异步多核可编程自动化控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种异步多核可编程自动化控制器，包括模拟主板、I/O主板、运动控制主板、diagnose模块、同步调试器、自定义增强型SPI总线以及具有供电通讯装置及同步调试总线的底板；三块主板通过插针安装在具有供电通讯装置及同步调试总线的底板上；三个主板分别通过自定义增强型SPI总线相连；三个主板分别与diagnose模块相连接，diagnose模块与PC机相连；五块子板安装在其对应的主板上；同步调试器与PC机、三块主板分别相连。该自动化控制器通过多核异步工作，有效解决了单核处理器时钟频率难以提高、微处理器功耗较大的问题，并为解决控制系统的安全性、稳定性、降低软件开发难度等问题提供了一个良好的开端。

【技术实现步骤摘要】
异步多核可编程自动化控制器
本专利技术属于工业自动化控制领域，具体涉及一种可编程自动化控制器(PAC)，特别是一种异步多核可编程自动化控制器。
技术介绍
随着工业控制设备需求的增长，目前的控制系统越来越难以满足现代化的工业应用所需要的更多功能要求，为了满足现代工业控制系统应用所提出的各项要求，人们提出了可编程自动化控制器(PAC)，可编程自动化控制器(PAC)正在逐渐取代可编程逻辑控制器(PLC)，成为工控系统理想选择。然而，目前大部分PAC仍然采用PLC所使用的单一微处理器(MCU)的模式，使得控制系统的负荷很高，容易导致多任务系统下的实时性问题出现， 因此，为了满足性能需求，通过集成更多核心来提高性能是必然选择，但是核心的结构也必须考虑，因为如果核心结构过于复杂，随着核心数量的增多，不仅不能提升性能，还会带来线延迟增加和功耗变大等问题，因而异构多核是一个重要的方向，将结构、功耗、功能、运算性能各不相同的多个核心集成在芯片上，并通过任务分工和划分将不同的任务分配给不同的核心，让每一个核心处理自己擅长的任务，这种异构组织方式比同构的多核处理器执行任务更有效率，实现了资源的最佳化配置，而且降低了整体功耗。异构多核的可编程自动化控制器将会取代单核处理器，解决微处理器的发展瓶颈，是将来工控系统必然的发展趋势， 在未来一段时间之内，它将在处理器市场上占有很重要的统治地位，因此，研究一种用于工业控制系统的异构多核可编程自动化控制器是很有现实意义的，然而，目前常见的多核控制器是在一个集成芯片(IC)中集成多个运算单元核心，而且在使用异构多核的系统中，仍然采用OS进行任务调度，使整个系统的稳定性与安全性建立在OS上，同时单一硬件MCU也造成整个系统的冗余性缺失。
技术实现思路
针对上述可编程逻辑控制器存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提出一种异步多核可编程自动化控制器，该自动化控制器通过多核异步工作，有效解决了单核处理器时钟频率难以提高、微处理器功耗较大的问题。并为解决控制系统的安全性、稳定性、降低软件开发难度等问题提供了一个良好的开端。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术解决方案一种异步多核可编程自动化控制器，包括模拟主板、I/O主板、运动控制主板、 diagnose模块、同步调试器、自定义增强型SPI总线、具有供电通讯装置及同步调试总线的底板；模拟主板、I/O主板和运动控制主板这三块主板通过插针安装在具有供电通讯装置及同步调试总线的底板上；所述三个主板分别通过自定义增强型SPI总线相互连接；所述三个主板分别与diagnose模块相连接,所述diagnose模块是逻辑分析仪电平信号采集电路，用以实现三块主板上的电平信号采集，所述diagnose模块与PC机相连，用以实现对三块主板电平信号的显示；同步调试器与PC机、三块主板分别相连，用以实现三块主板的同步调试。本专利技术还包括如下其他技术特征所述控制器还包括有五块子板(7)，所述五块子板(7)安装在其对应的主板上，用以对三块主板分别进行功能扩展；所述五块子板包括DAC接口扩展电路、ADC接口扩展电路、I/O接口扩展电路、步进电机控制接口扩展电路和编码器接口扩展电路，其中，DAC接口扩展电路和ADC接口扩展电路与模拟主板相连接；I/O接口扩展电路与I/O主板相连接；步进电机控制接口扩展电路和编码器接口扩展电路与运动控制主板相连接。所述自定义增强型SPI总线包括12条信号线，分别是数据线和时钟线包括 SPI_SCK、SPI_MISO、SPI-MOSI ;片选信号线包括 NSSO、NSS1、NSS2、NSS3、SPI_NSS ;中断信号线包括 ITO、ITU IT2、IT3。所述同步调试器包括USB接口、STM32芯片和STM8SL05芯片。其中，USB接口、 STM32芯片和STM8SL05芯片依次相连接；由STM32芯片上的UARTl和STM8SL05芯片上的 5条GPIO线与GND线共同组成同步调试器接口 Debuggerl ;由STM32芯片上的UART2和 STM8SL05芯片上的5条GPIO线与GND线共同组成同步调试器接口 Debugger2 ;由STM32 芯片上的UART3和STM8SL05芯片上的5条GPIO线与GND线共同组成同步调试器接口 Debugger3 ;由STM8SL05芯片上的5条GPIO线、GND线与UART共同组成同步调试器接口 Debugger4 ;Debuggerl、Debugger〗、Debugger3分别与三块主板上的下载调试接口 JIAG 相连；PC机通过USB接口连接同步调试器，PC机通过同步调试器上的同步调试器接口 Debuggerl、Debugger〗、Debugger3与三块主板上的下载调试接口 JIAG分别相连。本专利技术的异步多核可编程自动化控制器的优点如下I、每块主板都带有不同工作频率或者相同频率的微控制器MCU，这是本专利技术多核结构与异步工作的具体体现，除此之外，每块主板上还都带有各自独立的用于支持分布式控制或实时控制的现场总线、RS485接口、USB串口通信、下载调试接口 JTAG、用于异步通信的通用串行数据总线UART和SPI总线接口等相同的接口通信模块以及各自自身的功能模块。从而保证了每个主板自身独立与异步的工作。比如在工作过程中只用到模拟主板，那就仅仅需要使用Diagnose模块采集并分析模拟主板中的信号，于是通过软件编程仅选择模拟主板进行工作即可满足控制工作需要，无需三个主板全部投入工作，降低了功耗，提高了自动化控制器的执行效率和系统安全性。以上为异步多核的优点。2、三块主板与同步调试器构成了自组织重构系统，使本专利技术的异步多核可编程自动化控制器具有可重构性和可编程性，大大提高了多核的通用性和运算性能，使处理器既有了通用微处理器的通用性，又有单一多核芯片系统的高性能，兼具灵活性、高性能、高可靠性、低能耗等优点。以上为自组织重构系统的优点。3、自定义增强型SPI总线克服了现有SPI总线仅仅可以单向通讯的缺点，三块主板之间通过增强型SPI总线构成一个整体，实现彼此之间的相互通讯。在工作过程中，从机可以通过中断信号线中断主机的信号，将自身设置为主机，从而三块主板之间可以互为主机或者从机，而且在任意时刻只有一块主板作为主机，其他主板只能作为从机，通过中断信号线实现了主机与从机相互中断的响应式通讯连接。4、具有供电通讯装置及同步调试总线的底板是本专利技术不可缺少的一部分，主要有供电装置与同步调试总线组成。五块子板按照各自对应的扩展接口通过插针安装在三块主板上，三块主板通过插针安装在具有供电通讯装置及同步调试总线的底板上；需要时，同步调试器与三块主板相连，不需要时，同步调试器独立存在。通过底板上的供电装置对三块主板供电，实现三块主板、五块子板以及同步调试器之间的相互连接与通讯。附图说明图I为本专利技术的异步多核可编程自动化控制器结构示意图。图中各标号1、模拟主板；2、1/0主板；3、运动控制主板；4、Diagnose模块；5、同步调试器；6、自定义增强型SPI 总线；7、五块子板。图2为模拟主板的结构示意图。图中各标号8、现场总线CAN ;9、RS485接口 ；10、 USB串口 ；11、下载调试接口 JTAG ;12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异步多核可编程自动化控制器，其特征在于，包括模拟主板（1）、I/O主板（2）、运动控制主板（3）、diagnose模块（4）、同步调试器（5）、自定义增强型SPI总线（6）、具有供电通讯装置及同步调试总线的底板（8）；模拟主板1、I/O主板2和运动控制主板3这三块主板通过插针安装在具有供电通讯装置及同步调试总线的底板（8）上；所述三个主板分别通过自定义增强型SPI总线（6）相互连接；所述三个主板分别与diagnose模块（4）相连接，所述diagnose模块（4）是逻辑分析仪电平信号采集电路，用以实现三块主板上的电平信号采集，所述diagnose模块（4）与PC机相连，用以实现对三块主板电平信号的显示；同步调试器（5）与PC机、三块主板分别相连，用以实现三块主板的同步调试。

【技术特征摘要】
1.一种异步多核可编程自动化控制器，其特征在于，包括模拟主板(I)、I/o主板(2)、运动控制主板(3)、diagnoSe模块(4)、同步调试器(5)、自定义增强型SPI总线(6)、具有供电通讯装置及同步调试总线的底板(8);模拟主板I、I/O主板2和运动控制主板3这三块主板通过插针安装在具有供电通讯装置及同步调试总线的底板(8)上；所述三个主板分别通过自定义增强型SPI总线(6)相互连接；所述三个主板分别与diagnose模块(4)相连接，所述diagnose模块(4)是逻辑分析仪电平信号采集电路，用以实现三块主板上的电平信号采集，所述diagnose模块(4)与PC机相连，用以实现对三块主板电平信号的显示；同步调试器(5)与PC机、三块主板分别相连，用以实现三块主板的同步调试。2.如权利要求I所述的异步多核可编程自动化控制器，其特征在于，还包括有五块子板(7)，所述五块子板(7)安装在其对应的主板上，用以对三块主板分别进行功能扩展；所述五块子板(7)包括DAC接口扩展电路(57)、ADC接口扩展电路(58)、I/O接口扩展电路(59)、步进电机控制接口扩展电路(60)和编码器接口扩展电路(61)，其中，DAC接口扩展电路(57 )和ADC接口扩展电路(58 )与模拟主板(I)相连接；I/O接口扩展电路(59 )与I/O主板(2 )相连接；步进电机控制接口扩展电路(60 )和编码器接口扩展电路(61)与运动控制主板(3)相连接。3.如权利要求I所述的异步多核可编程自动化控制器，其特征在于，所述自定义增强型SPI总线(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国庆，杨华新，刘承桓，叶洪，瞿进，杨博，王超琨，颜康，崔松林，马新生，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：