CN201259629Y - 多种总线接口的可配置i/o模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多种总线接口的可配置I/O模块，包括通信控制器、内部总线I2C、输入输出模块、电源、主控芯片、光耦隔离、指示灯；控制器通过内部总线I2C与下面各个模块通信，自动扫描连接的输入输出模块并确定IO报文长度和配置文件，通信控制器与内部总线上共连了几个IO模块并交换数据，当连接的输入输出模块发生变化或故障后，能自动检测、报错并停止工作；内部总线为IO模块提供5V电源；CPLD作为主控芯片，将输入的数据送给通信控制器或者从通信控制器得到要输出的数据，CPLD从输入口获得输入数据或者从输出口输出数据，CPLD与输入输出口之间有光耦隔离来保护数字量模块和内部总线，指示灯显示输入输出口的当前状态。

Description

多种总线接口的可配置I/O模块

所属领域

本发明涉及一种可配置的I/O模块，尤其涉及具有多种总线接口的可配置I/O模块，属于现场总线通讯技术领域。

背景技术

随着现代化工业的不断前进，人们对生产过程的控制提出了更高的要求。智能化、网络化、微型化、分散化代表当代自动化控制技术发展的主流方向，而现场总线技术正是促使自动化系统顺应这一发展要求的先进技术。

现场总线I/O模块是分布式系统的主要部件，模块用于连接工业控制系统中的各种现场装置如：传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器等现场装置的开关量及模拟量的输入、输出信号，并把信号通过内部总线传送给控制器。I/O模块是工业自动化应用的必备产品，已经广泛运用在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

目前，该技术领域的I/O模块大多为固定点数配置的I/O模块，每一个I/O模块都配置一个带总线接口的通信适配器，由于通信适配器部分的成本相对较高，而每个I/O模块的输入输出点又不多，使这种分布式控制成本难于下降。

目前的数字量模块CPU多数采用单片机，速度较慢，使得这个IO系统的扫描周期较长。

因此，有必要对I/O模块进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多种总线接口的可配置I/O模块，该I/O模块可以根据特定需求将不同种类的I/O模块组合，来实现各种功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：在可配置IO中，一个通信控制器通过内部总线I2C与下面各个模块通信，自动扫描连接的输入输出模块的数量和类别，并确定IO报文长度和配置文件。通信控制器可以知道内部总线上共连了几个IO模块，分别是什么模块，并且与各个IO模块交换数据。当连接的输入输出模块发生变化或故障后，能自动检测、报错并停止工作。采用CPLD芯片来代替传统的单片机作为数字量IO的主芯片，CPLD的I/O口应用更加灵活，并且可以减少PCB板上的分离元件和布线数量。

同时内部总线为IO模块提供5V电源。CPLD作为数字量模块的主控制芯片，一方面通过I2C总线将输入的数据送给通信控制器或者从通信控制器得到要输出的数据；另一方面，CPLD从输入口获得输入数据或者从输出口输出数据。CPLD与输入输出口之间有光耦隔离来保护数字量模块和内部总线。指示灯显示输入输出口的当前状态。

数字量模块分为16点数字量输入(下面简称16I)、16点晶体管输出(下面简称16O)、数字量8点输入8点输出(下面简称8I8O)、8点继电器输出(下面简称8OR)这四个模块。

本发明的有益效果：与目前I/O模块相比，

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作比较详细说明。

附图说明

图1为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块结构图；

图2为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的电源部分电路图；

图3为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的CPLD芯片输入部分电路图；

图4为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的输入部分电路图；

图5为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的晶体管输出部分电路图；

图6为本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的继电器输出部分电路图；

具体实施方式

参照图1，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块结构图。

如图所示，在可配置IO中，包括通信控制器(1)、内部总线I2C(2)、输入输出模块(3)、电源(4)、主控制芯片(5)、光耦隔离(6)、指示灯(7)；

一个通信控制器(1)通过内部总线I2C(2)与下面各个模块通信，自动扫描连接的输入输出模块(3)的数量和类别，并确定IO报文长度和配置文件。通信控制器可以知道内部总线上共连了几个IO模块，分别是什么模块，并且与各个IO模块交换数据。当连接的输入输出模块发生变化或故障后，能自动检测、报错并停止工作。

同时内部总线为IO模块提供5V电源(4)。CPLD作为数字量模块的主控制芯片(5)，一方面通过I2C总线将输入的数据送给通信控制器或者从通信控制器得到要输出的数据；另一方面，CPLD从输入口获得输入数据或者从输出口输出数据。CPLD与输入输出口之间有光耦隔离(6)来保护数字量模块和内部总线。指示灯显示(7)输入输出口的当前状态。

数字量模块分为16点数字量输入(下面简称16I)、16点晶体管输出(下面简称16O)、数字量8点输入8点输出(下面简称8I8O)、8点继电器输出(下面简称8OR)这四个模块。

参照图2，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的电源部分电路图。

如图所示，电源部分主要是使用三端稳压芯片U5将主控制器所提供的5V变为3.3V用于芯片供电。C9和EC1两个电容用于储能作

参照图3，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的CPLD芯片输入部分电路图。

如图所示，采用CPLD芯片来代替传统的单片机作为数字量IO的主芯片，是本设计的重要创新点和发明点。CPLD的I/O口应用更加灵活，并且可以减少PCB板上的分离元件和布线数量。CPLD优秀的保密性很好的保护了系统中的一部分关键电路。输入部分电路图。

参照图4，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的输入部分电路图。

如图所示，输入部分的24V由电源模块提供。外部的输入电压经过两个电阻分压、分流，然后经过光耦隔离将输入信号传送给主芯片CPLD。

参照图5，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的晶体管输出部分电路图。

如图所示，CPLD的输出信号，经过光耦隔离，由晶体管增大驱动功率后，将信号送到现场可执行设备。

参照图6，这是本发明的多种总线接口的可配置I/O模块的继电器输出部分电路图。

如图所示，CPLD的输出信号，经过光耦隔离，由晶体管增大驱动功率后，带动一个继电器将可驱动电流增大，将信号送到现场可执行设备。

关于CPLD软件，本发明编写CPLD，采用的硬件描述语言VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言，主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，并且针对不同的可编程逻辑器件可移植性强，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。

用CPLD其作用如下：

1、用CPLD实现I2C总线接口

CPLD硬件模拟I2C从机控制器，可以扩展主机的I/O口，并且可以在CPLD内部对I/O口线进行一系列的逻辑操作。

本发明由多个进程组成：

1)起始、停止信号判断。按照I2C总线规约，监测两条I2C总线SCL、SDA，判断由主机发出的总线通信起始信号和停止信号，控制整个通信进程；

2)8Bits移位寄存器。I2C总线通信中一帧数据由8位数据加上1位应答位组成，所以这里采用8位的移位寄存器来接收存储每一帧的数据。当收到起始信号后，移位寄存器开始工作。计满8位将整个字节的数据交给I2C读写状态机处理，并清空移位寄存器。当接收到停止信号时，移位寄存器停止工作；

3)计数器。在接收到起始信号以后，计数器开始对SCL计数，遇停止信号计数器清零；

4)I2C总线读写状态机。由计数器控制，按照I2C总线规约，接收数据并且处理，发送应答位和发送数据，完成整个系统I2C通信的协议；

5)IO口输入、输出。由I2C读写状态机控制，从外部读入数据和输出数据，是I2C从机控制器和外部的接口，修改方便、灵活，速度快。可直接作为输入、输出或者带多个设备与主机通信。

2、可配置功能的实现

可配置IO相比于固定点IO，最大的特点是其灵活性。通信控制器通过内部I2C总线与下面各个模块通信，自动扫描连接的输入输出模块的数量和类别，并确定IO报文长度和配置文件，并且与各个IO模块交换数据。当连接的输入输出模块发生变化或故障后，能自动检测、报错并停止工作。内部通信协议主要在I2C读写状态机里完成，可配置IO的主要通信过程包括以下几个进程：

1)自动接收通信控制器分配的地址。各个模块上电，通信控制器并不知道下面接了几个数字量模块。数字量模块采用级联的方式，通信控制器发送广播命令，第一块数字量IO应答，通信控制器给第一个IO模块分配一个固定地址(下次掉电前有效，如果掉电，重新分配地址)。当第一块数字量分配到地址以后，通过级联使能线使能下一个数字量模块，并且不再接收广播命令。通信控制器第二次发送广播并且分配地址，第二块数字量应答。以此类推，直到分配完最后一块，通信控制器记录下总共有多少个模块。至此，底下的每个数字量模块拥有了一个地址，作为本次(断电前)使用的自身地址。

2)上传状态字节给通信控制器。这个过程为了使通信控制器明白底下的每个数字量分别是什么模块(本系统中的数字量共有16I、16O、8I8O、8OR四种)。通信控制器依次发送前一个过程分配的地址，读取下面每一个IO的状态字节，每个IO告诉通信控制器是什么类型的模块。至此，通信控制器知道了此次一共有几个IO模块，分别是什么模块，并将此信息告知上位机。

3)读写数据。这一过程系统进入正式运行的状态，通信控制器将轮询每一个IO模块，进行数据的读写。数字量输入输出模块接收和发送数据，并且带动现场可执行设备动作。

3、工业环境中的抗干扰措施

为了保证系统的可靠性，利用芯片内部的21M振荡器采取了一些抗干扰措施。作为I2C通信的从机，SCL线仅为输入。在SCL输入后端，加上一个D触发器，触发脉冲由内部晶振产生(如图4)。设置为上升沿触发，使输出Q＝D，这样相对于在21M晶振每个上升沿对信号进行采样，每两个上升沿之间产生的毛刺就被滤除了。SDA线为双向口，输入部分的处理和SCL一样。由于SDA信号经过CPLD内部硬件电路以后，也会产生毛刺，对总线造成干扰，所以在输出之前也要经过一个D触发器来滤波(如图4)。SCL、SDA信号经过这样的处理以后，可以杜绝工业环境中的大部分干扰。

Claims (7)

1.一种多种总线接口的可配置I/O模块，用于将不同种类的I/O模块组合，来实现各种功能，其特征在于：包括通信控制器(1)、内部总线I2C(2)、输入输出模块(3)、电源(4)、主控制芯片(5)、光耦隔离(6)、指示灯(7)；

通信控制器(1)通过内部总线I2C(2)与下面各个模块通信，自动扫描连接的输入输出模块(3)并确定IO报文长度和配置文件，通信控制器与内部总线上共连了几个IO模块，并且与各个IO模块交换数据，当连接的输入输出模块发生变化或故障后，能自动检测、报错并停止工作；内部总线为IO模块提供5V电源(4)；CPLD作为主控制芯片(5)，将输入的数据送给通信控制器或者从通信控制器得到要输出的数据，CPLD从输入口获得输入数据或者从输出口输出数据，CPLD与输入输出口之间有光耦隔离(6)来保护数字量模块和内部总线，指示灯(7)显示输入输出口的当前状态。

2、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的各个模块，为数字量模块，分为16点数字量输入、16点晶体管输出、数字量8点输入8点输出、8点继电器输出这四个模块。

3、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的供电电源(4)，采用三端稳压芯片U5，将主控制器所提供的5V变为3.3V用于芯片供电。

4、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的CPLD芯片输入电路(5)，为使CPLD的I/O口应用更加灵活，减少PCB板上的分离元件和布线数量，采用CPLD芯片来代替单片机作为数字量IO的主芯片。

5、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的输入部分电路，24V由电源模块提供，外部的输入电压经过两个电阻分压、分流，然后经过光耦隔离将输入信号传送给主芯片CPLD。

6、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的晶体管输出电路，CPLD的输出信号，经过光耦隔离，由晶体管增大驱动功率后，带动一个继电器将可驱动电流增大，将信号送到现场可执行设备。

7、如权利要求1所述的多种总线接口的可配置I/O模块，其特征在于：所述的继电器输出电路，CPLD的输出信号，经过光耦隔离，由晶体管增大驱动功率后，带动一个继电器将可驱动电流增大，将信号送到现场可执行设备。

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