基于Banana Pi BPI-5202 龍芯2K2000的工業(yè)控制網(wǎng)關設計

2024-09-04 19:32·BananaPi開源硬件

基于國產(chǎn)龍芯Loongson 2K1000LA 工業(yè)控制開發(fā)板

Banana Pi BPI-5202作為單純的嵌入式通用控制器軟硬件開發(fā)平臺，采用龍芯2K1000LA芯片設計，基本配置中有2個獨立MAC以太網(wǎng)端口、2個RS485端口+1個RS232端口+2個CAN2.0端口，配置靈活，為應用開發(fā)者提供功能齊全的硬件解決方案。提供較強算力的邊緣計算支持。開發(fā)者可以快速利用開發(fā)平臺，進行開發(fā)并產(chǎn)品化

全志科技 A40i 方案設計 香蕉派 BPI-6202 工業(yè)控制網(wǎng)關 中科龍芯 2K1000LA 方案設計: 香蕉派 BPI-5202 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)關計算機 中科龍芯 3A6000 方案設計: 香蕉派 BPI-3A6000 工業(yè)級迷你計算機

龍芯CPU架構簡介

龍芯CPU是龍芯中科自主研發(fā)的具有完整自主知識產(chǎn)權的CPU產(chǎn)品。

龍芯CPU面向國家信息化建設的需求，面向國際信息技術前沿，以安全可控為主題，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主線，以體系建設為目標，堅持自主創(chuàng)新，掌握計算機軟硬件的核心技術，為國家安全戰(zhàn)略需求提供自主、安全、可靠的處理器，為信息產(chǎn)業(yè)及工業(yè)信息化的創(chuàng)新發(fā)展提供高性能、低成本、低功耗的處理器。

龍芯CPU系列產(chǎn)品包括：面向行業(yè)應用的專用小CPU、面向工控和終端類應用的中CPU、以及面向桌面與服務器類應用的大CPU。在國家安全、電腦及服務器、工控及物聯(lián)網(wǎng)等領域與合作伙伴展開廣泛的市場合作。

龍芯嵌入式CPU（1系列和2系列）主要應用于網(wǎng)絡通信安全產(chǎn)品、指紋密碼產(chǎn)品、工控互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)應用等領域，與板卡、軟件、整機廠商建立了緊密的合作關系。

國內主要網(wǎng)安企業(yè)的國產(chǎn)防火墻、交換機、網(wǎng)閘、路由器、各類數(shù)據(jù)通訊終端等產(chǎn)品，均使用龍芯CPU研發(fā)；在工控互聯(lián)網(wǎng)領域，PLC、DTU、FSU、集中器、網(wǎng)絡開票機、交通燈、門禁門鎖、工控集終端等，正在快速增長。在SOC設計領域：行業(yè)SOC、數(shù)字電視、機頂盒、電力SOC等。

龍芯2K1000LA CPU簡介

龍芯2K1000LA處理器是面向網(wǎng)絡安全、移動智能終端、高性能邊緣計算場景應用需求的雙核處理器芯片。龍芯2K1000 處理器集成兩個GS264 處理器核，芯片外圍接口包括兩路x4 PCIE2.0、一路SATA2.0、4 路USB2.0、兩路DVO、64 位DDR2/3，及其它各種小接口。該芯片可以滿足中低端網(wǎng)絡安全領域應用需求，并為其擴展應用提供相應的接口。

龍芯2K1000LA處理器，是全新的LoongArch架構處理器，與2K1000實現(xiàn)了PIN2PIN兼容。對比2K1000，2k1000LA性能提升20%，功耗降低20%，更重要的是，LoongArch架構徹底擺脫了MIPS架構，是目前我國唯一具有完整自主知識產(chǎn)權的自主指令集的CPU架構產(chǎn)品。

適用對象

需要采用完全國產(chǎn)化自主可控產(chǎn)品，特別是以龍芯嵌入式架構形成信創(chuàng)工業(yè)產(chǎn)品

通過既往經(jīng)驗，認識到以“購買核心板+自研底板”的方式研發(fā)產(chǎn)品，效率低、時間長、價格高、調試工作量大

面臨不同應用需求，在不斷研發(fā)新品的過程中，不斷重復調試/適配各種驅動、中間件、數(shù)據(jù)接口時

為滿足不同需求，需要不斷重構軟件模塊，但因缺少軟件開發(fā)工具，無法保證軟件成熟度與軟件質量

當出現(xiàn)以“核心板+底板“的方式，在應用中面臨擴展性、可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾性不足的困擾

為盡快實現(xiàn)產(chǎn)品上市，不愿從頭設計，而計劃采用成熟的硬件+工具軟件+應用功能整合的方案

為推出創(chuàng)新性的產(chǎn)品，需要整合不同的軟件功能，或自研、或開源都無法滿足要求時

獨特優(yōu)勢

單板工控機，融合大量應用場景的需求，完整輸出CPU的IO資源，無需重復設計IO功能擴展，研發(fā)更高效

單板工控機，工業(yè)級設計，品質更有保證，抗電磁干擾性能更強、繼承性更好，生命周期運行更穩(wěn)定

單板工控機，通過PCIe、內部高速總線等方式，與更多擴展功能板卡互聯(lián)

工控開發(fā)組件（可選），提供基于硬件/驅動上的IO通信與控制、協(xié)議解析與轉發(fā)、擴展數(shù)據(jù)接口功能

工控應用產(chǎn)品包（可選），通過應用開發(fā)工具，快速構建各種工控應用產(chǎn)品，確保可靠性和多樣性

支持ARM架構/全國產(chǎn)化自主可控（龍芯LoongArch）架構和運行環(huán)境

龍芯（LoongArch）、飛騰/全志/瑞星微（ARM）等硬件架構下，實現(xiàn)了軟件中間件+應用功能模塊全兼容

能夠滿足板卡元器件100%國產(chǎn)化的需求

能夠滿足軟件中間件/應用功能模塊國產(chǎn)化率（自研率）99%以上要求

硬件

BPI-5202 PCBA 硬件設計

PCBA 硬件接口

PCBA 硬件規(guī)格

處理器及OS	龍芯2K1000LAi 雙核1.0GHz,Loongnix、LoongOS、LxAMP、麒麟V10
內存	4G DDR3，可配大容量SSD硬盤
基本通信功能	以太網(wǎng)口：2 x 1000M自適應，獨立MAC,?2 x RSRS485+1 x RS232+ 2 x CAN 2.0，帶隔離,?4G全網(wǎng)通
擴展功能模塊	5個擴展槽位，以下模塊任意組合,?7 x RS485：帶隔離（最多支持1個板卡擴展）;?16 x DI：無源輸入型，模塊提供24V隔離電源;?16 x DO：光耦繼電器輸出型，最大負載60V/500MA;?8 x DI + 8 DO：繼電器輸出型，NC、COM、NO節(jié)點;?8 x AI + 4 xAO：0-5V/4- 20mA;?其它定制模塊
HMI接口	HDMI
USB	USB支持鍵盤、鼠標；或電阻/電容顯示屏接口
電源	DC24V電源輸入,?24V隔離輸出，IO板使用，500mA

硬件擴展

為滿足現(xiàn)場復雜的電氣量接入需求，BPI-5202設計了5個可擴展IO槽位，每個IO槽位可根據(jù)需要配置為16xDI、16xDO、8xDI+8xDO、8xAI+4AO中的任意一種IO板卡，配合提供靈活多變的配置組合方式，并可以根據(jù)用戶和項目的需求，定制各種功能板卡.

BPI-5202擴展口采用2.54mm 間距，2x10P 排針座，用來擴展IO接口。

BPI-5202支持模塊化設計，提供豐富的擴展接口，可以采用基本單元 + 5個擴展單元，支持按需配置。擴展IO單元模塊包括：

7 x RS485模塊，帶隔離

16 x DI模塊（開關輸入模塊），無源輸入（最多支持5個模塊混插）

16 x DO模塊(開關輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x DI+8 x DO O模塊(開關輸入/輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x AI + 4 x AO 模塊（模擬量輸入輸出模塊），支持0-5V、0-20mA輸入

可根據(jù)需求定制Lora、ZigBee、433M無線傳輸模塊、電力線載波模塊、以及其它功能模塊

支持第三方自行定制功能板卡，并與BPI-5202實現(xiàn)通信

所有電路板都通過內部總線(485或SPI)連接在盒子里

Banana Pi BPI-5202 全功能擴展網(wǎng)關設計

基于BPI-5202 的產(chǎn)品介紹

BPI-5202S，是基于龍芯2K1000LA CPU研發(fā)的工業(yè)級、具有可信計算功能的高性能嵌入式單板工控機，主板板卡具有強大的計算性能，內存/存儲可擴，IO接口豐富；采用CPU+IO底板的整體設計，抗干擾性更強，品質更穩(wěn)定，生命周期更長，能滿足各種工業(yè)現(xiàn)場復雜的應用要求。

BPI-5202S提供了內置的基于PCIe和高速RS485的總線接口，便于連接更多的IO功能板，滿足更加多樣化的、更加專業(yè)化的應用需求。

BPI-5202S已經(jīng)實現(xiàn)了所有元器件的100%國產(chǎn)化。

在強大的硬件架構之上，吉斯凱達公司集成具有完整自主知識產(chǎn)權的眾多軟件功能（可選），通過吉斯凱達公司提供的開發(fā)組件和應用產(chǎn)品功能包的選擇，實現(xiàn)（且不限于）如下功能：

協(xié)議轉換功能300+工業(yè)通用/行業(yè)專用協(xié)議庫

音視頻處理：音視頻接入傳輸/控制/錄像/聯(lián)動功能

邊緣計算：邊緣計算編程功能

網(wǎng)絡安全：工業(yè)防火墻功能

PLC：支持IEC61131編程

300+工業(yè)通用/行業(yè)專用協(xié)議庫

視頻接入傳輸/控制/錄像/聯(lián)動功能

電氣IO量采集控制功能（AI/AO/DI/DO）

工業(yè)控制器：支持各種算法的靈活定義和數(shù)據(jù)的共享

C/S架構SCADA系統(tǒng)

B/S架構SCADA系統(tǒng)

BPI-5202為導軌式安裝方式，外觀如下圖所示。

硬件型態(tài)

為滿足工業(yè)產(chǎn)品不同的開發(fā)和應用標準與需求，BPI-5202提供了多種硬件形態(tài)的產(chǎn)品，均為可以立即使用的，工業(yè)級工業(yè)控制/IOT產(chǎn)品。

單板、單板整機

BPI-5202，有多種產(chǎn)品形態(tài)：

單板方式：單獨的板卡

原廠定制機殼方式：采用社區(qū)專門定制的機殼

開發(fā)者定制機殼方式：采用開發(fā)者自己定制的機殼、機箱

多板整機的各種組合模式

為滿足現(xiàn)場不同的應用需求，BPI-5202 能夠以主控板為基礎，擴展各種IO板卡，組合成各種的多板整機形態(tài)（需在交付時指明），包括但不限于以下形態(tài)：

BPI-5202：1-2聯(lián)典型應用模式

BPI-5202：3聯(lián)典型應用模式

BPI-5202：7聯(lián)典型應用模式

BPI-5202系統(tǒng)的層次結構

為適應不同層次的開發(fā)能力與開發(fā)需求，全系統(tǒng)由硬件核心到軟件外延，分為三個相對獨立、但能緊密耦合的三個功能層：單板工控機、開發(fā)組件、應用產(chǎn)品包。

1．核心層：單板工控機

在嵌入式工業(yè)級CPU上開發(fā)的高性能單板工控機，具有滿足各類工控/物聯(lián)網(wǎng)應用需求的資源、算力、IO接口，并具有承載高性能工控組件和工控應用運行的能力。

通過多種高速數(shù)據(jù)總線接口，能夠擴展更多的功能板卡，滿足各種應用場景的實際需求。

2．組件層：工控開發(fā)組件iDevToolkit

iDevToolkit工控開發(fā)組件，由協(xié)議解析器框架、C/S架構服務框架、B/S架構服務框架、MQTT服務器框架、視頻服務框架、及實時數(shù)據(jù)庫API、關系數(shù)據(jù)庫API、時序數(shù)據(jù)庫API等組件構成。

開發(fā)者利用iDevToolkit工控開發(fā)組件，以多種編程語言，通過各類數(shù)據(jù)接口和服務接口，存取、處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自己的業(yè)務流程，從而在5202的彈性硬件平臺上，自行實現(xiàn)各類工業(yè)級的產(chǎn)品。

3．應用層：工控應用產(chǎn)品包iCtrlPkg

iDevPkg工控應用產(chǎn)品包，是基于iDevToolkit開發(fā)出的一系列成熟的、功能強大的、可以靈活定制和裁剪的、具有大量案例的工業(yè)控制/IOT產(chǎn)品；依照同樣的技術路徑，不同的開發(fā)者，借助iDevToolkit，也能開發(fā)出更多樣、更優(yōu)秀、更強大的工業(yè)控制/IOT產(chǎn)品。

BPI-5202產(chǎn)品典型應用場景

適用于國產(chǎn)化自主可控需求中涉及多通道/多協(xié)議接入、數(shù)據(jù)處理與整合、監(jiān)控、SCADA和輕量級PLC的應用場景：

變電站/配電間自動化系統(tǒng)中各類（串口/網(wǎng)口/IO電氣量）數(shù)據(jù)采集單元、測控裝置、保護設備的接入、協(xié)議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

機房動力環(huán)境監(jiān)控、泵房監(jiān)控系統(tǒng)中各類（串口/網(wǎng)口/IO電氣量）自動化控制設備、PLC、變頻器設備的接入、協(xié)議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

智慧城市、智慧園區(qū)、智慧校園系統(tǒng)中各類（串口/網(wǎng)口/電氣量IO）物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備、控制設備的接入、協(xié)議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

智能配電房、機房動力環(huán)境、泵站、智慧園區(qū)、智慧校園、智能制造等現(xiàn)場的視頻前段設備接入 配合后臺API和平臺，為應用開發(fā)商和用戶提供不依賴視頻廠家SDK和后臺系統(tǒng)的低成本、易開發(fā)的獨立安全的視頻監(jiān)控整合方案

BPI-5202主要特點

1,工業(yè)成品與應用開發(fā)平臺, BPI-5202嵌入式通用工業(yè)控制器，有三個不同的角色：

作為工業(yè)成品：以其所具有的功能（輕量級PLC、協(xié)議網(wǎng)關、視頻網(wǎng)關、綜合網(wǎng)關、嵌入式SCADA系統(tǒng)等各種角色），直接應用于工程項目現(xiàn)場

作為二次開發(fā)的基礎平臺，為應用開發(fā)者提供各類開發(fā)工具和協(xié)議解析數(shù)據(jù)庫接口，大大縮短各類行業(yè)應用產(chǎn)品的開發(fā)周、降低開發(fā)難度 作為單純的國產(chǎn)化自主可控的嵌入式通用控制器軟硬件平臺，為應用開發(fā)者提供較強算力的邊緣計算支持

2,工業(yè)級標準:

工業(yè)級低功耗設計，現(xiàn)場長期穩(wěn)定運行

支持-40℃~+85℃寬溫運行（高溫環(huán)境下需選配合適的散熱片/風扇）

執(zhí)行GB/T17626、GB/T15153、IEC61850-3、EN61000-6-5標準，EMC III級

支持雙機冗余

3,可擴展功能

支持定制外殼的板卡擴展，包括電氣IO模塊（AI / AO /DI /DO模塊）、擴展串口模塊、擴展以太網(wǎng)交換模塊、HPLC通信模塊、CAN通信模塊、Zigbee通信模塊、Lora通信模塊，以及其他行業(yè)應用的定制模塊，采用內部高速總線與6202主板通信

4,數(shù)據(jù)+視頻現(xiàn)場整合

多年積累的300+國際/國家/行業(yè)/企業(yè)協(xié)議庫，即插即連，提高接入效率，解析數(shù)據(jù)準確

視頻RTSP/RTMP，Onvif/GB28181功能，流媒體服務器功能，H.264/H.265播放功能，數(shù)據(jù)聯(lián)動短視頻聯(lián)動報警錄像功能，攝像頭 AI分析事件捕獲/上傳功能（近期發(fā)布），數(shù)據(jù)OSD打碼功能（近期發(fā)布）

解決長期以來視頻監(jiān)控獨立于數(shù)據(jù)監(jiān)控、需要視頻廠家前端+后端綁定方案痼疾和痛點

5,輕量級PLC功能

通過IEC61131-3編程語言，可針對網(wǎng)關內所有數(shù)據(jù)進行PLC方式編程，通過電氣IO模塊，實現(xiàn)輕量級PLC功能

6,多種南向/北向通信方式

支持2個獨立MAC千兆自適應網(wǎng)口

支持2個RS485和1個RS232串口；通過機箱擴展和擴展板，可以多支持7個RS485

支持2路CAN接口；

支持擴展WIFI、4G/5G通信

7,HMI及上位機功能集成

通過HDMI/USB接口連接觸摸屏/大屏-鍵盤-鼠標，應用程序可實現(xiàn)友好的HMI交互

配合內置的全功能SCADA系統(tǒng)（C/S架構和B/S架構），取代現(xiàn)場X86+Windows架構的上位機計算機系統(tǒng)，適合無人值守環(huán)境，具有極高的性價比

8,多核架構、資源豐富、算力充裕

龍芯高性能處理器2K1000LA，主頻1.0GHz，4G DDR3

1 x M.2 SATA硬盤接口，可接入SSD硬盤

1 x mini PCIE接口，可接入4G模塊、Wifi模塊或AI算力卡；

內置軟件狗加密芯片

可信平臺模塊，保障設備與通信安全

9,多種二次開發(fā)接口

C、表達式、梯形圖、Java、Python、SqLite編程接口

Docker功能

內部邏輯結構

外部連接方式

BPI-5202技術說明

為滿足各關鍵行業(yè)項目對國產(chǎn)化自主可控產(chǎn)品的需要，而特別設計的BPI-5202，基本配置中有2個獨立MAC以太網(wǎng)端口、2個RS485端口+1個RS232端口+2個CAN2.0端口，配置靈活，廣泛適用于軍工、電力、石油、廠礦、及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的自動化監(jiān)控場合

為滿足現(xiàn)場復雜的電氣量接入需求，BPI-5202設計了5個可擴展IO槽位，每個IO槽位可根據(jù)需要配置為16xDI、16xDO、8xDI+8xDO、8xAI+4AO中的任意一種IO板卡，配合提供靈活多變的配置組合方式，并可以根據(jù)用戶和項目的需求，定制各種功能板卡

BPI-5202內置300+規(guī)約解釋庫和實時數(shù)據(jù)庫，可連接國內外各種保護裝置、測控裝置、IEDs等設備，并支持IEC61850。可根據(jù)用戶要求定制特殊規(guī)約；提供開放的API，方便用戶自行開發(fā)規(guī)約軟件，規(guī)約軟件可獨立下載

BPI-5202支持近百臺設備的接入，數(shù)據(jù)協(xié)議解析、轉換與統(tǒng)一傳輸

BPI-5202具有強大的視頻處理能力，包括RTSP/RTMP視頻推拉流、Onvif/GB28181協(xié)議棧等視頻監(jiān)控傳輸功能，實現(xiàn)對多廠家視頻前端設備（IPC、NVR）的兼容接入，配置大容量硬盤后可取代NVR，實現(xiàn)視頻錄像及回放功能。獨有的基于數(shù)據(jù)+視頻的聯(lián)動功能，提供了業(yè)界唯一的數(shù)據(jù)+視頻完美融合的解決方案

BPI-5202通過HDMI顯示接口和USB鍵盤鼠標（或觸摸屏），支持2048點以下完整的SCADA系統(tǒng)功能

BPI-5202支持三種配置方式：

內置WEB管理，通過瀏覽器查詢／配置設備的工作參數(shù)

專用的配置軟件配置設備參數(shù)

云端遠程管理，通過云端對參數(shù)進行配置和診斷，實現(xiàn)固件和應用程序的升級

BPI-5202使用了先進的數(shù)字隔離技術、RS485自動方向控制、RS485零延時傳送技術，在設計上充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場應用的特殊性，遵循EMI/EMC設計規(guī)范，適應各種嚴酷的工業(yè)現(xiàn)場和物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場，保障通信以及各種IO信號量的可靠

1)BPI-5202系列嵌入式邊緣計算工控機采用DC24V供電。

BPI-5202產(chǎn)品主要功能

1)內置300+通訊規(guī)約庫（詳見協(xié)議列表清單），包括：MQTT及其它物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、BACNET、OPC UA、IEC 60870-5-101/103/104、CDT、SPABUS、標準MODBUS及數(shù)十個變種，即插即通；可根據(jù)需求快速定制特殊協(xié)議，可提供二次開發(fā)環(huán)境

2)支持西門子/AB/施耐德/三菱等各類PLC連接

3)支持IEC61850 Server/Client功能，實現(xiàn)傳統(tǒng)規(guī)約與61850的雙向轉換

4)視頻流獲取、傳輸、分發(fā)，云臺控制、本地流媒體服務器功能

)加密傳輸、斷點續(xù)傳

6)內置RTC，提供高精度時間參考

7)模塊化設計，基本單元 + 5個擴展單元，支持按需配置。擴展IO單元模塊包括：

7 x RS485模塊，帶隔離

16 x DI模塊（開關輸入模塊），無源輸入（最多支持5個模塊混插）

16 x DO模塊(開關輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x DI+8 x DO O模塊(開關輸入/輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x AI + 4 x AO 模塊（模擬量輸入輸出模塊），支持0-5V、0-20mA輸入

可根據(jù)需求定制Lora、ZigBee、433M無線傳輸模塊、電力線載波模塊、以及其它功能模塊

支持第三方自行定制功能板卡，并與CS5202LS-IC實現(xiàn)通信

8)HDMI/USB接口，配合嵌入式SCADA系統(tǒng)的UI操作

9)本地設備配置管理，云端設備配置管理

10)Telnet、SNMP服務

11)電磁兼容性設計，符合國際相關標準，具有良好的抗干擾能力

12)可進行二次開發(fā)，提供完整的協(xié)議開發(fā)包，可定制各種協(xié)議

13)全功能SCADA功能

14)導軌式安裝方式，造型美觀，組屏方便

BPI-5202 主要技術規(guī)格

項目	說明
處理器及OS	龍芯2K1000LAi 雙核1.0GHz,Loongnix、LoongOS、LxAMP、麒麟V10
內存	4G DDR3，可配大容量SSD硬盤
基本通信功能 ?	以太網(wǎng)口：2 x 1000M自適應，獨立MAC;?2 x RSRS485+1 x RS232+ 2 x CAN 2.0，帶隔離;?4G全網(wǎng)通
擴展功能模塊	可選
USB	USB支持鍵盤、鼠標；或電阻/電容顯示屏接口
數(shù)據(jù)處理能力	設備接入能力：?64臺（根據(jù)帶寬和采樣周期可調）;模擬量<8192;數(shù)字量<8192;控制量<8192;表達式計算定義、報警處理
視頻處理能力	視頻RTSP/RTMP、Onvif、GB28181;視頻錄像、回放;數(shù)據(jù)觸發(fā)片段視頻錄像、上傳;AI攝像頭圖像AI分析事件捕獲、數(shù)據(jù)OSD打碼;本地流媒體服務;H.264/H.265播放
HMI接口	HDMI
SCADA功能	全功能SCADA系統(tǒng)，處理點數(shù)：2048點
開發(fā)環(huán)境	C/表達式/梯形圖/Java/Python等邊緣計算二次開發(fā)環(huán)境
加密芯片	無
電源 ?	DC24V電源輸入,?24V隔離輸出，IO板使用，500mA

環(huán)境規(guī)格

項目	說明
工作溫度	-40~+60℃
存儲溫度	-40~+75℃
工作濕度（RH）	5%~95%無冷凝
存儲濕度（RH）	5%~95%無冷凝
海拔高度	<5000m
防雷	內置防雷元件，支持戶外使用，符合高等級EMC標準
防護等級	IP40
散熱方式	無風扇自然散熱
電磁兼容	EMC III級，GB/T17626、GB/T15153、IEC61850-3、EN61000-6-5
安規(guī)	GB/T7621-2008
認證	CE認證

物理規(guī)格

尺寸（寬x深x高）	36mm x105mm x 145mm，導軌式安裝,定制擴展的寬度為30mm x n+6（n≥2，為定制擴展時的寬度）
重量	0.5kg
功耗	典型功耗：5W ,最大功耗：10W

嵌入式工控機

嵌入式工控機的定義與應用場景

工控機（Industrial Personal Computer，簡稱IPC），是上世紀90年代開始出現(xiàn)的、廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視與控制的加固、增強型微型計算機，工控機常常會在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運行，對數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機通常會進行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特別設計 截止到目前，X86+Windows（Wintel）架構，依然是工控機的主流方案，可被定義為傳統(tǒng)工控機。一般而言

在傳統(tǒng)工控機在工控領域的自動化和信息化方面發(fā)揮重要作用的同時，其先天弱勢也一直困擾著廠家、集成商和用戶。大家都在尋找更好的方案

近十年來，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，以其具有的低功耗、低成本及不斷提升的高性能等特點，已經(jīng)成為移動設備（手機、PAD）的唯一方案；也成為包括工業(yè)控制在內的各行業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理的理想選擇ARM架構的嵌入式系統(tǒng)，具有的靈活高效的軟硬件方案定制特點，目前已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，能夠為用戶提供滿足其現(xiàn)實需求、并有一定超前擴展余度的產(chǎn)品，且價格更有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品；當用戶需求逐漸超出目前產(chǎn)品的能力時，又能夠通過快速的方案設計與迭代，不斷提供滿足用戶要求的新產(chǎn)品，能夠實現(xiàn)“需求——技術——方案——產(chǎn)品——市場——用戶——需求“不斷上升的良性循環(huán)

相對于傳統(tǒng)工控機，經(jīng)特殊設計的基于嵌入式計算機架構的系統(tǒng)，被稱為嵌入式工控機

傳統(tǒng)工控機與嵌入式工控機的主要特點對比如下：

序號	關鍵要素	傳統(tǒng)工控機（Windows+X86）	嵌入式工控機（Linux+LoongArch/ARM）
1	性能	商用級賽揚或商業(yè)/工業(yè)級酷睿i3~I5	工業(yè)級，性能高于賽揚，弱于I3
2	安全性	漏洞多，易受病毒和黑客攻擊	系統(tǒng)穩(wěn)定、較少升級，安全性高
3	實時性	實時響應能力較差	實時響應能力能夠滿足要求
4	可靠性	高功耗必須強散熱，可靠性低	低功耗無需考慮散熱，可靠性高
5	擴展性	在主板上擴展各類接口復雜	在核心板/開發(fā)板上擴展各類接口較為方便
6	工業(yè)級	實現(xiàn)真正工業(yè)級產(chǎn)品較為困難	實現(xiàn)真正工業(yè)級產(chǎn)品較為容易
7	定制化	定制化效率低、成本高	面向應用快速高效訂制與迭代
8	性能	對工業(yè)應用而言性能不足或過剩	針對應用，具有最佳性能方案
9	總體價格	較高	針對應用，具有價格優(yōu)勢
10	運維成本	功耗高、運維成本高	低功耗低成本，綠色環(huán)保
11	生命周期	換代頻繁，庫存難以保證	CPU生命周期較長，可保證庫存

嵌入式工控機已經(jīng)成為傳統(tǒng)工控機的強力競爭對手。在未來，前者形成對后者的壓倒性優(yōu)勢，毫無懸念

嵌入式工控機的應用場景

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，既是一場眾多的計算機軟硬件廠家（也包括通訊方案和產(chǎn)品廠家，其本質也是計算機系統(tǒng)，甚至是嵌入式系統(tǒng)的軟硬件廠家）嘗試進入利潤相對較高的行業(yè)監(jiān)控市場的前赴后繼的嘗試；也是一場開啟“民覺民智”，普及專業(yè)知識的啟蒙運動。這個已經(jīng)持續(xù)了十數(shù)年的大風暴，使普羅大眾對監(jiān)視和控制的應用需求和想象，擴展到了各行各業(yè)的每個角落

“云—管—邊—端”的概念，是以互聯(lián)網(wǎng)思維和術語，對監(jiān)視控制原理做了經(jīng)典的總結與歸納；但從技術發(fā)展歷史看，它遠非全新概念和新技術，實際上是數(shù)十年來各行業(yè)監(jiān)控應用所采用的主流模式和架構

云：實現(xiàn)監(jiān)控中心系統(tǒng)及更多高級應用軟件和算法的計算機系統(tǒng)。這里的“云”，既包括互聯(lián)網(wǎng)上的“公有云”，也包括企業(yè)局域網(wǎng)上的“私有云”。構建“云”的計算機系統(tǒng)，目前主要為高端X86+Windows/Linux服務器，及其集群

管：為設備兩側提供各種效率、可靠、便捷、高性價比的有線/無線通道。不僅在“云”和”邊“之間有“管”的存在，例如廣域以太網(wǎng)網(wǎng)、4G/5G等；在應用現(xiàn)場的“邊”和“端”之間，也有適合現(xiàn)場應用場景的有線/無線的“管”的存在，比如局域以太網(wǎng)、串口、高速電力線載波（HPLC）、LoRa、ZigBee、WIFI等

邊：用于完成現(xiàn)場計算任務的計算機系統(tǒng)。邊”的主要角色，早期由傳統(tǒng)工控機、或者在要求不那么嚴格時，用一般的臺式機及服務器來承擔；目前開始出現(xiàn)以中高端ARM架構嵌入式系統(tǒng)構建嵌入式工控機的趨勢

端：用于實現(xiàn)對行業(yè)應用中對主設備（一次設備）進行監(jiān)視和控制的裝置（二次設備）、以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中對各類主設備進行監(jiān)控的設備（二次設備）。“端”的主要角色，早期由低端的嵌入式單片機系統(tǒng)實現(xiàn)；目前以逐漸過渡到以中低端嵌入式系統(tǒng)（主頻1GMHz以下）為主流方案

從以上的分析不難看出，工控機的應用，主要定位在“邊”的層面。作為“邊”的具體應用，嵌入式工控機主要承載以下兩種類型的功能：

自動運行類，如網(wǎng)關、NVR、路由器、防火墻等，通過特別設計的工業(yè)級中低檔嵌入式計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。部分具有簡單的基于字符/位圖的展示和特殊按鍵的參數(shù)配置和狀態(tài)顯示功能

交互運行類，完成監(jiān)控和系統(tǒng)（含HMI人機交互界面）等功能，通過特別設計的工業(yè)級中高檔嵌入式計算機系統(tǒng)實現(xiàn)，具有矢量化圖形系統(tǒng)的交互能力

從以上的分析不難看出，工控機的應用，主要定位在“邊”的層面。作為“邊”的具體應用，嵌入式工控機主要承載以下兩種類型的功能：

自動運行類，如網(wǎng)關、NVR、路由器、防火墻等，通過特別設計的工業(yè)級中低檔嵌入式計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。部分具有簡單的基于字符/位圖的展示和特殊按鍵的參數(shù)配置和狀態(tài)顯示功能

交互運行類，完成監(jiān)控和系統(tǒng)（含HMI人機交互界面）等功能，通過特別設計的工業(yè)級中高檔嵌入式計算機系統(tǒng)實現(xiàn)，具有矢量化圖形系統(tǒng)的交互能力

嵌入式系統(tǒng)的CPU種類很多:

ARM系列，國外的有：恩智浦（NXP）、高通（QUALCOMM）、德州儀器（TI）、三星（SAMSUNG）；國內的有：飛騰、全志、瑞星微、海思等

龍芯（LoongArch）系列，龍芯家族中的2系列，主要面向“邊“及高級“端”的應用；1系列，主要面向中低級“端”的應用。

BPI-5202 軟件說明

軟件層次說明

在BPI-5202的硬件平臺上，開源社區(qū)與吉斯凱達以授權方式（可選）提供部署了面向工業(yè)應用的應用開發(fā)環(huán)境和開發(fā)套件，功能全面、結構合理、擴展性強、精簡高效，開發(fā)者可以根據(jù)不同的應用需求，開發(fā)功能各異的最終產(chǎn)品。

硬件板卡資源層

在140mm x 100mm（8層板）單板上，集成了LoongArch 2K1000LA CPU、DDR及各種IO接口電路，實現(xiàn)操作系統(tǒng)級的所有IO驅動。

軟件基本資源層

通過與IO驅動（包括串口RS232/RS485、網(wǎng)口、CAN、4G/5G、WIFI、PCIe等）的交互，實現(xiàn)協(xié)議解析（300+協(xié)議庫）、MQTT服務、實時數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫（歷史數(shù)據(jù)庫）、關系數(shù)據(jù)庫（歷史數(shù)據(jù)庫）、音視頻推拉流/Onvif/GB28181等功能。

應用功能擴展層

通過與協(xié)議解析器、實時數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫的交互，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)處理應用功能的擴展。

應用服務層

可動態(tài)擴展的輕量級C+HTTP應用服務器，無需龐大繁雜不穩(wěn)定的中間件，實現(xiàn)高效的應用服務。

這個服務機制既可以直接與應用展示層的C/S架構的HMI/SCADA交互；又可以通過發(fā)布層的Nginx服務器，為設備配置、B/S HMI交互、外部接口調用，提供服務。

流媒體服務器，直接與軟件基本資源層的推拉流/云臺控制組件交互，并通過發(fā)布層的Nginx服務器，為B/S HMI交互、外部接口調用，提供服務。

應用發(fā)布層

Nginx服務器，通過反向代理機制，為應用展示層和外部接口，提供各類服務。

應用展示層

通過C/S與B/S的方式，提供HMI人機交互，和外部接口。

2．主要應用功能

a.工控全功能組合：

具有PLC、網(wǎng)關、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡安全、上位機組態(tài)軟件等功能，可分可合，靈動面對不同應用場景。

b.多協(xié)議支持：

支持多達300多個工業(yè)協(xié)議庫的協(xié)議轉換機，覆蓋電力、水利水務、石油石化、軌道交通、PLC、CNC、物聯(lián)網(wǎng)、機器人控制、視頻監(jiān)控等行業(yè)協(xié)議的協(xié)議數(shù)據(jù)解析。

c.統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理

電氣量IO數(shù)據(jù)（AIAODIDO）、協(xié)議數(shù)據(jù)與視頻流媒體的整合和聯(lián)動，網(wǎng)口、串口、有線無線、4G/5G統(tǒng)一處理。

d.統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型：

以實時數(shù)據(jù)庫為載體的協(xié)議數(shù)據(jù)、協(xié)議模型和協(xié)議擴展框架，為新協(xié)議開發(fā)，提供了極大的便利。

e.支持關系數(shù)據(jù)庫與時序數(shù)據(jù)庫：

支持數(shù)據(jù)向關系數(shù)據(jù)庫（Sqlite、MySQL）和時序數(shù)據(jù)庫（InfluxDB）的讀寫，全面支持多變的上層數(shù)據(jù)處理與分析需求。

f.SCADA功能：

內置高性能、多功能的C/S+B/S架構輕量級SCADA系統(tǒng)（嵌入式全功能組態(tài)軟件），架構簡單、高效、一體化設計。

g.HMI功能

既可通過HDMI/USB實現(xiàn)觸摸屏人機交互（C/S、B/S），也可通過瀏覽器實現(xiàn)網(wǎng)絡方式的人機交互（B/S）。

h.輕量級WEB服務器

無需配置TOMCAT等厚重的中間件，內嵌輕量級HTTP/MQTT服務，簡捷、高效、安全、可靠。

i.雙機冗余

支持雙網(wǎng)/雙節(jié)點主備冗余機制，為高性能、高可靠性需求提供保障

j.多種二次開發(fā)套件

提供多種二次開發(fā)工具的API和開發(fā)環(huán)境，包含C/C++、QSA、JAVA、JS、Python下的API接口，實現(xiàn)增值應用的多樣性與便捷性。

BPI-5202典型應用場景

常規(guī)網(wǎng)關

網(wǎng)關，是邊緣側其它應用設備的基礎。

BPI-5202具備多種通信接口、并可靈活擴展；具有海量南北向通信協(xié)議庫；開發(fā)者可通過開放框架定制新協(xié)議、配置網(wǎng)關各種參數(shù)、并實現(xiàn)與云平臺的對接。

邊緣計算單元

利用BPI-5202豐富的資源和算力，可以在BPI-5202常規(guī)網(wǎng)關的基礎上，實現(xiàn)邊緣計算單元的功能。

針對協(xié)議解析之后存儲于實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以進行數(shù)據(jù)處理、計算、報警、斷點續(xù)傳、腳本/表達式運算的各種深度處理；通過實時數(shù)據(jù)庫接口，實現(xiàn)與關系數(shù)據(jù)庫/時序數(shù)據(jù)庫的對接，實現(xiàn)報警、查詢、歷史數(shù)據(jù)存取等高級功能。在上述基礎上，能夠實現(xiàn)更多的定制化應用開發(fā)，從而實現(xiàn)邊緣計算的能力。

通常網(wǎng)關/邊緣計算單元是沒有本地HMI交互、而通過網(wǎng)絡配置和瀏覽/操作的“黑盒”產(chǎn)品；但根據(jù)5202的產(chǎn)品特點和差異化競爭優(yōu)勢考慮，也可以選擇有HDMI/USB的交互方式。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

邊緣側視頻AI分析裝置

近年來，現(xiàn)場視頻AI分析的需求越來越強烈。但視頻AI分析功能，也只是現(xiàn)場各種監(jiān)控手段的一種，無法獨立存在；另一方面，視頻分析的準確率永遠也無法達到100%，所以必須綜合現(xiàn)場其它的監(jiān)控手段，綜合判斷、協(xié)調處理。

BPI-5202本身缺少AI算力，但具有強大的數(shù)據(jù)處理能力與設備整合能力，與獨立的視頻AI分析裝置進行整合，能夠形成全新的、更有競爭優(yōu)勢、更能滿足現(xiàn)場需求的產(chǎn)品。

這個方案，可以選擇采用算力棒/算力卡/AI盒子整合等幾種方式。

算力棒: 通過CS5202LS外置的USB插口，實現(xiàn)與算力棒的物理連接，并實現(xiàn)與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現(xiàn)最為簡單。算力棒的算力一般在0.5~1TOPS之間，只能應用于幾路或者較為常規(guī)的視頻AI分析。

算力卡：通過BPI-5202內置的PCIe接口，實現(xiàn)與算力卡的物理連接，并實現(xiàn)與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現(xiàn)稍微復雜，需要另行定制機殼，算力卡的算力一般在2~6TOPS之間，能夠支持多路或者較為復雜的視頻AI分析。

AI盒子整合：通過BPI-5202外置的LAN接口，實現(xiàn)與AI盒子的物理連接，并實現(xiàn)與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現(xiàn)簡單，可以另外定制機殼，也可以將兩個裝置分立部署或者整合于一個更大的機箱中。AI盒子的算力彈性較大，能夠對更多的視頻通道進行處理，或者實現(xiàn)復雜的視頻AI分析功能。

風光儲協(xié)調控制器

利用多種通信接口，并具有海量南北向通信協(xié)議庫；通過開放框架定制新協(xié)議，形成對風光儲哥子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制機制，高效、穩(wěn)定，擴展便捷。對控制器中的數(shù)據(jù)，能夠進行處理、計算、報警、斷點續(xù)傳、腳本/表達式運算、算法應用植入，滿足智能化計算需要。

通過內置的HMI/SCADA功能，通過HDMI/USB實現(xiàn)與觸摸屏的交互。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

嵌入式工控機

有滿足絕大部分工業(yè)控制需求的算力，有顯示/輸入交互能力、有大容量硬盤，為開發(fā)者提供面向工控需求的應用程序的開發(fā)和運行環(huán)境。

根據(jù)用戶需求，可以擴展更多的網(wǎng)絡、串口、電氣量（AIAODIDO）模塊。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

智能配電房、機房動力環(huán)境、泵站、智慧園區(qū)、智慧校園、智能制造等現(xiàn)場的邊緣“大腦”，實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)采單元、測控裝置、保護設備、PLC設備、CNC設備、機器人設備的接入、協(xié)議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

嵌入式SCADA系統(tǒng)（C/S、B/S模式）

100ms級別的軟PLC

工控/物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場小型數(shù)據(jù)服務器

滿足“智改數(shù)轉”要求的企業(yè)車間級工業(yè)看板/OEE看板、輕量級MES前端數(shù)采和展示

基于行業(yè)應用的第三方算法、模型的開發(fā)與運行平臺

視頻前端設備的接入與推送、視頻錄像與聯(lián)動、視頻AI分析接口及分析結果的綜合聯(lián)動

現(xiàn)場網(wǎng)絡安全及審計

通用工業(yè)控制器

通用控制器運行Linux操作系統(tǒng)，通過iDevToolkit開發(fā)套件，能夠實現(xiàn)基于各種功能組件的面向工控需求的應用程序的開發(fā)和運行，包括但不限于：

具有通信協(xié)議解析功能、電氣量IO（AIAODIDO）連接和數(shù)據(jù)處理功能、HMI功能、ms級PLC邏輯編程與控制（IEC61131）功能、C/Java/JS/Python/數(shù)據(jù)庫等多種形式的編程接口。

根據(jù)不同需求，可在基本配置和滿配中，定制不同的板卡-機殼。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)+視頻監(jiān)控一體化服務器

視頻監(jiān)控，是現(xiàn)場整體方案的重要部分。但常規(guī)的方案中，一直存在視頻監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)整合難度高、在廣域網(wǎng)環(huán)境下費用高（包括流量費）的短板。 iDevToolkit工控開發(fā)組件及iCtrlPackage完美地解決了融合問題，以更低的造價、更高的安全性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與視頻監(jiān)控的一體化，實現(xiàn)報警的觸發(fā)、聯(lián)動、水印、記錄、回放等功能；能通過DIDO模塊實現(xiàn)對監(jiān)控環(huán)境的聯(lián)動感知和控制，整合視頻AI分析功能，高效實現(xiàn)多維智能監(jiān)控

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

輕量級PLC

面向測控點數(shù)在數(shù)十點以內、也可通過以太網(wǎng)/CAN/RS485擴展更多測控點的分布式應用場景，實現(xiàn)實時性指標在0.1s級別的常規(guī)PLC所具有的IEC61131編程/運行功能；通過靈活多變的通訊端口部署、協(xié)議解析（含第三方開發(fā)框架）與數(shù)據(jù)共享能力，實現(xiàn)分布式的實時處理、數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數(shù)采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現(xiàn)。

工業(yè)機器人控制器

工業(yè)機器人控制器，通常采用實時操作系統(tǒng)和Ethercat通信方式，實現(xiàn)對多軸工業(yè)機器人的高精度實時控制。

BPI-5202可以部署實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)微秒級的實時響應性能，支持Ethercat主站協(xié)議，為開發(fā)者提供工業(yè)機器人控制器的運行平臺。

作為工業(yè)機器人控制器，5202既能夠通過Ethercat主站，與Ethercat子站模式的執(zhí)行器連接通信‘；也能夠通過附加的其它通訊端口（網(wǎng)口或串口）及IO模塊與控制中心和周邊的設備交互，扮演現(xiàn)場主控單元的角色。

HMI（輕量級組態(tài)軟件）

HMI是工業(yè)現(xiàn)場常用的集信號處理、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)處理、人機圖形交互的計算機設備，BPI-5202可以部署C/S或B/S架構的HMI軟件。

創(chuàng)新型、特殊定制的產(chǎn)品

上述功能的組合產(chǎn)品，或者開發(fā)者根據(jù)不同現(xiàn)場的需求，自己定義的產(chǎn)品。

應用模式

1．原位替代：

任何現(xiàn)場、任何方案中所采用的自動化設備，都能在iCtrlPackage中找到對應的替代產(chǎn)品，功能更強大、性能更高效、運行更安全，壽命更長久。

2．整合替代：

以創(chuàng)新的思維、緊抓嵌入式系統(tǒng)性能快速提升的機遇，通過持續(xù)迭代的專項研發(fā)和技術融合，使得以5202單板工控機+ iDevToolkit +iCtrlPkg構成單一設備，替代常規(guī)方案中必須由多個常規(guī)設備才能構成現(xiàn)場應用系統(tǒng)的理想，成為現(xiàn)實，造價更低廉、架構更簡捷、調試更方便、運維更高效。