一种基于ARM的现场总线链路实时监控装置

摘要

本发明公开了一种基于ARM的现场总线链路实时监控装置，包括ARM处理器、FPGA模块、现场总线通信接口和人机交互界面；现场总线链路上的数据经现场总线通信接口下载到FPGA模块中，ARM处理器读取FPGA模块中的数据，获得现场总线链路上的状态、报警信息及链接在现场总线链路上的设备状态和报警信息，通过所述人机交互界面显示，同时将产生的报警信息输入到FPGA模块，上传到现场总线链路中；输入信息通过人机交互界面输入所述ARM处理器，实时写入FPGA模块中，通过现场总线通信接口发送到现场总线链路中。本发明可以灵活的应用到车间级或设备级进行实时监控，解决车间级或设备级实时监控的问题。

说明书

技术领域

本发明属于数控技术领域，具体涉及一种现场总线链路实时监控装置，用于数控设备的实时监控。

背景技术

为满足数控系统对多通道、高速、高精度的要求，现场总线已成为数控系统发展必不可少的通信方式，因此对现场总线链路及链接设备进行实时监控成为数控系统可靠通信的保证。

专利文献201020107777.5公开了一种现场总线的监控装置，用于对计算机机房进行监控，可以实现将不同通信协议的机房设备集中控制，该设备具有开关量数据输入/输出单元和模拟量数据输入/输出单元，这些输入/输出信息都是针对计算机机房设置的，不能用于数控系统及设备的监控。

专利文献200810048524.2公开了一种监控系统，该监控系统基于管理服务器及集线器，通过工业以太网连接多台机床，同时监控多台机床的状态信息。

在现有数控技术领域，大部分数控系统可以对数控机床进行监控，但是这样的监控形式存在以下缺点：

1、监控的信息偏重于机床加工过程，忽略了数控系统现场总线链路的监控。

2、数控系统完成实时监控时，增加了数控系统数据处理的负担。

3、数控系统的监控的形式和信息不易更改，会导致实时监控不全面。

4、不能远程实时监控。

发明内容

本发明提出一种基于ARM的现场总线链路实时监控装置，设置在现场总线链路上，通过实时获取现场总线链路上的数据信息，对链路层数据及链路上的链接的设备进行实时监控，解决目前现场总线链路实时监控问题，具有低成本、高可靠性、功能强、易于实现的特点。

本发明的技术方案为：

一种基于ARM的现场总线链路实时监控装置，设置在现场总线链路上，对链路层数据及链路上的链接的设备进行实时监控。该装置包括ARM处理器、FPGA模块、现场总线通信接口和人机交互界面。

现场总线链路上的数据经现场总线通信接口实时下载到FPGA模块中，在FPGA中实现数据帧的采集功能，FPGA与ARM处理器通过数据总线、地址线及控制信号线相互连接，ARM处理器通过中断方式对FPGA中的数据实时读取，经该ARM处理器进行数据分析处理，将现场总线链路上的状态、报警信息及链接在现场总线链路上的设备状态、报警信息通过人机交互界面显示出来，同时将报警信息输入到FPGA模块，上传到现场总线链路中。

人机交互界面提供信息输入功能，输入的信息经ARM处理器分析处理后，ARM处理器通过中断方式对FPGA实时写入数据，在FPGA中实现数据帧的发送功能，经现场总线通信接口上传到现场总线链路中。

ARM处理器是该装置的处理核心，该ARM处理器包括数据存储单元、数据分析单元、人机交互单元。通过人机交互界面输入的信息输入到人机交互单元，存储于数据存储单元中，该数据存储单元还用于存储FPGA中输入的数据。该数据存储单元通过ARM处理器中的内存管理实现。数据分析单元对数据存储单元存储的数据进行分析处理，该单元包括总线链路监控子单元和设备状态监控子单元，所述总线链路监控子单元对现场总线链路的网络结构和运行状态进行分析处理，所述设备状态监控子单元对链接在现场总线链路上的设备状态进行分析处理。分析处理的结果通过人机交互单元输出到人机交互界面进行显示，同时将产生的报警信息输入到FPGA模块，上传到现场总线链路，由数控系统处理。

FPGA模块通过现场总线通信接口接入到现场总线链路中，实现数据帧的采集和发送功能，并将采集和待发送的数据存储在FPGA中。该模块包括数据存储单元，数据采集单元，数据发送单元。数据存储单元是存储采集的数据和存储需上传到现场总线链路中的数据。数据采集单元通过现场总线通信接口下载复制所有链接在总线上的链路层数据，保存到数据存储单元。数据发送单元把数据存储单元中需上传的数据上传到现场总线链路中，向数控系统及链接的设备发送处理后的数据。

人机交互界面通过LCD实现显示功能。该人机交互界面在ARM处理器人机交互单元WinCE操作系统环境下，把ARM处理器数据分析单元处理后的状态和报警信息以友好的界面方式显示出来。人机交互界面还提供信息输入的功能，输入到ARM处理器。

现场总线通信接口包括光电转换模块和PHY芯片。现场总线链路中的链路层数据以物理层光信号的形式经光电转换模块转换为电信号，提供给PHY芯片，PHY芯片把接收到的差分信号转换为链路层数据输入到FPGA模块。FPGA模块输出的链路层数据，经PHY芯片转换为差分信号，经光电转换模块转换为物理层光信号输入到现场总线链路中。

该装置还包括网络通信接口、下载接口模块、参数配置/显示模块。

网络通信接口与ARM处理器连接，实现以太网数据共享，包括RJ-45接口、隔离变压器、网络PHY芯片。互联网的数据经RJ-45接口输入到隔离变压器，隔离变压器实现信号隔离后，输入到网络PHY芯片，经网络PHY芯片信号转换后输入到ARM处理器。ARM处理器中的数据经网络PHY芯片信号转换后输入到隔离变压器，隔离变压器实现信号隔离后，经RJ-45接口传输到互联网。

下载接口模块与ARM处理器连接，为ARM处理器提供便捷的数据下载和仿真接口，包括USB通信模块、串口模块、JTAG接口、FLASH接口。

参数配置/显示模块与FPGA连接，实现监控参数的可配置及实时显示功能，该模块包括按键输入和8段数码管显示。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用现场总线通信，可以灵活的应用到车间级或设备级进行实时监控，可以配置成多级实时监控装置，解决了车间级或设备级实时监控的问题。

2、本装置可以实时获取现场总线链路上的数据信息，对现场总线链路层数据及链路上的链接的设备进行实时监控。

3、本发明采用FPGA和ARM处理器实现控制，可以连接不同类型的数控系统，用于数控系统的实时监控。

4、本发明可靠性高，连接方便，可实现远程实时监控。

5、本发明采用LCD屏实现人机交互界面，实现了监控界面的可操作性和完整性。

6、本发明采用按键输入和8段数码管显示，实现监控参数的可配置，增加了本发明的灵活性和可配置性。

附图说明

图1是本装置的总体结构示意图。

图2是ARM处理器具体实现示意图。

图3是设备状态监控功能示意图。

图4是FPGA模块具体实现示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于ARM的现场总线链路实时监控装置，设置在现场总线链路上，通过实时获取现场总线链路上的数据信息，对链路层数据及链路上的链接的设备进行实时监控，解决目前现场总线链路实时监控问题，具有低成本、高可靠性、功能强、易于实现的特点。

图1是该装置的总体结构示意图，该装置包括ARM处理器、FPGA模块、现场总线通信接口和人机交互界面。

现场总线链路上的数据经现场总线通信接口实时下载到FPGA模块中，在FPGA中实现数据帧的采集功能，FPGA与ARM处理器通过数据总线、地址线及控制信号线相互连接，ARM处理器通过中断方式对FPGA中的数据实时读取，经该ARM处理器进行数据分析处理，将现场总线链路上的状态、报警信息及链接在现场总线链路上的设备状态、报警信息通过人机交互接口显示出来，同时将报警信息输入到FPGA，上传到现场总线链路中，由数控系统处理。

人机交互接口提供信息输入功能，输入的信息经ARM处理器分析处理后，ARM处理器通过中断方式对FPGA实时写入数据，在FPGA中实现数据帧的发送功能，经现场总线通信接口上传到现场总线链路中。

该装置还包括网络通信接口、下载接口模块、参数配置/显示模块。

下面详细介绍各个模块具体功能实现：

(1)ARM处理器

ARM处理器是该装置的处理核心，图2是ARM处理器具体实现示意图，该ARM处理器包括数据存储单元、数据分析单元、人机交互单元。通过人机交互界面输入的信息输入到人机交互单元，存储于数据存储单元中，该数据存储单元还用于存储FPGA中输入的数据。该数据存储单元通过ARM处理器中的内存管理实现。数据分析单元对数据存储单元存储的数据进行分析处理，该单元包括总线链路监控子单元和设备状态监控子单元，所述总线链路监控子单元对现场总线链路上的网络结构和运行状态进行分析处理，所述设备状态监控子单元对链接在现场总线链路上的设备状态信息进行分析处理。分析处理的结果通过人机交互单元输出到人机交互界面进行显示，同时将产生的报警信息输入到FPGA模块，上传到现场总线链路，由数控系统处理。

A、总线链路监控子单元

该总线链路监控子单元监控现场总线的网络结构及运行状态，通过总线链路层数据中的网络状态标志位判断总线网络结构是否发生故障，并将是否故障的状态信息输入到人机交互单元，同时若发生故障，将报警信息上传到现场总线链路，由数控系统处理；该总线链路监控子单元通过总线链路层数据可以判断在单位通信周期内是否接收到总线数据及在多个单位通信周期内是否接收到总线数据，并将状态信息输入到人机交互单元，同时若发生故障，将报警信息上传到现场总线链路，由数控系统处理。

B、设备状态监控子单元

该设备状态监控子单元通过判断总线中各个设备的错误标志位判断设备状态，并将是否故障的状态信息输入到人机交互单元，同时若发生故障，将报警信息上传到现场总线链路，由数控系统处理；该设备状态监控子单元通过读取总线中数据链路层数据帧，对应数据链路层协议及应用层协议，判断设备状态，并将状态信息输入到人机交互单元，同时若发生故障，将报警信息上传到现场总线链路，由数控系统处理。

图3是设备状态监控功能示意图：其中：初始态：系统上电后，系统进入初始态；对系统进行默认配置后，进入等待态；等待态：在等待态中，系统等待FPGA的中断信号；数据交互态：在此状态中，处理器与FPGA进行数据交互，读取监控数据，并发出监控指令；监控处理态：在此状态中，处理器处理读取的监控数据并做出判断；人机交互更新态：在此状态中，更新人机交互数据；结束态：在此状态中，停止监控。

各状态转换条件：

E0：进行系统配置，包括从站个数与从站类型；

E1：接收到中断信号；

E2：数据读写完成标志；

E3：数据处理完成标志；

E4；接收到停止监控指令；

E5：人机交互数据更新完成标志；

(2)FPGA模块

FPGA模块通过现场总线通信接口接入到现场总线链路中，实现数据帧的采集和发送功能，并将采集和待发送的数据存储在FPGA中。图4是FPGA模块具体实现示意图，该模块包括数据存储单元，数据采集单元，数据发送单元。

数据存储单元是存储采集的数据和存储需上传到现场总线链路中的数据，包括采集数据存储子单元和上传数据缓冲区。

数据采集单元根据PHY芯片产生的接收数据使能位，下载复制所有链接在总线上的设备链路层数据，保存到所述数据存储单元，并根据该PHY芯片产生的接收数据使能位，发出接收数据完成标志位。

数据发送单元把上传数据缓冲区的数据上传到现场总线链路中，向数控系统及链接的设备发送处理后的数据。数据上传根据上传标识将数据缓冲区中的数据上传到总线链路。上传标识位由ARM写入到FPGA中，ARM中需要上传数据时把上传标识位置为1，AMR中不需要上传数据时，把上传标志位置为0；FPGA循环检查上传标识位，当上传标识位为1时，把上传数据缓冲区中数据上传到现场总线链路中；当上传标识位为0时，对接收到的数据不做处理直接转发到现场总线链路中。

(3)人机交互接口

人机交互接口通过LCD实现显示功能。该人机交互接口在ARM处理器人机交互单元WinCE操作系统环境下，把ARM处理器数据分析单元处理后的状态和报警信息以友好的界面方式显示出来。人机交互接口提供信息输入的功能，输入到ARM处理器。

人机交互接口包括现场总线链路状态信息显示、现场总线链路报警信息显示、设备状态信息显示、设备报警信息显示、配置信息输入、紧急信息输入。

(4)现场总线通信接口

现场总线通信接口包括光电转换模块和PHY芯片。现场总线链路中的物理层光信号经光电转换模块转换为电信号，提供给PHY芯片，PHY芯片把接收到的差分信号转换为链路层数据输入到FPGA模块。FPGA模块输出的链路层数据，经PHY芯片转换为差分信号，经光电转换模块转换为物理层光信号输入到现场总线链路中。

(5)网络通信接口

网络通信接口与ARM处理器连接，实现以太网数据共享，包括RJ-45接口、隔离变压器、网络PHY芯片。互联网的数据经RJ-45接口输入到隔离变压器，隔离变压器实现信号隔离后，输入到网络PHY芯片，经网络PHY芯片信号转换后输入到ARM处理器。ARM处理器中的数据经网络PHY芯片信号转换后输入到隔离变压器，隔离变压器实现信号隔离后，经RJ-45接口传输到互联网。

(6)下载接口模块

下载接口模块与ARM处理器连接，为ARM处理器提供便捷的数据下载和仿真接口，包括USB通信模块、串口模块、JTAG接口、FLASH接口。

(7)参数配置/显示模块

参数配置/显示模块与FPGA连接，实现监控参数的可配置及实时显示功能，该模块包括按键输入和8段数码管显示。