本实用新型涉及一种设备远程测控系统，具体是一种利用光通讯模块实现测量数据远程传输的测控系统，属于测控技术领域。
背景技术：
在工业生产中往往需要检测设备的各种运行参数，并根据所得参数进行控制，但是设备所处的现场现场环境往往存在温度过高或者过低、粉尘过大等不适宜测量人员现场测量的情况，因此工业生产中需要一种能实现设备参数信号远程采集的系统电路。
现有技术中，由于FPGA处理器具有硬件逻辑资源丰富、计算处理能力强、功耗低和工作稳定性高的特点，因此被广泛应用在各种需要参数采集、处理与传输领域，参数信号远程采集系统也存在以FPGA处理器作为主芯片，配合AD转换芯片实现信号采集，再使用光通讯模块与中央控制系统建立数据通信的技术方案，在此类技术方案中，设置在生产现场的现场仪表输出的模拟信号经AD转换芯片转换为数字信号后送入FPGA处理器(在FPGA内使用硬件描述语言编程实现AD转换控制器)；FPGA处理器实现自身逻辑电路功能所需要的配置数据则存放在配置器件芯片中，系统上电后从配置器件芯片加载到FPGA中以实现FPGA自身逻辑电路功能，因此现有技术中的上述方案存在以下缺陷：
(1)需要在FPGA内使用硬件描述语言编程实现AD转换控制器，这增加了FPGA内部电路的设计难度，也占用了FPGA内部逻辑资源。(2)必须使用AD转换芯片实现模数转换，这也使得系统整体电路不够简单，并且增加系统功耗(设置在环境恶劣的生产现场的设备远程测控系统需要具有较长的持续工作能力，这就要求尽量降低系统功耗)。(3)必须配备独立的FPGA配置器件芯片，这进一步增加了系统硬件复杂度、功耗于成本(配置器件价格较高)。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种设计难度低，不需要为主处理器FPGA配备专用配置器件，并且系统功耗低，有利于提高设备长时间持续工作能力的远程测控系统，本实用新型采用了以下的技术方案。
一种基于光通讯模块的设备远程测控系统，其特征在于：包括FPGA处理器、光通讯模块和单片机；所述单片机内部设置有AD转换模块和程序存储器ROM，所述单片机为STC12C5A60S2型单片机；所述光通讯模块为IP113F型芯片；
所述AD转换模块的模拟输入端是远程测控系统的模拟信号采集输入端，所述单片机的IO是远程测控系统的数字信号采集输入端；
所述单片机通过SPI串行通信接口与FPGA处理器实现数据通信；
所述光通讯模块的管理数据输入输出口MDIO与FPGA处理器的IO相连接，所述光通讯模块的管理数据同步时钟输入口MDC与FPGA处理器的IO相连接；
FPGA处理器的配置数据存储在单片机的程序存储器ROM中；FPGA处理器具有数据配置接口，FPGA的数据配置接口包括：配置复位脚nCONFI、第一配置状态脚nSTATU、第二配置状态脚CONF_DON、配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK；所述配置复位脚nCONFI与单片机的IO相连接，所述第一配置状态脚nSTATU与单片机的IO相连接，所述第二配置状态脚CONF_DON与单片机的IO相连接，所述配置数据传输脚DATA与单片机的IO相连接，所述配置时钟脚CLK与单片机的IO相连接。
进一步的，所述FPGA还与外部存储器相连接。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
本实用新型中，(1)本系统中利用单片机实现AD转换功能(目前多数单片机芯片内都配置了AD转换模块)，这不但可以简化系统电路结构、降低系统功耗，还对信号的信号采集带来了灵活性(例如，由于单片机IO资源数量多、控制灵活，编程容易，掌握单片机技术的开发人员也较多等原因，可以很容易通过增设模拟开关等方式实现增加信号采集路数功能)。
(2)本系统中利用单片机内部的程序存储器ROM来存放FPGA处理器的配置数据，这不但省去了配置器件芯片，简化了电路设计，显而易见的还可以进一步降低系统功耗，这对提高系统长时间持续工作能力具有积极效果。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
一、本实用新型电路结构
如图1所示，一种基于光通讯模块的设备远程测控系统，主要由FPGA处理器、光通讯模块和单片机三大核心器件组成；
其中，FPGA处理器是核心处理器件，主要完成被采集数据的数据计算、存储并控制光通讯模块将数据上传至中央控制系统。单片机用于AD转换以及对FPGA处理器进行数据配置。本实用新型中单片机不负责数据处理而是利用其本身内部集成的ROM和AD转换模块来分别使用FPGA配置数据存储以及被采集信号的模数转换双重功能，这是与普通的单片机应用系统最大的区别(常见的单片机应用系统中，单片机通常是用作计算数据的微处理器核心)，并且这一特殊设计在本实用新型的使用也使得本实用新型能较好的满足设备远程测控系统所要求的低功耗要求(电路结构简单，使用器件数量少)。FPGA处理器采用Xilinx公司Spartan系列，这类芯片成本低，容量中等、性能可以满足一般逻辑设计要求。单片机采用STC12C5A60S2型单片机，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位AD转换模块；光通讯模块为IP113F型芯片，IP113F芯片是ICPlus公司生产的一款具有网关功能，超低功耗的光纤收发器。IP113F内置专为收发器设计的2口交换机内核，传送数据包时可不进行MAC地址标检查和CRC校验，全/半双工模式下均可采用流量控制，支持单模/多模光纤转换，提供TS-1000标准的维护帧。
以下分别以实现数据信号采集的各个主要过程为主线阐述电路连接关系：
1、为了实现采集设置在生产现场的现场仪表输出的模拟信号采用以下电路结构：现场仪表的模拟信号输出端与设置在单片机内部的AD转换模块的模拟输入端相连接，当然这是要通过单片机的模拟输入口管脚进行连接的。由于AD转换模块设置在单片机内部(本实用新型所选的STC12C5A60S2系列单片机芯片内部集成有8路高速10位AD转换器)，因此AD转换的采集控制便由单片机内部的CPU来进行，这与现有技术中在FPGA处理器中实现纯硬件的AD转换控制模块不同，这里的AD转换控制由软件实现，这虽然稳定性不及纯硬件的AD转换模块，但设计难度小，设计工作量小并且不耗费FPGA的逻辑资源。由于单片机内部具有8路高速10位AD转换模块，因此本实用新型实际上本实用新型可以同时采集8路模拟信号。单片机的IO是远程测控系统的数字信号采集输入端，这可以方便的实现现场仪表数字输出信号的采集。
2、为了将单片机采集得到的数据传输至FPGA处理器，采用以下电路连接：单片机通过SPI串行通信接口与FPGA处理器实现数据通信。具体连接是，单片机的四个IO与FPGA芯片的四个普通数据IO分别对应相连接，由单片机通过通过软件编程的方式产生SPI工作时序实现单片机与FPGA芯片之间的SPI通信接口，从而完成两者之间数据的传输。
3、为实现FPGA处理器对光通讯模块的控制，采用如下硬件连接：光通讯模块的管理数据输入输出口与FPGA处理器的IO相连接，所述光通讯模块的管理数据同步时钟输入口与FPGA处理器的IO相连接。
4、为了实现单片机对FPGA处理器的数据配置采用如下硬件连接：FPGA处理器具有数据配置接口，FPGA的数据配置接口包括：配置复位脚nCONFI、第一配置状态脚nSTATU、第二配置状态脚CONF_DON、配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK；上述配置管脚均与单片机的IO相连接。
5、为了将采集数据进行存储以便传输与日后调用，FPGA还与外部存储器相连接。外部存储器采用常见的EPROM存储器即可。
二、本实用新型工作原理
1、采集设置在生产现场的现场仪表输出的模拟信号的工作原理：设置在生产现场的现场仪表输出的模拟信号送入本实用新型的模拟信号采集输入端(当然本实用新型也设置在生产现场)，经单片机内部的AD转换模块转换为数字信号后经SPI串行通信接口送入FPGA处理器内部。现场仪表输出的数字信号被采集的工作原理于模拟信号被采集的原理类似。
2、单片机采集得到的数据传输至FPGA处理器的工作原理：单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD芯片之间的SPI通信接口，这种通信方式至少具有根4线(只需要单向通信时3根线也可实现)，具体的分别是：1、从设备数据输入线SDI，也是主设备数据输出线；2、从设备数据输出线SDO，也是主设备数据输入线；3、时钟信号线SCLK，时钟信号由主设备产生；4、从设备使能信号线CS。主设备和从设备之间进行同步串行数据传输，在主设备的移位脉冲，数据按位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，简单高效。本实用新型中单片机为主设备，FPGA处理器为从设备。
3、FPGA处理器对光通讯模块的控制的工作原理：
光通讯模块IP113F通过光口发送一些维护帧用于实现远程管理，用户可通过管理数据输入输出口MDIO和管理数据同步时钟输入口管理MII寄存器组，监控或重新设置本地或远端光纤收发器的工作状态。用户只要执行对MII寄存器读写操作，具体的，MDC发生上升沿跳变，数据就会在MDIO逐位地从高到低传送。当SMI处于空闲状态时，MDIO则处于高阻态。FPGA处理器在MDIO上发送32位连续的“1”和“开始”信号初始化MDIO接口，再发送读/写操作码，接着发送5位IP1 13F的地址和5位寄存器地址，最后发送16位的寄存器数据。IP113F的数据传输是通过MDC和MDIO这两条线与外部单元进行通信，因此要从FPGA的I0口进行时序模拟和数据传输。FPGA处理器实现对光通讯模块控制的同时，光通讯模块也就能将采集得到的现场数据上报给、中央控制系统。
4、单片机对FPGA处理器进行数据配置的工作原理是：通常FPGA处理器实现自身逻辑电路功能所需要的配置数据(这些配置数据是由硬件描述语言程序或者原理图文件灯FPGA逻辑功能设计文件转换而来，它们类似单片机的应用程序，是FPGA实现特定功能的设计数据)则存放在配置器件芯片中，系统上电后从配置器件芯片加载到FPGA中以实现FPGA自身逻辑电路功能，因此需要专用的配置器件芯片，本实用新型将FPGA处理器的配置数据存储在单片机的程序存储器ROM中(ROM通常用于存放单片机应用程序)，具体配置原理如下：利用单片机的程序存储区来存放FPGA配置数据.上电后由单片机控制实现对FPGA器件的数据配置，也即是采用被动配置模式，并且配置数据采用串行方式传送给FPGA，配置过程可以归纳为：(1)由单片机的第一输入输出口向FPGA的配置复位脚nCONFI发送复位信号(复位信号为一个低电平和一个紧跟的高电平)进行配置复位。(2)检测配置复位是否成功，如果单片机通过其第二输入输出口检测到FPGA的第一配置状态脚nSTATU由原本低电平变换为高电平则说明配置复位成功，否则配置复位不失败，继续发送配置复位信号。(3)配置复位成功后单片机通过FPGA的配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK进行串行数据传输，将存储在单片机中的配置数据传送给FPGA，在这一过程中FPGA的配置数据传输脚DATA负责接收配置数据，配置时钟脚CLK负责接收移位时钟，配置时钟脚CLK上没出现一个上升沿，配置数据传输脚DATA接收一位配置数据直至配置数据传输完成。(4)检测配置是否完成。单片机检测FPGA的第二配置状态脚CONF_DON上的电平是否变高，若未变高，说明配置失败，应该重新启动配置过程。
在本实用新型中功耗较大的AD转换芯片被单片机内部的AD转换模块所代替，价格较昂贵的FPGA专用配置器件芯片也由单片机所代替，一方面配置数据存储在单片机内部ROM中，另一方面单片机控制灵活可以轻松实现对FPGA的数据配置，综上，与现有技术相比，本实用新型具有功耗低、电路结构简单、成本低的显著优势。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。