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

望远镜圆顶的以太网控制装置
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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