專利名稱：總線式io采集與控制擴展裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種總線式IO采集與控制擴展裝置，是利用嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)的用于擴展主控制器采集端口與控制端口數(shù)量的裝置，適合于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程機械車的控制系統(tǒng)，也適用于具有分布式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
工程機械車是目前生產(chǎn)建設(shè)中非常重要的一類工作設(shè)備，往往具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和眾多的運動部件，而隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，對于這些設(shè)備的控制靈活性和機動性也提出了越來越高的要求。常規(guī)的集散式控制方式通常是整個設(shè)備由一個主控制器完成整個系統(tǒng)的功能控制，主控制器與設(shè)備的執(zhí)行器之間、設(shè)備各關(guān)鍵部件的反饋傳感器之間采用模擬量信號進行傳輸，這不僅會影響信號的采集和控制精度，也會為控制系統(tǒng)的布線帶來很大困難。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)越來越成為現(xiàn)場應(yīng)用的主流，不僅降低了主控制器的輸入輸出端口數(shù)量需求，也減少了控制系統(tǒng)的布線。特別是在具有較長臂架的工程機械車上，分布式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)更加具有突出的優(yōu)勢。但在常規(guī)的總線式IO 節(jié)點中，出于模塊化功能的設(shè)計理念，輸入功能和輸出功能往往是獨立設(shè)計的，數(shù)字量模塊和模擬量模塊也往往被分離設(shè)計。這樣在控制系統(tǒng)集成時，就需要使用多個具有不同功能的模塊進行組合，以實現(xiàn)系統(tǒng)中某個功能區(qū)塊的數(shù)據(jù)采集和控制功能。而在實際系統(tǒng)中，特別是在工程機械車的臂架系統(tǒng)中，在某個功能區(qū)塊往往是數(shù)字量信號、模擬量信號并存，傳感器、執(zhí)行器都有，因此，有必要開發(fā)一種能夠適應(yīng)這種功能需求的、能夠輸入數(shù)字量和模擬量的，既能采集傳感器信號又能驅(qū)動執(zhí)行器輸出的、具有總線式接口的IO采集與控制擴展模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種總線式的IO采集與控制擴展裝置，在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)中，特別是在高端工程機械裝備中，與系統(tǒng)的主控制器通過現(xiàn)場總線相連接，通過主控制器下發(fā)的采集命令和控制命令，能夠采集功能區(qū)塊內(nèi)的數(shù)字量、模擬量傳感器的信號，能夠控制和驅(qū)動安裝在被控對象上的各種外部控制設(shè)備，完成各種操作功能，實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)的區(qū)域控制。為達到上述目的，本發(fā)明提出一種總線式IO采集與控制擴展裝置，其特征在于， 該裝置包括=ARM控制模塊、電源變換模塊、CAN總線通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、脈寬調(diào)制PWM輸出模塊和模擬量輸出模塊，其中，所述ARM控制模塊包括ARM處理器以及連接到所述ARM處理器的復(fù)位電路、時鐘電路、編程接口，所述ARM控制模塊向外擴展系統(tǒng)總線，所述CAN總線通信模塊、所述開關(guān)量輸入模塊、所述模擬量輸入模塊、所述PWM輸出模塊和所述模擬量輸出模塊分別通過該系統(tǒng)總線與所述ARM控制模塊相連；
所述電源變換模塊將9 30V的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓，向ARM控制模塊和其他模塊供電；所述開關(guān)量輸入模塊與開關(guān)量輸入設(shè)備相連，所述ARM控制模塊通過掃描開關(guān)量輸入模塊與系統(tǒng)總線連接的端口的引腳電平來采集所述開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述模擬量輸入模塊與模擬量輸入設(shè)備相連，所述ARM控制模塊通過系統(tǒng)總線的串行同步接口 SPI訪問所述模擬量輸入模塊來采集所述模擬量輸入設(shè)備的電壓或電流變化數(shù)據(jù)；所述ARM控制模塊將采集到的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)和電壓或電流變化數(shù)據(jù)進行處理后， 按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過所述CAN總線通信模塊發(fā)送給系統(tǒng)主控制器；同時，該擴展裝置通過所述CAN總線通信模塊接收來自系統(tǒng)主控制器的控制命令，所述ARM控制模塊對所述控制命令解析后得到控制信號，通過所述PWM輸出模塊將相應(yīng)的控制信號輸出給與所述PWM輸出模塊相連的PWM控制設(shè)備，通過所述模擬量輸出模塊對與其相連的模擬量控制設(shè)備進行實時調(diào)整，實現(xiàn)對所述模擬量控制設(shè)備的驅(qū)動。本發(fā)明的顯著特點在于使用嵌入式ARM處理器平臺構(gòu)成總線式IO采集與控制擴展裝置的核心，基于實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，結(jié)合CAN0PEN通信協(xié)議，形成了信號采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動輸出、總線通信等多個工作任務(wù)并行處理的實時控制系統(tǒng)，能對將從主控制器下發(fā)的控制命令及時準確的輸出到各個控制端口上，驅(qū)動與之連接的控制設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時將各個輸入端口的信號采集到擴展裝置中，經(jīng)過濾波處理后再由CAN總線按照規(guī)定的格式傳送給主控制器，進而實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中該擴展裝置所在安裝區(qū)域的信號采集和控制任務(wù)。本發(fā)明的技術(shù)核心在于結(jié)合了嵌入式ARM處理器高效的數(shù)據(jù)處理能力、基于CAN 總線的現(xiàn)場總線通信技術(shù)、多樣化的外設(shè)接口，基于多任務(wù)操作系統(tǒng)，構(gòu)成實時采集、處理、 控制、傳輸?shù)榷嗳蝿?wù)并行運行的嵌入式單元，實現(xiàn)了總線式信號與不同外設(shè)接口類型的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明采用嵌入式軟硬件設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)了嵌入式IO智能擴展裝置，具有多樣化的外部接口，與主控制器相結(jié)合，可與模擬量傳感器、開關(guān)量傳感器、操作手柄、繼電器、液壓閥、指示燈、擴音喇叭等外部設(shè)備相連接共同組成完整的工程機械車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工程機械車實際操作過程中操作輸入信號的采集、臂架姿態(tài)信號的采集、液壓閥輸出信號的控制等工程機械車的控制功能，提高工程機械車控制系統(tǒng)集成的靈活性，降低控制系統(tǒng)成本， 簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低布線復(fù)雜度。本發(fā)明提出的總線式IO采集與控制擴展裝置的主要優(yōu)點如下利用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研制的IO采集與控制擴展裝置的輸入接口多樣化，將數(shù)字量信號和模擬量信號，輸入信號和驅(qū)動輸出信號結(jié)合到同一個模塊中，能夠接入多路不同信號類型的傳感器，采集處理能力強，同時也能夠驅(qū)動多路具有一定功率輸出需求的外部控制設(shè)備， 提高了其應(yīng)用的靈活性；擴展裝置采用寬壓范圍的輸入電壓供電，降低了工程機械車電源電壓波動對它的影響，提高了其工作穩(wěn)定性；采用過壓過流過熱保護電路設(shè)計，對輸入輸出接口的電氣特性進行保護，避免外部信號幅值變化對控制器內(nèi)部電路造成損壞；采用內(nèi)部軟控制切換電路，可以為開關(guān)量輸入信號引入上拉電阻，也可以引入下拉電阻，提高了對于輸入信號的適應(yīng)性；擴展裝置采用具有DIN導(dǎo)軌槽的塑料外殼，在使用時安裝固定方便。


圖1是本發(fā)明總線式10采集與控制擴展裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是開關(guān)量輸入電路的一種實施例的硬件電路連接圖。圖3是模擬量輸入電路的一種實施例的硬件電路連接圖。圖4是PWM輸出電路的一種實施例的硬件電路連接圖。圖5是模擬量輸出模塊的一種實施例的硬件電路連接圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。基于嵌入式技術(shù)設(shè)計的總線式IO采集與控制擴展裝置作為工程機械車中分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，采用ARM處理器作為該擴展裝置的中央控制核心，結(jié)合實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和在其基礎(chǔ)上運行的用戶軟件，完成采集與控制功能，并通過CAN總線實現(xiàn)與系統(tǒng)主控制器的數(shù)據(jù)通信。圖I為該擴展裝置的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖I所示，該擴展裝置由ARM控制模塊、電源變換模塊、CAN總線通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、脈寬調(diào)制(PWM)輸出模塊、模擬量輸出模塊等模塊構(gòu)成。其中，ARM控制模塊由ARM處理器以及連接到所述ARM處理器的復(fù)位電路、時鐘電路、編程接口等組成，是該擴展裝置的核心單元，該模塊向外擴展系統(tǒng)總線，CAN總線通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、PWM輸出模塊和模擬量輸出模塊分別通過該系統(tǒng)總線與ARM控制模塊相連。在本實施例中，ARM處理器采用NXP公司的LPC1754處理器芯片。CAN總線通信模塊具有I路CAN總線通信接口，所述CAN總線通信模塊依次由光電隔離電路、電平轉(zhuǎn)換電路、CAN總線通信接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到ARM 控制模塊的系統(tǒng)總線的CAN通信功能引腳上，所述CAN總線通信接口電路與系統(tǒng)主控制器連接。光電隔離電路是為了提高ARM控制器模塊的抗干擾能力，不受各個輸入輸出接口模塊電路的影響而采用的電氣功能隔離電路。光電隔離電路采用電信號轉(zhuǎn)為光信號，光信號再轉(zhuǎn)為電信號的方式，實現(xiàn)光電隔離電路兩側(cè)的電信號在電氣上沒有直接連接，以實現(xiàn)信號的隔離。光電隔離電路的兩側(cè)分別采用所述電源變換模塊輸出的兩路獨立的5V電壓進行供電。開關(guān)量輸入模塊具有16路相同的開關(guān)量輸入電路,相應(yīng)具有16路電平信號輸入接口。每個開關(guān)量輸入電路依次由光電隔離電路、運算放大器電路、開關(guān)量輸入接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到ARM控制模塊的系統(tǒng)總線的通用輸入輸出(GPIO)引腳上，開關(guān)量輸入接口電路與外部的開關(guān)、按鈕、高低電平型傳感器等開關(guān)量輸入設(shè)備相連。模擬量輸入模塊具有16路相同的模擬量輸入電路，包括8路電壓型模擬量輸入電路和8路電流型模擬量輸入電路，相應(yīng)具有8路電壓型模擬量輸入接口和8路電流型模擬量輸入接口。每個模擬量輸入電路依次由光電隔離電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、運算放大器電路(圖中未示出)、模擬量輸入接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到ARM控制模塊的系統(tǒng)總線的串行同步接口(SPI)和GPIO引腳上，在本實施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路芯片采用兩片八通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADS7870芯片。模擬量輸入接口電路與外部的比例手柄、電流型傳感器或電壓型傳感器等模擬量輸入設(shè)備相連。模擬量輸出模塊具有I路電壓信號輸出接口，所述模擬量輸出模塊依次由光電隔離電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、隔離放大器電路(圖中未示出)、模擬量輸出接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到ARM控制模塊的系統(tǒng)總線的串行同步接口(SPI)上，在本實施例中， 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路芯片采用單通道數(shù)模轉(zhuǎn)換的AD5620芯片，模擬量輸出接口電路采用恒壓限流電路以進行過流保護，并增加二極管防反接保護。模擬量輸出接口電路與外部具有電壓調(diào)節(jié)輸入端口的模擬量控制設(shè)備(如發(fā)動機油門)等相連。PWM輸出模塊具有6路相同的PWM輸出電路，相應(yīng)具有6路輸出驅(qū)動接口。每個 PWM輸出電路依次由光電隔離電路、前置單元電路、PWM輸出接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到ARM控制模塊的系統(tǒng)總線的PWM功能引腳上。PWM輸出接口電路與外部的馬達、比例閥、繼電器等PWM控制設(shè)備相連。電源變換模塊將9 30V的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓，向ARM控制模塊供電，同時也向其他模塊供電(圖中未示出)?？紤]到在電路中數(shù)字信號會影響模擬信號的穩(wěn)定性，模擬信號的波動又會影響ARM控制模塊的工作可靠性，因此，為了使測量結(jié)果更準確，并使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，在電源變換模塊中有兩路5V直流電壓輸出，一路5V直流電壓是為模擬信號側(cè)供電，另一路5V直流電壓是為ARM控制模塊及與其系統(tǒng)總線直接相連的各個模塊供電，兩路直流電壓相互之間的信號傳遞通過光電隔離電路實現(xiàn)。另外，9 30V的輸入直流電壓同時也為PWM輸出模塊供電。圖I所示的擴展裝置的工作原理如下擴展裝置上電后，電源變換模塊為ARM控制模塊提供穩(wěn)定性較高的直流電壓，ARM控制模塊中的ARM處理器在復(fù)位電路和時鐘電路的控制下開始啟動運行，從ARM處理器芯片內(nèi)部的Flash存儲器中讀取存儲在其內(nèi)的由用戶開發(fā)好的程序代碼，開始順序執(zhí)行程序代碼，所述ARM控制模塊具有編程接口，可與計算機連接后通過專用軟件更改該擴展裝置的內(nèi)部控制程序。ARM控制模塊根據(jù)用戶配置情況，對開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊進行信號類型選擇和模式配置，比如選擇開關(guān)量輸入或是模擬量輸入，選擇電壓型模擬量輸入信號或是電流型模擬量輸入信號。該擴展裝置的設(shè)備地址、通信波特率、采集信號上傳間隔、開關(guān)量輸入信號的類型、PWM輸出信號的類型等參數(shù)都存儲在Flash存儲器中，通過CAN0PEN通信協(xié)議的SDO命令可以對這些參數(shù)進行修改， 該擴展裝置在重新上電后新參數(shù)生效。開關(guān)量輸入模塊的電平信號輸入接口與開關(guān)量輸入設(shè)備相連，ARM控制模塊通過掃描開關(guān)量輸入模塊與系統(tǒng)總線連接的端口的引腳電平來采集連接到擴展裝置的各個開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)；模擬量輸入模塊的模擬量輸入接口與電壓型或電流型傳感器等模擬量輸入設(shè)備相連，ARM控制模塊通過SPI接口訪問模擬量輸入模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來采集連接到擴展裝置的各個模擬量輸入設(shè)備的電壓或電流變化數(shù)據(jù)，然后將采集到的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)和模擬量輸入設(shè)備的電壓或電流變化數(shù)據(jù)進行濾波和數(shù)值變換等處理后，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過CAN總線通信模塊發(fā)送給系統(tǒng)主控制器。同時系統(tǒng)主控制器通過CAN0PEN通信協(xié)議中的PDO命令對連接在該擴展裝置各輸入端口的信號進行采集，對各輸出端口的輸出信號進行控制，具體為該擴展裝置通過CAN 總線通信模塊接收來自系統(tǒng)主控制器的控制命令，并由ARM控制模塊對這些控制命令進行解析后得到應(yīng)該送給各個輸出端口(PWM輸出端口和模擬量輸出端口)的控制信號，并通過 PWM輸出模塊將相應(yīng)的控制信號輸出給與PWM輸出模塊的輸出驅(qū)動接口相連的馬達、比例閥、繼電器等PWM控制設(shè)備，通過模擬量輸出模塊對與模擬量輸出模塊相連的具有電壓調(diào)節(jié)輸入端口的模擬量控制設(shè)備進行實時調(diào)整，實現(xiàn)對該模擬量控制設(shè)備的驅(qū)動。所述擴展裝置具有塑料外殼，通過40芯接插件與外部設(shè)備進行電氣連接，該擴展裝置的外殼還具有DIN軌道固定槽，用于固定該擴展裝置。圖2是本發(fā)明擴展裝置開關(guān)量輸入模塊的其中一路開關(guān)量輸入電路的一種實施例的硬件電路連接示意圖。圖中，表示某一開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)量輸入信號 DI從電阻Rl的一端輸入，Rl的另一端分別與電阻R2、穩(wěn)壓二極管Dl的負極、隔離運算放大器Ul的正向輸入端相連，Dl的正極接地，Ul的負向輸入端分別與Ul的輸出端、帶有施密特觸發(fā)功能的緩沖器U2的輸入端相連，U2的輸出端信號PO經(jīng)過光電隔離(圖中未示出) 后輸入到ARM控制模塊的系統(tǒng)總線的輸入引腳中，以供ARM控制模塊對某一開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集。ARM控制模塊系統(tǒng)總線的輸出引腳輸出的模式配置信號經(jīng)過光電隔離(圖中未示出)后成為配置信號P1，分別從電阻R3、R4的一端輸入，電阻R3的另一端與PNP型晶體管Ql的基極相連，R4的另一端與NPN型晶體管Q2的基極連接，Ql的射極連接到電源正端VCC上，Q2的射極接地，Ql的集電極和Q2的集電極連接在一起，共同連接到電阻R2的另一端。圖2所示的開關(guān)量輸入模塊的工作原理如下ARM控制模塊根據(jù)程序設(shè)定情況首先通過控制系統(tǒng)總線的輸出引腳將配置信號Pi置為高電平或低電平以對開關(guān)量輸入模塊的內(nèi)部上拉或下拉電阻進行配置，從而進行信號類型選擇和模式配置當Pl為高電平時， 晶體管Q2導(dǎo)通，電阻R2經(jīng)過Q2接地，電阻R2成為開關(guān)量輸入信號DI的下拉電阻，此時外部輸入的開關(guān)量輸入信號可以是高低電平信號，也可以是只有高電平和懸空狀態(tài)的開關(guān)量信號；當Pl為低電平時，晶體管Ql導(dǎo)通，電阻R2經(jīng)過Ql連接到電源正端，成為上拉電阻， 此時外部輸入的開關(guān)量輸入信號可以是高低電平信號，也可以是只有低電平和懸空狀態(tài)的開關(guān)量信號。所述開關(guān)量輸入模塊的開關(guān)量輸入信號DI的范圍是O 30V，當開關(guān)量輸入模塊工作時，開關(guān)量輸入信號DI經(jīng)過電阻Rl后到達Ul的正輸入端，Ul接成電壓跟隨器的方式將該信號傳遞給緩沖器U2，具有施密特特性的緩沖器U2對該信號進行濾波處理后，形成輸出信號PO通過系統(tǒng)總線傳遞給ARM控制模塊以供其進行采集。在該電路中穩(wěn)壓二極管 Dl起到過壓保護的功能，當開關(guān)量輸入信號DI的電壓值超過穩(wěn)壓二極管Dl的穩(wěn)壓值時，電壓就會降落在電阻Rl上，從而保證了 Ul輸入端的電壓不會超過其安全電壓，進而保證了器件Ul不會被損壞。圖3是本發(fā)明擴展裝置模擬量輸入模塊其中兩路模擬量輸入電路的一種實施例的硬件電路連接示意圖。圖中，電壓型模擬量輸入信號VIO從電阻Rl的一端輸入，Rl的另一端分別與穩(wěn)壓二極管Dl的負極和運算放大器UlD的輸入正端相連，穩(wěn)壓管Dl的正極接地，運算放大器UlD的輸入負端與其輸出端相連，并連接到電阻R3的一端，R3的另一端分別與電阻R4、電容Cl的一端相連，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3的模擬信號輸入引腳上(如I 腳)，R4和Cl的另一端接地。電流型模擬量輸入信號CIO從保險絲Fl的一端輸入，F(xiàn)l的另一端分別與電阻R5和R6的一端相連,R5的另一端接地,R6的另一端與穩(wěn)壓二極管D2的負極和運算放大器U2D的輸入正端相連，穩(wěn)壓管D2的正極接地，運算放大器U2D的輸入負端與其輸出端相連，并連接到電阻R7的一端，R7的另一端分別與電阻R8、電容C2的一端相連，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3的模擬信號輸入引腳上(如5腳)，R8和C2的另一端接地。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3采用ADS7870芯片，其20腳經(jīng)過光電隔離電路后連接ARM處理器(圖中未示出)系統(tǒng)總線的SPI接口的串行時鐘(SCLK)信號，21腳經(jīng)過光電隔離電路后接主機輸出從機輸入(MOSI)信號,22腳經(jīng)過光電隔離電路后接主機輸入從機輸出(MISO)信號,23 引腳經(jīng)過光電隔離電路后連接ARM處理器的一個通用輸入輸出(GPIO)信號。ADS7870的其他引腳按照其芯片手冊進行連接，圖中未詳細示出。圖3所示的模擬量輸入模塊的工作原理如下本發(fā)明中，模擬量輸入信號分為電壓型模擬量輸入信號和電流型模擬量輸入信號，電壓型模擬量輸入信號是指輸入信號為 0-10V的電壓信號，電流型模擬量輸入信號是指輸入信號為4-20mA的電流信號，它們都為與擴展裝置相連接的傳感器等模擬量輸入設(shè)備的輸出信號。電壓型模擬量輸入信號VIO經(jīng)過電阻Rl后到達運算放大器UlD的輸入正端，如果VIO的電壓值高于穩(wěn)壓二極管Dl的穩(wěn)壓電壓，則在電阻Rl上產(chǎn)生壓降，從而保證運算放大器UlD的輸入正端電壓不會超過穩(wěn)壓二極管Dl的額定電壓，進而保護運算放大器UlD不會受到損壞，UlD接成電壓跟隨器方式， 其輸出端電壓與輸入正端的電壓保持一致，UlD輸出端電壓經(jīng)過電阻R3和R4分壓后進入 ADS7870的電壓輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以供ARM控制模塊對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行采集，同時電容Cl起到濾除脈沖干擾的作用，以保證模擬量信號采集的信號穩(wěn)定度。電流型模擬量輸入信號CIO經(jīng)保險絲Fl后到達精密電阻R5，電流信號經(jīng)過R5時產(chǎn)生壓降，從而將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，轉(zhuǎn)化后的電壓信號經(jīng)電阻R6后到達運算放大器U2D的正輸入端，同樣穩(wěn)壓二極管D2起到保護U2D的作用，U2D采用電壓跟隨器方式，其輸出電壓信號經(jīng)過電阻R7和R8分壓后輸入到ADS7870的電壓輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以供ARM控制模塊對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行采集，根據(jù)采集到的電壓信號的值和之前將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的電阻R5的電阻值即可計算得到電流型模擬量輸入信號CIO的值。ADS7870的控制端(23、20、21、22引腳)與ARM處理器系統(tǒng)總線的SPI接口連接，ARM處理器通過系統(tǒng)總線的SPI接口實現(xiàn)對ADS7870的控制和訪問，從而實現(xiàn)采集通道(LN0-LN7)的切換和模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。圖4是本發(fā)明擴展裝置PWM輸出模塊其中一路的一種實施例的硬件電路連接示意圖。如圖4所示，PWM輸出模塊主要由光電隔離芯片U2和智能開關(guān)芯片UlB構(gòu)成，本實施例中U2采用HCPL0630芯片，UlB采用BTS721L芯片。圖4中，ARM處理器的PWM控制信號 CPU_PWM0和CPU_PWM1通過系統(tǒng)總線分別輸入到U2的2腳和3腳，U2的I腳和4腳分別經(jīng)過電阻R3和R4后連接5V電壓，U2的7腳和6腳分別經(jīng)過上拉電阻R2和Rl與模擬信號側(cè)的5V電壓相連，同時分別與UlB的7腳和9腳相連，U2的8腳連接模擬信號側(cè)的5V電壓，5腳接地。UlB的14腳和13腳分別連接到該擴展裝置的PWM輸出端子上，同時這兩個引腳分別連接到續(xù)流二極管Dl和D2的負極，Dl和D2的正極接地，UlB的10、11、12、15腳接外部輸入電源電壓，6腳接地。圖4所示的PWM輸出模塊的工作原理如下ARM處理器通過系統(tǒng)總線發(fā)出的PWM控制信號CPU_PWM0和CPU_PWM1經(jīng)過光電隔離器件U2后成為與ARM處理器側(cè)不共地的控制
10信號，但其信號的時序和占空比與原信號一致，該控制信號輸入到智能開關(guān)器件UlB后，由 UlB進行功率放大，得到輸出信號PWMO和PWM1，并經(jīng)PWM輸出端子輸出到與PWM輸出端子連接的外部控制設(shè)備中，以驅(qū)動外部控制設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作。該智能開關(guān)器件UlB自身內(nèi)部具有過流、過壓、短路保護功能，從而實現(xiàn)外部控制設(shè)備的安全可靠驅(qū)動。由于PWM輸出模塊的前端使用了光電隔離器件，因此，ARM處理器的控制信號和控制邏輯不會因PWMO/ PWMl輸出信號的短路或過流而產(chǎn)生影響，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。圖5是本發(fā)明擴展裝置中模擬量輸出模塊的一種實施例的硬件電路連接示意圖， 本發(fā)明的擴展裝置有I路模擬量輸出模塊。如圖5所示，模擬量輸出模塊主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U2和運算放大器UlA構(gòu)成，本實施例中U2采用AD5620芯片，UlA采用TLV4112芯片。 圖5中，ARM處理器(圖中未示出)系統(tǒng)總線SPI接口的SCLK信號經(jīng)過光電隔離電路(圖中未不出)后與U2的6腳相連，MOSI信號經(jīng)過光電隔離電路(圖中未不出)后與U2的7 腳相連，ARM處理器的一個GPIO信號經(jīng)過光電隔離電路(圖中未示出)后與U2的5腳相連，U2的8腳接地，I腳與模擬信號側(cè)的5V電壓相連，U2的3腳和4腳之間連接電阻R2，U2 的4腳還與電容Cl和電阻Rl的一端相連，Cl的另一端接地，Rl的另一端與UlA的輸入正端相連，UlA的輸入負端與輸出端相連，并與二極管Dl的正極相連，Dl的負極與保險絲Fl 相連，F(xiàn)l的另一端輸出信號AO到具有電壓調(diào)節(jié)輸入端口的模擬量控制設(shè)備上。圖5所示的模擬量輸出模塊的工作原理如下ARM處理器通過系統(tǒng)總線SPI接口將從系統(tǒng)主控制器接收到并解析出來的控制輸出命令發(fā)送給模擬量輸出模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U2，由U2將數(shù)字控制輸出命令信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并由4腳輸出(其3腳和4腳之間的電阻R2是反饋電阻，可以通過調(diào)整R2的值調(diào)整輸出電壓的放大倍數(shù))，由電容Cl濾除模擬信號中的脈沖干擾之后，將模擬信號傳送到運算放大器UlA的輸入正端，UlA接成電壓跟隨器模式，其輸出電壓與輸入正端的電壓保持一致，再經(jīng)過二極管Dl和保險絲Fl后輸出到與模擬量輸出模塊相連的模擬量控制設(shè)備，以調(diào)節(jié)模擬量控制設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作。UlA 選用的運算放大器為TLV4112，其輸出驅(qū)動能力最大能達到200mA，二極管Dl的作用是在外部接線接錯的情況下防止輸入信號灌入而損壞運算放大器，而自恢復(fù)保險絲Fl起的是信號的過流保護作用。所述模擬量輸出模塊的電壓輸出范圍為O 5V。表I是該擴展裝置采用CAN0PEN通信協(xié)議采用的一種進程數(shù)據(jù)對象PDO的數(shù)據(jù)格式。在表I中每一行表示每種PDO的數(shù)據(jù)格式，第I列是每種PDO的名稱，第2列是每種PDO 所對應(yīng)的CAN總線報文標識符CAN-ID的值，第3至第10列依次是CAN0PEN通信協(xié)議中第I 至第8個數(shù)據(jù)字節(jié)的值。本發(fā)明的擴展裝置在通信時采用4個發(fā)送ro0(TXPD01至TXPD04) 來傳輸開關(guān)量輸入設(shè)備和模擬量輸入設(shè)備信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，采用I個接收HXKRXPDOl) 來傳輸系統(tǒng)主控制器發(fā)來的控制信號的數(shù)據(jù)，各個PDO的CAN-ID采用標準CAN0PEN通信協(xié)議中的格式定義。其中，前兩個發(fā)送PDO用來傳輸電壓型模擬量輸入信號和開關(guān)量輸入信號的數(shù)值，后兩個發(fā)送PDO用來傳輸電流型模擬量輸入信號。其中4個發(fā)送PDO中的模擬量輸入信號用12位來表不,msb代表高8位，Isb代表低4位。開關(guān)量輸入信號的每一通道采用I位來表示。接收TOO中包含了模擬量輸出信號和各路PWM輸出信號的數(shù)值，都采用 8位來表示，模擬量輸出信號的數(shù)值范圍為O 255，代表從零電壓到滿量程的數(shù)值，PWM信號的數(shù)值范圍為O 100，代表PWM信號的占空比。表I
PDOCAN-IDBytelByte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte7Byte8TXPDOl0xl80+idVIlmsbVI2msbVIllsb VI21sbVBmsbVMmsbVBlsb VMlsbDIl DI8DI9 DI16TXPD020x280+idVI5msbVI6msbVI51sb VI61sbVI7msbVI8msbVI71sb VI81sb0000TXPD030x380+idCIlmsbCI2msbCIllsb CI21sbCI3msbCMmsbCBlsb CMlsb0000TXPD040x480+idCI5msbCI6msbCI51sb CI61sbCI7msbCI8msbCI71sb CI81sb0000RXPDOl0xl00+id00VOPWMlPWM2PWM3PWM4PWM5PWM6本發(fā)明采用ARM嵌入式軟硬件技術(shù)和總線式通訊技術(shù)形成了具有多路多接口類型的IO采集與控制擴展裝置，可以將所連接在其上的開關(guān)量、模擬量的傳感器信號經(jīng)過采集處理后，通過CAN總線將這些數(shù)值傳送給系統(tǒng)主控制器，同時也可以通過CAN總線接收主控制器下發(fā)的控制命令，將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的控制信號，輸出到PWM端口和模擬量輸出端口， 來驅(qū)動各種外部控制設(shè)備。這種總線式IO采集與控制擴展模塊可以提高工程機械車控制系統(tǒng)集成的靈活性，降低系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)布線的復(fù)雜度。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種總線式IO采集與控制擴展裝置，其特征在于，該裝置包括ARM控制模塊、電源變換模塊、CAN總線通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、脈寬調(diào)制PWM輸出模塊和模擬量輸出模塊，其中，所述ARM控制模塊包括ARM處理器以及連接到所述ARM處理器的復(fù)位電路、時鐘電路、 編程接口，所述ARM控制模塊向外擴展系統(tǒng)總線，所述CAN總線通信模塊、所述開關(guān)量輸入模塊、所述模擬量輸入模塊、所述PWM輸出模塊和所述模擬量輸出模塊分別通過該系統(tǒng)總線與所述ARM控制模塊相連；所述電源變換模塊將9 30V的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓，向ARM控制模塊和其他模塊供電；所述開關(guān)量輸入模塊與開關(guān)量輸入設(shè)備相連，所述ARM控制模塊通過掃描開關(guān)量輸入模塊與系統(tǒng)總線連接的端口的引腳電平來采集所述開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述模擬量輸入模塊與模擬量輸入設(shè)備相連，所述ARM控制模塊通過系統(tǒng)總線的串行同步接口 SPI訪問所述模擬量輸入模塊來采集所述模擬量輸入設(shè)備的電壓或電流變化數(shù)據(jù)；所述ARM控制模塊將采集到的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)和電壓或電流變化數(shù)據(jù)進行處理后，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過所述CAN總線通信模塊發(fā)送給系統(tǒng)主控制器；同時，該擴展裝置通過所述CAN總線通信模塊接收來自系統(tǒng)主控制器的控制命令，所述ARM控制模塊對所述控制命令解析后得到控制信號，通過所述PWM輸出模塊將相應(yīng)的控制信號輸出給與所述PWM輸出模塊相連的PWM控制設(shè)備，通過所述模擬量輸出模塊對與其相連的模擬量控制設(shè)備進行實時調(diào)整，實現(xiàn)對所述模擬量控制設(shè)備的驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述ARM控制模塊根據(jù)用戶配置情況，對所述開關(guān)量輸入模塊和所述模擬量輸入模塊進行信號類型選擇和模式配置選擇開關(guān)量輸入或是模擬量輸入，選擇電壓型模擬量輸入信號或是電流型模擬量輸入信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述CAN總線通信模塊具有I路CAN總線通信接口 ；所述CAN總線通信模塊依次由光電隔離電路、電平轉(zhuǎn)換電路、CAN總線通信接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到所述系統(tǒng)總線的CAN通信功能引腳上，所述CAN 總線通信接口電路與系統(tǒng)主控制器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入模塊具有16路相同的開關(guān)量輸入電路，相應(yīng)具有16路電平信號輸入接口 ；每個開關(guān)量輸入電路依次由光電隔離電路、運算放大器電路、開關(guān)量輸入接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到所述系統(tǒng)總線的通用輸入輸出GPIO引腳上，所述開關(guān)量輸入接口電路與外部的開關(guān)量輸入設(shè)備相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入電路中表不某一開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)量輸入信號DI從電阻Rl的一端輸入，Rl 的另一端分別與電阻R2、穩(wěn)壓二極管Dl的負極、隔離運算放大器Ul的正向輸入端相連，Dl 的正極接地，Ul的負向輸入端分別與Ul的輸出端、帶有施密特觸發(fā)功能的緩沖器U2的輸入端相連，U2的輸出端信號PO經(jīng)過光電隔離后輸入到所述系統(tǒng)總線的輸入引腳中，以供ARM 控制模塊對某一開關(guān)量輸入設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集；所述系統(tǒng)總線的輸出引腳輸出的模式配置信號經(jīng)過光電隔離后成為配置信號P1，分別從電阻R3、R4的一端輸入，R3的另一端與PNP型晶體管Ql的基極相連，R4的另一端與NPN型晶體管Q2的基極連接，Ql的射極連接到電源正端VCC上，Q2的射極接地，Ql的集電極和 Q2的集電極連接在一起，共同連接到電阻R2的另一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓二極管Dl起到過壓保護的功能，當開關(guān)量輸入信號DI的電壓值超過穩(wěn)壓二極管Dl的穩(wěn)壓值時，電壓就會降落在電阻Rl 上，從而保證了 Ul輸入端的電壓不會超過其安全電壓，進而保證了 Ul不會被損壞。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述模擬量輸入模塊具有16路相同的模擬量輸入電路，包括8路電壓型模擬量輸入電路和8路電流型模擬量輸入電路，相應(yīng)具有8 路電壓型模擬量輸入接口和8路電流型模擬信號接口 ；每個模擬量輸入電路依次由光電隔離電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、運算放大器電路、模擬量輸入接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到所述系統(tǒng)總線的SPI接口和通用輸入輸出GPIO引腳上，所述模擬量輸入接口電路與外部的模擬量輸入設(shè)備相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述模擬量輸入電路中電壓型模擬量輸入信號VIO從電阻Rl的一端輸入，Rl的另一端分別與穩(wěn)壓二極管Dl 的負極和運算放大器UlD的輸入正端相連，穩(wěn)壓管Dl的正極接地，運算放大器UlD的輸入負端與其輸出端相連，并連接到電阻R3的一端，R3的另一端分別與電阻R4、電容Cl的一端相連，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3的模擬信號輸入引腳上，R4和Cl的另一端接地；電流型模擬量輸入信號CIO從保險絲Fl的一端輸入，F(xiàn)l的另一端分別與電阻R5和R6 的一端相連，R5的另一端接地，R6的另一端與穩(wěn)壓二極管D2的負極和運算放大器U2D的輸入正端相連，穩(wěn)壓管D2的正極接地，運算放大器U2D的輸入負端與其輸出端相連，并連接到電阻R7的一端，R7的另一端分別與電阻R8、電容C2的一端相連，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 U3的模擬信號輸入引腳上，R8和C2的另一端接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述模擬量輸出模塊具有I路電壓信號輸出接口 ；所述模擬量輸出模塊依次由光電隔離電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、隔離放大器電路、模擬量輸出接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到所述系統(tǒng)總線的SPI接口上，所述模擬量輸出接口電路與外部具有電壓調(diào)節(jié)輸入端口的模擬量控制設(shè)備相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述模擬量輸出模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U2 和運算放大器UlA組成，所述系統(tǒng)總線SPI接口的串行時鐘SCLK信號經(jīng)過光電隔離電路后與U2的6腳相連,主機輸出從機輸入MOSI信號經(jīng)過光電隔離電路后與U2的7腳相連,所述ARM處理器的一個通用輸入輸出GPIO信號經(jīng)過光電隔離電路后與U2的5腳相連，U2的 8腳接地，I腳與模擬信號側(cè)的5V電壓相連，U2的3腳和4腳之間連接電阻R2，U2的4腳還與電容Cl和電阻Rl的一端相連，Cl的另一端接地，Rl的另一端與UlA的輸入正端相連， UlA的輸入負端與輸出端相連，并與二極管Dl的正極相連，Dl的負極與保險絲Fl相連，F(xiàn)l 的另一端輸出信號AO到具有電壓調(diào)節(jié)輸入端口的模擬量控制設(shè)備上。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述PWM輸出模塊具有6路相同的PWM 輸出電路，相應(yīng)具有6路輸出驅(qū)動接口；每一 PWM輸出電路依次由光電隔離電路、前置單元電路、PWM輸出接口電路連接組成，所述光電隔離電路連接到所述系統(tǒng)總線的PWM功能引腳上，所述PWM輸出接口電路與外部的PWM控制設(shè)備相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，PWM輸出模塊由光電隔離芯片U2和智能開關(guān)芯片UlB組成，所述ARM處理器的PWM控制信號CPU_PWM0和CPU_PWM1通過系統(tǒng)總線分別輸入到U2的2腳和3腳，U2的I腳和4腳分別經(jīng)過電阻R3和R4后連接5V電壓， U2的7腳和6腳分別經(jīng)過上拉電阻R2和Rl與連接模擬量側(cè)的5V電壓，同時分別與UlB的 7腳和9腳相連，U2的8腳連接模擬信號側(cè)的5V電壓，5腳接地，UlB的14腳和13腳分別連接到該擴展裝置的PWM輸出端子上，同時這兩個引腳分別連接到續(xù)流二極管Dl和D2的負極，Dl和D2的正極接地，UlB的10、11、12、15腳接外部輸入電源電壓，6腳接地。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述智能開關(guān)器件UlB自身內(nèi)部具有過流、過壓、短路保護功能，從而實現(xiàn)外部控制設(shè)備的安全可靠驅(qū)動。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述電源變換模塊中有兩路5V直流電壓輸出，一路5V直流電壓為模擬信號側(cè)供電，另一路5V直流電壓為ARM控制模塊及與其他各個模塊供電，另外，9 30V的輸入直流電壓同時也為所述PWM輸出模塊供電。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述規(guī)定的數(shù)據(jù)格式為遵循CAN0PEN通信協(xié)議的進程數(shù)據(jù)對象PDO數(shù)據(jù)格式。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述擴展裝置具有塑料外殼，通過40芯接插件與外部設(shè)備進行電氣連接，所述外殼還具有DIN軌道固定槽，用于固定所述擴展裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種總線式IO采集與控制擴展裝置，由ARM控制模塊、電源變換模塊、CAN總線通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊、PWM輸出模塊、模擬量輸出模塊等部分組成，各模塊分別與ARM控制模塊相連。該裝置可通過各模塊的接口與各種模擬量傳感器、開關(guān)量傳感器以及外部控制設(shè)備相連，并通過CAN總線與系統(tǒng)主控制器相連，采用CANOPEN通信協(xié)議，將傳感器信息轉(zhuǎn)換為總線式信號傳遞給主控制器，同時接收主控制器的控制命令，對各個輸出端口進行控制。該擴展裝置可以擴展主控制器自身接口數(shù)量，也可解決各傳感器或外部控制設(shè)備與主控制器相連時距離上的限制。該總線式IO采集與控制擴展裝置可應(yīng)用于各種分布式控制系統(tǒng)中，特別適合于工程機械控制系統(tǒng)的集成。
文檔編號G05B19/042GK102591244SQ201210082630
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者李恩, 楊國棟, 梁自澤, 譚民, 趙曉光 申請人:中國科學院自動化研究所