CN219695682U - 一种用于工业现场的边端装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业控制技术领域，特别涉及一种用于工业现场的边端装置。本实用新型提供了一种可兼容不同核心主板和兼容接入多种传感器的边端通用硬件装置。本装置宽温设计，兼容性和扩展性强，适应严苛的工业现场环境，支持不同应用需求和场景采用不同主板方案，支持不同工业现场大多数传感器接入等，解决目前多种传感设备接口特异性，数据难获取问题。本装置提供的通用硬件平台，可通过软件的二次开发，搭载不同算法，同时实时在线分析和实时反馈控制前端设备，较现有常规边端装置大大减少中间转换设备的数量，保证信号采集/输出控制传输线路的集成性、稳定性，可靠性，实时性。

Description

一种用于工业现场的边端装置

技术领域

本实用新型涉及工业控制技术领域，特别涉及一种用于工业现场的边端装置。

背景技术

依托边缘计算架构兴起，解决工业设备互联痛点，赋能前端本地设备拥有“智慧大脑”。

目前现有的边端装置的硬件平台普遍存在重分析、轻控制，无法做到分析预警与反馈控制于一体的功能。现有的边端装置在扩展性和通用性上存在局限性。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种用于工业现场的边端装置。

一种用于工业现场的边端装置，包括：功能底板、主板和扩展板；功能底板分别与主板和扩展板连接；

功能底板为主板和扩展板提供电压可调的电源供电；

功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器；功能底板与主板接口连接包括：供电电源、5路USB、2路TYPEC、1路HDMI＿O接口、5路I2C、2路SPI、3路UART、2路MIPI、1路EDP、1路HDMI＿IN、4通道PCIE、16路GPIO、1路RGMII以及1路SDMMC0；

功能底板设置有对外在板接口，包括：1路电源接口、2路RJ45接口、4路USB接口、1路TYPEC接口、1路HDMI接口、1路SIM接口和1路SD卡接口；

功能扩展板通过与功能底板连接在应用上提供功能扩展。

进一步的，主板采用FPGA、英伟达或国产芯片为CPU的主板。

进一步的，功能扩展板通过与功能底板连接在应用上提供功能扩展，具体包括：

扩展板采用侧重多媒体应用的音视频功能扩展、侧重工业应用的通讯控制功能扩展或侧重接入光学模组的图像采集功能扩展的一种或多种。

进一步的，主板为实现CPU工作最小单元，主板包括用于管理供电的核心板电源管理单元、用于逻辑处理的CPU最小系统、用于存储的DDR与FLASH模块。

进一步的，功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器，具体包括：

主板设置有金手指焊盘，金手指焊盘与功能底板上的金手指连接器配合使用，以便实现功能底板在与主板接口连接。

进一步的，功能底板可根据实际需求裁减或增加接口。

进一步的，功能底板对于本硬件平台的通用性起关键的承上启下作用，一方面为整个装置电源系统供电，另一方面功能底板连接主板与扩展板；

功能底板对于统一接口定义的信号做了冗余兼容设计。

本实用新型至少具有以下有益效果：

本装置实用新型的多场景通用的硬件平台，不仅拥有传统边端装置一样的强计算、易部署特性和完成数据分析与上传功能，还可解决工业设备接口种类繁多，信号各异无法统一，造成边端装置获取工业设备数据难的问题，同时解决传统边端装置数据分析后无法反馈控制前端设备的问题，本装置提供的通用硬件平台，扩展性好，通用性强。

本装置适用于工业或安防领域的多种传感设备的数据获取、分析、预警和上传以及在线实时反馈控制前端设备场景。主要解决目前多种传感设备接口特异性，数据难获取，单一装置无法同时实时在线分析和实时反馈控制前端设备的问题。

本实施例的优势在于，较现有常规边端装置方案大大减少中间转换设备的数量，保证信号采集/输出控制传输线路的集成性、稳定性，可靠性，实时性。将本装置布局在工业现场，即可直接实时获取前端多种传感设备的源数据，通过升级不同算法，完成对现场设备运行与生产状态的分析、监测和预警，甚至是控制等，即单台设备布局，完成整个工控系统近端设备升级互联，赋能前端设备，发挥智慧功能。

本装置提供的通用硬件平台，可通过软件的二次开发，搭载不同算法，快速形成适应不同应用场景新产品。如应用在已海量安装的监控装置，实现“局部升级、全局智能”的最高附加值，充分发挥已投入资产的边际价值；如布局在工业现场前端感知设备的后一节点，靠近数据源端就近采集与实时分析，做出判断，输出信号控制电气设备，形成闭环控制，或将相关信息数据通过无线或有线网络通讯方式连接智能云平台，与其相交互；如可灵活选通本装置的通用电路板功能，作为主控板集成应用于其它产品体系中，或作为分析单元或作为相机主控单元等。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例装置架构图；

图2为本实用新型实施例具体应用功能图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

目前现有的边端装置的硬件平台普遍存在重分析、轻控制，无法做到分析预警与反馈控制于一体的功能。现有的边端装置在扩展性和通用性上存在局限性。

为此，本实用新型提出了一种用于工业现场的边端装置。

本实施例的优势在于，较现有常规边端装置方案大大减少中间转换设备的数量，保证信号采集/输出控制传输线路的集成性、稳定性，可靠性，实时性。将本装置布局在工业现场，即可直接实时获取前端多种传感设备的源数据，通过升级不同算法，完成对现场设备运行与生产状态的分析、监测和预警，甚至是控制等，即单台设备布局，完成整个工控系统近端设备升级互联，赋能前端设备，发挥智慧功能。

本实用新型提供了一种用于工业现场的边端装置，包括：功能底板、主板和扩展板；功能底板通过与主板和扩展板连接实现不同的功能；

底板为本装置提供电源管理功能，为主板提供电压可调的电源输出及为整个装置电源系统供电；

功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器；功能底板在与主板接口连接包括：主板供电电源、5路USB、2路TYPEC、1路HDMI＿O接口、5路I2C、2路SPI、3路UART、2路MIPI、1路EDP、1路HDMI＿IN、4通道PCIE、16路GPIO、1路RGMII以及1路SDMMC0；

功能底板在具体的实施例中可根据实际需求进行功能引出接口裁减或增加，进而与扩展板连接。同时底板在板固定了部分常用对外连接接口包括：2路RJ45接口、4路USB接口、1路TYPEC接口、1路HDMI接口、1路SIM接口和1路SD卡接口。

功能扩展板通过与功能底板连接可在某一个具体应用方向上提供功能扩展。

本实施例中，主板采用FPGA、英伟达或国产芯片为CPU的主板。

本实施例中，所述扩展板通过与功能底板连接在某一个具体应用方向上提供功能扩展，具体包括：

扩展板采用侧重多媒体应用方向的音视频功能扩展、侧重工业应用的通讯控制功能扩展或侧重接入光学模组的图像采集功能扩展的一种或多种。

本实施例中，主板实现CPU工作最小单元，主板包括用于管理供电的核心板电源管理单元、用于逻辑处理的CPU最小系统、用于存储的DDR与FLASH模块。

本实施例中，所述功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器，具体包括：

主板设置有金手指焊盘，金手指焊盘与功能底板上的金手指连接器配合使用，以便实现功能底板在与主板接口连接。

本实施例中，功能底板对于本硬件平台的通用性起关键的承上启下作用，一方面为整个装置电源系统供电，另一方面功能底板连接主板与扩展板；

功能底板对于统一接口定义的信号做了冗余兼容设计。

为使本领域的技术人员能更好的理解本实用新型，结合附图对本实用新型的原理阐述如下：

本装置的通用硬件平台系统框图如图1所示，包括：功能底板、主板(可选不同CPU)和扩展板(可选不同功能)。

本实用新型兼容的不同CPU方案主板可选用以FPGA、英伟达或者国产芯片为CPU的主板，不同主板可通过与功能底板相适应的接口连接相关功能信号，具体引出的功能信号可根据实际应用要求引出。

功能底板在与不同主板连接时规定了统一的接口定义及接口连接器，因功能底板统一的接口定义涵盖了足够广的多数CPU所涉及的接口信号，同时对于统一接口定义的信号均做了冗余兼容设计，如信号的电平兼容，带宽速率兼容等。底板为不同主板提供了电压可调的电源输出及其整个装置电源系统供电。底板在板设计了一般常规边端装置所涉及的数字接口如千兆网口、USB接口和TYPEC接口，其它实际应用所涉及的接口均可以通过选用不同功能扩展板实现。

功能扩展板，在本硬件平台上支持：侧重多媒体应用方向的音视频功能扩展；侧重工业应用的通讯控制功能扩展；侧重接入光学模组的图像采集功能扩展，然而上述每一类扩展板都可以细分为很多具体应用功能扩展板。

综合以上所述，功能底板对于本硬件平台的通用性起关键的承上启下作用，所以在本平台功能底板设计了如下类型和数量的信号包括：

功能底板与主板的接口信号：

主板供电电源信号；

5路USB信号：3×USB2.0和2×USB3.0；

2路TYPEC信号；

1路HDMI＿O接口；

5路I2C信号和2路SPI信号；

3路UART；

2路MIPI信号，可双向控制；

1路EDP信号：在底板兼容LVDS信号；

1路HDMI＿IN；

4通道PCIE信号；

16路GPIO信号；

1路千兆网卡信号RGMII；

1路SD卡存储信号SDMMC0；

电压可调节电源管理与输出单元。

功能底板对外在板接口：

2路RJ45网口；

4路USB接口：2×USB2.0和2×USB3.0；

1路TYPEC和1路HDMI接口

SD卡和SIM卡接口：分别为外扩存储和作为无线网关提供接口。

本装置针对解决工业多种类传感接口，信号差异性大提出了功能完善的单板组合。具体实施例如下：实施例具体功能图如图2所示

主板选择国产芯片作为CPU方案，依据底板给出的信号接口定义，引出CPU功能信号至功能底板。具体主要引出：

主板供电电源信号；

5路USB信号：3×USB2.0和2×USB3.0；

2路TYPEC信号；

1路HDMI＿O接口；

5路I2C信号和2路SPI信号；

3路UART；

2路MIPI信号，可双向控制；

1路EDP信号：在底板兼容LVDS信号；

1路HDMI＿IN；

4通道PCIE信号；

16路GPIO信号；

1路千兆网卡信号RGMII；

1路SD卡存储信号SDMMC0；

电压可调节电源管理与输出单元。

功能底板在板功能如文中“2.”所述保持不变。值得一提的是，功能底板提供了稳定可靠的主板供电模块，电压可调，满足不同主板电压需求不同的要求，同时设计了先进的在主板未插入，主板供电电源不输出，同时底板对应功能电路不上电的，此种设计可以保证CPU主板供电稳定性，减小电源冲击，同时保证在整个信号处理链路上，信号电源不冲突问题，进而保证电路功能稳定可靠。

功能扩展板侧重工业控制功能接口设计包含：

模拟信号接入接口：4－20mA/0－5V/0－10V；

模拟信号检测：热电偶/电流环；

工控常用通讯接口：RS232/485/422；

开关量输入输出：报警输入/输出或驱动电气设备

隔离型数字信号采集接口：2×SPI和2×I²C。

本功能扩展板最大限度覆盖了工控现场常用前端传感设备的接口，解决工控领域，前端传感设备接口差异化大的难题。

本实施例的优势在于，较现有常规边端装置方案大大减少中间转换设备的数量，保证信号采集/输出控制传输线路的集成性、稳定性，可靠性，实时性。将本装置布局在工业现场，即可直接实时获取前端多种传感设备的源数据，通过升级不同算法，完成对现场设备运行与生产状态的分析、监测和预警，甚至是控制等，即单台设备布局，完成整个工控系统近端设备升级互联，赋能前端设备，发挥智慧功能。

下面以选用国产芯片方案的主板、功能底板和侧重工业控制功能扩展板的组合方式完成本实用新型说明：实施例的装置架构图如图1所示。具体本实施例应用功能图如图2所示，选择CPU为国产芯片方案主板；功能底板通过金手指连接器与主板连接包含多种类、多功能信号，并在底板中根据具体实施例功能需求完成相应通道信号的转换、扩展和隔离驱动输出等功能，同时在功能底板在板固定引出部分常用功能接口，底板内部预留部分接口用以与功能扩展板连接。功能扩展板接入功能底板内部预留接口信号，可完成侧重工业应用的通讯控制功能扩展。

具体实施例应用功能图说明：

主板与功能底板的连接采用金手指连接器插拔方式，在主板上设计300Pin金手指焊盘，引出/接入如图2所示信号：

主板供电电源信号；

5路USB信号：3×USB2.0和2×USB3.0；

2路TYPEC信号；

1路HDMI＿O接口；

5路I2C信号和2路SPI信号；

3路UART；

2路MIPI信号，可双向控制；

1路EDP信号：在底板兼容LVDS信号；

1路HDMI＿IN；

4通道PCIE信号；

16路GPIO信号；

1路千兆网卡信号RGMII；

1路SD卡存储信号SDMMC0；

电压可调节电源管理与输出单元。

功能底板描述：在功能底板上贴装与主板金手指焊盘PIN TO PIN的金手指连接器，引出/接入主板信号(如上文所述)，并对多组功能信号进行了裁减和扩展，其单板内部主要功能电路描述如下：

外部适配器输入的直流+9V至+24V范围电压(默认+12V＠2A)，接入至单板电压可调电源系统单元，经过电源输入保护功能电路后分别输出至电源模块1和2，经电源模块1输出至CPU主板供电电源(3.3V/5V可选)，经电源模块2输出至本单板供电；

4路USB信号，其中1路USB3.0信号经扩展后输出4路USB3.0信号，其中2路对外引出、2路内部预留；其中1路USB2.0信号经扩展后输出3路USB2.0信号，其中2路对外引出、1路内部预留；

1路TYPEC和1路HDMI信号经过接口保护和增加其供电电源电路后，对外引出1路TYPEC和1路HDMI信号；

3路I2C和2路SPI信号经过电平转换转换电路、驱动增强电路和输出接口保护电路后输出单板内部预留接口，与功能扩展板连接；

3路UART信号经过电平转换转换电路、驱动增强电路和输出接口保护电路后输出单板内部预留接口，与功能扩展板连接；

10路GPIO信号经过电平转换转换电路、驱动增强电路和输出接口保护电路后输出单板内部预留接口，与功能扩展板连接；

1路千兆网RGMII信号和1路USB3.0经千兆网卡IC后输出的千兆网RGMII信号经过隔离保护电路后对外引出2路RJ45信号；

1组SDMMC0信号经接口保护电路及其增强供电能力电源电路对外引出至TF卡接口信号；

工业控制功能扩展板描述：工业控制功能扩展板与功能底板内部预留接口连接，如上图2所示信号，扩展板对外连接信号接口：

模拟信号输入/出接口信号；

常用工业测温模拟信号检测量信号；

工控通讯接口信号(RS232/485/422)

开关量输入/输出

工业控制功能扩展板具体对应电路功能实现如图2所示，具体描述如下：

2路SPI信号经隔离电路处理后与后级DA/AD专用IC对应的转换电路连接，经过信号预处理和信号转换电路，对外与输入/输出的模拟量信号连接；

3路I2C信号经隔离电路处理后与后级DA/AD专用IC对应的转换电路连接，经过信号预处理和信号转换电路，对外与模拟信号检测信号连接；

3路UART信号经隔离电路处理后与后级RS232/485/422专用IC对应的转换电路连接并输出，对外与工控通讯接口RS232/485/422信号连接；

10路GPIO信号经隔离、电平转换、增强驱动和功能电路转换后(继电器和OC门)，对外与工控设备干接点和TTL电平信号连接。

本实用新型提供了一种可兼容不同核心主板和兼容接入多种传感器的边端通用硬件装置。本装置宽温设计，兼容性和扩展性强，适应严苛的工业现场环境，支持不同应用需求和场景采用不同主板方案，支持不同工业现场大多数传感器接入等，解决目前多种传感设备接口特异性，数据难获取问题。本装置提供的通用硬件平台，可通过软件的二次开发，搭载不同算法，同时实时在线分析和实时反馈控制前端设备，较现有常规边端装置大大减少中间转换设备的数量，保证信号采集/输出控制传输线路的集成性、稳定性，可靠性，实时性。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，包括：功能底板、主板和扩展板；功能底板分别与主板和扩展板连接；

功能底板为主板和扩展板提供电压可调的电源供电；

功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器；功能底板与主板接口连接包括：供电电源、5路USB、2路TYPEC、1路HDMI＿O接口、5路I2C、2路SPI、3路UART、2路MIPI、1路EDP、1路HDMI＿IN、4通道PCIE、16路GPIO、1路RGMII以及1路SDMMC0；

功能底板设置有对外在板接口，包括：1路电源接口、2路RJ45接口、4路USB接口、1路TYPEC接口、1路HDMI接口、1路SIM接口和1路SD卡接口；

功能扩展板通过与功能底板连接在应用上提供功能扩展。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，

主板采用FPGA、英伟达或国产芯片为CPU的主板。

3.根据权利要求1所述的一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，

功能扩展板通过与功能底板连接在应用上提供功能扩展，具体包括：

扩展板采用侧重多媒体应用的音视频功能扩展、侧重工业应用的通讯控制功能扩展或侧重接入光学模组的图像采集功能扩展的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，

主板为实现CPU工作最小单元，主板包括用于管理供电的核心板电源管理单元、用于逻辑处理的CPU最小系统、用于存储的DDR与FLASH模块。

5.根据权利要求1所述的一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，

功能底板在与主板连接时使用统一的接口定义及接口连接器，具体包括：

主板设置有金手指焊盘，金手指焊盘与功能底板上的金手指连接器配合使用，以便实现功能底板在与主板接口连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于工业现场的边端装置，其特征在于，

功能底板可根据实际需求裁减或增加接口。