一种基于国产CPU的多功能工控机的制作方法

本实用新型涉及工业控制领域，具体涉及一种基于国产cpu的多功能工控机。

背景技术：

目前光机电一体化设备、自助服务设备、金融自助机具、售检票服务设备上的工控机大部分是国外品牌的cpu，不符合安全可靠性的要求，随着国家在工业控制领域全面推进安全可靠国产化的行业发展趋势，工控机cpu和上位机系统逐步纳入国产化的浪潮，需要设计一种以国产化芯片为基础的工业控制计算机装置，作为实际硬件载体进行支撑，并具备良好的扩容、扩展性，进一步提高设备与系统的安全可靠性，减少后门漏洞带来的安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种基于国产cpu的多功能工控机，整合光机电一体化设备、自助服务设备、金融自助机具、售检票服务设备的上位机为一体，能够提高设备与系统的安全可靠性，减少后门漏洞带来的安全隐患。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于国产cpu的多功能工控机，包括工控机机箱，在工控机机箱内设有主板、子板、ai板和门单元控制板gcu；主板上设有国产cpu、显卡、内存条、存储器、pcie、gpio、蓝牙模块、wifi模块、zigbee模块、hdmi接口、vga接口、lvds接口、lan接口、usb接口、com接口、电源接口；子板上设有5g模块、nfc模块、usb接口；ai板转接主板的pcie和gpio；gcu板集成门单元控制模组；其中，在工控机机箱的前面板上设置vga接口、com接口、lvds接口、usb接口、lan接口、usb接口、hdmi接口、电源接口；在工控机机箱的后面板上设置功能接口阵列、usb接口阵列，该功能接口阵列包括蓝牙、wifi、zigbee、nfc、5g、nfc。

进一步地，主板上还设有麦克接口与功放接口，该些接口设置于工控机机箱的前面板。

进一步地，在工控机机箱的前面板上还设置有电源开关、硬盘灯和reset按钮。

进一步地，gcu板上设有通行传感器发射端信号接口g-se、紧急情况控制信号接口g-ur、数字信号输入接口g-di、数字信号输出接口g-do、通行传感器接收端信号接口g-sen_rcv，该些接口设置于工控机机箱的后面板上。

进一步地，usb口类型包括usb3.0、usb2.0和typec。

进一步地，国产cpu设置于铝制散热板上，并位于主板下方，显卡位于cpu一侧。

进一步地，国产cpu选用飞腾cpu。

进一步地，子板位于主板上方，主板和子板之间设有两层板间连接器，主板和子板都设有外界插座，在主板的一侧设有海岸线插座，在子板的上设有minipcie接口。

进一步地，前面板的usb接口为多个。

进一步地，com接口为多个，其中含有db9规格com接口。

本实用新型达到的技术效果：

1.本实用新型充分整合了光机电一体化设备尤其是轨道交通闸机类设备的上位机过于分散的电气布局，将原本属于其他部件的上位机整合在本工控机内。

2.由于不同制式的上位机运行不同的嵌入式操作系统或环境里，会造成不同的安全隐患，而且某些制式还需要特定的适配环境来进行测试和维护，本实用新型统一了上位机，好处是减少了分散布局带来的安全漏洞隐患和各制式上位机不同给运维带来的麻烦。

3.本实用新型统一上位机布局，在硬件上减少了设备内各个子部件原本上位机所需要的空间，优化了设备内的空间布局，空余出的空间能进一步提高设备内的集成度，提升设备在内部空间上的可扩展。

附图说明

图1是本实用新型一种工控机的正面视图。

图2是本实用新型一种工控机的背面视图。

图3是本实用新型一种工控机的电气原理图。

图4是本实用新型一种工控机的内部结构图。

图5a-5b是本实用新型一种工控机的内部组装侧视图，其中图5a是长边一侧视图，图5b是短边一侧视图。

图6是本实用新型一种工控机内置的gcu实现通行逻辑的总流程图。

图7是本实用新型一种工控机的扇门测试流程图。

图8是本实用新型一种工控机的方向指示灯测试流程图。

图9是本实用新型一种工控机的蜂鸣器测试流程图。

图10是本实用新型一种工控机的传感器测试流程图。

图11是原有闸机系统的一种电气布局示意图。

图12是现有光机电设备的一种电气布局示意图。

图13是本实用新型一种工控机集成的部件示意图。

图14是本实用新型一种工控机的电气布局简化示意图。

图15是现有的工控机控制结构图。

图16是本实用新型一种工控机控制架构图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。

本实用新型公开一种基于国产cpu的多功能工控机，其正面和背面如图1-2所示，含有有很多外部通讯接口，具体组成包括：散热片1、紧固螺丝2(同侧4个)、电源线接入口3、电源开关4、vga接口5、db9规格com1接口6、lvds接口7、usb1-3接口8、com接口排9、硬盘灯和reset按钮10、麦克与功放插口11、lan接口12、typec插口13、hdmi接口14、功能接口阵列15、usb接口阵列16以及其他接口阵列17。其中，功能接口阵列包括：蓝牙、wifi、zigbee、nfc1、nfc2、5g0-3四路；usb接口阵列包括：usb4-13；其他接口阵列包括：g-se、g-ur、g-di、g-do、g-sen_rcv。

工控机的内部的线路板如图3-4所示在工控机机箱内设有主板、子板、ai板和门单元控制板gcu；主板上设有国产cpu、显卡、内存条、存储器、pcie、gpio、蓝牙模块、wifi模块、zigbee模块、hdmi接口、vga接口、lvds接口、lan接口、usb接口、com接口、电源接口；子板上设有5g模块、nfc模块、usb接口；ai板转接主板的pcie和gpio；gcu板集成门单元控制模组。

本工控机将主控、人脸、语音、大读写器、维修模块、通行逻辑6合一，支持usb-c多屏显示，可实现连接多个触屏；多种通信方式整合wifi、固网、5g、蓝牙、nfc等，对外输出的天线端子；支持远程云监控，固件和软件升级；在cpu和os级别的开放，具备更安全可控的方式。

工控机内部为多层pcb分层结构，如图4，具体分层图5a-5b，铝制散热板位于底层，cpu位于铝制散热板上，在cpu的一侧设有mxm显卡；cpu上方为主板，主板上方为子板，主板和子板之间设有板间连接器a和b，主板和子板都设有外界插座，在主板的一侧设有海岸线插座，在子板的上方设有minipcie接口。

整机尺寸不大于210x210x82mm(长，宽，高)，cpu以飞腾2000系列为实施方式，也可兼容其他国产品牌不低于该系列性能的cpu。

工控机内置的gcu配合传感器组实现通行逻辑的流程，如图6所示，具体为gcu上电后初始化变量以及外设，然后从存储器中读取参数写入相关寄存器中，如果参数不符合要求，则恢复默认参数，然后创建各任务其中包括上位机通讯任务、光栅传感器查询任务、闸门状态查询任务、总线输出任务、闸门动作任务、测试任务、通行逻辑处理任务、按键处理任务。程序在各任务间循环扫描进入服务状态。

工控机集成硬件测试功能，载体是控制主板，是将原本分散在设备内的子部件上位机整合后，在工控机内部实现的设备内测试功能。

扇门测试如图7所示，具体为下达闸门测试指令，判断是否是维修模式，如果不是，则直接回复应答消息，如果是，则执行关门动作和开门动作，然后处理开关门的结果，将该结果作为应答消息进行回复。

方向指示器测试如图8所示，具体为下达方向指示器测试指令，判断是否是维修模式，如果不是，则直接回复应答消息，如果是，则方向指示器亮绿灯和红灯，然后将结果作为应答消息进行回复。

蜂鸣器测试如图9所示，具体为下达蜂鸣器测试指令，判断是否是维修模式，如果不是，则直接回复应答消息，如果是，则蜂鸣器进行鸣叫和停止，然后将结果作为应答消息进行回复。

传感器测试如图10所示，具体为下达传感器测试指令，判断是否是维修模式，如果不是，则直接回复应答消息，如果是，查询传感器状态，然后将该状态信息作为应答消息进行回复。

本实用新型提出的工控机的原理具体说明如下：

闸机或者其他光机电一体化设备里，由于功能众多，大部分的电气及上位机都是依附在各个业务部件上，然后与工控机或ecu进行通讯的。例如，在原有闸机系统中，内部电气的一种布局如图11所示，在这样的布局里，io扩展板、通行指示器控制板、工控机、gcu等部件都有自己的嵌入式程序，并分别连接在不同的电源管理模块上，再由各电源管理模块和220v进行连接，这样会导致设备内部线缆数量繁杂，且各模块上位机不一定具有相应的硬件防火墙保护，具有极大的安全漏洞及隐患。而在其他光机电设备内，类似的布局情况很常见，如图12所示，中间固件是实现业务功能的独立模组，在光机电设备发展初期，基本都是应对需求而开发的，主要满足相应的业务功能，很少会顾及嵌入式及硬件的安全防护。

而对于本实用新型提出的工控机，如图13所示，虚线框内的部分全部集成在了本工控机上，其简化电气布局后如图14所示。

也就是说，原先的架构是：各个中间固件原本都是pcb板卡搭载工控机芯片的控制模式，基本上是工控机的上位机发布指令-中间固件的下位机接收-中间固件下位机解析指令-中间固件通过嵌入式程序控制部件-部件执行-执行结果反馈给中间固件下位机-反馈给工控机上位机这样的模式，如图15所示。而本实用新型是将大部分的中间固件集成在了工控机内，如图16所示，工控机上位机-部件执行-结果反馈，省去了中间固件的模式，上位机从原本的分散模式集成在了一起，原先的中间固件上位机，演化为工控机上位机内的子功能模块。由此可见，本装置充分整合了光机电一体化设备尤其是轨道交通闸机类设备的上位机过于分散的电气布局，将原本属于其他部件的上位机整合在本工控机内，统一上位机的好处是减少了分散布局带来的安全漏洞隐患和各制式上位机不同给运维带来的麻烦。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，本实用新型的保护范围以权利要求所述为准。