CN101700843B

CN101700843B - 电梯层叠式无总线扩展单片机控制器

Info

Publication number: CN101700843B
Application number: CN2009101874257A
Authority: CN
Inventors: 侯连君; 李振才; 谷云松; 刘义和; 秦卫东; 崔玉石; 黄征
Original assignee: Shenyang Brilliant Elevator Co Ltd
Current assignee: SHENYANG YUANDA INTELLECTUAL INDUSTRY GROUP CO., LTD.
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN101700843A

Abstract

一种电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，解决了现有单板式总线扩展结构存在的维护或升级移置不便、抗干扰能力差，可靠性较低等问题，它包括印刷电路板和组装其上的CPU元件及外设元件的电路构成的控制回路，其技术要点是：CPU元件通过端口访问外设元件；印刷电路板采用分置式结构，即分置成CPU单元电路板、I/O信号接口电路板、操作键盘电路板和LCD液晶显示器电路板分别层叠组装，其间利用双列或单列插接件进行信号连接，并设置屏蔽底板和屏蔽面板。其结构设计合理，印刷电路板层叠、屏蔽设置，CPU完全以端口方式访问外设元件，显著减少占用空间和增强抗干扰能力，运行可靠，升级移置容易，维护方便，有利于降低成本，便于后期升级换代。

Description

电梯层叠式无总线扩展单片机控制器

技术领域

本发明涉及一种电梯控制器，特别是一种CPU元件无外部总线扩展，并将硬件控制电路按功能分布在不同的印制电路板单元，各电路板单元之间通过端口连接器逐层连接在一起构成电梯层叠式无总线扩展单片机控制器。

背景技术

目前，生产电梯控制器的厂家，一般都利用一片CPU元件(中央处理器)进行总线扩展完成硬件设计方案，控制器本体一般由一整块印刷电路板构成。现有的CPU元件及外设元件，如图3A所示，分别采用地址总线、数据总线和控制总线进行扩展，，硬件平台元器件多，电路复杂，成本高。CPU元件与外设元件通过总线以寻址方式进行访问，影响系统运行的可靠性，也不便生产、调试和维护。现有开关量输入信号控制单元及其一般电路如图4A所示，外部24V开关量输入信号Vi经电阻R1，电容C组成的滤波电路进行信号滤波后，输入到光电耦合器B的输入级，B的输出级输出对应于输入级的信号Vo。由图4A可见，虽然采用了光电耦合元件，但输入、输出信号仍是共地的。并且由于光电耦合元件B的性能所限，其信号传输特性(见图4B)也不理想，B的放大特性比较突出，容易误反应输入信号的真实状态。现有开关量输出信号控制单元及其一般电路如图5A所示.输出控制逻辑元件D输出单路控制信号经限流电阻R输出到光电耦合器B的输入级“+”端。当D输出单路逻辑“1”信号时，B的输出级输出驱动信号使继电器K动作，但由于光电耦合元件B输入、输出两端信号电源共地，且由单端信号控制。因此，一旦出现逻辑”1”的脉冲干扰信号，且脉冲宽度足够宽，就会使输出信号误动作。现有正交编码器脉冲计数控制单元及其一般电路如图6A所示，电路分别利用CPU内部两个计数器对正交编码器两路脉冲信号进行计数，而对编码器的旋转方向、速度及信号错误监测则全部由软件程序处理，其计数精度和可靠性都相对较低。现有的电梯控制器一般为无屏蔽机构的单板式结构，对外部电磁干扰信号抑制能力较弱，尤其是垂直于控制器方向，如图7A所示。

在中国专利申请号为200710058427.7的“智能电梯核心控制器”中，所公开的电梯控制器，因对CPU元件进行了外部总线外扩，致使其外设元器件增加，产品硬件电路较为复杂，存在成本高，不便于制造、调试和维护的问题。同时CPU元件的总线外露将造成产品的抗干扰能力差，可靠性降低。另外，控制器本体的整块电路板结构，不仅给后期维护或升级移置带来不便，而且也占用了较大的安装空间。如果更换或移置其中某部分元件，则整个控制器必须全部抛弃，将造成极大的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，它解决了现有单板式总线扩展结构存在的维护或升级移置不便、抗干扰能力差，可靠性较低等问题，其结构设计合理，印刷电路板层叠、屏蔽设置，CPU完全以端口方式访问外设元件，显著减少占用空间和增强抗干扰能力，运行可靠，升级移置容易，维护方便，有利于降低成本，便于后期升级换代。

本发明的技术方案是：该电梯层叠式无总线扩展单片机控制器包括印刷电路板和组装印刷电路板上的CPU元件及外设元件I/O信号接口、操作键盘、LCD液晶显示器及其电路构成的控制回路，其技术要点是：所述CPU元件采用内置正交编码器信号接口模块、无外部扩展总线的嵌入式单片机，通过端口访问所述外设元件；所述印刷电路板采用分置式结构，即分置成CPU单元电路板、I/O信号接口电路板、操作键盘电路板和LCD液晶显示器电路板分别层叠组装，并使所述I/O信号接口电路板利用绝缘支柱固定在屏蔽底板上，所述CPU单元电路板通过绝缘支柱固定在所述I/O信号接口电路板上，二者间利用双列插接件进行信号连接，所述操作键盘电路板、LCD液晶显示器电路板通过绝缘支柱并排固定在所述CPU单元电路板上，且分别利用单列插接件与所述CPU单元电路板进行信号连接，所述操作键盘电路板、LCD液晶显示器电路板的外表面设置屏蔽面板。

所述控制回路中的工作电源和信号电源相互独立，所述工作电源和信号电源的地均对大地悬空，无共地点。

所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输入信号、开关量输出信号、正交编码器脉冲输入信号均采取电源隔离和光电隔离。

所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输出信号均采取电源隔离和光电隔离，并按路实行硬件双电平逻辑控制。

所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输入信号为24V输入，且按路采取浪涌吸收保护，硬件滤波和反向过电压保护。

所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输出信号按路实行硬件双电平逻辑控制，继电器常开接点输出。

本发明的优点和所产生的积极的技术效果是：由于本发明控制器的CPU元件采用内置正交编码器信号接口模块、无外部扩展总线的嵌入式单片机，通过端口访问外设元件，印刷电路板采用带有CPU元件的CPU单元电路板、I/O信号接口电路板、操作键盘电路板和LCD液晶显示器电路板的分置层叠组装结构，同时用双列或单列插接件逐层进行信号连接，显著减少占用空间，维护方便，所以其结构设计合理，CPU完全以端口方式访问外设元件，无外部扩展总线，硬件设计元件少，有效地克服了通过总线以寻址方式进行访问外设元件存在的影响系统运行可靠性的缺陷。电路板层叠连接安装方式便于移置更换控制器上的某块电路板，而不必象现有技术那样把整个控制器抛弃，有利于降低成本，便于后期升级换代。另外，CPU元件内嵌正交编码器信号接口(QEI)模块，通过监测编码器输出脉冲的数目和两个信号的相对相位可以跟踪编码器的位置、方向和速度，对脉冲信号进行倍频计数，还可自动检测两个信号的正交错误。由于这些功能都是由CPU内部硬件模块自动完成的，因此节省了系统软件开销，提高了控制器对编码器脉冲的计数精度和运行的可靠性，对于电梯控制器的主要功能而言，这一点优为重要。因本发明控制器的电路板设置有由底板和面板组成的屏蔽机构，可以对与其正反面垂直方向的电磁干扰信号具有屏蔽作用，故显著增强了抗干扰能力，使运行更加可靠。综上所述，本发明控制器从根本上解决了现有控制器的单板式总线扩展结构存在的维护或升级移置不便、抗干扰能力差，可靠性较低等问题。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种具体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3A是现有技术的CPU元件及外围电路示意图。

图3B是本发明的CPU元件及外围电路示意图。

图4A是现有技术的开关量输入信号控制单元电路示意图。

图4B是现有技术的开关量输入信号控制单元信号传输特性图。

图4C是本发明的开关量输入信号控制单元电路示意图。

图4D是本发明的开关量输入信号控制单元信号传输特性图。

图5A是现有技术的开关量输出信号控制单元及其一般电路示意图。

图5B是本发明的开关量输出信号控制单元电路示意图。

图6A是现有技术的正交编码器脉冲计数控制单元及其一般电路示意图。

图6B是本发明的正交编码器脉冲计数控制单元及其电路示意图。

图7A是现有技术的抗外部电磁干扰能力示意图。

图7B是本发明的抗外部电磁干扰能力示意图。

序号说明：1 I/O信号接口电路板、2 CPU单元电路板、3 操作键盘电路板、4 单列插接件、5 绝缘支柱、6 LCD液晶显示器电路板、7 单列插接件、8 面板、9 双列插接件、10双列插接件、11 底板。

具体实施方式

根据图1～7详细说明本发明的具体结构。该电梯层叠式无总线扩展单片机控制器是在现有电梯控制器的结构基础上进行改进的，所以很容易实施。它包括印刷电路板和组装在印刷电路板上的CPU元件及常用外设元件1-I/O信号接口、外设元件2-操作键盘、外设元件3-LCD液晶显示器及其电路构成的控制回路。其中CPU元件采用内置正交编码器信号接口模块、无外部扩展总线的嵌入式单片机，通过相对应的端口分别访问上述外设元件1、2、3(如图3B、图6B所示)，从而提高对编码器脉冲的计数精度和运行的可靠性。实际制造安装时，将组装有CPU元件及外设元件1、2、3的印刷电路板采用分置式结构，即分置成CPU单元电路板2、I/O信号接口电路板1、操作键盘电路板3和LCD液晶显示器电路板6，按预告设计的顺序分别逐层叠装在一起。并使I/O信号接口电路板1利用绝缘支柱5固定在屏蔽底板11上，放在最底层。CPU单元电路板2通过绝缘支柱5固定在I/O信号接口电路板1上，CPU单元电路板2与I/O信号接口电路板1之间利用双列插接件9、10进行信号连接，放在中间层。操作键盘电路板3、LCD液晶显示器电路板6通过绝缘支柱5并排固定在CPU单元电路板2上，且分别利用单列插接件4、9与CPU单元电路板2进行信号连接，放在上层。然后在操作键盘电路板3和LCD液晶显示器电路板6的外表面，设置既便于操作键盘使用和LCD液晶显示器显示，又能有效地抗外部电磁干扰的屏蔽面板8。该控制器的电路板采用层叠安装、各层间以双列或单列插接件逐层进行信号连接的方式，具有很大的灵活性。当某一元件或部件发生故障或产品更新移置时，只需拆卸相关部件进行维护更换，更换控制器上的某块电路板非常方便快捷，而不必象现有控制器那样，某块电路板损坏就要把整个控制器抛弃。因此，还有利于降低成本，便于后期升级换代。

该控制器的控制回路主要包括CPU单元电路、I/O信号接口电路、操作键盘控制电路、LCD液晶显示器控制电路及其常用连接器件。为了进一步描述本发明控制器的主要控制功能，将本发明的几个优选方案与现有技术进行比较，以突出本发明具有的优点：

本发明的CPU及外围电路示意图见图3B，CPU元件采用端口与各外设元件进行硬件连接。硬件系统电路简单，元器件少，成本低。更重要的是CPU元件以单片机方式工作，通过端口访问外设元件，系统运行的可靠性比现有的总线扩展微处理器方式明显提高。

本发明开关量输入信号控制单元电路见图4C，外部24V开关量输入信号Vi先经电容C进行浪涌吸收保护，然后经电阻R1，电容C1组成的滤波电路进行信号滤波，再经电阻R2分压后输出到光电耦合器B的输入级。B的输出级输出对应于输入级的信号Vo并由CPU进行信号采集.二极管V反并联接入B的输入级，其作用是一旦Vi信号反极性输入时可将B的输入级旁路，防止B因反向过电压而损坏。将图4A中一个输入电阻R1改为图4C中两个输入电阻R1和R2，可提高该输入回路的耐压性能。电阻R并联接入B的输入级，其作用是对B的输入级进行分流，大大改善了隔离信号的传输特性，见图4D，B的开关特性明显改善。由图4C可看出，光电耦合器B的输入级信号由24V电源供电，而输出级由VCC(例如5V)供电，输入输出信号实现了真正的电器隔离。与现有技术相比，该电路既反应了输入信号的真实性，又提高了产品的可靠性和实用性。

本发明开关量输出信号控制单元电路见图5B，电路实行电源隔离和光电隔离，继电器输出。输出控制逻辑元件D输出双路逻辑信号对光电耦合元件B进行双电平逻辑控制，一路经限流电阻R输出到光电耦合器B的输入级“+”端，另一路输出到光电耦合器B的输入级“-”端，B的输出级驱动继电器K。当D输出逻辑“1”的信号作用到B的“+”端，同时输出逻辑“0”的信号作用到B的“-”端时，B的输出级输出驱动信号使继电器K动作。由图5B可看出，光电耦合器B的输入级信号由24V电源供电，而输出级由VCC(例如5V)供电，输出信号实现了真正的电器隔离，双电平逻辑控制保证了光电耦合器B和继电器K的正确动作。与现有技术相比，该电路明显提高了产品的可靠性和实用性。

本发明的正交编码器脉冲计数控制单元及其电路见图6B，CPU内含正交编码器接口(QEI)模块，通过监测编码器输出脉冲的数目和两个信号的相对相位可以跟踪编码器的位置、方向和速度，对脉冲信号进行倍频计数，还可自动检测两个信号的正交错误。由于这些功能都是由CPU内部硬件模块自动完成的，因此节省了系统软件开销，提高了控制器对编码器脉冲的计数精度和运行的可靠性，对于电梯控制器的主要功能而言，这一点优为重要。

本发明的控制器为层叠式结构，底部安装金属底板11，表面安装金属面板8，底板11和面板8对来自垂直于控制器方向的电磁干扰信号均具有屏蔽抑制作用，见图7B。CPU元件内部含有正交编码器信号接口(QEI)模块(如图6B)，并可对输入的正交编码器信号进行4倍频计数，与外部信号相联系的电路(I/O信号电路)在电气上采取电源隔离及光电隔离(如图4C，图5B)。

控制器与外部相联系的开关量输入信号为24V输入，且按路采取浪涌吸收保护，硬件滤波和反向过电压保护(如图4C)。控制器与外部相联系的开关量输出信号按路实行硬件双电平逻辑控制(如图5B)，继电器常开接点输出。操作键盘电路板3上为6键，CD液晶显示器为128X 64点阵显示器。控制器底板11和面板8对与其正反面垂直方向的电磁信号具有屏蔽作用(如图7B)。控制器底板11的制作材料可选用金属，例如：钢板。控制器面板8的制作材料可选用金属，例如：铝板。控制器带有CPU元件的CPU单元电路板，其PCB印制板为4层，第一层和第四层为信号层，第二层为电源层，第三层为电源地层。不同的电源层和电源地层采取分区隔离，其隔离间距不小于3mm。PCB印制板厚为1.6mm。I/O信号接口电路板的PCB印制板为2层，PCB印制板厚为1.6mm。操作键盘电路板的PCB印制板为2层，PCB印制板厚为1.6mm。给控制器供电的工作电源(内部电源5VDC)和信号电源(外部电源24VDC)相互独立，两个电源在控制器应用系统中无共地点，各电源的地均对大地悬空。

Claims

1.一种电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，包括印刷电路板和组装印刷电路板上的CPU元件及外设元件I/O信号接口、操作键盘、LCD液晶显示器及其电路构成的控制回路，其特征在于：所述CPU元件采用内置正交编码器信号接口模块、无外部扩展总线的嵌入式单片机，通过端口访问所述外设元件；所述印刷电路板采用分置式结构，即分置成CPU单元电路板、I/O信号接口电路板、操作键盘电路板和LCD液晶显示器电路板分别层叠组装，并使所述I/O信号接口电路板利用绝缘支柱固定在屏蔽底板上，所述CPU单元电路板通过绝缘支柱固定在所述I/O信号接口电路板上，二者间利用双列插接件进行信号连接，所述操作键盘电路板、LCD液晶显示器电路板通过绝缘支柱并排固定在所述CPU单元电路板上，且分别利用单列插接件与所述CPU单元电路板进行信号连接，所述操作键盘电路板、LCD液晶显示器电路板的外表面设置屏蔽面板。

2.根据权利要求1所述的电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，其特征在于：所述控制回路中的工作电源和信号电源相互独立，所述工作电源和信号电源的地均对大地悬空，无共地点。

3.根据权利要求1所述的电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，其特征在于：所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输入信号、开关量输出信号、正交编码器脉冲输入信号均采取电源隔离和光电隔离。

4.根据权利要求1所述的电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，其特征在于：所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输出信号均采取电源隔离和光电隔离，并按路实行硬件双电平逻辑控制。

5.根据权利要求1所述的电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，其特征在于：所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输入信号为24V输入，且按路采取浪涌吸收保护，硬件滤波和反向过电压保护。

6.根据权利要求1所述的电梯层叠式无总线扩展单片机控制器，其特征在于：所述控制回路的I/O信号接口电路中，开关量输出信号按路实行硬件双电平逻辑控制，继电器常开接点输出。