[發(fā)明專利]總線式IO采集與控制擴展裝置

有效

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• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN102591244A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李恩;梁自澤;譚民;趙曉光;楊國棟
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動化研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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CANOPEN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(zhǔn)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(jìn)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)。