可更換輸入輸出模塊和mcu主控單元的工業(yè)自動(dòng)化控制器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可更換輸入輸出模塊和MCU主控單元的工業(yè)自動(dòng)化控制器。它包含一個(gè)主電路PCB底板，其上有可插拔的并可堆疊為多層的輸入輸出模塊和MCU主控單元；這些可插拔的與可堆疊的輸入輸出模塊和MCU主控單元，通過若干標(biāo)準(zhǔn)排母排針鏈接器組實(shí)現(xiàn)電氣連接和線路板與線路板之間的堆疊連接；每個(gè)輸入輸出模塊有四個(gè)有效的IO信號(hào)，且每個(gè)輸入輸出模塊之間、以及每個(gè)輸入輸出模塊與MCU主控單元之間都是電氣隔離的。其特點(diǎn)是積木式可插拔式模塊結(jié)構(gòu)，使選型簡化，易于升級(jí)換代，功能更加完善，適用性更好，運(yùn)行亦非?？煽?。
【專利說明】可更換輸入輸出模塊和MCU主控單元的工業(yè)自動(dòng)化控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可安裝于標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌的工業(yè)自動(dòng)化控制器，其特點(diǎn)是有相同引腳和尺寸的具有不同功能的輸入輸出模塊可根據(jù)控制現(xiàn)場的不同要求進(jìn)行任意更換，且MCU主控單元的類型也可以根據(jù)功能升級(jí)需要進(jìn)行更換，而不必更換控制器的框架結(jié)構(gòu)和電氣連接。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的單片微控制單元計(jì)算機(jī)MCU通常都具有引腳功能復(fù)用的特點(diǎn)，許多引腳通常即可作為數(shù)字量的輸入輸出，也可作為模擬量的輸入輸出，有些引腳還可作為各類數(shù)據(jù)通信、PWM、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)、數(shù)值比較等等復(fù)雜功能之用。然而，現(xiàn)在市面上的各類工業(yè)自動(dòng)化控制器，包括PLC可編程序控制器，它們的輸入輸出模塊、通訊等等功能模塊以及MCU內(nèi)核通常是固定的，不可變動(dòng)的；這也使得各類工業(yè)自動(dòng)化控制器和PLC必須是種類繁多，給用戶的選擇增添麻煩，給靈活多樣的應(yīng)用帶來了諸多不便。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的是要提供一種可安裝于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌的工業(yè)自動(dòng)化控制器，該工業(yè)自動(dòng)化控制器可以充分滿足對于不同類型的MCU，可以使用較為標(biāo)準(zhǔn)、安裝尺寸相同的，但功能、性能、需求各異的輸入輸出模塊。
[0004]本實(shí)用新型的目的通過下面方式實(shí)現(xiàn)。一個(gè)主電路PCB底板；該主電路PCB底板的寬度設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌的寬度；同時(shí)該主電路PCB底板分為兩個(gè)可以通過標(biāo)準(zhǔn)排母排針鏈接器對工業(yè)自動(dòng)化控制器進(jìn)行功能和性能擴(kuò)展的大的部分，這兩大部分分別稱為MCU主控單元和輸入輸出模塊單元；每個(gè)輸入輸出模塊有四個(gè)有效的輸入輸出接口與MCU主控單元一一對應(yīng)相連接，且每個(gè)輸入輸出模塊的外部接口端子與MCU主控單元之間是電氣隔離的，以及每個(gè)輸入輸出模塊的外部接口與另一個(gè)輸入輸出模塊的外部接口端子之間也都是電氣隔離的，以確保工業(yè)自動(dòng)化控制器能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。MCU主控單元只需要一個(gè)就可以，而輸入輸出模塊通常則需要多個(gè)，以滿足不同的控制對象的需求。這些MCU主控單元和輸入輸出模塊，均可以通過標(biāo)準(zhǔn)的排母排針鏈接器堆疊為多層線路板結(jié)構(gòu)，且堆疊的上層輸入輸出模塊可以設(shè)計(jì)有諸如以太網(wǎng)等特殊設(shè)備的接口，以便能更好的擴(kuò)展工業(yè)自動(dòng)化控制器的功能和性能，使本實(shí)用新型所描述的工業(yè)自動(dòng)化控制器的更靈活更強(qiáng)大。為了使MCU主控單元的MCU可以進(jìn)行靈活的更換，而不需對整個(gè)控制器進(jìn)行更換，多數(shù)情況下，將MCU放置在堆疊的擴(kuò)展板上，而不是將MCU放置在主電路PCB底板上。
[0005]下面將結(jié)合附圖對實(shí)用新型做進(jìn)一步的稱述:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是實(shí)用新型的正面俯視圖。
[0007]圖2是實(shí)用新型的側(cè)面視圖。[0008]圖3是實(shí)用新型的主電路PCB底板[I]上與輸入輸出模塊[2]對應(yīng)部分的正面俯視圖。
[0009]圖4是實(shí)用新型的輸入輸出模塊[2]上層可堆疊部分的正面俯視圖。
[0010]圖5是實(shí)用新型的輸入輸出模塊[2]各層堆疊后的側(cè)面視圖。
[0011]圖6是72mm標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌安裝尺寸圖。
[0012]圖7是108mm標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌安裝尺寸圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]參照附圖，[I]為主電路PCB底板，主電路PCB底板[I]分為兩大可通過堆疊線路板實(shí)現(xiàn)控制功能變化和擴(kuò)充的區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域分別為可有多組的輸入輸出模塊[2]區(qū)域和MCU主控單元[3]區(qū)域。主電路PCB底板[I]的寬度根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化控制器安裝的方便、配件的通用性和易購性的要求,設(shè)計(jì)為72±3mm和108±3mm兩種，這兩種寬度尺寸為標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌的安裝尺寸見圖6和圖7;主電路PCB底板[I]的長度則主要根據(jù)輸入輸出模塊[2]的數(shù)量和其它輔助電路的多寡來確定。
[0014]本實(shí)用新型中，主電路PCB底板[I]上一般只安裝電源電路、復(fù)位電路等通用電路，而MCU主控電路和輸入輸出檢測控制電路，則通過標(biāo)準(zhǔn)排母排針鏈接器與MCU主控電路板和輸入輸出檢測控制電路板相連接。MCU主控電路板在本說明書中稱為MCU主控單元
[3]，輸入輸出檢測控制電路板在本說明書中稱為輸入輸出模塊[2]，多個(gè)排母排針鏈接器的組合在本說明書中稱為排母排針鏈接器組。
[0015]圖1中所繪輸入輸出模塊[2]分別在MCU主控單元[3]的兩側(cè)，連接外部輸入輸出設(shè)備的接線端子[9]在主電路PCB底板[I]的兩側(cè)邊緣外；圖中輸入輸出模塊[2]的數(shù)量為六組模塊，實(shí)際使用時(shí)輸入輸出模塊[2]的數(shù)量常常并不一定只有六組模塊，可以是十二組模塊，也可以是更多的或更少的模塊數(shù)量，最少時(shí)可以只有兩組輸入輸出模塊[2]。
[0016]在本實(shí)用新型中輸入輸出模塊[2] —般配置成多組，輸入輸出模塊[2]組數(shù)的多寡取決于實(shí)際采用MCU的類型，MCU上IO數(shù)量多的，則輸入輸出模塊[2]組數(shù)就多。對于檢測控制數(shù)量少的工業(yè)自動(dòng)化控制器，選用IO數(shù)量少的MCU。對于檢測控制數(shù)量多的工業(yè)自動(dòng)化控制器，選用IO數(shù)量多的MCU。對于檢測控制精度和復(fù)雜度高的工業(yè)自動(dòng)化控制器，則選用性能更好的MCU和輸入輸出模塊[2]。這樣就可以像搭積木般的使用該工業(yè)自動(dòng)化控制器，使得同一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制器，它的適應(yīng)性更廣、性能更好更優(yōu)異，也易于標(biāo)準(zhǔn)化。對最終減少市面上工業(yè)自動(dòng)化控制器的種類也有幫助，使用戶的選擇更加簡易方便。
[0017]每一組輸入輸出模塊[2]在主電路PCB底板[I]上有對應(yīng)的六個(gè)接線端子[9]，接線端子[9為插拔式接線端子，圖3中接線端子[9]的寬度為3.81mm或3.96mm或5.08mm的標(biāo)準(zhǔn)的PCB插拔式接線端子，當(dāng)然亦可為固定的接線端子。每一組輸入輸出模塊[2]的設(shè)計(jì)寬度根據(jù)所采用標(biāo)準(zhǔn)的PCB插拔式接線端子的寬度決定。這六個(gè)接線端子[9]分別為一個(gè)公共端C0M，四個(gè)輸入輸出信號(hào)端A、B、C、D，一個(gè)外接直流電源端Ve ;外接直流電源端Ve為單組輸入輸出模塊[2]的IO功能區(qū)[13]提供電源能量，并為隔離元件區(qū)域[12]的與IO功能區(qū)[13]相連接的一側(cè)提供電源能量；這六個(gè)接線端子[9]，它們的PCB引腳[8]與排母排針鏈接器組[7]在電路上是一一對應(yīng)分別連通的，圖中排母排針鏈接器組[7]為兩排，每排排母排針鏈接器的數(shù)量都與接線端子[9]的數(shù)量相同，都為六個(gè)。排母排針鏈接器組[7]設(shè)為兩排的目的是為要增加輸入輸出模塊[2]作為輸出時(shí)的電流驅(qū)動(dòng)能力，以驅(qū)動(dòng)大功率的電器設(shè)備，如雙繞組步進(jìn)電機(jī)等。當(dāng)輸入輸出模塊[2]作為輸入或小電流輸出目的時(shí)，排母排針鏈接器組[7]只需要一排就可以了 ；排母排針鏈接器組[7]為一排時(shí)，可以增加線路板上元器件的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)功能更復(fù)雜的檢測控制。
[0018]每一組輸入輸出模塊[2]在主電路PCB底板[I]上還有對應(yīng)的可以連接到MCU主控單元[3]的排母排針鏈接器組[5];排母排針鏈接器組[5]中包含四個(gè)IO信號(hào)a、b、c、d，一個(gè)正電源+V，一個(gè)負(fù)電源-V和三個(gè)公共端G，公共端G通常情況下一個(gè)也就可以了；這里使用三個(gè)公共端G，是因?yàn)檩斎胼敵瞿K[2]對應(yīng)的六個(gè)接線端子[9]寬度較寬，足夠放下寬度最大只有2.54_排母排針鏈接器九個(gè)。根據(jù)主電路PCB底板[I]的寬度是72±3_和108±3mm兩種，計(jì)算出排母排針鏈接器組[5]的中心到主電路PCB底板[I]邊緣處的間距在20mm到26mm[10]之間較為合理；每一組輸入輸出模塊[2]靠近MCU主控單元[3]的邊緣到主電路PCB底板[I]邊緣處的間距，則設(shè)計(jì)為22mm到28mm之間。
[0019]每一組輸入輸出模塊[2]上的排母排針鏈接器組[5]包含四個(gè)IO信號(hào)a、b、C、d可以通過排母排針鏈接器組[4]連到MCU主控單元[3]，這四個(gè)IO信號(hào)是通過主電路PCB底板[I]上對應(yīng)于每個(gè)輸入輸出模塊[2]的排母排針鏈接器組[5]與排母排針鏈接器組[4]相鏈接，而使得IO信號(hào)可以連接到MCU主控單元[3]。并且通過電氣隔離區(qū)域[6]與輸入輸出模塊[2]的排母排針鏈接器組[7]的四個(gè)IO信號(hào)A、B、C、D信號(hào)相對應(yīng)；通常情況下a-A、b-B、c-C、d_D信號(hào)之間 對應(yīng)；每一組輸入輸出模塊[2]選用四個(gè)IO信號(hào)的特點(diǎn)是靈活性和適用性都非常好，而同時(shí)設(shè)備開銷也相對較小。如果選用每一組輸入輸出模塊只包含一個(gè)IO信號(hào)，再加上必配的正負(fù)電源，則每個(gè)IO設(shè)備開銷也相對較大；如果每一組輸入輸出模塊選用八個(gè)IO信號(hào),雖然每個(gè)IO設(shè)備開銷也相對較小,但輸入輸出模塊的靈活性和適用性則變得較差。每一組輸入輸出模塊[2]選用四個(gè)IO信號(hào)可以直接推動(dòng)各類H橋電器設(shè)備，單雙繞組電機(jī)，SPI設(shè)備(如由高速SPI構(gòu)成的以太網(wǎng)通訊設(shè)備)等等；選用四個(gè)IO信號(hào)也適用于較為復(fù)雜的通信設(shè)備，如RS232、RS485、USB、CAN總線，各類調(diào)制解調(diào)器等等，它的靈活性和適用性也都非常好；對于簡單的一一對應(yīng)的數(shù)字量和模擬量輸入輸出設(shè)備，每組輸入輸出模塊[2]選用四個(gè)IO信號(hào)，在多數(shù)情況下它的靈活性和適用性都是較好的，而且設(shè)備開銷也非常小。圖中接口裝置[14]為以太網(wǎng)或USB等的接口裝置示意圖，當(dāng)有許多通訊或控制檢測設(shè)備不適合接線端子[9]的接線方式時(shí)，則可以在輸入輸出模塊
[2]上設(shè)計(jì)如[14]所示的接口裝置，以滿足各類不同設(shè)備的特殊接口需求，這就使得本實(shí)用新型所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器功能更加強(qiáng)大，適用性更好。
[0020]由排母排針鏈接器組[5]和排母排針鏈接器組[7]構(gòu)成的輸入輸出模塊[2]，可以形成如圖中所示的兩層或多層線路板堆疊在一起的結(jié)構(gòu)，可以使多層線路板堆疊的輸入輸出模塊[2]比只有單層線路板的輸入輸出結(jié)構(gòu)，功能更加完善，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更多樣的控制任務(wù)。
[0021]在主電路PCB底板[I]上有若干與輸入輸出模塊[2]相對應(yīng)的區(qū)塊，這些區(qū)塊中，每個(gè)區(qū)塊都有六個(gè)接線端子[9]、雙排每排六個(gè)排母排針鏈接器的排母排針鏈接器組[7]、九個(gè)排母排針鏈接器的排母排針鏈接器組[5];在排母排針鏈接器組[7]和排母排針鏈接器組[5]之間有一個(gè)間距不小于8mm的電氣隔離區(qū)域[6];在主電路PCB底板[I]上的每一個(gè)電氣隔離區(qū)域[6]內(nèi)，也就是排母排針鏈接器組[5]和排母排針鏈接器組[7]之間，都不出現(xiàn)任何電子元件和覆銅連接，為的是使接線端子[9]和MCU主控單元[3]之間不產(chǎn)生電氣連接，這樣能確保整個(gè)MCU主控單元[3]的穩(wěn)定運(yùn)行；而且主電路PCB底板[I]上與各輸入輸出模塊[2]相對應(yīng)的區(qū)塊與區(qū)塊間的接線端子[9]，其覆銅之間的間距不小于4_;這樣可以確保每一組輸入輸出模塊[2]之間也是電氣隔離的，這就確保了整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制器都能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，即便是有某一個(gè)輸入輸出模塊[2]受到強(qiáng)電干擾或意外損壞，也不會(huì)影響整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制器正常工作。
[0022]按圖所示，在每一組輸入輸出模塊[2]上，與主電路PCB底板[I]上電氣隔離區(qū)域
[6]相對應(yīng)的地方，有信號(hào)放大整形區(qū)域[11]和隔離元件區(qū)域[12]，且隔離元件區(qū)域[12]的寬度不小于4mm ;每一組輸入輸出模塊[2]上還有與主電路PCB底板[I]上接線端子[9]對應(yīng)的區(qū)域，稱之為輸入輸出功能區(qū)域[13]。信號(hào)放大整形區(qū)域[11]對來自隔離后外部輸入輸出設(shè)備的信號(hào)，加以放大整形，使得MCU能夠更好的識(shí)別。而對于來自MCU的信號(hào)則加以驅(qū)動(dòng)，使信號(hào)得以驅(qū)動(dòng)隔離元件區(qū)域[12]中的各個(gè)隔離元件；這些隔離元件可以是光耦，也可以是隔離變壓器，還可以是隔離電容等隔離元件。輸入輸出功能區(qū)域[13]的電路可以對通過接線端子[9]而來自的外部設(shè)備的信號(hào)加以處理，給隔離元件區(qū)域[12]中的隔離元件以足夠完好的信號(hào)加以驅(qū)動(dòng)；輸入輸出功能區(qū)域[13]的電路也可以對來自隔離元件區(qū)域[12]中從MCU而來的信號(hào)給于處理增加驅(qū)動(dòng)能力，通過接線端子[9]驅(qū)動(dòng)外部受控設(shè)備。這樣的安排適用于幾乎是任何的需要進(jìn)行電氣隔離保護(hù)的應(yīng)用之中。它適用于隔離的數(shù)字輸入輸出、隔尚的模擬輸入輸出、隔尚的H橋驅(qū)動(dòng)、隔尚的RS232、隔尚的RS485、隔尚的SPI設(shè)備、隔離的USB、隔離的CAN總線等等場合。對于有些隔離應(yīng)用，現(xiàn)在許多廠商也開始供應(yīng)自身帶有隔離的完整的集成器件或芯片，如一個(gè)完整的隔離USB芯片等，而無需在隔離元件之外，外接許多的功能元器件。
[0023]MCU主控單元[3]通常情況下被安置于主電路PCB底板[I]的中間位置。MCU主控單元[3]通過排母排針鏈接器組[4]可以形成多層線路板堆疊的結(jié)構(gòu)，并排母排針鏈接器組[4]與各輸入輸出模塊[2]進(jìn)行電氣連接。MCU主控單元[3]的多層線路板堆疊結(jié)構(gòu)，可以更加靈活的對本實(shí)用新型所述工業(yè)自動(dòng)化控制器進(jìn)行配置，使其更易于升級(jí)、功能更加豐富、性能更加完善；主電路PCB底板[I]上的排母排針鏈接器組[4]與輸入輸出模塊[2]上對應(yīng)的排母排針鏈接器組[5]之間必須是有對應(yīng)連接關(guān)系，以確保MCU主控單元[3]和各輸入輸出模塊[2]之間有良好的信息和電氣信號(hào)傳輸，且在主電路PCB底板[I]上有排母排針鏈接器組[4]與MCU主控單元[3]在電路上是有一一對應(yīng)的連接，以便MCU主控單元[3]可以堆疊為多層線路板結(jié)構(gòu)；在主電路PCB底板[I]另有排母排針鏈接器組[5]和排母排針鏈接器組[7]與輸入輸出模塊[2]在電路上是 對應(yīng)的連接，以便輸入輸出模塊[2]可以堆疊為多層線路板結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種可更換輸入輸出模塊[2]和MCU主控單元[3]的工業(yè)自動(dòng)化控制器，其特征是有一個(gè)主電路PCB底板[I]，在主電路PCB底板[I]上有排母排針鏈接器組[4]與MCU主控單元[3]在電路上是有一一對應(yīng)的連接，使MCU主控單元[3]可以堆疊為多層線路板結(jié)構(gòu)；在主電路PCB底板[I]另有排母排針鏈接器組[5]和排母排針鏈接器組[7]與輸入輸出模塊[2]在電路上是一一對應(yīng)的連接，使輸入輸出模塊[2]可以堆疊為多層線路板結(jié)構(gòu)；且主電路PCB底板[I]上的排母排針鏈接器組[5]與排母排針鏈接器組[7]之間有一無任何電子元件和覆銅連接的電氣隔離區(qū)[6]，電氣隔離區(qū)[6]的寬度不小于8mm;主電路PCB底板[I]上的排母排針鏈接器組[5]與排母排針鏈接器組[4]之間有對應(yīng)連接關(guān)系；主電路PCB底板[I]上對應(yīng)于每個(gè)輸入輸出模塊[2]的排母排針鏈接器組[5]有四個(gè)有效IO信號(hào)與MCU主控單元[3]對應(yīng)的排母排針鏈接器組[4]相鏈接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，在主電路PCB底板[I]上至少有兩組或兩組以上的可以與輸入輸出模塊[2]相連接的對應(yīng)區(qū)域，其上有排母排針鏈接器組[5]和排母排針鏈接器組[7];在主電路PCB底板[I]中每組與輸入輸出模塊[2]對應(yīng)區(qū)域有六個(gè)可以外接其它輸入輸出電器設(shè)備的接線端子[9]，且這六個(gè)接線端子[9]中，有一個(gè)公共端C0M，四個(gè)輸入輸出信號(hào)端A、B、C、D，一個(gè)為IO功能區(qū)[13]提供電源能量的外接直流電源端Ve ;且這六個(gè)接線端子[9]，它的PCB引腳[8]與排母排針鏈接器組[7]在電路上是一一對應(yīng)分別連通的，且排母排針鏈接器組[7]至少也為六個(gè)并排排放的排母排針鏈接器；每組輸入輸出模塊[2]還有可以連接到MCU主控單元[3]的排母排針鏈接器組[5]，排母排針鏈接器組[5]中包含四個(gè)IO信號(hào)a、b、c、d，一個(gè)正電源+V，一個(gè)負(fù)電源-V，至少一個(gè)公共端G ;且排母排針鏈接器組[5]的中心到主電路PCB底板[I]邊緣處的間距在20mm到26mm[10]之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，輸入輸出模塊[2]作為隔離數(shù)字輸入輸出、隔尚模擬輸入輸出、隔尚H橋驅(qū)動(dòng)、隔尚RS232、隔尚RS485、隔尚SP1、隔尚USB、隔離CAN總線時(shí)，輸入輸出模塊[2]上分為信號(hào)放大整形區(qū)域[11]和隔離元件區(qū)域[12]以及輸入輸出功能區(qū)域[13]三個(gè)區(qū)域，且隔離元件區(qū)域[12]的寬度不小于4mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，輸入輸出模塊[2]的信號(hào)放大整形區(qū)域[II]和隔離元件區(qū)域[12]以及輸入輸出功能區(qū)域[13]三個(gè)區(qū)域，由一個(gè)完整的集成器件代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，在輸入輸出模塊[2]上有適用于不適合接線端子[9]的接線方式的外接設(shè)備之特殊需求的接口裝置[14]。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，主電路PCB底板[I]寬度為72±3mm或108 +3mm,以適應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)PCB塑料導(dǎo)軌的安裝要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工業(yè)自動(dòng)化控制器，主電路PCB底板[I]上與各輸入輸出模塊[2]相對應(yīng)的區(qū)塊與區(qū)塊間的接線端子[9]覆銅之間的間距不小于4mm。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK203520079SQ201320592348
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】夏杰 申請人:夏杰