无CPU工业控制计算机设计及分析解析.docx

无CPU工业控制计算机设计及分析摘要：介绍了无CPU工业控制计算机的硬件架构和显示操作画面的设计方案。所介绍的无CPU工业控制计算机通过对FPGA芯片内部的可编程逻辑进行配置实现工控机的算术运算、逻辑处理以及数据通信等逻辑功能，在运行过程中完全不包含CPU和软件。具有系统简单、容易被进行充分测试和验证，信息安全性和功能安全性高等优势。引言高铁、银行、航空航天、军事、石化、医疗等领域中，工业控制计算机的故障可能会导致重大的人员伤亡或者设备财产的重大损失。如“震网”“火焰”“毒区”等病毒攻击的出现，给工业界造成严重的损失。在上述重要领域，为了避免引起人员的伤亡或设备财产的重大损失，对于这些领域中的工业控制计算机提出了非常苛刻的要求。这些领域的工业控制计算机负责对相关设备或装置的温度、压力等参数的动态数据在友好的人机界面上连续进行显示，使得操作人员可以形象直观地获知各种关键信息，也可使操作人员通过鼠标、键盘等输入设备对相关的设备和装置进行操作，保证设备和装置处于安全稳定的状态。高速列车上的安全计算机、航空工业的机载图形显示系统、银行的ATM机等都属于此类系统，它们对于高速列车、航空航天、银行ATM机等领域内设备的安全运行起着至关重要的作用。为了解决上述问题，国内外很多企业对传统的工业控制计算机做出了很多修改和优化。但是由于CPU和操作系统为了实现其通用性的目标，往往设计的非常复杂，难以完全满足实际工作场合对与工业控制计算机在信息安全和功能安全方面的目标。上海凌先电子科技有限公司开创性地研制出无CPU工业控制计算机，通过对FPGA芯片内部的硬件资源进行配置来实现各种功能，在运行过程中完全不包含CPU和操作系统等各种软件，可有效降低对系统进程充分测试验证的难度，保证工业控制计算机的具有很高的功能安全特性；同时也可有效地提高其抵抗病毒、蠕虫、木马等恶意攻击的能力，保证工业控制计算机具有很高的信息安全特征。无CPU的工业控制计算机特征无CPU的工业控制计算机在运行过程中不包含CPU和操作系统等各种软件，具有以下特征：采用FPGA实现工业控制计算机的所有逻辑功能；运行过程中不包含操作系统和CPU等复杂的软硬件；有效抵抗计算机病毒感染等造成的威胁，具备很高的信息安全性；系统简单，容易进行充分的测试及验证，具备很高的功能安全性；采用FPGA实现高速数据处理和运算，具备很高的数据处理性能；软件和硬件成本较常规工业控制计算机要低很多。工控机人机画面实时切换，有效避免死机等运行故障；根据实际需要定制开发功能，避免多余的功能对工控机造成不利影响。更有效地避免硬件过时所带来的不利影响。无CPU工业控制计算机的架构本文提出的无CPU的工业控制计算架构如图1所示。无CPU的工业控制计算基于FPGA芯片开发而成，其中FPGA芯片也可采用具有相同逻辑功能的ASIC芯片进行代替。图1. 无CPU工业控制计算机架构?由图1可见，无CPU工业控制计算机包括输入设备、工控机逻辑处理模块、人机接口模块、外设接口模块、数据存储模块、显示接口模块以及显示设备。人机接口模块、显示接口模块、外设接口模块、数据存储模块都直接与工控机逻辑处理模块相连接。?显示接口模块与显示设备相连接，人机接口模块与所述的输入设备相连接，外设接口模块与外部设备相连接。图1中的显示设备为具备VGA接口的液晶显示器，用以接收显示接口模块发送来的符合VGA显示设备接口要求的显示操作画面的图像信号并将其发送至液晶显示器上显示。图1中的输入设备包含鼠标和键盘，用于接收用户的输入信号后，将所述的输入信号发送至所述的人机接口模块；工控机逻辑处理模块，用于对外设接口模块发送来的动态数据以及人机接口模块发送来的输入信号进行处理，使无CPU工业控制计算机实现用户登录及各种功能，并生成显示操作画面的图像信号发送至显示接口模块，以及生成对外部设备的控制信号发送至外设接口模块；显示接口模块，用于接收所述的工控机逻辑处理模块发送来的显示操作画面的图像信号，并发送至显示设备；外设接口模块，用于接收外部设备发送来的动态数据并将其发送至所述的工控机逻辑处理模块，另外，外设接口模块接收工控机逻辑处理模块生成的对外部设备进行控制的信号并发送至外部设备；人机接口模块，用于接收输入设备发送来的输入信号，并将所述的输入信号发送至工控机逻辑处理模块；工控机逻辑处理模块生成显示操作画面的图像信号发送至显示接口模块，从而将相应的图像信号发送至显示设备使其显示用户登录及各个功能模块的显示操作画面所对应的图像；所述的无CPU工业控制计算机在运行过程中，不包含CPU、显示芯片等硬件和操作系统、显示操作画面组态软件等软件。?图1中的输入设备包括鼠标和键盘，其中鼠标可以采用轨迹球代替。工控机逻辑处理模块主要由FPGA芯片及其时钟电路等支持电路组成。优选地，所述的