一种基于arm和fpga的嵌入式工业控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器。本实用新型包括标准3U机箱、主控单元板、数字量单元板、模拟量单元板、多串口单元板、电源单元、VME总线背板。主控单元板采用ARM微处理器和FPGA芯片，各功能单元板通过VME总线背板与主控单元板连接，实现高速通信。各功能单元板通过硬件设置地址，可互换背板插槽位置。控制器具有较高的测量精度和多种测量范围，能对信号进行多种复杂处理，可实现VGA/LCD显示、多路数字量输入输出、数模/模数转换、多路串行通信、网络通信等功能。控制器提供的良好人机界面，能帮助用户实现对信号组态控制、监测的功能，可满足现代工业控制的要求，特别适合于一体化工业控制领域的应用。
【专利说明】—种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种工业控制器，更具体地说涉及一种应用于气缸加压、多电机拖动的一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器。
【背景技术】
[0002]随着工业自动化技术的飞速发展，传统的PLC以其高速度、高性能、高可靠性在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，传统PLC自身存在以下缺点:①由于传统PLC的生产厂商之间的产品互相不兼容，缺少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构。②各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法。③传统PLC的生产被几家厂商所垄断，造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素。基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器运用模块化设计的方法，结合了模块化的灵活性和嵌入式系统的高效、稳定特性，采用VME总线背板，支持多种功能单元板，各功能单元板可灵活组合以适应多种不同工业现场的应用。
实用新型内容
[0003]本实用新型要解决的技术问题是:克服现有技术存在的不足，提供一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器，其可应用于气缸加压、多电机拖动等工业控制领域，本实用新型的功能多元化、可扩展，高可靠，高精度，操作简易，生产成本低。
[0004]本实用新型包括主控单元板、数字量单元板、模拟量单元板、多串口单元板、电源单元、VME总线背板、3U机箱，其特点在于:
[0005]a、3U机箱内底部设有VME总线背板，VME总线背板上设有8个单元板插槽，依次插有主控单元板、数字量单元板、模拟量单元板、多串口单元板、电源单元，各功能单元板前端与3U机箱面板固定连接，各功能单元板通过VME总线背板与主控单元板连接，实现高速通信；各功能单元板之间可以通过硬件设置地址，相互互换插槽位置。
[0006]b、主控单元板是基于ARM9微处理器和大规模可编程集成电路FPGA技术实现的；通过ARM9微处理器内部集成的两路USB主机端口实现USB通信；ARM9微处理器内部具有JTAG型扫描链，提供JTAG接口，实现系统在线调试；主控单元板运用RS232接口芯片，实现串口通信；主控单元板采用低功耗高性能的以太网控制收发器，支持传输速率达1M和100M的以太网接口 ；主控单元板选择独立图形显示控制器实现IXD显示功能；主控单元板由VME总线背板提供+5V、+3.3V电源，经DC-DC电源变换，为各集成电路芯片供电；晶体振荡电路用于向ARM9微处理器和其他需要时钟的外设电路提供工作时钟。SDRAM存储器用于存放系统运行时的程序和数据；通过电阻式触摸屏，实现人机交互；主控单元板运用FPGA芯片完成VME总线主模块驱动，总线仲裁，总线中断，地址译码和存储单元监视器等功能，运用ARM9微处理器实现各个功能单元数据交换、数据存储以及控制等功能。
[0007]C、数字量单元板中的16路数字输入信号采用光电耦合器进行隔离；数字输入信号经光耦隔离后送入FPGA芯片进行逻辑处理，并通过VME总线背板，发送给主控单元板；当主控单元板需要进行输出控制时，通过将数据经由VME总线背板发送给FPGA芯片进行逻辑处理后，采用光继电器进行隔离，实现数字信号的输出。
[0008]d、模拟量单元板中的运放电路采用200V共模电压差分放大器U2，差分电压信号的负端与正端分别与U2芯片的2脚和3脚相连，U2芯片的6脚串接电阻R2后与输出连接；模拟量单元板中的DA转换电路，数字量通过DA转换器U4转换为模拟量，再经高速低噪声运算放大器U9进行放大，DA转换器U4的9脚与数字输入端DA-D-1N连接，U4的17脚与放大器U9的3脚连接，U9的2脚与模拟开关U7、U12、U15的I脚连接，放大器U9的输出6脚一路通过电阻R6与模拟开关Ull的8脚连接，另一路与Ull的2脚连接；DA转换器U4的14、15脚通过电阻1?3与模拟开关仍5的8脚连接；模拟开关Ul I的I脚与U12的I脚相连，并通过电阻R7与U12的2脚连接；模拟开关U7的8脚与UlO的I脚连接，模拟开关UlO的8脚通过电阻R4接地，模拟开关UlO的2脚通过电阻R5接地。
[0009]e、多串口单元板中的串行通讯接口模块为接口芯片，通过隔离电路藕接于FPGA控制器；FPGA芯片收到来自串口的数据后，通过总线驱动电路，将数据经由VME总线背板送给主控单元板，实现主控单元板与多串口单元板的互联互通。
[0010]f、电源单元采用ATX —体化电源AC220V/50HZ可为VME总线背板各功能单元提供+5V、+12V、-12V 电压输入。
[0011]本实用新型的优点是:操作简易，生产成本低，其功能多元化、可扩展，高可靠，高精度。
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0013]图1为本实用新型一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器去掉后面板的结构示意图。
[0014]图2为图1中主控单元板I硬件原理结构框图。
[0015]图3为图1中数字量单元板2结构框图。
[0016]图4为图1中模拟量单元板3运放电路图。
[0017]图5为图1中模拟量单元板3DA转换电路图。
[0018]图6为图1中多串口单元板4的结构框图。
【具体实施方式】
[0019]在图1中:3U机箱7上的面板均由螺钉与框架固定连接，3U机箱7内底部设有VME总线背板6，VME总线背板6上设有8个单元板插槽，依次插有主控单元板1、数字量单元板
2、模拟量单元板3、多串口单元板4、电源单元5，各功能单元板顶端与3U机箱7顶部面板固定连接，各功能单元板通过VME总线背板6与主控单元板I连接，实现高速通信；各功能单元板之间可以通过硬件设置地址，相互互换插槽位置。
[0020]在图2中:主控单元板I是基于ARM9微处理器和大规模可编程集成电路FPGA技术实现的。通过ARM9微处理器内部集成的两路USB主机端口实现USB通信。ARM9微处理器内部具有JTAG型扫描链，提供JTAG接口，实现系统在线调试。主控单元板I运用RS232接口芯片，实现串口通信。主控单元板I采用低功耗高性能的以太网控制收发器，支持传输速率达1M和100M的以太网接口。主控单元板I选择独立图形显示控制器实现IXD显示功能。主控单元板I由VME总线背板6提供+5V、+3.3V电源，经DC-DC电源变换，为各集成电路芯片供电。晶体振荡电路用于向ARM9微处理器和其他需要时钟的外设电路提供工作时钟。主控单元板I中的SDRAM存储器作用是:存放系统运行时的程序和数据，掉电后该部分程序和数据会丢失。设计中使用4片数据宽度为16位的SDRAM并行运行作为一个32位数据宽度的SDRAM模块，以充分发挥ARM9微处理器32位数据宽度的高性能。主控单元板I中采用存储容量为32Mbit，工作电压2.7V?3.6V，16位数据宽度的Flash存储器存储系统运行所需的程序和重要数据。主控单元板I中通过电阻式触摸屏，实现人机交互。运用FPGA芯片完成VME总线主模块驱动，总线仲裁，总线中断，地址译码和存储单元监视器等功能，ARM9微处理器实现各个功能单元数据交换、数据存储以及控制等功能。
[0021]在图3中:数字量单元板3中的16路数字输入信号采用光电耦合器进行隔离。光电耦合器设计具有保护电路免于外界信号的干扰以及损坏。采用吸收电路，提够输入信号的门限，从而杜绝感应耦合产生低压信号造成的误操作。数字输入信号经光耦隔离后送入FPGA芯片进行逻辑处理，并通过VME总线背板6，发送给主控单元板I。当主控单元板I需要进行输出控制时，通过将数据经由VME总线背板6发送给FPGA芯片进行逻辑处理后，采用光继电器进行隔离，实现数字信号的输出，从而增强抗干扰能力，增加信号输出的稳定性。
[0022]在图4中:模拟量单元板3输入采用差分输入，通过跳线选择电压或电流输入方式，经过运放送到AD转换器进行模数转化。模拟量单元板3中的运放电路采用200V共模电压差分放大器U2，该电路电压差分输入时输入阻抗达到2ΜΩ，普通模式电压输入时阻抗达到1ΜΩ，信号输入范围为-200V?200V，信号输出范围为-1OV?10V。差分电压信号的负端与正端分别与U2芯片的2和3脚相连，U2芯片的6脚串接电阻R2后与输出连接。
[0023]在图5中:模拟量单元板3中的DA转换电路，数字量通过DA转换器U4转换为模拟量，再经高速低噪声运算放大器U9进行放大，该电路信号输入范围为-12.3V?12.3V,信号输出范围为-13.8V?13.8V，输入阻抗4.5ΜΩ，输出阻抗为70 Ω。对于模拟信号的电压输出采用FPGA控制模拟开关U7、U10、Ul1、U12、U15选择外围电路控制电压值的输出范围。所述DA转换器U4的9脚与数字输入端DA-D-1N连接，U4的17脚与放大器U9的3脚连接，U9的2脚与模拟开关U7、U12、U15的I脚连接，放大器U9的输出6脚一路通过电阻R6与模拟开关Ull的8脚连接，另一路与Ull的2脚连接；DA转换器U4的14、15脚通过电阻R3与模拟开关U15的8脚连接；模拟开关Ull的I脚与U12的I脚相连，并通过电阻R7与U12的2脚连接；模拟开关U7的8脚与UlO的I脚连接，模拟开关UlO的8脚通过电阻R4接地，模拟开关UlO的2脚通过电阻R5接地。
[0024]在图6中:多串口单元板4中的串行通讯接口模块为接口芯片，通过隔离电路藕接于FPGA控制器。隔离电路采用光耦隔离模块具有较高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。该接口芯片具有电平转化逻辑电路。例如，串行通讯接口模块可以将TTL电平转化为串口 RS422所使用的电平。因此，仅需要更换不同的接口芯片，就可以改变串行通讯接口的属性，将所述通讯接口配置成相对应的RS232、RS422或RS485接口。串行接口的数据位、波特率、校验位、停止位可灵活配置，适应多种应用场合。FPGA芯片收到来自串口的数据后，通过总线驱动电路，将数据经由VME总线背板6送给主控单元板I，实现主控单元板I与多串口单元板4的互联互通。
[0025]综上所述，本实用新型中的数字量单元板2、模拟量单元板3、多串口单元板4都运用瞬间电压抑制器和防雷抗电管进行了瞬间电压抑制、防雷保护。本实用新型主控单元板I采用ARM微处理器和FPGA芯片，各功能单元板通过VME总线背板6与主控单元板I连接，实现高速通信。各功能单元板通过硬件设置地址，可互换背板插槽位置。控制器具有较高的测量精度和多种测量范围，能对信号进行多种复杂处理，可实现VGA/LCD显示、多路数字量输入输出、数模/模数转换、多路串行通信、网络通信等功能。控制器提供的良好人机界面，能帮助用户实现对信号组态控制、监测的功能，可满足现代工业控制的要求，特别适合于一体化工业控制领域的应用。本实用新型操作简易，生产成本低，其功能多元化、可扩展，高可靠，高精度。
【权利要求】
1.一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器，包括主控单元板(I)、数字量单元板(2)、模拟量单元板(3)、多串口单元板(4)、电源单元(5)、VME总线背板(6)、3U机箱(7)，其特征在于: a、3U机箱(7)内底部设有VME总线背板(6)，VME总线背板(6)上设有8个单元板插槽，依次插有主控单元板(I)、数字量单元板(2)、模拟量单元板(3)、多串口单元板(4)、电源单元(5)，各功能单元板顶端与3U机箱(7)顶板固定连接，各功能单元板通过VME总线背板(6)与主控单元板(I)连接，实现高速通信；各功能单元板之间可以通过硬件设置地址，相互互换插槽位置； b、主控单元板(I)是基于ARM9微处理器和大规模可编程集成电路FPGA技术实现的；通过ARM9微处理器内部集成的两路USB主机端口实现USB通信；ARM9微处理器内部具有JTAG型扫描链，提供JTAG接口，实现系统在线调试；主控单元板(I)运用RS232接口芯片，实现串口通信；主控单元板(I)采用低功耗高性能的以太网控制收发器，支持传输速率达1M和10M的以太网接口 ；主控单元板(I)选择独立图形显示控制器实现IXD显示功能；主控单元板(I)由VME总线背板(6)提供+5V、+3.3V电源经DC-DC电源变换，为各集成电路芯片供电；晶体振荡电路用于向主控单元板(I)上的ARM9微处理器和其他需要时钟的外设电路提供工作时钟；SDRAM存储器用于存放系统运行时的程序和数据；通过电阻式触摸屏，实现人机交互；主控单元板(I)运用FPGA芯片完成VME总线主模块驱动，总线仲裁，总线中断，地址译码和存储单元监视器等功能，主控单元板(I)运用ARM9微处理器实现与各功能单元板数据交换、数据存储以及控制等功能； C、数字量单元板(2)中的16路数字输入信号采用光电耦合器进行隔离；数字输入信号经光耦隔离后送入FPGA芯片进行逻辑处理，并通过VME总线背板(6)，发送给主控单元板(I);当主控单元板⑴需要进行输出控制时，通过将数据经由VME总线背板(6)发送给FPGA芯片进行逻辑处理后，采用光继电器进行隔离，实现数字信号的输出； d、模拟量单元板(3)中的运放电路采用200V共模电压差分放大器U2，差分电压信号的负端与正端分别与U2芯片的2脚和3脚相连，U2芯片的6脚串接电阻R2后与输出连接；模拟量单元板(3)中的DA转换电路，数字量通过DA转换器U4转换为模拟量，再经高速低噪声运算放大器U9进行放大，DA转换器U4的9脚与数字输入端DA-D-1N连接，U4的17脚与放大器U9的3脚连接，U9的2脚与模拟开关U7、U12、U15的I脚连接，放大器U9的输出6脚一路通过电阻R6与模拟开关Ull的8脚连接，另一路与Ull的2脚连接；DA转换器U4的14、15脚通过电阻R3与模拟开关U15的8脚连接；模拟开关Ull的I脚与U12的I脚相连，并通过电阻R7与U12的2脚连接；模拟开关U7的8脚与UlO的I脚连接，模拟开关UlO的8脚通过电阻R4接地，模拟开关UlO的2脚通过电阻R5接地； e、多串口单元板⑷中的串行通讯接口模块为接口芯片，通过隔离电路藕接于FPGA控制器；FPGA芯片收到来自串口的数据后，通过总线驱动电路，将数据经由VME总线背板(6)送给主控单元板(I)，实现主控单元板(I)与多串口单元板(4)的互联互通； f>电源单元(5)采用ATX —体化电源AC220V/50HZ可为VME总线背板(6)各功能单元提供+5V、+12V、-12V电压输入。
【文档编号】G05B19/04GK203965837SQ201420329386
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】王鹏, 秦文进, 石永涛 申请人:甘肃交通职业技术学院