基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS‑485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS‑485通讯接口、RS‑232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH和SDRAM；所述ARM单片机包含有10M/100M/1000M自适应网口。本发明专利技术的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统基于ARM和FPGA的冗余配置架构，实现了网关通讯模块的实效性、稳定性、可扩展性。

Gateway communication module and DCS control system based on arm and FPGA

【技术实现步骤摘要】
基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统
本专利技术涉及一种网关通讯模块，特别是涉及一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统。
技术介绍
分布式控制系统(DistributedControlSystem，DCS)又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。随着“工业4.0”智能制造概念的迅速发展，以及信息技术与通讯技术的融合，DCS控制系统逐步向控制体系、计算体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展。DCS控制系统通过与大数据互联互通，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，从而进行更精细化的管理。DCS控制系统在工业过程控制中发挥着重要的作用。在此基础上发展起来的基于现场总线技术的全开放控制系统将是向“工业4.0”过渡的桥梁。控制系统发展方向要向计算、通讯、精确控制、远程协调和自我管理的功能上发展，从而实现虚拟网络世界和现实物理世界的融合。因此，DCS控制系统要实现精准管控，就必须要具有实时性强、可靠性高、组网方便等优点。故无论是在控制领域、通讯领域还是其他领域，基于现场总线通讯模块就起到越来越重要的作用，其应用越来越受到重视。嵌入式网关模块要满足不同网络之间通讯的设备，要满足不同通讯协议在网关模块内进行转换，要实现对外开放的网络接口，采用先进的管理软件，实现远程监控、监测整个生产现场的运行情况，实现先进的分布式管理，从而为办公、管理提供最有力的保障。现有技术中的网关通讯模块通常包括以下两种：(1)如图1所示，采用基于ARM或X86为核心板平台，扩展以太网通讯接口、RS-485通讯接口、RS-232通讯接口、CAN通讯接口等架构。(2)如图2所示，第二种是通过STM32单片机，扩展以太网通讯接、RS-485通讯接口、RS232通讯接口、CAN通讯接口等架构。以上两种架构均能实现DCS控制系统内的数据传输，同时也能实现与第三方设备的数据通讯，满足DCS控制系统在石化、冶金、电力等行业的应用。但随着“工业4.0”智能制造概念的加速发展，上述网关架构无论在通讯速度、可扩展性、可适应性等方面都远远满足不了需求。首先，随着“工业4.0”智能制造概念的加速发展，现场总线技术的应用广泛，上述网关架构不能完全覆盖现场总线技术，显示出适应性、可扩展性较差的局面。其次，随着电力、石化等行业对安全生产需求越来越高，对冗余通讯总线、大数据信息传递和保存提出了更高要求，上述网关架构无冗余总线配置，不能满足对安全生产要求高的行业应用需求。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，通过ARM和FPGA的冗余配置架构，实现了网关通讯模块的实效性、稳定性、可扩展性。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块，包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS-485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS-485通讯接口、RS-232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH、SDRAM和10M/100M/1000M自适应网口。于本专利技术一实施例中，所述FPGA处理器和所述ARM单片机通过数据总线、地址总线和IO总线相连。于本专利技术一实施例中，所述FPGA单元中，所述RS-485通讯接口的个数为6个，所述10M/100M自适应网口的个数为2个，所述Profibus现场总线接口的个数为2个，所述RAM的个数为2个。于本专利技术一实施例中，所述ARM单元中，所述RS-485通讯接口、所述GPRS接口、所述VGA显示接口、所述HART通讯接口、所述FLASH和所述SDRAM的个数均为1个，所述CAN接口和所述RS-232串口的个数均为2个。于本专利技术一实施例中，所述FPGA单元中的RS-485通讯接口采用波特率在3600bps-2Mbps之间可调的RS-485通讯接口。于本专利技术一实施例中，还包括主从逻辑判断电路，与所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元均相连，用于实现所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元单元之间的切换。于本专利技术一实施例中，所述主网关通讯单元和所述从网关通讯单元通过RS-485通讯总线相连。于本专利技术一实施例中，所述ARM单元还包括与所述ARM处理器相连的看门狗电路、USB接口和USART接口中的一种或多种组合。于本专利技术一实施例中，还包括底座，所述主网关通讯单元和从网关通讯单元设置在所述底座内。同时，本专利技术提供一种DCS控制系统，包括上述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块。如上所述，本专利技术的基于ARM和FPGA的网关通讯模块及DCS控制系统，具有以下有益效果：(1)基于ARM和FPGA实现1:1的冗余配置，保证了网关通讯模块运行的稳定性和可靠性；(2)利用ARM单片机高性能、低功耗、多路接口、易扩展等特性，丰富了Flash、RAM的存储空间、实时通讯接口、显示接口；利用FPGA强大的可编程能力，丰富了以太网通讯接口、现场总线通讯协议接口等；(3)不仅适用于DCS控制系统内部数据的读取功能，还要能够与第三方设备互联互通，完全覆盖现场总线通讯技术，具有实效性、稳定性、可扩展性等优势。附图说明图1显示为现有技术中的网关通讯模块于一实施例中的结构示意图；图2显示为现有技术中的网关通讯模块于另一实施例中的结构示意图；图3显示为本专利技术的基于ARM和FPGA的网关通讯模块于一实施例中的结构示意图；图4显示为本专利技术的DCS控制系统于一实施例中的结构示意图。元件标号说明1FPGA单元11FPGA处理器12RS-485通讯接口1310M/100M自适应网口14Profibus现场总线接口15RAM2ARM单元21ARM单片机22GPRS接口23VGA显示接口24HART通讯接口25CAN接口26FLASH27SDRAM2810M/100M/1000M自适应网口4DCS控制系统41基于ARM和FPGA的网关通讯模块具体实施方式以下由特定的具体实施例说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；/n所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；/n所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS-485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；/n所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS-485通讯接口、RS-232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH、SDRAM和10M/100M/1000M自适应网口。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：包括两个相连的网关通讯单元，分别作为主网关通讯单元和从网关通讯单元；
所述网关通讯单元包括FPGA单元和ARM单元；所述FPGA单元和所述ARM单元通过总线相连；
所述FPGA单元包括FPGA处理器，以及均与所述FPGA处理器相连的RS-485通讯接口、10M/100M自适应网口、Profibus现场总线接口和RAM；
所述ARM单元包括ARM单片机，以及均与所述ARM单片机相连的RS-485通讯接口、RS-232串口、GPRS接口、VGA显示接口、HART通讯接口、CAN接口、FLASH、SDRAM和10M/100M/1000M自适应网口。


2.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述FPGA处理器和所述ARM单片机通过数据总线、地址总线和IO总线相连。


3.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述FPGA单元中，所述RS-485通讯接口的个数为6个，所述10M/100M自适应网口的个数为2个，所述Profibus现场总线接口的个数为2个，所述RAM的个数为2个。


4.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的网关通讯模块，其特征在于：所述ARM单元中，所述RS-485通讯接口、所述GPRS接口、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘宏波，
申请(专利权)人：重庆川仪控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50