CN101310231A - 串行总线系统、节点设备以及可连接在节点设备上的输入/输出卡 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于串行总线系统的节点设备、一种具有所述节点设备的总线系统和一种数字输入/输出卡。在单个节点设备仅能使用有限的地址空间以及可通过连接多个输入/输出卡来控制和/或调节外围设备的串行总线系统中,单个输入/输出卡会在可用地址空间方面受到限制。一般情况下,连接在节点设备上的输入/输出卡须彼此共享节点设备的地址空间。为了解决这个问题,本发明提出的方案是为串行总线系统的节点设备(1)配备用于对接收到的总线信号进行复制和用于将复制总线信号输入耦合到其他数据线(3)中的分配器(5),其中,所述串行总线系统具有用于连接输入/输出卡(4,4′,4″)的插槽(8,8′,8″至8n),所述其他数据线将所述节点设备(1)与通过所述插槽连接在所述节点设备上的输入/输出卡串联。
Description
技术领域
本发明涉及一种串行总线系统,特别是PROFIBUS系统或PROFINET系统。此外,本发明还涉及一种用于所述总线系统的节点设备和一种可连接在所述节点设备上的输入/输出卡。
背景技术
串行总线系统所具有的地址空间有限,因而对可供使用的地址必须懂得有效利用。由IEC 61158和IEC 61784等标准所规范的PROFIBUS总线就是这样一个例子。PROFIBUS总线最多具有253个地址,其中的部分地址为保留地址。通过余下的地址可访问节点设备。在工业领域,PROFIBUS总线较多地应用于带有分散外围设备的自动化系统。
用于PROFIBUS系统的节点设备具有PROFIBUS接口、电路板(也称背板)和用于连接输入/输出卡的接口。根据PROFI BUS标准中的标准化规定,或者由于受到PROFIBUS标准的限制,节点设备最多可占用16个地址。
在输入/输出模块用于连接传统模块的情况下,可供每个节点设备使用的16个地址的地址空间通常是够用的,因为在此情况下,单个输入/输出卡对地址空间的需求非常有限。因此,一个节点设备上通常可连接多个E/A卡(即输入/输出卡),这些E/A卡彼此共享可供使用的地址空间。
如果需要在自动化系统中对复杂的功能模块进行控制,就须通过E/A卡将功能模块连接在节点设备上,其中,功能模块所需的地址空间可能与整个节点设备的地址空间同样大。在此情况下,尤其是当连接有复杂功能模块的E/A卡需要与其他E/A卡分享地址时,功能模块所具有的复杂性可能致使其无法再连接在节点设备上。
从上述实施方案中可以看出,当可供节点设备使用的地址空间非常有限时,就会产生连接问题。地址空间的这种局限性可能是像PROFI BUS那样由于某一种标准而产生。
为了解决这个问题,现有技术提出的方案是为每个节点设备配备一个地址,并将E/A模块所产生的E/A值映射到节点设备的寄存器上。进行寄存器映射需要使用复杂的软件。举例而言,如果需要确定连接在E/A卡上的电动机的额定转速,就须先将这个转速写入节点设备的寄存器,随后再通过寄存器将其传输给E/A模块的双端口RAM。额定值从此处被传输给电动机。这个电动机的转速实际值的读取方法则与此相反。这种体系结构存在于(例如)多电动机驱动装置,在这类驱动装置中,单个驱动器通过PROFIBUS总线相连成一个驱动链或多个驱动系。
上述问题的另一种已知解决方案是为每个节点设备配备一个单独(即不同于PROFIBUS总线)的地址和数据总线。节点设备的E/A卡就连接在这个地址和数据总线上。借此可成倍增大单个节点设备的地址空间,其中,地址空间固定地分布在插槽上。也就是说,对于连接有E/A卡的插槽,总是存在一个或多个保留地址,即使在实际未连接E/A卡的情况下,也是如此。
US 5,978,578中公开了一种现场总线系统,这种现场总线系统上连接有多个E/A卡。如传感器、电动机、监测器、电机等E/A装置连接在具有控制总线的E/A卡上。控制总线设计为可连接带有ISA总线、PCI总线或紧凑PCI总线或其他总线的设备。
发明内容
从上文所述的现有技术出发,本发明的目的是在一种串行总线系统中以简单的方式为输入/输出卡解决地址空间有限的问题,在所述串行总线系统中,节点设备仅能使用有限的地址空间,每个节点设备上均可连接多个输入/输出卡,这些输入/输出卡须彼此共享节点设备的地址空间。
这个目的通过独立权利要求的特征而达成。从属权利要求的特征说明的是有利改进方案。
就本发明的第一方面而言,本发明的方案是为串行总线系统的节点设备配备电路板,又称为“背板”。所述背板具有用于连接位于串行总线系统中的前节点设备和后节点设备的数据线和用于连接输入/输出卡的插槽。此外,所述背板还具有一个分配器,用于对接收到的总线信号进行复制和用于将复制的总线信号输入耦合到一个其他数据线中。所述其他数据线将节点设备与复数个可通过插槽连接的输入/输出卡串联。
就上述方案而言,本发明的想法是,节点设备继续留在原来的串行总线系统中,而为该总线系统配备一个线性支路,复数个输入/输出卡(E/A卡)以彼此串联的方式连接在这条线性支路上。节点设备与连接在其上面的E/A卡串联,因而可将节点设备视为这些E/A卡的网络集线器。
本发明所提出的这种方案的优点在于,E/A卡自身变成为串行总线系统的具有自有总线地址的等价节点。在此情况下,连接在节点设备上的E/A卡就无需再共享这个节点设备的地址空间。由此产生的结果是,连接在节点设备上的所有E/A卡的地址空间可以大于单个节点设备本身的地址空间。
另一优点是,通过这种解决方案可实现一种结构特别简单的节点设备。借此可使所述节点设备相对于已知节点设备得到简化,减少其所需的组件,简化其所需的硬件。所述节点设备既不需要单独的地址和数据总线,也不需要具备寄存器映射功能,即借助寄存器对设备的输入/输出(E/A)值进行暂存的功能。所述设备将会通过E/A卡耦合到总线系统中或从总线系统中脱离。通过这种方式可显著简化电路板的逻辑电路,从而降低电路板的成本和易受干扰性。
根据本发明的一种优选实施方式,串行总线系统涉及的是PROFI BUS系统或PROFINET系统。由IEC 61158和IEC 61784等标准所规范的PROFIBUS总线是一种地址空间有限的总线:在PROFIBUS地址0至253中,地址0、1和2是保留地址,这使地址空间整体而言非常有限。每个节点设备最多可占用16个PROFIBUS地址。
背板将来自于串行总线系统的数据报文输出,并将其导入一个其他数据线中。输出过程不应改变信号电平,也不应在串行总线系统中引起信号延迟。优选为分配器分配至少一个信号放大器(输出耦合放大器)。另外,还可附加设置一个用于实现输出的信号形成器,例如芯片形式的信号形成器,以便在所述其他数据线中存在匹配脉冲的情况下确保准确的信号轮廓,以及达到抑制干扰信号的目的。
反之,背板将来自于所述其他数据线的数据报文输入耦合到串行总线系统中。相应地,可以像上述输出时那样为分配器分配一个信号放大器(输入耦合放大器)和一个例如芯片形式的信号形成器。
节点设备优选涉及的是自动化系统的系统组件,特别是过程控制系统或发电站控制系统的系统组件。在此情况下,通过E/A卡可在节点设备上连接驱动器,例如低压变换器(如本申请人所销售的用于控制变速驱动装置的MicroMaster系列或MasterDrive系列产品)。此外,节点设备上还可通过E/A卡连接控制器模块或普通的多功能模块,例如带时间打印的高速数字输入模块、带二进制输入和输出端的电动机开关模块、或者二进制模拟输入和输出模块(例如用于控制回路)。
在具有至少一个上述节点设备的串行总线系统中,优选地,每个连接在节点设备上的输入/输出卡均分配有总线地址。对于未连接的输入/输出卡,则不向其提供总线地址。也就是说,只有实际连接在节点设备上的输入/输出卡才会分配到总线系统(例如PROFIBUS系统)中的总线地址。
在总线系统中与本发明的节点设备共同作用的上述输入/输出卡相对于现有技术有所改进,并具有总线接口,因而可作为独立的节点设备整合在串行总线系统中。这个总线接口可以是(例如)PROFIBUS总线接口或PROFINET总线接口。虽然总线接口会使现有的数字输入/输出卡变得较为复杂,但这些卡片会在其他方面得到简化,因为它们不再需要双端口RAM。此外,输入/输出卡还具有用于连接总线系统的插接件和输入耦合构件。在此情况下,用于数据处理的处理器不会再将数据(例如调节量的实际值)存储在RAM中,而是将数据直接传输到上述接口处,从而使串行总线系统的各节点设备可对这些数据加以利用。
此外,所述背板还建构为可为插槽供电。这样就无需为插槽单独设置模块支架。
附图说明
下面借助附图所示的非限制性示例对本发明的特征和优点进行详细说明,其中:
图1为串行总线系统的示意图;
图2为所述总线系统的节点设备的示意图;
图3为所述节点设备的电路板;以及
图4为输入/输出卡。
具体实施方式
图1所示的自动化系统的组件1、1′、1″通过PROFIBUS总线的数据线2彼此相连。总线节点布置在环形拓扑中,其中,节点设备1具有用于以顺时针方向传输数据报文的前节点设备1′和后节点设备1″。也可选用串联布置方式或带有相应终端阻抗的星形拓扑来代替环形拓扑。
此外还存在一条从节点设备1出发的线性支路,这条线性支路的形式为一个其他数据线3。这根其他数据线3上耦合有彼此串联的输入/输出(E/A)卡4、4′、4″。
图2以示意图形式显示了一个节点设备。节点设备1具有用于复制总线信号的分配器或集线器5。当数据报文通过数据线2从节点设备1′按箭头P1所示的方向到达节点设备1后,这个数据报文不仅会按箭头P2所示的方向被传输给节点设备1″,还会在所述分配器5中被复制,并如箭头P3所示朝模块6方向被输入耦合到上述其他数据线3中。模块6具有中继器的功能,即模块6不仅放大输入信号,还对其进行再生。信号再生包括信号形成和信号再同步。因此,模块6既包括放大器6′,又包括信号形成器6′′。
图3显示的是节点设备的电路板,这种电路板在现有技术中又称为背板。如图3所示,图1所示的总线系统14的每个节点设备1、1′、1″均具有这样一个电路板7。附图以示意图形式加以显示的电路板7具有用于连接插卡(未作图示)的插槽8、8′、8″至8n。n是自然数,可以是(例如)15或16。插卡涉及的是用于控制和/或调节电气组件的输入/输出卡,对此下文还将进行详细说明。因此,电路板7和所述插卡4、4′、4″在工作时构成一个紧凑单元。
电路板7通过止动件9安装在一个附图未加以图示的支架上。此外还可通过螺钉孔10将电路板旋紧在支架上。除此之外,电路板7还具有用于连接电源的电连接件11。
如图1所示,每个输入/输出卡4、4′、4″均与所述数据线3直接相连。将输入/输出卡简单地插入电路板,就可将这卡片整合到总线系统中。相应地,简单地从电路板中拔出输入/输出卡,就可将这卡片自总线系统中移除。如图1所示通过使输入/输出卡4、4′、4″与所述其他数据线3相连,可确保只有实际连接的输入/输出卡才是总线系统1的具有自有总线地址的节点设备。在此情况下,未被占用的插槽就无需使用总线系统内的地址。所有输入/输出卡均是平等的总线系统节点,因此,通过插槽8、8′、8″至8n连接在节点设备上的输入/输出卡无需与电路板7分享节点设备的地址空间。
图4所示的输入/输出卡4通过插接件15与电路板7的插槽8相连。此外,输入/输出卡4还可通过螺旋连接12固定在电路板上。其中,插接件15一方面用于为输入/输出卡供电,另一方面用于将总线信号从输入/输出卡传输到节点设备上。输入/输出卡4还具有一个带有总线端子、过程信号接口和处理单元的模块13,通过模块13可对外部设备进行控制和/或调节。
Claims (9)
1.一种串行总线系统(14)的节点设备(1),包括:一个背板(7),其中,所述背板具有:
a)数据线(2),用于将所述节点设备(1)连接在所述串行总线系统(14)中的前节点设备和后节点设备(1′,1″)上;
b)插槽(8,8′,8″至8n),用于连接输入/输出卡(4,4′,4″);
c)一个分配器(5),用于对接收到的总线信号进行复制和用于将复制的总线信号输入耦合到一其他数据线(3)中,其中,所述其他数据线将所述节点设备(1)与复数个可通过所述插槽连接的输入/输出卡串联。
2.根据权利要求1所述的节点设备,其特征在于,
所述串行总线系统是指PROFIBUS系统或PROFINET系统。
3.根据权利要求1或2所述的节点设备,其特征在于,
所述分配器具有至少一个信号放大器(6′)和至少一个信号形成器(6″),用于将要输入耦合到所述其他数据线中的数据报文。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的节点设备,其特征在于,
所述分配器具有至少一个信号放大器(6′)和至少一个信号形成器(6″),用于有待从所述其他数据线输入耦合到所述串行总线系统中的数据报文。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的节点设备,其特征在于,
所述节点设备是指自动化系统的系统组件,特别是过程控制系统或发电站控制系统的系统组件。
6.一种串行总线系统,特别是PROFIBUS系统或PROFINET系统,其特征在于至少一个节点设备(1,1′,1″)是根据权利要求1至5之一所述的节点设备。
7.根据权利要求6所述的串行总线系统,其特征在于,
每个连接的输入/输出卡(4,4′,4″)均分配有总线地址,对于未连接的输入/输出卡,不向其提供总线地址。
8.一种数字输入/输出卡,用于控制或调节自动化系统的设备,包括:一个总线接口(15),通过所述总线接口可将所述数字输入/输出卡作为节点设备(1,1′,1″)整合到根据权利要求6或7所述的串行总线系统中。
9.根据权利要求8所述的输入/输出卡,其特征在于,
所述总线接口涉及的是PROFIBUS接口或PROFINET接口。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20081119 |