CN105137874B - 一种自动化控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动化控制系统及方法，该系统包括采用Q‑SEVEN架构实现的计算机系统，用于系统的上层应用软件运行，完成对目标设备的控制、查询和状态监视；采用PowerLink技术实现的目标设备控制模块，作为Q‑SEVEN模块的一个PCI‑E设备，通过架设软核SOC并在其上运行PowerLink协议栈与目标设备进行通讯；提供电源及外围设备接口的负载模块，为系统提供人机界面、调试串口、输入输出设备接口。与现有技术相比，本发明具有体积小、成本低、配置灵活、应用领域广泛等特点。

Description

一种自动化控制系统及方法
技术领域
本发明属于自动控制系统技术领域，涉及一种自动化控制系统及方法，具体地说，涉及一种基于Q-SEVEN架构与PowerLink技术的自动化控制系统及方法。
背景技术
目前我国工业领域普遍使用的自动化控制系统，设计针对性强，造价高昂，维护专业要求高，因此整体运营成本庞大。对于中小企业而言，受资金、技术力量以及产量限制，很难在投资高成本自动化控制系统与利润最大化之间找到优良的平衡点。究其根本，在于自动化控制系统本身面向的客户群仍重点指向大企业。因此研发成本低廉、配置灵活的自动化控制系统就成为必要。
Q-SEVEN是目前业界较先进的以嵌入式模块为基础的计算机系统标准。采用Q-SEVEN架构的计算机系统具有体积小巧、功耗低、扩展能力强的优点。外围设备可以通过丰富的接口联入系统。高速设备可以通过MXM规范连接器采用PCI-E协议与系统连接。采用Q-SEVEN架构的系统本质上是一台功能独立的计算机系统。
PowerLink技术是目前控制通讯领域较成熟的通讯技术。从设计复杂度来看，PowerLink使用以太网结构作为协议实现的基础，极大简化了系统软、硬件设计。非常适合对任务灵活性要求高的FPGA结构系统采用。
因此以Q-SEVEN架构为系统的硬件基础，可以在保持x86系统兼容性的前提下，极大地减小自动控制系统的体积和功耗，一方面降低了硬件系统及上层软件的开发成本，另一方面扩大了系统的应用范围。采用PowerLink技术作为数据通讯手段，进一步降低了数据链路的开发成本，提高了系统灵活性。可以广泛应用于投资成品低而又对自动化控制系统有需求的生产领域。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种实现低成本、高灵活性的自动化控制系统及方法。
其技术方案如下：
一种自动化控制系统，包括负载模块、Q-SEVEN模块和通讯控制模块；
所述负载模块，用于为系统提供电源、调试接口、外设接口、人机界面接口；
所述Q-SEVEN模块，作为系统的控制中心，运行上层应用程序，提供人机界面，下达控制和查询命令，接收并处理被控制设备状态；
所述通讯控制模块，完成对目标设备的控制、查询及状态监视任务。
优选地，所述的通讯控制模块与Q-SEVEN模块之间经过负载模块上的连接器采用PCI-E总线连接，且通讯控制模块作为Q-SEVEN模块的一个标准PCI-E设备存在。。
优选地，所述的负载模块包括：
为自身及Q-SEVEN模块和通讯控制模块供电的电源，采用VGA或HDMI格式的视频输出芯片及连接器、用于输入输出调试信息的串口、用于连接输入设备的USB接口、用于外部存储器的SD连接器、用于连接Q-SEVEN模块的MXM连接器、用于连接通讯控制模块的5767130连接器。
优选地，所述Q-SEVEN模块上运行的软件包括：
具有人机界面的操作系统，通讯控制模块在操作系统下的驱动程序，具有设备控制、查询、状态监视功能的上层应用软件。
优选地，所述的通讯控制模块包括但不限于：
支持PCI-E高速IO的FPGA、SD-RAM构成的主存储器、FLASH构成的固存、网络控制芯片及PHY构成的以太网物理层及数据链路层。
进一步优选，所述FPGA上加载的逻辑包括：
用于运行PowerLink协议栈和控制软件的软核CPU，软核SOC的内部总线，用于与Q-SEVEN模块连接的PCI-E控制器，用于读写主存储器的内存控制器，用于控制PowerLink链路的以太网控制器。
进一步优选，软核CPU上运行的程序包括：
用于与目标设备通讯的PowerLink协议栈，控制目标设备功能的控制子程序，查询目标设备寄存器的查询子程序，处理、记录及显示自身及目标设备状态的状态监视子程序。
一种自动化控制方法，包括以下步骤：
负载模块加电，同时为Q-SEVEN模块与通讯控制模块提供所需电源，Q-SEVEN模块与通讯控制模块分别初始化。
Q-SEVEN模块从负载模块连接的外存储器加载操作系统，初始化通讯控制模块的驱动程序，并在人机界面就绪。
通讯控制模块上的FPGA从配置电路加载逻辑，软核CPU就绪后，PCI-E控制器响应Q-SEVEN模块对PCI-E设备的初始化，CPU从FLASH默认位置加载PowerLink协议栈，加载控制、查询、状态监控程序，控制、查询程序就绪，状态监控程序即开始自动读取目标设备主要寄存器，并存入主存预留的栈空间，当栈空间达到预设满度后，向Q-SEVEN模块发出中断，Q-SEVEN模块上的操作系统响应中断并将通讯控制模块上报的数据读入内存，进行显示和记录。
用户从人机界面查询目标设备状态，确认目标设备工作正常，下达相应的指令，或者系统在无人值守状态下自动开始执行预配置指令。指令通过PCI-E总线下达给通讯控制模块，通讯控制模块根据命令类型，对目标设备进行控制、查询。
本发明的有益效果：
本发明具有体积小、成本低、配置灵活、应用领域广泛等特点。
附图说明
图1是本发明自动化控制系统的原理图；
图2是本发明的负载模块架构一具体实施例；
图3是本发明的通讯控制模块架构一具体实施例；
图4是本发明的基本工作流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1，一种自动化控制系统，包括负载模块、Q-SEVEN模块和通讯控制模块，
所述负载模块，用于为系统提供电源、调试接口、外设接口、人机界面接口；
所述Q-SEVEN模块，作为系统的控制中心，运行上层应用程序，提供人机界面，下达控制和查询命令，接收并处理被控制设备状态；
所述通讯控制模块，完成对目标设备的控制、查询及状态监视任务。
如图2所示，负载模块由一片PI3VDV411LS视频处理芯片、一片SCH3114控制芯片、一片SP3243E串口收发芯片，两个USB连接器，一个SD卡连接器，以及TPS5430、LM22676、LT1117CST等电源芯片组成。与Q-SEVEN交互的数据通过一个MXM连接器实现，与通讯控制模块交互的数据通过一个5767130连接器实现。
其中PI3VDV411LS负责接收处理来自Q-SEVEN模块的视频信号，并将其转换为标准HDMI电平发送给显示设备，为用户提供人机界面的图像接口；
SCH3114控制芯片提供一个串口用于设备调试。调试数据通过MXM连接器与Q-SEVEN模块进行交互，但不直接与通讯控制模块进行连接。通讯控制模块的调试信息将通过PCI-E总线传输到Q-SEVEN模块后，再发送至调试串口，由SP3243E负责将数据转换至RS-232电平；
USB连接器通过MXM连接器直接将USB信号连接到Q-SEVEN模块，为用户提供人机界面的输入输出功能，可以连接键盘和鼠标；
SD卡连接器通过MXM连接器直接连接到Q-SEVEN模块相应引脚，为系统提供BootLoader及操作系统，作为系统外部存储器使用。
负载模块通过MXM连接器，同时为Q-SEVEN模块和通讯控制模块提供电源，在本实施例中由外部供电直接提供12V电源，通过LM22676或LT1117CST芯片提供5V电源，通过TPS5430芯片提供3.3V电源。
在本实施例中，Q-SEVEN模块采用conga-QMX6，同样仅作为说明系统构成方案的一例，本发明并不限于conga-QMX6这一型号的Q-SEVEN模块。
如图3所示，通讯控制模块由一片XC6SLX25T型号的FPGA及相关配置电路、两片MT41J64M16组成的存储器、一片PC28F00BM29EWHA型号的FLASH组成的固存、一片INTEL825741网络控制芯片及两片DP83848T以太网PHY芯片组成的网络接口构成。数据交换通过5767130连接器与负载模块连接。
其中FPGA用于实现基于软核CPU的SOC，包含了自动化控制逻辑、存储器控制器、对Q-SEVEN模块的PCI-E接口、以太网控制逻辑以及软件层面实现的PowerLink协议栈。
通过在FPGA上配置Microblaze软核CPU、DDR控制器、PCI-E控制器、以太网控制器、和必要的上电自检逻辑，构成一个紧凑的SOC，PowerLink运行于软核CPU之上，使SOC成为一个支持PowerLink的通讯控制芯片。
两片MT41J64M16组成256MB存贮器，用于系统工作过程中的数据存取。
一片PC28F00BM29EWHA作为128MB固存，用于PowerLink及上层应用程序、配置数据的存贮，以便在系统开始工作时加载。
一片INTEL825741及两片DP83848T构成了以太网的物理层和数据链路层，其它ISO层次由PowerLink负责实现。
参照图4，系统上电时，三个模块同时加电运行，Q-SEVEN从SD卡读取启动信息并逐步加载操作系统；通讯控制模块上，FPGA从配置芯片下载软核SOC，SOC从FLASH读取程序，开始初始化并建立PowerLink协议栈；由于通讯控制模块通过PCI-E总线与Q-SEVEN模块连接，初始化完成后，通讯控制模块将作为Q-SEVEN模块的一个标准PCI-E设备存在。
Q-SEVEN上的操作系统(Windows或Linux)启动就绪后，用户通过人机界面对系统进行控制、查询、状态监视等任务。
控制命令由操作系统通过调用驱动程序，从PCI-E总线下达给通讯控制模块，后者按照指令通过PowerLink实际发送控制活动到被控制设备；
查询命令由操作系统通过调用驱动程序，从PCJ-E总线下达给通讯控制模块，通讯控制模块通过PowerLink向被控制设备发送相应的查询指令以读取对方寄存器值，并将结果返回给操作系统，并显示给用户；
在不下达查询命令时，通讯控制模块定时读取系统本身及被控制设备主要状态寄存器，并以中断方式向操作系统报告。操作系统收到中断信号后，将状态信息读取至主存储器并分别记录到日志并显示给用户。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自动化控制系统，其特征在于：包括负载模块、Q-SEVEN模块和通讯控制模块，
所述负载模块，用于为系统提供电源、调试接口、外设接口、人机界面接口；
所述Q-SEVEN模块，作为系统的控制中心，运行上层应用程序，提供人机界面，下达控制和查询命令，接收并处理被控制设备状态；
所述通讯控制模块，完成对目标设备的控制、查询及状态监视任务；
所述的通讯控制模块包括：支持PCI-E高速IO的FPGA、SD-RAM构成的主存储器、FLASH构成的固存、网络控制芯片及PHY构成的以太网物理层及数据链路层；
所述FPGA上加载的逻辑包括：用于运行PowerLink协议栈和控制软件的软核CPU，软核SOC的内部总线，用于与Q-SEVEN模块连接的PCI-E控制器，用于读写主存储器的内存控制器，用于控制PowerLink链路的以太网控制器。
2.根据权利要求1所述的自动化控制系统，其特征在于：所述的通讯控制模块与Q-SEVEN模块之间经过负载模块上的连接器采用PCI-E总线连接，且通讯控制模块作为Q-SEVEN模块的一个标准PCI-E设备存在。
3.根据权利要求1所述的自动化控制系统，其特征在于：所述的负载模块包括：为自身及Q-SEVEN模块和通讯控制模块供电的电源，采用VGA或HDMI格式的视频输出芯片及连接器、用于输入输出调试信息的串口、用于连接输入设备的USB接口、用于外部存储器的SD连接器、用于连接Q-SEVEN模块的MXM连接器、用于连接通讯控制模块的5767130连接器。
4.根据权利要求1所述的自动化控制系统，其特征在于：所述Q-SEVEN模块的上运行的软件包括：具有人机界面的操作系统，通讯控制模块在操作系统下的驱动程序，具有设备控制、查询、状态监视功能的上层应用软件。
5.根据权利要求1所述的自动化控制系统，其特征在于：软核CPU上运行的程序包括：用于与目标设备通讯的PowerLink协议栈，控制目标设备功能的控制子程序，查询目标设备寄存器的查询子程序，处理、记录及显示自身及目标设备状态的状态监视子程序。
6.一种自动化控制方法，所述方法由如权利要求1-5之一所述的自动化控制系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
负载模块加电，同时为Q-SEVEN模块与通讯控制模块提供所需电源，Q-SEVEN模块与通讯控制模块分别初始化；
Q-SEVEN模块从负载模块连接的外存储器加载操作系统，初始化通讯控制模块的驱动程序，并在人机界面就绪；
通讯控制模块上的FPGA从配置电路加载逻辑，软核CPU就绪后，PCI-E控制器响应Q-SEVEN模块对PCI-E设备的初始化，CPU从FLASH默认位置加载PowerLink协议栈，加载控制、查询、状态监控程序，控制、查询程序就绪，状态监控程序即开始自动读取目标设备主要寄存器，并存入主存预留的栈空间，当栈空间达到预设满度后，向Q-SEVEN模块发出中断，Q-SEVEN模块上的操作系统响应中断并将通讯控制模块上报的数据读入内存，进行显示和记录；
用户从人机界面查询目标设备状态，确认目标设备工作正常，下达相应的指令，或者系统在无人值守状态下自动开始执行预配置指令；指令通过PCI-E总线下达给通讯控制模块，通讯控制模块根据命令类型，对目标设备进行控制、查询。
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