飞剪控制器的制作方法

本实用新型涉及工业控制领域，尤其涉及一种飞剪控制器。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

横向剪切运行中的轧件的剪切机叫做飞剪，是一种能快速切断铁板、钢管、纸卷的加工设备，是冶金轧钢行业、高速线材及螺纹钢定尺剪断机，是现代轧制棒材剪断中的产品，具有耗电少、投资成本低的特点。飞剪常用于轧钢，造纸等生产线上。在连轧钢坯车间或小型型钢车间里，它安放在轧制线的后部，将轧件切成定尺或仅切头切尾。在冷、热带钢车间的横剪机组、重剪机组、镀锌机组和镀锡机组里都配置有各种不同类型的飞剪，将带钢剪成定尺或裁成规定重量的钢卷。广泛采用飞剪有利于使轧钢生产迅速向高速化、连续化方向发展。因此，飞剪是轧钢生产发展的重要环节之一。

飞剪控制器是飞剪设备运行的核心，该控制器的稳定、高速运行是保证生产线正常工作的基础，也是关系到生产线产能的重要、关键控制器，是每个轧钢厂最关注的核心设备。目前，现有技术主要采用如下两种类型飞剪控制器：

第一种，采用高性能PLC作为飞剪控制器。通过配套的编程软件对控制器编程，开发和实现飞剪设备控制的各个功能。当产品发生改变或者飞剪设备需要增加功能时，这种方式无法满足客户定制化需求，使得该方案无法大面积推广和使用，只适用于固定生产节奏和生产规格的场合。

第二种，采用单片机作为飞剪控制器。基于C语言或汇编语言等开发软件，来实现飞剪设备控制的各种需求。由于该方案需要从零开始，设计飞剪控制的硬件和软件，完全没有办法借鉴现有的技术和其他软件、硬件成果。这种方式对整体飞剪控制器的软件、硬件开发能力要求非常高。另外，由于飞剪控制器的应用场合要求严苛，完全自主开发的控制器能否通过长期稳定运行的考验，无法得到有效保障。开发人员从零开始开发，没有借鉴其他控制器的经验，会导致多次、反复开发和修改，极大增加了研发费用和研发时间。

综上，为了满足飞剪设备的控制需求，急需一款开发简单且能够满足飞剪控制各种需求的飞剪控制器。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种飞剪控制器，用以解决现有的飞剪控制器难以满足定制化需求且开发成高的技术问题，该飞剪控制器包括：FPGA芯片、COM主板、第一COM连接器、第二COM连接器和多个SPI总线接口；其中，COM主板通过第一COM连接器和第二COM连接器与FPGA芯片连接；多个SPI总线接口分别与FPGA芯片连接，用于实现同步数据传输。

本实用新型实施例中，基于通用化COM模块技术，结合FPGA设计，利用COM主板上COM连接器存在的大量信号，可以实现多种总线信号的扩展，通过扩展出的总线信号接入FPGA芯片，利用FPGA芯片扩展出多个SPI总线接口，实现多路同步数据传输。通过本实用新型实施例，提供了一种可以支持快速、模块化开发的飞剪控制器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本实用新型实施例中提供的一种飞剪控制器示意图；

图2为本实用新型实施例中提供的一种飞剪控制器电路板示意图；

图3为本实用新型实施例中提供的一种PCI供电分配示意图；

图4为本实用新型实施例中提供的一种隔离芯片示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型实施例中提供了一种飞剪控制器。图1为本实用新型实施例中提供的一种飞剪控制器示意图，如图1所示，该飞剪控制器包括：FPGA芯片1、COM主板2、第一COM连接器3-1、第二COM连接器3-2和多个SPI总线接口4；其中，COM主板2通过第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2与FPGA芯片1连接；多个SPI总线接口4分别与FPGA芯片1连接，用于实现同步数据传输。

需要说明的是，上述COM主板2、第一COM连接器3-1、第二COM连接器3-2构成一个COM模块，COM模块是基于COM Express标准的小型计算模块，COM Express标准定义了COM主板2的尺寸和COM主板2上连接器的类型。作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例采用的是尺寸为95×125mm的COM主板，该COM主板上的第一COM连接器3-1、第二COM连接器3-2选用的是AB型连接器和CD型连接器。

在COM主板的两个连接器(第一COM连接器3-1、第二COM连接器3-2)上，存在大量的重要信号(尤其是PCI总线信号)，AB型连接器和CD型连接器的PCI总线信号定义如表1和表2所示。

表1 AB型连接器上的PCI信号定义

表2 CD型连接器上的PCI信号定义

本实用新型实施例中，基于通用化COM模块技术，结合FPGA设计，利用COM主板上COM连接器存在的大量信号，可以实现多种总线信号的扩展，通过扩展出的总线信号接入FPGA芯片，利用FPGA芯片扩展出多个SPI总线接口，实现多路同步数据传输。通过本实用新型实施例，可以实现快速、模块化的飞剪控制器开发。

图2为本实用新型实施例中提供的一种飞剪控制器电路板示意图，如图2所示，COM主板2上的AB型连接器和CD型连接器通过扩展出的PCI总线信号直接接入FPGA芯片。具体信号有：AD[31:0]、C/BE[3:0]、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY、STOP#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、CLK、RST#、INTA#、LOCK#。AD[31:0]是32位地址数据总线信号；C/BE[3:0]是复用命令与字节选通信号；PAR是奇偶校验信号；TDY#是PCI发送准备好信号；STOP#是请求停止信号；IDSEL是PCI从站被激活信号；DEVSEL#是目标设备准备好；PERR#是数据奇偶校验错误报告信号；SERR#系统错误报告信号；INTA#是中断信号；LOCK#是锁定信号。；其中FRAME#作为重要的PCI总线通信开始的信号，直接进入FPGA主控芯片，作为下降沿中断信号使用；IRDY#作为PCI主设备准备好的信号，一直是FPGA主控芯片监控的对象；CLK本身是PCI总线的时钟信号，FPGA主控芯片采用该信号作为自身芯片的外部时钟信号，使得计算机与本方案装置实现了时钟同步，不再会出现时钟错位、信号分析偏差的问题。RST#作为PCI总线的复位信号，同时也作为FPGA主控芯片的复位信号，保证了计算机与本方案装置的逻辑一致性。

第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2与FPGA芯片通过PCI总线相连，实现其他信号的扩展、其他总线数据的透明转发功能。

由图2可以看出，本实用新型实施例通过配置FPGA芯片内部管脚，扩展出多路SPI总线，实现了与飞剪控制器扩展板的双向高速数据通信。表3为利用FPGA芯片内部管脚扩展SPI总线的信号定义。

表3 FPGA芯片扩展SPI总线信号定义

本实用新型实施例采用PCI总线为飞剪控制器供电，作为一种可选的实施方式，采用PCI总线的Side B的13脚和Side A的12脚作为飞剪控制器供电的参考地信号；采用Side B的62脚和Side A的62脚作为飞剪控制器供电的+5V电源。基于PCI总线供电的技术，本方案不仅解决了该模块供电的来源问题，还很好解决了灵活扩展，不同模拟器电气等电位的问题。

图3为本实用新型实施例中提供的一种PCI供电分配示意图，如图3所示，选择PCI总线的Side A、Side B两侧选择供电信号，将大大提高供电的可靠性，使得模块可以得到持续、稳定的供电；选择Side B的13脚和Side A的12脚，而不选择其他管脚作为供电参考地信号GND，是因为该关键附近的信号也是参考地GND，或者为保留信号Reserved，可以防止用户错误安装该模块而导致的模块损坏。而选择Side B的62脚和Side A的62脚作为+5V供电电源，是因为该信号在板卡边缘，即使安装错误导致信号接触不良，最多会导致模块供电异常，模块无法工作，而不会损坏模块内部电气元件。

由于PCI板卡自身的防反插功能，也为该模块的正确安装提供了一定的保护，通过50、51脚的空占位得到体现。当FPGA芯片焊接错误时，PCI总线上无法得到电源，因此无法正常工作，芯片晶振也不起振。

一种可选的实施例中，本实用新型实施例提供的飞剪控制器还可以包括：Profinet接口，与FPGA芯片1连接，用于实现Profinet网络通信。可选地，Profinet接口可以采用RJ45物理接口。通过FPGA内置的并行Local Bus总线，扩展出Profinet主站信号连接到RJ45接口上。

另一种可选的实施例中，本实用新型实施例提供的飞剪控制器还可以包括：Profibus DP接口6，与FPGA芯片1连接，用于实现Profibus网络通信。通过FPGA内置的并行Local Bus总线，扩展出Profibus主站信号连接到Profibus DP接口上。

如图2所示，通过COM主板2的第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2还可以扩展出SATA硬盘接口7，用于与硬盘连接。飞剪控制器通过SATA接口与硬盘相连，可以提供最基础的操作系统和运行平台，同时还可以保存用户参数、核心算法程序等软件。

为了实现以外网通信，作为一种可选的实施方式，第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2还可以扩展出Ethernet接口8，用于实现Ethernet通信。可选地，Ethernet接口8采用RJ45物理接口。

此处需要说明的是，由于第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2上由大量的信号，因而，结合一些扩展芯片，还可以扩展出其他接口，例如，实现RS232串口功能的接口，或连接数码管的接口等。通过第一COM连接器3-1和第二COM连接器3-2可以实现各种飞剪控制需求的定制化设计。

由于SPI总线固有的特性，对于来自不同电路板的SPI信号，无法实现多个电气系统的等电位。本实用新型实施例通过连接于每个SPI总线接口4与FPGA芯片1之间的隔离芯片9，用于隔离来自不同电路板的电气信号。

为了双向SPI总线信号的电气隔离，解决不同电气系统的电气网络传输问题。作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例采用ADMU1401B隔离芯片，将2个不同电平的信号进行有效的电气隔离，通过内置发光二极管的方式进行信号传递。图4为本实用新型实施例中提供的一种隔离芯片示意图，如图4所示，V3.3侧的信号直接连接飞剪控制器电路板侧，Q-SPIMOSI信号连接FPGA的RxD信号；而Q-SPIMISO信号连接到FPGA的TxD信号。V5侧的信号直接连接到其他扩展电路板上，通过SPIMOSI和SPIMISO信号连接到SPI总线差分信号线上。

综上，本实用新型实施例基于通用化COM模块技术，开发了一款飞剪控制器，采用FPGA独特的软件IP核和成熟的硬件设计，降低了研发的风险，加快了产品研发进程。通过FPGA扩展出多路隔离的SPI，为飞剪扩展板提供了高速的同步数据传输通道；同时，还扩展了Profibus主站和Profinet主站通信功能。通过扩展出的以太网接口，可以实现飞剪控制器与其他设备的互联互通。本方案实现了对现有成熟技术的利用，以及快速的、模块化的飞剪控制器开发。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。