一種安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用硬件描述語言描述并實(shí)現(xiàn)邏輯功能的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]高鐵、銀行、航空航天、軍事、石化、醫(yī)療等領(lǐng)域中，顯示與控制系統(tǒng)的故障可能會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡或者設(shè)備財(cái)產(chǎn)的重大損失。
[0003]為了保證顯示與控制系統(tǒng)滿足功能安全的要求，在IEC61508(GB/T20438.3)中第1章規(guī)定:安全軟件包括操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、通信網(wǎng)絡(luò)中的軟件、顯示操作畫面功能、支持工具、固件以及應(yīng)用程序。其中的操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)顯示操作畫面功能的軟件異常的復(fù)雜，很難進(jìn)行充分的測試和驗(yàn)證。如果按照IEC61508中關(guān)于SIL4級(jí)的要求進(jìn)行操作系統(tǒng)和顯示操作畫面軟件的開發(fā)，其工作量是一個(gè)非常巨大的，成本異常高昂，且開發(fā)周期非常長。另夕卜，按照IEC61508中關(guān)于SIL4級(jí)的要求開發(fā)的操作系統(tǒng)和顯示操作畫面軟件，其正常運(yùn)行會(huì)依賴于特定的CPU芯片或顯示芯片，如果CPU芯片或顯示芯片由于損壞或升級(jí)而進(jìn)行更新時(shí)，已經(jīng)開發(fā)的操作系統(tǒng)和顯示操作畫面軟件將需要進(jìn)行非常大的改動(dòng)，在維護(hù)和更新方面將面臨極大的挑戰(zhàn)，因此其生命周期短，適應(yīng)性較差。其次，已有的顯示與控制系統(tǒng)中所包含的操作系統(tǒng)和軟件等運(yùn)行機(jī)制使其可能會(huì)遭受病毒、木馬等信息安全方面的威脅。
[0004]綜上所述，基于CPU芯片和操作系統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在的主要缺點(diǎn)有:
[0005](1)系統(tǒng)復(fù)雜、開發(fā)周期長、開發(fā)成本極高；
[0006](2)系統(tǒng)生命周期短，適應(yīng)性較差；
[0007](3)信息安全性差，可能會(huì)被病毒、蠕蟲、木馬等感染。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供具備功能安全和信息安全特征的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。所公開的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中采用FPGA等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)邏輯功能，完全不包含操作系統(tǒng)和CPU等復(fù)雜的軟件和硬件，具有系統(tǒng)簡單、容易進(jìn)行充分測試和驗(yàn)證、成本低、生命周期長等優(yōu)勢。所提供的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)稍做改動(dòng)就可應(yīng)用于各種領(lǐng)域和行業(yè)中需要采用安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的場合。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的一種安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)包括:
[0010]顯示設(shè)備，用于接收工控機(jī)邏輯處理模塊生成的圖像信號(hào)，并顯示所述圖像信號(hào)對應(yīng)的顯示操作畫面；
[0011]圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)顯示操作畫面對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊位于外部設(shè)備之外；
[0012]輸入設(shè)備，用于將用戶的輸入操作轉(zhuǎn)化為輸入信號(hào)并發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模塊；
[0013]工控機(jī)邏輯處理模塊，用于實(shí)現(xiàn)的邏輯功能包括:從圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中讀取顯示操作畫面的圖像數(shù)據(jù)，并能輸出至少兩種顯示操作畫面對應(yīng)的圖像信號(hào)，且不同的顯示操作畫面對應(yīng)的圖像信號(hào)在所述輸入信號(hào)的控制下能夠相互切換；且至少有一種所述顯示操作畫面以數(shù)字的形式顯示外部設(shè)備發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；
[0014]其中，所述的工控機(jī)邏輯處理模塊實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，采用硬件描述語言描述，并在FPGA或其它可編程邏輯器件、或ASIC芯片中實(shí)現(xiàn)。
[0015]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述輸入設(shè)備經(jīng)由人機(jī)接口模塊將輸入信號(hào)傳輸至工控機(jī)邏輯處理模塊，所述人機(jī)接口模塊用于將輸入設(shè)備輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為工控機(jī)邏輯處理模塊能處理的輸入信號(hào)。
[0016]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述工控機(jī)邏輯處理模塊經(jīng)由顯示接口模塊將圖像信號(hào)傳輸至顯示設(shè)備，所述顯示接口模塊用于將工控機(jī)邏輯處理模塊輸出的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為顯示設(shè)備能處理的圖像信號(hào)。
[0017]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述外部設(shè)備和工控機(jī)邏輯處理模塊之間包含外設(shè)接口模塊；
[0018]所述工控機(jī)邏輯處理模塊還生成對外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)；
[0019]所述外設(shè)接口模塊用于接收外部設(shè)備發(fā)送來的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)并發(fā)送至所述工控機(jī)邏輯處理模塊，還能將工控機(jī)邏輯處理模塊生成的對外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)發(fā)送至所述外部設(shè)備。
[0020]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述外設(shè)接口模塊，位于印制電路板上；
[0021]所述外部設(shè)備，位于所述外設(shè)接口模塊所位于的印制電路板之外；
[0022]所述外部設(shè)備，通過電纜與所述外設(shè)接口模塊相連接。
[0023]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述的工控機(jī)邏輯處理模塊包括以下子模塊中的一種或幾種:
[0024]用戶登錄子模塊:用于生成用戶登錄操作對應(yīng)的顯示操作畫面的圖像信號(hào)并輸出至顯示設(shè)備，并在所述輸入信號(hào)的控制下實(shí)施安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的登錄操作；
[0025]功能畫面切換子模塊:用于生成功能目錄顯示操作畫面對應(yīng)的圖像信號(hào)并輸出至顯示設(shè)備，并在所述輸入信號(hào)的控制下將顯示設(shè)備所顯示的目錄顯示操作畫面切換為其它顯示操作畫面；
[0026]功能子模塊:用于接收所述的輸入信號(hào)和外部設(shè)備發(fā)送來的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并生成功能子模塊對應(yīng)的顯示操作畫面的圖像信號(hào)或?qū)ν獠吭O(shè)備進(jìn)行控制的控制信號(hào)；
[0027]用戶登錄子模塊、功能畫面切換子模塊、功能子模塊都有對應(yīng)的顯示操作畫面。
[0028]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述的工控機(jī)邏輯處理模塊包含功能畫面管理子模塊和畫面圖像顯示子模塊；
[0029]功能畫面管理子模塊，用于輸出功能畫面管理子模塊所處狀態(tài)的信號(hào)(fm_state)，使得畫面圖像顯示子模塊從多個(gè)顯示操作畫面對應(yīng)的圖像信號(hào)中選擇一個(gè)圖像信號(hào)輸出至顯示設(shè)備；
[0030]所述畫面圖像顯示子模塊，用于根據(jù)功能畫面管理子模塊輸出的信號(hào)，從至少兩個(gè)圖像信號(hào)中選擇一個(gè)圖像信號(hào)輸出工控機(jī)邏輯處理模塊。
[0031]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述的輸入設(shè)備包括鼠標(biāo)或軌跡球，所述顯示設(shè)備所顯示的顯示操作畫面包含以下顯示區(qū)域:
[0032]背景畫面顯示區(qū)域:用于顯示顯示操作畫面中保持不變的部分，包含字符、數(shù)字、線條、邊框、符號(hào)、漢字、圖形、圖像和空白區(qū)域中的一種或多種；
[0033]鼠標(biāo)指針顯示區(qū)域:用于在顯示設(shè)備上顯示鼠標(biāo)指針；
[0034]鼠標(biāo)控制顯示區(qū)域:用于當(dāng)鼠標(biāo)指針位于鼠標(biāo)控制顯示區(qū)域的范圍內(nèi)，且用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)或軌跡球后，使得所述工控機(jī)邏輯處理模塊執(zhí)行與鼠標(biāo)控制顯示區(qū)域?qū)?yīng)的功能。
[0035]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述鼠標(biāo)控制顯示區(qū)域?qū)?yīng)的功能包含切換至其它顯示操作畫面的功能；當(dāng)鼠標(biāo)指針位于所述鼠標(biāo)控制顯示區(qū)的范圍內(nèi)，若此鼠標(biāo)控制顯示區(qū)域?qū)?yīng)的功能為切換至其它顯示操作畫面，則用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)按鍵后，顯示設(shè)備將當(dāng)前所顯示的顯示操作畫面切換為其它顯示操作畫面。
[0036]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述的輸入設(shè)備包括直接按鍵，所述顯示設(shè)備所顯示的顯示操作畫面包含以下顯示區(qū)域:
[0037]背景畫面顯示區(qū)域:用于顯示顯示操作畫面中保持不變的部分，包含字符、數(shù)字、線條、邊框、符號(hào)、漢字、圖形、圖像和空白區(qū)域中的一種或多種；
[0038]直接按鍵控制顯示區(qū)域:與直接按鍵和工控機(jī)邏輯處理模塊所執(zhí)行的功能相對應(yīng)；當(dāng)直接按鍵被按下并釋放后，工控機(jī)邏輯處理模塊執(zhí)行與直接按鍵控制顯示區(qū)域和直接按鍵對應(yīng)的功能；直接按鍵被按下時(shí)和釋放后，直接按鍵控制顯示區(qū)域顯示不同的顏色。
[0039]采用了本實(shí)用新型的一種安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有以下有益效果。
[0040](a)本實(shí)用新型所公開的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)不包含操作系統(tǒng)，具有極高的信息安全性。
[0041](b)本實(shí)用新型所公開的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡單、系統(tǒng)開發(fā)人員更容易對系統(tǒng)進(jìn)行充分的測試及驗(yàn)證，使系統(tǒng)具有極高的功能安全性。
[0042](c)本實(shí)用新型所公開的基于FPGA的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以更好地克服技術(shù)過時(shí)所帶來的影響，具有更長的生命周期。
[0043](d)本實(shí)用新型所公開的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)較具有更低的成本。
【附圖說明】
[0044]通過結(jié)合以下附圖進(jìn)行的示例性實(shí)施實(shí)例描述，以上和/或其它方面將變得顯而易見且更容易理解。
[0045]圖1.安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)架構(gòu)圖。
[0046]圖2工控機(jī)邏輯處理模塊架構(gòu)圖。
[0047]圖3功能畫面管理狀態(tài)機(jī)運(yùn)行流程圖。
[0048]圖4功能目錄顯示操作畫面示意圖。
[0049]圖5顯示區(qū)域圖像信號(hào)生成單元架構(gòu)圖。
[0050]圖6功能畫面切換子模塊架構(gòu)圖。
[0051]圖7按鍵消抖子單元圖。
[0052]圖8人機(jī)接口信號(hào)處理子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0053]圖9功能子模塊3的顯示操作畫面示意圖。
[0054]圖10功能子模塊3功能架構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0056]本實(shí)用新型中的圖像信號(hào)指輸入顯示設(shè)備并驅(qū)動(dòng)顯示設(shè)備顯示對應(yīng)圖像的信號(hào)。
[0057]本實(shí)用新型中如果一幅畫面或圖像中的一個(gè)像素的值為1，表示這個(gè)像素顯示為這幅畫面或圖像中的前景色，比如黃色；如果一幅畫面或圖像中的一個(gè)像素的值為0，表示這個(gè)像素顯示為這幅畫面或圖像的背景色，比如黑色。
[0058]本實(shí)用新型的實(shí)施實(shí)例中，信號(hào)名稱經(jīng)常被標(biāo)注在傳輸信號(hào)的信號(hào)線上，即表示信號(hào)名稱的字符會(huì)遮擋對應(yīng)的信號(hào)線的一部分線條，信號(hào)名稱或端口名稱也可位于對應(yīng)信號(hào)線或端口連線的上方或下方。
[0059]本實(shí)用新型專利說明書中所提到的專利文獻(xiàn)1的名稱為“一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示和處理的系統(tǒng)及方法”，專利申請?zhí)枮?2015101603532。
[0060]為本實(shí)用新型的具體實(shí)施實(shí)例中所涉及到的關(guān)于圖像顯示、PS2鼠標(biāo)協(xié)議處理等功能的技術(shù)，可參考VibesIC公司(深圳威百士公司)的VX-SP306型號(hào)的FPGA開發(fā)板的采用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的VGA接口示例等功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。
[0061](一)安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)架構(gòu)。
[0062]參閱圖1，為本實(shí)用新型的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的架構(gòu)。以下根據(jù)圖1，闡述安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的第一具體實(shí)施實(shí)例。本實(shí)施實(shí)例可應(yīng)用在石油化工廠蒸汽系統(tǒng)中。
[0063]該實(shí)施實(shí)例中安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)包括輸入設(shè)備、工控機(jī)邏輯處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及顯示設(shè)備。工控機(jī)邏輯處理模塊中包含圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
[0064]其中，顯示設(shè)備為具備VGA接口的液晶顯示器；輸入設(shè)備包含鼠標(biāo)和鍵盤，用于接收用戶通過輸入設(shè)備輸入的輸入信號(hào)，輸入設(shè)備中的鼠標(biāo)可以用軌跡球來代替；工控機(jī)邏輯處理模塊實(shí)現(xiàn)的邏輯功能包括:對外部設(shè)備發(fā)送來的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及輸入設(shè)備發(fā)送來的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，使安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶登錄功能；并生成顯示操作畫面的圖像信號(hào)發(fā)送至顯示器顯示；以及生成對外部設(shè)備的控制信號(hào)發(fā)送至外部設(shè)備。外部設(shè)備并不屬于安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的一部分，主要用于生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模塊，并能接收工控機(jī)邏輯處理模塊所生成的對外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)。
[0065]為了使得安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的顯示設(shè)備、輸入設(shè)備、工控機(jī)邏輯處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊之間的信號(hào)便捷、可靠地傳輸，在顯示設(shè)備和工控機(jī)邏輯處理模塊之間設(shè)置了顯示接口模塊，在輸入設(shè)備和工控機(jī)邏輯處理模塊之間設(shè)置了人機(jī)接口模塊，在外部設(shè)備和工控機(jī)邏輯處理模塊之間設(shè)置了外設(shè)接口模塊。即，工控機(jī)邏輯處理模塊所生成的圖像信號(hào)經(jīng)由顯示接口模塊發(fā)送至顯示器顯示，輸入設(shè)備所生成的輸入信號(hào)經(jīng)由人機(jī)接口模塊發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模，外部設(shè)備的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由外設(shè)接口模塊發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模，工控機(jī)邏輯處理模所生成的對外部設(shè)備的控制信號(hào)經(jīng)由外設(shè)接口模塊發(fā)送至外部設(shè)備。工控機(jī)邏輯處理模塊根據(jù)需要從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中讀取數(shù)據(jù)。
[0066]顯示接口模塊與顯示設(shè)備相連接，人機(jī)接口模塊與所述的輸入設(shè)備相連接，外設(shè)接口模塊與外部設(shè)備相連接。顯示接口模塊，用于接收所述的工控機(jī)邏輯處理模塊發(fā)送來的顯示操作畫面的圖像信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為顯示設(shè)備能夠接受的圖像信號(hào)發(fā)送至顯示設(shè)備；夕卜設(shè)接口模塊，用于接收外部設(shè)備發(fā)送來的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至所述的工控機(jī)邏輯處理模塊，另外，外設(shè)接口模塊接收工控機(jī)邏輯處理模塊生成的對外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)并發(fā)送至外部設(shè)備；人機(jī)接口模塊，用于接收輸入設(shè)備發(fā)送來的輸入信號(hào)，并將所述的輸入信號(hào)發(fā)送至工控機(jī)邏輯處理模塊。
[0067]所述的外設(shè)接口模塊通常位于印制電路板上，所述外部設(shè)備位于所述外設(shè)接口模塊所位于的印制電路板之外，所述的外部設(shè)備通過與所述的外設(shè)接口模塊相匹配的接口和電纜與所述的外設(shè)接口模塊相連接。
[0068]工控機(jī)邏輯處理模塊生成顯示操作畫面的圖像信號(hào)發(fā)送至顯示接口模塊，從而將相應(yīng)的圖像信號(hào)發(fā)送至顯示設(shè)備使其顯示用戶登錄及各個(gè)功能子模塊的顯示操作畫面所對應(yīng)的圖像；所述的安全工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中，不包含CPU、顯示芯片等硬件和操作系統(tǒng)、顯示操作畫面組態(tài)軟件等軟件。
[0069]工控機(jī)邏輯處理模塊主要由FPGA芯片及其時(shí)鐘電路等支持電路組成。優(yōu)選地，所述的工控機(jī)邏輯處理模塊包含Xilinx公司的型號(hào)為Virte