第27卷第4期计算机集成制造系统Vol.27No.4 2021年4月Computer Integrated Manufacturing Systems Apr.2021 DOI：10.13196/j.cims.2021.04.005
基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法
李展鹏1，邹孝付"，苏雍贺1，张长志彳，陶飞1
(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；
2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384)
摘要：数据是支撑智能制造的关键要素，对生产各阶段数据的有效采集是实现“人一机一物一环境”制造全要素互联互通的基础。随着制造升级发展，车间不断引入来自不同厂家，具有不同协议、不同接口的设备，使得待采集数据多源异构且采集需求不断变化。传统数据采集设备难以并行采集多源异构数据、难以根据采集需求的动态变化对采集设备动态配置，因此提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多源异构数据并行可配置采集方法，基于FPGA硬件并行完成对多源异构数据的监测，保证数据采集实时性；研究FPGA动态重构技术并设计了数据采集可配置方法，提升数据采集灵活性；最后，设计了验证方案，验证了所提方法的有效性。
关键词：现场可编程门阵列；多源异构；数据采集；动态重构
中图分类号:TP274.2文献标识码：A
Configurable acquisition method of multi-source heterogeneous data based on FPGA
LIZhanpeng1,ZOUXiaofu1+,SUYonghe1,ZHANG Changzhi2,TAO Fei1
(1.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing100191,China；
2.State Grid Tianjin Electronic Power Research Institute,Tianjin300384,China)
Abstract:Data is a key element supporting intelligent manufacturing.With the upgrading of manufacturing,the factory continuously introduces equipment from different manufacturers with different protocols and different interfaces.Data from that equipment collected has the characteristics of multi-source heterogeneity and constantly updated.Traditional data acquisition systems are customized for specific equipment,which is difficult to achieve parallel acquisition of multi-source heterogeneous data and real-time dynamic configuration.To solve these problems,a configurable acquisition method based on Field Programmable Gate Array(FPGA)was presented.Multi-source heterogeneous data were collected in parallel to ensure the real-time data acquisition.A configurable
data acquisition scheme was designed to enhance the flexibility of data acquisition.A verification scheme was designed to verify the effectiveness of the proposed method.
Keywords:field programmable gate array；multi-source heterogeneity；data acquisition；dynamic reconfiguration
0引言
随着云计算、大数据、物联网等新一代信息技术的发展以及信息化与工业化的“深度融合”，传统制造企业不断向智能制造的方向转型升级数据是智能制造的关键要素阂，只有在制造工厂底层实现对生产数据的有效感知，才能有效地完成工厂资源管理、车间计划与排产、生产过程监控等重要工
收稿日期:2020-11-12；修灯日期：2020-11-25,,Received12Nov.2020;accepted25Nov.2020.
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFB1500800)；北京市科技重大专项资助项目(Z191100002719004)；国家电网有限公司科技资助项目(SGTJDK00DYJS2000148)0Foundation items：Project supported by the National Key Research and Develapment Program,Chi-na(No.2018YFB1500800),the Beijing Municipal Science and Technology Major Project,China(No.Z191100002719004),and the Science and Technology Foundation of State Grid Corporation,China(No.SGTJDK00DYJS2000148).
第4期李展鹏等：基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法1009
作闪。制造业分为流程制造业和离散制造业⑷，在流程制造业中数据采集方案相似，主要采集生产过程中的模拟量和数字量；然而在离散制造业中，不同类型制造车间数据采集需求差异较大，个性化需求强旳，不仅需要采集生产过程中的生产设备状态信息⑷，还需要对现场工况，如生产人员、物料信息、生产环境等信息进行监测⑷O
离散制造车间一般从5M1E(man,machine, material,method,measurement and environment)™的角度分析生产过程，即人、机、料、法、测、环。因此，需在制造车间底层收集这6个方面的生产数据，提供给MES层以实现对车间的管控。对于工作人员，需感知其姓名、职级、权限和上下班时间等信息，可以使用指纹传感器或RFID刷卡器页采集信息，通过串口或USB等接口上传数据；机器信息包括机床运行状态、运行时间和运行参数等，可以使用Modbus TCP E10］或EtherCAT E11］协议通过以太网接口上传，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)设备可以使用Profibus DP®」协议通过RS485接口上传数据；对于物料信息，可以扫描二维码标签感知物料编号、批次和生产日期等信息，通过Modbus RTU协议上传至RS485™总线，利用光电感应设备发送NPN(nega-tive positive negative)开关量记录物料数量；环境信息主要包括特定气体浓度信息、温湿度信息、空气质量、大气压力等，环境传感器可以通过RS485/ RS422/CAN等现场总线上传数据，也存在小型传感器使用SPI/IIC等协议上传数据。测量数据与方法数据一般无法通过实体传感器感知，可以从车间数据库
中调用相关信息。
综上可知，离散制造工厂数据存在多源异构的特点，即数据来源不同、传输接口不同、传输协议不同，这要求工厂数据采集设备能够兼容多类型接口协议并实时地感知多源异构数据。随着智能制造的发展，数据采集情景愈发复杂。制造车间不断淘汰旧设备并引入新设备，使得待采集设备的数据传输接口与协议类型不断变化〔⑷，这就要求数据采集设备能够根据采集需求的变化，快速更新采集功能。因此，当前离散制造工厂数据采集设备面临如下挑战：
(1)多源异构数据难以并行采集传统数据采集设备主要使用轮询或多线程的方式采集多源异构数据，导致响应时间随着待采集设备的增多而增长，难以满足制造工厂对数据采集实时性的要求。传统数据采集设备大多针对特定设备组进行设计「诃，与待采集设备组存在一对一的对应关系，需多个数据采集核心协同完成多源异构数据采集工作，导致采集成本与布局布线复杂度增加，违背了数据采集设备向高集成和小型化发展的趋势。
(2)数据采集设备难以实时配置传统数据采集设备无法根据采集需求的变化实时动态配置采集功能，当待采集设备的数据接口或传输协议发生变化时，待采集设备与原有数据采集设备不兼容，需重新设计数据采集设备的结构和功能。这导致原有数据采集设备难以继续使用，中断采集过程进而影响生产。
针对上述问题，本文提出一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的多源
异构数据并行可配置采集方法。首先，利用FPGA的硬件并行采集多源异构数据并提升采集响应速度；其次，基于FPGA的动态重构实现数据采集设备实时可配置；最后，基于该方法研制了多源异构数据采集设备并设计应用验证方案。
1国内外研究现状
1.1多源异构数据采集研究现状
目前在离散制造企业中，应用较为广泛的数据采集系统是数据采集与监视系统(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)E16］o传统的SCADA系统主要使用PLC和DCS采集车间设备运行信息，包括车间设备的运行状态、加工参数、运行时间等信息，PLC或分散控制系统(Distributed Control System,DCS)能够采集RS485、CAN等工业现场总线数据匚诃，该类型设备也带有以太网接口，支持工业以太网通信协议包括Ether-net/IP.Modbus TCP等。龚涛等〔⑷在SCADA平台中，使用PLC和DCS等采集设备完成底层异构设备的数据采集工作，并采用OPC UA统一架构进行信息建模，服务封装和对象交互。现场工况信息常常使用嵌入式处理器进行采集，Mohamad 等〔则应用物联网技术，采集生产环境信息，包括温度传感器、水位传感器和烟雾传感器等；张美萍〔旳利用STM32系统设计了基于ZigBee技术的物联网数据采集系统，实现了对环境数据的监测和采集；闫晓风等〔旳以ARM处理器为核心，构建了异
1010计算机集成制造系统第27卷
构数据交换平台，在嵌入式系统中实现了异构数据感知与集成。
在离散制造企业中-SCADA系统能在一定程
度上解决离散制造车间数据采集问题。但该系统存在两个问题:①传统数据采集设备出厂时就已经固定了能够采集数据的种类与数量，当待采集数据中存在数据采集设备不支持的接口或协议时，需要引入更多不同类型的采集装置，增加采集成本与布局布线的复杂度，降低了采集效率和安全系数;②传统数据采集设备多使用轮询或多线程的方式采集多源异构数据，其中轮询式数据采集方法的响应时间会随着待采集设备的增多而线性增长；多线程数据采集方式则是利用操作系统提升处理器的资源使用效率，实现伪并行的数据采集，但是受到处理器性能限制，随着待采集设备的增多处理器的并发性下降，采集响应时间增长。
随着集成电路技术的发展，基于FPGA的数据采集设备在离散制造企业中的应用越来越广泛,Khed-
kar等閻利用FPGA采集多通道模拟量数据，并在ARM中设计FPGA设备的驱动程序以及上位机应用程序，实现数据高速采集与可视化展示；Kavi-anipour等跑在Xilinx VC707Virtex-7上设计并实现了基于PCIe接口的数据通信功能，读写速度超过700 Mbps。但此类基于FPGA的数据采集设备主要用于提升单一类型数据的采集速度，针对FPGA并行采集
多源异构数据方面的研究较少。FPGA具有硬件并行性匚旳与可自由编程性哪j，利用该特点可以有效地
解决多源异构数据并行采集问题。
1.2基于FPGA的数据采集可配置研究现状
FPGA具有动态重构功能〔旳，能够在不影响其他区域功能的前提下，改变FPGA部分区域的功能匚旳，因此FPGA的动态重构能够有效地解决数据采集实时配置问题。针对机载电机系统数据采集与控制接口不灵活的问题，刘玉娇等閻采用“FPGA+开关矩阵+微处理器”的架构，利用FPGA动态重构功能，实现了机载系统的功能分配以及机载信号到调理电路的切换。针对聚乙烯自动化生产系统中传感器接口/协议不断改变的问题,Ba。等朗使用XILINX公司VIRTEX-4系列FPGA.MT8816开关矩阵以及ADS7870芯片，利用FPGA的静态重构实现了多通道信号的数据采集工作，利用局部动态重构改变传感器驱动，使用同一接口采集了不同传感器的传输数据。针对装置通信方式不灵活的问题，徐建等他在ZYNQ-7000系列FPGA的底层设计了9个接口，通过TCP/IP网络数据包发送总线接口配置指令，在FPGA动态切换对应的局部bit 文件，使得FPGA能够按需选取不同的接口，实现装置灵活通信；杨会伟等曲在FPGA中设计了RS232、RS485和SPI等几类常用接口的收发函数，根据指令实现多接口/协议切换，实现数据采集设备的可配置。
上述基于FPGA的数据采集可配置研究中存在两个问题：①部分研究使用“FPGA+开关矩阵”架构，由于开关矩阵只能采集不同通道的模拟或数字信号，无法改变采集接口类型，不能实现数据采集接口可配置；②在能够实现多接口、协议动态切换的研究中，需实现全部数据采集功能，根据指令选取不同的接口、解析不同的协议，其余功能闲置。虽然实现数据采集实时可配置，但占用过多的采集资源。
2基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集框架
本文针对制造工厂在转型升级中，数据采集设备难以并行采集多源异构数据和数据采集配置难的问题，提出一种基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法，方法的总体框架如图1所示。总体框架自下而上分为并行采集层、可配置采集层和应用验证层三层。
(1)并行采集层本文从5M1E角度出发，选取了异构传感器采集相应数据，实现制造工厂生产数据的感知与互联。选取传感器的分类、接口、协议和用途如表1所示，针对异构传感器设计异构设备接入方案，基于FPGA设计了多源异构数据并行采集方法。
(2)可配置采集层本文将FPGA分为动态域与静态域，在静态域中实现基本的数据采集功能；在动态域中，利用FPGA的动态可重构功能，设计数据采集可配置方法，实现数据采集接口与帧格式的实时可配置。
(3)应用验证层本文应用层的主要功能是监控数据采集过程和下发数据采集指令。数据采集过程的监控用于实时显示当前制造工厂生产状态，若某些数据达到报警阈值，则会发出警报信息，提醒工作人员查看。配置指令会根据制造工厂对当前生产环境的采集需求，下发配置信息如数据采集接口/帧
第4期李展鹏等：基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法1011格式配置、报警阈值设置、传输方案选择等，实现数据采集设备的整体可控。
应刑验证层
数据可视化展示
配置命令发送
RJ45
图I车间多源界构数据并行M配觀采集方法总体框架
表1多源异构数据
设备名称5M1E分类设备接口数据协议设备用途
指纹识别人UART厂家自定义感知工作人员身份信息、上下班时间IC/ID读卡器人Wiegand Wiegand感知工作人员身份信息、权限信息等人体红外传感器人NPN开关无感知某区域是否有工作人员数控机床机RS485Modbus RTU感知机床运行状态、运行时间和运行参数物料称重料模拟电压无感知物料重量
这世上没有迟到的缘分料RS485Modbus RTU扫描物料条码，感知其编号、批次等信息物料计数料NPN开关无通过光电感应记录物料数量
薩动传感环模拟电流无安置在机床上，感知机床震动强度GPS/北斗定位环RS232NMEA-0183感知当前位置信息倾角传感环CAN CAN标准帧感知当前设备与水平面之间倾斜角度噪声传感环RS485Modbus RTU感知当前环境中的噪声强度
烟雾报警环RS485Modbus RTU感知当前环境中是否有火灾隐患建设银行个人网上银行怎么转账
光照传感环RS485Modbus RTU感知当前环境中光照强度
大气压力环RS485Modbus RTU感知当前环境中大气压力
空气质量环模拟电压无感知当前环境PM2.5和PM10浓度二氧化碳传感环RJ45UDP感知当前环境二氧化碳浓度
运动跟踪环SPI厂家自定义感知当前设备加速度和角加速度温湿度传感环IIC厂家自定义感知当前环境温度和湿度
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计算机集成制造系统第27卷
3基于FPGA 的多源异构数据并行可配置
采集方法
3.1基于FPGA 的多源异构数据并行采集方法
针对传统数据采集设备存在的多源异构并行采
集难问题，本文提岀一种基于FPGA 的车间多源异
构数据并行采集方法，能够实现异构数据并行采集
与协议解析功能，将多协议数据集成为一种统一的 格式上传，具体方法如图2所示，主要通过5个步骤
实现。
FPGA I
|RS485.'r.ri||RS485^l I
外地户口在北京买房*1数据采矢r --------
噪声 传感光照 传感
[!]
条码 扫描大气 压力数控 机床I 数据采集协议解析
FI Modbus RTU 异步
数据采集协议解析l-IFO 昭；辭姑皿
1)H I 机
电动
压振事源什构数据
人体 红外
物料 计数
称重
传感
空气 质呈二氧 化碳倾角 传感
门禁读卡指纹 识别
运动 跟踪温湿度 传感
GPS/北斗IRS232串 I I
H -----—J I Wiegand I IIC 接口
二模拟址L 开关址
开关量 数据采集数字fit 协议解析异步
FIFO
模拟量 数据采集模拟扯 协议解析
开步
FIFO
RJ45接口数据采集UDP
协议解析异步
FIFO
CAN 接口 数据采集CAN 标准帧 协议解析异步FIFO
韦根接口 数据采集Wiegand 协议斛析异步FIFO
审行按口 数据采集希自定 义协议)异步
FII杜甫诗三首教案
*0SPI 接口 数据采集运动(自定 义协议)异步 FIFO
11C 接 口 数据采集温湿度(H 定义协议)界步 FIFO RS232j^l 数据采集NMEA-0183
协议解析异步
FIFO
-V
异步 时钟域
八d dzs£
[hi 刁Address .Ackh'ess
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UJ 衆(KK)Lhi 【“
UJ 川(KK 〕
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八
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Adcir 空？
()們(灿 丨j Ad 曲空?T 堅辱tKKJ 0砂勺tw 山ii"
双口 RAH
时钟同步
PLL 锁相环
200Mhz 品振
图2基于FPGA 的多源异构数据并行嗥集方法
(1) 异构设备并行采集根据异构设备传输接国家法定节假日2020
湄公河行动 票房口，本文将FPGA 的可编程逻辑资源设计为能够采 集不同接口的逻辑电路，并约束FPGA 接口引脚的
输入输出方向，完成对接口的驱动设计。以倾角传 感器为例，数据采集方案设计如图3所示。其中
CAN 总线接口为差分电压，无法直接接入FPGA
的IO 接口，需要使用MCP2515芯片协助FPGA 完 成数据采集工作。MCP2515芯片的主要功能是将
CAN 接口转换为能直接接入FPGA 的SPI 接口。 在FPGA 端设计SPI Master 驱动，实现对倾角传感 器的数据采集。
(2) 异构数据協议解析FPGA 采集到异构设
备的上传数据后，需要针对不同的通信协议与数据 格式，设计协议解析方法。以倾角传感器为例，本文
图3倾加传感器数据采集方案
在FPGA 中设计的数据协议解析状态机如图4所
示。首先对MCP2515芯片进行初始化配置，如配 置CAN 总线的波特率、数据帧格式以及设置滤波
器参数。接下来进入空闲状态，等待指令发送，若为 设置指令，需要设置传感器数据上传方式，设置完成
后返回空闲状态；若为采集指令,FPGA 发送ID 为
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