CN103777546B - 可重构网络化测控装置及其组件化编程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构网络化测控装置及其组件化编程方法，所述装置包括嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块，所述嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块通过印制电路板相连形成具有网络通讯能力的测控装置，在所述测控装置上安装有实时操作系统、Java执行环境JRE以及与工业以太网模块相适应的网络协议栈；所述方法为利用组件编程开发环境开发组件以形成组件化测控程序，将组件化测控程序转换成Java程序，并调用Java程序集成开发环境将Java程序编译成Java字节码，通过EtherCAT网络发送给测控装置。本发明的测控装置具有软件和硬件可重构能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种测控装置，尤其是一种可重构网络化测控装置及其组件化编程方法，属于测控、组件化编程和可重构技术领域。
背景技术
目前，工业自动化领域需要进行大量的测量与控制工作，测量信号种类多样(如温度、压力、速度、位移等)、形式各异(如连续信号、离散信号、开关信号、模拟信号、数字信号等)，控制方式也包括过程控制、逻辑控制和运动控制等多种形式，由于工业自动化技术发展迅速，通常要求测控装置具有一定程度的柔性以适应环境不断变化的需要，但是目前的测控装置一旦开发完成，其功能与性能便固定下来，所以无法适应这一需要。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供了一种可重构网络化测控装置，该装置在测控对象改变时，能够快速改变其功能以适应新的对象。
本发明的另一个目的在于提供一种可重构网络化测控装置的组件化编程方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
可重构网络化测控装置，其特征在于：包括嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块，其中：
所述嵌入式处理器模块，用于实现对测量信号的存储与处理以及实现所需的控制方式；
所述现场可编程门阵列模块，用于实现接口逻辑；
所述工业以太网模块，用于实现确定的、实时高速网络通讯；
所述嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块通过印制电路板相连形成具有网络通讯能力的测控装置，在所述测控装置上安装有实时操作系统、Java执行环境JRE以及与工业以太网模块相适应的网络协议栈，所述测控装置通过Java执行环境JRE执行来自编程工具的Java字节码。
作为一种优选方案，所述测控装置还包括内存模块、电池模块和接口模块，所述内存模块、电池模块和接口模块连接在印制电路板上。
作为一种优选方案，所述嵌入式处理器模块采用ARM芯片。
作为一种优选方案，所述工业以太网模块采用EtherCAT芯片，与EtherCAT芯片相适应的网络协议栈为EtherCAT协议栈。
作为一种优选方案，所述实时操作系统采用RTlinux实时操作系统。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
可重构网络化测控装置的组件化编程方法，其特征在于采用编程工具实现，所述编程工具以PC机作为开发平台，安装组件编程开发环境和Java程序集成开发环境，具体步骤如下：
1)利用组件编程开发环境开发组件，由组件形成组件化测控程序，将组件化测控程序转换成Java程序；
2)组件编程开发环境调用Java程序集成开发环境将步骤1)得到的Java程序编译成Java字节码；
3)步骤2)得到的Java字节码通过EtherCAT网络发送给测控装置，由Java执行环境JRE执行Java字节码。
作为一种优选方案，所述组件编程集成开发环境是基于IEC61499标准的FBStudio开发环境。
作为一种优选方案，所述组件分为基本功能块、复合功能块以及服务接口功能块三种，所述组件化测控程序表现为功能块网络，所述功能块网络由功能块通过事件接口和数据接口相连形成。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的测控装置可以采用以PC机为平台的编程工具开发功能块(组件)，由功能块形成功能块网络(组件化测控程序)，在功能块网络转换成Java程序后传输给测控装置执行，所以测控装置的功能不是固定的，而是由功能块网络决定的，使得测控装置具有软件可重构能力。
2、本发明的测控装置采用现场可编程门阵列(FPGA芯片)实现接口逻辑，可以通过编程改变接口逻辑以适应新的信号测量与控制的需要，使得测控装置具有一定的硬件可重构能力。
3、本发明的测控装置在硬件与软件两个层面上都具有很高的柔性，当测控对象改变时，能够快速改变其功能以适应新的对象，而且可以将多个测控装置通过网络相连形成分布式测控系统，系统中包含的测控装置数量可以根据需要进行增加或减少，或者当个别测控装置出现故障时进行更换，从而实现系统的可重构。
附图说明
图1为本发明的测控装置及其采用的编程工具原理示意图。
图2a为本发明的组件编程集成开发环境所开发的基本功能块示意图。
图2b为本发明的组件编程集成开发环境所开发的复合功能块示意图。
图2c为本发明的组件编程集成开发环境所开发的服务接口功能块示意图。
图2d为本发明的组件编程集成开发环境利用功能块形成的功能块网络示意图。
图3为本发明的测控装置应用于分布式测控系统的示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的测控装置包括嵌入式处理器模块101、现场可编程门阵列模块(FPGA芯片)102、工业以太网模块103、内存模块104、电池模块105和接口模块106，所述嵌入式处理器模块101采用ARM芯片，所述述工业以太网模块103采用EtherCAT芯片，所述嵌入式处理器模块101、现场可编程门阵列模块102、工业以太网模块103、内存模块104、电池模块105和接口模块106通过印制电路板(PCB)相连形成具有网络通讯能力的测控装置，在所述测控装置上安装有RTlinux实时操作系统107、Java执行环境JRE(JVM+核心类库)108以及EtherCAT协议栈，其中：
所述嵌入式处理器模块101，采用ARM芯片，用于实现对测量信号的存储与处理以及实现所需的控制方式；
所述现场可编程门阵列模块102，用于实现接口逻辑，可以通过编程改变接口逻辑以适应新的信号测量与控制的需要；
所述工业以太网模块103，采用EtherCAT芯片，用于实现确定的、实时高速网络通讯；
如图1所示，本实施例的测控装置所采用的编程工具以PC机109作为开发平台，安装组件编程开发环境110和Java程序集成开发环境111；所述组件编程开发环境110为自主研发的基于IEC61499标准的开发环境，名为FBStudio，它具有仿真和协助用户检测程序的功能，可以开发组件，形成组件化测控程序，并可将组件化测控程序转换成Java程序，还可以调用Java程序集成开发环境111将Java程序编译成Java字节码，Java字节码通过EtherCAT网络发送到测控装置。
本实施例的测控装置的组件化编程方法，具体步骤如下：
1)利用组件编程开发环境110开发组件，由组件形成组件化测控程序，经仿真调试确定无误后，将组件化测控程序转换成Java程序；
2)组件编程开发环境110调用Java程序集成开发环境111将步骤1)得到的Java程序编译成Java字节码；
3)步骤2)得到的Java字节码通过EtherCAT网络发送给测控装置，由Java执行环境JRE108执行Java字节码。
编程工具开发的组件分为基本功能块、复合功能块以及服务接口功能块三种，所述基本功能块如图2a所示，由功能块类型名201、事件输入接口202、数据输入接口203、事件输出接口204、数据输出接口205、执行控制图206、算法207和内部变量208组成；所述事件输入接口202与数据输入接口203相关联，所述事件输出接口204与数据输出接口205相关联；所述复合功能块如图2b所示，由多个基本功能块通过事件接口与数据接口相连形成，其接口种类与基本功能块相同；所述服务接口功能块如图2c所示，其接口种类与基本功能块相同，但是标准没有规定其内部实现方式，可由功能块类型名201、事件输入接口202、数据输入接口203、事件输出接口204、数据输出接口205、事件处理209、数据处理210和内部变量208组成；所述基本功能块、复合功能块以及服务接口功能块通过事件接口与数据接口相连形成的功能块网络，即用户编制的组件化测控程序，如图2d所示。
实施例2：
如图3所示，多个测控装置(本实施例采用三个，分别为测控装置a、测控装置b和测控装置c)可以通过EtherCAT网络相连，形成分布式测控系统301，单个测控装置可以接入网络或从网络中摘除，从而可以根据测控对象的需要选择测控装置的个数或者当个别测控装置出现故障时，快速的替换故障测控装置，功能块网络302中的各个功能块可以分布到不同的测控装置中运行，分布式测控系统301的功能完全由功能块网络302决定，所以用户可以通过调节测控装置的个数，以及改变功能块网络302来快速地重构测控系统，以实现测控系统的高度柔性化，满足不断变化的测控需求。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.可重构网络化测控装置，其特征在于：包括嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块，其中：
所述嵌入式处理器模块，用于实现对测量信号的存储与处理以及实现所需的控制方式；
所述现场可编程门阵列模块，用于实现接口逻辑；
所述工业以太网模块，用于实现确定的、实时高速网络通讯；
所述嵌入式处理器模块、现场可编程门阵列模块以及工业以太网模块通过印制电路板相连形成具有网络通讯能力的测控装置，在所述测控装置上安装有实时操作系统、Java执行环境JRE以及与工业以太网模块相适应的网络协议栈；
利用组件编程开发环境开发组件，由组件形成组件化测控程序，将组件化测控程序转换成Java程序；组件编程开发环境调用Java程序集成开发环境将得到的Java程序编译成Java字节码，Java字节码通过EtherCAT网络发送给所述测控装置；所述测控装置通过Java执行环境JRE执行来自编程工具的Java字节码；多个所述测控装置通过EtherCAT网络相连形成分布式测控系统；其中，所述组件编程开发环境为自主研发的基于IEC 61499标准的开发环境，名为FBStudio，它具有仿真和协助用户检测程序的功能，可以开发组件，形成组件化测控程序，并可将组件化测控程序转换成Java程序，还可以调用Java程序集成开发环境将Java程序编译成Java字节码。
2.根据权利要求1所述的可重构网络化测控装置，其特征在于：所述测控装置还包括内存模块、电池模块和接口模块，所述内存模块、电池模块和接口模块连接在印制电路板上。
3.根据权利要求1所述的可重构网络化测控装置，其特征在于：所述嵌入式处理器模块采用ARM芯片。
4.根据权利要求1所述的可重构网络化测控装置，其特征在于：所述工业以太网模块采用EtherCAT芯片，与EtherCAT芯片相适应的网络协议栈为EtherCAT协议栈。
5.根据权利要求1所述的可重构网络化测控装置，其特征在于：所述实时操作系统采用RTlinux实时操作系统。
6.权利要求1所述可重构网络化测控装置的组件化编程方法，其特征在于：采用编程工具实现，所述编程工具以PC机作为开发平台，安装组件编程开发环境和Java程序集成开发环境，具体步骤如下：
1)利用组件编程开发环境开发组件，由组件形成组件化测控程序，将组件化测控程序转换成Java程序；
2)组件编程开发环境调用Java程序集成开发环境将步骤1)得到的Java程序编译成Java字节码；
3)步骤2)得到的Java字节码通过EtherCAT网络发送给测控装置，由Java执行环境JRE执行Java字节码。
7.根据权利要求6所述的可重构网络化测控装置的组件化编程方法，其特征在于：所述组件编程集成开发环境是基于IEC 61499标准的FBStudio开发环境。
8.根据权利要求7所述的可重构网络化测控装置的组件化编程方法，其特征在于：所述组件分为基本功能块、复合功能块以及服务接口功能块三种，所述组件化测控程序表现为功能块网络，所述功能块网络由功能块通过事件接口和数据接口相连形成。
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