CN201788391U - 一种智能可编程控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能可编程控制器，包括：CPU主板和数据采集板，CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，CPU主板包括：北桥芯片和南桥芯片，北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，南桥芯片连接有串行接口、固态存储器和BootROM，北桥芯片采用基于x86架构的CPU；数据采集板通过ISA总线和南桥芯片连接，包括数据采集芯片和I/O接口，数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。本实用新型达到真正意义的硬实时，最高采样频率可达50kHz，同时兼顾了功能性和稳定性，体积和性能，既可以作为工控机使用，也可作为高速控制器执行单一功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种智能可编程控制器。
背景技术
在自动化领域，控制器是控制***的核心部件，传统的控制器包括工控机和可编程逻辑控制器(PLC)，工控机的优势是可以执行复杂的控制任务，运行高级算法，并实时监控；PLC则具有编程简单，可靠性高、体积小等优点。在当今，工程师们设计与建立控制***时总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能，他们需要的控制***不仅能处理数字I/O和模拟I/O，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，同时还必须能实时地处理控制算法和分析任务，并通过网络传送数据。因此，工程师需要同时拥有PC的功能和PLC的可靠性及小巧体积，可编程自动化控制器(PAC)结合两者的优势，成为一个下一代控制器的发展方向。
目前市场中的PAC多采用基于ARM或PowerPC架构的嵌入式处理器，运行wince，linux等操作***内核，采用分布式的I/O模块，虽然性能较PLC有所提升，但其运算能力、功能及扩展性与工业PC仍相距甚远，同时其编程较PLC更加复杂，标准不统一。虽然有些PAC支持图形化的组态功能，如NI的PAC支持LabView组态方式，但由于标准不统一，且支持的算法库有限，对于执行较为复杂控制功能开发周期长，成本高。在科研领域中，为了验证各种控制方法在实际对象中的性能和可行性，也需要使用PAC作为控制器。科研应用有其自身的特点，它侧重于复杂算法的实现，因此对控制器的速度、实时性、浮点运算能力等要求更高，即要求PAC更接近工业PC的功能，同时在编程上，要求更加简单迅捷。而市场上的PAC产品一般针对工业应用而开发，侧重于严苛工况下的稳定性，大型***对I/O点数的要求等，无法满足科研的需求。
目前市场上的PAC产品存在以下缺陷：
1、多采用RISC处理器，该架构在成本和能耗上有优势，但其运算能力和功能扩展性均受限；
2、多采用软实时操作***内核，如WinCE，Linux等，由于其内核在本质上是多任务抢占式操作***，因此无法满足高速运算实时性的要求，同时，众多基于windows操作***的工控软件都无法在上述***中运行；
3、编程复杂且不统一，有些需要通过高级语言(如C++)人工编程，开发周期长；有些支持图形化编程方式，但不同厂商提供的组态软件各不相同，且支持的算法库较为简单，对于复杂算法的实现很困难；
4、目前的PAC一般不含有通用I/O采集接口，需要另行购买，对于小型控制***成本较高；
5、扩展性差，多采用封闭式总线结构，模块无法扩充；
6、通讯方式单一，一般采用某一种特殊的通讯标准，与外界通讯需要专门的协议转换模块。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的是提供一种智能可编程控制器，以解决上述技术问题
(二)技术方案
一种智能可编程控制器，包括：CPU主板和数据采集板，所述CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，所述CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，
所述CPU主板包括：北桥芯片和南桥芯片，所述北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，所述以太网卡用于所述控制器通过以太网与外部进行通信，
所述南桥芯片连接有串行接口、固态存储器、Boot ROM、实时钟、软盘驱动器FDD和IDE，
所述串行接口用于所述控制器与串口设备进行通信，
所述固态存储器用于存储控制器的嵌入式操作***和单任务操作***，
所述Boot ROM用于存储控制器启动时所需的BIOS程序；
所述北桥芯片采用基于x86架构的CPU，所述CPU连接有CPUCache、***内存和VGA显示接口，所述VGA显示接口用于连接显示器；
所述数据采集板通过ISA总线和南桥芯片连接，包括数据采集芯片和I/O接口，所述数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。
其中，所述I/O接口包括：A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字I/O，
所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片；
所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路；
所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路；
所述数字I/O分别连接数据采集芯片和光隔电路。
其中，所述A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/s，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。
其中，所述D/A转换器精度为12bit，转换频率为100KS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。
其中，所述串行接口为RS232/485串行接口。
其中，所述嵌入式操作***为WinXP embedded，所述单任务操作***为Matlab xpc real-time kernel。
其中，所述基于x86架构的CPU为AMD Geode LX 800CPU。
其中，所述南桥芯片采用AMD CS5536芯片。
其中，所述数据采集芯片为FPGA芯片。
(三)有益效果
本实用新型的智能可编程控制器具有如下有益效果：
1、两种操作***可选择。当选择real-time kernel操作***时，达到真正意义的硬实时，最高采样频率可达50kHz(最小采样时间20μ
s)；当选择winXP embedded时，通过采用其EWF功能，可以有效避免由于***不确定性重起而带来的影响，保证了***的功能性及稳定性；
2、能够基于matlab进行图形化组态，支持Matlab大多数算法库，能自动生成控制程序，独立构成控制闭环，实时监控运行状态，上述所有功能的实现都通过图形化的方式完成，不需进行编程，因此可以快速实现并验证各种复杂算法，进行硬件在回路仿真，快速实现控制***；
3、同时兼顾了功能性和稳定性，体积和性能，既可以作为工控机使用，也可作为高速控制器执行单一功能；
4、只要赋予控制器IP，它就可以与任何网络节点进行通讯，实现远程控制，监控；
5、体积小，结构标准，可扩展性强；
6、自带VGA接口，可以配合显示器在前端显示各种实时曲线。
附图说明
图1是本实用新型的智能可编程控制器组成结构图；
图2是本实用新型的智能可编程控制器的CPU主板和数据采集板之间的堆栈式结构图。
具体实施方式
本实用新型提出的智能可编程控制器，结合附图和实施例说明如下。
如图1所示，本实用新型提出的智能可编程控制器，包括：CPU主板和数据采集板，其中，CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据。二者均采用PC104标准尺寸设计，采用堆栈式结构，如图2所示。PC104与工控机普遍使用的PC/AT体系在结构上完全兼容，因此在PC/AT平台上开发的技术成果和资源就可以很快移植到PC104平台上来；但在形态上，PC104是十分紧凑的自栈式、模块化结构。其特点有：(1)微型尺寸(90×96mm)，单+5v供电，宽工作温度范围，低功耗，无风扇；(2)栈接式总线；(3)针座连接器；(4)总线信号功能以及引脚定义与PC/AT兼容；(5)总线驱动减小；(6)中断共享选择等。由于PC104体系和形态上的这些特征，因此选用其作为该控制器的硬件设计标准。
CPU主板包括：北桥芯片和南桥芯片，北桥芯片采用AMD GeodeLX800芯片，南桥芯片采用CS5536，北桥芯片和南桥芯片采用AMD内部总线连接。北桥芯片和南桥芯片之间连接有以太网卡，所述太网卡为Realtek RTL8139DL，10/100Mbps以太网控制器，提供RJ-45接口，用于智能可编程控制器通过以太网与外部进行通信，为该控制器的主要通信方式。南桥芯片连接有串行接口、固态存储器和BootROM，所述串行接口采用RS232/485串行接口，用于所述控制器与串口设备进行通信，为该控制器的辅助通信方式，所述固态存储器采用CF卡(CompactFlashTM Type I固态存储器)，用于存储嵌入式操作***WinXP embedded和单任务操作***real-time kernel，所述BootROM为AWARD 512KB Flash ROM，用于存储BIOS程序，南桥芯片还连接有实时钟、软盘驱动器FDD和IDE。
北桥芯片采用基于x86架构的AMD Geode LX 800(500MHz)CPU，并包含AMD LX800图形显示加速器，最大可共享254MBSDRAM作为显存，所述CPU连接CPU Cache和***内存，该***内存采用板载200-pin DDR SDRAM，使用SODIMM插槽；北桥芯片还设有VGA接口，用于连接LCD显示器。
所述数据采集板通过ISA总线和CPU主板连接，包括数据采集芯片和I/O接口，所述数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。其中，数据采集芯片采用FPGA芯片。
I/O接口包括：A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字I/O。所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片，该A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/s，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路，该D/A转换器精度为12bit，转换频率为100KS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路。所述数字I/O分别连接数据采集芯片和光隔电路。
本实用新型提出的智能可编程控制器的运行方式如下：
1、启动控制器，BIOS自动运行；
2、BIOS运行结束后，将搜寻磁盘中的操作***引导镜像(bootable image)，在***引导目录中，出现real-time kernel选项和WinXP embedded选项。
3、当选择WinXP embedded时，控制器进入桌面***，此时的功能与普通工业PC相同。
4、当选择real-time kernel选项时，实时内核引导程序被调用，该引导程序包括16位部分和32位部分。
5、16位部分先执行，因为此时CPU仍工作于实模式(real mode)，实模式的特性是一个20位的区段存储器地址空间，即只有1MB的存储器可以被寻址，在该模式下内核执行创建描述符表等工作，然后将CPU切换至保护模式，
6、此后，32位部分被执行，该部分代码执行控制器作为目标机的初始化工作，并启动实时内核。实时内核的启动不需要调用任何BIOS或DOS程序，各种硬件资源(中断控制器，UART，计数器等)可以通过相关I/O地址直接调用。
7、实时内核运行后，用户可配置通讯方式，可选串口通讯和以太网通讯。
8、针对不同的通讯方式，设置参数。串口通讯设置端口，波特率等；以太网通讯设置IP、端口和网关等。
9、通讯方式设置完毕后，检测与上位机的连接情况，并运行程序加载器(application loader)，等待上位机发送控制程序。
10、上位机发送控制程序后，application loader将应用程序的不同部分分别拷贝至指定的地址中，并将设置相应标志位，通知上位机该程序可以运行，等待上位机的开始指令。
控制器除BIOS外的软件部分都存储于CF卡，通过写镜像的方式将定制好的操作***固化在CF卡中。Real-time kernel仅占用数十Kb闪存空间，winxp embedded由于其可剪裁性，也仅占用几十Mb空间。目前市售CF卡一般在1Gb以上，将剩余大量用户存储空间供保存历史数据，同时，由于CF卡的易插拔性，用户可以方便的扩展存储，导出数据。控制器内置web服务器，可以通过浏览器远程访问并配置。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种智能可编程控制器，其特征在于，包括：CPU主板和数据采集板，所述CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，所述CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，
所述CPU主板包括：北桥芯片和南桥芯片，所述北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，所述以太网卡用于所述控制器通过以太网与外部进行通信，
所述南桥芯片连接有串行接口、固态存储器、Boot ROM、实时钟、软盘驱动器FDD和IDE，
所述串行接口用于所述控制器与串口设备进行通信，
所述固态存储器用于存储控制器的嵌入式操作***和单任务操作***，
所述Boot ROM用于存储控制器启动时所需的BIOS程序；
所述北桥芯片采用基于x86架构的CPU，所述CPU连接有CPU
Cache、***内存和VGA显示接口，所述VGA显示接口用于连接显示器；
所述数据采集板通过ISA总线和CPU主板连接，包括数据采集芯片和I/O接口，所述数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。
2.如权利要求1所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述I/O接口包括：A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字I/O，
所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片；
所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路；
所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路；
所述数字I/O分别连接数据采集芯片和光隔电路。
3.如权利要求2所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/s，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。
4.如权利要求2所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述D/A转换器精度为12bit，转换频率为100KS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。
5.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述串行接口为RS232/485串行接口。
6.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述嵌入式操作***为WinXP embedded，所述单任务操作***为Matlab xpc real-time kernel。
7.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述基于x86架构的CPU为AMD Geode LX 800CPU。
8.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述南桥芯片采用AMD CS5536芯片。
9.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述数据采集芯片为FPGA芯片。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102621960A (zh) * | 2012-03-31 | 2012-08-01 | 李斌 | 一种基于ARM-Linux的编译型PAC |
| CN109901508A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 北京天地玛珂电液控制***有限公司 | 可编程控制器及液压支架控制*** |
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2010
- 2010-06-09 CN CN2010202254758U patent/CN201788391U/zh not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110406 Termination date: 20130609 |