CN210807313U - 基于arm和fpga的网关通讯模块及dcs控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS‑485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS‑485通讯接口、RS‑232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH和SDRAM；所述ARM单片机包含有10M/100M/1000M自适应网口。本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统基于ARM和FPGA的冗余配置架构，实现了网关通讯模块的实效性、稳定性、可扩展性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种网关通讯模块，特别是涉及一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统。
背景技术
分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
随着“工业4.0”智能制造概念的迅速发展，以及信息技术与通讯技术的融合，DCS控制系统逐步向控制体系、计算体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展。DCS 控制系统通过与大数据互联互通，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，从而进行更精细化的管理。
DCS控制系统在工业过程控制中发挥着重要的作用。在此基础上发展起来的基于现场总线技术的全开放控制系统将是向“工业4.0”过渡的桥梁。控制系统发展方向要向计算、通讯、精确控制、远程协调和自我管理的功能上发展，从而实现虚拟网络世界和现实物理世界的融合。
因此，DCS控制系统要实现精准管控，就必须要具有实时性强、可靠性高、组网方便等优点。故无论是在控制领域、通讯领域还是其他领域，基于现场总线通讯模块就起到越来越重要的作用，其应用越来越受到重视。嵌入式网关模块要满足不同网络之间通讯的设备，要满足不同通讯协议在网关模块内进行转换，要实现对外开放的网络接口，采用先进的管理软件，实现远程监控、监测整个生产现场的运行情况，实现先进的分布式管理，从而为办公、管理提供最有力的保障。
现有技术中的网关通讯模块通常包括以下两种：
(1)如图1所示，采用基于ARM或X86为核心板平台，扩展以太网通讯接口、RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、CAN通讯接口等架构。
(2)如图2所示，第二种是通过STM32单片机，扩展以太网通讯接、RS-485通讯接口、RS232通讯接口、CAN通讯接口等架构。
以上两种架构均能实现DCS控制系统内的数据传输，同时也能实现与第三方设备的数据通讯，满足DCS控制系统在石化、冶金、电力等行业的应用。但随着“工业4.0”智能制造概念的加速发展，上述网关架构无论在通讯速度、可扩展性、可适应性等方面都远远满足不了需求。首先，随着“工业4.0”智能制造概念的加速发展，现场总线技术的应用广泛，上述网关架构不能完全覆盖现场总线技术，显示出适应性、可扩展性较差的局面。其次，随着电力、石化等行业对安全生产需求越来越高，对冗余通讯总线、大数据信息传递和保存提出了更高要求，上述网关架构无冗余总线配置，不能满足对安全生产要求高的行业应用需求。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，通过ARM和FPGA的冗余配置架构，实现了网关通讯模块的实效性、稳定性、可扩展性。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块，包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS-485通讯接口、 10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS-485通讯接口、RS-232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH、SDRAM和10M/100M/1000M自适应网口。
于本实用新型一实施例中，所述FPGA处理器和所述ARM单片机通过数据总线、地址总线和IO总线相连。
于本实用新型一实施例中，所述FPGA单元中，所述RS-485通讯接口的个数为6个，所述10M/100M自适应网口的个数为2个，所述Profibus现场总线接口的个数为2个，所述RAM的个数为2个。
于本实用新型一实施例中，所述ARM单元中，所述RS-485通讯接口、所述GPRS接口、所述VGA显示接口、所述HART通讯接口、所述FLASH和所述SDRAM的个数均为1个，所述CAN接口和所述RS-232串口的个数均为2个。
于本实用新型一实施例中，所述FPGA单元中的RS-485通讯接口采用波特率在3600bps-2Mbps之间可调的RS-485通讯接口。
于本实用新型一实施例中，还包括主从逻辑判断电路，与所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元均相连，用于实现所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元单元之间的切换。
于本实用新型一实施例中，所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元通过RS-485通讯总线相连。
于本实用新型一实施例中，所述ARM单元还包括与所述ARM处理器相连的看门狗电路、 USB接口和USART接口中的一种或多种组合。
于本实用新型一实施例中，还包括底座，所述主网关通讯单元和从网关通讯单元设置在所述底座内。
同时，本实用新型提供一种DCS控制系统，包括上述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块。
如上所述，本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，具有以下有益效果：
(1)基于ARM和FPGA实现1:1的冗余配置，保证了网关通讯模块运行的稳定性和可靠性；
(2)利用ARM单片机高性能、低功耗、多路接口、易扩展等特性，丰富了Flash、RAM的存储空间、实时通讯接口、显示接口；利用FPGA强大的可编程能力，丰富了以太网通讯接口、现场总线通讯协议接口等；
(3)不仅适用于DCS控制系统内部数据的读取功能，还要能够与第三方设备互联互通，完全覆盖现场总线通讯技术，具有实效性、稳定性、可扩展性等优势。
附图说明
图1显示为现有技术中的网关通讯模块于一实施例中的结构示意图；
图2显示为现有技术中的网关通讯模块于另一实施例中的结构示意图；
图3显示为本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块于一实施例中的结构示意图；
图4显示为本实用新型的DCS控制系统于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
1 FPGA单元
11 FPGA处理器
12 RS-485通讯接口
13 10M/100M自适应网口
14 Profibus现场总线接口
15 RAM
2 ARM单元
21 ARM单片机
22 GPRS接口
23 VGA显示接口
24 HART通讯接口
25 CAN接口
26 FLASH
27 SDRAM
28 10M/100M/1000M自适应网口
4 DCS控制系统
41 基于ARM和FPGA的网关通讯模块
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
ARM单片机是以ARM处理器为核心的一种单片微型计算机，是近年来随着电子设备智能化和网络化程度不断提高而出现的产物。新型的32位ARM核处理器在指令系统、总线结构、调试技术、功耗以及性价比等方面都超过了传统的51系列单片机。同时，ARM单片机在芯片内部集成了大量的片内外设，功能和可靠性都大大提高。故ARM单片机以其体积小、功耗低、集成度和性价比高等优点在各领域得到广泛的应用。
FPGA(Field Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，其采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统通过ARM单片机和FPGA处理器实现双网关通讯单元的冗余配置，在充分利用ARM单片机的处理能力和FPGA 处理器的可编程能力的基础上实现了网关通讯模块的实效性、稳定性、可扩展性，满足了DCS控制系统的实际应用需求，极具实用性。
本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元。所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元的结构相同，且互为冗余，安装在两槽底座中。在实际使用中，所述主网关通讯单元处于工作状态，所述从网关通讯单元处于备用状态。于本实用新型一实施例中，本实用新型的基于ARM和 FPGA的网关通讯模块还包括主从逻辑判断电路，与所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元均相连，用于实现所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元单元之间的切换。其中，所述主从逻辑判断电路采集所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元的状态信息，并根据所述状态信息判断是否进行所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元之间的切换。例如，当所述主网关通讯单元出现致命故障时，若所述从网关通讯单元的工作状态正常，则进行所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元之间的切换。所述切换为无扰切换。
于本实用新型一实施例中，所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元通过RS-485通讯总线相连，以实现二者之间的数据交互。具体地，所述主网关通讯单元与所述从网关通讯单元在每个周期交互同步数据，所述从网关通讯单元使用所述同步数据跟随所述主网关通讯单元运行，以便于在需要的时候进行所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元之间的切换。
如图3所示，于一实施例中，所述网关通讯单元包括FPGA单元1和ARM单元2。所述FPGA单元1和所述ARM单元2通过总线相连。具体地，所述FPGA单元1的FPGA处理器和所述ARM单元2的ARM单片机通过数据总线、地址总线和IO总线相连，从而实现二者之间的数据交互。
所述FPGA单元1包括FPGA处理器11，以及均与所述FPGA处理器11相连的RS-485 通讯接口12、10M/100M自适应网口13、Profibus现场总线接14口和RAM15。
具体地，所述ARM单元2通过读取FPGA各个寄存器以及缓冲区，在所述FPGA处理器11上扩展出所述RS-485通讯接口12、所述10M/100M自适应网口13、所述Profibus现场总线接14口和所述RAM15。优选地，所述RS-485通讯接口12的个数为6个，所述10M/100M 自适应网口13的个数为2个，所述Profibus现场总线接口14的个数为2个，所述RAM15 的个数为2个。其中，所述RAM15采用256Kx16的高速异步静态RAM，能够实现所述FPGA 单元1的数据存放功能。所述RS-485通讯接口12的波特率在3600bps-2Mbps之间可调，满足现场总线RS-485通讯协议物理连接，能够实现与带RS-485通讯协议相关的第三方设备连接、与DCS控制系统内IO模块的数据交互。通所述10M/100M自适应网口13能够实现与 DCS控制系统内控制器的数据交互。所述Profibus现场总线接口14能够满足现场总线Profibus 通讯协议物理连接，实现与带Profibus通讯协议相关的第三方设备连接及交互数据。
所述ARM单元2包括ARM单片机21，以及均与所述ARM单片机21相连的RS-485通讯接口(图中未示出)、RS-232串口(图中未示出)、GPRS接口22、VGA显示接口23、 HART通讯接口24、CAN接口25、FLASH26、SDRAM27和10M/100M/1000M自适应网口 28。
具体地，所述RS-485通讯接口、所述GPRS接口22、所述VGA显示接口23、所述HART通讯接口24、所述FLASH26和所述SDRAM27的个数均为1个，所述CAN接口25和所述 RS-232串口的个数均为2个。所述FLASH26和所述DDR2 SDRAM27能够满足数据、日志的存储和调用。所述CAN接口25能够满足现场总线CAN通讯协议物理连接，实现与带CAN 通讯协议相关的第三方设备连接及数据交互。所述HART通讯接口24能够满足现场总线 HART通讯协议物理连接，实现与带HART通讯协议相关的第三方设备连接及数据交互。所述RS-232串口能够满足第三方通讯协议扩展。所述RS-485通讯接口能够实现与带RS-485 通讯协议相关的第三方设备连接及数据交互。所述GPRS接口22能够满足时钟校时和无线数据传输功能。所述10M/100M/1000M自适应网口28能够实现与所述主网络通讯单元和所述从网络通讯单元之间的数据交互。所述VGA显示接口23用于实现与带有VGA信号的第三方设备连接及数据交互。
于本实用新型一实施例中，所述ARM单元2还包括与所述ARM处理器21相连的看门狗电路、USB接口和USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器)接口中的一种或多种组合，以满足实际应用中的不同需求。
优选地，所述10M/100M/1000M自适应网口28为所述ARM单片机21自带的。例如，所述ARM单片机21采用ARM Cortex A8，其是基于TI公司AM3352系列单片机基础上研发的一款核心板，其参数如下：
主频：720MHz；
SRAM：64K；
DDR2：400MHz；
2个10M/100M/1000M自适应以太网口；
6个USART接口；
2个CAN接口
因此，更为优选地，可直接利用所述ARM单片机21所包含的部分组件来构建本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，无需额外扩展。
如图4所示，于本实用新型一实施例中，本实用新型的DCS控制系统4包括上述的基于 ARM和FPGA的网关通讯模块41。所述基于ARM和FPGA的网关通讯模块41通过于所述 DCS控制器的IO模块和控制器交互，来协助所述DCS控制系统4实现其功能。
综上所述，本实用新型的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统基于ARM和FPGA实现1:1的冗余配置，保证了网关通讯模块运行的稳定性和可靠性；利用ARM单片机高性能、低功耗、多路接口、易扩展等特性，丰富了Flash、RAM的存储空间、实时通讯接口、显示接口；利用FPGA强大的可编程能力，丰富了以太网通讯接口、现场总线通讯协议接口等；不仅适用于DCS控制系统内部数据的读取功能，还要能够与第三方设备互联互通，完全覆盖现场总线通讯技术，具有实效性、稳定性、可扩展性等优势。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；
所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；
所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS-485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；
所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS-485通讯接口、RS-232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH、SDRAM和10M/100M/1000M自适应网口。
2.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述FPGA处理器和所述ARM单片机通过数据总线、地址总线和IO总线相连。
3.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述FPGA单元中，所述RS-485通讯接口的个数为6个，所述10M/100M自适应网口的个数为2个，所述Profibus现场总线接口的个数为2个，所述RAM的个数为2个。
4.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述ARM单元中，所述RS-485通讯接口、所述GPRS接口、所述VGA显示接口、所述HART通讯接口、所述FLASH和所述SDRAM的个数均为1个，所述CAN接口和所述RS-232串口的个数均为2个。
5.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述FPGA单元中的RS-485通讯接口采用波特率在3600bps-2Mbps之间可调的RS-485通讯接口。
6.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：还包括主从逻辑判断电路，与所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元均相连，用于实现所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元单元之间的切换。
7.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元通过RS-485通讯总线相连。
8.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述ARM单元还包括与所述ARM处理器相连的看门狗电路、USB接口和USART接口中的一种或多种组合。
9.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：还包括底座，所述主网关通讯单元和从网关通讯单元设置在所述底座内。
10.一种DCS控制系统，其特征在于：包括权利要求1-9之一所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块。
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|---|---|---|---|
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