[发明专利]一种基于SOPC的EPA现场控制器

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术、计算机技术和自动控制技术，具体涉及一种工业网络现场控制器。

背景技术

以太网技术的开放性、互联性与网络带宽等优势和自动化领域中日益增长的需求使得以太网在工业控制领域得以推广应用。随着以太网技术的飞速发展，工业以太网EPA渐渐成为自动化控制系统里主流的高速率的通信方式，工业以太网技术已经成为一个独立发展的分支。EPA是适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表相互间数据通信的工业控制网络通信标准。

目前，大量的EPA现场设备都是通过加装EPA通信卡来进行通信，该通信卡的处理器多数采用ARM核。采用ARM核处理器的硬件开发平台并不完全针对工业以太网的应用情况，因为芯片设计公司并不完全熟悉工业以太网的需要。因此在实际应用当中经常出现硬件资源浪费或资源不够的问题，并且开发系统往往需外接PLD(Programmble Logic Device可编程逻辑器件)芯片来进行外围器件的逻辑控制，存在接口速率的瓶颈问题。而采用SOPC(可编程片上系统)技术能解决这个难题。

近年来，随着半导体技术的飞速发展，传统的芯片设计方法正在进行一场革命，其标志就是系统级芯片(SOC)被业界广泛接受，并成为研究和开发的热点。随着SOC技术应运而生的是SOPC技术。它结合了SOC和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)的优点，既是片上系统(SOC，System on a Chip)，即由整个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；又是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统中可编程的功能。SOPC的巨大吸引力来自于能够提供更好的性能以及更低的功耗，有效节省电路板空间并降低产品的总成本，因此电子工业正在向SOPC设计转移，使SOPC成为现代电子系统的最佳选择之一。

发明内容

本发明针对现有工业以太网EPA(Ethernet for Plan tAutomation)现场控制器中通信卡处理器采用ARM核，存在不能合理分配硬件、软件资源，接口速率存在瓶颈的上述缺陷，在充分研究EPA网络通信和SOPC技术的基础上，设计了一种基于可编程片上系统SOPC技术的EPA控制器，在可编辑软核的CPU处理器上实现了实时操作系统及EPA通讯协议栈。本控制器应用于EPA工业现场控制中，对EPA系统中其他设备的状态进行检测、控制、实时显示和报警。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，采用SOPC技术、现场总线技术和自动控制技术，设计一种适用于EPA工业以太网、采用实时操作系统开发的嵌入式多任务通信控制器。本控制器作为控制系统中连接管理网、控制网和现场设备的单元，负责对现场信息的处理、控制运算和实时输出。采用可编辑软核的CPU模块NIOS II实现实时操作系统及EPA通讯协议栈模块功能，对EPA通信协议栈进行裁剪构成EPA通讯协议栈模块完成对EPA报文的解析，定制全功能定时器实现与主时钟的同步，定制通信接口、定制以太网控制器接口，实现EPA协议栈物理层和链路层的报文收发，并针对工业现场对EPA控制器的实际需求定制各种运算指令，在NIOS II和外设接口之间采用Avalon总线进行连接。本控制器包括主处理模块、辅助处理模块、显示模块。其中，主处理模块作为控制器的核心负责完成数据的存储以及分析处理等功能，包括EPA通信协议栈模块、监控模块、报警模块；辅助处理模块作为控制器的通信接口，完成以太网数据的收发以及无线数据的协议转换，其包括以太网接口模块，无线接入模块；显示模块作为控制器的人机交互界面负责把经主处理模块处理后的数据通过液晶显示屏显示，并可通过键盘输入相关的控制指令。