專利名稱：控制器的制作方法
專利說明
一、技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種電子控制設(shè)備。更具體地說，涉及一種用于自動化、機(jī)床控制等領(lǐng)域的控制設(shè)備。
二、已有技術(shù)每一個自動化設(shè)備或數(shù)控設(shè)備都具有控制器。控制器接受所需的控制指令、受控設(shè)備的反饋信息，計算有關(guān)的運(yùn)動或加工參數(shù)，向有關(guān)的受控設(shè)備輸出運(yùn)動或加工指令。這些受控設(shè)備由于用途不同，工況不同，輸入和輸出端的種類和數(shù)量也不同，因此，有關(guān)的控制器要相應(yīng)于這些具體情況。
控制器可以采用專門設(shè)計的、模塊化的控制板，而且目前此領(lǐng)域普遍將所需的控制功能都集成在一個控制板上。根據(jù)這種方案，控制器包括一個控制模塊，該控制模塊集成了輸入、計算、通信、監(jiān)視以及輸出等多種功能。這種單一化的模塊結(jié)構(gòu)可以簡化整個設(shè)備的裝配過程，其制造成本也相應(yīng)地得到了降低。
但是，單一化模塊結(jié)構(gòu)一個缺點(diǎn)是這類單一化的模塊結(jié)構(gòu)往往是針對具體的受控設(shè)備所開發(fā)的，缺乏與眾多受控設(shè)備的匹配性。在實(shí)際中，如果受控設(shè)備的數(shù)量、端口等發(fā)生較大變化，與控制板上的接口也就不再匹配，因此這種現(xiàn)成的控制板就無法直接適用于改變了的受控設(shè)備，而必須要對其進(jìn)行必要的改造，而這種改造需要時間和成本。
三、實(shí)用新型方案因此，本實(shí)用新型的一個目的在于提供一種與具有不同種類和數(shù)量的端口的受控設(shè)備進(jìn)行匹配的控制器。
通過深入地分析已有技術(shù)控制模塊的功能和工作流程，申請人提出了一種雙模塊的控制器結(jié)構(gòu)，采用相互連接的兩個模塊來進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，并將主要的輸入和輸出功能集成在其中的一個模塊上。
根據(jù)本實(shí)用新型的一個方面，本實(shí)用新型提供了一種控制器，用于自動控制設(shè)備和運(yùn)動控制設(shè)備，包括至少一個輸入/輸出線路，其特征在于還包括1)第一處理單元，包括通信元件；所述的通信元件具有用于從輸入端口接受數(shù)據(jù)的輸入口，以及用于向控制器之外發(fā)送數(shù)據(jù)的輸出口；以及計算元件，所述的計算元件用于處理包括來自輸入端口的輸入和輸出數(shù)據(jù)和用戶指令數(shù)據(jù)，并將用于自動控制的輸出數(shù)據(jù)送往所述的通信元件，以及2)第二處理單元，包括至少一個輸入/輸出(I/O)端口及處理這些端口信號的電路部分，一個通訊線與所述的第一處理單元相連，用于在其所連接的受控設(shè)備與所述的第一處理單元之間傳送數(shù)據(jù)。
例如，對于一個數(shù)控設(shè)備，第一處理單元具有一個控制部分，包括帶CPU的微控器單元和/或運(yùn)動控制元件。
所述的第二處理單元上的硬件具有至少一個端口與所述的通訊線(例如SPI(Serial PeripheralInterface)串行通訊總線)相連，并且其上的軟件負(fù)責(zé)管理在所述的通訊線與第一處理單元之間所傳送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也包括在第二處理單元內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
所述的用戶指令數(shù)據(jù)代表著用戶對該受控設(shè)備所期望執(zhí)行的、自動控制或動作控制數(shù)據(jù)；這些數(shù)據(jù)可以是預(yù)先存儲在控制器的一個存儲元件之中，也可以是在受控設(shè)備工作時通過其輸入端口以及進(jìn)一步通過所述的通信元件進(jìn)行輸入的數(shù)據(jù)。
所述的第一處理單元和第二處理單元可以處于一塊整體的電路板框架上，但第二處理單元部分的結(jié)構(gòu)可使其方便地從該電路板上拆下來。例如，可以將第二處理單元以插接或螺釘連接的方式固定在所述的電路板框架上。
也可以將第二處理單元以插接、螺釘連接等本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式直接固定在第一處理單元上。
優(yōu)選的方案是，所述的第一處理單元和第二處理單元分別設(shè)置在一塊電路板上。通過更換帶有第二處理單元的那塊電路板，可以使連接器更好地適應(yīng)多種或多個不同的受控設(shè)備的需要。作為一種具體的方案，例如可以將第二處理單元部分插入和/或扣合在控制器的外框上，或者扣合在所述的第一處理單元上。
根據(jù)本實(shí)用新型的一個具體的方面，所述的通訊線為一個通訊總線，例如一個SPI串行總線。所述的第一處理單元和第二處理單元之間通過內(nèi)部的通訊總線(例如一個串行的SPI線)進(jìn)行連接。所述的SPI是串行總線的一種，例如可以是RS232，RS485等串行總線。
根據(jù)本實(shí)用新型的一個進(jìn)一步的方面，可以用擴(kuò)展接口數(shù)量的方法來使第二處理單元與其它類型的和/或更多數(shù)量的設(shè)備進(jìn)行通信。
在本實(shí)用新型中，同樣可以為第一處理單元配置一些I/O口，例如一些較為常用的I/O口；但本實(shí)用新型技術(shù)方案的要點(diǎn)是把至少大部分需要靈活配置的I/O口設(shè)置在第二處理單元上。
所述的第一處理單元還可與一個人機(jī)界面設(shè)備相連(例如一個標(biāo)準(zhǔn)的商用監(jiān)視器)。當(dāng)所述的第一處理單元具有圖形處理功能時，所述的監(jiān)視器甚至可以沒有圖形處理功能，而只要具有基本的顯示功能即可。
四

圖1為本實(shí)用新型一種控制器的原理圖；圖2為本實(shí)用新型一種控制器中一個三層電路板的示意圖；圖3示出了本實(shí)用新型一種控制器中CPU主板的示意圖；圖4示出了本實(shí)用新型一種控制器中一個I/O板的示意圖；圖5為本實(shí)用新型一種控制器中一個I/O板的另一個示意圖；圖6示出了本實(shí)用新型一種控制器中一個擴(kuò)展板的示意圖。
五具體實(shí)施方式
根據(jù)本實(shí)用新型控制器的一個具體的方案，第一處理單元分別具有執(zhí)行數(shù)控和人機(jī)界面操作的部分，第二處理單元具有包括執(zhí)行I/O操作的部分。其中，第一處理單元用于控制和計算與受控設(shè)備有關(guān)的通信過程，第二處理單元主要用于執(zhí)行與外界受控設(shè)備的通信。
在本實(shí)用新型中，在描述控制器內(nèi)部流程時所述的“操作”指傳輸承載有關(guān)的功能、指令的數(shù)據(jù)。
圖1示出了本實(shí)用新型一種控制器的原理。圖中，數(shù)字標(biāo)號1為第一處理單元，2為第二處理單元，3為連接第一處理單元1與第二處理單元2的一條串行通訊總線，4為一個人機(jī)界面設(shè)備，51至56分別為與所述的第二處理單元2相連的一個I/O接口電路，這些I/O接口電路中的每一個又分別與控制器中與外界相連的接口插槽61至66中的一個相應(yīng)的接口插槽相連。
本實(shí)施例中采用第一處理單元和第二處理單元，將所有的計算、控制和通信任務(wù)預(yù)先設(shè)計好由這兩個單元來進(jìn)行處理。
其中，第一處理單元為主控單元，其CPU為一個主CPU，運(yùn)算速度較快，起到控制全局的作用。
可以將一個人機(jī)界面設(shè)備4(例如一臺監(jiān)視器)與第一處理單元1相連，用于監(jiān)視該控制器、受控設(shè)備等的狀態(tài)和/或過程信息。
第二處理單元中的CPU(圖中未示出)作為控制器的一個輔助CPU(例如為一種帶CPU的微控器)，主要執(zhí)行與外界受控設(shè)備及第一處理單元聯(lián)系的任務(wù)。它內(nèi)部可集成較多的外設(shè)控制器。根據(jù)需要，它可以集成USB控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、各類I/O口，MMC卡(多媒體卡)/SD卡(secure digital card)驅(qū)動器，等等。借助于這些I/O端口以及D/A和A/D，第二處理單元與各個輸入輸出電路之間可以直接連接。
如果第二處理單元上所帶的I/O口以及D/A和A/D不夠用，可以采用一個以上的擴(kuò)展模塊來容納更多的受控設(shè)備。
例如，一種手段是，用一個SPI串行口將第二處理單元PU2與若干個D/A和A/D轉(zhuǎn)換器相連，再進(jìn)一步與控制器中的I/O電路相連。另一種手段是，用一個SPI串行口將第二處理單元與一個I/O控制器相連，該I/O控制器再與更多的I/O口相連。
第一處理單元與第二處理單元之間可以通過并行方式相連，這種連接方式的控制器數(shù)據(jù)交換速度較快，但由于并行方式的信號通常較多，對整體上控制器的性能有一定的影響。
因此，第一處理單元與第二處理單元之間優(yōu)選地由串行口(例如SPI口)進(jìn)行連接。可以采用的串行方式包括SSI，RS232，RS485等。
圖2至圖4為由三塊電路板疊合而成的、本實(shí)用新型一種控制器的示意圖。其中，圖2示出了本實(shí)用新型一種三塊電路板的疊層結(jié)構(gòu)。
圖2中，最上面的是一塊擴(kuò)展模塊板PCB3，中間是一塊CPU板PCB2，在其下為一塊I/O板PCB1。三塊電路板的上面(圖中未示出)具有CAN總線。三塊板之間具有通信線使彼此之間可以傳送信號。
圖3示出了本實(shí)用新型控制器中包括第一處理單元1的一個CPU電路板的一個例子，該CPU電路板位于CAN總線擴(kuò)展板之下，主要負(fù)責(zé)完成流程管理、數(shù)據(jù)處理和與總線的通信工作。圖3中，中間部分為第一處理單元1，包括一個ARM9 CPU，以及與該CPU相連的一個以太網(wǎng)控制器、兩個SDRAM(SDRAM1，SDRAM2)和一個閃存(FLASH)。其中，主板由一個24V直流電源7供電；該直流電源7不僅向主板供電，還通過圖中CPU板右側(cè)的兩個接口向其下面的I/O接口板供電。圖中CPU板的下側(cè)設(shè)置了一個鍵盤接口、一個LCD接口和一個CAN總線板連接器接口，CPU板與其上方的CAN總線板就是通過此CAN總線板連接器接口進(jìn)行通信的。圖中CPU板的左側(cè)設(shè)置了兩個RS485串行總線的接口、兩個USB口(USB_A和USB_B)、一個以太網(wǎng)接口以及一個SD/MMC接口。
圖4示出了圖2中控制器所包含的三個電路板中最下面的I/O板PCB2。如圖4所示，該I/O板上具有一個24個數(shù)字輸入口、2個模擬輸入口、4個用于溫度測量的PT100輸入口、16個繼電器輸出口、2個隔離的模擬輸出口、16個24V三極管輸出口。CPU主板PCB2通過一個端口向該I/O板PCB3供電，并通過另一個端口與PCB3上的兩個I/O控制器，即I/O控制器10和I/O控制器20進(jìn)行通信。由于一個控制器沒有足夠的管腳與這么多需要的端口相連，所以這里用了兩個控制器。如果用戶需要更多種類和數(shù)量的端口，可以通過SPI總線用擴(kuò)展更多的I/O控制器的方式來滿足這種需要。當(dāng)然，這種設(shè)置需要根據(jù)主控制器1的容量速度來配置適當(dāng)數(shù)量的I/O控制器。另外，圖4中的I/O板PCB3上還有4個SPI接口，用于擴(kuò)展其它帶有SPI接口的器件，比如另一個I/O控制器。
圖5示出了本實(shí)用新型I/O接口電路板PCB2(例如圖4所示的PCB2)的一個具體例子?？梢园阉暈榘▓D4中的功能在電路上的一種實(shí)現(xiàn)形式。
圖6示出了圖2中三個疊合的電路板結(jié)構(gòu)中最上面的擴(kuò)展電路板PCB3的一個例子。圖中示出了3個CAN總線控制器以及所產(chǎn)生的3個總線通道。這個擴(kuò)展板通過地址數(shù)據(jù)總線與主控制器電路板PCB1相連。也就是說PCB1上預(yù)留了一個并行通訊口，用來擴(kuò)展其與其它功能模塊的連接。需要注意的是并行口易受干擾，長線傳輸時信噪比指標(biāo)會下降，所以本例中采用的是板對板直插的連接器結(jié)構(gòu)。
采用本實(shí)用新型的控制器，可以很容易地通過更換第二處理單元的方式，使新的控制器匹配于接口類型和/或數(shù)量改變了的受控設(shè)備。
本實(shí)用新型的控制器可廣泛地用于各種工業(yè)控制設(shè)備，如工業(yè)自動化成套設(shè)備的終端、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備。
權(quán)利要求1，一種控制器，用于自動控制設(shè)備和運(yùn)動控制設(shè)備，包括至少一個輸入/輸出線路，其特征在于還包括1)第一處理單元(1)，包括通信元件；所述的通信元件具有用于從輸入端口接受數(shù)據(jù)的輸入口，以及用于向控制器之外發(fā)送數(shù)據(jù)的輸出口；以及計算元件，所述的計算元件用于處理包括來自輸入端口的輸入和輸出數(shù)據(jù)和用戶指令數(shù)據(jù)，并將用于自動控制的輸出數(shù)據(jù)送往所述的通信元件，以及2)第二處理單元(2)，包括至少一個輸入/輸出端口及處理這些端口信號的電路部分，與所述的第一處理單元(1)相連，用于在其所連接的受控設(shè)備與所述的第一處理單元(1)之間傳送數(shù)據(jù)。
2，如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于在所述的第二處理單元(2)上連接至少一個擴(kuò)展模塊電路板，用于與其它類型的和/或更多的受控設(shè)備進(jìn)行通信。
專利摘要一種控制器，可用于自動控制設(shè)備和運(yùn)動控制設(shè)備，包括第一處理單元和第二處理單元。第一處理單元具有一個主控制器，用于完成控制器的主要的控制和通信過程；第二處理單元可具有多種類型的多個I/O端口及處理這些端口信號的電路部分，主要用于與受控設(shè)備的通信。還可以在第二處理單元上連接至少一個擴(kuò)展模塊電路板，通過其與其它類型的和/或更多的受控設(shè)備進(jìn)行通信。
文檔編號G05B19/418GK2879256SQ20062001871
公開日2007年3月14日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者奧利弗·希爾, 馬庫什·榮特, 阿明·阿姆萊茵 申請人:西門子(中國)有限公司