CN202535382U - 工业控制器与人机界面双向数据传输系统 - Google Patents

Abstract

一种工业控制器与人机界面双向数据传输系统，包括：工业控制器端以太网收发单元、人机界面端以太网收发单元和以太网线路；其中，工业控制器端以太网收发单元的第一以太网收发模块连接以太网线路和所述第一分类数据接口，所述第一分类数据接口通过总线连接到工业控制器；所述人机界面端以太网收发单元的第二分类数据接口连接以太网线路和所述第二分类数据接口，所述第二分类数据接口通过总线连接到人机界面的输入输出外围设备。本实用新型能够延长工业控制器与人机界面之间的数据传输距离，提高抗干扰能力，降低成本，且具有连线少，实时性高，使用简单、灵活等优点。

Description

工业控制器与人机界面双向数据传输系统

技术领域

本实用新型涉及工业控制通讯设备，特别是一种工业控制器与人机界面双向数据传输系统。

背景技术

在工业控制系统中，一般包括工业控制器和人机界面等。其中，控制器可能是专用控制器或工控机，集成多种总线接口，用于与人机界面以及其它工业设备（如：变频器、智能仪表、PLD等）之间的通讯。人机界面是用于与控制器之间传递或交互信息的媒体，集成有显示、鼠标、键盘、I/O等功能。其中，显示部分实时显示控制器的各种运行状态；鼠标、键盘使各种操作指令能够及时、准确地发送到控制器；I/O部分包括一些特殊功能的状态指示或按键，通过某种总线（如：RS485）与控制器进行数据通信，其数据通信有专用的通信协议（例如包括帧头、帧尾、校验码、地址等）。

根据工业现场的实际应用，要求工业控制器靠近工业现场的设备进行安装，而人机界面放置在便于人员操作的位置。因此，需要工业控制器与人机交互设备之间的通信距离足够长、响应快、抗干扰能力强。

目前，工业现场的工业控制器与远端的人机界面之间的通信方式为以下两种：

1）第一种方式如图1所示，工业控制器与人机界面之间直接通过LVDS、VGA、DVI等方式进行视频数据传输，以及直接通过USB、PS2等进行鼠标、键盘的通信。

这种方式的缺点在于：在工业控制器与人机界面距离较远的实际情况下，由于信号标准不同,线缆规格不同，各种总线之间相互影响,抗干扰能力差，布线多且传输距离非常有限。

2）第二种方式如图2所示，工业控制器与人机界面之间通过RS485等总线直接连接进行数据传输，工业控制器将需要更新的数据发送给人机界面，由人机界面内部处理单元将数据显示在人机界面，人机界面通过总线将操作指令发送给工业控制器。

这种方式的缺点在于：

成本高，人机界面需要处理能力较强的内部处理单元（嵌入式计算机CPU）进行数据管理；

工业控制器及嵌入式计算机需要一套组态软件，开发周期长，工作量大；

灵活性差，不同的应用场合，需要通过组态软件对系统进行重新配置； 

实时性差，总线两端设备需要通过软件进行数据分析处理；

传输距离十分有限。

总的来说，现有技术存在传输距离有限、抗干扰能力差、成本高、灵活性差、实时性差等缺点。   

实用新型内容

本实用新型的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种工业控制器与人机界面双向数据传输系统，延长数据传输距离，提高抗干扰能力，降低硬件和软件成本，并获得连线少，实时性高，使用简单、灵活的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种工业控制器与人机界面双向数据传输系统，包括：工业控制器端以太网收发单元、人机界面端以太网收发单元和以太网线路；

所述工业控制器端以太网收发单元包括第一分类数据接口和第一以太网收发模块，所述第一以太网收发模块的一端通过第一以太网物理层接口连接所述以太网线路，所述第一以太网收发模块的另一端连接所述第一分类数据接口，所述第一分类数据接口通过总线连接到所述工业控制器；

所述人机界面端以太网收发单元包括第二分类数据接口和第二以太网收发模块，所述第二以太网收发模块的一端通过第二以太网物理层接口连接所述以太网线路，所述第二以太网收发模块的另一端连接所述第二分类数据接口，所述第二分类数据接口通过总线连接到所述人机界面的输入输出外围设备。

优选地，所述第一分类数据接口包括以下至少一者：视频接收模块、PS2从设备接口模块、第一USB接口模块、第一UART接口模块和第一RS485接口模块；

所述视频接收模块通过视频转换电路经VGA/LVDS总线与所述工业控制器连接，所述PS2从设备接口模块通过总线/电平转换电路经PS2总线与所述工业控制器连接，所述第一USB接口模块通过USB收发器经USB总线与所述工业控制器连接，所述第一UART接口模块通过总线/电平转换电路经UART总线与所述工业控制器连接，所述第一RS485接口模块通过总线/电平转换电路经RS485总线与所述工业控制器连接；

所述第二分类数据接口包括以下至少一者：视频发送模块、PS2主设备接口模块、第二USB接口模块、第二UART接口模块和第二RS485接口模块；

所述视频发送模块通过视频转换电路经VGA/LVDS总线与显示器连接，所述PS2主设备接口模块通过总线/电平转换电路经PS2总线与键盘和/或鼠标连接，所述第二USB接口模块通过USB收发器经USB总线与USE外设连接，所述第二UART接口模块通过触摸屏控制器经UART总线与触摸屏连接，所述第二RS485接口模块通过总线/电平转换电路经RS485总线与所述I/O模块连接。

优选地，所述第一以太网收发模块用于数据收发处理的部分和所述第一分类数据接口设立在第一FPGA上；和/或

所述第二以太网收发模块中用于数据收发处理的部分和所述第二分类数据接口设立在第二FPGA上。

优选地，所述第一分类数据接口中各接口模块按对应的数据类型包括数据输入、输出模块中至少一者以及分别与相应数据输入、输出模块连接的数据缓冲池，所述第一FPGA中设立有第一数据选择及读取模块、第一数据分类模块、第一以太网数据帧编码模块和第一以太网数据帧解码模块，所述第一数据选择及读取模块连接与数据输入模块对应的数据缓冲池，所述第一以太网数据帧编码模块连接所述第一数据选择及读取模块和第一GMII接口，所述第一以太网数据帧解码模块连接所述第一GMII接口和第一所述数据分类模块，所述第一数据分类模块连接与数据输出模块对应的数据缓冲池，所述第一分类数据接口的数据输入模块和数据输出模块连接工业控制器；和/或

优选地，所述第二分类数据接口中各接口模块按对应的数据类型包括数据输入、输出模块中至少一者以及分别与相应数据输入、输出模块连接的数据缓冲池，所述第二FPGA中设立有第二数据选择及读取模块、第二数据分类模块、第二以太网数据帧编码模块和第二以太网数据帧解码模块，所述第二数据选择及读取模块连接与数据输入模块对应的数据缓冲池，所述第二以太网数据帧编码模块连接所述第二数据选择及读取模块和第二GMII接口，所述第二以太网数据帧解码模块连接所述第二GMII接口和所述第二数据分类模块，所述第二数据分类模块连接与数据输出模块对应的数据缓冲池，所述第二分类数据接口的数据输入模块和数据输出模块连接人机界面的外围设备。

优选地，所述人机界面端以太网收发单元与所述人机界面的外围输入输出设备一起集成在所述人机界面中。

本实用新型有益的技术效果在于：

本实用新型突破了对于工业控制通信的数据传输方式的传统认识，提出了对工业控制器与人机界面采用基于以太网的方式来实现双向数据传输，通过在工业控制器端与人机界面端分别设置适应通过以太网接收和发送数据的以太网收发单元，而以太网收发单元之间用以太网网线（如千兆网双绞线/光纤）连接，可将工业控制器端以太网收发单元、人机界面端以太网收发单元以及连接两个收发单元的千兆网双绞线/光纤视为透明传输的延长线，这样，工业控制器与人机界面的LCD、键盘、触摸屏、I/O模块等外围设备相当于无缝连接，由于人机界面与工业控制器无需像传统的总线直连那样需要运行额外的组态软件，因此大大减少了软件开发成本，且显著提高了使用的灵活性，可以用于任何应用场合而不需要对工业控制器做任何的更改；

同时，相对于人机界面通过RS485等总线与工业控制器通讯的传统方案，本实用新型中的工业控制器端/人机界面端以太网收发单元适用基于FPGA的设计，其成本远远低于总线直连方式所采用的基于嵌入式计算机的设计；而且，本实用新型利用以太网，在VGA/LVDS、PS2、UART、RS485总线基础上使传输距离显著延长，距离延长通常可达百米以上的，而如果以光纤为传输介质，则其传输距离可以更长，大大提高了原有总线的传输距离；由于各总线的时序、数据帧格式按照本实用新型的通信方式均能够保持不变，因此使用起来简单灵活；由于工业控制器与人机界面之间的连接线减化为网线，例如一根CAT5网线，因此大大减少了长距离布线的布线量；由于工业控制器端/人机界面端以太网收发单元的数据处理可以基于FPGA硬件实现，同时，结合以太网（如千兆网）所能达到的高速数据吞吐能力，从而能够确保控制器与人机界面之间的高实时性；由于工业控制器与人机界面通过以太网完全电气隔离，利用以太网网络本身的抗干扰特性，并可进一步借助于FPGA良好的数据传输重发机制，因而能显著提高工业通信系统的抗干扰能力。

附图说明

图 1 为控制器与人机界面总线直连方式；

图 2为控制器与人机界面数据通信方式；

图 3 为本实用新型一种实施例的总体结构示意图；

图 4为本实用新型一种实施例控制器与人机界面之间的透明传输示意图；

图 5 为本实用新型一种实施例工业控制器端以太网收发单元的结构框图；

图 6 为本实用新型一种实施例人机界面以太网收发单元的结构框图；

图 7为本实用新型的工业控制器端以太网收发单元在一种实施例中的结构图；

图 8为本实用新型的人机界面端以太网收发单元在一种实施例中的结构图。

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本实用新型进行进一步的详细说明。

在一个实施例里，工业控制器与人机界面双向数据传输系统包括工业控制器端以太网收发单元以及人机界面端以太网收发单元，如图3所示，优选地，其中：

1)   工业控制器端以太网收发单元包括视频接收模块、PS2从设备接口模块、第一UART接口模块、第一RS485接口模块、第一USB接口模块、第一以太网收发模块；

2)   人机界面端以太网收发单元包括视频发送模块、PS2主设备接口模块、第二UART接口模块、第二RS485接口模块、第二USB接口模块、第二以太网收发模块；

人机界面端以太网收发单元可以是集成在人机界面中的，即人机界面除了可以包括显示器、触摸屏、键盘及I/O模块等输入输出外围设备之外，还包括向这些输入输出设备提供信号收发功能的人机界面端以太网收发单元。

在一些实施例中，工业控制器端以太网收发单元和人机界面端以太网收发单元分别包括USB接口模块，从而可以通过通用串行总线发送和接收数据，如键盘、鼠标以及其他USB外设等的信号。在另一些实施例中，也可以用USB接口模块直接代替PS2接口模块。

工业控制器与人机界面的通信过程如下：

A.工业控制器端以太网收发单元的视频接收模块通过VGA/LVDS接口接收控制器视频数据，视频数据通过第一以太网收发模块将数据上传至千兆网4对双绞线或光纤（经光电信号转换后）。人机界面端以太网收发单元的第二以太网收发模块将接收的视频信号传输至视频发送模块，按照显示时序输出至LCD显示；

B.工业控制器端以太网收发单元的PS2从设备接口模块接收控制器sp2总线的数据，第一以太网收发模块将数据上传千兆网双绞线或光纤，人机界面端以太网收发单元的第二以太网收发模块从千兆网接收sp2数据，PS2主设备接口模块将数据按照PS2总线时序输出至键盘。人机界面的键盘数据将依次通过人机界面端以太网收发单元的PS2主设备接口模块和第二以太网收发模块、千兆网、工业控制器端以太网收发单元的第一以太网收发模块和PS2从设备接口模块，最后上传至控制器；

C. 人机界面集成触摸屏模块，触摸屏模块通过UART总线与第二UART接口模块进行数据通信。与B中的通信过程类似，通过人机界面端以太网收发单元的第二UART接口模块和第二以太网收发模块、千兆网、工业控制器端以太网收发单元的第一以太网收发模块和第二UART接口模块，可以实现触摸屏模块与控制器之间的数据交互；

D．人机界面集成有I/O模块，I/O模块通过RS485总线与第二RS485接口模块进行数据通信。与B中的通信过程类似，通过人机界面端以太网收发单元的第二RS485接口模块和第二以太网收发模块、千兆网、工业控制器端以太网收发单元的第一以太网收发模块和第一RS485接口模块，可以实现I/O模块与控制器之间的数据交互。

如图4所示，按照本实用新型的实施例，可将工业控制器端以太网收发单元、人机界面端以太网收发单元以及连接两个收发单元的千兆网双绞线/光纤视为透明传输的延长线，这样，工业控制器与人机界面的LCD、键盘、触摸屏、I/O模块为无缝连接，从而人机界面与工业控制器不需要运行一套组态软件，减少了开发成本，且使用灵活，可用于任何应用场合而不需要对控制器做任何的更改。相对于传统的人机界面通过RS485等总线与工业控制器通讯，工业控制器端以太网收发单元/人机界面端以太网收发单元优选可以采用基于FPGA的设计，其成本远远低于采用嵌入式计算机的方式。同时，本实用新型将VGA/LVDS、PS2、UART、RS485总线的传输距离延长，可以实现几百米的距离延长，如果以光纤为传输介质，其传输距离可以更长，大大提高了原有总线的传输距离；各总线的时序、数据帧格式均保持不变，使用简单灵活；控制器与人机界面之间的连接线减化为网线，例如一根CAT5网线（内含4对双绞线），减少了布线；工业控制器端以太网收发单元/人机界面端以太网收发单元的数据可以基于FPGA硬件实现，结合例如千兆以太网的高速数据吞吐能力，能够确保控制器与人机界面之间的高实时性；工业控制器与人机界面的完全电气隔离、网络的抗干扰特性、FPGA的数据传输重发机制（在采用FPGA的设计时），将提高系统的抗干扰能力。

图5展示了工业控制器和工业控制器端以太网收发单元的一种实施例的结构，在此实施例里，工业控制器端以太网收发单元主要包括视频转换电路、总线/电平转换电路、USB收发器、FPGA、千兆以太网物理层接口以及网络连接器。其中，FPGA内部包含视频数据接收模块、PS2从设备接口模块、第一UART接口模块、第一USB接口模块、第一RS485接口模块和千兆以太网数据收发模块。千兆以太网数据收发模块为前文所述的第一以太网收发模块的一个例子。工业控制器端以太网收发单元的所有数据处理均由FPGA硬件实现，具有响应及时、处理速度快等优势。

图6展示了人机界面的一种结构，在此实施例里，人机界面包括输入输出外围设备和人机界面端以太网收发单元，具体包括LCD及视频转换电路、PS2键盘及电平转换电路、USB外设及USB收发器、触摸屏及触摸屏控制器、I/O模块及电平转换电路、FPGA、千兆以太网物理层接口以及网络连接器。FPGA内部包含视频数据发送模块、PS2主设备接口模块、第二UART接口模块、第二USB接口模块、第二RS485接口模块和千兆以太网数据收发模块。千兆以太网数据收发模块为前文所述的第二以太网收发模块的一个例子。人机界面端以太网收发单元的所有数据处理均由FPGA硬件实现，具有响应及时、处理速度快等优势。

图7展示了一种实施例的工业控制器端以太网收发单元结构及其数据控制流程。工业控制器端以太网收发单元从工业控制器接收的总线数据包括视频数据、PS2数据、UART数据、USB数据、RS485数据。视频数据接收模块包括数据输入模块，而PS2从设备接口模块、第一UART接口模块、第一USB接口模块和第一RS485接口模块各自包括数据输入模块和输出模块。从工业控制器接收的数据分别缓冲在各模块的数据缓冲池。FPGA中设立的数据选择及读取模块（作为千兆以太网数据收发模块的一部分）按照优先级对几种数据进行选择。千兆以太网数据收发模块中的以太网数据帧编码模块对发送的数据按照帧格式进行编码，编码后的以太网数据帧通过GMII接口发送至千兆网物理层接口。同时，千兆以太网数据收发模块中的以太网数据帧接收模块接收人机界面发送来的数据帧，经过数据解码接校验，得到有效的数据。接收的数据可能是UART数据、PS2数据、USB数据或RS485数据，根据数据类型分类，输送至各相应的数据缓冲池。PS2数据输出模块检测到缓冲池数据有效后，启动PS2从设备数据发送动作，将PS2键盘数据上传至工业控制器； UART数据输出模块检测到缓冲池数据有效后，启动UART数据发送动作，将触摸屏数据上传至工业控制器；USB数据输出模块检测到缓冲池数据有效后，启动UART数据发送动作，将USB外设数据上传至工业控制器； RS485数据输出模块检测到缓冲池数据有效后，启动RS485从设备数据发送动作，将人机界面的I/O数据上传至工业控制器。

图8展示了一种实施例的人机界面端以太网收发单元结构及其数据控制流程。人机界面端以太网收发单元从千兆网接收的总线数据包括视频数据、PS2数据、UART数据、USB数据、RS485数据。视频数据发送模块包括数据输出模块，而PS2主设备接口模块、第二UART接口模块、第二USB接口模块和第二RS485接口模块各自包括数据输入模块和输出模块。人机界面端以太网收发单元的以太网物理层接口从千兆网接收数据，通过GMII接口输送至FPGA的千兆以太网数据收发模块，该模块对数据帧进行解码及校验，校验错误的数据帧丢弃，校验通过的数据根据数据类型标志分类输出至相应的数据缓冲池，各数据输出模块检测到数据缓冲池有效数据后，将按照各总线协议将数据输出至外围设备。同时，当触摸屏有被操作时，UART数据输入模块接收操作数据，并保存在数据缓冲池；当PS2键盘有键按下时，PS2主设备模块接收键值数据，并保存在数据缓冲池；I/O输入扫描模块实时扫描I/O的输入状态，状态值按照RS485时序发送至RS485模块，RS485数据输入模块将接收到的数据保存在数据缓冲池。FPGA中的数据选择及读取模块（作为千兆以太网数据收发模块的一部分）实时检测上述3个数据缓冲池内是否有数据，当检测到有数据后，对该缓冲池的数据进行读取，并由千兆以太网数据收发模块进行数据编码，编码后的以太网数据帧通过GMII接口发送至千兆网物理层接口。如果同时几个缓冲池都有数据，则数据选择及读取模块按照设定顺序先读取某个缓冲池的数据，编码、发送。然后，按照顺序读取、编码、发送其它数据池的数据。

综上所述，本实用新型利用以太网尤其是千兆网的高速数据传输能力，提出了一种新型的工业控制器与人机界面通信方案，相对于基于传统设计思想的惯用通信方案，本实用新型具有抗干扰能力强、响应及时、布线少、传输距离远、成本低、对于任何总线数据帧格式兼容、透明传输以及使用方便灵活等显著优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种工业控制器与人机界面双向数据传输系统，其特征在于,

包括：工业控制器端以太网收发单元、人机界面端以太网收发单元和以太网线路；

所述工业控制器端以太网收发单元包括第一分类数据接口和第一以太网收发模块，所述第一以太网收发模块的一端通过第一以太网物理层接口连接所述以太网线路，所述第一以太网收发模块的另一端连接所述第一分类数据接口，所述第一分类数据接口通过总线连接到所述工业控制器；

所述人机界面端以太网收发单元包括第二分类数据接口和第二以太网收发模块，所述第二以太网收发模块的一端通过第二以太网物理层接口连接所述以太网线路，所述第二以太网收发模块的另一端连接所述第二分类数据接口，所述第二分类数据接口通过总线连接到所述人机界面的输入输出外围设备。

2.如权利要求1所述的工业控制器与人机界面双向数据传输系统，其特征在于,

所述第一分类数据接口包括以下至少一者：视频接收模块、PS2从设备接口模块、第一USB接口模块、第一UART接口模块和第一RS485接口模块；

所述视频接收模块通过视频转换电路经VGA/LVDS总线与所述工业控制器连接，所述PS2从设备接口模块通过总线/电平转换电路经PS2总线与所述工业控制器连接，所述第一USB接口模块通过USB收发器经USB总线与所述工业控制器连接，所述第一UART接口模块通过总线/电平转换电路经UART总线与所述工业控制器连接，所述第一RS485接口模块通过总线/电平转换电路经RS485总线与所述工业控制器连接；

所述第二分类数据接口包括以下至少一者：视频发送模块、PS2主设备接口模块、第二USB接口模块、第二UART接口模块和第二RS485接口模块；

所述视频发送模块通过视频转换电路经VGA/LVDS总线与显示器连接，所述PS2主设备接口模块通过总线/电平转换电路经PS2总线与键盘和/或鼠标连接，所述第二USB接口模块通过USB收发器经USB总线与USB外设连接，所述第二UART接口模块通过触摸屏控制器经UART总线与触摸屏连 接，所述第二RS485接口模块通过总线/电平转换电路经RS485总线与所述I/O模块连接。

3.如权利要1或2所述的工业控制器与人机界面双向数据传输系统，其特征在于,

所述第一以太网收发模块用于数据收发处理的部分和所述第一分类数据接口设立在第一FPGA上；和/或

所述第二以太网收发模块中用于数据收发处理的部分和所述第二分类数据接口设立在第二FPGA上。

4.如权利要求1或2所述的工业控制器与人机界面双向数据传输系统，其特征在于，所述人机界面端以太网收发单元与所述人机界面的外围输入输出设备一起集成在所述人机界面中。 

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