协议栈中提取的有效载荷进行融合处理和统一封装；抽象协议栈用于对协议栈中不同种类协议进行统一的封装，为控制层提供统一接口。

6.如权利要求2所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：所述接入设备自动识别与初始化配置模块用于识别外部射频模块的型号，并通过XML文件来对外部射频模块进行配置。

7.如权利要求5所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：外部射频模块接入总线协议接口后，产生与总线协议对应的中断信号，总线协议逻辑管理模块将中断信号处理成为统一的形式，并传递到接入设备自识别与初始化配置模块；接入设备自识别与初始化配置模块向外部射频模块依次发送进入配置模式的请求命令，得到正确应答后，读取外部射频模块对应的XML文件来对外部射频模块进行配置，并将外部射频模块接入情况发送至状态管理模块；

外部射频模块配置完成后，其输入的数据包经过总线协议接口、总线协议逻辑管理模块传输至协议栈，再经过协议栈、载荷封装模块和抽象协议栈的处理后，传入数据传输模块，后通过控制器模块传入处理器；

处理器根据封装抽象后的有效载荷，按预置规则进行逻辑运算，形成信息包及控制指令并下发给控制层，数据传输模块向协议层传输信息包，信息包内有待处理的封装抽象后的有效载荷数据，同时连接控制模块根据控制指令向协议层下发反馈指令。协议层根据反馈指令将信息包依次经过抽象协议栈、载荷封装模块和协议栈，处理成数据包，后经过接口层发送到外部射频模块。

8.如权利要求7所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：若接入的是不支持热插拔的外部射频模块，本多协议接入装置重启后，总线协议逻辑管理模块再发送统一形式的中断信号。

9.如权利要求8所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：是否支持热插拔由总线协议类型和外部射频模块的型号共同决定。

10.如权利要求2所述的基于FPGA的多协议接入装置，其特征在于：连接控制模块用于本装置与外部射频模块之间建立/切换/断开连接；数据传输模块用于接收来自协议层的有效数据载荷和向其发送载荷；状态管理模块用于查询本装置的工作状态。

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