可重構網絡化測控裝置及其組件化編程方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可重構網絡化測控裝置及其組件化編程方法，所述裝置包括嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊，所述嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊通過印制電路板相連形成具有網絡通訊能力的測控裝置，在所述測控裝置上安裝有實時操作系統、Java執(zhí)行環(huán)境JRE以及與工業(yè)以太網模塊相適應的網絡協議棧；所述方法為利用組件編程開發(fā)環(huán)境開發(fā)組件以形成組件化測控程序，將組件化測控程序轉換成Java程序，并調用Java程序集成開發(fā)環(huán)境將Java程序編譯成Java字節(jié)碼，通過EtherCAT網絡發(fā)送給測控裝置。本發(fā)明的測控裝置具有軟件和硬件可重構能力。
【專利說明】可重構網絡化測控裝置及其組件化編程方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測控裝置，尤其是一種可重構網絡化測控裝置及其組件化編程方法，屬于測控、組件化編程和可重構【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，工業(yè)自動化領域需要進行大量的測量與控制工作，測量信號種類多樣(如溫度、壓力、速度、位移等)、形式各異(如連續(xù)信號、離散信號、開關信號、模擬信號、數字信號等)，控制方式也包括過程控制、邏輯控制和運動控制等多種形式，由于工業(yè)自動化技術發(fā)展迅速，通常要求測控裝置具有一定程度的柔性以適應環(huán)境不斷變化的需要，但是目前的測控裝置一旦開發(fā)完成，其功能與性能便固定下來，所以無法適應這一需要。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服上述現有技術的不足之處，提供了一種可重構網絡化測控裝置，該裝置在測控對象改變時，能夠快速改變其功能以適應新的對象。
[0004]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種可重構網絡化測控裝置的組件化編程方法。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0006]可重構網絡化測控裝置，其特征在于:包括嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊，其中:
[0007]所述嵌入式處理器模塊，用于實現對測量信號的存儲與處理以及實現所需的控制方式；
[0008]所述現場可編程門陣列模塊，用于實現接口邏輯；
[0009]所述工業(yè)以太網模塊，用于實現確定的、實時高速網絡通訊；
[0010]所述嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊通過印制電路板相連形成具有網絡通訊能力的測控裝置，在所述測控裝置上安裝有實時操作系統、Java執(zhí)行環(huán)境JRE以及與工業(yè)以太網模塊相適應的網絡協議棧，所述測控裝置通過Java執(zhí)行環(huán)境JRE執(zhí)行來自編程工具的Java字節(jié)碼。
[0011]作為一種優(yōu)選方案，所述測控裝置還包括內存模塊、電池模塊和接口模塊，所述內存模塊、電池模塊和接口模塊連接在印制電路板上。
[0012]作為一種優(yōu)選方案，所述嵌入式處理器模塊采用ARM芯片。
[0013]作為一種優(yōu)選方案，所述工業(yè)以太網模塊采用EtherCAT芯片，與EtherCAT芯片相適應的網絡協議棧為EtherCAT協議棧。
[0014]作為一種優(yōu)選方案，所述實時操作系統采用RTlinux實時操作系統。
[0015]本發(fā)明的另一個目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0016]可重構網絡化測控裝置的組件化編程方法，其特征在于采用編程工具實現，所述編程工具以PC機作為開發(fā)平臺，安裝組件編程開發(fā)環(huán)境和Java程序集成開發(fā)環(huán)境，具體步驟如下:[0017]I)利用組件編程開發(fā)環(huán)境開發(fā)組件，由組件形成組件化測控程序，將組件化測控程序轉換成Java程序；
[0018]2)組件編程開發(fā)環(huán)境調用Java程序集成開發(fā)環(huán)境將步驟I)得到的Java程序編譯成Java字節(jié)碼；
[0019]3)步驟2)得到的Java字節(jié)碼通過EtherCAT網絡發(fā)送給測控裝置，由Java執(zhí)行環(huán)境JRE執(zhí)行Java字節(jié)碼。
[0020]作為一種優(yōu)選方案，所述組件編程集成開發(fā)環(huán)境是基于IEC61499標準的FBStudio開發(fā)環(huán)境。
[0021]作為一種優(yōu)選方案，所述組件分為基本功能塊、復合功能塊以及服務接口功能塊三種，所述組件化測控程序表現為功能塊網絡，所述功能塊網絡由功能塊通過事件接口和數據接口相連形成。
[0022]本發(fā)明相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0023]1、本發(fā)明的測控裝置可以采用以PC機為平臺的編程工具開發(fā)功能塊(組件)，由功能塊形成功能塊網絡(組件化測控程序)，在功能塊網絡轉換成Java程序后傳輸給測控裝置執(zhí)行，所以測控裝置的功能不是固定的，而是由功能塊網絡決定的，使得測控裝置具有軟件可重構能力。
[0024]2、本發(fā)明的測控裝置采用現場可編程門陣列(FPGA芯片)實現接口邏輯，可以通過編程改變接口邏輯以適應新的信號測量與控制的需要，使得測控裝置具有一定的硬件可重構能力。
[0025]3、本發(fā)明的測控裝置在硬件與軟件兩個層面上都具有很高的柔性，當測控對象改變時，能夠快速改變其功能以適應新的對象，而且可以將多個測控裝置通過網絡相連形成分布式測控系統，系統中包含的測控裝置數量可以根據需要進行增加或減少，或者當個別測控裝置出現故障時進行更換，從而實現系統的可重構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的測控裝置及其采用的編程工具原理示意圖。
[0027]圖2a為本發(fā)明的組件編程集成開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的基本功能塊示意圖。
[0028]圖2b為本發(fā)明的組件編程集成開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的復合功能塊示意圖。
[0029]圖2c為本發(fā)明的組件編程集成開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的服務接口功能塊示意圖。
[0030]圖2d為本發(fā)明的組件編程集成開發(fā)環(huán)境利用功能塊形成的功能塊網絡示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明的測控裝置應用于分布式測控系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]實施例1:
[0033]如圖1所示，本實施例的測控裝置包括嵌入式處理器模塊101、現場可編程門陣列模塊(FPGA芯片)102、工業(yè)以太網模塊103、內存模塊104、電池模塊105和接口模塊106，所述嵌入式處理器模塊101采用ARM芯片，所述述工業(yè)以太網模塊103采用EtherCAT芯片，所述嵌入式處理器模塊101、現場可編程門陣列模塊102、工業(yè)以太網模塊103、內存模塊104、電池模塊105和接口模塊106通過印制電路板(PCB)相連形成具有網絡通訊能力的測控裝置，在所述測控裝置上安裝有RTlinux實時操作系統107、Java執(zhí)行環(huán)境JRE (JVM+核心類庫)108以及EtherCAT協議棧，其中:
[0034]所述嵌入式處理器模塊101，采用ARM芯片，用于實現對測量信號的存儲與處理以及實現所需的控制方式；
[0035]所述現場可編程門陣列模塊102，用于實現接口邏輯，可以通過編程改變接口邏輯以適應新的信號測量與控制的需要；
[0036]所述工業(yè)以太網模塊103，采用EtherCAT芯片，用于實現確定的、實時高速網絡通訊；
[0037]如圖1所示，本實施例的測控裝置所采用的編程工具以PC機109作為開發(fā)平臺，安裝組件編程開發(fā)環(huán)境110和Java程序集成開發(fā)環(huán)境111 ;所述組件編程開發(fā)環(huán)境110為自主研發(fā)的基于IEC61499標準的開發(fā)環(huán)境，名為FBStudio，它具有仿真和協助用戶檢測程序的功能，可以開發(fā)組件，形成組件化測控程序，并可將組件化測控程序轉換成Java程序，還可以調用Java程序集成開發(fā)環(huán)境111將Java程序編譯成Java字節(jié)碼，Java字節(jié)碼通過EtherCAT網絡發(fā)送到測控裝置。
[0038]本實施例的測控裝置的組件化編程方法，具體步驟如下:
[0039]I)利用組件編程開發(fā)環(huán)境110開發(fā)組件，由組件形成組件化測控程序，經仿真調試確定無誤后，將組件化測控程序轉換成Java程序；
[0040]2)組件編程開發(fā)環(huán)境110調用Java程序集成開發(fā)環(huán)境111將步驟I)得到的Java程序編譯成Java字節(jié)碼；
[0041]3)步驟2)得到的Java字節(jié)碼通過EtherCAT網絡發(fā)送給測控裝置，由Java執(zhí)行環(huán)境JRE108執(zhí)行Java字節(jié)碼。
[0042]編程工具開發(fā)的組件分為基本功能塊、復合功能塊以及服務接口功能塊三種，所述基本功能塊如圖2a所示，由功能塊類型名201、事件輸入接口 202、數據輸入接口 203、事件輸出接口 204、數據輸出接口 205、執(zhí)行控制圖206、算法207和內部變量208組成；所述事件輸入接口 202與數據輸入接口 203相關聯，所述事件輸出接口 204與數據輸出接口205相關聯；所述復合功能塊如圖2b所示，由多個基本功能塊通過事件接口與數據接口相連形成，其接口種類與基本功能塊相同；所述服務接口功能塊如圖2c所示，其接口種類與基本功能塊相同，但是標準沒有規(guī)定其內部實現方式，可由功能塊類型名201、事件輸入接口 202、數據輸入接口 203、事件輸出接口 204、數據輸出接口 205、事件處理209、數據處理210和內部變量208組成；所述基本功能塊、復合功能塊以及服務接口功能塊通過事件接口與數據接口相連形成的功能塊網絡，即用戶編制的組件化測控程序，如圖2d所示。
[0043]實施例2:
[0044]如圖3所示，多個測控裝置(本實施例采用三個，分別為測控裝置a、測控裝置b和測控裝置c)可以通過EtherCAT網絡相連，形成分布式測控系統301，單個測控裝置可以接入網絡或從網絡中摘除，從而可以根據測控對象的需要選擇測控裝置的個數或者當個別測控裝置出現故障時，快速的替換故障測控裝置，功能塊網絡302中的各個功能塊可以分布到不同的測控裝置中運行，分布式測控系統301的功能完全由功能塊網絡302決定，所以用戶可以通過調節(jié)測控裝置的個數，以及改變功能塊網絡302來快速地重構測控系統，以實現測控系統的高度柔性化，滿足不斷變化的測控需求。[0045]以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內，根據本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。
【權利要求】
1.可重構網絡化測控裝置，其特征在于:包括嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊，其中: 所述嵌入式處理器模塊，用于實現對測量信號的存儲與處理以及實現所需的控制方式； 所述現場可編程門陣列模塊，用于實現接口邏輯； 所述工業(yè)以太網模塊，用于實現確定的、實時高速網絡通訊； 所述嵌入式處理器模塊、現場可編程門陣列模塊以及工業(yè)以太網模塊通過印制電路板相連形成具有網絡通訊能力的測控裝置，在所述測控裝置上安裝有實時操作系統、Java執(zhí)行環(huán)境JRE以及與工業(yè)以太網模塊相適應的網絡協議棧，所述測控裝置通過Java執(zhí)行環(huán)境JRE執(zhí)行來自編程工具的Java字節(jié)碼。
2.根據權利要求1所述的可重構網絡化測控裝置，其特征在于:所述測控裝置還包括內存模塊、電池模塊和接口模塊，所述內存模塊、電池模塊和接口模塊連接在印制電路板上。
3.根據權利要求1所述的可重構網絡化測控裝置，其特征在于:所述嵌入式處理器模塊采用ARM芯片。
4.根據權利要求1所述的可重構網絡化測控裝置，其特征在于:所述工業(yè)以太網模塊采用EtherCAT芯片，與EtherCAT芯片相適應的網絡協議棧為EtherCAT協議棧。
5.根據權利要求1所述的可重構網絡化測控裝置，其特征在于:所述實時操作系統采用RTlinux實時操作系統。
6.可重構網絡化測控裝置的組件化編程方法，其特征在于采用編程工具實現，所述編程工具以PC機作為開發(fā)平臺，安裝組件編程開發(fā)環(huán)境和Java程序集成開發(fā)環(huán)境，具體步驟如下: 1)利用組件編程開發(fā)環(huán)境開發(fā)組件，由組件形成組件化測控程序，將組件化測控程序轉換成Java程序； 2)組件編程開發(fā)環(huán)境調用Java程序集成開發(fā)環(huán)境將步驟I)得到的Java程序編譯成Java字節(jié)碼； 3)步驟2)得到的Java字節(jié)碼通過EtherCAT網絡發(fā)送給測控裝置，由Java執(zhí)行環(huán)境JRE執(zhí)行Java字節(jié)碼。
7.根據權利要求6所述的可重構網絡化測控裝置的組件化編程方法，其特征在于:所述組件編程集成開發(fā)環(huán)境是基于IEC61499標準的FBStudio開發(fā)環(huán)境。
8.根據權利要求7所述的可重構網絡化測控裝置的組件化編程方法，其特征在于:所述組件分為基本功能塊、復合功能塊以及服務接口功能塊三種，所述組件化測控程序表現為功能塊網絡，所述功能塊網絡由功能塊通過事件接口和數據接口相連形成。
【文檔編號】G05B19/042GK103777546SQ201310713943
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權日:2013年12月19日
【發(fā)明者】王世勇, 李迪 申請人:華南理工大學