CN104076769A - 望远镜圆顶的以太网控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种望远镜圆顶的以太网控制装置,包括SOPC系统和PC机,其中SOPC系统采用FPGA芯片开发,由NIOSII主控制器和分别与NIOSII主控制器连接的MAC控制器、双口RAM/FIFO控制器、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG模块和圆顶控制模块组成,MAC控制器通过MAC芯片与PHY物理层芯片连接,HY物理层芯片通过RJ45接口与所述PC机通信;所述SDRAM控制器和SDRAM芯片连接,所述EPCS控制器和EPCS芯片连接;所述圆顶控制模块和望远镜圆顶驱动装置连接。
Description
技术领域
本发明涉及天文观测领域,具体涉及望远镜圆顶的以太网控制装置。
技术背景
目前,大型的望远镜都放置于圆顶当中。观测的时候人工手动按正转将圆顶打开并停止到合适的位置上。观测结束再人工手动按反转,关闭圆顶,都需要现场操作。而现有的以太网已经发展成为主流的网络控制技术,由于其传输速率高,传输距离远,易于组网已被广泛的运用到工业、军事、制造等各个领域。本发明将基于以太网实现圆顶的远程控制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷,提供一种望远镜圆顶的以太网控制装置,通过以太网实现望远镜圆顶状态的远程控制。
实现本发明目的的技术方案是:一种望远镜圆顶的以太网控制装置,包括SOPC系统和PC机,其中SOPC系统采用FPGA芯片开发,由NIOS II主控制器和分别与NIOS II主控制器连接的MAC控制器、双口RAM/FIFO控制器、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG模块和圆顶控制模块组成,MAC控制器通过MAC芯片与PHY物理层芯片连接,HY物理层芯片通过RJ45接口与所述PC机通信;所述SDRAM控制器和SDRAM芯片连接,所述EPCS控制器和EPCS芯片连接;所述圆顶控制模块和望远镜圆顶驱动装置连接;
所述PC机,用于显示圆顶目前运行状态,发送圆顶运行控制指令;
所述PHY物理层芯片,用于实现SOPC系统与PC机的通信;
所述MAC控制器,用于数据包的发送和接收;
所述JTAG模块,用于调试和烧写程序模块;
所述Epcs芯片,用于存储FPGA配置模块和NIOS II软件模块;
所述NIOS II主控制器,用于在C语言环境下调用的MAC控制器的驱动函数,初始化MAC和PHY芯片,并调用数据包接收函数接收PC机的控制命令,经过对控制命令的分析后,控制望远镜圆顶驱动装置动作,从而控制圆顶的运行,同时发送反馈指令告知PC机目前圆顶的运行状态。
作为本发明的进一步改进,所述FPGA芯片采用支持NIOS II软核技术的EP2C8Q208创建NIOS系统作为主控制器,完成以太网的底层驱动开发;所述MAC芯片采用Non-PCI千兆AX88180芯片;所述PHY物理层芯片采用Marvell 88E1111芯片,通过RJ45接口与PC机通信。
作为本发明的进一步改进,在PC机上设有在Visual C++ 环境下调用Winpcap (windows packet capture)编写的PC机程序模块,用于圆顶状态控制;在FPGA芯片上设有采用Verilog HDL编写AX88180的IP内核,采用C语言编写AX88180的驱动,并设有圆顶控制的解码模块,解码模块用于分析指令命令信息,并根据指令命令对相应的FPGA 引脚做出相应的置高或置低电平。
作为本发明的进一步改进,所述圆顶驱动装置包括:三个分别与三个三极管连接的光耦驱动电路,三极管三个继电器分别与三相异步电动机的正、反、停三个按钮并联,三个继电器分别控制正、反和停三个按钮,实现圆顶动作的控制。这样只要用PC机通过以太网发送指令,三 相异步电动机就能实现正、反或停的动作。
解码模块包括下列步骤:将指令命令包加以分析解码,得到正、反和停三种信息,将EP2C8Q208的引脚置高,驱动三极管控制的三个继电器。
作为本发明的进一步改进,圆顶控制流程如下面步骤所示:
a. 将PC机上的所有网卡的相关信息显示出来,指定其中的一个网卡用于捕获数据包;
b. 数据包捕获:打开网络设备,设置所要捕获的设备类型,设置选定的网卡,将捕获的信息包的相关信息,如长度,等待时间等参数记录下来;
c.设置包过滤器:根据想要得到的过滤包类型,创建一个过滤规则给WinPcap引擎;
d. 封装数据包,数据包中含有圆顶正转、反转、停止的三种状态信息;
e. 发送数据包:数据包的发送通过pcap_sendpacket函数实现,该函数有三个参数,第一个给定打开的网络设备名,第二个指定发送缓冲区,第三个指定发送数据包长度;
f. 检测圆顶状态:数据包发送到FPGA后,SOPC的NIOS II解码模块将数据包分解,分析出正、反和停三种命令,并对相应的FPGA 引脚做出相应的置高或置低电平,然后FPAG发给PC机一个返回数据包,确认刚才的数据包已经收到;在返回数据包中包含的圆顶是否到达限位的信息,PC机如果收到圆顶到达限位信息,在edit控件中提示圆顶达到限位。
本发明通过以太网控制圆顶的正反停动作,提高了望远镜圆顶操作的便捷性,省去人工的繁琐的圆顶现场操作,大大简化了人工操作圆顶的繁琐步骤,提高了观测效率。
附图说明
图1是本发明实施例1望远镜圆顶的以太网控制装置的结构框图;
图2是本发明实施例1 NIOS软核的计数器IP框图;
图3是本发明实施例1 NIOS软核系统复位按键的IP框图;
图4是本发明实施例1 MAC芯片(AX88180)与PHY芯片(88E1111)及FPGA的连接结构示意图;
图5是本发明实施例1圆顶正转流程图;
图6是本发明实施例1继电器控制原理图;
图7是本发明实施例1圆顶限位检测原理图;
图8是本发明实施例1圆顶驱动装置电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步说明。
实施例1
如图1所示,一种望远镜圆顶的以太网控制装置,包括SOPC系统和PC机,其中SOPC系统采用FPGA芯片开发,由NIOS II主控制器和分别与NIOS II主控制器连接的MAC控制器、双口RAM/FIFO控制器、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG模块和圆顶控制模块组成,MAC控制器通过MAC芯片与PHY物理层芯片连接,HY物理层芯片通过RJ45接口与所述PC机通信;所述SDRAM控制器和SDRAM芯片连接,EPCS控制器和EPCS芯片连接;圆顶控制模块和望远镜圆顶驱动装置连接;
PC机,用于显示圆顶目前运行状态,发送圆顶运行控制指令;PHY物理层芯片,用于实现SOPC系统与PC机的通信;MAC控制器,用于数据包的发送和接收;JTAG模块,用于调试和烧写程序模块;Epcs芯片,用于存储FPGA配置模块和NIOS II软件模块;NIOS II主控制器,用于在C语言环境下调用的MAC控制器的驱动函数,初始化MAC和PHY芯片,并调用数据包接收函数接收PC机的控制命令,经过对控制命令的分析后,控制望远镜圆顶驱动装置动作,从而控制圆顶的运行,同时发送反馈指令告知PC机目前圆顶的运行状态。
1.NIOS II 主控制器集成了标准流水线RISC机,32个通用寄存器,32位数据通路,片内硬件(乘法,移位,循环)等资源。
SDRAM控制器,16位数据宽度,4blanks,12row,8Column。
Epcs控制器,存储FPGA配置模块和NIOS II软件模块。
Timer.Period 为1ms,Counter Size为32位,如图2所示。
PIO口.宽度为1bit,作为复位信号的输入,如图3所示。
JTAG模块用来调试程序模块和烧写程序模块。
双口RAM/FIFO控制器中,发送端RAM 的数据宽度为32位,存储大小为2048Bytes。接收端RAM的数据宽度为32位,存储大小为2048Bytes。
MAC芯片采用AX88180芯片,其IP内核用Verilog HDL编写,其驱动模块采用C语言编写。
圆顶控制模块的IP内核用Verilog HDL语言编写。
PHY物理层芯片采用Marvell 88E1111芯片,通过RJ45接口与PC机通信。
2.AX88180芯片与88E1111芯片的硬件连接。
ASIX AX88180芯片是高性能非PCI的32位10/100/1000M自适应以太网控制器,其内置主机接口控制器可以十分方便的与SOPC系统相连,内置64个32位的配置寄存器用作对MAC的控制及状态进行控制,以实现对以太网数据的接收和发送。
AX88180芯片与88E1111芯片通过简化的RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口相连,主要负责数据传送底层协议的实现。在10/100/1000M速率下支持全双工模式。AX88180芯片与88E1111芯片及FPGA的硬件连接如图4所示。
3.AX88180芯片驱动。
在C语言环境下编写初始化函数,数据包接收函数,数据包发送函数等完成参数配置及初始化等操作,以备NIOS II模块调用。
AX88180芯片的初始化流程简述如下:
a. 复位MAC芯片,并初始化主要控制寄存器;
b. 关闭所有中断,关闭MAC的发送和接收功能;
c. 初始化PHY芯片的寄存器,使得PHY工作在合适状态下;
d. 配置MAC寄存器使得MAC工作在合适的状态下;
e. 开启中断,开启发送和接收功能;
4.NIOS II主控制器解码模块
在C语言环境下调用AX88180芯片的驱动函数,初始化MAC和PHY芯片,并调用数据包接收函数接收PC端的控制命令经过分析驱动各继电器分别动作,从而控制圆顶的运行,同时发送反馈指令告知PC端目前圆顶的运行状态。
圆顶控制流程如下面步骤所示:
a. 将PC机上的所有网卡的相关信息显示出来,指定其中的一个网卡用于捕获数据包,这个过程中可使用用户自己规定的字符串来表示选择的网卡名。
b. 数据包捕获。打开网络设备,设置模块所要捕获的设备类型,在此过程中,通常使用句柄来区分不同的设备,接着设置选定的网卡,将捕获的信息包的相关信息,如长度,等待时间等参数记录下来。
c.设置包过滤器。根据想要得到的过滤包类型,创建一个过滤规则给WinPcap引擎,这是数据包捕获过程的最重要的步骤。
d. 封装数据包。这部分Packets模块主要是用来封装数据包,数据包中含有圆顶正、反、停的三种信息。
SendPacket->H_MAC.S_MAC_ADDR[0]= 0x5522;
SendPacket->H_MAC.S_MAC_ADDR[1]= 0xBCAA;
SendPacket->H_MAC.S_MAC_ADDR[2]= 0xEFDE;
SendPacket->H_IP.proto = 0x7A;
SendPacket->H_IP.ver_ihl = 0x45;
SendPacket->H_IP.tos = 0x00;
SendPacket->H_IP.tlen = htons((alt_u16)(sizeof(CMDPacket))-14);
SendPacket->H_IP.tags = 0x0000;
SendPacket->H_IP.flag_fo = 0x0000;
SendPacket->H_IP.ttl = 0x80;
SendPacket->H_IP.crc = 0x00;
SendPacket->H_IP.saddr.byte1 = 192;
SendPacket->H_IP.saddr.byte2 = 168;
SendPacket->H_IP.saddr.byte3 = 0;
SendPacket->H_IP.saddr.byte4 = 254; ......
其中
SendPactet->CmdIndex=1;表示圆顶正转;
SendPactet->CmdIndex=2;表示圆顶反转;
SendPactet->CmdIndex=3;表示圆顶到达限位;
SendPactet->CmdIndex=4;表示圆顶停止。
e. 发送数据包。数据包的发送通过pcap_sendpacket函数实现,该函数有三个参数,第一个给定打开的网络设备名,第二个指定发送缓冲区,第三个指定发送数据包长度。
f. 检测圆顶状态。数据包发送到FPGA后,SOPC的NIOS II解码模块将数据包分析,分析出正、反和停三种命令,并对相应的FPGA 引脚做出相应的置高或置低电平。完成这一动作后FPAG发回给PC一个数据包,确认刚才的数据包已经收到。在这个返回的数据包中又包含的圆顶的限位信息,PC机如果收到SendPactet->CmdIndex=3;表示圆顶到达限位,在edit控件中提示圆顶达到限位。
圆顶正转流程图如图5所示,包括下列步骤:
1. 查看设备列表;
2. 打开网络设备;
3. 封装正转数据包;
4. 发送正转数据包;
5. 检测圆顶是否到极限位置,如果是,发送停止数据包;也可手动发送停止命令,发送停止数据包。
反转与正转的流程相似。
6.圆顶驱动及限位电路。
OUTZ、OUTF、OUTSTOP为FPGA的输出信号,分别控制Relay1、Relay2、Relay3三个继电器。当三个信号中的任意一个为低电平时,所对应的继电器吸合。当OUTZ为低电平时,Relay1继电器吸合,这时圆顶正转,当OUTF为低电平时圆顶反转,当OUTSTOP为低电平是圆顶停止。继电器驱动原理图如图6所示。
LIMITU和LIMITV接到三相异步电动机的UV两相,XIANWEI作为FPGA的输入引脚,检测当前电机运行的状态。当PC 机发送正转或者反转命令后,电动机处于运行状态,LIMITU和LIMITV两端加有380V交流电压。这个电压使得380AVRELAY继电器吸合,7805输出5V,光耦导通,XIANWEI为低电平。PC 机发送正转或者反转命令后检测到XIANWEI为低电平说明当前电动机正在运行中。当电动机停止运行U5(7805)输出为低,光耦不导通,XIANWEI为高电平,PC 机发送正转或者反转命令后检测到XIANWEI为高电平说明当前电动机处在限位状态。圆顶限位检测原理图如图7所示。
如图8所示,圆顶驱动装置包括:三个分别与三个三极管连接的光耦驱动电路,三极管三个继电器分别与三相异步电动机的正、反、停三个按钮并联,三个继电器分别控制正、反和停三个按钮,实现圆顶动作的控制。这样只要用PC机通过以太网发送指令,三相异步电动机就能实现正、反或停的动作。
本发明采用以太网的通讯方式实现了对望远镜圆顶的远程网络控制,本发明不仅针对望远镜圆顶,对于用按钮开关控制的其他电机,其他控制场合同样适用,同样可以通过对电路的适当改造实现设备的网络化控制,对于设备操作来说不必进行现场操作,极大的提高了工作的效率。
Claims (6)
1. 一种望远镜圆顶的以太网控制装置,包括SOPC系统和PC机,其特征是,所述SOPC系统采用FPGA芯片开发,由NIOS II主控制器和分别与NIOS II主控制器连接的MAC控制器、双口RAM/FIFO控制器、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG模块和圆顶控制模块组成,MAC控制器通过MAC芯片与PHY物理层芯片连接,HY物理层芯片通过RJ45接口与所述PC机通信;所述SDRAM控制器和SDRAM芯片连接,所述EPCS控制器和EPCS芯片连接;所述圆顶控制模块和望远镜圆顶驱动装置连接;
所述PC机,用于显示圆顶目前运行状态,发送圆顶运行控制指令;
所述PHY物理层芯片,用于实现SOPC系统与PC机的通信;
所述MAC控制器,用于数据包的发送和接收;
所述JTAG模块,用于调试程序模块和烧写程序模块;
所述Epcs芯片,用于存储FPGA配置程序模块和NIOS II软件程序模块;
所述NIOS II主控制器,用于在C语言环境下调用的MAC控制器的驱动函数,初始化MAC和PHY芯片,并调用数据包接收函数接收PC机的控制命令,经过对控制命令的分析后,控制望远镜圆顶驱动装置动作,从而控制圆顶的运行,同时发送反馈指令告知PC机目前圆顶的运行状态。
2.根据权利要求1所述的望远镜圆顶的以太网控制装置,其特征是,所述FPGA芯片采用支持NIOS II软核技术的EP2C8Q208创建NIOS系统作为主控制器;所述MAC芯片采用Non-PCI千兆AX88180芯片;所述PHY物理层芯片采用Marvell 88E1111芯片,通过RJ45接口与PC机通信。
3.根据权利要求2所述的望远镜圆顶的以太网控制装置,其特征是,在PC机上设有在Visual C++ 环境下调用Winpcap编写的PC机程序模块,用于圆顶状态控制;在FPGA芯片上设有采用Verilog HDL编写AX88180的IP内核,采用C语言编写AX88180的驱动,并设有圆顶控制的解码模块,解码模块用于分析指令命令信息,并根据指令命令对相应的FPGA 引脚做出相应的置高或置低电平。
4.根据权利要求2所述的望远镜圆顶的以太网控制装置,其特征是,所述圆顶驱动装置包括:三个分别与三个三极管连接的光耦驱动电路,三极管三个继电器分别与三相异步电动机的正、反、停三个按钮并联,三个继电器分别控制正、反和停三个按钮。
5.根据权利要求2所述的望远镜圆顶的以太网控制装置,其特征是,圆顶控制流程如下面步骤所示:
a. 将用于控制圆顶的电脑PC机上的所有网卡的相关信息显示出来,指定其中的一个网卡用于捕获数据包;
b. 数据包捕获:打开网络设备,设置程序模块所要捕获的设备类型,设置选定的网卡,将捕获的信息包的相关信息,如长度,等待时间等参数记录下来;
c.设置包过滤器:根据想要得到的过滤包类型,创建一个过滤规则给WinPcap引擎;
d. 封装数据包,数据包中含有圆顶正转、反转、停止的三种状态信息;
e. 发送数据包:数据包的发送通过pcap_sendpacket函数实现,该函数有三个参数,第一个给定打开的网络设备名,第二个指定发送缓冲区,第三个指定发送数据包长度;
f. 检测圆顶状态:数据包发送到FPGA后,SOPC的NIOS II解码模块将数据包分解,分析出正、反和停三种命令,并对相应的FPGA 引脚做出相应的置高或置低电平,然后FPAG发给PC机一个返回数据包,确认刚才的数据包已经收到;在返回数据包中包含的圆顶是否到达限位的信息,PC机如果收到圆顶到达限位信息,在edit控件中提示圆顶达到限位。
6. 根据权利要求3所述的望远镜圆顶的以太网控制装置,其特征是,所述解码模块包括下列步骤:将指令命令包加以分析解码,得到正、反和停三种信息,将EP2C8Q208的引脚置高,驱动三极管控制的三个继电器。
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CN201410255688.8A CN104076769A (zh) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | 望远镜圆顶的以太网控制装置 |
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CN109854120A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-07 | 中国科学院紫金山天文台 | 一种天文圆顶雨雪天气自动关闭的控制系统 |
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