[实用新型]一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器

摘要

本实用新型涉及一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器。本实用新型包括标准3U机箱、主控单元板、数字量单元板、模拟量单元板、多串口单元板、电源单元、VME总线背板。主控单元板采用ARM微处理器和FPGA芯片，各功能单元板通过VME总线背板与主控单元板连接，实现高速通信。各功能单元板通过硬件设置地址，可互换背板插槽位置。控制器具有较高的测量精度和多种测量范围，能对信号进行多种复杂处理，可实现VGA/LCD显示、多路数字量输入输出、数模/模数转换、多路串行通信、网络通信等功能。控制器提供的良好人机界面，能帮助用户实现对信号组态控制、监测的功能，可满足现代工业控制的要求，特别适合于一体化工业控制领域的应用。

主权项

一种基于ARM和FPGA的嵌入式工业控制器，包括主控单元板(1)、数字量单元板(2)、模拟量单元板(3)、多串口单元板(4)、电源单元(5)、VME总线背板(6)、3U机箱(7)，其特征在于： a、3U机箱(7)内底部设有VME总线背板(6)，VME总线背板(6)上设有8个单元板插槽，依次插有主控单元板(1)、数字量单元板(2)、模拟量单元板(3)、多串口单元板(4)、电源单元(5)，各功能单元板顶端与3U机箱(7)顶板固定连接，各功能单元板通过VME总线背板(6)与主控单元板(1)连接，实现高速通信；各功能单元板之间可以通过硬件设置地址，相互互换插槽位置； b、主控单元板(1)是基于ARM9微处理器和大规模可编程集成电路FPGA技术实现的；通过ARM9微处理器内部集成的两路USB主机端口实现USB通信；ARM9微处理器内部具有JTAG型扫描链，提供JTAG接口，实现系统在线调试；主控单元板(1)运用RS232接口芯片，实现串口通信；主控单元板(1)采用低功耗高性能的以太网控制收发器，支持传输速率达10M和100M的以太网接口；主控单元板(1)选择独立图形显示控制器实现LCD显示功能；主控单元板(1)由VME总线背板(6)提供+5V、+3.3V电源经DC‑DC电源变换，为各集成电路芯片供电；晶体振荡电路用于向主控单元板(1)上的ARM9微处理器和其他需要时钟的外设电路提供工作时钟；SDRAM存储器用于存放系统运行时的程序和数据；通过电阻式触摸屏，实现人机交互；主控单元板(1)运用FPGA芯片完成VME总线主模块驱动，总线仲裁，总线中断，地址译码和存储单元监视器等功能，主控单元板(1)运用ARM9微处理器实现与各功能单元板数据交换、数据存储以及控制等功能； c、数字量单元板(2)中的16路数字输入信号采用光电耦合器进行隔离；数字输 入信号经光耦隔离后送入FPGA芯片进行逻辑处理，并通过VME总线背板(6)，发送给主控单元板(1)；当主控单元板(1)需要进行输出控制时，通过将数据经由VME总线背板(6)发送给FPGA芯片进行逻辑处理后，采用光继电器进行隔离，实现数字信号的输出； d、模拟量单元板(3)中的运放电路采用200V共模电压差分放大器U2，差分电压信号的负端与正端分别与U2芯片的2脚和3脚相连，U2芯片的6脚串接电阻R2后与输出连接；模拟量单元板(3)中的DA转换电路，数字量通过DA转换器U4转换为模拟量，再经高速低噪声运算放大器U9进行放大，DA转换器U4的9脚与数字输入端DA‑D‑IN连接，U4的17脚与放大器U9的3脚连接，U9的2脚与模拟开关U7、U12、U15的1脚连接，放大器U9的输出6脚一路通过电阻R6与模拟开关U11的8脚连接，另一路与U11的2脚连接；DA转换器U4的14、15脚通过电阻R3与模拟开关U15的8脚连接；模拟开关U11的1脚与U12的1脚相连，并通过电阻R7与U12的2脚连接；模拟开关U7的8脚与U10的1脚连接，模拟开关U10的8脚通过电阻R4接地，模拟开关U10的2脚通过电阻R5接地； e、多串口单元板(4)中的串行通讯接口模块为接口芯片，通过隔离电路藕接于FPGA控制器；FPGA芯片收到来自串口的数据后，通过总线驱动电路，将数据经由VME总线背板(6)送给主控单元板(1)，实现主控单元板(1)与多串口单元板(4)的互联互通； f、电源单元(5)采用ATX一体化电源AC220V/50Hz可为VME总线背板(6)各功能单元提供+5V、+12V、‑12V电压输入。