一种基于IMX287处理器的OPCUA数据采集模块.pdf

本发明公开了一种基于I-MX287处理器的嵌入式OPC UA的数据采集模块。现有OPC数据采集解决方案都需要通过专有的控制主站和专有的OPC服务站才可以实现，成本较高，灵活性也比较差。本发明通过可配置的数据模型，以及嵌入式平台下的OPC UA通信技术，实现工业自动化领域的多种通信架构下，底层现场数据与上层监控和管理系统集成的标准化。

权利要求书
1.  一种基于I-MX287处理器的OPC UA数据采集模块，其特征在于：包括现场总线收发 器(1)，磁耦隔离(2)，现场总线主站(3)，双口RAM(4)，I-MX287处理器(5)，NAND  FLASH芯片(6)，DDR2内存芯片(7)，SD卡(8)，RTC实时时钟(9)，第一以太网物理 层收发器(10)，第二以太网物理层收发器(11)。

2.  根据权利要求1所述的数据采集模块，其特征在于：所述的现场总线收发器(1)包括 现场总线侧的保护电路和485收发器两部分，所述的保护电路对来自现场总线和外 界的浪涌、静电和脉冲群进行防护，所述的保护电路包括自恢复保险丝、TVS管、 共模电感、总线终端匹配；所述的485收发器实现PROFIBUS-DP和MODBUS差分信 号向TTL电平的串行单端信号的转化，并从芯片级别实现对485总线短路的防护。

3.  根据权利要求2所述的数据采集模块，其特征在于：所述的磁耦隔离(2)实现了现场 总线侧与数据采集模块内部通信的电气隔离。

4.  根据权利要求3所述的数据采集模块，其特征在于：所述的现场总线主站(3)通过不 同的固件设计完成PROFIBUS-DP主站功能和MODBUS主站功能。

5.  根据权利要求1所述的数据采集模块，其特征在于：所述的双口RAM(4)通过固定的 地址分配实现现场总线主站(3)与I-MX287处理器(5)的双向通信。

6.  根据权利要求3所述的数据采集模块，其特征在于：所述的NAND FLASH芯片(6)通过 并行数据地址总线与所述的I-MX287处理器(5)连接，用于存储所述的I-MX287处 理器(5)运行固件的镜像文件。

7.  根据权利要求6所述的数据采集模块，其特征在于：所述的DDR2内存芯片(7)通过 EMI总线与所述的I-MX287处理器(5)连接，所述的DDR2内存芯片(7)为在所述的 I-MX287处理器(5)中运行的固件提供运行内存。

8.  根据权利要求1所述的数据采集模块，其特征在于：所述的SD卡(8)为所述的I-MX287 处理器(5)存储其运行日志，并支持热插拔功能。

9.  根据权利要求7所述的数据采集模块，其特征在于：所述的RTC实时时钟(9)为日志、 诊断、报警提供准确的当前时间。

10.  根据权利要求7所述的数据采集模块，其特征在于：所述的第一以太网物理层收发器 (10)为OPC UA通信提供了物理的通信接口；所述的第二以太网物理层收发器(11) 为配置接口提供了物理通信接口。

说明书一种基于I-MX287处理器的OPC UA数据采集模块
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，应用于工业自动化领域的数据标准化集成，具体涉及 工业控制领域的PROFIBUS-DP总线协议、MODBUS总线协议。
背景技术
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，工业控制系统需要的信息交换覆盖 从工段、车间、工厂企业乃至世界各地的市场。沟通的领域正在迅速覆盖从底层现场设备到 控制、管理的各个层次，但工业控制系统存在大量来自不同技术或生产厂家的产品，从底层 的I/O、数据采集板卡、各种层次的PLC和工业控制计算机，到大型的DCS控制系统，而且 工业控制系统中的多总线并存的局面将长期存在，计算机软件与工业硬件设备通讯协议之间 的接口越来越多样化。在传统的工业控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件 之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。驱动程序的开发大大加重了软件开发的工作量， 同时也为以后的设备和软件升级和系统的扩展带来了诸多问题。工业企业面临如何有效解决 系统内不同技术间的信息访问和互操作性的问题，并保障生产过程的持续稳定运行，提高系 统的可靠性、可用性。
现有数据集成有多种方式：将测量仪表加入到控制系统中，通过访问具备通信主站 功能的控制器(PLC、DCS等)实现数据访问；或将测量仪表组成单独的测量网络，通过网关或 通信板卡、以及具备主站功能的工控机或PLC等与上层管理系统实现集成；这些方式不具备 通用性，集成难度大，且成本较高。在现有集成方案中也常采用基于PC的OPC技术，作为与 上层管理系统和OPC服务器间的数据接口，但由于OPC技术对微软PC平台的依赖性较大，很 难在嵌入式平台下应用，在应用环境和可靠性，实时性上具有局限性。
为了解决上述问题，OPC基金会在2006年7月发布了新的OPC UA规范，IEC也相 应的组建了OPC UA工作组，进行相应的国际标准的制订。OPC UA通过采用WSDL定义消息， 实现了规范的平台无关性；并在原来OPC基础上定义了一套集成的服务，解决了现有OPC规 范在应用时服务重叠的问题；OPC UA采用了集成的地址空间，增加对象语义识别功能，并实 现了对信息模型的支持；另外，OPC UA采用冗余技术、安全模型等一系列机制，提高了安全 性、可靠性等方面的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于飞思卡尔I-MX287型CPU的嵌入式OPC UA数据采集模 块，采用一种不依赖专用主站(PLC或DCS等)的数据采集技术，实现在异构通信环境下，采 集底层数据与管理层、控制层的快速标准化集成。由于采用了最新的OPC UA标准和技术，相 对于目前广泛应用的数据采集技术(DCS、PLC)，具有更高的安全性和可扩展性。
本发明可实现对多种现场总线设备进行数据采集，其中包括PROFIBUS-DP总线设 备、MODBUS总线设备。
本发明可应用于流程工业采集系统中，本发明采集异构的现场总线数据，通过配置 接口可对本发明模块进行设定，并基于数据模型对采集到的数据进行分析与处理。通过以太 网连接多个本发明和监控主机，本发明为接入以太网的监控主机提供标准OPC UA服务器接口， 实现与监控主机的数据通信和访问权限的管理。因本发明采用了OPC UA通用数据接口服务， 可便捷的为第三方监控主机提供便捷的标准化集成。
本发明内部软件实现采用以下技术方案：它包含：板级驱动程序(1)，嵌入式实时操 作系统(2)，OPC UA协议栈(3)，外设驱动(4)，TCP/IP协议栈(5)，OPC UA服务器模块(6)， 配置模块(7)，PROFIBUS-DP主站模块(8)，MODBUS主站模块(9)。
本发明内部硬件实现采用以下技术方案：它包含：现场总线收发器(1)，磁耦隔离(2)， 现场总线主站(3)，双口RAM(4)，I-MX287处理器(5)，NAND FLASH芯片(6)，DDR2内存芯片 (7)，SD卡(8)，RTC实时时钟(9)，第一以太网物理层收发器(10)，第二以太网物理层收发器 (11)。
现有OPC数采技术都需要通过专有的控制主站和专有的OPC服务站才可以实现，成 本较高，灵活性也比较差，本发明的创新点在于将两者合二为一，从嵌入式设备层面实现了 支持OPC UA的数据采集模块。并且本发明可以支持灵活的配置，现有的OPC服务器的数据源 模型往往采用底层现场总线和工业以太网通信技术的数据模型或企业内部定义数据接口，与 上层监控和管理系统的要求并不完全一致，系统的可扩展性较差。本发明可通过专有的配置 软件为工业企业提供一种标准的、可扩展性好的、低成本的数据集成策略。
附图说明
图1为本发明的软件框架示意图
图2为本发明的硬件框架示意图
具体实施方式
参照图1，本发明的软件具体实施方式采用以下技术方案：基于I-MX287处理器的 嵌入式OPC UA技术的数据采集模块，其包括板级驱动程序(1)，嵌入式实时操作系统(2)，OPC  UA协议栈(3)，外设驱动(4)，TCP/IP协议栈(5)，OPC UA服务器(6)，模块配置(7)，PROFIBUS-DP 主站模块(8)，MODBUS主站模块(9)。所述的板级驱动程序(1)能够保证操作系统在I-MX287 芯片上的稳定运行；所述的嵌入式实时操作系统(2)可以采用支持ARM架构的通用实时操作系 统，具备多任务及虚拟内存特性；所述的OPC UA协议栈(3)为OPC UA服务器(6)提供了基础 函数库，包括数据建模、地址映射和通信基础功能；所述的外设驱动(4)，包含以太网驱动， SPI驱动，Local Bus驱动，GPIO驱动，定时器驱动等，为上层应用提供了操作所需外设的 驱动函数；所述的TCP/IP协议栈(5)能够稳定运行在嵌入式实时操作系统(2)环境内，并具备 良好的网络性能，其内部的缓冲队列应满足本发明使用要求；所述的OPC UA服务器(6)为接 入的监控主机提供了标准的OPC UA数据访问接口与权限管理；所述的模块配置(7)通过UDP 接口接收来自上位机的配置信息，包括本发明的内部数据模型配置和现场总线侧仪表的信息； 所述的PROFIBUS-DP主站模块(8)完成了对PROFIBUS-DP总线数据集成的功能；所述的MODBUS 主站模块(9)完成了对MODBUS总线数据集成的功能。
参照图2，本发明的硬件具体实施方式采用以下技术方案：一种基于I-MX287处理 器的OPC UA数据采集模块，其包括现场总线收发器(1)，磁耦隔离(2)，现场总线主站(3)， 双口RAM(4)，I-MX287处理器(5)，NAND FLASH芯片(6)，DDR2内存芯片(7)，SD卡(8)，RTC 实时时钟(9)，第一以太网物理层收发器(10)，第二以太网物理层收发器(11)。
参照图2，所述的现场总线收发器(1)包括现场总线侧的保护电路和485收发器两部 分，保护电路对来自现场总线和外界的浪涌、静电和脉冲群进行防护，保护电路包括自恢复 保险丝、TVS管、共模电感、总线终端匹配等，485收发器实现PROFIBUS-DP和MODBUS差分 信号向TTL电平的串行单端信号的转化，并从芯片级别实现对485总线短路的防护；所述的 磁耦隔离(2)实现了现场总线侧与数据采集模块内部通信的电气隔离；所述的现场总线主站(3) 通过不同的固件设计实现了PROFIBUS-DP主站功能和MODBUS主站功能；所述的双口RAM(4) 通过固定的地址分配实现了现场总线主站(3)与I-MX287处理器(5)的双向通信；所述的 I-MX287处理器(5)是本发明的核心器件，图1中描述的软件架构及功能块物理上均运行在 I-MX287处理器(5)中；NAND FLASH芯片(6)通过并行数据地址总线与I-MX287处理器(5)连接， 用于存储I-MX287处理器(5)运行固件的镜像文件；DDR2内存芯片(7)通过EMI总线与I-MX287 处理器(5)连接，DDR2内存芯片(7)为在I-MX287处理器(5)中运行的固件提供运行内存；SD 卡存储(8)为I-MX287处理器(5)存储其运行日志，并支持热插拔功能；RTC实时时钟(9)为日 志、诊断、报警等功能提供准确当前时间；所述的第一以太网物理层收发器(10)为OPC UA通 信提供了物理的通信接口；所述的第二以太网物理层收发器(11)为本发明的配置接口提供了 物理通信接口。
本具体实施方式通过嵌入式的OPC UA技术代替了传统的数据采集技术(DCS、PLC)， 实现在异构通信环境下，采集的数据与管理层、控制层的快速标准化集成。