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1、(10)申请公布号 CN 103699031 A (43)申请公布日 2014.04.02 CN 103699031 A (21)申请号 201310659159.X (22)申请日 2013.12.06 G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 杭州电子科技大学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区 2 号大街 (72)发明人 黄继业 盛庆华 高明煜 曾毓 何志伟 (74)专利代理机构 杭州赛科专利代理事务所 33230 代理人 占国霞 (54) 发明名称 用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重 构系统及方法 (57) 摘要 本发明实施例公开了用于触摸显示工业控制。
2、 器的 IO 处理动态重构系统及方法， 其中一实施例 中包括 ： 带触摸控制的 LCD 屏图形显示控制单元， 主要由单片机构成的主控制器部分， 完成输入输 出功能的外围辅助电路， 由FPGA芯片构成的IO协 处理器， 其中 FPGA 芯片用自定义总线方式与主控 制器中的单片机相连接， 协处理器的时钟与单片 机的时钟相分离， 结合单片机的软件步骤编程， 实 现IO扩展功能， 主控制器中的单片机连接FPGA芯 片的配置接口以实现IO处理的动态重构。 本发明 通过在触摸显示工业控制器的主控制器中增加包 括 FPGA 构成的协处理器， 为触摸显示工业控制器 提供可动态重构的多功能 IO 处理的支持系统。
3、。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103699031 A CN 103699031 A 1/1 页 2 1. 一种用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统， 包括 ： 带触摸控制的 LCD 屏图形显示控制单元 (101)， 主要由单片机构成的主控制器部分 (102)， 完成输入输出功能的外围辅助电路 (103)， 其特征在于， 进一步包括由 FPGA 芯片 构成的 IO 协处理器 (104)， 其中 FPGA 芯片用自定。
4、义总线方式与主控制器中的单片机相连 接， 协处理器的时钟与单片机的时钟相分离， 结合单片机的软件步骤编程， 实现普通 IO 扩 展、 高速脉冲输入接口、 光电编码器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步进电机控制输出、 PWM 输出功能 ； 主控制器中的单片机连接 FPGA 芯片的配置接口， 在单片机程序的运行过程中， 对 FPGA 芯片中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。 2.根据权利要求1所述的用于触摸显示工业控制器的IO处理动态重构系统， 其特征在 于， 协处理器的时钟频率高于主控制器的单片机的时钟频率。 3.根据权利要求1或2所述的用于触摸显示工业控制器的IO处理动态重构。
5、系统， 其特 征在于， 在主控制器的单片机中预先存储多个FPGA配置数据， 每种FPGA配置数据针对不同 的 IO 处理模式， 根据应用的实际情况， 由主控制器的单片机完成 FPGA 芯片的配置。 4. 一种用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构方法， 应用于触摸显示工业控制 器， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 在触摸显示工业控制器的主控制器中增加包括 FPGA 构成的协处理器 ； 协处理器用自定义总线方式与主控制器中的单片机相连接 ； 协处理器的时钟与主控制器的单片机的时钟相分离设置， 结合主控制器的单片机的软 件步骤编程， 用以完成触摸显示工业控制器的普通 IO 扩展、 高速脉冲输。
6、入接口、 光电编码 器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步进电机控制输出、 PWM 输出 ； 功能 ； 同时主控制器中的单片机连接协处理器的 FPGA 芯片的配置接口， 用以在单片机程序 的运行过程中， 对 FPGA 芯片中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。 5.根据权利要求4所述的用于触摸显示工业控制器的IO处理动态重构方法， 其特征在 于， 协处理器的时钟频率高于主控制器的单片机的时钟频率。 6.根据权利要求4或5所述的用于触摸显示工业控制器的IO处理动态重构方法， 其特 征在于， 在主控制器的单片机中预先存储多个FPGA配置数据， 每种FPGA配置数据针对不同 的 IO 。
7、处理模式， 根据应用的实际情况， 由主控制器的单片机完成 FPGA 芯片的配置。 权 利 要 求 书 CN 103699031 A 2 1/5 页 3 用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统及方法 技术领域 0001 本发明所述的一种用于工业控制器的 IO 处理动态重构的系统及方法是属于工业 控制设备领域， 当触摸显示工业控制器需要多功能 IO 处理时， 为触摸显示工业控制器中 IO 资源有限的主控制器部分加入 FPGA(Field Programmable Gate Array， 现场可编程门阵 列 ) 芯片构成 IO 协处理器， 协助主控制器中的单片机完成部分 IO 处理功能， 。
8、同时提供 IO 处理功能的动态重构。 背景技术 0002 目前触摸显示工业控制器以带触摸功能的 TFT LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display， 薄膜场效应晶体管液晶显示器 )， 也称为真彩色液晶作为显示和 操作界面， 可以直观地显示工业控制流程及当前控制状态， 同时具有小体积和低功耗的特 点， 获得了较为广泛的应用。 随着应用领域的不断扩大， 对工业控制触摸显示器的功能要求 也越来越多， 有些触摸显示工业控制器甚至复合了 PLC( 可编程控制器 ) 的功能， 可以处理 来自工业控制现场的传感器的模拟或数字信号， 然后按照工业控制流程给出。
9、相应的输出控 制信号。 0003 随着工业控制技术的发展， 工业控制对象的控制信号、 反馈信号和传感器信号， 对 于每种工业控制现场往往都有不同的处理要求， 而且处理信号的速度要求越来越高。 这样， 在设计触摸显示工业控制器的时候， 势必要支持多功能 IO 处理。参见图 1 所示为一个触摸 显示工业控制器的典型构成， 可以分为下列三个部分， 带触摸控制的 LCD 屏图形显示控制 单元 101， 由单片机构成的主控制器部分 102， 是整个系统的控制核心 ； 以及完成输入输出 功能的外围辅助电路103。 由于上述主控制器单元部分， 采用IO资源有限的单片机， 无法进 行更多 IO 功能的处理， 。
10、需要更换不同的单片机以适应不同的工业控制应用。同时， 单片机 上 IO 资源的速度受制于单片机系统时钟的限制， 对高速信号处理无法保证精度。为了解决 现有触摸显示工业控制器的上述技术问题， 本发明提供了一种用于工业控制器的 IO 处理 动态重构的方法及系统， 可以完全解决上述技术问题。 发明内容 0004 为解决上述问题， 本发明的目的之一在于提供一种用于工业控制器的 IO 处理动 态重构的系统， 通过在触摸显示工业控制器的主控制器中增加包括 FPGA 构成的协处理器， 为触摸显示工业控制器提供可动态重构的多功能 IO 处理的支持系统。 0005 为实现上述目的， 本发明的技术方案为 ： 00。
11、06 一种用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统， 包括 ： 0007 带触摸控制的 LCD 屏图形显示控制单元， 0008 主要由单片机构成的主控制器部分， 0009 完成输入输出功能的外围辅助电路， 进一步包括由 FPGA 芯片构成的 IO 协处 理器， 其中 FPGA 芯片用自定义总线方式与主控制器中的单片机相连接， 协处理器的时钟与 说 明 书 CN 103699031 A 3 2/5 页 4 单片机的时钟相分离， 结合单片机的软件步骤编程， 实现多个通道的普通 IO 扩展、 高速脉 冲输入接口、 光电编码器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步进电机控制输出、 PWM 输出功能。
12、， 主控制器中的单片机连接FPGA芯片的配置接口， 在单片机程序的运行过程中， 对FPGA芯片 中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。 0010 优选地， 所述协处理器的时钟频率高于主控制器的单片机的时钟频率。 0011 优选地， 在主控制器的单片机中预先存储多个FPGA配置数据， 每种FPGA配置数据 针对不同的IO处理模式， 根据应用的实际情况， 由主控制器的单片机完成FPGA芯片的动态 配置。 0012 本发明的又一目的在于提供一种用于工业控制器的 IO 处理动态重构的方法， 通 过在触摸显示工业控制器的主控制器中增加包括 FPGA 构成的协处理器， 为触摸显示工业 控制。
13、器提供可动态重构的多功能 IO 处理的支持。 0013 为实现上述目的， 本发明的又一技术方案为 ： 0014 一种用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构方法， 应用于触摸显示工业控 制器， 包括以下步骤 ： 0015 在触摸显示工业控制器的主控制器中增加包括 FPGA 构成的协处理器 ； 0016 协处理器用自定义总线方式与主控制器中的单片机相连接 ； 0017 协处理器的时钟与主控制器的单片机的时钟相分离设置， 结合主控制器的单片机 的软件步骤编程， 用以完成触摸显示工业控制器的普通 IO 扩展、 高速脉冲输入接口、 光电 编码器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步进电机控制输出、 P。
14、WM 输出功能 ； 0018 同时主控制器中的单片机连接协处理器的 FPGA 芯片的配置接口， 用以在单片机 程序的运行过程中， 对 FPGA 芯片中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。 0019 进一步地， 协处理器的时钟频率高于主控制器的单片机的时钟频率。 0020 进一步地， 在主控制器的单片机中预先存储多个FPGA配置数据， 每种FPGA配置数 据针对不同的IO处理模式， 根据应用的实际情况， 由主控制器的单片机完成FPGA芯片的动 态配置。 0021 与现有技术采用的独立主控制器相比， 本发明的有益效果如下 ： 通过由 FPGA 芯片 构成的协处理器的加入使得触摸显示。
15、工业控制器可以更为灵活地实现工业控制中 IO 处理 功能， 实现无需更换硬件， 通过软件实现输入输出硬件的重构动态改变 IO 处理功能， 从而 扩大了触摸显示工业控制器的应用范围。 附图说明 0022 图 1 为现有技术中触摸显示工业控制器的典型系统框图 ； 0023 图 2 为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统的原理 框图 ； 0024 图 3 为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统的协处 理器中 FPGA 的逻辑原理框图 ； 0025 图 4 为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系统的主控 制器中单片机与协处理器。
16、中 FPGA 的连接图 ； 0026 图 5 为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构方法的步骤 说 明 书 CN 103699031 A 4 3/5 页 5 流程图。 具体实施方式 0027 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。 0028 相反， 本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、 修 改、 等效方法以及方案。进一步， 为了使公众对本发明有更好的了解， 在下文对本发明的细 节描述中， 详尽描述了一。
17、些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的 描述也可以完全理解本发明。 0029 参考图 2， 所示为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构系 统的结构框图， 其包括带触摸控制的 LCD 屏图形显示控制单元 101， 主要由单片机构成的主 控制器部分102， 完成输入输出功能的外围辅助电路103以及由FPGA芯片构成的IO协处理 器 104， 其中 FPGA 芯片用自定义总线方式与主控制器中的单片机相连接， 协处理器的时钟 与单片机的时钟相分离， 结合单片机的软件步骤编程， 实现 IO 扩展、 多通道高速脉冲捕获 计数、 多通道PWM输出功能， 主控制器中的单。
18、片机连接FPGA芯片的配置接口， 在单片机程序 的运行过程中， 对 FPGA 芯片中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。例如一具 体应用实例中， 采用 Altera 生产的型号为 EPlC6 的 FPGA， 构成 IO 协处理器， 协助主控制器 中的单片机完成部分 IO 处理功能， 并用自定义总线 ( 串行总线 ) 方式与主控制器中的单片 机相连接， 但 IO 协处理器的时钟与单片机的时钟相分离， 结合单片机的软件步骤编程， 实 现多通道的普通 IO 扩展、 高速脉冲输入接口、 光电编码器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步 进电机控制输出、 PWM 输出功能。同时主控制器中的单。
19、片机连接 FPGA 芯片 ( 例如 EP4CE22) 的 PS( 被动从串模式 ) 配置接口， 在单片机程序的运行过程中， 对 FPGA 中的逻辑进行动态 配置， 以实现 IO 处理的动态重构， 增加应用的灵活性。 0030 本发明实施例的多功能 IO 处理的实现， 就是构建在 FPGA 芯片中的。构建的逻辑 框图见图 3， 下面分模块描述 ： 0031 1、 串行总线控制器 0032 就是FPGA与单片机连接的自定义总线， 用类似于SPI总线协议的串行总线的方式 实现 FPGA 与单片机的数据交换。 0033 2、 内部并行总线 0034 连接 FPGA 中各个逻辑模块， 为了方便处理使用并。
20、行方式， 可包括普通 IO 扩展， 用 于工业现场高速脉冲输入采集的高速脉冲输入， 用于电机的速度或位置反馈输入的光电编 码器输入， 用于连接交流电机的伺服控制器的交流伺服控制脉冲输出， 用于步进电机控制 的步进电机控制输出以及 PWM 输出功能。 0035 2.1、 普通 IO 扩展 0036 用于完成触摸显示工业控制器的 IO 扩展功能， 利用 FPGA 的空余 IO 管脚提供普通 IO 功能， IO 的数目有具体的工业控制要求确定， 可以动态重构。 0037 2.2、 高速脉冲输入 0038 用于完成触摸显示工业控制器的高速脉冲计数功能， 利用 FPGA 的空余 IO 管脚和 说 明 书。
21、 CN 103699031 A 5 4/5 页 6 逻辑资源提供多个高速脉冲计数器， 计数器的数目有具体的工业控制要求确定， 可以动态 重构。 0039 2.3、 光电编码器输入 0040 用于完成触摸显示工业控制器的电机的速度或位置反馈输入， 利用 FPGA 空余 IO 管脚和逻辑资源提供可动态重构的光电编码器输入 0041 2.4、 PWM 输出 0042 用于完成触摸显示工业控制器的 PWM 输出功能， 利用 FPGA 的空余 IO 管脚和逻辑 资源提供 PWM 输出功能， PWM 输出通道的数目有具体的工业控制要求确定， 可以动态重构。 0043 FPGA 构成 IO 协处理器与主控制。
22、器部分中单片机用自定义总线方式与主控制器中 的单片机相连接， 但 IO 协处理器的时钟与单片机的时钟相分离， 实现可以加比单片机高的 时钟， 以提高 IO 处理的速度。 0044 参见图4所示， 所示为主控制器中的单片机连接协处理器的FPGA芯片的配置接口 示意图， 在单片机程序的运行过程中， 对 FPGA 中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动 态重构， 增加应用的灵活性。在单片机中预先存储多个 FPGA 配置数据， 每种数据针对不同 的 IO 处理模式， 根据应用的实际情况， 由单片机完成 FPGA 的配置。 0045 通过以上本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态。
23、重构系统， 通 过不同的配置文件在系统工作时， 对 FPGA 进行配置加载实现多种输入输出接口的更换， 比 如 ： 伺服电机的驱动输出、 步进电机驱动输出、 多种模式电磁铁驱动、 电磁阀驱动， 光电编码 器输入、 脉冲输入、 接近开关输入， 可以实现无需更换硬件， 通过软件实现输入输出硬件的 重构， 其中电磁铁驱动、 接近开关输入都属于普通 IO 范畴。 0046 以下将详细阐述与以上产品实施例对应的方法实施例的实施过程。 参见图5， 所示 为本发明实施例的用于触摸显示工业控制器的 IO 处理动态重构方法的步骤流程图， 其包 括以下步骤 ： 0047 S101， 在触摸显示工业控制器的主控制器。
24、中增加包括 FPGA 构成的协处理器 ； 0048 S102， 协处理器用自定义总线方式与主控制器中的单片机相连接 ； 0049 S103， 协处理器的时钟与主控制器的单片机的时钟相分离设置， 结合主控制器的 单片机的软件步骤编程， 用以完成触摸显示工业控制器的多通道的普通 IO 扩展、 高速脉冲 输入接口、 光电编码器输入、 交流伺服控制脉冲输出、 步进电机控制输出、 PWM 输出 IO 扩展、 多通道高速脉冲捕获计数、 多通道 PWM 输出功能 ； 0050 在具体应用实例中， 可设置协处理器的时钟频率高于主控制器的单片机的时钟频 率。 0051 S104， 同时主控制器中的单片机连接协处。
25、理器的 FPGA 芯片的配置接口， 用以在单 片机程序的运行过程中， 对 FPGA 芯片中的逻辑进行动态配置， 以实现 IO 处理的动态重构。 0052 在具体应用实例中， 可在主控制器的单片机中预先存储多个 FPGA 配置数据， 每种 FPGA 配置数据针对不同的 IO 处理模式， 根据应用的实际情况， 由主控制器的单片机完成 FPGA 芯片的动态配置。 0053 通过不同的配置文件在系统工作时， 对 FPGA 进行配置加载实现多种输入输出接 口的动态重构， 比如 ： 伺服电机的驱动输出、 步进电机驱动输出、 多种模式电磁铁驱动、 电磁 阀驱动、 光电编码器输入、 脉冲输入、 接近开关输入，。
26、 可以实现无需更换硬件， 通过软件实现 说 明 书 CN 103699031 A 6 5/5 页 7 输入输出硬件的重构， 从而扩大了触摸显示工业控制器的应用范围。 0054 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103699031 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103699031 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103699031 A 9 3/3 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103699031 A 10 。