專利名稱：帶現場總線接口的可編程可配置遠程i/o模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶現場總線接口的可編程可配置遠程I/O，屬于現場總線接口可編程可配置技術領域。
背景技術：
隨著信息技術的發展，智能化、信息化、網絡化成為現代工業控制的發展潮流。上世紀八十年代以來開放的工業控制總線迅速發展，在此基礎上通過網絡連接的分散控制和嵌入式設備的控制技術逐步發展成熟。
遠程I/O就是在這種條件下發展的一類產品，開放和通用是其主要特征。它應符合開放的總線規約(如Devicenet，Profibus-DP等)，能直接接入相應的網絡，可與其他制造商提供的可編程控制器，上位機協同工作。它可以分散配置在現場連接當地的輸入輸出信號，可通過網絡連接到控制器實現要求的控制，規約的開放性使它可以連接到任何其它制造商的符合規范的各種控制器。正是這種通用性使遠程I/O產品可以成為獨立的產品從而得到迅速的發展，成為工業控制領域的重要的基本產品。
雖然上世紀八十年代已出現遠程I/O，但都是作為PLC的專用附件用于I/O模塊的遠程分散配置，它使用專用的通信規約與主機連接。九十年代隨著現場總線的發展出現的通過開放總線連接的遠程I/O，這時才成為可獨立使用的產品。
近年遠程I/O產品有兩個重要的發展，即可配置和可編程。可配置是指一個遠程I/O節點所連接的輸入/輸出的模塊數和規格(輸入或輸出，信號電平，開關量或模擬量等)可在規定范圍內自由組合，以適應不同的現場的要求，同時還可通過選擇接入的通信控制器適應不同的總線規約。可編程是指在遠程節點裝備可編程控制功能，通過用戶的編程就可在本地實現控制，而不需要像以往的遠程I/O必須將全部輸入狀態傳送到主機，通過主機內的控制程序得到輸出狀態傳到遠程站實現要求的控制。直觀可以看出本地控制更直接，更快速，更經濟，更符合技術發展的趨勢。但實現這兩個進步需要解決一系列技術難點，這也是本項目的目標。實現這兩個進步的遠程I/O實際上兼備了遠程連接和可編程控制的功能，相當于具有網絡連接能力的小型PLC，因此可以也作為獨立的控制器使用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種帶現場總線接口的可編程可配置遠程I/O，該遠程I/O可配置可編程，可以自由組合各種不同類型的I/O模塊，實現多種規模的輸入/輸出自動化控制系統。
為達到上述目的，本發明的解決方案是該可編程可配置遠程I/O包括主控制器模塊、數字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、電源模塊；電源模塊分5V電源、24電源，分別接主控制器模塊、I/O模塊；主控制器模塊內Devicenet接口連第三方主站；主控制器模塊控制I/O模塊。
為實現可編程可配置功能本發明還設計梯形圖及指令編碼程序，主控制器模塊、I/O模塊控制軟件。
主控制器模塊主要器件包括ARM芯片LPC2292，ARM芯片集成有16K的RAM和256KFLASH，64K*16比特的高速SRAM存儲器用于存放用戶變量，128K*8比特的FLASH存儲器用于存放用戶程序，RS485接口電路，CAN收發器、I/O內部擴展總線接口電路，節點地址設定電路，復位電路、運行狀態指示燈、直流電源。
I/O模塊主要器件包括主芯片CPLD，數字量，模擬量芯片，輸入輸出接口，狀態指示燈，直流電源電路。
模擬量I/O模塊主要器件包括主芯片P89LPC931，AD或DA芯片，光耦隔離，輸入輸出接口，狀態指示燈多種I/O模塊擴展功能的實現.通過自行設計的高速內部總線實現主控制器和系列I/O模塊之間的數據交換，各種I/O模塊采用統一的通信接口，多品種多數量的I/O模塊可自由靈活組合；主控制器又通過現場總線(外部總線)同第三方主站單元(一般為PLC或PC)交換信息，就實現了主站單元同I/O模塊的信息交互，實現了帶有現場總線遠程I/O的功能。
上述解決方案的特點是(1)可編程控制器的核心技術(a)梯形圖、指令表語言解釋/編譯器技術；(b)用戶PLC程序解釋器、運行器技術；(c)可編程邏輯控制功能的實現；(d)遵循IEC61131-3的可編程指令集，控制算法的研發；(e)系統運行的可靠性、穩定性，在故障情況下控制器保障用戶系統的安全性。
(2)用戶編程軟件SEARI-I/O-PRO上位機編程調試軟件系統。該軟件基于主流WINDOWS視窗平臺和先進的視窗軟件，提供易用的可視化人機界面。
常規的編程和調試通過鼠標拖拽即可立即完成。
(3)可配置技術，實現模塊自由組合接入設計了用于I/O模塊擴展的高速內部模塊級通信總線，實現不同I/O模塊自由組合并接入可編程、可配置控制器，實現各種規模的控制器產品配套，同時研發了相關的上位機用戶配置軟件，方便用戶自由組合配置I/O模塊。
(4)現場總線技術研究DeviceNet最新協議及計算機軟硬件實現技術，研究現場總線控制領域的最新技術，研發多種高性能、高穩定性、高可靠性的現場總線通信接口。
(5)高質量嵌入式軟件與基于PC的軟件不同，嵌入式軟件最大的特點是對代碼占用的空間和運行的時間等要求很高，對于實時性要求高的場合，代碼的執行效率尤為重要。使用32位工業ARM微處理器，研發基于ARM微處理器的工業嵌入式軟件平臺，研發嵌入式PLC程序操作系統軟件平臺，同時研發基于該軟件平臺的多種嵌入式設備的驅動軟件，整個軟件運行系統的特點為高實時性、高可靠性。
本發明的有益效果可編程I/O的現場總線控制器可實現對遠程I/O模塊的就地控制，其通信功能分散控制方式能夠很好的支持遠方的上位PLC或PC對遠程該處I/O實施遠程聯鎖控制，本地控制對信號進行預處理減少了現場總線的傳輸負擔，同時加快了系統的響應速度；當現場總線出現故障時，帶可編程現場總線功能的通信控制器可按預定程序做出響應，運行本地控制程序，分布式控制降低了總線故障的風險；同時添加可編程邏輯控制功能的通信控制器已成為具有獨立控制能力的現場總線控制器，將本產品由依賴上級控制器的的遠程I/O單元提升為還可以作為簡單獨立控制的控制器，有力地提升了產品的功能，擴展了產品的市場適應能力，具有顯著的經濟效益。
以下結合附圖和實施例對本發明作比較詳細的說明。
圖1為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊構成框圖；圖2為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的主控制器模塊構成框圖；圖3為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的I/O模塊構成框圖；圖4為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的梯形圖指令編碼格式圖；圖5為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的梯形圖指令碼解釋程序運行流程圖；圖6為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的主控制器的程序執行流程圖；圖7為本發明的可編程可配置遠程I/O模塊的模擬量I/O模塊的程序執行流程圖。
具體實施例方式
參照圖1，這是本發明的可編程可配置遠程I/O模塊構成框圖。
如圖所示，可編程可配置遠程I/O模塊構成，包括主控制器模塊2、I/O模塊3、模擬量I/O4、電源模塊1；電源模塊分5V直流電源、24V直流電源，分別接主控制器模塊2、I/O模塊3，主控制器模塊2內Devicenet接口連第三方主站；主控制器模塊2控制I/O模塊3。
主控制器模塊2主要器件包括ARM芯片LPC2292，ARM芯片集成有16K的RAM和256KFLASH，64K*16的高速SRAM存儲器用于存放用戶變量，128K*8的FLASH存儲器用于存放用戶程序，RS485接口電路，CAN收發器、I/O內部擴展總線接口電路，節點地址設定電路，復位電路、運行狀態指示燈、直流電源。
I/O模塊3主要器件包括主芯片CPLD，數字量，模擬量芯片，輸入輸出接口，狀態指示燈，直流電源電路。
模擬量I/O模塊4主要器件包括主芯片P89LPC931，AD或DA芯片，光耦隔離，輸入輸出接口，狀態指示。
電源模塊1分5V直流電源線、24直流電源線。
所述的主控制器模塊2又通過現場總線(外部總線)同第三方主站單元(一般為PLC或PC)交換信息，就實現了主站單元同I/O模塊的信息交互，實現了帶有現場總線遠程I/O的功能。
所述的可編程功能的實現是通過自行設計的梯形圖、指令表語言解釋/編譯器運行用戶編寫的符合IEC61131-3編程語言規范的指令程序。
用戶程序通過主控制器獲得I/O模塊的資源，實現對I/O資源的編程控制。
“可編程”的編程語言采用自行設計的符合IEC61131-3標準的上位機編程軟件進行程序設計和在線調試。
可配置可編程通信控制器可以自由組合各種不同類型的I/O模塊，實現多種規模的輸入/輸出自動化控制系統，當需要增加系統點數無需重新布線，只需在現有系統上增加新的I/O模塊，非常方便。I/O模塊包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、電量測量模塊等5種類型。
使用本項目研究成果構成的系統，用戶可以通過通信控制器可編程功能實現系統的本地控制，也可以通過通信控制器帶有的現場總線接口進行遠程控制。當使用本地控制時，改變控制邏輯無需更改系統現有結構，只需要對控制器根據新的要求重新進行編程即可。使用遠程控制時，用戶可選擇DeviceNet總線接口，方便接入現場總線系統，滿足多總線系統的要求。
可編程I/O的現場總線控制器可實現對遠程I/O模塊的就地控制，其通信功能分散控制方式能夠很好的支持遠方的上位PLC或PC對遠程該處I/O實施遠程聯鎖控制，本地控制對信號進行預處理減少了現場總線的傳輸負擔，同時加快了系統的響應速度；當現場總線出現故障時，帶可編程現場總線功能的通信控制器可按預定程序做出響應，運行本地控制程序，分布式控制降低了總線故障的風險；同時添加可編程邏輯控制功能的通信控制器已成為具有獨立控制能力的現場總線控制器，將本產品由依賴上級控制器的的遠程I/O單元提升為還可以作為簡單獨立控制的控制器，有力地提升了產品的功能，擴展了產品的市場適應能力。
可編程I/O的現場總線控制器具有就地控制、現場可編程的特點，代表著現場總線分布式控制系統的發展趨勢。
可編程I/O現場總線控制器由可編程Devicenet現場總線適配器及系列I/O模塊組成，非常適合多總線遠程I/O產品應用場合。
總線適配器通過內部總線同系列I/O模塊通信交換數據；總線適配器又通過Devicenet現場總線同主站單元(一般為PLC或PC)交換信息，實現了主站單元同I/O模塊的信息交互，實現了帶有現場總線遠程I/O的功能。
成本低、I/O模塊可組合和使用的靈活方便是可配置I/O模塊的最大優勢。
上述發明的主要特點是(1)、帶有DeviceNet總線接口，產品主要性能遵循IEC61131-2標準要求；(2)、可編程語言符合IEC61131-3標準，編程語言支持梯形圖和指令表兩種；(3)對用戶開放編程功能，用戶可自由編程實現系統的本地控制，提高分布式系統的可靠性和響應速度；
(4)對于連接的I/O模塊上，其上的任意一個數字量輸出、模擬量輸出點都可以單獨配置成本地控制和遠程控制工作模式在本地控制模式下，輸出點受用戶程序控制；在遠程控制模式下，輸出點受現場總線主站控制。I/O本地可編程控制與遠程控制協同工作，可實現同遠方的上位PLC或PC對遠程該處I/O實施遠程聯鎖控制的功能；(5)通過內部總線最多可以連接8個不同類型、不同點數的I/O模塊；(6)可自動掃描連接的多種I/O模塊；(7)可向主站提供當前的I/O模塊的配置情況和狀態；(8)帶有DeviceNet現場總線接口可作為遠程的I/O從站使用。
可編程Devicenet現場總線適配器的主要技術指標如下
系列I/O模塊包括數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊，主要技術指標如下
(1)可編程控制器的核心技術(a)梯形圖、指令解釋/編譯器技術；(b)用戶PLC程序解釋器、運行器技術；(c)可編程邏輯控制功能的實現；(d)遵循IEC61131-3的可編程指令集，控制算法的研發；(e)系統運行的可靠性、穩定性，在故障情況下控制器保障用戶系統的安全性。
(2)用戶編程軟件研發SEARI-I/O-PRO上位機編程調試軟件系統。該軟件基于主流WINDOWS視窗平臺和先進的視窗軟件，提供易用的可視化人機界面。常規的編程和調試通過鼠標拖拽即可立即完成。
(3)可配置技術，實現模塊自由組合接入設計了用于I/O模塊擴展的高速內部模塊級通信總線，實現不同I/O模塊自由組合并接入可編程、可配置控制器，實現各種規模的控制器產品配套，同時研發了相關的上位機用戶配置軟件，方便用戶自由組合配置I/O模塊。
(4)現場總線技術研究DeviceNet最新協議及計算機軟硬件實現技術，研究現場總線控制領域的最新技術，研發多種高性能、高穩定性、高可靠性的現場總線通信接口。
(5)高質量嵌入式軟件的開發與基于PC的軟件不同，嵌入式軟件最大的特點是對代碼占用的空間和運行的時間等要求很高，對于實時性要求高的場合，代碼的執行效率尤為重要。使用32位工業ARM微處理器，研發基于ARM微處理器的工業嵌入式軟件平臺，研發嵌入式PLC程序操作系統軟件平臺，同時研發基于該軟件平臺的多種嵌入式設備的驅動軟件，整個軟件運行系統的特點為高實時性、高可靠性。
為了可編程功能的實現，設計的梯形圖，并設計了指令解釋程序，其運行流程圖如下由[開始]101開始，以下依次到[取2個字節的命令碼]102、[取1個字節的指令格式]103、[根據命令碼和指令格式的描述計算應該取多少字節的參數]104、[根據命令碼/參數運行指令]105，直到[單條指令運行結束]106。
帶有DeviceNet現場總線接口的可編程可配置I/O控制器的程序執行流程圖如下從[上電初始化]201開始，依次到[內務處理]202、[解釋執行程序梯形圖程序]203、[程序執行周期處理]204、[I/O刷新]205、[同DeviceNet遠程主站通信]206、[RS232上位機通信]207，然后返回到[內務處理]202。
數字量I/O模塊的程序執行流程圖如下從[上電初始化]301開始，依次到[等待控制器發送命令]302、[處理控制器的命令更新I/O數據]303，然后返回到[等待控制器發送命令]302。
模擬量模塊的程序執行流程圖如下從[上電初始化]401開始，依次到[等待控制器發送命令]402、[處理控制器的命令更新I/O數據]403，然后返回到[等待控制器發送命令]402。
雖然本發明已參照上述的實施例來描述，但是本技術領域中的普通技術人員，應當認識到以上的實施例僅是用來說明本發明，應理解其中可作各種變化和修改而在廣義上沒有脫離本發明，所以并非作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述的實施例的變化、變形都將落入本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1.帶現場總線接口的可編程可配置遠程I/O模塊，包括控制器模塊和I/O模塊，其特征在于所述的可編程可配置遠程I/O模塊還包括數字量I/O模塊、模擬量I/O模塊和電源模塊；所述的電源模塊分5V直流電源、24直流電源，分別接主控制器模塊、I/O模塊；主控制器模塊內Devicenet接口連第三方主站，主控制器模塊控制I/O模塊。
2.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的主控制器模塊，包括ARM芯片LPC2292，ARM芯片集成有16K的RAM和256KFLASH，64K*16比特的高速SRAM存儲器，128K*8比特的FLASH存儲器，RS485接口電路，CAN收發器、I/O內部擴展總線接口電路，節點地址設定電路，復位電路、運行狀態指示燈、直流電源。
3.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的I/O模塊，包括主芯片CPLD，數字量，模擬量芯片，輸入輸出接口，狀態指示燈，直流電源電路。
4.如權利要求1或3所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的I/O模塊，是多種I/O模塊，通過內部總線實現主控制器和系列I/O模塊之間的數據交換，各種I/O模塊采用統一的通信接口，多品種多數量的I/O模塊可自由靈活組合。
5.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的模擬量I/O模塊，包括主芯片P89LPC931，AD或DA芯片，光耦隔離，輸入輸出接口，狀態指示燈。
6.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的可編程，是帶有指令解釋程序，其運行流程按下述步驟進行由[開始]101開始，以下依次到[取2個字節的命令碼]102、[取1個字節的指令格式]103、[根據命令碼和指令格式的描述計算應該取多少字節的參數]104、[根據命令碼/參數運行指令]105，直到[單條指令運行結束]106。
7.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的可編程可配置I/O控制器的程序，其流程步驟如下從[上電初始化]201開始，依次到[內務處理]202、[解釋執行程序梯形圖程序]203、[程序執行周期處理]204、[I/O刷新]205、[同DeviceNet遠程主站通信]206、[RS232上位機通信]207，然后返回到[內務處理]202。
8.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的可編程可配置I/O控制器的程序，其流程步驟如下從[上電初始化]301開始，依次到[等待控制器發送命令]302、[處理控制器的命令更新I/O數據]303，然后返回到[等待控制器發送命令]302。
9.如權利要求1所述的可編程可配置遠程I/O模塊，其特征在于所述的可編程可配置I/O控制器的程序，其流程步驟如下從[上電初始化]401開始，依次到[等待控制器發送命令]402、[處理控制器的命令更新I/O數據]403，然后返回到[等待控制器發送命令]402。
全文摘要
本發明涉及一種帶現場總線接口的可編程可配置遠程I/O模塊，包括控制器模塊、數字量I/O模塊，模擬量I/O模塊、電源模塊；電源模塊分5V直流電源、24直流電源，分別接主控制器模塊、I/O模塊；主控制器模塊內Devicenet接口連第三方主站，主控制器模塊控制I/O模塊；主控制器模塊包括ARM芯片LPC2292，存儲器，RS485接口電路，CAN收發器、I/O內部擴展總線接口電路，節點地址設定電路，復位電路；I/O模塊，包括主芯片CPLD，數字量，模擬量芯片，輸入輸出接口；本發明帶有指令解釋程序，可編程可配置I/O控制器的程序。
文檔編號G05B19/05GK101042582SQ200710039889
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月25日 優先權日2007年4月25日
發明者琚長江, 劉健, 劉霖, 仰恒光, 侯金華, 金哲亮 申請人:上海電器科學研究所(集團)有限公司