专利名称：：一种智能可编程控制器的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及自动化控制
技术领域：
，特别涉及一种智能可编程控制器。
背景技术：
：在自动化领域，控制器是控制系统的核心部件，传统的控制器包括工控机和可编程逻辑控制器(PLC)，工控机的优势是可以执行复杂的控制任务，运行高级算法，并实时监控；PLC则具有编程简单，可靠性高、体积小等优点。在当今，工程师们设计与建立控制系统时总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能，他们需要的控制系统不仅能处理数字I/O和模拟1/0，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，同时还必须能实时地处理控制算法和分析任务，并通过网络传送数据。因此，工程师需要同时拥有PC的功能和PLC的可靠性及小巧体积，可编程自动化控制器(PAC)结合两者的优势，成为一个下一代控制器的发展方向。目前市场中的PAC多采用基于ARM或PowerPC架构的嵌入式处理器，运行wince，linux等操作系统内核，采用分布式的I/O模块，虽然性能较PLC有所提升，但其运算能力、功能及扩展性与工业PC仍相距甚远，同时其编程较PLC更加复杂，标准不统一。虽然有些PAC支持图形化的组态功能，如NI的PAC支持LabView组态方式，但由于标准不统一，且支持的算法库有限，对于执行较为复杂控制功能开发周期长，成本高。在科研领域中，为了验证各种控制方法在实际对象中的性能和可行性，也需要使用PAC作为控制器。科研应用有其自身的特点，它侧重于复杂算法的实现，因此对控制器的速度、实时性、浮点运算能力等要求更高，即要求PAC更接近工业PC的功能，同时在编程上，要求更加简单迅捷。而市场上的PAC产品一般针对工业应用而开发，侧重于严苛工况下的稳定性，大型系统对I/O点数的要求等，无法满足科研的需求。目前市场上的PAC产品存在以下缺陷1、多采用RISC处理器，该架构在成本和能耗上有优势，但其运算能力和功能扩展性均受限；2、多采用软实时操作系统内核，如WinCE，Linux等，由于其内核在本质上是多任务抢占式操作系统，因此无法满足高速运算实时性的要求，同时，众多基于windows操作系统的工控软件都无法在上述系统中运行；3、编程复杂且不统一，有些需要通过高级语言(如C++)人工编程，开发周期长；有些支持图形化编程方式，但不同厂商提供的组态软件各不相同，且支持的算法库较为简单，对于复杂算法的实现很困难；4、目前的PAC—般不含有通用I/O采集接口，需要另行购买，对于小型控制系统成本较高；5、扩展性差，多采用封闭式总线结构，模块无法扩充；6、通讯方式单一，一般采用某一种特殊的通讯标准，与外界通讯需要专门的协议转换模块。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型的目的是提供一种智能可编程控制器，以解决上述技术问题(二)技术方案一种智能可编程控制器，包括CPU主板和数据采集板，所述CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，所述CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，所述CPU主板包括北桥芯片和南桥芯片，所述北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，所述以太网卡用于所述控制器通过以太网与外部进行通信，所述南桥芯片连接有串行接口、固态存储器、BootROM、实时钟、软盘驱动器FDD和IDE,所述串行接口用于所述控制器与串口设备进行通信，所述固态存储器用于存储控制器的嵌入式操作系统和单任务操作系统，所述BootROM用于存储控制器启动时所需的BIOS程序；所述北桥芯片采用基于x86架构的CPU，所述CPU连接有CPUCache、系统内存和VGA显示接口，所述VGA显示接口用于连接显示器；所述数据采集板通过ISA总线和南桥芯片连接，包括数据采集芯片和1/0接口，所述数据采集芯片通过1/0接口用于采集外部数据。其中，所述1/0接口包括:A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字1/0，所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片；所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路；所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路；所述数字1/0分别连接数据采集芯片和光隔电路。其中，所述A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/S，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。其中，所述D/A转换器精度为12bit，转换频率为lOOKS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。其中，所述串行接口为RS232/485串行接口。其中，所述嵌入式操作系统为WinXPembedded，所述单任务操作系统为Matlabxpcreal-timekernel。其中，所述基于x86架构的CPU为AMDGeodeLX800CPU。其中，所述南桥芯片采用AMDCS5536芯片。其中，所述数据采集芯片为FPGA芯片。(三)有益效果本实用新型的智能可编程控制器具有如下有益效果1、两种操作系统可选择。当选择real-timekernel操作系统时，达到真正意义的硬实时，最高采样频率可达50kHz(最小采样时间20us)；当选择winXPembedded时，通过采用其EWF功能，可以有效避免由于系统不确定性重起而带来的影响，保证了系统的功能性及稳定性；2、能够基于matlab进行图形化组态，支持Matlab大多数算法库，能自动生成控制程序，独立构成控制闭环，实时监控运行状态，上述所有功能的实现都通过图形化的方式完成，不需进行编程，因此可以快速实现并验证各种复杂算法，进行硬件在回路仿真，快速实现控制系统；3、同时兼顾了功能性和稳定性，体积和性能，既可以作为工控机使用，也可作为高速控制器执行单一功能；4、只要赋予控制器IP，它就可以与任何网络节点进行通讯，实现远程控制，监控；5、体积小，结构标准，可扩展性强；6、自带VGA接口，可以配合显示器在前端显示各种实时曲线。图1是本实用新型的智能可编程控制器组成结构图；图2是本实用新型的智能可编程控制器的CPU主板和数据采集板之间的堆栈式结构图。具体实施方式本实用新型提出的智能可编程控制器，结合附图和实施例说明如下。如图1所示，本实用新型提出的智能可编程控制器，包括CPU主板和数据采集板，其中，CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据。二者均采用PC104标准尺寸设计，采用堆栈式结构，如图2所示。PC104与工控机普遍使用的PC/AT体系在结构上完全兼容，因此在PC/AT平台上开发的技术成果和资源就可以很快移植到PC104平台上来；但在形态上，PC104是十分紧凑的自栈式、模块化结构。其特点有⑴微型尺寸(90X96mm)，单+5v供电，宽工作温度范围，低功耗，无风扇；⑵栈接式总线；⑶针座连接器；⑷总线信号功能以及引脚定义与PC/AT兼容；(5)总线驱动减小；(6)中断共享选择等。由于PC104体系和形态上的这些特征，因此选用其作为该控制器的硬件设计标准。CPU主板包括北桥芯片和南桥芯片，北桥芯片采用AMDGeodeLX800芯片，南桥芯片采用CS5536，北桥芯片和南桥芯片采用AMD内部总线连接。北桥芯片和南桥芯片之间连接有以太网卡，所述太网卡为RealtekRTL8139DL,10/100Mbps以太网控制器，提供RJ-45接口，用于智能可编程控制器通过以太网与外部进行通信，为该控制器的主要通信方式。南桥芯片连接有串行接口、固态存储器和BootROM，所述串行接口采用RS232/485串行接口，用于所述控制器与串口设备进行通信，为该控制器的辅助通信方式，所述固态存储器采用CF卡(CompactFlashTypeI固态存储器)，用于存储嵌入式操作系统WinXPembedded和单任务操作系统real-timekernel，所述BootROM为AWARD512KBFlashROM，用于存储BIOS程序，南桥芯片还连接有实时钟、软盘驱动器FDD和IDE。北桥芯片采用基于x86架构的AMDGeodeLX800(500MHz)CPU，并包含AMDLX800图形显示加速器，最大可共享254MBSDRAM作为显存，所述CPU连接CPUCache和系统内存，该系统内存采用板载200-pinDDRSDRAM，使用S0DIMM插槽；北桥芯片还设有VGA接口，用于连接IXD显示器。所述数据采集板通过ISA总线和CPU主板连接，包括数据采集芯片和I/O接口，所述数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。其中，数据采集芯片采用FPGA芯片。I/O接口包括A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字I/O。所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片，该A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/S，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路，该D/A转换器精度为12bit，转换频率为lOOKS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路。所述数字I/O分别连接数据采集芯片和光隔电路。本实用新型提出的智能可编程控制器的运行方式如下1、启动控制器，BIOS自动运行；2、BIOS运行结束后，将搜寻磁盘中的操作系统引导镜像(bootableimage)，在系统引导目录中，出现real-timekernel选项和WinXPembedded选项。3、当选择WinXPembedded时，控制器进入桌面系统，此时的功能与普通工业PC相同。4、当选择real-timekernel选项时，实时内核引导程序被调用，该引导程序包括16位部分和32位部分。5、16位部分先执行，因为此时CPU仍工作于实模式(realmode)，实模式的特性是一个20位的区段存储器地址空间，即只有1MB的存储器可以被寻址，在该模式下内核执行创建描述符表等工作，然后将CPU切换至保护模式，6、此后，32位部分被执行，该部分代码执行控制器作为目标机的初始化工作，并启动实时内核。实时内核的启动不需要调用任何BIOS或DOS程序，各种硬件资源(中断控制器，UART，计数器等)可以通过相关1/0地址直接调用。7、实时内核运行后，用户可配置通讯方式，可选串口通讯和以太网通讯。8、针对不同的通讯方式，设置参数。串口通讯设置端口，波特率等；以太网通讯设置IP、端口和网关等。9、通讯方式设置完毕后，检测与上位机的连接情况，并运行程序加载器(applicationloader)，等待上位机发送控制程序。10、上位机发送控制程序后，applicationloader将应用程序的不同部分分别拷贝至指定的地址中，并将设置相应标志位，通知上位机该程序可以运行，等待上位机的开始指令。控制器除BIOS外的软件部分都存储于CF卡，通过写镜像的方式将定制好的操作系统固化在CF卡中。Real-timekernel仅占用数十Kb闪存空间，winxpembedded由于其可剪裁性，也仅占用几十Mb空间。目前市售CF卡一般在1Gb以上，将剩余大量用户存储空间供保存历史数据，同时，由于CF卡的易插拔性，用户可以方便的扩展存储，导出数据。控制器内置web服务器，可以通过浏览器远程访问并配置。以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。权利要求1.一种智能可编程控制器，其特征在于，包括CPU主板和数据采集板，所述CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，所述CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，所述CPU主板包括北桥芯片和南桥芯片，所述北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，所述以太网卡用于所述控制器通过以太网与外部进行通信，所述南桥芯片连接有串行接口、固态存储器、BootROM、实时钟、软盘驱动器FDD和IDE,所述串行接口用于所述控制器与串口设备进行通信，所述固态存储器用于存储控制器的嵌入式操作系统和单任务操作系统，所述BootROM用于存储控制器启动时所需的BIOS程序；所述北桥芯片采用基于x86架构的CPU，所述CPU连接有CPUCache、系统内存和VGA显示接口，所述VGA显示接口用于连接显示器；所述数据采集板通过ISA总线和CPU主板连接，包括数据采集芯片和I/O接口，所述数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。2.如权利要求1所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述I/O接口包括:A/D转换器、D/A转换器、继电器控制模块和数字1/0，所述A/D转换器输入端连接信号调理模块，输出端通过FIFO存储器连接数据采集芯片，用于将信号调理模块传来的外部信号通过AD转换后发送到数据采集芯片；所述D/A转换器输出端连接输出电路，用于接收数据采集芯片发来的数据并将所述数据发送到输出电路；所述继电器控制模块分别连接数据采集芯片和驱动电路；所述数字I/O分别连接数据采集芯片和光隔电路。3.如权利要求2所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述A/D转换器精度为16bit，采样频率为250KS/S，具有16路单端或8路差分可变量程模拟输入通道。4.如权利要求2所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述D/A转换器精度为12bit，转换频率为lOOKS/s，具有4路可变量程模拟量输出通道。5.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述串行接口为RS232/485串行接口。6.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述嵌入式操作系统为WinXPembedded，所述单任务操作系统为Matlabxpcreal-timekernel。7.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述基于x86架构的CPU为AMDGeodeLX800CPU。8.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述南桥芯片采用AMDCS5536芯片。9.如权利要求1-4中任一项所述的智能可编程控制器，其特征在于，所述数据采集芯片为FPGA芯片。专利摘要本实用新型公开了一种智能可编程控制器，包括CPU主板和数据采集板，CPU主板和数据采集板通过ISA总线连接，通过ISA总线交互数据，CPU主板用于处理数据采集板采集到的数据，CPU主板包括北桥芯片和南桥芯片，北桥芯片连接南桥芯片，北桥和南桥之间连接有以太网卡，南桥芯片连接有串行接口、固态存储器和BootROM，北桥芯片采用基于x86架构的CPU；数据采集板通过ISA总线和南桥芯片连接，包括数据采集芯片和I/O接口，数据采集芯片通过I/O接口用于采集外部数据。本实用新型达到真正意义的硬实时，最高采样频率可达50kHz，同时兼顾了功能性和稳定性，体积和性能，既可以作为工控机使用，也可作为高速控制器执行单一功能。文档编号G05B19/05GK201788391SQ20102022547公开日2011年4月6日申请日期2010年6月9日优先权日2010年6月9日发明者刘大千,史运涛,孙德辉,李月恒,杨扬,董哲申请人:北方工业大学