CN104765321B - 一种兼容多种现场总线协议的运动控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，包括ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块，ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块相连，ARM核心及接口包含核心调度模块ARM，FPGA核心及接口包含核心调度模块FPGA，采用核心调度模块ARM与核心调度模块FPGA嵌入式双核体系结构，适用于各种现场总线协议的统一软硬件平台，可以兼容大部分的现场总线协议，具有很好的兼容性和广泛的适用性，可以同时连接多种不同协议的设备，提高了运动控制***的柔性，采用FPGA处理实时链路层数据，提高了链路的稳定性和快速响应性。

Description

一种兼容多种现场总线协议的运动控制器
技术领域
本发明属于现场总线通信领域，具体涉及一种兼容多种现场总线协议的运动控制器。
背景技术
随着电子和通信技术的进步，工业自动化控制从传统的点对点的模拟量或者脉冲信号的控制方式逐渐发展成为现场总线的全数字化控制。它将工业现场的控制、监测等设备通过串行信号的方式集成在一个通信网络中，可以构建现场总线控制***，并且可以通过网络协议建立工业信息化控制管理层。运动控制器是现场总线控制的核心，其向上可以兼容以太网实现工业的网络化管理，向下可以兼容现场总线网络，因此，运动控制器所兼容的现场总线协议直接决定了整套控制***的柔性以及适用性。
现有的运动控制领域包含的现场总线协议种类繁多，而且基于各种协议开发设备的也层出不穷，但是到目前为止还没有一种能够兼容各种协议的统一软硬件控制平台，造成了各类设备的接口单一、资源浪费，难以实现运动控制器的广泛的兼容性和适用性问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，在分析各种现场总线协议类型的相似性和共通性的基础之上，发明了基于ARM+FPGA的嵌入式双核体系结构的运动控制器，并利用各种现场总线协议接口的规范，设计了各种现场总线基于双核体系的解决方案，实现了可以同时兼容多种现场总线协议的运动控制器，解决了目前总线式运动控制器支持协议类型比较单一，难以实现运动控制器的广泛的兼容性和适用性的问题。
为解决以上问题本发明所采用的方案：
一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，包括ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块，所述的ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块相连，所述的ARM核心及接口包括运动控制的核心调度模块ARM、SD卡接口、VGA显示接口、Ethernet以太网接口、第一USB接口、第二USB接口、ARM调试串口和CAN总线接口，其功能模块直接由ARM核心及接口运行Linux操作***进行控制和管理，所述的核心调度模块ARM与所述的SD卡接口直接连接，所述的核心调度模块ARM通过一块PHY芯片与Ethernet以太网接口相连，所述的核心调度模块ARM直接与所述第一USB接口相连，所述的核心调度模块ARM直接与所述第二USB接口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块RS232驱动芯片与所述ARM调试串口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块CAN驱动芯片与所述CAN总线接口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块VGA驱动芯片与VGA显示接口相连，所述的FPGA核心及接口包括核心调度模块FPGA、JTAG调式接口、第一工业以太网接口、第二工业以太网接口、光纤接口、RS485接口、RS232接口，所述的FPGA核心及接口作为运动控制核心调度模块ARM的现场总线扩展部分，通过FPGA核心及接口内部的IP核进行并行处理，对相应的接口进行数据链路层的处理，并通过GPMC总线与中断信号控制同运动控制核心调度模块ARM进行数据交互，所述的核心调度模块FPGA与所述的第一工业以太网口通过PHY芯片+隔离变压器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的第二工业以太网口通过PHY芯片+隔离变压器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的光纤接口通过PHY芯片+光电转换器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的RS485接口通过RS485驱动芯片相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的RS232接口通过RS232驱动芯片相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的JTAG调式接口直接相连，所述的核心调度模块FPGA通过GPMC总线协议以及中断信号等控制与核心调度模块ARM相连。
上述的一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，其中，所述的核心调度模块FPGA作为现场总线可扩展模块，其功能是处理从现场总线网络中所识别的信号，进行数据链路层的处理，包括与ARM的数据接口部分、数据链路层和物理层链路选择，所述的物理层链路选择包括网口自动拓扑识别转发模块和串口链路选择模块，用来分别处理网口数据和串口数据，所述的数据链路层包括网口数据链路层数据处理和串口数据链路层数据处理，用来分别处理网口的数据链路层和串口的数据链路层，所述的与ARM的数据接口部分包括网口数据帧缓冲区和串口数据帧缓冲区，用来分别缓存发送和接受的网口通信帧和串口通信帧，并与核心调度模块ARM进行数据交互。
本方案的有益效果：
1. ARM核心及接口上运行Linux操作***，应用程序根据人机交互所产生的控制需求和执行器的实时状态反馈计算出给执行器的指令数据，通过执行器所兼容的现场总线协议接口通过通信电缆传输给各个运动执行器，同时也通过通信电缆将反馈的数据和状态给应用程序，实现运控，支持程序运行显示VGA接口以及调试口，同时还支持USB设备、串口设备等的***扩展。
2. FPGA核心及接口内部支持现有的大部分总线的物理层接口，包括串口通信和网口通信物理层，通过不同通信协议物理层的驱动芯片进行通信电平转换实现不同的总线接口，如RS485接口和RS232接口等，对于同一个总线接口，也可以通过改变现场总线通信应用层来实现不同种类现场总线通信的协议，例如，工业以太网接口可以构造相同的网口链路层，通过不同的应用层协议驱动可以实现EtherCAT、Powerlink等众多基于实时工业以太网物理层的协议，因此，通过软件重构的方法可以充分实现运动控制器的柔性以及广泛的适用性，另外，由于基于FPGA的现场总线IP核扩展模块可以充分利用FPGA并行操作的优势，可以在一个控制周期内同时控制多个现场总线协议网络，可以真正实现同时兼容多个现场总线网络协议。
3. 核心调度模块FPGA通过GPMC总线协议以及中断信号等控制与核心调度模块ARM相连，实现现场总线扩展IP核与ARM的数据交互和控制功能，用户可以根据不同的控制需要，选择不同的运动控制器中现场总线接口进行控制***的连线，然后通过应用程序调用不同协议的驱动接口对相应的总线进行操作，从而实现根据需要构建的不同的现场总线网络。
4. 采用核心调度模块ARM与核心调度模块FPGA嵌入式双核体系结构，适用于各种现场总线协议的统一软硬件平台，可以兼容大部分的现场总线协议，具有很好的兼容性和广泛的适用性，可以同时连接多种不同协议的设备，提高了运动控制***的柔性，采用FPGA处理实时链路层数据，提高了链路的稳定性和快速响应性。
附图说明
图1是本发明的运动控制器的总体结构示意图。
图2是本发明各个功能模块之间的连接示意图。
图3是本发明FPGA模块和外设的具体信号流向示意图。
图4是本发明FPGA模块内部的结构示意图。
图5是本发明ARM模块和外设的具体信号流向示意图。
图6是本发明ARM模块内部的结构示意图。
具体实施方式
如图所示，一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，包括ARM核心及接口1、FPGA核心及接口2和电源接口模块3，所述的ARM核心及接口1、FPGA核心及接口2和电源接口模块3相连，所述的ARM核心及接口1包括运动控制的核心调度模块ARM11、SD卡接口16、VGA显示接口17、Ethernet以太网接口12、第一USB接口131、第二USB接口132、ARM调试串口14和CAN总线接口15，其功能模块直接由ARM核心及接口1运行Linux操作***进行控制和管理，所述的核心调度模块ARM11与所述的SD卡接口16直接连接，所述的核心调度模块ARM11通过一块PHY芯片121与Ethernet以太网接口12相连，所述的核心调度模块ARM11直接与所述的第一USB接口131相连，所述的核心调度模块ARM11直接与所述的第二USB接口132相连，所述的核心调度模块ARM11通过一块RS232驱动芯片141与所述ARM调试串口14相连，所述的核心调度模块ARM11通过一块CAN驱动芯片151与所述的CAN总线接口15相连，所述的核心调度模块ARM11通过一块VGA驱动芯片171与VGA显示接口17相连，所述的FPGA核心及接口2包括核心调度模块FPGA21、JTAG调式接口26、第一工业以太网接口221、第二工业以太网接口222、光纤接口23、RS485接口24、RS232接口25，所述的FPGA核心及接口2作为运动控制核心调度模块ARM11的现场总线扩展部分，通过FPGA核心及接口2内部的IP核进行并行处理，对相应的接口进行数据链路层的处理，并通过GPMC总线与中断信号控制同运动控制核心调度模块ARM11进行数据交互，所述的核心调度模块FPGA21与所述的第一工业以太网口221通过PHY芯片+隔离变压器211相连，所述的核心调度模块FPGA21与所述的第二工业以太网口222通过PHY芯片+隔离变压器211相连，所述的核心调度模块FPGA21与所述的光纤接口23通过PHY芯片+光电转换器231相连，所述的核心调度模块FPGA21与所述的RS485接口24通过RS485驱动芯片241相连，所述的核心调度模块FPGA21与所述的RS232接口25通过RS232驱动芯片251相连，所述的核心调度模块FPGA21与所述的JTAG调式接口26直接相连，所述的核心调度模块FPGA21通过GPMC总线协议以及中断信号等控制与核心调度模块ARM11相连。
上述的一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，其中，所述的核心调度模块FPGA21作为现场总线可扩展模块，其功能是处理从现场总线网络中所识别的信号，进行数据链路层的处理，包括与ARM的数据接口部分211、数据链路层212和物理层链路选择213，所述的物理层链路213选择包括网口自动拓扑识别转发模块2131和串口链路选择模块2132，用来分别处理网口数据和串口数据，所述的数据链路层212包括网口数据链路层数据处理2121和串口数据链路层数据处理2122，用来分别处理网口的数据链路层和串口的数据链路层，所述的与ARM的数据接口部分211包括网口数据帧缓冲区2111和串口数据帧缓冲区2112，用来分别缓存发送和接受的网口通信帧和串口通信帧，并与核心调度模块ARM进行数据交互。
ARM核心及接口1运行Linux操作***进行控制和管理， Ethernet以太网口12可以全双工同时接受和发送以太网数据帧，经过PHY芯片121的处理后进入核心调度模块ARM11的***底层TCP/IP驱动程序，使之能够兼容以太网，第一USB接口131、第二USB接口132与核心调度模块ARM11通过差分信号直接进行数据的交互，ARM调试串口14经过RS232驱动芯片141转换成为ARM兼容TTL电平的232信号供ARM调试或者作为现场总线通信口用， CAN总线接口15通过CAN驱动芯片151与核心调度模块ARM11进行交互，可以集成运动控制器的CAN总线接口。
核心调度模块FPGA21可以在***扩充网口、串口和光口等接口接受第一工业以太网接口221、第二工业以太网接口222中的数据，同时也可以向网络中发送数据，实现全双工的网络通信，网络中的电信号经过隔离变压器2212转换为差分信号与PHY芯片2211相连，用于屏蔽网络中的干扰，提高通信的稳定性，PHY芯片2211通过RMII或者MII方式与核心调度模块FPGA21进行数据交换；光纤接口23同样工作在全双工模式下，光电转换器2312对光纤通信网络中的光信号进行处理，转换为差分电信号供PHY芯片2311处理，通过RMII或者MII方式与核心调度模块FPGA21进行数据交换；RS485接口24，RS485网络中的通信信号通过RS485驱动芯片241转换核心调度模块FPGA21所兼容TTL232信号进行数据的交换；RS232接口25，RS232网络中的通信信号通过RS232驱动芯片251转换核心调度模块FPGA21所兼容TTL232信号进行数据的交换。
核心调度模块ARM11内部的结构包括ARM运动控制程序111、应用程序接口层112和设备驱动层113，ARM运动控制程序111为控制***的核心，将应用程序接口层112的有效控制数据和反馈数据根据控制需求进行相应的计算迭代处理，以实现整个现场总线运动控制***的功能实现，另外，应用程序的控制指令可以通过人机交互接口进行输入；应用程序接口层112实现了各类设备驱动的一个总的集成的接口库，其中包括了运动控制器所支持的所有现场总线接口操作的驱动接口，向上为应用程序提供操作入口，向下直接可以搭建应用程序与硬件设备通信的桥梁，包含三类，一类是Linux支持的驱动，有Ethernet应用层接口1121和CAN应用层接口1122，另一类是基于IP核网口扩展的设备驱动，包括EtherCAT应用程序接口1123、Powerlink应用层接口1124和其余工业以太网的应用层接口1125，用户可以根据自身需要来扩充不同种类的现场总线协议网口的应用层接口，最后一类是基于IP和串口扩展的设备驱动，包括Modbus应用层接口1126和各类串口通信协议应用层接口1127，用户可以根据自身需要来扩充不同种类的现场总线协议串口的应用层接口；设备驱动层113包括Linux支持的驱动1131、IP核FPGA网口扩展驱动1132和IP核串口扩展驱动1133，其主要功能是运行驱动程序，直接驱动板级的硬件设备，进行硬件设备的驱动任务。
ARM核心及接口上运行Linux操作***，应用程序根据人机交互所产生的控制需求和执行器的实时状态反馈计算出给执行器的指令数据，通过执行器所兼容的现场总线协议接口通过通信电缆传输给各个运动执行器，同时也通过通信电缆将反馈的数据和状态给应用程序，实现运控，支持程序运行显示VGA接口以及调试口，同时还支持USB设备、串口设备等的***扩展。
FPGA核心及接口内部支持现有的大部分总线的物理层接口，包括串口通信和网口通信物理层，通过不同通信协议物理层的驱动芯片进行通信电平转换实现不同的总线接口，如RS485接口和RS232接口等，对于同一个总线接口，也可以通过改变现场总线通信应用层来实现不同种类现场总线通信的协议，例如，工业以太网接口可以构造相同的网口链路层，通过不同的应用层协议驱动可以实现EtherCAT、Powerlink等众多基于实时工业以太网物理层的协议，因此，通过软件重构的方法可以充分实现运动控制器的柔性以及广泛的适用性，另外，由于基于FPGA的现场总线IP核扩展模块可以充分利用FPGA并行操作的优势，可以在一个控制周期内同时控制多个现场总线协议网络，可以真正实现同时兼容多个现场总线网络协议。
核心调度模块FPGA通过GPMC总线协议以及中断信号控制与核心调度模块ARM相连，实现现场总线扩展IP核与ARM的数据交互和控制功能，用户可以根据不同的控制需要，选择不同的运动控制器中现场总线接口进行控制***的连线，然后通过应用程序调用不同协议的驱动接口对相应的总线进行操作，从而实现根据需要构建的不同的现场总线网络。
采用核心调度模块ARM与核心调度模块FPGA嵌入式双核体系结构，适用于各种现场总线协议的统一软硬件平台，可以兼容大部分的现场总线协议，具有很好的兼容性和广泛的适用性，可以同时连接多种不同协议的设备，提高了运动控制***的柔性，采用FPGA处理实时链路层数据，提高了链路的稳定性和快速响应性。
仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，包括ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块，其特征为，所述的ARM核心及接口、FPGA核心及接口和电源接口模块相连，所述的ARM核心及接口包括运动控制的核心调度模块ARM、SD卡接口、VGA显示接口、Ethernet以太网接口、第一USB接口、第二USB接口、ARM调试串口和CAN总线接口，其功能模块直接由ARM核心及接口运行Linux操作***进行控制和管理，所述的核心调度模块ARM与所述的SD卡接口直接连接，所述的核心调度模块ARM通过一块PHY芯片与Ethernet以太网接口相连，所述的核心调度模块ARM直接与所述第一USB接口相连，所述的核心调度模块ARM直接与所述第二USB接口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块RS232驱动芯片与所述ARM调试串口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块CAN驱动芯片与所述CAN总线接口相连，所述的核心调度模块ARM通过一块VGA驱动芯片与VGA显示接口相连，所述的FPGA核心及接口包括核心调度模块FPGA、JTAG调式接口、第一工业以太网接口、第二工业以太网接口、光纤接口、RS485接口、RS232接口，所述的FPGA核心及接口作为运动控制核心调度模块ARM的现场总线扩展部分，通过FPGA核心及接口内部的IP核进行并行处理，对相应的接口进行数据链路层的处理，并通过GPMC总线与中断信号控制同运动控制核心调度模块ARM进行数据交互，所述的核心调度模块FPGA与所述的第一工业以太网口通过PHY芯片+隔离变压器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的第二工业以太网口通过PHY芯片+隔离变压器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的光纤接口通过PHY芯片+光电转换器相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的RS485接口通过RS485驱动芯片相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的RS232接口通过RS232驱动芯片相连，所述的核心调度模块FPGA与所述的JTAG调式接口直接相连，所述的核心调度模块FPGA通过GPMC总线协议以及中断信号控制与核心调度模块ARM相连。
2.如权利要求1所述的一种兼容多种现场总线协议的运动控制器，其特征为，所述的核心调度模块FPGA作为现场总线可扩展模块，其功能是处理从现场总线网络中所识别的信号，进行数据链路层的处理，包括与ARM的数据接口部分、数据链路层和物理层链路选择，所述的物理层链路选择包括网口自动拓扑识别转发模块和串口链路选择模块，用来分别处理网口数据和串口数据，所述的数据链路层包括网口数据链路层数据处理和串口数据链路层数据处理，用来分别处理网口的数据链路层和串口的数据链路层，所述的与ARM的数据接口部分包括网口数据帧缓冲区和串口数据帧缓冲区，用来分别缓存发送和接受的网口通信帧和串口通信帧，并与核心调度模块ARM进行数据交互。
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