CN109039736A - 一种多级无线异步更新配置程序的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级无线异步更新配置程序系统，包括复数个配置节点、一个汇聚节点和上位机；所述复数个配置节点能够将配置节点采集的数据汇聚到所述汇聚节点；汇聚节点则将数据转发至所述上位机；所述上位机通过汇聚节点将所述复数个配置节点的配置数据通过汇聚节点分别转发至各个配置节点；所述上位机控制将各个配置节点的配置数据进行异步配置。本发明能够实现多级节点异步配置更新，实现整个系统功能的平滑在线切换。

Description

一种多级无线异步更新配置程序的系统

技术领域

本发明涉及远程程序配置技术领域，具体是涉及一种多级无线异步更新配置程序的系统。

背景技术

随着分布式控制系统在机械制造、铁路系统等领域中的普遍应用，这些控制系统会存在功能改变或者缺陷弥补而产生的控制程序的更新需求，如申请号为201310320435.X的现有技术公开了一种基于FPGA/CPLD控制器的处理器程序远程动态加载系统及方法，如附图1所示，系统包括：上位机、通信单元、FPGA/CPLD控制器单元、处理器单元、并行易失性存储器单元；上位机存放处理器程序，将程序和控制命令封装成数据帧，添加标识符，传递给通信单元；通信单元接收上位机来的程序和控制命令，并发送给FPGA/CPLD控制器单元；FPGA/CPLD控制器单元管理处理器单元的外部总线，同时接收通信单元来的数据帧，根据数据帧标识符和数据帧内容，可将程序写入并行易失性存储器单元，并控制处理器跳转到程序所在地址开始运行。

再如申请号为CN201210029563.4的现有技术公开了一种通过CPU远程更新FPGA的装置及其方法，装置包括：控制器模块、FPGA模块、配置模块和缓冲器模块。控制器模块通过有线或无线方式与上位机相连，控制器模块的第二GPIO接口与缓冲器模块的使能端相连，控制器模块的SPI接口与缓冲器模块的数据输入端相连，控制器模块的第一GPIO接口与FPGA模块的配置信号端相连，缓冲器模块的数据输出端分别与FPGA模块和配置模块的SPI接口相连，基于MPC5200B与实时操作系统VxWorks实现FPGA配置文件的远程更新。以上两个发明均实现了远程在线更新FPGA配置文件，都是使用控制器配合上位机将配置文件配置到可编程器件中实现硬件程序更新。而采用控制器配置FPGA的配置文件在现有技术中应用广泛，如Xilinx公司或者Altera公司推出的部分系列的FPGA的用户手册中均有此种配置方式。

然而，上述现有技术仅仅适用于单个可编程器件的重新配置，而在实际应用中，通常整个系统如流水线控制系统或者船舶设备硬件系统的重新配置往往涉及到多个可编程器件的重新配置。而多个可编程器件的实现的功能往往是逻辑相关或者相辅相成的，如果每个可编程器件均单独重新配置的话，往往会导致系统功能异常、紊乱，或者需要整个系统处于运行停止的状态。因此，需要一种能够实现不停机在线实现多级更新程序的方法，最好能够实现异步更新，使得系统功能实现平滑切换。

发明内容

因此，为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了多级无线异步更新配置程序系统。

本发明提供的一种多级无线异步更新配置程序的系统的技术方案如下：

一种多级无线异步更新配置程序系统，包括复数个配置节点、一个汇聚节点和上位机；所述复数个配置节点能够将节点数据汇聚到所述汇聚节点；汇聚节点则将数据转发至所述上位机，所述上位机也可通过汇聚节点将所述复数个配置节点的配置数据通过汇聚节点分别转发至各个配置节点；所述上位机控制将各个配置节点的配置数据进行异步配置。

优选的，上位机接收复数个配置节点的数据为系统采集的外界数据和/或自身参数信息；

优选的，所述汇聚节点与复数个配置节点通过无线方式连接，可采用链式连接、分布式连接或者星型连接；

优选的，所述配置节点包括可配置逻辑单元、无线通信单元、GPS授时模块以及控制器；

优选的，所述上位机能够根据配置节点上传的数据分别为各个节点生成可重配置文件；

优选的，所述配置节点中的控制器能够运行微型网络服务器；

一种多级无线异步更新配置程序方法，所述方法适用于上述系统中的节点配置系统，包括如下步骤：步骤1、多级配置节点采集节点信息，节点信息包括外界数据和自身参数信息；

步骤2、上位机通过汇聚节点接收所述节点信息；

步骤3、所述上位机根据所述节点信息判断是否对所述各个配置节点中的一个或多个中的配置程序进行更新；若需要更新，执行步骤4；若不需要更新，则返回步骤1；

步骤4、上位机则根据节点信息情况生成节点配置文件并根据GPS授时时间为各节点配置文件打上时间戳，将时间戳与各节点配置文件打包生成各个配置节点的配置文件数据包；通过汇聚节点控制各个配置节点停止数据发送进入数据接收模式；

步骤5、所述上位机通过汇聚节点将所述配置文件数据包分别配置入各个配置节点；

步骤6、所述配置节点解析接收到的配置文件数据包，根据本地GPS授时时间与时间戳信息进行配置程序更新。

优选的，所述步骤4中的时间戳来源于各个配置节点的执行相关工序实际的时间差，所述相关工序时间差需要符合各个配置节点的时序要求，各个配置节点的工作是相关联的；

优选的，所述步骤3中的判断是否对所述各个配置节点中的一个或多个中的配置程序进行更新的步骤可采用算法如遗传算法进行判断，可以对配置节点程序进行演化，以实现系统的自动演化。

本发明提出的多级无线异步更新配置程序系统以及配合上述系统使用的配置方法的能够实现多级节点异步配置更新，实现整个系统功能的平滑切换。上位机通过为各个配置节点的配置文件添加时间戳信息，能够很好的提供准确的时间信息，使得异步更新配置程序也能实现不同工序相配合的时序要求。

附图说明

图1为现有技术中的远程配置FPGA配置程序示意图；

图2为实施例1中的二级无线异步更新配置程序系统结构图；

图3为配置节点的硬件结构框图；

图4为实施例2中的无线异步更新配置程序系统结构图；

图5为实施例3中的无线异步更新配置程序系统结构图；

图6为无线异步更新配置程序的步骤图。

在图2-5中：1第一级配置节点、2第二级配置节点、3汇聚节点、4上位机、5无线通信单元、6控制器、7可配置逻辑单元、8配置用flash、9GPS授时模块、10节点参数模块、2-1第一级配置节点、2-2第二级配置节点、2-3第三级配置节点、2-4第四级配置节点、2-5汇聚节点、2-6上位机、3-1第一级配置节点、3-2第二级配置节点、3-3第三级配置节点、3-4第四级配置节点、第一汇聚节点5-1、第二汇聚节点5-2、3-5汇聚节点、3-6上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本实施例仅仅示出解决本发明的主要技术问题的关键技术手段，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

下面以应用于多级控制系统中的多个FPGA器件的配置为例说明其中一种实施例，如附图2所示，为一种二级无线异步更新配置程序系统，包括第一级配置节点1、第二级配置节点2、汇聚节点3和上位机4；第一级配置节点1和第二级配置节点2的程序配置方式相同，附图3为配置节点的硬件结构示意图，均包括无线通信单元5、控制器6、可配置逻辑单元7、配置用flash 8、GPS授时模块9以及节点参数模块10；控制器6、配置用flash 8与可编程逻辑单元7的具体接口方式根据采用的可编程逻辑单元7的器件具体型号确定，如选用altera的cycloneIII系列的FPGA器件，则可以根据用户数据手册中的PS(被动串行)模式进行FPGA的配置，在PS方式下，FPGA处于完全被动的地位。FPGA接收配置时钟、配置命令和配置数据，给出配置的状态信号以及配置完成指示信号等。控制器6只要可以模拟出FPGA需要的配置时序来，将配置数据写入FPGA就可以。以上两个配置节点的无线通信单元6可以与汇聚节点3中的无线通信单元组网形成无线通信网络，用于接收上位机4通过汇聚节点3发送过来的配置数据文件，然后将配置数据文件存储至配置用flash 8中用于后续的控制器6的异步配置。

根据上述实施例的进一步的实施方式，上述两个节点中的控制器6还可以连接节点参数模块10如机械制造环境中的反映动力机械(如单柱油压机)的运行状况的油温、输出压力等数据，所述数据可以来自于机器自有检测系统的中的参数，也可以是外部环境参数；节点环境传感模块也可以包括节点工序情况如机械制造工序位置、故障情况以及故障位置等信息；控制器6在获得上述信息后经过打包处理后通过无线通信单元5通过汇聚节点3传输至上位机4；

进一步的，所述上位机4在获取到第一级配置节点1、第二级配置节点2的节点环境参数和/或节点运行参数和/或节点故障信息等信息，进行综合分析后判断是否符合配置程序更新条件；若符合配置程序更新条件，则使用自动或者半自动的方式进行程序更新操作，以解决第一级配置节点1、第二级配置节点2中的节点配置程序与环境参数和/或节点运行参数和/或节点故障的问题；具体的，所述综合分析可评估现有节点运行制造出来的产品或执行的工序是否会造成不符合精度要求或者节点设备运行故障；所述程序更新操作可以采用利用人工经验修改参数的方式实现(如可以通过修改HDL代码的方式)，也可采用智能算法如遗传算法来实现配置程序的编程文件中代码的改变(如.v文件中的代码改变，与人工修改方式类似，如果需要修改的文件或地方过多，可采用如Quartus II中的TCL脚本修改的方式实现)；具体的，配置程序的生成可采用调用现有配套软件的方式进行生成(如采用altera的FPGA，可以调用Quartus II软件生成SOF或者pof文件)；

进一步的，在生成配置程序后，上位机4还需要根据第一级配置节点1、第二级配置节点2需要的配置时间作出约定，即上位机4将生成的所述第一级配置节点1、第二级配置节点2的配置文件与经过GPS授时校准后的时间节点打包生成具有节点地址以及时间戳的配置文件数据包；上位机4即控制汇聚节点3向所述第一级配置节点1、第二级配置节点2发送待接收数据包的命令，所述第一级配置节点1、第二级配置节点2在接收到汇聚节点3的命令后，控制器6即暂停数据发送，控制无线通信单元5处于数据接收模式；汇聚节点3则根据节点地址分别将上述节点的具有时间戳的配置文件数据包转发至第一级配置节点1、第二级配置节点2的无线通信单元5接收。所述第一级配置节点1、第二级配置节点2在接收到所述配置文件数据包后即解析出时间戳信息以及配置文件信息，并将所述配置文件信息存储进配置用FLASH8中，控制器6在节点本地时间到达时间戳时即将所述配置文件信息配置进可编程逻辑单元7。

进一步的，无线通信方式可以采用嵌入式以太网控制器实现TCP/IP通信，在控制器6中实现微型web服务器；无线通信方式也可以采用ZigBee通信方式。

实施例2

本发明还提供一种多级无线异步更新配置程序系统，本实施例仅仅提供四级节点的例子，实际上，实现了四级节点也就能够实现更多级的节点无线异步更新配置程序系统了。所述四级无线异步更新配置程序系统包括第一级配置节点2-1、第二级配置节点2-2、第三级配置节点2-3、第四级配置节点2-4、汇聚节点2-5和上位机2-6；如图4所示，所述第一级配置节点2-1、第二级配置节点2-2、第三级配置节点2-3、第四级配置节点2-4采用链式通信结构，即第一级配置节点2-1、第二级配置节点2-2、第三级配置节点2-3、第四级配置节点2-4依次连接，最后将各个节点的采集的数据通过汇聚节点2-5传输至上位机2-6；上位机2-6根据各个节点的运行情况选择是否对各个节点或者其中一个或者几个节点进行更新，这样的结构特别适合流水线或者直线型控制系统，使得无线通信距离得到延长；与实施例1中的异步配置更新程序的策略类似，也是采用上位机2-6对生成的各个节点的配置文件信息加上配置时间戳，然后进行打包后通过汇聚节点将各个节点的配置文件依次通过链式通信结构配置到每个节点中。进一步的，对于那些要求系统运行状况始终处于正常的系统来说，当检测到某些节点处于故障中，上位机2-6则控制各个节点停止运行，直到将各个节点的故障排除，所述故障可能是硬件问题也可能是配置程序问题，如果是配置程序问题，则可以通过上位机2-6直接进行人工或者自动配置。

实施例3

本实施例提供一种基于分布式网络拓扑的多级无线异步更新配置程序系统，所述多级无线异步更新配置程序系统包括包括第一级配置节点3-1、第二级配置节点3-2、第三级配置节点3-3、第四级配置节点3-4、第一汇聚节点5-1、第二汇聚节点5-2、汇聚节点3-5和上位机3-6；如图5所示，所述所述第一级配置节点3-1、第二级配置节点3-2与汇聚节点5-1进行连接，第三级配置节点3-3、第四级配置节点3-4与汇聚节点5-2连接，而汇聚节点5-1、汇聚节点5-2则与汇聚节点3-5连接；这样就组成了简单的无线分布式网络；与实施例1或实施例2中的上位机采集配置节点信息和向配置节点传输配置文件信息类似，只是网络拓扑结构不同，适合用于分布式控制系统的节点配置程序的更新。

实施例4

本实施例提供一种多级无线异步更新配置程序方法，所述方法适用于实施例1-3中的节点配置系统，如图6所示，步骤如下：步骤1、多级配置节点采集节点信息，节点信息包括外界数据和自身参数信息；

步骤2、上位机通过汇聚节点接收所述节点信息；

步骤3、所述上位机根据所述节点信息判断是否对所述各个配置节点中的一个或多个中的配置程序进行更新；若需要更新，执行步骤4；若不需要更新，则返回步骤1；

步骤4、上位机则根据节点信息情况生成节点配置文件并根据GPS授时时间为各节点配置文件打上时间戳，将时间戳与各节点配置文件打包生成各个配置节点的配置文件数据包；通过汇聚节点控制各个配置节点停止数据发送进入数据接收模式；

步骤5、所述上位机通过汇聚节点将所述配置文件数据包分别配置入各个配置节点；

步骤6、所述配置节点解析接收到的配置文件数据包，根据本地GPS授时时间与时间戳信息进行配置程序更新。

所述步骤4中的时间戳来源于各个配置节点的执行相关工序实际的时间差，所述相关工序时间差需要符合各个配置节点的时序要求，各个配置节点的工作是相关联的；

所述步骤3中的判断是否对所述各个配置节点中的一个或多个中的配置程序进行更新的步骤可采用算法如遗传算法进行判断，可以对配置节点程序进行演化，以实现系统的自动演化。

上述实施例提出的多级无线异步更新配置程序系统以及配合上述系统使用的配置方法能够实现多级节点异步配置更新，实现整个系统功能的平滑在线切换；通过提供GPS授时信息，能够很好的提供准确的时间信息，使得异步更新配置程序也能实现不同工序相配合的时序要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种多级无线异步更新配置程序系统，其特征在于：包括复数个配置节点、一个汇聚节点和上位机；

所述复数个配置节点能够将配置节点采集的数据汇聚到所述汇聚节点；汇聚节点则将数据转发至所述上位机；

所述上位机通过汇聚节点将所述复数个配置节点的配置数据通过汇聚节点分别转发至各个配置节点；

所述上位机控制将各个配置节点的配置数据进行异步配置。

2.根据权利要求1所述的多级无线异步更新配置程序系统，其特征在于：上位机接收复数个配置节点的数据为系统采集的外界数据和/或自身参数信息。

3.根据权利要求1或2所述的多级无线异步更新配置程序系统，其特征在于：所述汇聚节点与复数个配置节点通过无线方式连接，可采用链式连接、分布式连接或者星型连接。

4.根据权利要求2所述的多级无线异步更新配置程序系统，其特征在于：所述配置节点包括可配置逻辑单元、无线通信单元、GPS授时模块以及控制器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多级无线异步更新配置程序系统，其特征在于：所述上位机能够根据配置节点上传的数据分别为各个节点生成可重配置文件。