网络化制造系统中的多功能交互式信息终端

摘要

本发明包括中央处理器、可配置的网络接口、LCD显示器、文字输入设备、音频输入输出设备、视频输入设备、通用输入输出接口以及实时操作系统软件、用于实现对等网的专有通讯协议栈和嵌入式应用软件所构成的支持网络化制造中多种功能的软硬件一体化装置。该信息终端可以长期处于工作状态，可以直接用于企业内外包括生产车间的数据和音视频等信息的采集、传递与监控，从而为企业内外的各种制造经营活动提供网络化信息交互终端。其结构为平板式超轻薄结构，具有很高的可靠性，可以适应各种工作环境包括车间等恶劣工作环境。

说明书

                           技术领域

本发明涉及到制造行业、网络与通讯技术领域，具体涉及网络化制造系统中的多功能交互式信息终端。它通过与网络化制造系统中的企业或跨企业信息平台相结合，实现企业内或企业之间工作任务下发、工作数据上传、音视频和文字信息传递、实时远程监控和协同工作等功能。

                           背景技术

所谓“网络化制造”是指基于各种网络包括企业内部网(Intranet)、企业外部网(Extranet)和因特网(Internet)的制造企业的产品设计、制造加工、经营管理等各种制造活动；这些制造活动及其所涉及人员、设备、物料等各种资源以及有关的制造技术和制造信息等组成的系统称为“网络化制造系统”。

目前网络化制造系统中的各终端的信息交互装置，一般都采用PC机作为信息交互终端。这种终端存在投资大、功能冗余、使用不方便、操作难度较大等问题；在许多场合特别是在工厂车间内和设备旁使用时，还存在体积大、抗干扰性差等问题。另外在实施企业间的网络化制造时，企业的专用防火墙和网关还会限制不同企业的终端之间的信息交互。因此，在当前的网络化制造中，迫切需要更方便实用的信息交互终端。

现有的相关发明已有一些，但与本发明有着根本区别。如发明专利“综合业务数字网的多功能用户网络终端(公告号：1288344)”是通过集成综合业务数字网(ISDN)各种终端的功能来提供可直接与外部交换机相连的接口，此网络终端可接入数字电话、可视电话、ISDN适配卡等设备的标准ISDN接口，可接入模拟话机、传真机、调制解调器等的模拟电话口。此发明主要是面向利用综合业务数字网进行话音通讯的家庭和办公用户，并且只提供外部音频、视频设备接口，使用时还需购买配套设备，且不提供进行实时文字交互的接口。

                           发明内容

为了减小企业在网络化制造过程中的经济负担，增强企业内和企业之间的信息交流与共享能力，提高企业的网络化制造功能、降低成本、提高质量，本发明提供了一种用于网络化制造系统中的多功能交互式信息终端。其技术方案是：

本发明包括中央处理器、可配置的网络接口、LCD显示器、文字输入设备、音频输入输出设备、视频输入设备、通用输入输出接口以及实时操作系统软件、用于实现对等网的专有通讯协议栈、用于信息交互的专有应用软件所构成的一体化集成信息终端。

所述专有的通讯协议栈采用“一种对等网络体系结构实现方法”(本申请人的另一专利，申请号：02113492.8)，建立起对等网络结构的企业内或跨企业的通讯体系，终端之间的通讯直接以对等的、无中心交换机或中心服务器中转的方式进行，实现轻负荷的网络传输体系。该通讯协议可以在采用防火墙或NAT路由器的网络环境中实现对等网络结构。

本发明中所开发的专有应用软件通过与网络化制造系统中的基于网络的企业内或跨企业信息平台交互，实现企业内或企业之间工作任务下发、工作数据上传、音视频和文字信息传递以及实时远程监控功能。各功能的具体实现方法为：其中企业内或企业外的信息平台数据库中保存有每个信息终端某段时间内的工作任务，当信息终端联网后，此专有应用软件可通过局域网或广域网来实现工作任务或管理数据自动下发到指定的信息终端，而某个信息终端也可以把自己的工作数据或管理数据通过以上途径上传到指定的信息平台数据库中；企业之间或生产单位与管理单位之间通过此专有应用软件选择两信息终端之间是进行音频、视频、文字还是三者之间组合的交互和信息传递方式。

本发明根据以上的专有通讯协议所开发的专有应用软件可以使任何该类型的终端连接上网后立即获知其它相关终端是否在线，并通知已在线的终端本终端已在线的信息。

本发明在以上硬件的基础上，开发了相应的Linux实时多任务操作系统(RTOS)，并在此操作系统平台上开发了专用应用软件，使本信息终端与网络化制造系统中的基于网络的企业或跨企业信息平台结合，完成交互式文字信息显示与输入，交互式音视频信息传递，远程数据采集与控制功能。

对远程数据的采集与控制是由与本信息终端相连的传感器和各种输入设备来收集生产车间的信息，再根据预先设定的程序，在网上远程控制车间的一些设备自动完成某些操作。

文字信息的输入由文字输入设备来完成，LCD显示器用来完成文字和视频信号的显示，视频信号的采集则是由CCD视频输入设备来完成的，声音信号的采集与输出通过音频输入输出设备来完成。

本发明中所开发的专有应用软件可以使任何该类型的终端连接上网后立即获知其它相关终端是否在线，并通知已在线的终端本终端已在线的信息。

该信息终端由一体化集成的硬、软件系统构成。能与网络化制造系统中的基于网络的企业内或跨企业信息平台结合，构成对等网络系统，能直接把音频、视频及数据信号转换为IP包，在广域网或局域网上传输数据及数字音视频信号，其通信协议在正常的网络形态和具有防火墙或NAT路由器的网络中均能实现无中心交换机或中心服务器的轻负荷的对等网络结构，并可以使任何该类型的终端连接上网后立即获知其它相关终端是否在线，并通知已在线的终端本终端已在线的信息。该信息终端也可以长期处于工作状态甚至可以直接用于企业生产车间的数据和音视频等信息的采集、传递与监控，从而为企业间的交流节省了大量的通信费用，增强企业内或企业之间的信息交流与共享能力。

该终端具有很高的可靠性，可以适应车间等恶劣工作环境。

                           附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的硬件模块图。

图2是本发明的软件结构图。

图3是本发明在各种联网企业间进行设备状态监控的应用示意图。

                         具体实施方式

由图1可知，从硬件来看，本发明网络化制造中的多功能交互式信息终端包括：

1.中央处理器及总线控制模块(1)，它完成专有通信协议的解释与处理，消息和信令的处理转换，执行图像压缩和解压缩的嵌入式信号处理与传输，以及整个交互式信息终端的控制。

中央处理器MPC823e(1.1)：是整个交互式信息终端的核心部分，它主要完成各种指令的解释和所有数据的传输以及对其他各硬件部件的控制。

SPI总线控制模块(1.2)：主要负责一些大流量的高速实时数据的直接传输。

2.存储器模块(2)，它与中央处理器及总线控制模块(1)相连，为支撑中央处理器及总线控制模块中的系统软件、应用软件和数据提供存储空间。

RAM(2.1)：用于存储一些应用程序启动、加载和应用时的临时数据。

EPROM(2.2)：用于存储应用程序和一些用户存盘数据。

ROM(2.3)：用于存储BIOS的驻留程序和嵌入式RTOS的操作系统以及一些驻留数据。

3.键盘输入模块(3)，它与中央处理器及总线控制模块(1)相连，用于文字信息的输入。

键盘(3.1)：用于输入字符和数字数据以及信息终端的一些常用功能的交互。

键盘接口电路(3.2)：转换键盘的输入信息，以便能让CPU识别。

4.可配置的网络接口模块(4)，它与中央处理器及总线控制模块(1)相连，提供连接到各种网络的以太网接口和作为下行通道的以太网接口。它可支持各种数据业务和通讯协议，同时支持动态带宽调整功能。

双端口以太网10/100Mbps MAC接口(4.1)：通过SPI总线与CPU相连，用于扩展两个以太网端口。

以太网10/100Mbps(4.2)：用于连接外部的网络或者内部的其它终端。

以太网10/100Mbps(4.3)：用于连接外部的网络或者内部的其它终端。

5.语音输入输出模块(5)，它通过语音处理模块(6)与中央处理器及总线控制模块(1)相连，主要提供语音信号的数模/模数转换，语音的压缩与解压缩、编码功能，并具有产生和控制各种信号音的能力，该模块支持呼叫保持、呼叫等待、呼叫转移、三方通话等各种补充业务。

语音编解码(5.1)：实现语音数据的解压缩及编码功能。

扬声器/电话接口(5.2)：实现语音数据的采集和传输。

6.语音处理(6)，主要负责对编码语音数据的处理、传输和与SPI总线的连接。

7.视频输入模块(7)，它采用CCD摄像头作为视频输入设备，完成视频信号的采集和转换，本模块通过视频处理模块(8)与中央处理器及总线控制模块(1)相连。

视频编码(7.1)：主要实现对视频信号的采集与编码，与W9960视频编解码器相连。

8.视频处理模块(8)，主要负责对编码后的视频数据的处理、传输及与SPI总线的连接。

W9960视频编解码器(8.1)：是视频处理的核心部分，主要负责视频图像信号的编解码和传输。

DRAM(8.2)：负责视频数据的缓冲与存储。

9.液晶显示模块(9)，它采用4英寸的液晶(LCD)模块作为显示输出，它与中央处理器及总线控制模块(1)相连。

视频解码接口(9.1)：对SPI总线传来的视频信号进行解码以驱动LCD显示图像。

液晶显示LCD(9.2)：显示视频解码接口传来的视频信号，是信息终端与用户交互的终端。

10.通用输入输出模块(7)，它与中央处理器及总线控制模块(1)相连，主要提供外部各种采样信号的模数转换和控制信号的数模转换，实现对目标的监控。

脉冲量输入接口(10.1)：负责采集外部设备的脉冲量数据，并通过接口电路传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

脉冲量传感器(10.1.1)：负责数据的采集。

脉冲计数器(10.1.2)：负责记录采集到的脉冲量数据的个数。

接口电路(10.1.3)：负责把采集到的脉冲量信息的转换、缓冲、锁存，并传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

模拟量输入接口(10.2)：负责采集外部设备的模拟量数据，并通过接口电路传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

模拟量传感器(10.2.1)：负责数据的采集。

A/D模数转换(10.2.2)：负责把采集到的模拟量数据转换为数字量。

接口电路(10.2.3)：负责对转换好的数字量的缓冲、锁存、并传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

数字量输入接口(10.3)：负责采集外部设备的数字量数据，并通过接口电路传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

数字量传感器(10.3.1)：负责数据的采集。

放大电路(10.3.2)：负责把采集到的数字量信号进行放大处理。

接口电路(10.3.3)：负责对放大信号数据的缓冲、锁存，并传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

开关量输入接口(10.4)：负责采集外部设备的开关量数据，并通过接口电路传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

开关量传感器(10.4.1)：负责检测开关量数据。

电压转换器(10.4.2)：负责转换检测到的开关量。

接口电路(10.4.3)：负责把转换了的开关量数据进行缓冲、锁存，并传给中央处理器及总线控制模块(1)处理。

脉冲量输出接口(10.5)：负责传递中央处理器及总线控制模块(1)传给外部设备的脉冲量控制信号。

脉冲量传感器(10.5.1)：负责把中央处理器及总线控制模块(1)处理的有效控制信号转换为脉冲量，以驱动外部设备进行工作。

脉冲计数器(10.5.2)：负责记录有效传递的控制信号的个数。

接口电路(10.5.3)：负责控制信号的识别、缓冲、锁存，并把有效的控制信号传给脉冲计数器。

模拟量输出接口(10.6)：负责传递中央处理器及总线控制模块(1)传给外部机械设备的模拟量控制信号。

模拟量传感器(10.6.1)：负责把中央处理器及总线控制模块(1)处理的有效控制信号转换为模拟量，以驱动外部设备进行工作。

D/A数模转换(10.6.2)：负责把数字量控制信号转换为模拟量控制信号。

接口电路(10.6.3)：负责对控制信号的识别、缓冲、锁存、并把有效的控制信号传给D/A数模转换。

数字量输出接口(10.7)：负责传递中央处理器及总线控制模块(1)传给外部机械设备的数字量控制信号。

数字量传感器(10.7.1)：负责把中央处理器及总线控制模块(1)处理的有效控制信号转换为数字量，以驱动外部设备进行工作。

放大电路(10.7.2)：负责把有效的数字量控制信号进行放大处理。

接口电路(10.7.3)：负责控制信号的识别、缓冲、锁存，并把有效的控制信号传给放大电路。

开关量输出接口(10.8)：负责传递中央处理器及总线控制模块(1)传给外部机械设备的数字量控制信号。

开关量传感器(10.8.1)：负责把中央处理器及总线控制模块(1)处理的有效控制信号转换为开关量，以驱动外部设备进行工作。

电压转换器(10.8.2)：负责对有效的控制信号进行电压转换。

接口电路(10.8.3)：负责控制信号的识别、缓冲、锁存，并把有效的控制信号传给电压转换器。

参见图2，上述的网络化制造中的多功能交互式信息终端从软件上来看，可以包括：

中央控制部分(1)，它包括硬件基本系统Boot模块(2)和Linux操作系统(3)两部分，其中硬件基本系统Boot模块(2)主要完成硬件基本系统的Boot及引导操作系统；Linux操作系统(3)完成任务调度、存储管理、文件系统、TCP/IP协议栈等功能，主要对用户信息发送、接收帧、层间原语、管理信息队形进行查询、并将控制信息传送给进程。

用户处理部分(4)，它与中央控制部分(1)相连，主要包括用户状态、显示和键盘模块，接收来自用户的控制信息，主要包括通讯的启动和完成、拨号、用户至用户的控制信令，并完成为用户提供各种网络连接的补充业务功能。

数据通讯部分(5)，它与中央控制部分(1)相连，为用户提供在各信道上的数据通讯功能，完成各种协议的处理。同时联络远程的设备，通过账号验证对远程设备进行配置管理。

通讯协议处理部分(6)，它与中央控制部分(1)相连，完成TCP/IP各层协议功能，接收从广域网或局域网上传递过来的数据，完成基本呼叫控制，各协议的解释、处理，并将相应的控制指令和数据送到设备驱动部分(8)或中央控控制部分(1)，实现对等网络结构。

系统管理部分(7)，它与中央控制部分(1)相连，完成对整个系统资源的管理，包括系统初始化管理、任务管理、用户扩展管理、中断管理、时钟/定时器管理、任务间的同步与通信管理、分区管理、堆管理、I/O管理。

设备驱动部分(8)，它与中央控制部分(1)相连，完成对硬件的驱动功能，实现软件对硬件的控制操作，传递中央控制部分(1)与协议处理部分(6)的控制信息和数据到网络接口模块。

信号采集与控制部分(9)，它与中央控制部分(1)相连，完成对开关量输入、输出信号的远程采集与控制。

本发明的具体实施例是在企业内和企业外车间层之间进行设备状态监控的应用，其中设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以及设备运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述，利用本发明既可对设备的运行情况进行远程音视频监控，而且也可以通过能用输入输出接口对设备的各运行参数进行远程监控，可为设备的性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断及设备自动控制打下基础。如图3所示，本发明可以应用于通过各种方式联网的企业，其中交互式信息终端1和交互式信息终端2之间通过广域网WAN相连；交互式信息终端3和交互式信息终端4之间通过局域网LAN相连；信息终端5通过广域网与局域网LAN内的信息终端4相连；处于装有防火墙的不同局域网内的信息终端4与信息终端6则通过一与广域网相连的信息终端7的代理来建立连接。不管是在以上哪种联网情况下，只要打开两信息终端的电源，两信息终端之间就可以显示对方上线的信息，监控人员可以选择利用视频、音频和与通用输入输出接口相连的传感器来对某一企业车间内的各种设备状态进行实时监控。