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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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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- 2010-06-09 CN CN2010202254758U patent/CN201788391U/zh not_active Expired - Fee Related
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C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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