專利名稱：一種基于arm的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數控技術領域，具體涉及一種現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，用于數控 設備的實時監(jiān)控。
背景技術：
為滿足數控系統對多通道、高速、高精度的要求，現場總線已成為數控系統發(fā)展必 不可少的通信方式，因此對現場總線鏈路及鏈接設備進行實時監(jiān)控成為數控系統可靠通信 的保證。專利文獻201020107777. 5公開了一種現場總線的監(jiān)控裝置，用于對計算機機房 進行監(jiān)控，可以實現將不同通信協議的機房設備集中控制，該設備具有開關量數據輸入/ 輸出單元和模擬量數據輸入/輸出單元，這些輸入/輸出信息都是針對計算機機房設置的， 不能用于數控系統及設備的監(jiān)控。專利文獻2008100485 . 2公開了一種監(jiān)控系統，該監(jiān)控系統基于管理服務器及 集線器，通過工業(yè)以太網連接多臺機床，同時監(jiān)控多臺機床的狀態(tài)信息。在現有數控技術領域，大部分數控系統可以對數控機床進行監(jiān)控，但是這樣的監(jiān) 控形式存在以下缺點1、監(jiān)控的信息偏重于機床加工過程，忽略了數控系統現場總線鏈路的監(jiān)控。2、數控系統完成實時監(jiān)控時，增加了數控系統數據處理的負擔。3、數控系統的監(jiān)控的形式和信息不易更改，會導致實時監(jiān)控不全面。4、不能遠程實時監(jiān)控。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種基于ARM的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，設置在現場總線鏈路 上，通過實時獲取現場總線鏈路上的數據信息，對鏈路層數據及鏈路上的鏈接的設備進行 實時監(jiān)控，解決目前現場總線鏈路實時監(jiān)控問題，具有低成本、高可靠性、功能強、易于實現 的特點。本發(fā)明的技術方案為一種基于ARM的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，設置在現場總線鏈路上，對鏈路層 數據及鏈路上的鏈接的設備進行實時監(jiān)控。該裝置包括ARM處理器、FPGA模塊、現場總線 通信接口和人機交互界面?，F場總線鏈路上的數據經現場總線通信接口實時下載到FPGA模塊中，在FPGA中 實現數據幀的采集功能，FPGA與ARM處理器通過數據總線、地址線及控制信號線相互連接， ARM處理器通過中斷方式對FPGA中的數據實時讀取，經該ARM處理器進行數據分析處理，將 現場總線鏈路上的狀態(tài)、報警信息及鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)、報警信息通過人 機交互界面顯示出來，同時將報警信息輸入到FPGA模塊，上傳到現場總線鏈路中。人機交互界面提供信息輸入功能，輸入的信息經ARM處理器分析處理后，ARM處理器通過中斷方式對FPGA實時寫入數據，在FPGA中實現數據幀的發(fā)送功能，經現場總線通信 接口上傳到現場總線鏈路中。ARM處理器是該裝置的處理核心，該ARM處理器包括數據存儲單元、數據分析單 元、人機交互單元。通過人機交互界面輸入的信息輸入到人機交互單元，存儲于數據存儲單 元中，該數據存儲單元還用于存儲FPGA中輸入的數據。該數據存儲單元通過ARM處理器中 的內存管理實現。數據分析單元對數據存儲單元存儲的數據進行分析處理，該單元包括總 線鏈路監(jiān)控子單元和設備狀態(tài)監(jiān)控子單元，所述總線鏈路監(jiān)控子單元對現場總線鏈路的網 絡結構和運行狀態(tài)進行分析處理，所述設備狀態(tài)監(jiān)控子單元對鏈接在現場總線鏈路上的設 備狀態(tài)進行分析處理。分析處理的結果通過人機交互單元輸出到人機交互界面進行顯示， 同時將產生的報警信息輸入到FPGA模塊，上傳到現場總線鏈路，由數控系統處理。FPGA模塊通過現場總線通信接口接入到現場總線鏈路中，實現數據幀的采集和發(fā) 送功能，并將采集和待發(fā)送的數據存儲在FPGA中。該模塊包括數據存儲單元，數據采集單 元，數據發(fā)送單元。數據存儲單元是存儲采集的數據和存儲需上傳到現場總線鏈路中的數 據。數據采集單元通過現場總線通信接口下載復制所有鏈接在總線上的鏈路層數據，保存 到數據存儲單元。數據發(fā)送單元把數據存儲單元中需上傳的數據上傳到現場總線鏈路中， 向數控系統及鏈接的設備發(fā)送處理后的數據。人機交互界面通過IXD實現顯示功能。該人機交互界面在ARM處理器人機交互單 元WinCE操作系統環(huán)境下，把ARM處理器數據分析單元處理后的狀態(tài)和報警信息以友好的 界面方式顯示出來。人機交互界面還提供信息輸入的功能，輸入到ARM處理器。現場總線通信接口包括光電轉換模塊和PHY芯片?，F場總線鏈路中的鏈路層數據 以物理層光信號的形式經光電轉換模塊轉換為電信號，提供給PHY芯片，PHY芯片把接收到 的差分信號轉換為鏈路層數據輸入到FPGA模塊。FPGA模塊輸出的鏈路層數據，經PHY芯片 轉換為差分信號，經光電轉換模塊轉換為物理層光信號輸入到現場總線鏈路中。該裝置還包括網絡通信接口、下載接口模塊、參數配置/顯示模塊。網絡通信接口與ARM處理器連接，實現以太網數據共享，包括RJ-45接口、隔離變 壓器、網絡PHY芯片?；ヂ摼W的數據經RJ-45接口輸入到隔離變壓器，隔離變壓器實現信號 隔離后，輸入到網絡PHY芯片，經網絡PHY芯片信號轉換后輸入到ARM處理器。ARM處理器 中的數據經網絡PHY芯片信號轉換后輸入到隔離變壓器，隔離變壓器實現信號隔離后，經 RJ-45接口傳輸到互聯網。 下載接口模塊與ARM處理器連接，為ARM處理器提供便捷的數據下載和仿真接口， 包括USB通信模塊、串口模塊、JTAG接口、FLASH接口。參數配置/顯示模塊與FPGA連接，實現監(jiān)控參數的可配置及實時顯示功能，該模 塊包括按鍵輸入和8段數碼管顯示。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明采用現場總線通信，可以靈活的應用到車間級或設備級進行實時監(jiān)控， 可以配置成多級實時監(jiān)控裝置，解決了車間級或設備級實時監(jiān)控的問題。2、本裝置可以實時獲取現場總線鏈路上的數據信息，對現場總線鏈路層數據及鏈 路上的鏈接的設備進行實時監(jiān)控。3、本發(fā)明采用FPGA和ARM處理器實現控制，可以連接不同類型的數控系統，用于數控系統的實時監(jiān)控。4、本發(fā)明可靠性高，連接方便，可實現遠程實時監(jiān)控。5、本發(fā)明采用IXD屏實現人機交互界面，實現了監(jiān)控界面的可操作性和完整性。6、本發(fā)明采用按鍵輸入和8段數碼管顯示，實現監(jiān)控參數的可配置，增加了本發(fā) 明的靈活性和可配置性。


圖1是本裝置的總體結構示意圖。
圖2是ARM處理器具體實現示意圖。圖3是設備狀態(tài)監(jiān)控功能示意圖。圖4是FPGA模塊具體實現示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出一種基于ARM的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，設置在現場總線鏈路 上，通過實時獲取現場總線鏈路上的數據信息，對鏈路層數據及鏈路上的鏈接的設備進行 實時監(jiān)控，解決目前現場總線鏈路實時監(jiān)控問題，具有低成本、高可靠性、功能強、易于實現 的特點。圖1是該裝置的總體結構示意圖，該裝置包括ARM處理器、FPGA模塊、現場總線通 信接口和人機交互界面?，F場總線鏈路上的數據經現場總線通信接口實時下載到FPGA模塊中，在FPGA中 實現數據幀的采集功能，FPGA與ARM處理器通過數據總線、地址線及控制信號線相互連接， ARM處理器通過中斷方式對FPGA中的數據實時讀取，經該ARM處理器進行數據分析處理，將 現場總線鏈路上的狀態(tài)、報警信息及鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)、報警信息通過人 機交互接口顯示出來，同時將報警信息輸入到FPGA，上傳到現場總線鏈路中，由數控系統處 理。人機交互接口提供信息輸入功能，輸入的信息經ARM處理器分析處理后，ARM處理 器通過中斷方式對FPGA實時寫入數據，在FPGA中實現數據幀的發(fā)送功能，經現場總線通信 接口上傳到現場總線鏈路中。該裝置還包括網絡通信接口、下載接口模塊、參數配置/顯示模塊。下面詳細介紹各個模塊具體功能實現(I)ARM 處理器ARM處理器是該裝置的處理核心，圖2是ARM處理器具體實現示意圖，該ARM處理 器包括數據存儲單元、數據分析單元、人機交互單元。通過人機交互界面輸入的信息輸入到 人機交互單元，存儲于數據存儲單元中，該數據存儲單元還用于存儲FPGA中輸入的數據。 該數據存儲單元通過ARM處理器中的內存管理實現。數據分析單元對數據存儲單元存儲的 數據進行分析處理，該單元包括總線鏈路監(jiān)控子單元和設備狀態(tài)監(jiān)控子單元，所述總線鏈 路監(jiān)控子單元對現場總線鏈路上的網絡結構和運行狀態(tài)進行分析處理，所述設備狀態(tài)監(jiān)控 子單元對鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)信息進行分析處理。分析處理的結果通過人機 交互單元輸出到人機交互界面進行顯示，同時將產生的報警信息輸入到FPGA模塊，上傳到
6現場總線鏈路，由數控系統處理。A、總線鏈路監(jiān)控子單元該總線鏈路監(jiān)控子單元監(jiān)控現場總線的網絡結構及運行狀態(tài)，通過總線鏈路層數 據中的網絡狀態(tài)標志位判斷總線網絡結構是否發(fā)生故障，并將是否故障的狀態(tài)信息輸入到 人機交互單元，同時若發(fā)生故障，將報警信息上傳到現場總線鏈路，由數控系統處理；該總 線鏈路監(jiān)控子單元通過總線鏈路層數據可以判斷在單位通信周期內是否接收到總線數據 及在多個單位通信周期內是否接收到總線數據，并將狀態(tài)信息輸入到人機交互單元，同時 若發(fā)生故障，將報警信息上傳到現場總線鏈路，由數控系統處理。B、設備狀態(tài)監(jiān)控子單元該設備狀態(tài)監(jiān)控子單元通過判斷總線中各個設備的錯誤標志位判斷設備狀態(tài)，并 將是否故障的狀態(tài)信息輸入到人機交互單元，同時若發(fā)生故障，將報警信息上傳到現場總 線鏈路，由數控系統處理；該設備狀態(tài)監(jiān)控子單元通過讀取總線中數據鏈路層數據幀，對應 數據鏈路層協議及應用層協議，判斷設備狀態(tài)，并將狀態(tài)信息輸入到人機交互單元，同時若 發(fā)生故障，將報警信息上傳到現場總線鏈路，由數控系統處理。圖3是設備狀態(tài)監(jiān)控功能示意圖其中初始態(tài)系統上電后，系統進入初始態(tài)； 對系統進行默認配置后，進入等待態(tài)；等待態(tài)在等待態(tài)中，系統等待FPGA的中斷信號；數 據交互態(tài)在此狀態(tài)中，處理器與FPGA進行數據交互，讀取監(jiān)控數據，并發(fā)出監(jiān)控指令；監(jiān) 控處理態(tài)在此狀態(tài)中，處理器處理讀取的監(jiān)控數據并做出判斷；人機交互更新態(tài)在此狀 態(tài)中，更新人機交互數據；結束態(tài)在此狀態(tài)中，停止監(jiān)控。各狀態(tài)轉換條件EO 進行系統配置，包括從站個數與從站類型；El 接收到中斷信號；E2 數據讀寫完成標志；E3:數據處理完成標志；E4 ；接收到停止監(jiān)控指令；E5 人機交互數據更新完成標志；(2) FPGA 模塊FPGA模塊通過現場總線通信接口接入到現場總線鏈路中，實現數據幀的采集和發(fā) 送功能，并將采集和待發(fā)送的數據存儲在FPGA中。圖4是FPGA模塊具體實現示意圖，該模 塊包括數據存儲單元，數據采集單元，數據發(fā)送單元。數據存儲單元是存儲采集的數據和存儲需上傳到現場總線鏈路中的數據，包括采 集數據存儲子單元和上傳數據緩沖區(qū)。數據采集單元根據PHY芯片產生的接收數據使能位，下載復制所有鏈接在總線上 的設備鏈路層數據，保存到所述數據存儲單元，并根據該PHY芯片產生的接收數據使能位， 發(fā)出接收數據完成標志位。數據發(fā)送單元把上傳數據緩沖區(qū)的數據上傳到現場總線鏈路中，向數控系統及鏈 接的設備發(fā)送處理后的數據。數據上傳根據上傳標識將數據緩沖區(qū)中的數據上傳到總線鏈 路。上傳標識位由ARM寫入到FPGA中，ARM中需要上傳數據時把上傳標識位置為1，AMR中 不需要上傳數據時，把上傳標志位置為0;FPGA循環(huán)檢查上傳標識位，當上傳標識位為1時，把上傳數據緩沖區(qū)中數據上傳到現場總線鏈路中；當上傳標識位為0時，對接收到的數據 不做處理直接轉發(fā)到現場總線鏈路中。(3)人機交互接口人機交互接口通過IXD實現顯示功能。該人機交互接口在ARM處理器人機交互單 元WinCE操作系統環(huán)境下，把ARM處理器數據分析單元處理后的狀態(tài)和報警信息以友好的 界面方式顯示出來。人機交互接口提供信息輸入的功能，輸入到ARM處理器。人機交互接口包括現場總線鏈路狀態(tài)信息顯示、現場總線鏈路報警信息顯示、設 備狀態(tài)信息顯示、設備報警信息顯示、配置信息輸入、緊急信息輸入。(4)現場總線通信接口現場總線通信接口包括光電轉換模塊和PHY芯片。現場總線鏈路中的物理層光信 號經光電轉換模塊轉換為電信號，提供給PHY芯片，PHY芯片把接收到的差分信號轉換為鏈 路層數據輸入到FPGA模塊。FPGA模塊輸出的鏈路層數據，經PHY芯片轉換為差分信號，經 光電轉換模塊轉換為物理層光信號輸入到現場總線鏈路中。(5)網絡通信接口網絡通信接口與ARM處理器連接，實現以太網數據共享，包括RJ-45接口、隔離變 壓器、網絡PHY芯片?；ヂ摼W的數據經RJ-45接口輸入到隔離變壓器，隔離變壓器實現信號 隔離后，輸入到網絡PHY芯片，經網絡PHY芯片信號轉換后輸入到ARM處理器。ARM處理器 中的數據經網絡PHY芯片信號轉換后輸入到隔離變壓器，隔離變壓器實現信號隔離后，經 RJ-45接口傳輸到互聯網。(6)下載接口模塊下載接口模塊與ARM處理器連接，為ARM處理器提供便捷的數據下載和仿真接口， 包括USB通信模塊、串口模塊、JTAG接口、FLASH接口。(7)參數配置/顯示模塊參數配置/顯示模塊與FPGA連接，實現監(jiān)控參數的可配置及實時顯示功能，該模 塊包括按鍵輸入和8段數碼管顯示。
權利要求
1.一種基于ARM的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，用于對鏈路層數據及鏈路上鏈接的設 備進行實時監(jiān)控，該裝置包括ARM處理器、FPGA模塊、現場總線通信接口和人機交互界面， 所述FPGA模塊與所述ARM處理器通過數據總線、地址線及控制信號線連接；現場總線鏈路上的數據經所述現場總線通信接口下載到所述FPGA模塊中，在該FPGA 模塊中實現數據幀的采集，所述ARM處理器實時讀取FPGA模塊中的數據，經分析處理后獲 得現場總線鏈路上的狀態(tài)、報警信息及鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)和報警信息，并 通過所述人機交互界面顯示，同時將產生的報警信息輸入到FPGA模塊，上傳到現場總線鏈 路中；另外，輸入信息通過所述人機交互界面輸入所述ARM處理器，經分析處理后，寫入所 述FPGA模塊中，在該FPGA模塊中實現數據的發(fā)送，并經現場總線通信接口上傳到現場總線 鏈路中。
2.根據權利要求1所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述的ARM處理器包括數據存儲單 元、數據分析單元和人機交互單元，所述數據存儲單元用于存儲數據，其通過ARM處理器中 的內存管理實現，所述數據分析單元對讀取和存儲的數據進行分析處理，所述人機交互單 元與所述人機交互界面通訊連接，用于將所述數據分析單元處理結果輸出到所述人機交互 界面，并接收從所述人機交互界面輸入的數據以存儲到所述數據存儲單元。
3.根據權利要求1或2所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述的數據分析單元包括總線鏈 路監(jiān)控子單元和設備狀態(tài)監(jiān)控子單元，其中，所述總線鏈路監(jiān)控子單元用于對現場總線鏈路上的網絡結構和運行狀態(tài)進行分析 處理，通過總線鏈路層數據中的網絡狀態(tài)標志位判斷總線網絡結構是否發(fā)生故障，并將是 否故障的狀態(tài)信息輸入到人機交互單元，同時若發(fā)生故障，將報警信息上傳到現場總線鏈 路；所述設備狀態(tài)監(jiān)控子單元用于對鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)信息進行分析處 理，其通過讀取總線中數據鏈路層數據幀，對應數據鏈路層協議及應用層協議，來判斷設備 狀態(tài)，并將狀態(tài)信息輸入到人機交互單元，同時若發(fā)生故障，將設備報警信息上傳到現場總 線鏈路。
4.根據權利要求1-3之一所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述的FPGA模塊包括數據存 儲單元，數據采集單元和數據發(fā)送單元；其中，所述數據存儲單元用于存儲采集的數據和需 上傳到現場總線鏈路中的數據；所述數據采集單元根據PHY芯片產生的接收數據使能位， 下載復制所有鏈接在總線上的設備鏈路層數據，保存到所述數據存儲單元，并根據該PHY 芯片產生的接收數據使能位，發(fā)出接收數據完成標志位；所述數據發(fā)送單元把處理后的數 據上傳到現場總線鏈路中，發(fā)送給數控系統及鏈接的設備。
5.根據權利要求1-4之一所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述現場總線通信接口包括 光電轉換模塊和PHY芯片，現場總線鏈路中的物理層光信號經光電轉換模塊轉換為電信 號，提供給PHY芯片，PHY芯片把接收到的差分信號轉換為鏈路層數據輸入到FPGA模塊； FPGA模塊輸出的鏈路層數據，經PHY芯片轉換為差分信號，再經光電轉換模塊轉換為物理 層光信號輸入到現場總線鏈路中。
6.根據權利要求1-5之一所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述監(jiān)控裝置還包括網絡通 信接口，其與ARM處理器連接，實現以太網數據共享，該網絡通信接口包括RJ-45接口、隔離 變壓器和網絡PHY芯片。
7.根據權利要求1-6之一所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述監(jiān)控裝置還包括下載接 口模塊，該下載接口模塊與ARM處理器連接，為ARM處理器提供數據下載和仿真接口，該下 載接口模塊包括USB通信模塊、串口模塊、JTAG接口和FLASH接口。8、根據權利要求1_7 之一所述的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述監(jiān)控裝置還包括參數配置/顯示模塊，該參數配置 /顯示模塊與FPGA連接，用于實現監(jiān)控參數的可配置及實時顯示功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ARM的現場總線鏈路實時監(jiān)控裝置，包括ARM處理器、FPGA模塊、現場總線通信接口和人機交互界面；現場總線鏈路上的數據經現場總線通信接口下載到FPGA模塊中，ARM處理器讀取FPGA模塊中的數據，獲得現場總線鏈路上的狀態(tài)、報警信息及鏈接在現場總線鏈路上的設備狀態(tài)和報警信息，通過所述人機交互界面顯示，同時將產生的報警信息輸入到FPGA模塊，上傳到現場總線鏈路中；輸入信息通過人機交互界面輸入所述ARM處理器，實時寫入FPGA模塊中，通過現場總線通信接口發(fā)送到現場總線鏈路中。本發(fā)明可以靈活的應用到車間級或設備級進行實時監(jiān)控，解決車間級或設備級實時監(jiān)控的問題。
文檔編號G05B19/418GK102117067SQ20111006669
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者周彬, 周芳芳, 唐小琦, 唐玉枝, 夏亮, 宋寶, 尹玲, 王翰, 陳天航 申請人:華中科技大學, 武漢華中數控股份有限公司