一种基于ARM+FPGA的双核心切换系统控制器及其控制方法与流程

本发明涉及工业控制，特别是涉及一种基于arm+fpga的双核心切换系统控制器及其控制方法。

背景技术：

1、可编程逻辑控制器(plc)因其在扩展性和可靠性方面的优势，使其广泛应用于各种工业控制领域。专用供电系统从设计之初的控制核心均采用plc进行控制，近年来由于供电系统的控制需求越来越复杂，以梯形图为主的程序设计越来越难满足控制需求。同时不同需求的供电系统所需plc的型号不同，需要采购不同种类的plc。而且由于近年来plc价格逐渐走高，且采购到货周期较长，plc的价格升高和采购周期变长也导致了供电系统的生产成本升高和研发周期变长。

2、现有的供电系统主要由切换系统和变频器构成，变频器实现电能转换，切换系统实现变频器供能自动切换和冗余功能。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中现有切换系统不满足实际需求的技术缺陷，而提供一种基于arm+fpga的双核心切换系统控制器。

2、本发明的另一个目的，是提供上述双核心切换系统控制器的控制方法。

3、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

4、一种基于arm+fpga的双核心切换系统控制器，包括并行通信连接的arm控制核心和fpga控制核心，以及两个控制核心共用的电源管理模块和时钟管理模块；

5、所述arm控制核心包括arm主控模块、与所述arm主控模块输入端通信连接的arm数据采集模块、与所述arm主控模块输出端通信连接的arm数据输出模块和通讯模块；

6、所述fpga控制核心包括fpga主控模块、与所述fpga主控模块的输入端通讯连接的fpga数据采集模块、与所述fpga主控模块的输出端通讯连接的fpga数据输出模块和高速计数模块。

7、在上述技术方案中，所述arm数据采集模块包括模拟量输入端口和数字量输入端口；所述arm数据输出模块包括数字量输出端口；所述通讯模块包括太网通讯接口和rs485通讯接口。

8、在上述技术方案中，所述fpga数据采集模块包括数字量输入端口和高速模拟输入端口；所述fpga数据输出模块包括数字量输出端口；所述高速计数模块包括高速计数端口。

9、在上述技术方案中，所述arm主控模块选用coretex-m7内核的stm32f767bgt6。

10、在上述技术方案中，所述arm控制核心的外围电路包括用于与太网通讯接口连接的以太网通讯电路、用于与rs485通讯接口连接的rs485通讯电路、用于与数字量输出端口连接的输出数字量电平转换电路、用于与数字量输入端口连接的输入数字量电平转换电路和用于与模拟量输入端口连接的模拟量输入信号运放电路。

11、在上述技术方案中，所述fpga控制核心选用altera cyclone系列的ep4ce15f23c8n。

12、在上述技术方案中，所述fpga控制核心的外围电路包括用于与高速计数端口连接的高速计数电路、用于与数字量输出端口连接的输出数字量电平转换电路、用于与数字量输入端口连接的输入数字量电平转换电路和用于与高速模拟输入端口连接的高速模拟量采集电路。

13、本发明的另一方面，上述双核心切换系统控制器的控制方法，所述arm控制核心的控制方法包括以下步骤：

14、步骤1：进行时钟和外设的初始化，将所用到的外设的时钟使能，开启中断程序，输出gpio口根据控制要求置位或复位；

15、步骤2：进行数据的传输与接收，其中包括以太网通讯、485通讯和并行通讯；

16、步骤3：将模拟量输入端口中的模拟量数据进行转换，使数据便于后续的逻辑运算；将输入数字量信号转入到逻辑运算当中进行逻辑运算，得到运算结果；通过控制数字量输出端口将结果输出，进而实现对系统的控制；

17、步骤4：检测是否有故障信息，如果存在故障信息，则控制系统停止，如果没有故障则循环运行步骤1-4。

18、所述fpga控制核心的控制方法为：

19、首先，进行时钟和外设的初始化，数字量输出端口根据控制要求置位或复位；

20、然后，进行并行通讯，读取arm控制核心的数据，然后将fpga控制核心中的数据发送给arm控制核心；

21、同时，读取模拟量数据，然后进行转换；同时将输入的数字量信号转入到下一时钟逻辑运算当中；根据系统的控制要求，同时进行上一时钟的逻辑运算，得到运算结果；通过控制数字量输出端口将结果输出，进而实现对系统实时控制；

22、最后，检测是否有故障信息，如果存在故障信息，则控制系统停止，如果没有故障则循环运行上述步骤。

23、在上述技术方案中，步骤2中，在进行数据传输之前首先进行通讯检测，如果通讯检测失败，则进行通讯异常报警，并结束arm控制核心的主程序；若通讯成功，则将发送数据库的数据更新到发送数据变量中，然后进行数据发送，在之后进行通讯数据接收，将接收到的数据从接收数据变量更新到接收数据库中，完成通讯。

24、本发明的另一方面，上述双核心切换系统控制器在供电系统中的应用，当实现小系统的控制时，单独使用arm控制核心；当实现最复杂的供电系统控制时，同时使用arm控制核心和fpga控制核心。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1.本发明提供的上述双核心切换系统控制器，在满足供电系统最低要求的同时，充分利用双核心的硬件资源，其中数字输入和数字输出都能在双核心上实现，能够满足时序要求较高的逻辑控制，模拟量采集再拥有普通信号采集的同时，又新增加了16个高速采集接口，能够更快速更精准的采集电压和电流信号。

27、2.本发明提供的上述双核心切换系统控制器，在实际应用验证过程中，可单独使用arm部分，实现小系统的控制，同时在最复杂的供电系统控制时，所拥有的接口和通讯功能能够满足需求，控制核心的软件设计也能通过前期设计的函数库快速编程方式来实现，最终新型控制器能够完美的完成供电系统的设计需求。

技术特征：

1.一种基于arm+fpga的双核心切换系统控制器，其特征在于：包括并行通信连接的arm控制核心和fpga控制核心，以及两个控制核心共用的电源管理模块和时钟管理模块；

2.如权利要求1所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述arm数据采集模块包括模拟量输入端口和数字量输入端口；所述arm数据输出模块包括数字量输出端口；所述通讯模块包括太网通讯接口和rs485通讯接口。

3.如权利要求1所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述fpga数据采集模块包括数字量输入端口和高速模拟输入端口；所述fpga数据输出模块包括数字量输出端口；所述高速计数模块包括高速计数端口。

4.如权利要求1所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述arm主控模块选用coretex-m7内核的stm32f767bgt6。

5.如权利要求4所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述arm控制核心的外围电路包括用于与太网通讯接口连接的以太网通讯电路、用于与rs485通讯接口连接的rs485通讯电路、用于与数字量输出端口连接的输出数字量电平转换电路、用于与数字量输入端口连接的输入数字量电平转换电路和用于与模拟量输入端口连接的模拟量输入信号运放电路。

6.如权利要求1所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述fpga控制核心选用altera cyclone系列的ep4ce15f23c8n。

7.如权利要求6所述的双核心切换系统控制器，其特征在于：所述fpga控制核心的外围电路包括用于与高速计数端口连接的高速计数电路、用于与数字量输出端口连接的输出数字量电平转换电路、用于与数字量输入端口连接的输入数字量电平转换电路和用于与高速模拟输入端口连接的高速模拟量采集电路。

8.如权利要求1-7任一项所述的双核心切换系统控制器的控制方法，其特征在于：所述arm控制核心的控制方法包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：步骤2中，在进行数据传输之前首先进行通讯检测，如果通讯检测失败，则进行通讯异常报警，并结束arm控制核心的主程序；若通讯成功，则将发送数据库的数据更新到发送数据变量中，然后进行数据发送，在之后进行通讯数据接收，将接收到的数据从接收数据变量更新到接收数据库中，完成通讯。

10.如权利要求1-7任一项所述的双核心切换系统控制器在供电系统中的应用，其特征在于，当实现小系统的控制时，单独使用arm控制核心；当实现最复杂的供电系统控制时，同时使用arm控制核心和fpga控制核心。

技术总结
本发明公开了一种基于ARM+FPGA的双核心切换系统控制器及其控制方法。双核心切换系统控制器包括并行通信连接的ARM控制核心和FPGA控制核心，以及两个控制核心共用的电源管理模块和时钟管理模块。该双核心切换系统控制器在满足供电系统最低要求的同时，充分利用双核心的硬件资源，其中数字输入和数字输出都能在双核心上实现，能够满足时序要求较高的逻辑控制，模拟量采集再拥有普通信号采集的同时，又新增加了16个高速采集接口，能够更快速更精准的采集电压和电流信号。

技术研发人员：袁维超,杨学思
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15