CN109358547B - 一种植入式控制***数据获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化测量技术领域，公开了一种植入式控制***数据获取方法，以解决现有技术控制***数据的高速获取中存在的问题，该植入式控制***数据获取方法的装置包括现场总线单元、FPGA单元、STM32单片机***、存储器单元以及网络接口单元，现场总线单元包括双向连接的总线驱动电路以及总线协议转换控制器，总线协议转换控制器与FPGA单元双向连接，FPGA单元包括协议芯片控制逻辑接口、内部大容量存储器逻辑接口、内核管理功能单元以及内部资源协调功能单元，本发明可以通过更换现场总线单元，方便应用在其它类型的现场总线网络中。对控制***中的高速变化的信号采集较为准确，对过程数据有效采集，且采集数据精度较高，安装调试方便可靠。

Description

一种植入式控制***数据获取方法

技术领域

本发明涉及自动化测量技术领域，具体涉及一种植入式控制***数据获取方法。

背景技术

控制***运行中的过程数据的收集和保存非常重要，通过这些数据可以观察控制***及相关***设备的运行情况，也是设备日常管理及设备故障分析的重要手段。通常情况下控制***数据获取都是通过人机界面程序的趋势功能进行记录、存储。由于控制***核心任务是保证控制程序准确有效执行，控制***与外部设备通讯的软硬件资源是有限的，因此人机界面程序数据采集能力有限，外部设备对控制***数据访问时间间隔是受到限制的，一般要求数据访问时间间隔大于0.1s，在一般工业控制***中人机界面程序HMI数据刷新时间间隔一般设定为0.1s-1s之间，通常设定刷新时间间隔为1s，这样就可以满足操作人员对设备的观察和控制要求。

根据采样定理可知，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max＞2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍，即：fs.max＞（2.56-4）fmax。例如有效采集一个频率10Hz的信号，采集频率应该达到25.6-40Hz，获取数据的时间间隔应该在39ms-25ms之间，间隔过大信号细节丢失，间隔过小会导致软硬件资源浪费，实践中根据具体要求合理选择，为了有效抓取一些随机信号，采样时间间隔应该更小一些。

通常情况下0.1s-1s数据采集间隔在很多运动速度不高的控制操作任务中都可以满足要求，在这种状态下得到的过程数据历史趋势也能客观反映设备工作过程状态变化。但是对于高速变化的信号在这种采集间隔获取的过程数据就不能满足要求了，目前国内外对于控制***数据的高速获取一般采用配套专用硬件实现，价格昂贵且通用性差，一般应用在轧机等大型控制***中。也有利用纯软件实现方式，但一般应用在精度要求不高的控制***，对于精度要求高的控制***不能满足要求，现有技术无法解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术控制***数据的高速获取中存在的问题，提供了一种可以高速获取控制***的过程数据且安装调试方便、可靠的植入式控制***数据获取装置。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种植入式控制***数据获取装置，包括现场总线单元、FPGA单元、STM32单片机***、存储器单元以及网络接口单元；

现场总线单元包括双向连接的总线驱动电路以及总线协议控制器，总线驱动电路连接有现场总线；

总线协议控制器与FPGA单元双向连接， FPGA单元包括协议芯片控制逻辑接口、容量存储器逻辑接口、内核管理功能单元以及内部资源协调功能单元，协议芯片控制逻辑接口与总线协议控制器以及内部资源协调功能单元双向连接，协议芯片控制逻辑接口与容量存储器逻辑接口单向连接，容量存储器逻辑接口与内部资源协调功能单元双向连接，内部资源协调功能单元与内核管理功能单元单向连接，

所述容量存储器逻辑接口与存储器单元双向连接，内部资源协调功能单元与STM32单片机***双向连接，STM32单片机***与网络接口单元连接。

进一步地，存储器单元包括SDRAM存储器以及可扩展TF卡存储器，且SDRAM存储器、可扩展TF卡存储器与容量存储器逻辑接口均双向连接。

进一步地，网络接口单元包括以太网接口单元以及RS232接口单元，以太网接口单元连接有以太网接口电路的输出物理接口，RS232接口单元连接有RS232接口电路的输出物理接口,且以太网接口单元以及RS232接口单元均与STM32单片机***连接。

进一步地，STM32单片机***上连接有运行指示灯以及***状态双色指示灯。

本发明的另一个目的是提供了一种植入式控制***数据获取方法，采用以下技术方案：

一种植入式控制***数据获取方法，包括以下步骤：

1）上电启动后，FPGA单元和STM32单片机***同时开始初始化，FPGA单元初始化协议芯片控制逻辑接口、容量存储器逻辑接口、内核管理功能单元和内部资源协调功能单元并自检；

2）之后初始化总线协议控制器，随后进行总线协议控制器、SDRAM存储器、可扩展TF卡存储器的自检，自检正常后开始接收和处理STM32单片机***的指令；

现场总线数据通过总线驱动电路将来自现场总线上的RS485信号转换成总线协议控制器能够识别的TTL信号，之后总线协议控制器将来自总线驱动电路上的总线编码信号转换成内部协议芯片控制逻辑接口能够识别的二进制格式的数字信号，内部协议芯片控制逻辑接口将信号传递给容量存储器逻辑接口，容量存储器逻辑接口将数据信号根据设定的采集率压缩并加上时间戳后存入可扩展TF卡存储器中；

3）步骤1）中STM32单片机***初始化后进行RS232接口单元、以太网接口单元的自检，同时FPGA单元的自检数据传递给STM32单片机***，自检正常后，STM32单片机***开始接收和处理来自RS232接口单元、以太网接口单元的指令数据；

4）需要查询数据时通过STM32单片机***向内部资源协调功能单元发出指令，然后由容量存储器逻辑接口查询可扩展TF卡存储器中的数据，查询结果由RS232接口单元或以太网接口单元输出；

5）当外部设备需要读取现场总线单元上的实时数据时，由STM32单片机***发出指令至内部资源协调功能单元，然后由内部资源协调功能单元通过协议芯片控制逻辑接口发出指令给总线协议控制器，再通过总线驱动电路从现场总线上读取实时数据，读取的数据由STM32单片机***通过RS232接口单元或通过以太网接口单元传送。

进一步地，步骤2）中如果总线协议控制器、SDRAM存储器或可扩展TF卡存储器的自检不正常，则通过内核管理功能单元将状态代码发送至STM32单片机***处理，并通过***状态双色指示灯进行显示。

进一步地，步骤3）中如果RS232接口单元、以太网接口单元的自检不正常，则通过内核管理功能单元将状态代码发送至STM32单片机***处理，并通过***状态双色指示灯进行显示。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明可以映射成为控制***的一个数据空间，控制***仅对数据区可见。所有对数据的操作均通过FPGA相应的逻辑接口实现，本发明通过对FPGA编程实现协议芯片控制逻辑接口、容量存储器逻辑接口、内核管理功能单元和内部资源协调功能单元组成控制逻辑电路。同时这些逻辑单元各区域功能相互独立，逻辑上也互不相关。由于控制***对现场总线单元映射形成的数据区在每个扫描周期都进行刷新，因此装置具备快速读取数据区的硬件基础，配合相应的软件***组成植入控制***的高速数据采集装置。本发明可以通过更换现场总线单元，方便应用在其它类型的现场总线网络中。本发明对控制***中的高速变化的信号采集较为准确，对控制***的过程数据有效采集，且采集数据精度较高，安装调试方便可靠。本发明的以太网接口单元对外提供以太网通讯物理接口，可以与符合通讯协议的具有以太网接口的其它外部设备进行数据通讯RS232接口单元对外提供标准的RS232通讯物理接口，可以与符合通讯协议的其它具有RS232接口的外部设备进行数据通讯。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

图2为本发明的内部布置示意图。

图3为本发明的数据运算处理流程图。

附图标记含义如下：1.总线驱动电路；2.总线协议控制器；3.FPGA单元；4.SDRAM存储器；5.可扩展TF卡存储器；6.STM32单片机***；7.以太网接口单元；8.RS232接口单元；9.现场总线单元；10.协议芯片控制逻辑接口；11.容量存储器逻辑接口；12.内核管理功能单元；13.内部资源协调功能单元；14.RS232接口电路的输出物理接口；15.以太网接口电路的输出物理接口；16.现场总线；17.运行指示灯；18.***状态双色指示灯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，一种植入式控制***数据获取装置，包括现场总线单元9、FPGA单元3、STM32单片机***6、存储器单元19以及网络接口单元20；现场总线单元9包括双向连接的总线驱动电路1以及总线协议控制器2，总线驱动电路1接入现场总线16，现场总线16与控制***连接，总线驱动电路1将来自现场总线16上的RS485信号转换成总线协议控制器2能够识别的TTL信号，反之也可以将总线协议控制器2发出的TTL信号转换成RS485信号发送到现场总线16上。总线协议控制器2由一个包括现场总线协议栈的智能芯片组成，总线协议控制器2与FPGA单元3双向连接，可以将FPGA单元3内部的协议芯片控制逻辑接口10发出的普通二进制格式的数据报或命令报转换成现场总线编码信号，然后通过总线协议控制器2及总线驱动电路1发送到现场总线16上，反之总线协议控制器2也可将来自总线驱动电路1的总线编码信号转换成FPGA芯片3内部协议芯片控制逻辑接口10能够识别的二进制格式的数字信号。总线驱动电路1和总线协议控制器2以及其附属电子元器件共同组成现场总线单元9，设计安装在同一块印刷电路板上。

FPGA单元3为现场可编程门阵列，其内部功能单元均是通过硬件描述语VerilogHDL编程实现。FPGA单元3包括协议芯片控制逻辑接口10、容量存储器逻辑接口11、内核管理功能单元12以及内部资源协调功能单元13，协议芯片控制逻辑接口10与内部资源协调功能单元13双向连接，协议芯片控制逻辑接口10与容量存储器逻辑接口11单向连接，容量存储器逻辑接口11与内部资源协调功能单元13双向连接，内部资源协调功能单元13与内核管理功能单元12单向连接，容量存储器逻辑接口11与SDRAM存储器4、可扩展TF卡存储器5均双向连接，内部资源协调功能单元13与STM32单片机***6双向连接，STM32单片机***6与网络接口单元20连接。网络接口单元20包括以太网接口单元7以及RS232接口单元8，以太网接口单元7连接有以太网接口电路的输出物理接口15,RS232接口单元8连接有RS232接口电路的输出物理接口14，且以太网接口单元7以及RS232接口单元8均与STM32单片机***6连接。STM32单片机***6上连接有运行指示灯17以及***状态双色指示灯18。内核管理功能单元12负责设定数据获取装置的总线节点地址，检测总线地址状态并将总线状态代码发送至STM32单片机***6处理。

其中协议芯片控制逻辑接口10负责与现场总线单元9通讯，将现场总线单元9发送的信号接收并分别转发给容量存储器逻辑接口11和内部资源协调功能单元13。容量存储器逻辑接口11负责将接收到的信号加上时间戳后临时存入SDRAM存储器4中，也可以根据要求同时将数据存入可扩展TF卡存储器5中长期保存。存储***的数据压缩、数据组织管理、数据存取功能均由容量存储器逻辑接口11实现。内部资源协调功能单元13负责处理与STM32单片机***6之间的命令及数据，当外部设备需要读取现场总线单元9数据或可扩展TF卡存储器5中的数据时由STM32单片机***6发出指令至内部资源协调功能单元13，然后由内部资源协调功能单元13通过协议芯片控制逻辑接口10通过现场总线单元9从现场总线16上读取实时数据，或由容量存储器逻辑接口11从可扩展TF卡存储器5读取数据，读取的数据由STM32单片机***6通过RS232接口单元8经RS232接口电路的输出物理接口14或通过以太网接口单元7经以太网接口电路的输出物理接口15发送。该数据获取装置正常接入现场总线16并正确组态到控制***时运行指示灯17绿色常亮，否则运行指示灯17绿色闪烁。该数据获取装置工作过程中未检测到任何错误时***状态双色指示灯18不亮，否则根据故障代码做出相应指示，***状态双色指示灯18包括红色指示灯以及橙色指示灯。红色指示灯常亮表示***出现不可恢复的严重硬件故障，红色指示灯闪烁表示装置总线地址与现场总线上的其它装置地址发生冲突，橙色指示灯闪烁表示出现一秒时间间隔内出现至少一次采样数据丢失，十秒钟没有再次出现采样数据丢失指示灯熄灭，否则由橙色指示灯闪烁转变为橙色指示灯常亮。当上述故障同时出现时只能按优先级从高到低显示一种状态，优先级从高到低分别是：红色指示灯常亮、红色指示灯闪烁、橙色指示灯常亮和橙色指示灯闪烁。

所述总线协议控制器2选用德国SIEMENS公司的专用DP协议管理芯片SPC3，其集成了完整的DP协议，可独立完成总线命令的编码解码和总线控制工作，能够有效降低处理器的运算负荷，基于SPC3组成的DP总线接口波特率可以达到12Mbaud。

所述总线驱动电路1选用美国ADI公司的总线驱动芯片ADM2486，该芯片采用磁隔离技术，功耗低传速率高，SPC3通过总线驱动电路在总线上高速收发数据报文。

所述FPGA单元3选用美国ALTERA公司生产的工业级大规模集成电路EP4CE10F17C8N，利用其丰富的逻辑资源编程实现总线协议芯片控制逻辑接口10、容量存储器逻辑接口11、内核管理功能单元12及以及内部资源协调功能单元13，FPGA单元3可以个性化定制控制逻辑，实现个性化的高速逻辑算法和控制功能。

所述SDRAM存储器4选用韩国Hynix产品，型号为H57V1262GTR，与FPGA单元3的逻辑接口配合用于总线过程数据快速缓存，可有效消除装置数据传输通道上的瓶颈，提高装置的高速性和可靠性。

所述可扩展TF卡存储器5根据需要可***4M至64M容量的CLASS4速度级别的TF卡，用于存储需要长时间保存的过程数据，数据组织采用队列形式，当数据存储区存满数据后，新数据将能够继续进入队列，同时最早存入的数据则自动丢失。运行过程中总线过程数据加上时间戳后打包存入可扩展TF卡存储器5。

所述STM32单片机***6主要实现装置内部状态管理以及串口和以太网接口数据通信功能实现，数据获取工作状态通过运行指示灯17显示，数据需求者发出的数据获取命令均通过STM32单片机***6依据程序进行处理。外部设备需要获取的数据的请求由STM32单片机***6解析后通过FPGA单元3的内部资源协调功能单元13及容量存储器逻辑接口11取出，然后通过RS232接口单元8或以太网接口单元7输出。以太网接口单元7选用集成嵌入式联网设备USR-K2。RS232接口单元8由MAX232接口芯片组成。

应用时，现场总线16通过插头接入控制***的现场总线***中，然后由控制***对该数据获取装置进行组态，该数据获取装置被映射成控制***的一个总线站点数据区。通过上位机可以设定该数据获取装置的工作模式，分为脱机模式和联机模式，脱机模式时现场总线数据通过总线驱动电路1将来自现场总线16上的RS485信号转换成总线协议控制器2能够识别的TTL信号，总线协议控制器2将来自总线驱动电路1的总线编码信号转换成FPGA芯片3内部协议芯片控制逻辑接口10能够识别的二进制格式的数字信号，内部协议芯片控制逻辑接口10将信号传递给容量存储器逻辑接口11，容量存储器逻辑接口11将数据信号根据设定的采集率压缩并加上时间戳后存放至可扩展TF卡存储器5中。需要查询数据时可以通过STM32单片机***6向内部资源协调功能单元13发出指令，然后由容量存储器逻辑接口11查询可扩展TF卡存储器5数据，查询结果由RS232接口单元8或以太网接口单元7输出。

联机模式时外部数据需求设备通过RS232接口单元8或以太网接口单元7向STM32单片机***6发出请求，然后由STM32单片机***6通过内部资源协调功能单元13、协议芯片控制逻辑接口10、现场总线单元9、现场总线接口16获取控制***过程数据。

图3为本发明的数据运算处理流程图，上电启动后，FPGA3单元3的芯片（各功能单元）和STM32单片机***6同时开始初始化。其中FPGA单元3初始化建立协议芯片控制逻辑接口10、容量存储器逻辑接口11、内核管理功能单元12和内部资源协调功能单元13，然后初始化总线协议控制器2，随后进行SDRAM存储器等4等自检，如果自检正常就开始接收和处理STM32单片机***6的指令，然后进行现场总线单元信号处理，数据正常就进行总线数据压缩、存储和传送，周而复始；STM32单片机***6上电后也立即初始化，然后进行RS232接口单元8、以太网接口单元7等自检，自检正常后开始处理来自RS232接口单元8或以太网接口单元7的指令或数据，分析后进入相应功能子程序，周而复始执行。如果自检不正常，内核管理功能单元12将状态代码发送至STM32单片机***6处理，并通过***状态双色指示灯18进行显示。具体方法为：

1）上电启动后，FPGA单元3和STM32单片机***6同时开始初始化，FPGA单元3初始化协议芯片控制逻辑接口10、容量存储器逻辑接口11、内核管理功能单元12和内部资源协调功能单元13并自检。

2）之后初始化总线协议控制器2，随后进行总线协议控制器2、SDRAM存储器4、可扩展TF卡存储器5的自检，自检正常后开始接收和处理STM32单片机***6的指令。

现场总线数据通过总线驱动电路1将来自现场总线16上的RS485信号转换成总线协议控制器2能够识别的TTL信号，之后总线协议控制器2将来自总线驱动电路1上的总线编码信号转换成内部协议芯片控制逻辑接口10能够识别的二进制格式的数字信号，内部协议芯片控制逻辑接口10将信号传递给容量存储器逻辑接口11，容量存储器逻辑接口11将数据信号根据设定的采集率压缩并加上时间戳后存入可扩展TF卡存储器5中。

3）步骤1）中STM32单片机***6初始化后进行RS232接口单元8、以太网接口单元7的自检，同时FPGA单元3的自检数据传递给STM32单片机***6，自检正常后，STM32单片机***6开始接收和处理来自RS232接口单元8、以太网接口单元7的指令数据。

4）需要查询数据时通过STM32单片机***6向内部资源协调功能单元13发出指令，然后由容量存储器逻辑接口11查询可扩展TF卡存储器5中的数据，查询结果由RS232接口单元8或以太网接口单元7输出。

5）当外部设备需要读取现场总线单元9上的实时数据时，由STM32单片机***6发出指令至内部资源协调功能单元13，然后由内部资源协调功能单元13通过协议芯片控制逻辑接口10发出指令给总线协议控制器2，再通过总线驱动电路1从现场总线16上读取实时数据，读取的数据由STM32单片机***6通过RS232接口单元8或通过以太网接口单元7传送。如果总线协议控制器2、SDRAM存储器4或可扩展TF卡存储器5的自检不正常，则通过内核管理功能单元12将状态代码发送至STM32单片机***6处理，并通过***状态双色指示灯18进行显示。如果RS232接口单元8、以太网接口单元7或FPGA单元3的自检不正常，则通过内核管理功能单元12将状态代码发送至STM32单片机***6处理，并通过***状态双色指示灯18进行显示。

Claims (3)

1.一种植入式控制***数据获取方法，其特征是，包括连接植入式控制***数据获取装置，该获取装置包括现场总线单元（9）、FPGA单元（3）、STM32单片机***（6）、存储器单元（19）以及网络接口单元（20）；

所述现场总线单元（9）包括双向连接的总线驱动电路（1）以及总线协议控制器（2），总线驱动电路（1）连接有现场总线（16）；

所述总线协议控制器（2）与FPGA单元（3）双向连接，FPGA单元（3）包括协议芯片控制逻辑接口（10）、容量存储器逻辑接口（11）、内核管理功能单元（12）以及内部资源协调功能单元（13），协议芯片控制逻辑接口（10）与内部资源协调功能单元（13）双向连接，协议芯片控制逻辑接口（10）与容量存储器逻辑接口（11）单向连接，容量存储器逻辑接口（11）与内部资源协调功能单元（13）双向连接，内部资源协调功能单元（13）与内核管理功能单元（12）单向连接；

所述容量存储器逻辑接口（11）与存储器单元（19）双向连接，内部资源协调功能单元（13）与STM32单片机***（6）双向连接，STM32单片机***（6）与网络接口单元（20）连接；

所述存储器单元（19）包括SDRAM存储器以及可扩展TF卡存储器（5），且SDRAM存储器、可扩展TF卡存储器（5）与容量存储器逻辑接口（11）均双向连接；

所述网络接口单元（20）包括以太网接口单元（7）以及RS232接口单元（8），以太网接口单元（7）连接有以太网接口电路的输出物理接口（15）,RS232接口单元（8）连接有RS232接口电路的输出物理接口（14），且以太网接口单元（7）以及RS232接口单元（8）均与STM32单片机***（6）连接；

所述STM32单片机***（6）上连接有运行指示灯（17）以及***状态双色指示灯（18）；

该数据获取方法包括以下步骤：

1）上电启动后，FPGA单元（3）和STM32单片机***（6）同时开始初始化，FPGA单元（3）初始化协议芯片控制逻辑接口（10）、容量存储器逻辑接口（11）、内核管理功能单元（12）和内部资源协调功能单元（13）并自检；

2）之后初始化总线协议控制器（2），随后进行总线协议控制器（2）、SDRAM存储器（4）、可扩展TF卡存储器（5）的自检，自检正常后开始接收和处理STM32单片机***（6）的指令；

现场总线数据通过总线驱动电路（1）将来自现场总线(16)上的RS485信号转换成总线协议控制器（2）能够识别的TTL信号，之后总线协议控制器（2）将来自总线驱动电路（1）上的总线编码信号转换成内部协议芯片控制逻辑接口（10）能够识别的二进制格式的数字信号，内部协议芯片控制逻辑接口（10）将信号传递给容量存储器逻辑接口（11），容量存储器逻辑接口（11）将数据信号根据设定的采集率压缩并加上时间戳后存入可扩展TF卡存储器（5）中；

3）所述步骤1）中STM32单片机***（6）初始化后进行RS232接口单元（8）、以太网接口单元（7）的自检，同时FPGA单元（3）的自检数据传递给STM32单片机***（6），自检正常后，STM32单片机***（6）开始接收和处理来自RS232接口单元（8）、以太网接口单元（7）的指令数据；

4）需要查询数据时通过STM32单片机***（6）向内部资源协调功能单元（13）发出指令，然后由容量存储器逻辑接口（11）查询可扩展TF卡存储器（5）中的数据，查询结果由RS232接口单元（8）或以太网接口单元（7）输出；

5）当外部设备需要读取现场总线单元（9）上的实时数据时，由STM32单片机***（6）发出指令至内部资源协调功能单元（13），然后由内部资源协调功能单元（13）通过协议芯片控制逻辑接口（10）发出指令给总线协议控制器（2），再通过总线驱动电路（1）从现场总线（16）上读取实时数据，读取的数据由STM32单片机***（6）通过RS232接口单元（8）或通过以太网接口单元（7）传送。

2.根据权利要求1所述的一种植入式控制***数据获取方法，其特征是：所述步骤2）中如果总线协议控制器（2）、SDRAM存储器（4）或可扩展TF卡存储器（5）的自检不正常，则通过内核管理功能单元（12）将状态代码发送至STM32单片机***(6)处理，并通过***状态双色指示灯(18)进行显示。

3.根据权利要求2所述的一种植入式控制***数据获取方法，其特征是：所述步骤3）中如果RS232接口单元（8）、以太网接口单元（7）的自检不正常，则通过内核管理功能单元（12）将状态代码发送至STM32单片机***(6)处理，并通过***状态双色指示灯(18)进行显示。