专利名称：用于流体系统的控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于流体系统的控制设备。名称“流体系统”在此理解为大范围的技术设备和设备组合，其与流体(液体和气体)的控制、定剂量或者测量/分析有关，从简单的阀门或阀门组到定剂量设备或分析设备直至复杂设备例如质量流量测量设备。典型地，控制设备对于这些应用需要控制器、至上级控制装置的通信接口以及根据应用需要用于执行器和/或传感器的接口。根据通信环境需要不同的通信接口，例如总线接口。这些控制设备对于每种应用配备有为此合适的标准部件例如微控制器和接口，其中相应的应用根据效率、通信环境和成本预给定所使用的部件的选择。各种在流体系统中使用的控制设备相应是大的。
发明内容
本发明能够实现可以借助极其灵活地配置的用于流体系统的控制设备满足用于完全不同的通信环境的流体应用的多重要求。在权利要求中说明的根据本发明的解决方案的核心是，将通用计算模块用作统一的存储部分(Lagerteil)，该计算模块包含可编程逻辑组件、时钟发生器、易失性快速工作存储器和持久存储器并且借助一些外围部件构建在电路板上。在下文中称作FPGA(现场可编程门阵列)的可编程逻辑组件是数字技术的集成电路，该电路可以通过编程配置为极其复杂的逻辑电路。FPGA的可以通过编程作为硬件可用的典型的组成部分是逻辑基本块、处理器、乘法器、存储器控制器和查找表，然而也是带有用于常见标准的I/O端口的完整的通信接口、存储器和用于时钟准备的硬件。借助根据本发明的体系结构可能的是，统一的计算模块通过配置数据配备有对于相应的应用所有需要的硬件部件，包括用于相应的通信环境的功能。此外，通过识别连接在电路板上的通信模块进行的动态配置也是可能的。同样，可以进行再配置以匹配改变后的环境。这种再配置可以手工进行或者简单地通过将通信模块插接到电路板上来自动进行。因此，存在的配置可以由应用者随时容易地并且甚至现场匹配于改变后的通信环境。为此需要的硬件部件在被持久存储的配置数据中已经被预配置过并且仅仅必须在需要是加载到FPGA中。
本发明的另外的特征和优点从下面借助所附附图的说明中得出。其中图1示出了带有通用计算模块的流体控制设备的示意性框图；图2示出了用于说明使控制设备与不同的通信环境匹配的图解；图3示意性地示出了在接通时计算模块的初始状态；以及图4示出了计算模块的配置过的状态。
具体实施例方式在图1中，流体控制设备的电路板10称作“MFC主板”。其中，“MFC”代表Mass Flow Controller，即质量流量控制装置。这是本发明的示例性应用。设置有可以插接到电路板
410上的通信模块20用于融入到通信环境中。计算模块30、标准接口部件40和电源部件50 构建在电路板10上。属于标准接口部件40的是USB、蓝牙、JTAG等等，其带有必要时需要的电平匹配或信号放大以及带有其象征性地称作“插头”的电路板10上的端子。这些标准接口部件实现外部执行器和/或传感器的端子，然而也可以用于维护和诊断。电源部件50 在电路板10上也具有称作“插头”的用于环境的端子。此外，电路板10具有用于根据需要待装配的通信模块20的插接位置60。通信模块20基于插接卡，该插接卡具有匹配于电路板10的插接连接装置60的统一的插接连接装置以及通过相应的通信标准预给定的用于通信环境的端子(在图1中称作“插头”)，尽管可以涉及任意的、电学的、光学的或者HF通信端子。具体而言，可以在通信模块20的插接卡上设置可由计算模块30通过插接位置60识别的编码部和PHY模块例如电平变换器。对不同通信模块的接口的通用可用性的细节参考图2在下面进一步阐述。在非常紧凑并且设计为统一的存储部分的计算模块30上合并有所有部件，其需要短的信号运行时间。对于电路板10上的“外部环境”，计算模块30仅仅具有至外围部件 40,50和60的简单印制导线。计算模块30包含可编程的逻辑部件(下面称作FPGA组件3 、持久存储器34例如为闪存、易失性存储器36例如为SDRAM(同步动态随机存取存储器)以及时钟发生器38。 在FPGA内部所示的部件是应用处理器322、通信处理器324、通信逻辑电路3 和设备逻辑电路328。这些部件在系统每次接通时通过还要描述的启动过程借助在FPGA内的配置数据
来产生。至今所提及的标准接口部件40仅仅是示例。根据应用需要服务接口和/或诊断接口，尤其是USB、EIA 232、以太网或者蓝牙。对于传感器和执行器的端子可以存在另外的接口，尤其是SPI、UART、4-20mA输入端或输出端、1 或者24V驱动器。此外可以设计人/ 机接口，尤其是显示器、开关、键控器、LED、音频装置或者其组合。图2说明了计算模块的再配置的可能性，用于匹配于通信环境。示例性示出了三个不同的通信模块，用于ftx)fibUS的通信模块20a，用于CAN总线的通信模块20b以及用于以太网的通信模块20c。这些模块中的每个都可以插接到电路板30的插接位置60上。这些模块优选地为了识别相应的类型而以数字方式编码。例如，插接连接装置60的导体中的三个可以传输数字代码，借助该数字代码可以将八个(21)不同的模块类型编码。计算模块30可以在接通时读取相应的编码并且相应地配置其硬件。该配置过程可以在应用方处完全自动地运行或者(根据优选)在制造商方面的许可之后才运行。在识别过程结束并且 FPGA相应地配置后，控制设备可以在相应的通信环境中运行。除了在图2中所示的示例之外，自然还有另外的现场总线通信环境是可能的，尤其是I^rofibus、CANopen, Profinet或者 DART。在每次接通之后，计算模块具有在图3中所示的初始状态。FPGA组件32具有带有指令和变量存储器1的初步的硬件基础配置用于驱动软件、CPU 2和存储器控制器3。这些部件使系统能够在接通时在持久存储器34的固定地址读取和加载出厂镜像。出厂镜像根据所识别的外部硬件部件借助该出厂镜像的驱动软件来确定配置过程。为此，出厂镜像分析在持久存储器中存储的启动配置数据。启动配置数据尤其包含以下信息-应加载哪个应用程序镜像
-该应用程序镜像具有多少CUP-应以何种顺序启动应用程序镜像的CPU-各CPU应实施哪些软件-各镜像位于哪些地址。随后，FPGA 32覆盖其初始配置并且借助启动配置数据中的信息重新配置为目标系统。在图4中所示的示例中，目标系统具有RAM 1、对持久存储器34的访问的控制器2、 复位逻辑电路3、第一 CPU 4和第二 CPU 5。第一 CPU 4加载和处理软件“Bootcopier (启动复制器)”6，其位于持久存储器34中的CPU 4的复位地址上。在持久存储器34中的“配置规定” 7中搜索合适的“软件镜像” 8，其加载到易失存储器36的对于CPU 4保留的区域 36a中。CPU 4现在可以实施其软件并且通过复位逻辑电路3首先唤醒第二 CPU 5。第二 CPU 5从持久存储器34读取其“软件镜像”9并且将该软件镜像复制到易失存储器36的对该CPU保留的区域36b中。所示示例的目标系统现在配置完成。在图1中所示的实施形式中，目标系统同样具有两个CPU，其中第一个配置为应用处理器322并且第二个配置为通信处理器324。此外，目标系统具有匹配于识别出的通信模块20的通信逻辑电路326以及匹配于需要的标准接口部件40的设备逻辑电路328。
权利要求
1.一种用于流体系统的控制设备，其带有电路板，在该电路板上设置有计算模块和通过印制导线与该计算模块连接的至少一个外围通信端子，其中-控制设备的数字硬件实现计算模块；-计算模块包含可编程逻辑组件、时钟发生器、易失性快速工作存储器和持久存储器；-在持久存储器中存储有出厂镜像，可编程逻辑组件在接通瞬间加载出厂镜像；-在持久存储器中存储有启动配置数据，带有出厂镜像的可编程逻辑组件读取和分析启动配置数据；-可编程逻辑组件借助分析过的启动配置数据或者外部信号配置该逻辑组件的硬件并且将用于通过硬件来执行的应用加载到快速工作存储器中。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中可编程逻辑组件的借助启动配置数据来配置的硬件包括应用处理器、通信处理器、通信逻辑电路和设备逻辑电路。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其中所述至少一个外围通信端子是硬件接口的标准输入端子和/或输出端子，可编程的逻辑组件实现该硬件接口的数字部分。
4.根据权利要求2或3所述的控制设备，其中设备逻辑电路包含至在电路板上存在的用于外部设备如执行器和传感器的端子的接口的数字部分，其中该接口在电路板上具有插接连接装置、信号转换器和/或电平变换器。
5.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中可编程逻辑组件的配置根据连接至电路板的通信端子的通信参与方来进行。
6.根据权利要求5所述的控制设备，其中电路板具有用于可更换的通信模块的插接位置，并且用于不同的通信环境的、带有用于电路板的插接位置的统一的插接连接装置的通信模块被提供。
7.根据权利要求5或6所述的控制设备，其中标准通信协议存储在持久存储器中，并且可编程逻辑组件根据所连接的参与方使得所述协议可用。
8.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中持久存储器中的基本内容以加密的方式存储。
9.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中现场总线，尤其是ftOfibus、 CANopen, Profinet或者DART设置为通信端子。
10.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中服务接口和/或诊断接口，尤其是 USB, EIA 232、以太网或者蓝牙设置为通信端子。
11.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中传感器接口和/或执行器接口，尤其是SPI、UART、4-20mA输入端或输出端、I2C或者24V驱动器设置为通信端子。
12.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中人/机接口，尤其是显示装置、开关、 键控器、LED、音频装置或者其组合设置为通信端子。
13.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中计算模块是用于不同应用的统一的存储部分。
14.根据上述权利要求之一所述的控制设备，其中电路板配备有根据应用而不同的接口部件以及配备有统一的计算模块。
15.根据上述权利要求之一所述的控制设备，用于以下应用之一-阀门控制，-定剂量控制， -分析，-流量测量。
全文摘要
针对完全不同的通信环境的流体应用的多重要求借助用于流体系统的可极其灵活地配置的控制设备来满足。解决方案的核心是将通用计算模块用作统一的存储部分，该计算模块包含可编程逻辑组件、时钟发生器、易失性快速工作存储器和持久存储器并且与一些外围部件一起构建在电路板上。统一的计算模块通过配置数据配备有用于相应应用的所有需要的硬件部件，包括用于相应的通信环境的功能。此外，通过识别连接在电路板上的通信模块进行的动态配置也是可能的。同样，可以进行再配置以匹配改变后的环境。
文档编号G05B19/418GK102419576SQ20111024968
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者沃尔克·哈夫 申请人:比尔克特韦尔克有限公司