一種基於arm和fpga的嵌入式工業控制器的製造方法
2023-04-23 18:26:01 1
一種基於arm和fpga的嵌入式工業控制器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器。本實用新型包括標準3U機箱、主控單元板、數字量單元板、模擬量單元板、多串口單元板、電源單元、VME總線背板。主控單元板採用ARM微處理器和FPGA晶片，各功能單元板通過VME總線背板與主控單元板連接，實現高速通信。各功能單元板通過硬體設置地址，可互換背板插槽位置。控制器具有較高的測量精度和多種測量範圍，能對信號進行多種複雜處理，可實現VGA/LCD顯示、多路數字量輸入輸出、數模/模數轉換、多路串行通信、網絡通信等功能。控制器提供的良好人機界面，能幫助用戶實現對信號組態控制、監測的功能，可滿足現代工業控制的要求，特別適合於一體化工業控制領域的應用。
【專利說明】—種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種工業控制器，更具體地說涉及一種應用於氣缸加壓、多電機拖動的一種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器。
【背景技術】
[0002]隨著工業自動化技術的飛速發展，傳統的PLC以其高速度、高性能、高可靠性在工業控制領域得到了廣泛的應用。然而，傳統PLC自身存在以下缺點:①由於傳統PLC的生產廠商之間的產品互相不兼容，缺少明確一致的標準，造成難以構建開放的硬體體系結構。②各廠商產品的編程方法差別很大，技術專有性較強，工作人員必須經過較長時間的專業培訓才能掌握某一種產品的編程方法。③傳統PLC的生產被幾家廠商所壟斷，造成PLC的性價比增長很緩慢。這些問題都成了制約傳統PLC發展的因素。基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器運用模塊化設計的方法，結合了模塊化的靈活性和嵌入式系統的高效、穩定特性，採用VME總線背板，支持多種功能單元板，各功能單元板可靈活組合以適應多種不同工業現場的應用。
實用新型內容
[0003]本實用新型要解決的技術問題是:克服現有技術存在的不足，提供一種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器，其可應用於氣缸加壓、多電機拖動等工業控制領域，本實用新型的功能多元化、可擴展，高可靠，高精度，操作簡易，生產成本低。
[0004]本實用新型包括主控單元板、數字量單元板、模擬量單元板、多串口單元板、電源單元、VME總線背板、3U機箱，其特點在於:
[0005]a、3U機箱內底部設有VME總線背板，VME總線背板上設有8個單元板插槽，依次插有主控單元板、數字量單元板、模擬量單元板、多串口單元板、電源單元，各功能單元板前端與3U機箱面板固定連接，各功能單元板通過VME總線背板與主控單元板連接，實現高速通信；各功能單元板之間可以通過硬體設置地址，相互互換插槽位置。
[0006]b、主控單元板是基於ARM9微處理器和大規模可編程集成電路FPGA技術實現的；通過ARM9微處理器內部集成的兩路USB主機埠實現USB通信；ARM9微處理器內部具有JTAG型掃描鏈，提供JTAG接口，實現系統在線調試；主控單元板運用RS232接口晶片，實現串口通信；主控單元板採用低功耗高性能的乙太網控制收發器，支持傳輸速率達1M和100M的乙太網接口 ；主控單元板選擇獨立圖形顯示控制器實現IXD顯示功能；主控單元板由VME總線背板提供+5V、+3.3V電源，經DC-DC電源變換，為各集成電路晶片供電；晶體振蕩電路用於向ARM9微處理器和其他需要時鐘的外設電路提供工作時鐘。SDRAM存儲器用於存放系統運行時的程序和數據；通過電阻式觸控螢幕，實現人機互動；主控單元板運用FPGA晶片完成VME總線主模塊驅動，總線仲裁，總線中斷，地址解碼和存儲單元監視器等功能，運用ARM9微處理器實現各個功能單元數據交換、數據存儲以及控制等功能。
[0007]C、數字量單元板中的16路數字輸入信號採用光電耦合器進行隔離；數字輸入信號經光耦隔離後送入FPGA晶片進行邏輯處理，並通過VME總線背板，發送給主控單元板；當主控單元板需要進行輸出控制時，通過將數據經由VME總線背板發送給FPGA晶片進行邏輯處理後，採用光繼電器進行隔離，實現數位訊號的輸出。
[0008]d、模擬量單元板中的運放電路採用200V共模電壓差分放大器U2，差分電壓信號的負端與正端分別與U2晶片的2腳和3腳相連，U2晶片的6腳串接電阻R2後與輸出連接；模擬量單元板中的DA轉換電路，數字量通過DA轉換器U4轉換為模擬量，再經高速低噪聲運算放大器U9進行放大，DA轉換器U4的9腳與數字輸入端DA-D-1N連接，U4的17腳與放大器U9的3腳連接，U9的2腳與模擬開關U7、U12、U15的I腳連接，放大器U9的輸出6腳一路通過電阻R6與模擬開關Ull的8腳連接，另一路與Ull的2腳連接；DA轉換器U4的14、15腳通過電阻1?3與模擬開關仍5的8腳連接；模擬開關Ul I的I腳與U12的I腳相連，並通過電阻R7與U12的2腳連接；模擬開關U7的8腳與UlO的I腳連接，模擬開關UlO的8腳通過電阻R4接地，模擬開關UlO的2腳通過電阻R5接地。
[0009]e、多串口單元板中的串行通訊接口模塊為接口晶片，通過隔離電路藕接於FPGA控制器；FPGA晶片收到來自串口的數據後，通過總線驅動電路，將數據經由VME總線背板送給主控單元板，實現主控單元板與多串口單元板的互聯互通。
[0010]f、電源單元採用ATX —體化電源AC220V/50HZ可為VME總線背板各功能單元提供+5V、+12V、-12V 電壓輸入。
[0011]本實用新型的優點是:操作簡易，生產成本低，其功能多元化、可擴展，高可靠，高精度。
[0012]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明。
[0013]圖1為本實用新型一種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器去掉後面板的結構示意圖。
[0014]圖2為圖1中主控單元板I硬體原理結構框圖。
[0015]圖3為圖1中數字量單元板2結構框圖。
[0016]圖4為圖1中模擬量單元板3運放電路圖。
[0017]圖5為圖1中模擬量單元板3DA轉換電路圖。
[0018]圖6為圖1中多串口單元板4的結構框圖。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中:3U機箱7上的面板均由螺釘與框架固定連接，3U機箱7內底部設有VME總線背板6，VME總線背板6上設有8個單元板插槽，依次插有主控單元板1、數字量單元板
2、模擬量單元板3、多串口單元板4、電源單元5，各功能單元板頂端與3U機箱7頂部面板固定連接，各功能單元板通過VME總線背板6與主控單元板I連接，實現高速通信；各功能單元板之間可以通過硬體設置地址，相互互換插槽位置。
[0020]在圖2中:主控單元板I是基於ARM9微處理器和大規模可編程集成電路FPGA技術實現的。通過ARM9微處理器內部集成的兩路USB主機埠實現USB通信。ARM9微處理器內部具有JTAG型掃描鏈，提供JTAG接口，實現系統在線調試。主控單元板I運用RS232接口晶片，實現串口通信。主控單元板I採用低功耗高性能的乙太網控制收發器，支持傳輸速率達1M和100M的乙太網接口。主控單元板I選擇獨立圖形顯示控制器實現IXD顯示功能。主控單元板I由VME總線背板6提供+5V、+3.3V電源，經DC-DC電源變換，為各集成電路晶片供電。晶體振蕩電路用於向ARM9微處理器和其他需要時鐘的外設電路提供工作時鐘。主控單元板I中的SDRAM存儲器作用是:存放系統運行時的程序和數據，掉電後該部分程序和數據會丟失。設計中使用4片數據寬度為16位的SDRAM並行運行作為一個32位數據寬度的SDRAM模塊，以充分發揮ARM9微處理器32位數據寬度的高性能。主控單元板I中採用存儲容量為32Mbit，工作電壓2.7V?3.6V，16位數據寬度的Flash存儲器存儲系統運行所需的程序和重要數據。主控單元板I中通過電阻式觸控螢幕，實現人機互動。運用FPGA晶片完成VME總線主模塊驅動，總線仲裁，總線中斷，地址解碼和存儲單元監視器等功能，ARM9微處理器實現各個功能單元數據交換、數據存儲以及控制等功能。
[0021]在圖3中:數字量單元板3中的16路數字輸入信號採用光電耦合器進行隔離。光電耦合器設計具有保護電路免於外界信號的幹擾以及損壞。採用吸收電路，提夠輸入信號的門限，從而杜絕感應耦合產生低壓信號造成的誤操作。數字輸入信號經光耦隔離後送入FPGA晶片進行邏輯處理，並通過VME總線背板6，發送給主控單元板I。當主控單元板I需要進行輸出控制時，通過將數據經由VME總線背板6發送給FPGA晶片進行邏輯處理後，採用光繼電器進行隔離，實現數位訊號的輸出，從而增強抗幹擾能力，增加信號輸出的穩定性。
[0022]在圖4中:模擬量單元板3輸入採用差分輸入，通過跳線選擇電壓或電流輸入方式，經過運放送到AD轉換器進行模數轉化。模擬量單元板3中的運放電路採用200V共模電壓差分放大器U2，該電路電壓差分輸入時輸入阻抗達到2ΜΩ，普通模式電壓輸入時阻抗達到1ΜΩ，信號輸入範圍為-200V?200V，信號輸出範圍為-1OV?10V。差分電壓信號的負端與正端分別與U2晶片的2和3腳相連，U2晶片的6腳串接電阻R2後與輸出連接。
[0023]在圖5中:模擬量單元板3中的DA轉換電路，數字量通過DA轉換器U4轉換為模擬量，再經高速低噪聲運算放大器U9進行放大，該電路信號輸入範圍為-12.3V?12.3V,信號輸出範圍為-13.8V?13.8V，輸入阻抗4.5ΜΩ，輸出阻抗為70 Ω。對於模擬信號的電壓輸出採用FPGA控制模擬開關U7、U10、Ul1、U12、U15選擇外圍電路控制電壓值的輸出範圍。所述DA轉換器U4的9腳與數字輸入端DA-D-1N連接，U4的17腳與放大器U9的3腳連接，U9的2腳與模擬開關U7、U12、U15的I腳連接，放大器U9的輸出6腳一路通過電阻R6與模擬開關Ull的8腳連接，另一路與Ull的2腳連接；DA轉換器U4的14、15腳通過電阻R3與模擬開關U15的8腳連接；模擬開關Ull的I腳與U12的I腳相連，並通過電阻R7與U12的2腳連接；模擬開關U7的8腳與UlO的I腳連接，模擬開關UlO的8腳通過電阻R4接地，模擬開關UlO的2腳通過電阻R5接地。
[0024]在圖6中:多串口單元板4中的串行通訊接口模塊為接口晶片，通過隔離電路藕接於FPGA控制器。隔離電路採用光耦隔離模塊具有較高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力。該接口晶片具有電平轉化邏輯電路。例如，串行通訊接口模塊可以將TTL電平轉化為串口 RS422所使用的電平。因此，僅需要更換不同的接口晶片，就可以改變串行通訊接口的屬性，將所述通訊接口配置成相對應的RS232、RS422或RS485接口。串行接口的數據位、波特率、校驗位、停止位可靈活配置，適應多種應用場合。FPGA晶片收到來自串口的數據後，通過總線驅動電路，將數據經由VME總線背板6送給主控單元板I，實現主控單元板I與多串口單元板4的互聯互通。
[0025]綜上所述，本實用新型中的數字量單元板2、模擬量單元板3、多串口單元板4都運用瞬間電壓抑制器和防雷抗電管進行了瞬間電壓抑制、防雷保護。本實用新型主控單元板I採用ARM微處理器和FPGA晶片，各功能單元板通過VME總線背板6與主控單元板I連接，實現高速通信。各功能單元板通過硬體設置地址，可互換背板插槽位置。控制器具有較高的測量精度和多種測量範圍，能對信號進行多種複雜處理，可實現VGA/LCD顯示、多路數字量輸入輸出、數模/模數轉換、多路串行通信、網絡通信等功能。控制器提供的良好人機界面，能幫助用戶實現對信號組態控制、監測的功能，可滿足現代工業控制的要求，特別適合於一體化工業控制領域的應用。本實用新型操作簡易，生產成本低，其功能多元化、可擴展，高可靠，高精度。
【權利要求】
1.一種基於ARM和FPGA的嵌入式工業控制器，包括主控單元板(I)、數字量單元板(2)、模擬量單元板(3)、多串口單元板(4)、電源單元(5)、VME總線背板(6)、3U機箱(7)，其特徵在於: a、3U機箱(7)內底部設有VME總線背板(6)，VME總線背板(6)上設有8個單元板插槽，依次插有主控單元板(I)、數字量單元板(2)、模擬量單元板(3)、多串口單元板(4)、電源單元(5)，各功能單元板頂端與3U機箱(7)頂板固定連接，各功能單元板通過VME總線背板(6)與主控單元板(I)連接，實現高速通信；各功能單元板之間可以通過硬體設置地址，相互互換插槽位置； b、主控單元板(I)是基於ARM9微處理器和大規模可編程集成電路FPGA技術實現的；通過ARM9微處理器內部集成的兩路USB主機埠實現USB通信；ARM9微處理器內部具有JTAG型掃描鏈，提供JTAG接口，實現系統在線調試；主控單元板(I)運用RS232接口晶片，實現串口通信；主控單元板(I)採用低功耗高性能的乙太網控制收發器，支持傳輸速率達1M和10M的乙太網接口 ；主控單元板(I)選擇獨立圖形顯示控制器實現IXD顯示功能；主控單元板(I)由VME總線背板(6)提供+5V、+3.3V電源經DC-DC電源變換，為各集成電路晶片供電；晶體振蕩電路用於向主控單元板(I)上的ARM9微處理器和其他需要時鐘的外設電路提供工作時鐘；SDRAM存儲器用於存放系統運行時的程序和數據；通過電阻式觸控螢幕，實現人機互動；主控單元板(I)運用FPGA晶片完成VME總線主模塊驅動，總線仲裁，總線中斷，地址解碼和存儲單元監視器等功能，主控單元板(I)運用ARM9微處理器實現與各功能單元板數據交換、數據存儲以及控制等功能； C、數字量單元板(2)中的16路數字輸入信號採用光電耦合器進行隔離；數字輸入信號經光耦隔離後送入FPGA晶片進行邏輯處理，並通過VME總線背板(6)，發送給主控單元板(I);當主控單元板⑴需要進行輸出控制時，通過將數據經由VME總線背板(6)發送給FPGA晶片進行邏輯處理後，採用光繼電器進行隔離，實現數位訊號的輸出； d、模擬量單元板(3)中的運放電路採用200V共模電壓差分放大器U2，差分電壓信號的負端與正端分別與U2晶片的2腳和3腳相連，U2晶片的6腳串接電阻R2後與輸出連接；模擬量單元板(3)中的DA轉換電路，數字量通過DA轉換器U4轉換為模擬量，再經高速低噪聲運算放大器U9進行放大，DA轉換器U4的9腳與數字輸入端DA-D-1N連接，U4的17腳與放大器U9的3腳連接，U9的2腳與模擬開關U7、U12、U15的I腳連接，放大器U9的輸出6腳一路通過電阻R6與模擬開關Ull的8腳連接，另一路與Ull的2腳連接；DA轉換器U4的14、15腳通過電阻R3與模擬開關U15的8腳連接；模擬開關Ull的I腳與U12的I腳相連，並通過電阻R7與U12的2腳連接；模擬開關U7的8腳與UlO的I腳連接，模擬開關UlO的8腳通過電阻R4接地，模擬開關UlO的2腳通過電阻R5接地； e、多串口單元板⑷中的串行通訊接口模塊為接口晶片，通過隔離電路藕接於FPGA控制器；FPGA晶片收到來自串口的數據後，通過總線驅動電路，將數據經由VME總線背板(6)送給主控單元板(I)，實現主控單元板(I)與多串口單元板(4)的互聯互通； f>電源單元(5)採用ATX —體化電源AC220V/50HZ可為VME總線背板(6)各功能單元提供+5V、+12V、-12V電壓輸入。
【文檔編號】G05B19/04GK203965837SQ201420329386
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】王鵬, 秦文進, 石永濤 申請人:甘肅交通職業技術學院