一種基于i-mx287處理器的opc ua數(shù)據(jù)采集模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化集成，具體涉及工業(yè)控制領(lǐng)域的PR0FIBUS-DP總線協(xié)議、MODBUS總線協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)需要的信息交換覆蓋從工段、車間、工廠企業(yè)乃至世界各地的市場。溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從底層現(xiàn)場設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次，但工業(yè)控制系統(tǒng)存在大量來自不同技術(shù)或生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，從底層的1/0、數(shù)據(jù)采集板卡、各種層次的PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，到大型的DCS控制系統(tǒng)，而且工業(yè)控制系統(tǒng)中的多總線并存的局面將長期存在，計(jì)算機(jī)軟件與工業(yè)硬件設(shè)備通訊協(xié)議之間的接口越來越多樣化。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，智能設(shè)備之間及智能設(shè)備與控制系統(tǒng)軟件之間的信息共享是通過驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)大大加重了軟件開發(fā)的工作量，同時(shí)也為以后的設(shè)備和軟件升級(jí)和系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來了諸多問題。工業(yè)企業(yè)面臨如何有效解決系統(tǒng)內(nèi)不同技術(shù)間的信息訪問和互操作性的問題，并保障生產(chǎn)過程的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性、可用性。
[0003]現(xiàn)有數(shù)據(jù)集成有多種方式:將測量儀表加入到控制系統(tǒng)中，通過訪問具備通信主站功能的控制器(PLC、DCS等)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問；或?qū)y量儀表組成單獨(dú)的測量網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)或通信板卡、以及具備主站功能的工控機(jī)或PLC等與上層管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成；這些方式不具備通用性，集成難度大，且成本較高。在現(xiàn)有集成方案中也常采用基于PC的OPC技術(shù)，作為與上層管理系統(tǒng)和OPC服務(wù)器間的數(shù)據(jù)接口，但由于OPC技術(shù)對(duì)微軟PC平臺(tái)的依賴性較大，很難在嵌入式平臺(tái)下應(yīng)用，在應(yīng)用環(huán)境和可靠性，實(shí)時(shí)性上具有局限性。
[0004]為了解決上述問題，OPC基金會(huì)在2006年7月發(fā)布了新的OPC UA規(guī)范，IEC也相應(yīng)的組建了 OPC UA工作組，進(jìn)行相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂。OPC UA通過采用WSDL定義消息，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范的平臺(tái)無關(guān)性；并在原來OPC基礎(chǔ)上定義了一套集成的服務(wù)，解決了現(xiàn)有OPC規(guī)范在應(yīng)用時(shí)服務(wù)重疊的問題；0PC UA采用了集成的地址空間，增加對(duì)象語義識(shí)別功能，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息模型的支持；另外，OPC UA采用冗余技術(shù)、安全模型等一系列機(jī)制，提高了安全性、可靠性等方面的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于飛思卡爾1-MX287型CPU的嵌入式OPC UA數(shù)據(jù)采集模塊，采用一種不依賴專用主站(PLC或DCS等)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)通信環(huán)境下，采集底層數(shù)據(jù)與管理層、控制層的快速標(biāo)準(zhǔn)化集成。由于采用了最新的OPC UA標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，相對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(DCS、PLC)，具有更高的安全性和可擴(kuò)展性。
[0006]本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種現(xiàn)場總線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中包括PR0FIBUS-DP總線設(shè)備、MODBUS總線設(shè)備。
[0007]本發(fā)明可應(yīng)用于流程工業(yè)采集系統(tǒng)中，本發(fā)明采集異構(gòu)的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)，通過配置接口可對(duì)本發(fā)明模塊進(jìn)行設(shè)定，并基于數(shù)據(jù)模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。通過以太網(wǎng)連接多個(gè)本發(fā)明和監(jiān)控主機(jī)，本發(fā)明為接入以太網(wǎng)的監(jiān)控主機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)OPC UA服務(wù)器接口，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)通信和訪問權(quán)限的管理。因本發(fā)明采用了 OPC UA通用數(shù)據(jù)接口服務(wù)，可便捷的為第三方監(jiān)控主機(jī)提供便捷的標(biāo)準(zhǔn)化集成。
[0008]本發(fā)明內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)采用以下技術(shù)方案:它包含:板級(jí)驅(qū)動(dòng)程序(I)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)，OPC UA協(xié)議棧(3)，外設(shè)驅(qū)動(dòng)(4)，TCP/IP協(xié)議棧(5)，OPC UA服務(wù)器模塊
(6)，配置模塊(7)，PR0FIBUS-DP主站模塊(8)，MODBUS主站模塊(9)。
[0009]本發(fā)明內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)采用以下技術(shù)方案:它包含:現(xiàn)場總線收發(fā)器(I)，磁耦隔離
(2)，現(xiàn)場總線主站(3)，雙口 RAM(4)，1-MX287 處理器(5), NAND FLASH 芯片(6)，DDR2 內(nèi)存芯片(7)，SD卡(8)，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(9)，第一以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(10)，第二以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)。
[0010]現(xiàn)有OPC數(shù)采技術(shù)都需要通過專有的控制主站和專有的OPC服務(wù)站才可以實(shí)現(xiàn)，成本較高，靈活性也比較差，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于將兩者合二為一，從嵌入式設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)了支持OPC UA的數(shù)據(jù)采集模塊。并且本發(fā)明可以支持靈活的配置，現(xiàn)有的OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)源模型往往采用底層現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)的數(shù)據(jù)模型或企業(yè)內(nèi)部定義數(shù)據(jù)接口，與上層監(jiān)控和管理系統(tǒng)的要求并不完全一致，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差。本發(fā)明可通過專有的配置軟件為工業(yè)企業(yè)提供一種標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展性好的、低成本的數(shù)據(jù)集成策略。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的軟件框架示意圖
[0012]圖2為本發(fā)明的硬件框架示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0013]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的軟件【具體實(shí)施方式】采用以下技術(shù)方案:基于1-MX287處理器的嵌入式OPC UA技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊，其包括板級(jí)驅(qū)動(dòng)程序(I)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)，OPC UA協(xié)議棧(3)，外設(shè)驅(qū)動(dòng)(4)，TCP/IP協(xié)議棧(5)，OPC UA服務(wù)器(6)，模塊配置(7)，PR0FIBUS-DP主站模塊(8)，MODBUS主站模塊(9)。所述的板級(jí)驅(qū)動(dòng)程序(I)能夠保證操作系統(tǒng)在1-MX287芯片上的穩(wěn)定運(yùn)行；所述的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)可以采用支持ARM架構(gòu)的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具備多任務(wù)及虛擬內(nèi)存特性；所述的OPC UA協(xié)議棧(3)為OPC UA服務(wù)器(6)提供了基礎(chǔ)函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)建模、地址映射和通信基礎(chǔ)功能；所述的外設(shè)驅(qū)動(dòng)⑷，包含以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，SPI驅(qū)動(dòng)，Local Bus驅(qū)動(dòng)，GP1驅(qū)動(dòng)，定時(shí)器驅(qū)動(dòng)等，為上層應(yīng)用提供了操作所需外設(shè)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)；所述的TCP/IP協(xié)議棧(5)能夠穩(wěn)定運(yùn)行在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)環(huán)境內(nèi)，并具備良好的網(wǎng)絡(luò)性能，其內(nèi)部的緩沖隊(duì)列應(yīng)滿足本發(fā)明使用要求；所述的OPC UA服務(wù)器(6)為接入的監(jiān)控主機(jī)提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA數(shù)據(jù)訪問接口與權(quán)限管理；所述的模塊配置(7)通過UDP接口接收來自上位機(jī)的配置信息，包括本發(fā)明的內(nèi)部數(shù)據(jù)模型配置和現(xiàn)場總線側(cè)儀表的信息；所述的PR0FIBUS-DP主站模塊⑶完成了對(duì)PROFIBUS-DP總線數(shù)據(jù)集成的功能；所述的MODBUS主站模塊(9)完成了對(duì)MODBUS總線數(shù)據(jù)集成的功能。
[0014]參照?qǐng)D2，本發(fā)明的硬件【具體實(shí)施方式】采用以下技術(shù)方案:一種基于1-MX287處理器的OPC UA數(shù)據(jù)采集模塊，其包括現(xiàn)場總線收發(fā)器(I)，磁耦隔離(2)，現(xiàn)場總線主站(3)，雙口 RAM (4)，1-MX287 處理器(5), NAND FLASH 芯片(6)，DDR2 內(nèi)存芯片(7)，SD 卡(8), RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(9)，第一以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(10)，第二以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)。
[0015]參照?qǐng)D2，所述的現(xiàn)場總線收發(fā)器⑴包括現(xiàn)場總線側(cè)的保護(hù)電路和485收發(fā)器兩部分，保護(hù)電路對(duì)來自現(xiàn)場總線和外界的浪涌、靜電和脈沖群進(jìn)行防護(hù)，保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、共模電感、總線終端匹配等，485收發(fā)器實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP和MODBUS差分信號(hào)向TTL電平的串行單端信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并從芯片級(jí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)485總線短路的防護(hù)；所述的磁耦隔離(2)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線側(cè)與數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部通信的電氣隔離；所述的現(xiàn)場總線主站⑶通過不同的固件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 PR0FIBUS-DP主站功能和MODBUS主站功能；所述的雙口RAM(4)通過固定的地址分配實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線主站(3)與1-MX287處理器(5)的雙向通信；所述的1-MX287處理器(5)是本發(fā)明的核心器件，圖1中描述的軟件架構(gòu)及功能塊物理上均運(yùn)行在1-MX287處理器(5)中；NAND FLASH芯片(6)通過并行數(shù)據(jù)地址總線與1-MX287處理器(5)連接，用于存儲(chǔ)1-MX287處理器(5)運(yùn)行固件的鏡像文件；DDR2內(nèi)存芯片(7)通過EMI總線與1-MX287處理器(5)連接，DDR2內(nèi)存芯片(7)為在1-MX287處理器(5)中運(yùn)行的固件提供運(yùn)行內(nèi)存；SD卡存儲(chǔ)⑶為1-MX287處理器(5)存儲(chǔ)其運(yùn)行日志，并支持熱插拔功能；RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(9)為日志、診斷、報(bào)警等功能提供準(zhǔn)確當(dāng)前時(shí)間；所述的第一以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(10)為OPC UA通信提供了物理的通信接口 ；所述的第二以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)為本發(fā)明的配置接口提供了物理通信接口。
[0016]本【具體實(shí)施方式】通過嵌入式的OPC UA技術(shù)代替了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(DCS、PLC)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)通信環(huán)境下，采集的數(shù)據(jù)與管理層、控制層的快速標(biāo)準(zhǔn)化集成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于1-MX287處理器的OPC UA數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:包括現(xiàn)場總線收發(fā)器(I)，磁耦隔離(2)，現(xiàn)場總線主站(3)，雙口 RAM(4)，1-MX287處理器(5)，NAND FLASH芯片(6)，DDR2內(nèi)存芯片(7)，SD卡(8)，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(9)，第一以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(10)，第二以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的現(xiàn)場總線收發(fā)器(I)包括現(xiàn)場總線側(cè)的保護(hù)電路和485收發(fā)器兩部分，所述的保護(hù)電路對(duì)來自現(xiàn)場總線和外界的浪涌、靜電和脈沖群進(jìn)行防護(hù)，所述的保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、共模電感、總線終端匹配；所述的485收發(fā)器實(shí)現(xiàn)PR0FIBUS-DP和MODBUS差分信號(hào)向TTL電平的串行單端信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并從芯片級(jí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)485總線短路的防護(hù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的磁耦隔離(2)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線側(cè)與數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部通信的電氣隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的現(xiàn)場總線主站(3)通過不同的固件設(shè)計(jì)完成PR0FIBUS-DP主站功能和MODBUS主站功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的雙口RAM(4)通過固定的地址分配實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線主站(3)與1-MX287處理器(5)的雙向通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的NANDFLASH芯片(6)通過并行數(shù)據(jù)地址總線與所述的1-MX287處理器(5)連接，用于存儲(chǔ)所述的1-MX287處理器(5)運(yùn)行固件的鏡像文件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的DDR2內(nèi)存芯片(7)通過EMI總線與所述的1-MX287處理器(5)連接，所述的DDR2內(nèi)存芯片(7)為在所述的1-MX287處理器(5)中運(yùn)行的固件提供運(yùn)行內(nèi)存。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的SD卡(8)為所述的1-MX287處理器(5)存儲(chǔ)其運(yùn)行日志，并支持熱插拔功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(9)為日志、診斷、報(bào)警提供準(zhǔn)確的當(dāng)前時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述的第一以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(10)為OPC UA通信提供了物理的通信接口 ；所述的第二以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)為配置接口提供了物理通信接口。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于I-MX287處理器的嵌入式OPC UA的數(shù)據(jù)采集模塊?，F(xiàn)有OPC數(shù)據(jù)采集解決方案都需要通過專有的控制主站和專有的OPC服務(wù)站才可以實(shí)現(xiàn)，成本較高，靈活性也比較差。本發(fā)明通過可配置的數(shù)據(jù)模型，以及嵌入式平臺(tái)下的OPC UA通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的多種通信架構(gòu)下，底層現(xiàn)場數(shù)據(jù)與上層監(jiān)控和管理系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)化。
【IPC分類】G05B19-418
【公開號(hào)】CN104635708
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510075312
【發(fā)明人】閆曉風(fēng), 趙艷領(lǐng), 劉敏, 張春庭, 鄭秋平
【申請(qǐng)人】機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日