[0001] 本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于硬实时通用MPU板级模组。

[0002] 随着科学技术的发展，一些工业设备正朝着小型化、自动化进行发展，从而节约硬件成本。作为一种方式，可以在工业设备上安装无线通信模组，以取代需要大量线缆铺设的工业设备，并且可以实现对工业设备实时进行远程控制以及数据采集的功能。然而，由于工业设备工作会产生大量噪音，对于一些处于通信环境比较差的工业设备而言，单一的通信方式可能会使得通信模组在某些时刻无法与工业设备进行高质量的通信，即无法稳定地、实时获取工业设备发送的数据，或向工业设备发送对应的控制指令，从而影响工业设备正常工作，导致其工作效率低下。

[0020] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请的技术方案，并不用于限定本申请。

[0021] 为了更好的理解本申请的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式进行详细的说明。

[0022] 本申请提出基于硬实时通用MPU板级模组的第一实施例，请参照图1，所述基于硬实时通用MPU板级模组包括：MPU10、FPGA芯片20、第一存储器31以及5G通信电路40；所述MPU10连接所述5G通信电路40，所述MPU10还通过第一串口总线连接所述FPGA芯片20，所述MPU10还通过SPI总线连接所述第一存储器31；所述FPGA芯片20用于通过IIC总线和USB总线连接工业设备50，所述FPGA芯片20还通过SPI总线连接所述第一存储器31；
所述MPU10，用于通过所述5G通信电路40无线接收外部传输的配置数据，并将所述配置数据对应的配置文件存储于所述第一存储器31；
所述FPGA芯片20，用于基于所述配置文件，选择所述工业设备50与所述MPU10之间的通信转换方式，所述通信转换方式包括IIC转串口通信方式以及USB转串口通信方式。

[0023] 需要说明的是，在本实施例中，MPU10是指一种微处理器单元（Micro Processor Unit），其可以从内存中读取指令，并解码后执行读取的指令，从而实现运算操作、逻辑操作或数据传输等操作。其还具备多种输入口或输出口，可以控制外部设备的输入或输出，也可以与连接的外部设备进行数据交互，即相互之间进行通信。

[0024] 应当理解的是，在本实施例中，5G通信电路40包含基带芯片41、射频电路42等电子器件或功能电路，射频电路42可以通过天线接收外部传输的电磁波，并通过变频、滤波、功率放大等处理，将其转换为对应的射频信号；基带芯片41可以对射频信号进行解调，从而将射频信号转换为数字信号，并将转换获得的数字信号传输至MPU10，从而使得MPU10可以获取该数字信号以及数字信号对应的配置数据。其中，基带芯片41可以为一种支持5G数据传输速率、时延以及连接数量的基带芯片41，射频电路42中可以包含多个天线，以提供大规模的多输入输出功能。

[0025] 需要说明的是，在本实施例中，第一存储器31可以为一种SPI Flash存储器，其可以通过SPI总线分别与FPGA芯片20以及MPU10连接，可以实现高速、全双工、同步的通信，从而高速完成数据的读写，可以用于存储FPGA芯片20的配置数据或配置文件。其中，FPGA芯片20的配置数据或配置文件可以理解为一种可以使FPGA芯片20对内部各单元进行编译从而配置为能够实现各类对应功能的数据或文件。

[0026] 应当理解的是，工业设备50可以理解为一种为具有动力转换功能的设备，例如一种工业机器人，可以通过获取通信模组获取外部的远程主机60传输的控制指令，并基于该控制指令执行某种工业任务；此外，其内部也可以存在大量传感器，在执行工业任务时，还可以通过传感器采集一些工业数据，例如工业机器人执行某个动作的角度参数、速度参数等，并将其传输至通信模组，并通过通信模组无线传输至外部的远程主机60。

[0027] 需要说明的是，FPGA芯片20主要用于实现工业设备50与MPU10之间的通信转换。在本实施例中，FPGA芯片20至少可以同时通过IIC总线以及USB总线连接至工业设备50，可以读取第一存储器31内存储的配置文件，从而配置工业设备50与MPU10之间的通信转换方式，通信转换方式至少包括USB通信转串口通信以及IIC通信转换串口通信。

[0028] 在具体实施中，5G通信电路40可以通过5G基站与外部的远程主机60建立进行无线通信，从而可以接收远程主机60发送的电磁波，并将其转换为对应的数字信号后传输至MPU10。MPU10在接收到数字信号时，可以获取对应的配置数据，并通过SPI总线将配置数据传输至第一存储器31中，并以配置文件的形式进行存储。在将配置文件存储于第一存储器31后，每当FPGA芯片20上电时，可以读取存储于第一存储器31内当前存储的配置文件，从而对内部各功能单元进行编译，并配置对应的通信转换功能。

[0029] 作为一种情形，若当前配置的通信转换方式是USB转串口通信方式，则可以将USB通信转换为串口通信，则可以启用USB总线作为工业设备50与FPGA芯片20之间的数据传输通道，使工业设备50与FPGA芯片20之间进行USB通信，同时FPGA芯片20还与MPU10进行串口通信，从而可以将工业设备50传输的工业数据先以USB信号的形式传输至FPGA芯片20，经FPGA芯片20转换为串口信号的形式后，再传输至MPU10，经MPU10处理后通过5G通信电路40传输至外部的远程主机60，以保证远程主机60可以实时接收到工业设备50当前的各类工业数据，实现对工业设备50当前执行的工作进行实时监控；或，MPU10通过5G通信电路40接收到外部的远程主机60传输的控制指令，并将其以串口信号的形式传输至FPGA芯片20，FPGA芯片20将其转换为USB信号的形式后再传输至工业设备50，以使工业设备50基于接收到的USB信号对应的控制指令执行对应的工作，实现对工业设备50实时进行远程操控。

[0030] 作为另一种情形，若当前配置的通信转换方式是IIC转串口通信方式，则可以将IIC通信转换为串口通信，可以启用IIC总线作为工业设备50与FPGA芯片20之间的数据传输通道，使工业设备50与FPGA芯片20之间进行IIC通信，同时FPGA芯片20还与MPU10进行串口通信。与上述情形类似的，也可以实现对工业设备50当前执行的工作进行实时监控，或实现对工业设备50实时进行远程操控，在此不再赘述。

[0031] 值得注意的是，在本实施例中，配置文件还可以使FPGA芯片20具有通信质量判断功能，FPGA芯片20还可以对当前与工业设备50之间进行的IIC通信以及USB通信的通信质量进行判断。通过比较二者之间的信号传输速率判断出上述两种通信转换方式各自对应的通信质量，并结合当前通信需求，自动选择两种通信转换方式中通信质量最佳的一种进行通信，从而可以保证FPGA芯片20与工业设备50之间尽可能快地进行数据传输，保证通信的实时性以及可靠性。其中，当前通信需求可以通过MPU10向FPGA芯片20发送的信号进行获取，或通过配置文件中包含的关于通信需求的数据进行获取，或通过工业设备50提供的请求指令获取，具体获取方式不作具体限定。

[0032] 还需注意的是，在本实施例中，FPGA芯片20与工业设备50之间还可以采用其它总线进行通信，例如SPI总线、CAN总线等（图中未示出），因此配置文件还可以将FPGA芯片20配置出具有可以启用其它总线与工业设备50进行通信的功能，即通信转换方式还包括SPI转串口通信方式以及CAN转串口通信方式等，可以实现通过其它类型的通信转换方式与工业设备50之间进行通信。

[0033] 本申请提供了一种基于硬实时通用MPU板级模组，所述基于硬实时通用MPU板级模组包括：MPU、FPGA芯片、第一存储器以及5G通信电路；所述MPU连接所述5G通信电路，所述MPU还通过第一串口总线连接所述FPGA芯片，所述MPU还通过SPI总线连接所述第一存储器；所述FPGA芯片用于通过IIC总线和USB总线连接工业设备，所述FPGA芯片还通过SPI总线连接所述第一存储器；所述MPU，用于通过所述5G通信电路无线接收外部传输的配置数据，并将所述配置数据对应的配置文件存储于所述第一存储器31；所述FPGA芯片，用于基于所述配置文件，选择所述工业设备与所述MPU之间的通信转换方式，所述通信转换方式包括IIC转串口通信方式以及USB转串口通信方式。通过5G通信电路接收外部传输的配置数据，MPU将配置数据对应的配置文件存储于FPGA芯片的第一存储器，使得FPGA芯片在上电时，可以基于配置文件对当前与工业设备之间的通信转换方式进行配置，从而选择IIC总线通信方式或USB总线通信方式中通信质量最佳的方式与工业设备进行通信，进而可以保证MPU能与工业设备保持最佳通信质量，提升了通信模组的通信稳定性。

[0034] 基于本申请基于硬实时通用MPU板级模组的第一实施例，在本申请基于硬实时通用MPU板级模组的第二实施例中，与上述实施例一相同或相似的内容，可以参考上文介绍，后续不再赘述。在此基础上，请参照图2，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：第一接口转换芯片71；所述第一接口转换芯片71的第一端连接所述MPU10的VGA端口，所述第一接口转换芯片71的第二端连接HDMI接口，所述HDMI接口用于连接所述工业设备50的视频输出端；
所述第一接口转换芯片71，用于将所述工业设备50传输的HDMI信号转换为VGA信号，并将所述VGA信号传输至所述MPU10。

[0035] 需要说明的是，在本实施例中，第一接口转换芯片71可以为一种可以实现将HDMI信号与VGA信号进行相互转换的驱动芯片，其可以设置于MPU10的VGA端口与工业设备50的视频输出端之间。其中，HDMI信号是一种用于传输高清视频并且可以集成音频的数字量电信号，可以实现无损传输视频和音频，保证画质和音质的纯正。VGA信号则是一种用于传输视频或图像的模拟量信号，其传输的视频或图像的分辨率较低，对图像处理需求低。

[0036] 易于理解的是，工业设备50内可以包含可以产生视觉影响的视觉传感器，其可以获取当前工业设备50进行某段工作过程中的图像或视频，并将其以HDMI信号的形式传输至第一接口转换芯片71。第一接口转换芯片71可以对工业设备50传输的HDMI信号进行转换，并将转换获得的VGA信号直接传输至MPU10，使得MPU10可以基于接收到的VGA信号获取当前工业设备50当前正在执行工作的视频或图片。作为一种情况，MPU10可以将获取的视频或图片转换为数字信号传输至5G通信电路40，并通过5G通信电路40无线传输至外部的远程主机60，从而使得远程主机60可以更好地监控当前工业设备50执行的工作。

[0037] 进一步地，在本实施例中，所述MPU10还通过PCIe总线与显示设备80连接；所述MPU10，还用于将所述VGA信号转换为图像显示信号，并将所述图像显示信号传输至所述显示设备80，使所述显示设备80展示所述工业设备50提供的预设图像。

[0038] 易于理解的是，显示设备80可以为工业设备50配置的显示器，主要用于显示工业设备50的操作系统、工业软件、硬件参数、软件参数等信息，便于现场人员对该工业设备50的工作状态进行现场监控（显示设备80与工业设备50之间的连接关系未在图中示出）。在本实施例中，MPU10还具有PCIe总线，并可以通过PCIe总线连接至外部的显示设备80，实现MPU10与显示设备80之间进行高速地数据传输。在具体实施中，MPU10还可以将获取的VGA信号转换为数字量的图像显示信号，并将其通过PCIe总线高速传输至显示设备80，使得显示设备80可以向现场的工作人员实时展示当前工业设备50执行的工作，以便于工作人员对工业设备50当前出现的故障或发生的异常进行判断。

[0039] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：第二存储器32；
所述第二存储器32与所述MPU10的EMMC端口连接；
所述第二存储器32，用于存储所述MPU10的操作系统文件，所述操作系统文件包括硬实时系统文件以及OpenEuler系统文件。

[0040] 需要说明的是，在本实施例中，第二存储器32可以为一种NAND Flash存储器，其采用浮栅晶体管存储信息，可以高速进行擦除以及写入操作，适用于长期数据存储的应用，且可以在没有电源的情况下保存数据。此外，起还可以在高温、高压、高振动等级的极端环境下稳定工作，因此可以用于存储操作系统等重要文件。

[0041] 在具体实施中，第二存储器32通过EMMC端口与MPU10进行连接，通过EMMC端口可以将第二存储器32内部存储的操作系统文件的数据以“块”的形式高速传输，从而将第二存储器32内存储的操作系统文件提供给MPU10。作为一种优选方式，操作系统文件内包含用于配置硬实时操作系统的硬实时系统文件以及用于配置OpenEuler操作系统的OpenEuler系统文件。MPU10在上电时，可以读取第二存储器32内存储的操作系统文件，并基于操作系统文件将其内部的操作系统配置为OpenEuler操作系统以及硬实时操作系统。上述两种操作系统互不干扰，其中，硬实时操作系统用于处理硬实时任务，即在极短的时间内响应外部事件或数据，保证系统可以在关键时刻执行正确的操作，其还可以支持多任务并发执行，先将每个任务进行优先度分级，并可以按照优先度由高至低的顺序，在给定时间内依次完成每个任务，确保系统的稳定效果以及可靠性；而OpenEuler操作系统则具有高性能计算的特性，可以自由定制软件生态，便更于灵活地进行软件开发和部署，为用户提供更多的选择性。

[0042] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：电源管理电路90；所述电源管理电路90分别连接所述MPU10的供电端口、所述FPGA芯片20的供电端口以及所述5G通信电路40的供电端口；
所述电源管理电路90，用于分别为所述MPU10、所述FPGA芯片20以及所述5G通信电路40供电，并调节所述5G通信电路40的射频功率。

[0043] 需要说明的是，在本实施例中，电源管理模块可以与工业设备50的电源线连接，通过工业设备50提供的电源，并将电能以对应电压分别传输至MPU10、FPGA芯片20、5G通信电路40等功能区域，为各功能区域供电。其中，电源管理电路90还可以控制提供至5G通信电路40的供电的功率，更具体的，可以控制5G通信电路40中，为射频电路42提供的功率，从而改变射频信号的功率大小，从而提高信号强度以及信号覆盖范围。

[0044] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：加密芯片101；
所述加密芯片101与所述MPU10的第二串口总线连接；
所述MPU10，还用于将所述工业设备50发送的加密指令传输至所述加密芯片101；
所述加密芯片101，用于在接收到所述加密指令时，基于SM2、SM3以及SM3的一种或多种的加密算法，向所述MPU10返回密文数据；
所述MPU10，还用于基于所述密文数据，对所述工业设备50传输的工业数据进行加密，并通过所述5G通信电路40将加密后的所述工业数据无线传输至远程主机60。

[0045] 需要说明的是，SM1加密算法是一种对称加密算法，主要用于加密小数据量，采用分组密码的加密方式，将明文分为若干个长度相同的分组，并对每个分组分别进行加密运算，最后合并为密文，密钥生成过程中采用多种随机数生成器，密钥的随机性和安全性高；SM2加密算法是一种基于椭圆曲线密码学实现的非对称加密算法，该算法的安全性主要依赖于椭圆曲线上的离散对数问题，即使知道公钥，也难以推导出私钥，相比传统的RSA算法，SM2在相同的安全强度下可以使用更短的密钥长度，计算效率高；SM3加密算法是哈希算法，其使用32轮迭代运算，依赖于消息扩展、压缩函数、信息混淆等不住，安全性高。

[0046] 易于理解的是，在本实施例中，MPU10还可以通过第二串口总线与加密芯片101进行通信。在具体实施中，工业设备50可以产生加密指令，通过FPGA芯片20以对应的通信转换方式将加密指令传输至MPU10，MPU10再将加密指令转发至加密芯片101，加密芯片101在接收到对应的加密指令时，可以采用SM1、SM2以及SM3中任意一种或多种加密算法产生相应的密文，并将密文以密文数据的形式通过第二串口总线返回至MPU10。MPU10在接收到加密芯片101回传的密文数据时，可以通过密文数据对后续工业设备50发送的工业数据进行加密产生对应的数字信号，并将加密后产生的数字信号传输至5G通信电路40，5G通信电路40将其转换为电磁波后通过5G基站无线传输至外部的远程主机60，从而使得远程主机60可以更安全地获取工业设备50传输的工业数据，防止工业数据被恶意篡改。

[0047] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：电子熔断器102；
所述电子熔断器102设置于所述加密芯片101与所述MPU10之间；
所述电子熔断器102，用于检测传输至所述加密芯片101的电流值，并在所述电流值超出预设电流阈值时，熔断所述加密芯片101与所述MPU10之间的连接回路，以保护所述加密芯片101。

[0048] 易于理解的是，预设电流阈值是指电子熔断器102触发熔断的电流值。在本实施例中，电子熔断器102设置于加密芯片101与MPU10之间，用于激活或禁用加密芯片101。其可以对MPU10传输至加密芯片101的电流进行检测，在检测到MPU10传输至加密芯片101的电流超出预设电流阈值时，其内部会发生熔断，通过物理方式断开加密芯片101与MPU10之间的电连接，从而保护加密芯片101不受MPU10输出的异常电流损坏，保护其内部存储的加密密钥，保护数据的安全存储。

[0049] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组还包括：微型风扇FAN；所述微型风扇FAN连接至所述MPU10的PWM接口；
所述MPU10，还用于在上电时，输出PWM信号至所述微型风扇FAN，以使所述微型风扇FAN对所述MPU10进行降温。

[0050] 易于理解的是，通信模组内还集成有微型风扇FAN，MPU10在上电并进行工作时，还可以输出对应的PWM信号至微型风扇FAN，以控制微型风扇FAN对MPU10、FPGA芯片20、5G通信电路40等区域进行散热降温，以使通信模组的工作温度稳定在最佳工作温度范围内。通过上述方式，可以对通信模组在进行高速通信时产生的大量热量进行快速散热，减少温度升高对通信信号传输的干扰，即减少温度过高对通信质量的影响。

[0051] 进一步地，在本实施例中，所述MPU10包括：多个A55处理器11；各所述A55处理器11相互之间通过AMBA总线连接，被划分为两组，第一组用于运行硬实时操作系统，第二组用于运行OpenEuler操作系统。

[0052] 易于理解的是，AMBA总线是一种片上总线标准，其具有高速度和低功耗的特点，其包含用于连接处理器核心、高速缓存、DMA控制器等高速组件的高级高性能总线（Advanced High‑Performance Bus，AHB）、用于；连接低速外设的高级外设总线（Advanced Peripheral Bus，APB）、用于提供互联拓扑结构的高级可扩展总线接口（Advanced Extensible Interface，AXI）等多系列高性能、低功耗的总线，可以支持多主/多从的体系结构和高带宽、低延迟的数据传输。在本实施例中，MPU10内部包含多个A55处理器11，A55处理器11指的是基于ARM Cortex‑A55核心的处理器，可以理解为是一种低功耗、高效能的核心处理单元，能够提供出色的性能和长时间的续航能力。各A55处理器11之间均通过AMBA总线连接，可以实现各A55处理器11之间进行高速、低延迟的数据传输，可以理解的，本文所述的MPU10的各类型接口对应的通信总线最终也可以连接至AMBA总线（图中未画出），从而将各类数据、信号、或信息提供给各处理器进行处理。作为一种优选方式，其具体可以为AMBA3.0总线。

[0053] 在具体实施中，各A55处理器11可以被划分为两组，其中一组用于被规划运行硬实时操作系统，而另一组可以用于被规划运行OpenEuler操作系统。在运行硬实时操作系统时，可以保证中断延时不超过1us，上下文切换也不超过1us。

[0054] 作为一种优选方式，如图2所示，多个A55处理器11可以为4个A55处理器11，其中1个A55处理器11组成第一组，用于运行硬实时操作系统；另外3个A55处理器11组成第二组，用于运行OpenEuler操作系统。其中，硬实时操作系统可以严格保证一些关键性任务在极短的时间内可以及时得到严格执行，保险系统的可靠性，而OpenEuler操作系统可以提供多层次安全机制以及容错机制，可以使系统在遇到故障或异常情况时迅速恢复并继续提供服务，保证系统的稳定性。如此设计，可以使硬实时操作系统以及OpenEuler操作系统并行运行，进一步提升通信模组在工作时的可靠性、稳定性以及安全性。

[0055] 进一步地，在本实施例中，所述MPU10还包括：M3协处理器12以及M3安全处理器13；所述M3协处理器12以及所述M3安全处理器13均通过所述AMBA总线与各所述A55处理器11连接；
所述M3协处理器12，用于协助各所述A55处理器11处理实时任务；
所述M3安全处理器13，用于处理存储管理任务，以实现与所述工业设备50进行安全通信。

[0056] 需要说明的是，在本实施例中，MPU10内部还设有M3协处理器12以及M3安全处理器13，其中，M3协处理器12可以通过AMBA总线获取各A55处理器11提供的数据，从而可以协助上述多个A55处理器11处理一些较为低级、重复性高的、实时性要求高的实时任务，例如对工业设备50传输的传感器数据处理，或对音频/视频编解码等任务，减轻主处理器的工作负担，提高整体系统的效率；而M3安全处理器13可以执行一些重要的存储管理任务，例如为某种重要的数据进行加密、访问控制，实现安全存储。通过M3协处理器12以及M3安全处理器
13，可以进一步提升系统整体性能，保证数据安全等效果。

[0057] 更具体的，MPU10内部还包括SRAM存储器14，其也连接至AMBA总线，SRAM存储器14的读写操作时间非常短，数据存储较为稳定，可以为上述各处理器提供高速缓存，从而加速各处理器的访问速度，提高系统效率。

[0058] 进一步地，在本实施例中，所述MPU10还包括用于连接网络设备110的RGMII接口、SGMII接口以及QSGMII接口。

[0059] 需要说明的是，在本实施例中，MPU10还具有RGMII接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）、SGMII接口（Serial Gigabit Media Independent Interface，SGMII）以及QSGMII接口（Quad Serial Gigabit Media Independent Interface，QSGMII）。RGMII接口是指缩减型干兆介质独立接口，SGMII接口是指串行千兆媒体独立接口，QSGMII接口是指四串行千兆媒体独立接口，三者均为用于连接以太网设备中的不同组件或设备的网络接口标准。其中，RGMII接口可以连接以太网PHY（物理层）设备、交换机以及路由器等网络设备110；SGMII接口可以连接千兆以太网MAC芯片、以太网PHY芯片、以太网交换机、路由器、网络接口卡以及光纤收发器等网络设备110；QSGMII接口可以连接支持QSGMII标准的MAC控制器、以太网PHY设备、交换机或路由器等网络设备110。通过以上三种接口，可以使MPU10与以太网通信系统建立通信关系，由于以太网支持多种通信协议，例如TCP/IP、HTTP等，可以实现高带宽的数据传输，通过以太网可以实现高速、低延时的数据通信，适用于对实时性以及吞吐量较高的通信应用场景。此外，通过连接以太网，通信模组还可以轻松接入网络管理系统，便于远程监控、配置、诊断以及升级。

[0060] 进一步地，在本实施例中，所述基于硬实时通用MPU板级模组的封装为M.2封装或MiniPCIe封装中的任意一种。

[0061] 需要说明的是，在本实施例中，上述板级模组具体可以为一种5G RedCap通信模组，其可以采用LCC封装、M.2封装以及MiniPCIe封装，其中，MiniPCIe封装和M.2封装均具有兼容性优秀、体积小的特点。相比之下，MiniPCIe封装具有多样的供电方式、更灵活地扩展性，可以满足供电难度较大、需要进行频繁对通信模组进行扩展升级的场景；而M.2封装具有更好地兼容性，能够支持更多种类的通信协议，例如SATA等，适用于与不同种类的工业设备50进行通信，可以满足传输不同种类数据的需求。基于上述理由，为适应工业环境的多样化，可以优选M.2封装和MiniPCIe封装作为该板级模组的封装。

[0062] 以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利处理范围内。