專利名稱：一種帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種帶Prof ibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程10模擬量模塊， 屬于現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程控制技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著科學(xué)技術(shù)的進步、現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人們對工業(yè)生產(chǎn)過程的控制提 出了更高的要求。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、分散化代表當(dāng)代自動化控制技術(shù) 發(fā)展的主流方向，而現(xiàn)場總線技術(shù)正是促使自動化系統(tǒng)順應(yīng)這一發(fā)展要求的先 進技術(shù)。Profibus-DP協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，該協(xié)議分三個部分1) 、 profibus-dp:主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。2) 、 profibus pa:電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面 向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。profibus fms:定義了主站和 主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù) 交換。3) 、 profibus是一個在iec 61158和iec 61784中通用的開放標(biāo)準(zhǔn)， 廣泛的應(yīng)用在于上游流程(包括原材料的運輸和存儲)和下游工藝流程(包 括物流和包裝)中的應(yīng)用裝置。它是能為流程工廠的所有自動化系統(tǒng)和裝 置提供點到點，兼容一致性的通訊平臺和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。VI1TP遠(yuǎn)程輸入輸出模塊，是一個profibus-dp的從站模塊，用于檢測和控制工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置如傳感器、按鈕、指示燈、閥
門、變送器等數(shù)字量或模擬量類型的輸入、輸出。根據(jù)數(shù)字量信號的應(yīng)用場合，產(chǎn)品按型號分為數(shù)字量輸入及數(shù)字量輸出型；輸出方式分晶體管PNP 輸出，晶體管NPN型輸出，繼電器輸出型等等。PR0FIBUS-DP從站模塊，需要在Profibus國際組織NP0注冊ID號， 登記GSD模塊配置文件，通過Profibus —致性測試后，才能作為Profibus 組織的認(rèn)證產(chǎn)品銷售的推廣。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通 信，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連 成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。一般來說，國內(nèi)外產(chǎn)品，均未考慮到產(chǎn)品通用性(產(chǎn)品外形的一致性) 和軟件涉及的一致性，這就給產(chǎn)品升級、系列化、多樣化帶來不便。 實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品性能，考慮到產(chǎn)品通用 性、升級換代的帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模塊。為了達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是硬件包括模擬量輸入 和模擬量輸出兩個模塊及供電電源；其中10模擬量輸入模塊包括10 模擬量輸入、信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機；10模擬量輸出模塊 包括單片機、DA轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路、IO模擬量輸出，其特征在于所述的模擬量輸入模塊增設(shè)了 Porfibus-DP協(xié)議芯片(SPC3)、 Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)；模擬量輸出模塊增設(shè)了 Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)、 Porf ibus-DP協(xié)議芯片(SPC3)。IO模擬量輸入輸出模塊電源采用的方式是RC加場效應(yīng)管的開關(guān)振蕩， 輸出功率大，消耗功率小，輸出兩路5V和正負(fù)14V， 一路為主CPU供電， 另一路為測量電路供電。另有一路電源由24V經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換而得，為通訊
接口電路供電。三路電源完全隔離。本實用新型的軟件固化在硬件CPU單片機中。本實用新型的有益效果:在用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置如傳 感器、按鈕、指示燈、閥門、變送器等現(xiàn)場裝置的模擬量的輸入、輸出信號， 能產(chǎn)生有益的效果。

圖1為本實用新型的IO模擬量輸入及輸出模塊的原理框圖；圖2為本實用新型的IO模擬量模塊(包含圖2-l、圖2-2、圖2-3)為圖1中主CPU及外圍電路原理圖；圖3為圖1中模擬量輸入電路具體線路原理圖；圖4為圖1中模擬量輸出電路具體線路原理圖；圖5為本實用新型的IO模擬量輸入及輸出模塊主程序流程圖；圖6為本實用新型的10模擬量輸入及輸出模塊中斷程序流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和一個較佳的實施例對本實用新型作較詳細(xì)的說明。 參照圖1，這是本實用新型的IO模擬量輸入及輸出模塊的原理框圖。如圖所示，IO模擬量輸入模塊包括IO模擬量輸入、信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機、Porfibus-DP協(xié)議芯片(SPC3)、 Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò) 送數(shù)據(jù)；IO模擬量輸出模塊包括Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)、Porfibus-DP 協(xié)議芯片(SPC3)、單片機、DA轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路、IO模擬量輸出。模擬量輸入1將信號傳至信號放大2，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換3把差模轉(zhuǎn)為共 模，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1270的輸入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，通 過光藕傳入CPU單片機4。單片機4收到數(shù)字量數(shù)據(jù)發(fā)送到Porfibus-DP 協(xié)議芯片(SPC3)、 Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)收發(fā)，采用光藕隔離保護。模擬量輸出中，Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)將信號傳至Porfibus-DP
協(xié)議芯片(SPC3)后，通過光藕傳入CPU單片機4，經(jīng)過數(shù)模芯片MAX525 轉(zhuǎn)換為模擬量后，再進行信號放大、模擬量輸出。參照圖2(包含圖2-l、圖2-2、圖2-3)，這是本實用新型主CPU電路、 接口電路、電源電路。這里所述的主CPU電路，指的是單片機4，在Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)6上 收到數(shù)據(jù)后，再通過并行口發(fā)送到主板上，經(jīng)過光藕隔離數(shù)模芯片 MAX525接收到CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成模擬量后，經(jīng)過運放LM348放 大后，由模擬量輸出12輸出。所述的Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)，主站和從站之間采用輪循的通訊方式，用 于系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場通信。撥盤SW用于測量電流和電壓的切換。電壓的量程切換由軟件控制。電源電路采用的方式是RC加場效應(yīng)管的開關(guān)振蕩，24V直流輸入， 通過變壓器輸出二路，是完全隔離的， 一路5V為CPU供電；另一路是正 負(fù)14V，十14V由7805變成5V，為輸入端口的器件供電。另一路是24V 經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換得5V，這一路為上層通信接口供電。模擬量輸入模塊的運放輸入前加濾波電路，參數(shù)選擇精確，可以提供 測量精度，使得模數(shù)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)跳動很小。模擬量輸出模塊的輸出范圍由硬件來實現(xiàn)。參照圖3，這是本實用新型的模擬量輸入電路1的原理圖。它包括四 路輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、光電隔離幾部分。參照圖4，這是本實用新型的模擬量輸出電路12的原理圖。它包括四 路輸出電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和光藕隔離幾部分。模擬量IO模塊的研制在數(shù)字量10模塊的基礎(chǔ)上進行的?；谀M量 模塊的接線端子不多，盡量減小產(chǎn)品體積，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換采用14點端 子產(chǎn)品的外形。模擬量IO模塊的輸入、輸出電路，需要正負(fù)14V的直流電源。在其它電源系統(tǒng)上改進的有在原來DC — DC變壓器上增加一個繞 組、三個抽頭，利用自激振蕩后通過濾波得到正負(fù)14V電源， 一路5V芯 片用電源通過78L05對+14V電源降壓獲得，另-一路5V由DC-DC芯片直 接獲得。模擬量IO模塊采用的器件比數(shù)字量IO模塊多，各個系統(tǒng)之間要求相 互之間隔離。參照圖5，這是本實用新型的IO模擬量輸入及輸出模塊主程序流程圖。 如圖所示，其流程如下開始13、設(shè)置中斷響應(yīng)14、設(shè)置看門狗時 間15、初始化16、觸發(fā)看門狗17到是否有新的輸出數(shù)據(jù)18進行判斷， 如果是，到接收確認(rèn)19、輸出數(shù)據(jù)到設(shè)備20;如果否，到從設(shè)備I/0得 到的輸入數(shù)據(jù)寫到SPC3輸入緩沖區(qū)21,然后，進入SPC3輸入緩沖區(qū)22、 是否有新的診斷數(shù)據(jù)23進行判斷，如果否，返回到是否有新的輸出數(shù)據(jù) 18;如果是，便進入發(fā)送診斷數(shù)據(jù)到SPC3 24, SPC3診斷緩沖區(qū)更新25, 返回到是否有新的輸出數(shù)據(jù)18。參照圖6，這是本實用新型的10模擬量輸入及輸出模塊中斷程序流程圖。如圖所示，其流程如下有中斷產(chǎn)生22到進入/離開數(shù)據(jù)交換階段23 進行判斷，如果是，進入相應(yīng)處理程序24，再進入全局控制命令中斷進行 判斷25;如果否，則直接進入全局控制命令中斷進行判斷25，如果是， 進入相應(yīng)處理程序26，再進入設(shè)置從站地址中斷進行判斷27;如果否， 則直接進入設(shè)置從站地址中斷進行判斷27，如果是，進入相應(yīng)處理程序 28，再進入新參數(shù)數(shù)據(jù)中斷進行判斷29;如果否，則直接進入新參數(shù)數(shù)據(jù) 中斷進行判斷29，如果是，進入相應(yīng)處理程序30，再進入新配置數(shù)據(jù)中 斷進行判斷31;如果否，則直接進入新配置數(shù)據(jù)中斷進行判斷31，如果 是，進入相應(yīng)處理程序32，再中斷程序結(jié)束33;如果否，則直接中斷程
序結(jié)束33。VI1TP遠(yuǎn)程輸入輸出模塊主要用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝 置如傳感器、按鈕、指示燈、閥門、變送器等現(xiàn)場裝置的數(shù)字量及模擬 量的輸入、輸出信號，并可通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進行通信。主要特點如 下自適應(yīng)的Profibus-DP通訊速率，支持9.6kbps-12Mbps。 完全支持Profibus-DP的DPV0功能。模塊工作電源及端口電源完全隔離；輸入和輸出采用輔助電源供電，確?？偩€通訊不受負(fù)載影響；具有較高的電磁兼容能力及可靠性；模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便；防護等級IP20。VI1TP系列遠(yuǎn)程輸入輸出模塊包括不同點數(shù)的模擬量輸入輸出模塊，但 是它卻只有一種相同大小的外殼，具有高度的產(chǎn)品外形一致性，而且不同 的模塊對應(yīng)的都是一套軟件，所以產(chǎn)品具有很高的模塊化，對于產(chǎn)品的生 產(chǎn)也非常方便。
權(quán)利要求1、一種帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模塊，用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置如傳感器、按鈕、指示燈、閥門、變送器，包括IO模擬量輸入和IO模擬量輸出兩個模塊及供電電源；其中IO模擬量輸入模塊包括IO模擬量輸入(1)、信號放大電路(2)、AD轉(zhuǎn)換電路(3)、單片機(4)；IO模擬量輸出模塊包括單片機、DA轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路、IO模擬量輸出，其特征在于所述的IO模擬量輸入模塊增設(shè)了Porfibus-DP協(xié)議芯片SPC3(5)、Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)(6)；IO模擬量輸出模塊增設(shè)了Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)(7)、Porfibus-DP協(xié)議芯片SPC3(8)；上述電路的信號傳遞為模擬量輸入(1)將信號傳至信號放大(2)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(3)把差模轉(zhuǎn)為共模，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1270的輸入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，通過光藕傳入CPU單片機(4)，單片機收到數(shù)字量數(shù)據(jù)發(fā)送到Porfibus-DP協(xié)議芯片SPC3(5)、Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)(6)上的數(shù)據(jù)收發(fā)，采用光藕隔離保護；模擬量輸出中，Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)(7)將信號傳至Porfibus-DP協(xié)議芯片SPC3(8)后，通過光藕傳入CPU單片機(9)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX525轉(zhuǎn)換(10)為模擬量后，再進行信號放大(11)、模擬量輸出(12)；電源分別向單片機和輸入輸出模塊供電。
2、 如權(quán)利要求1所述的帶Prof ibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模 塊，其特征在于所述的IO模擬量輸入，包含四路輸入電路、AD轉(zhuǎn)換電路、光電隔離 電路。
3、 如權(quán)利要求1所述的帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模 塊，其特征在于所述的IO模擬量輸出，包含四路輸出電路、DA轉(zhuǎn)換電路、光電隔離 電路。
4、 如權(quán)利要求1所述的帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模 塊，其特征在于所述的Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)，主站和從站之間采用輪循的通訊方式，用 于系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場通信。
5、 如權(quán)利要求1所述的帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模 塊，其特征在于所述的電源電路，采用的方式是RC加場效應(yīng)管的開關(guān)振蕩，24V直 流輸入，通過變壓器輸出二路，是完全隔離的， 一路5V為主CPU供電， 另一路是正負(fù)14V， +14V由7805變成5V，為輸入端口的器件供電；另 有一電源由24V經(jīng)DC —DC轉(zhuǎn)換得5V，這一路為上層板通信接口供電。
6、 如權(quán)利要求1所述的帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模 塊，其特征在于所述的模擬量輸入模塊，其運放輸入前設(shè)有慮波電路。
專利摘要本實用新型涉及帶Profibus-DP總線接口的遠(yuǎn)程IO模擬量模塊，包括輸入和輸出兩個模塊和供電電源；輸入、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機；單片機、DA轉(zhuǎn)換電路、放大電路、模擬量輸出；其特特征在于增設(shè)了Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)、Porfibus-DP協(xié)議芯片、Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)；電源有特殊設(shè)計，配有控制軟件，其信號傳遞為模擬量輸入將信號傳至信號放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，通過光藕傳入單片機，單片機收到數(shù)據(jù)后發(fā)送到Porfibus-DP協(xié)議芯片、Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)收發(fā)，采用光藕隔離保護；Porfibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)將信號傳至Porfibus-DP協(xié)議芯片后，通過光藕傳入單片機，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬量后，再進行信號放大、模擬量輸出。該遠(yuǎn)程IO模擬量模塊用于檢測和控制各種現(xiàn)場裝置。
文檔編號G05B19/418GK201047911SQ20052004509
公開日2008年4月16日 申請日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者奚培鋒, 君 殷, 吉 薛 申請人:上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司