CN111026016B

CN111026016B - 一种基于双fpga架构的可编程控制器及工业控制系统

Info

Publication number: CN111026016B
Application number: CN201911259745.9A
Authority: CN
Inventors: 梁德明
Original assignee: Shenzhen Invt Electric Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Invt Electric Co Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN111026016A

Abstract

一种基于双FPGA架构的可编程控制器及工业控制系统，可编程控制器包括：主控制模块、第一可编程模块、第二可编程模块、物理接口收发模块及光耦隔离模块；主控制模块输出第一控制指令和第二控制指令；第一可编程模块按照工业以太网通信协议对第一控制指令进行封装和调度，得到工业以太网数据帧；物理接口收发模块将工业以太网数据帧转换为差分信号，并输出至每个从站；第二可编程模块将第二控制指令调制得到脉冲控制指令，并对外部脉冲信号进行脉冲计数得到脉冲计数结果；将将脉冲控制指令输出至从站；本实施例结合两个可编程模块和主控制模块实现并行多任务处理，以对于各个从站的运行状态进行实时的控制，提高了数据收发的稳定性和效率。

Description

一种基于双FPGA架构的可编程控制器及工业控制系统

技术领域

本申请属于通信控制技术领域，尤其涉及一种基于双FPGA架构的可编程控制器及工业控制系统。

背景技术

目前，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)技术进步和通信技术的发展，工业自动化控制由传统的点对点的脉冲控制模式逐渐转变为基于工业以太网的现场总线通信控制模式。现场总线控制系统将工业现场的控制、监测等设备通过串行信号的方式集成在一个通信网络中，具有速度快，响应及时，双向和串行多节点等优点。基于工业以太网的现场总线通信系统可以实现百兆以太网的高速、低抖动的控制，广泛应用于各种高速、高精度的运动控制系统当中，因此通过PLC通信方式对于提供工业生产效率和工业生产稳定性具有极其重要的实用价值。

其中EtherCAT(Ether Control Automation Technology，以太网控制自动化技术)总线基于以太网的开发架构的现场总线系统，通过EtherCAT总线能够实现多设备的联动控制和通信；其中将PLC应用于EtherCAT总线通信方式中以实现数据处理和PLC相关业务控制功能；传统的PLC总线通信方式中，需要依靠EtherCAT主站来实现数据的收发，其数据收发的稳定性和效率较差，并且PLC的分时处理模式不具备很好的实时性，无法满足技术人员高精度的实时控制需求；并且EtherCAT主站既要处理PLC业务，又要从处理通信业务，降低了数据输入输出的效率，实用价值较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于双FPGA架构的可编程控制器及工业控制系统，旨在解决传统的技术方案中PLC总线通信过程中数据收发的效率和稳定性较低，PLC高速输入输出响应不及时，无法兼顾多任务并行处理需求的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种基于双FPGA架构的可编程控制器，与至少两个从站连接，所述可编程控制器包括：

主控制模块、第一可编程模块、物理接口收发模块、第二可编程模块以及光耦隔离模块；

所述主控制模块与所述第一可编程模块及所述第二可编程模块连接，所述第一可编程模块与所述物理接口收发模块连接，所述物理接口收发模块与至少两个所述从站连接，所述第二可编程模块与所述光耦隔离模块连接，所述光耦隔离模块与至少两个所述从站连接；

所述主控制模块用于输出第一控制指令和第二控制指令；

所述第一可编程模块用于收发通信指令，按照工业以太网通信协议对所述第一控制指令进行封装和调度，以得到工业以太网数据帧；

所述物理接口收发模块用于将所述工业以太网数据帧转换为差分信号，并将所述差分信号输出至每个所述从站，以控制所述从站的运行状态；

所述第一可编程模块还用于通过所述物理接口收发模块对各个所述从站返回的数据帧进行解析后输出给主控制模块；

所述第二可编程模块用于接收第二控制指令并输出脉冲控制指令，并将所述脉冲控制指令通过所述光耦隔离模块输出至各个所述从站，以控制所述从站的运行状态；

所述第二可编程模块还用于接入外部脉冲信号，并对于所述外部脉冲信号进行计数得到脉冲计数结果，以进行定量比较和中断触发。

在其中的一个实施例中，所述从站的运行状态包括：位置和速度。

在其中的一个实施例中，所述第一可编程模块还用于生成同步时钟，并将所述同步时钟通过所述物理接口收发模块输出至各个从站，以使得第一可编程模块与所述从站进行时钟同步。

在其中的一个实施例中，所述主控制模块还用于根据所述从站返回的数据帧生成以太网控制数据；

所述可编程控制器还包括：通信模块，所述通信模块与所述主控制模块及网络服务器连接，所述通信模块用于将所述以太网控制数据输出至所述网络服务器，以及接收所述网络服务器输出的网络数据。

在其中的一个实施例中，所述通信模块包括：

RJ45接口、USB接口、RS232接口、RS485接口以及CAN接口中的至少任意一种。

在其中的一个实施例中，所述通信模块包括RJ45接口；

所述可编程控制器还包括以太网编码模块，所述以太网编码模块连接于所述主控制模块与所述RJ45接口之间，所述以太网编码模块用于对所述以太网数据进行编码，并输出至所述RJ45接口。

在其中的一个实施例中，所述以太网编码模块包括PHY芯片，所述主控制模块包括MII接口，所述MII接口与所述PHY芯片连接，所述PHY芯片与所述RJ45接口连接。

在其中的一个实施例中，所述第一可编程模块还用于在接收各个所述从站返回的数据帧并进行解析之后，并且在输出解析后的各个所述数据帧之前，生成第一中断指令并输出至所述主控制模块。

在其中的一个实施例中，所述物理接口收发模块包括RJ45接口。

本申请实施例的第二方面提供了一种工业控制系统，包括：

主站，所述主站包括如上所述的可编程控制器；和

至少两个从站，每个所述从站均与所述可编程控制器连接。

上述基于双FPGA架构的可编程控制器通过第一可编程模块和第二可编程模块分别实现总线数据处理任务，提高了可编程控制器的数据传输效率和数据处理精确性；一方面，通过第一可编程模块实现EtherCAT协议，根据第一控制指令能够实现高效的任务处理和精确的协议转换；另一方面，通过第二可编程模块实现了实时的高速输入计数和高速输出控制功能，第二可编程模块对于外部输入的信号具有较高的响应精度和效率，提高了可编程控制器的数据处理效率和稳定性；因此本实施例利用了两个可编程模块+一个主控制模块的双架构方式，实现了可编程控制器的高精度、实时通信控制，这种双架构方式可兼顾实现多个实时性总线任务，实用价值较高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的基于双FPGA架构的可编程控制器的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的基于双FPGA架构的可编程控制器的另一种结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的基于双FPGA架构的可编程控制器的另一种结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的工业控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请参阅图1，本申请实施例提供的基于双FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)架构的可编程控制器10的结构示意图，可编程控制器10与至少两个从站(图1采用201、…20N，其中N为大于1的整数)连接，那么可编程控制器10与每个从站之间能够实现实时的通信功能，进而通过可编程控制器10能够同步操控多个从站的工作状态，并通过可编程控制器10能够高效地获取每个从站的实际任务执行情况，以满足用户的多功能电路功能需求，兼容性较高；因此可编程控制器10利用双FPGA架构兼容实现多任务的并行处理功能，实用价值更高；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

上述可编程控制器10包括：主控制模块101、第一可编程模块102、物理接口收发模块103、第二可编程模块104以及光耦隔离模块105。

主控制模块101与第一可编程模块102及第二可编程模块104连接，第一可编程模块102与物理接口收发模块103连接，物理接口收发模块103与至少两个从站连接，第二可编程模块104与光耦隔离模块105连接，光耦隔离模块105与至少两个从站连接；因此本实施例中的可编程控制器10具有较为兼容的电路模块结构，适用范围更广。

主控制模块101用于输出第一控制指令和第二控制指令。

示例性的，主控制模块101具有集中控制和数据处理功能，根据输入的数据和输出的数据实现各种复杂、完整的电路功能，并且按照执行任务的顺序在特定的时间节点实现相应的电路功能，以保障可编程控制器的内部数据的传输效率和控制精度；可选的，主控制模块101为CPU(Central Processing Unit/Processor，中央处理器)，CPU根据用户输出的功能设计指令输出第一控制指令和第二控制指令，进而结合第一控制指令和第二控制指令可实现精确的控制功能，保障了可编程控制器10的控制响应精度和速率。

第一可编程模块102用于收发通信指令，按照工业以太网通信协议对第一控制指令进行封装和调度，以得到工业以太网数据帧。

可选的，第一可编程模块102通过FMSC(Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器)扩展总线与主控制模块101连接，其中FMSC扩展总线具有低功耗、高效的数据传输功能，根据系统的应用需求可扩展呈不同信道的信号传输方式，保障了第一控制指令的传输安全性和精确性。

可选的，第一可编程模块102为FPGA，其中FPGA具有良好的可控性和灵活性，一方面，第一可编程模块102用于接入第一控制指令，并根据第一控制指令实现特定的数据转换功能；其中工业以太网通信协议属于开放的物理层协议，工业以太网通信协议规定了数据的传输信道和数据的传输效率，进而可编程控制器10可适用于各个不同的通信环境中，与主控制模块101之间保持稳定、安全的数据通信功能；当第一可编程模块102对于第一控制指令进行识别以得到相应的控制信息，第一可编程模块102完成了相关的握手协议后，对于第一控制指令封装和调度；示例性的，第一可编程模块102的封装和调度具体包括：通过第一可编程模块102能够对于第一控制指令进行格式转换或者内部信号通道分配，以输出工业以太网数据帧，那么工业以太网数据帧代表电路驱动数据，进而基于工业以太网数据帧能够实现相应的电路驱动功能；第一可编程模块102实现了以太网协议的转换，其具有较高的通信协议转换效率。

另一方面，第一可编程模块102与主控制模块101之间能够实现数据的双向传递，其中通信指令包含通信数据，那么第一可编程模块102可接收主控制模块101输出的通信信息，第一可编程模块102也可将自身的通信数据输出至主控制模块101，进而主控制模块101能够实时地改变第一可编程模块102的信号转换状态，并且主控制模块101能够精确地获取第一可编程模块102的内部数据传输状态，主控制模块101具有更高的数据兼容输入输出功能，保障了主控制模块101的集中控制精度和效率，可编程控制器10的内部具有更高的信号控制稳定性。

物理接口收发模块103用于将工业以太网数据帧转换为差分信号，并将差分信号输出至每个从站，以控制从站的运行状态。

可选的，物理接口收发模块103包括PHY芯片，示例性的，PHY芯片为RTL系列芯片，通过PHY芯片能够实现数据传输形式的调节，保障了可编程控制器10与从站之间的信息交互效率和精确性。

其中差分信号采用差分传输方式，当物理接口收发模块103将差分信号输出至每个从站时，每个从站能够对于差分信号进行解析以得到电路控制信息，进而每个从站根据差分信号执行电路动作，以实现完整实时性任务，因此多个从站根据差分信号能够实现多个并行任务，保障了可编程控制器10的电路控制效率和精度。

当每个从站根据差分信号执行了相应的电路任务后，则生成相应的数据帧，其中每个从站反馈的数据帧包含每个从站的任务执行结果和自身的运行数据，因此利用从站输出的数据帧实现了对于从站的反馈控制和状态监控功能，提高了可编程控制器10的交互控制性能和状态同步传输效率。

第一可编程模块102通过物理接口收发模块103对各个从站返回的数据帧进行解析后输出给主控制模块101。

主控制模块101根据第一可编程模块102解析后的数据帧获取每个从站的任务执行情况，以实现了主从交互控制，主控制模块101能够实时地掌握每个从站的实际任务执行结果。

其中物理接口收发模块103能够保障各个从站返回的数据帧的兼容传输，以避免从站返回的数据帧出现减损和失真现象；通过第一可编程模块102能够对于从站返回的数据帧进行数据帧解析，以获取数据帧包含的每一个数据的类型和实际状态信息，通过第一可编程模块102对于每个从站返回的数据帧进行状态解析后，以便于主控制模块101能够获取每个从站的状态信息和运行数据，因此主控制模块101与每个从站之间能够实现信息的交互和信息同步传输，保障了可编程控制器10对于多个从站的集成控制精度和效率。

当物理接口收发模块103将从站返回的数据帧输出至第一可编程模块102时，第一可编程模块102进行数据帧解析，以得到数据类型信息，第一可编程模块102输出的解析后的数据帧实时地包含了每个从站的运行状态信息，那么主控制模块101能够同步获取每个从站接收指令后的实际任务执行状态，达到了反馈控制的效果，有利于提升可编程控制器10的高速控制效率和反馈控制精度。

第二可编程模块104用于接收第二控制指令并输出脉冲控制指令，并将脉冲控制指令通过光耦隔离模块105输出至各个从站，以控制各个从站的运行状态。

第二可编程模块104还用于接入外部脉冲信号，并对于外部脉冲信号进行计数得到脉冲计数结果，以进行定量比较和中断触发。

其中第二控制指令具有特定的电平变化规律；计数功能为可编程控制器10的重点集成功能之一，可选的，第二可编程模块104为FPGA，那么第二可编程模块104能够实现高速输入计数和高速脉冲输出功能，一方面，第二可编程模块104无需等待主控制模块101的中断指令，一旦第二可编程模块104接收到第二控制指令时，则立即对第二控制指令进行调制，通过调节改变第二控制指令的电平状态，以输出脉冲控制指令，其中脉冲控制指令具有更高的传输效率和控制响应效率；示例性的，脉冲控制指令为PTO(Pulse Train OutPut，方波)脉冲或者PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲，其中PTO脉冲的占空比为50％，周期可调；PWM脉冲的周期和占空比都可根据信号传输需求进行调节，因此本实施例对于第二控制指令进行调制后，可输出特定电平形式的脉冲控制指令，实时性非常高，能够实现多路高速脉冲同时输出控制；另一方面，可选的，外部脉冲信号为外部编码器产生，则第二可编程模块104与外部编码器连接，并且外部脉冲信号具有高低电平变化，当第二可编程模块104接收到外部脉冲信号后，第二可编程模块104对于外部脉冲信号的高电平脉冲或者低电平脉冲进行准确的实时计数，得到的脉冲计数结果可实现相应的电路功能，那么通过对于外部脉冲信号进行计数可完成相关的指令处理逻辑；示例性的，第二可编程模块104根据脉冲计数结果进行定量比较，包括：第二可编程模块104利用脉冲计数进行计时，得出第二控制指令的接入时长，并与预设时间进行比较后，第二可编程模块104在预设的时长内向从站输出脉冲控制指令，进而通过第二可编程模块104的时间计数完成对于每个从站的灵活、高效控制，可编程控制器10能够按照用户的实际需求控制从站执行相应的任务；第二可编程模块104根据脉冲计数结果进行中断触发，当第二可编程模块104对于外部脉冲信号进行计数到预设值时，则不再进行信号的转换，第二可编程模块104处于中断状态，通过对于外部脉冲信号进行脉冲计数，可对于第二可编程模块104的工作状态进行中断触发，提高了第二可编程模块104工作过程的控制精度和控制灵敏性；本实施例中的第二可编程模块104对于外部编码器输出的外部脉冲信号进行接入并处理，通过外部编码器能够改变可编程控制器10的内部信号转换状态，兼容性极强。

作为一种可选的实施方式，当第二可编程模块104接入外部脉冲信号的过程中，第二可编程模块104进行脉冲计数时，第二可编程模块104的高速输入还实现以下指令：

HCNT：高速计数器驱动指令，通过HCNT能够实现高速计数驱动功能；

SPD：测频指令，通过SPD能够实现测试驱动功能；

DHSCS：高速计数比较置位指令，DHSCS应用于高速计数器的置位，使计数器的当前计数值达到预置值，计数器的输出触点立即动作；

DHSCI：高速计数比较中断触发指令；DHSCI能够实现计数操作过程中中断触发；

DHSCR：高速计数比较复位指令；DHSCR能够实现计数阶段的中止和再启动；

DHSZ：高速计数区间比较指令；DHSZ实现计数结果与预设计数区间的比较功能；

DHST：高速计数表格比较指令；通过DHST能够将预先设定的表格值赋予寄存器；

DHSP：高速计数表格比较脉冲输出指令；DHSP用于驱动多个脉冲计数值和预设表格值之间的比较，并实时输出比较结果。

作为一种可选的实施方式，当第二可编程模块104输出脉冲控制指令时，第二可编程模块104还可完成多通道的高速脉冲输出，比如第二可编程模块104输出的高速脉冲还包括如下指令：

PLSY：高速脉冲输出指令，通过PLSY可设定指令输出的频率量，信号传输效率更高；

PLSR：带加减速的计数脉冲输出指令，通过PLSR可调节脉冲输出的速率；

PLS：包络线脉冲输出指令，通过PLS可调节多指令输出的先后顺序；

PLSB：带基底频率与加减速的计数脉冲输出指令，通过PLSB可调节指令传输的频率和对于输出的指令分别进行计数。

因此本实施例中的第二可编程模块104可单独进行高速输入计数和高速脉冲输出功能，无需主控制模块101的中断控制指令，由于传统技术中的计数方式和脉冲输出方式都需要依赖控制器的边沿中断触发，这使得计数速率和输出效率受到控制器的性能影响，从而导致高速计数器实时性较差，计数频率不能太高，计数路数不能并行设置过多，并且高速脉冲发生器实时性较差，负荷率受到极大挑战；因此本实施例中的可编程控制器10克服了传统技术中的计数方式和脉冲输出方式不足之处，提高了信号传输的效率和计数的精度。

光耦隔离模块105用于将脉冲控制指令输出至每个从站，以控制从站的运行状态。

其中脉冲控制指令包含相应的电路控制信息，每个从站可识别脉冲控制指令并得到相应的控制信息，以完成相应的总线工作任务；比如通过脉冲控制指令能够进行电机调速和定位等，实现了对于多个从站的灵活控制；示例性的，每个从站接收到脉冲控制指令后生成反馈控制指令，并且第二可编程模块104通过光耦隔离模块105接收到反馈控制指令，并将反馈控制指令进行解析后，输出至主控制模块101，通过反馈控制指令得到每个从站的状态控制信息和任务执行结果，以实现对于多个从站的任务执行状态监控；因此本实施例通过光耦隔离模块105进行指令隔离传输，即保障了不同功能指令的传输效率和精确性，又能够对于每个从站起到隔离保护的功能，可编程控制器10与从站之间具有更高的通信兼容性和可靠性。

示例性的，光耦隔离模块105包括光耦合器，进而通过光耦合器实现光电隔离传输功能，提高了可编程控制器10的内部通信效率和控制响应性能。

由于EtherCAT工业以太网作为上层通讯总线，本实施例中的主控制模块101与每个从站之间实现交互通信控制，EtherCAT处理的实时性越高，则通信速率快、接入站点多、接入点数多、指令响应快，系统的实时性大大增强，可编程控制器10的运行效率可呈现几何倍数增长。

在图1示出了的可编程控制器10的结构示意中，利用双FPGA+CPU架构的带有EtherCAT总线的可编程控制器的实现。其通过利用FPGA并行处理和数据集实现特性，一个FPGA实现高效率和高稳定性EtherCAT协议，另一个FPGA实现实时高速输入计数和高速脉冲输出控制，而主控制模块101实现以太网集中控制功能；本实施例高效率、高稳定性地实现了EtherCAT数据帧收发，实时性地实现脉冲输入计数和高速脉冲输出，从而高精度地实现控制系统的实时控制，可编程控制器10有充分时间处理PLC业务和通信业务，提高了可编程控制器10的数据帧收发和任务执行的稳定性和效率；有效地解决了传统技术只能够依靠EtherCAT主站进行数据的收发和任务执行，导致数据传输效率低，容易产生任务执行误差，难以满足技术人员多任务并行执行的通信需求。

作为一种可选的实施方式，从站的运行状态包括：位置和速度。

第一可编程模块101通过工业以太网数据帧能够实时改变每个从站的位置和速度，通过第二可编程模块104通过脉冲控制指令能够实时改变每个从站的位置和速度；因此本实施例结合两个可编程模块对于每个从站的运行参数进行全方位的调控，从站可按照用户的实际需求执行不同的工业任务，本实施例中的可编程控制器10对于多个从站具有更高的任务控制精度和控制灵敏性。

作为一种可选的实施方式，第一可编程模块102还用于生成同步时钟；其中同步时钟包含第一可编程模块102的内部执行时间信息，进而第一可编程模块102按照扫描时间模型运行工作，系统顺序、循环地执行不同的电路任务。

第一可编程模块102还用于将同步时钟通过物理接口收发模块103输出至各个从站，以使得第一可编程模块102与从站进行时钟同步。

其中通过同步时钟能够驱动第一可编程模块102实现协议转换功能，由于同步时钟来源于第一可编程模块102，那么同步时钟能够保障第一可编程模块102和各个从站实现信号控制的同步，通过第一可编程模块102输出的工业以太网数据帧可操控每个从站的电路动作，进一步地，主控制模块101与多个从站之间直接同步；因此本实施例中的各个从站使用第一可编程模块102的时钟作为参考时钟，可精确地保证第一可编程模块102和多个从站的同步信号逻辑功能，比如第一可编程模块102和从站之间的同步脉冲抖动小于1us，避免了第一可编程模块102对于多个从站的控制时延误差；可编程控制器10具有更高的指令同步传输精确性。

作为一种可选的实施方式，第二可编程模块104还用于生成计数驱动指令和脉冲驱动指令，并根据计数驱动指令将第二控制指令调制得到脉冲控制指令，根据脉冲驱动指令对外部脉冲信号进行脉冲计数得到脉冲计数结果。

其中计数驱动指令可激活信号调制功能，以改变第二控制指令的电平状态，因此第二控制指令的调制过程具有更高的效率和可控性能；脉冲驱动指令可激活信号的脉冲计数功能，通过计数得到的脉冲计数结果包含特定的电路控制功能，因此本实施例结合脉冲控制指令和脉冲计数结果实现了多功能信号处理；因此本实施例利用第二可编程模块104自身的内部驱动指令生成功能，实现了高速输入计数和高速脉冲输出功能，无需等待主控制模块101的中断控制信息，有利于提高第二可编程模块104的数据传输稳定性。

作为一种可选的实施方式，主控制模块101还用于根据从站返回的数据帧生成以太网控制数据；其中主控制模块101能够结合每个从站的反馈信息实现数据转换，以得到以太网控制数据，那么以太网控制数据包含每个从站在第一可编程模块102输出的指令下实现的电路功能，通过以太网控制数据能够更加全面地获取多个从站的运行特性，可编程控制器10具有更高的反馈控制性能和精确性。

作为一种可选的实施方式，图2示出了本实施例提供的可编程控制器10的另一种结构示意，相比于图1中可编程控制器10的结构示意，图2中的可编程控制器10还包括：通信模块100，通信模块100与主控制模块101及网络服务器连接，通信模块100用于将以太网控制数据输出至网络服务器，以及接收网络服务器输出的网络数据。

示例性的，网络服务器为云服务器，可选的，通信模块100为有线通信模块或者无线通信模块，当主控制模块101获取到多个子站的状态信息时，则通信模块100立即将以太网控制数据输出至网络服务器，以便于用户能够远程获取相应的可编程控制器10的实际控制信息；并且通信模块100还能够接收网络数据，并将网络数据输出至主控制模块101，通过网络数据可配置主控制模块101的电路功能；比如通过网络数据能够刷新主控制模块101的I/O任务，或者主控制模块101根据网络数据输出第一控制指令或者第二控制指令等，因此本实施例中的主控制模块101通过通信模块100与网络服务器实现信息交互，保障了可编程控制器10的通信兼容性。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，通信模块100包括：RJ45接口106、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口107、RS232接口108、RS485接口109以及CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)接口110中的至少任意一种。

需要说明的是，RJ45接口106支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，并且RJ45接口106内部具有多条网络传输线，并且当网络传输线具有不同的排列顺序时，RJ45接口106具有不同的信号传输信道，因此RJ45接口106能够在各种不同的通信环境中保持数据的安全传输。

USB接口107满足串口总线标准，可将数据以USB传输标准实现信号交互，并且USB接口107支持即插即用的效果，数据在USB接口107具有较高的信号交互速率和抗干扰性，并且USB接口107可匹配不同的信号传输速率。

RS232接口108符合串行数据通信的接口标准，通过RS232接口108传输的数据满足各个领域的信号传输介质需求、电气特性需求以及信号功能传输需求，并且通过RS232接口108采用一串行的比特串来一个接一个的串行方式传输，这样可降低传输线的数量，配线简单，实现了较高的信号传输距离，保障了数据传输的完整性。

RS485接口109采用差分信号逻辑实现数据传输，同时支持全双工和半双工两种通信方式，具有较高的信号联网性能，并且通过RS485接口109具有较高的信号无线波辐射能量，保障了数据在多个从机系统的分发和传输，提高了通信的并行控制效率和精度，通信可扩展性较强。

CAN接口110符合CAN总线协议，并且CAN总线协议成为了嵌入式工业控制局域网的标准总线，通过CAN接口110采用串行通信方式，CAN接口110可支持不同类型的数据和传输标准，并且对于数据进行编码和转换，极大地降低了数据通信的成本和步骤，增强了通信的实时性。

因此本实施例中的通信模块100可采用不同的数据通信类型和通信效率，可保障网络通信的安全性和兼容性，主控制模块101可将任务执行信息发送至外部网络服务器，并且主控制模块101也可接收外部网络服务器的数据信息，保障了可编程控制器10的控制灵活性和网络通信兼容性，满足了用户的全方位的通信控制需求。

作为一种可选的实施方式，通信模块100包括RJ45接口106；请参阅图2，可编程控制器10还包括：以太网编码模块111，以太网编码模块111连接于主控制模块101与RJ45接口106之间，以太网编码模块111用于对以太网数据进行编码，并输出至RJ45接口106。

其中，以太网编码模块111对于数据进行编码，以保障以太网信息的完整性和有效性；比如以太网编码模块111的数据编码包括：对于以太网数据进行数据帧类型进行识别，并且调整数据传输的容量，数据以差分信道的形式进行传输；那么编码后的以太网数据与RJ45接口106内部的网络传输线排列方式保持一致，极大地提高了RJ45接口106的数据传输安全性和高效性，以太网数据在传输过程中可保障较高的完整性。

可选的，以太网编码模块111对于RJ45接口106输出的网络数据进行译码，并将译码后的网络数据输出至主控制模块101，进而主控制模块101能够精确地识别出网络数据中的电路控制信息；示例性的，主控制模块101根据译码后的网络数据可实现各种系统内务，比如刷新面板指示灯、更新软件计时器计时值、刷新特殊辅助继电器和特殊数据寄存器等，因此本实施例中的主控制模块101通过RJ45接口106与网络服务器保持兼容的数据通信功能，并且主控制模块101实时接收外部的网络信息，提高了可编程控制器10的任务执行效率和稳定性。

作为一种可选的实施方式，以太网编码模块111包括PHY芯片，主控制模块101包括MII(Media Independant Interface，媒体独立接口)接口，MII接口与PHY芯片连接，PHY芯片与RJ45接口106连接。

示例性的，PHY芯片的型号为：Realtek 8201BL或者3Com 905C，通过PHY芯片对于数据进行高效的编码；其中MII接口可支持不同数量的数据线和数据传输速率，以实现数据通信，比如MII接口用4根数据线来传输数据，10Mbps线速；又比如，MII接口用8根数据线来传输数据，100Mbps线速；因此本实施例中的以太网编码模块111利用自导的MII接口实现以太网数据和网络数据的传输，PHY芯片可保障RJ45接口106的通信安全性和高效性，在简化了通信模块100的内部电路结构的同时，提高了主控制模块101的通信安全性和通信高效性，可编程控制器10能够在各种网络通信环境下保持兼容的通信控制功能，实用价值较高。

作为一种可选的实施方式，第一可编程模块102还用于在接收各个从站返回的数据帧并进行解析之后，并且在输出解析后的各个数据帧之前，生成第一中断指令并输出至主控制模块101。

当第一可编程模块102通过工业以太网数据帧控制每个从站执行相应的电路任务后，则第一可编程模块102接收从站执行任务后返回的数据帧，以实现任务监控功能；并且在将从站反馈的数据帧进行解析，发送至主控制模块101之前，第一可编程模块102生成第一中断指令，第一中断指令包含状态通知信息，进而根据第一中断指令能够通知主控制模块101的状态反馈，以便于主控制模块101能够稳定、高效地接收每个从站的任务执行信息，提高了主控制模块101与每个从站之间的状态反馈效率和兼容性。

综上所述，由于工业自动化控制系统中实时性是衡量产品性能的重要标志，本实施例中的可编程控制器10结合一个主控制模块和两个可编程模块的架构，高效率高稳定性地实现了EtherCAT总线控制数据帧处理，实时地实现高速脉冲输入计数和高速脉冲输出，高精度地实现控制系统的实时控制，主控制模块有充分时间处理PLC业务，处理以太网、RS485、CAN等通信业务，并且两个可编程模块可分别实现不同的通信传输任务和数据处理任务，拓扑灵活，提高了数据通信的灵活性和扩展性能；那么通过两个可编程模块分别执行通信控制任务，明显降低了主控制模块的负荷率，通信控制周期更短。

在一些实施例中，图3示出了本实施例提供的可编程控制器10的另一种结构示意，相比于图1中可编程控制器10的结构示意，图3中的可编程控制器10还包括：电池模块112，电池模块112与主控制模块101连接，电池模块112用于对主控制模块101进行供电，以保障主控制模块101的供电安全性和工作效率，本实施例中的可编程控制器10具有更高的通信控制稳定性。

在一些实施例中，请参阅图3，可编程控制器10还包括：复位模块113，复位模块113与主控制模块101连接，复位模块113将复位信号输出至主控制模块101，进而主控制模块101根据复位信号实现复位功能。

在一些实施例中，请参阅图3，可编程控制器10还包括：拨码开关模块114，拨码开关模块114与主控制模块101连接，拨码开关模块114用于生成拨码信号，主控制模块101具体用于根据拨码信号输出第一控制指令和第二控制指令，可编程控制器10具有较高的操控灵活性。

在一些实施例中，请参阅图3，可编程控制器10还包括：时钟模块115，时钟模块115与主控制模块101连接，时钟模块115用于输出时钟使能信号，通过时钟使能信号能够为主控制模块101提供时钟信息。

在一些实施例中，请参阅图3，可编程控制器10还包括：存储模块116，存储模块116与主控制模块101连接，存储模块116用于存储主控模块101的输入数据和输出数据，保障数据的传输安全性，防止数据出现丢失现象；比如通过存储模块116能够实时保存每个从站返回的数据帧。

图4示出了本实施例提供的工业控制系统30的结构示意，请参阅图4，工业控制系统30包括：主站301和至少两个从站(图4采用401、…40M表示，其中M为大于1的整数)，主站301包括如上所述的可编程控制器10，每个从站均与可编程控制器10连接，通过可编程控制器10能够控制每个从站执行相应的任务，并实现主站和从站之间的串行交互通信；参照图1至图3的实施例，通过可编程控制器10可实现较高的通信兼容性和通信稳定性，通过可编程控制器10输出数据指令，以使得每个从站根据数据指令执行对应的通信任务；同时通过可编程控制器10能够准确地获取每个从站的任务执行信息，以完成双向通信任务和高效的数据交互效率。

本实施例中的可编程控制器10实时地实现高速脉冲输入计数和高速脉冲输出，从而高效率高精度地实现工业控制系统30的实时检测和定位控制，高速脉冲输入计数频率可以做到200kHz，通道数量做到8ch，高速脉冲输入相关逻辑指令响应时间大大减小，高速脉冲输出频率可做到200kHz，通道数量做到8ch，高速脉冲输出相关逻辑指令响应时间也大大减小；因此工业控制系统30具有更高通信实时性和数据收发稳定性，满足了用户的通信效率需求和灵活性需求，实用价值较高；有效地克服了传统的工业控制系统的实时控制精度和控制稳定性较低，无法兼容实现实时数据通信以及PLC控制等多功能业务控制功能，难以满足用户的多方位EtherCAT总线通信控制需求，实用价值较低的不足之处。

在本文对各种器件、电路、装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

在整个说明书中对“各种实施方式”、“在实施方式中”、“一个实施方式”或“实施方式”等的引用意为关于实施方式所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等在整个说明书中的适当地方的出现并不一定都指同一实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何适当的方式组合。因此，关于一个实施方式示出或描述的特定特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其它实施方式的特征、结构或特性进行组合，而没有假定这样的组合不是不合逻辑的或无功能的限制。

虽然上面以某个详细程度描述了某些实施方式，但是本领域中的技术人员可对所公开的实施方式做出很多变更而不偏离本公开的范围。连接参考(例如，附接、耦合、连接等)应被广泛地解释，并可包括在元件的连接之间的中间构件和在元件之间的相对运动。因此，连接参考并不一定暗示两个元件直接连接/耦合且彼此处于固定关系中。“例如”在整个说明书中的使用应被广泛地解释并用于提供本公开的实施方式的非限制性例子，且本公开不限于这样的例子。意图是包含在上述描述中或在附图中示出的所有事务应被解释为仅仅是例证性的而不是限制性的。可做出在细节或结构上的变化而不偏离本公开。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于双FPGA架构的可编程控制器，与至少两个从站连接，其特征在于，所述可编程控制器包括：

所述主控制模块用于输出第一控制指令和第二控制指令；

所述第二可编程模块还用于接入外部脉冲信号，并对于所述外部脉冲信号进行计数得到脉冲计数结果，以进行定量比较和中断触发；

所述第一可编程模块还用于生成同步时钟，并将所述同步时钟通过所述物理接口收发模块输出至各个从站，以使得所述第一可编程模块与所述从站进行时钟同步，进而所述第一可编程模块按照扫描时间模型运行工作，系统顺序、循环地执行不同的电路任务。

2.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述从站的运行状态包括：位置和速度。

3.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述主控制模块还用于根据所述从站返回的数据帧生成以太网控制数据；

4.根据权利要求3所述的可编程控制器，其特征在于，所述通信模块包括：

5.根据权利要求4所述的可编程控制器，其特征在于，所述通信模块包括RJ45接口；

6.根据权利要求5所述的可编程控制器，其特征在于，所述以太网编码模块包括PHY芯片，所述主控制模块包括MII接口，所述MII接口与所述PHY芯片连接，所述PHY芯片与所述RJ45接口连接。

7.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述第一可编程模块还用于在接收各个所述从站返回的数据帧并进行解析之后，并且在输出解析后的各个所述数据帧之前，生成第一中断指令并输出至所述主控制模块。

8.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述物理接口收发模块包括RJ45接口。

9.一种工业控制系统，其特征在于，包括：

主站，所述主站包括如权利要求1-8任一项所述的可编程控制器；和

至少两个从站，每个所述从站均与所述可编程控制器连接。