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基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统

2021-02-07 23:14:01

基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统

  技术领域

  本实用新型涉及一种RS485通讯模块,特别是涉及一种基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统。

  背景技术

  分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)又称为集散控制系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

  DCS控制系统在石油、化工、冶金、水泥、电厂、水处理等不同行业起着非常重要的作用,是工艺操作的眼睛和大脑。然而,由于这些行业建设时间的不同,各个行业内对工艺要求的不同,所使用的DCS控制系统、PLC装置、现场仪表等各不相同。

  随着计算机技术、微电子技术及管理信息技术等高速发展、工艺升级和改造、越来越智能化管控体系的建立,以及新增设备和新增厂房的快速建设,DCS控制系统向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展,实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理,以至最高层的战略决策,形成一个具有高度自动化的管控一体化智能系统。

  DCS控制系统在实现一点对多点通讯时采用独立的或一体化的通讯模块,以满足与第三方设备的通讯。RS-485通讯协议是适合这种需求的一种标准接口形式,可以实现对其他系统的信息交换。RS-485通讯协议是一种工业现场总线通讯协议,已成为通用工业标准,广泛应用于控制器之间、控制器和第三方设备之间的通讯,具有高传输率、低误码率、功能明确、操作简单、高可靠性、体积小、功耗低等特点。

  现有技术中,DCS控制系统使用的RS-485通讯模块技术一般选用具有2个以上串口资源的单片机,通过光耦隔离或磁隔离技术,实现与RS-485通讯协议转换芯片连接,从而达到2-4个RS-485通讯协议对内IO模块的数据收发和对外第三方设备通讯的目的。通常,RS-485通讯模块具有冗余功能,通讯波特率在3600bps-115.2Kbps之间可调。

  然而,现有的RS-485通讯模块具有以下缺陷:

  (1)受单片机串口、定时器、中断等资源的影响,RS-485通讯接口资源大多在2-4个,在考虑冗余总线因素,此种模式极大限制了DCS控制系统在实际工程中的应用,不偏于扩展;

  (2)单片机设计过程中,收发过程操作复杂,时序设计不当会导致单片机占用时间较多,容易出现丢帧和死机现象,影响CPU正常工作。

  实用新型内容

  鉴于以上所述现有技术的缺点,本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统,基于FPGA和单片机的架构实现多路高速RS485通讯接口,并可兼容多种使用方式,实用性强。

  为实现上述目的及其他相关目的,本实用新型提供一种基于FPGA的多通道RS485通讯模块,包括:FPGA处理器;预设数量的RS485通讯接口,与所述FPGA处理器相连;存储器,与所述FPGA处理器相连;单片机,与所述FPGA处理器相连,用于通过所述FPGA处理器和所述RS485通讯接口实现RS485通讯。

  于本实用新型一实施例中,所述FPGA处理器和所述单片机通过数据总线、地址总线、读信号线、写信号线、复位线、使能线、中断线、时钟线、RS232串口线和IO线相连。

  于本实用新型一实施例中,所述预设数量为12个。

  于本实用新型一实施例中,所述RS485通讯接口的波特率在3600bps-2Mbps之间可调。

  于本实用新型一实施例中,还包括与所述RS485通讯接口一一对应的波特率调节模块,所述波特率调节模块用于调节所述RS485通讯接口的波特率。

  于本实用新型一实施例中,还包括与所述RS485通讯接口一一对应的下拉电阻,所述下拉电阻一端与所述RS485通讯接口的控制端相连,一端接地。

  于本实用新型一实施例中,所述FPGA处理器内包括数据寄存器、接收计数寄存器、累加和寄存器、波特率寄存器和状态寄存器。

  于本实用新型一实施例中,所述FPGA处理器通过RS232串口和磁隔离模块与所述RS485通讯接口相连。

  同时,本实用新型提供一种DCS控制系统,包括上述的基于FPGA的多通道RS485通讯模块。

  于本实用新型一实施例中,所述基于FPGA的多通道RS485通讯模块中的RS485通讯接口与所述DCS控制系统的IO模块和/或外部第三方设备进行RS485通讯。

  如上所述,本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统,具有以下有益效果:

  (1)基于FPGA和单片机的架构实现多路高速RS485通讯接口,满足实际应用的需求;

  (2)能够对DCS控制系统中IO模块和/或第三方设备进行通信,使用方式灵活多样;

  (3)通过设置下拉电阻,有效避免了上电时的误动作,减少误码率,保证RS485通讯可靠性、稳定性。

  附图说明

  图1显示为本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块于一实施例中的结构示意图;

  图2显示为本实用新型的DCS控制系统于一实施例中的结构示意图。

  元件标号说明

  1FPGA处理器

  2RS485通讯接口

  3存储器

  4单片机

  具体实施方式

  以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

  须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本实用新型可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本实用新型可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本实用新型可实施的范畴。

  FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚,其采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。

  本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统基于FPGA和单片机的架构扩展出多路高速RS485通讯接口,满足实际应用的需求,既能够进行冗余设置,又能够兼容多种使用方式,且数据收发过程简单,不影响单片机功能的正常实现,极具实用性强。

  如图1所示,于一实施例中,本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块包括:

  FPGA处理器(Field Programmable Gate Array)1,即现场可编程门阵列,是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚,其采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。优选地,所述FPGA处理器1选用ALTERA公司的EP2C5Q208C8N.该芯片包含一个二维的行和列的基本构架,来实现自定义逻辑,包含142个IO资源,4068个逻辑单元,RAM为119808bit。

  预设数量的RS485通讯接口2,与所述FPGA处理器1相连,用于实现RS485通讯。

  存储器3,与所述FPGA处理器1相连,用于供所述FPGA处理器1进行数据的读取和写入。优选地,所述RAM3采用高速异步静态IS61LV25616,存储数据量为256K×16。所述PFGA处理器1与所述存储器3通过数据总线、地址总线、读信号线、写信号线、复位信号线等进行高速异步静态RAM的读写操作指令。

  单片机4,与所述FPGA处理器1相连,用于通过所述FPGA处理器1和所述RS485通讯接口2实现RS485通讯。优选地,所述单片机4选用ST公司STM32F107VCT7。该芯片的参数如下:

  主频:72MHz;

  Flash:128K;

  SRAM:64K;

  串口:5个;

  4个16位定时器。

  具体地,在所述FPGA处理器1上扩展出所述预设数量的、独立的RS485通讯接口2。于本实用新型一实施例中,所述预设数量为12个。优选地,所述12个RS485通讯接口可以分别单独使用,也可以形成6组冗余RS485通讯接口,以保证RS485通讯的稳定性和可靠性。

  于本实用新型一实施例中,所述RS485通讯接口2的波特率在3600bps-2Mbps之间可调。其中,设置与所述RS485通讯接口一一对应的波特率调节模块,来调节所述RS485通讯接口的波特率。优选地,所述波特率调节模块采用拨码开关。

  于本实用新型一实施例中,所述FPGA处理器通过RS232串口和磁隔离模块与所述RS485通讯接口相连。优选地,所述RS485通讯接口选用TI公司的SN65HVD06D,通讯波特率最高达10M。磁隔离是基于芯片级变压器的隔离技术,发送和接收通道集成在同一个封装中,体积较小,隔离速度快。所述磁隔离模块采用TI公司的ISO7241CDWR,转换速度达到150M。所述FPGA处理器1通过数据总线、地址总线、使能线、中断线、时钟线等,采用逻辑编程,多接口复用方式,扩展12个RS232串口。扩展的RS232串口和控制线通过所述磁隔离芯片ISO7241CDWR与所述RS485通讯接口连接,以实现RS485通讯,同时实现通讯隔离。

  RS485通讯模式为高发送、低接收,为了避免上电瞬间出线误发命令,于本实用新型一实施例中,本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块还包括与所述RS485通讯接口一一对应的下拉电阻(图中未示出),所述下拉电阻一端与所述RS485通讯接口的控制端相连,一端接地,从而避免上电时的误动作,减少误码率,保证RS485通讯的稳定性和可靠性。

  于本实用新型一实施例中,所述FPGA处理器和所述单片机通过数据总线、地址总线、读信号线、写信号线、复位线、使能线、中断线、时钟线、RS232串口线和IO线相连。优选地,所述PFGA处理器与所述单片机之间通过8根数据总线、8根地址总线、读信号线、写信号线、复位线、使能线、中断线、时钟线、3个RS232串口、12根控制RS485通讯的IO线等连接。利用所述FPGA处理器1的可编程阵列逻辑,配置所述FPGA处理器1内部寄存器地址。优选地,所述FPGA处理器1内包括数据寄存器、接收计数寄存器、累加和寄存器、波特率寄存器和状态寄存器。所述单片机4通过读取所述FPGA处理器1上的各个寄存器以及缓冲区,实现多路高速RS485通讯。

  下面详细阐述一下本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块的工作原理。

  (1)单片机与FIFO(First Input First Output,先进先出队列)关于RS-485发送流程

  首先触发1ms定时器,判断“启动发送”标志位是否等于0;若等于0,则判断单片机将数据写入FIFO,最后“启动发送”等于1再返回1ms定时器。若判断“启动发送”标志位不等于0,则判断1ms定时是否完成;若完成就向上层报告发送超时,最后再返回定时器重新执行;若判断1ms定时没有完成,则是返回再次判断“启动发送”标志位时候等于0。

  (2)FPGA处理器发送流程

  首先要清除FIFO,然后判断“启动发送”标志位是否等于1;若等于1,就将FIFO数据加帧头帧尾并发送“启动发送”为0,最后再清除FIFO,继续循环;若清除FIFO后判断“启动发送”标志位不等于1,则再次返回“启动发送”标志位是否等于1。

  (3)单片机与FIFO关于RS-485接收流程

  首先进入中断服务,单片机接收到中断信号,将数据从FIFO读出,之后读取校验标志并校验标志,FPGA处理器发出信号“接收完成”等于0,再向上层提供数据缓冲区以及校验等标志位,完成数据读取之后,中断返回。

  (4)FPGA处理器接收流程

  FPGA处理器处于空闲状态,首先判断“接收完成”是否等于0;若不等于0,则继续判断“接收完成”时候等于1;若等于0,则可以得知“正在接收”等于1,并开始接收数据并校验相应标志位,然后判断接收是否完成,若没有完成,则继续判断数据是否完成;若完成接收,则数据进入接收FIFO,单片机对其读取,给出“正在接收”等于0和“接收完成”等于1的信号,最后返回判断“接收完成”是否等于0,一次循环。

  如图2所示,于一实施例中,本实用新型的DCS控制系统包括上述的基于FPGA的多通道RS485通讯模块。

  于本实用新型一实施例中,所述基于FPGA的多通道RS485通讯模块中的RS485通讯接口与所述DCS控制系统的IO模块和/或外部第三方设备进行RS485通讯。也就是说,所述RS485通讯接口使用方式多种多样,即可单独对所述DCS控制系统内IO模块进行通讯,也可单独对第三方设备进行通讯,还可以采用“本机+第三方设备”方式进行通讯,从而便于操作员灵活配置,使工程应用灵活,减少成本和二次开发。优选地,对所述DCS控制系统的IO模块通讯的通讯波特率为1.5M,每个独立RS-485通讯接口带载量为32个;对第三方设备通讯的通讯波特率在3600bps-2Mbps之间可调。

  综上所述,本实用新型的基于FPGA的多通道RS485通讯模块及DCS控制系统基于FPGA和单片机的架构实现多路高速RS485通讯接口,满足实际应用的需求;能够对DCS控制系统中IO模块和/或第三方设备进行通信,使用方式灵活多样;通过设置下拉电阻,有效避免了上电时的误动作,减少误码率,保证RS485通讯可靠性、稳定性。所以,本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

  上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效,而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

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