CN102591244B

CN102591244B - 总线式io采集与控制扩展装置

Info

Publication number: CN102591244B
Application number: CN201210082630.9A
Authority: CN
Inventors: 李恩; 梁自泽; 谭民; 赵晓光; 杨国栋
Original assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Current assignee: Institute of Automation of Chinese Academy of Science
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102591244A

Abstract

本发明公开了一种总线式IO采集与控制扩展装置，由ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、PWM输出模块、模拟量输出模块等部分组成，各模块分别与ARM控制模块相连。该装置可通过各模块的接口与各种模拟量传感器、开关量传感器以及外部控制设备相连，并通过CAN总线与系统主控制器相连，采用CANOPEN通信协议，将传感器信息转换为总线式信号传递给主控制器，同时接收主控制器的控制命令，对各个输出端口进行控制。该扩展装置可以扩展主控制器自身接口数量，也可解决各传感器或外部控制设备与主控制器相连时距离上的限制。该总线式IO采集与控制扩展装置可应用于各种分布式控制系统中，特别适合于工程机械控制系统的集成。

Description

总线式IO采集与控制扩展装置

技术领域

本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种总线式IO采集与控制扩展装置，是利用嵌入式技术和现场总线技术设计实现的用于扩展主控制器采集端口与控制端口数量的装置，适合于具有复杂结构的工程机械车的控制系统，也适用于具有分布式结构的控制系统和监测系统中。

背景技术

工程机械车是目前生产建设中非常重要的一类工作设备，往往具有较为复杂的结构和众多的运动部件，而随着生产要求的不断提高，对于这些设备的控制灵活性和机动性也提出了越来越高的要求。常规的集散式控制方式通常是整个设备由一个主控制器完成整个系统的功能控制，主控制器与设备的执行器之间、设备各关键部件的反馈传感器之间采用模拟量信号进行传输，这不仅会影响信号的采集和控制精度，也会为控制系统的布线带来很大困难。随着现场总线技术的发展，分布式控制系统越来越成为现场应用的主流，不仅降低了主控制器的输入输出端口数量需求，也减少了控制系统的布线。特别是在具有较长臂架的工程机械车上，分布式结构的控制系统更加具有突出的优势。但在常规的总线式IO节点中，出于模块化功能的设计理念，输入功能和输出功能往往是独立设计的，数字量模块和模拟量模块也往往被分离设计。这样在控制系统集成时，就需要使用多个具有不同功能的模块进行组合，以实现系统中某个功能区块的数据采集和控制功能。而在实际系统中，特别是在工程机械车的臂架系统中，在某个功能区块往往是数字量信号、模拟量信号并存，传感器、执行器都有，因此，有必要开发一种能够适应这种功能需求的、能够输入数字量和模拟量的，既能采集传感器信号又能驱动执行器输出的、具有总线式接口的IO采集与控制扩展模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种总线式的IO采集与控制扩展装置，在具有复杂结构的分布式控制系统中，特别是在高端工程机械装备中，与系统的主控制器通过现场总线相连接，通过主控制器下发的采集命令和控制命令，能够采集功能区块内的数字量、模拟量传感器的信号，能够控制和驱动安装在被控对象上的各种外部控制设备，完成各种操作功能，实现分布式控制系统的区域控制。

为达到上述目的，本发明提出一种总线式IO采集与控制扩展装置，其特征在于，该装置包括：ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、脉宽调制PWM输出模块和模拟量输出模块，其中，

所述ARM控制模块包括ARM处理器以及连接到所述ARM处理器的复位电路、时钟电路、编程接口，所述ARM控制模块向外扩展系统总线，所述CAN总线通信模块、所述开关量输入模块、所述模拟量输入模块、所述PWM输出模块和所述模拟量输出模块分别通过该系统总线与所述ARM控制模块相连；

所述电源变换模块将9～30V的输入直流电压转换为5V的直流电压，向ARM控制模块和其他模块供电；

所述开关量输入模块与开关量输入设备相连，所述ARM控制模块通过扫描开关量输入模块与系统总线连接的端口的引脚电平来采集所述开关量输入设备的开关状态数据；

所述模拟量输入模块与模拟量输入设备相连，所述ARM控制模块通过系统总线的串行同步接口SPI访问所述模拟量输入模块来采集所述模拟量输入设备的电压或电流变化数据；

所述ARM控制模块将采集到的开关状态数据和电压或电流变化数据进行处理后，按照规定的数据格式通过所述CAN总线通信模块发送给系统主控制器；

同时，该扩展装置通过所述CAN总线通信模块接收来自系统主控制器的控制命令，所述ARM控制模块对所述控制命令解析后得到控制信号，通过所述PWM输出模块将相应的控制信号输出给与所述PWM输出模块相连的PWM控制设备，通过所述模拟量输出模块对与其相连的模拟量控制设备进行实时调整，实现对所述模拟量控制设备的驱动。

本发明的显著特点在于使用嵌入式ARM处理器平台构成总线式IO采集与控制扩展装置的核心，基于实时多任务操作系统，结合CANOPEN通信协议，形成了信号采集、数据处理、驱动输出、总线通信等多个工作任务并行处理的实时控制系统，能对将从主控制器下发的控制命令及时准确的输出到各个控制端口上，驱动与之连接的控制设备执行相应的动作，同时将各个输入端口的信号采集到扩展装置中，经过滤波处理后再由CAN总线按照规定的格式传送给主控制器，进而实现分布式控制系统中该扩展装置所在安装区域的信号采集和控制任务。

本发明的技术核心在于结合了嵌入式ARM处理器高效的数据处理能力、基于CAN总线的现场总线通信技术、多样化的外设接口，基于多任务操作系统，构成实时采集、处理、控制、传输等多任务并行运行的嵌入式单元，实现了总线式信号与不同外设接口类型的转换。

本发明采用嵌入式软硬件设计技术实现了嵌入式IO智能扩展装置，具有多样化的外部接口，与主控制器相结合，可与模拟量传感器、开关量传感器、操作手柄、继电器、液压阀、指示灯、扩音喇叭等外部设备相连接共同组成完整的工程机械车控制系统，实现工程机械车实际操作过程中操作输入信号的采集、臂架姿态信号的采集、液压阀输出信号的控制等工程机械车的控制功能，提高工程机械车控制系统集成的灵活性，降低控制系统成本，简化控制系统的结构，降低布线复杂度。

本发明提出的总线式IO采集与控制扩展装置的主要优点如下：利用基于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的IO采集与控制扩展装置的输入接口多样化，将数字量信号和模拟量信号，输入信号和驱动输出信号结合到同一个模块中，能够接入多路不同信号类型的传感器，采集处理能力强，同时也能够驱动多路具有一定功率输出需求的外部控制设备，提高了其应用的灵活性；扩展装置采用宽压范围的输入电压供电，降低了工程机械车电源电压波动对它的影响，提高了其工作稳定性；采用过压过流过热保护电路设计，对输入输出接口的电气特性进行保护，避免外部信号幅值变化对控制器内部电路造成损坏；采用内部软控制切换电路，可以为开关量输入信号引入上拉电阻，也可以引入下拉电阻，提高了对于输入信号的适应性；扩展装置采用具有DIN导轨槽的塑料外壳，在使用时安装固定方便。

附图说明

图1是本发明总线式IO采集与控制扩展装置的结构框图。

图2是开关量输入电路的一种实施例的硬件电路连接图。

图3是模拟量输入电路的一种实施例的硬件电路连接图。

图4是PWM输出电路的一种实施例的硬件电路连接图。

图5是模拟量输出模块的一种实施例的硬件电路连接图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

基于嵌入式技术设计的总线式IO采集与控制扩展装置作为工程机械车中分布式控制系统的关键组成部分，采用ARM处理器作为该扩展装置的中央控制核心，结合实时多任务操作系统和在其基础上运行的用户软件，完成采集与控制功能，并通过CAN总线实现与系统主控制器的数据通信。

图1为该扩展装置的总体结构图，如图1所示，该扩展装置由ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、脉宽调制(PWM)输出模块、模拟量输出模块等模块构成。

其中，ARM控制模块由ARM处理器以及连接到所述ARM处理器的复位电路、时钟电路、编程接口等组成，是该扩展装置的核心单元，该模块向外扩展系统总线，CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、PWM输出模块和模拟量输出模块分别通过该系统总线与ARM控制模块相连。在本实施例中，ARM处理器采用NXP公司的LPC1754处理器芯片。

CAN总线通信模块具有1路CAN总线通信接口，所述CAN总线通信模块依次由光电隔离电路、电平转换电路、CAN总线通信接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到ARM控制模块的系统总线的CAN通信功能引脚上，所述CAN总线通信接口电路与系统主控制器连接。

光电隔离电路是为了提高ARM控制器模块的抗干扰能力，不受各个输入输出接口模块电路的影响而采用的电气功能隔离电路。光电隔离电路采用电信号转为光信号，光信号再转为电信号的方式，实现光电隔离电路两侧的电信号在电气上没有直接连接，以实现信号的隔离。光电隔离电路的两侧分别采用所述电源变换模块输出的两路独立的5V电压进行供电。

开关量输入模块具有16路相同的开关量输入电路，相应具有16路电平信号输入接口。每个开关量输入电路依次由光电隔离电路、运算放大器电路、开关量输入接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到ARM控制模块的系统总线的通用输入输出(GPIO)引脚上，开关量输入接口电路与外部的开关、按钮、高低电平型传感器等开关量输入设备相连。

模拟量输入模块具有16路相同的模拟量输入电路，包括8路电压型模拟量输入电路和8路电流型模拟量输入电路，相应具有8路电压型模拟量输入接口和8路电流型模拟量输入接口。每个模拟量输入电路依次由光电隔离电路、模数转换电路、运算放大器电路(图中未示出)、模拟量输入接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到ARM控制模块的系统总线的串行同步接口(SPI)和GPIO引脚上，在本实施例中，模数转换电路芯片采用两片八通道模数转换的ADS7870芯片。模拟量输入接口电路与外部的比例手柄、电流型传感器或电压型传感器等模拟量输入设备相连。

模拟量输出模块具有1路电压信号输出接口，所述模拟量输出模块依次由光电隔离电路、数模转换电路、隔离放大器电路(图中未示出)、模拟量输出接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到ARM控制模块的系统总线的串行同步接口(SPI)上，在本实施例中，数模转换电路芯片采用单通道数模转换的AD5620芯片，模拟量输出接口电路采用恒压限流电路以进行过流保护，并增加二极管防反接保护。模拟量输出接口电路与外部具有电压调节输入端口的模拟量控制设备(如发动机油门)等相连。

PWM输出模块具有6路相同的PWM输出电路，相应具有6路输出驱动接口。每个PWM输出电路依次由光电隔离电路、前置单元电路、PWM输出接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到ARM控制模块的系统总线的PWM功能引脚上。PWM输出接口电路与外部的马达、比例阀、继电器等PWM控制设备相连。

电源变换模块将9～30V的输入直流电压转换为5V的直流电压，向ARM控制模块供电，同时也向其他模块供电(图中未示出)。考虑到在电路中数字信号会影响模拟信号的稳定性，模拟信号的波动又会影响ARM控制模块的工作可靠性，因此，为了使测量结果更准确，并使系统更加稳定可靠，在电源变换模块中有两路5V直流电压输出，一路5V直流电压是为模拟信号侧供电，另一路5V直流电压是为ARM控制模块及与其系统总线直接相连的各个模块供电，两路直流电压相互之间的信号传递通过光电隔离电路实现。另外，9～30V的输入直流电压同时也为PWM输出模块供电。

图1所示的扩展装置的工作原理如下：扩展装置上电后，电源变换模块为ARM控制模块提供稳定性较高的直流电压，ARM控制模块中的ARM处理器在复位电路和时钟电路的控制下开始启动运行，从ARM处理器芯片内部的Flash存储器中读取存储在其内的由用户开发好的程序代码，开始顺序执行程序代码，所述ARM控制模块具有编程接口，可与计算机连接后通过专用软件更改该扩展装置的内部控制程序。ARM控制模块根据用户配置情况，对开关量输入模块和模拟量输入模块进行信号类型选择和模式配置，比如选择开关量输入或是模拟量输入，选择电压型模拟量输入信号或是电流型模拟量输入信号。该扩展装置的设备地址、通信波特率、采集信号上传间隔、开关量输入信号的类型、PWM输出信号的类型等参数都存储在Flash存储器中，通过CANOPEN通信协议的SDO命令可以对这些参数进行修改，该扩展装置在重新上电后新参数生效。

开关量输入模块的电平信号输入接口与开关量输入设备相连，ARM控制模块通过扫描开关量输入模块与系统总线连接的端口的引脚电平来采集连接到扩展装置的各个开关量输入设备的开关状态；模拟量输入模块的模拟量输入接口与电压型或电流型传感器等模拟量输入设备相连，ARM控制模块通过SPI接口访问模拟量输入模块的模数转换芯片来采集连接到扩展装置的各个模拟量输入设备的电压或电流变化数据，然后将采集到的开关状态数据和模拟量输入设备的电压或电流变化数据进行滤波和数值变换等处理后，按照规定的数据格式通过CAN总线通信模块发送给系统主控制器。

同时系统主控制器通过CANOPEN通信协议中的PDO命令对连接在该扩展装置各输入端口的信号进行采集，对各输出端口的输出信号进行控制，具体为：该扩展装置通过CAN总线通信模块接收来自系统主控制器的控制命令，并由ARM控制模块对这些控制命令进行解析后得到应该送给各个输出端口(PWM输出端口和模拟量输出端口)的控制信号，并通过PWM输出模块将相应的控制信号输出给与PWM输出模块的输出驱动接口相连的马达、比例阀、继电器等PWM控制设备，通过模拟量输出模块对与模拟量输出模块相连的具有电压调节输入端口的模拟量控制设备进行实时调整，实现对该模拟量控制设备的驱动。

所述扩展装置具有塑料外壳，通过40芯接插件与外部设备进行电气连接，该扩展装置的外壳还具有DIN轨道固定槽，用于固定该扩展装置。

图2是本发明扩展装置开关量输入模块的其中一路开关量输入电路的一种实施例的硬件电路连接示意图。图中，表示某一开关量输入设备的开关状态的开关量输入信号DI从电阻R1的一端输入，R1的另一端分别与电阻R2、稳压二极管D1的负极、隔离运算放大器U1的正向输入端相连，D1的正极接地，U1的负向输入端分别与U1的输出端、带有施密特触发功能的缓冲器U2的输入端相连，U2的输出端信号P0经过光电隔离(图中未示出)后输入到ARM控制模块的系统总线的输入引脚中，以供ARM控制模块对某一开关量输入设备的开关状态数据进行采集。ARM控制模块系统总线的输出引脚输出的模式配置信号经过光电隔离(图中未示出)后成为配置信号P1，分别从电阻R3、R4的一端输入，电阻R3的另一端与PNP型晶体管Q1的基极相连，R4的另一端与NPN型晶体管Q2的基极连接，Q1的射极连接到电源正端VCC上，Q2的射极接地，Q1的集电极和Q2的集电极连接在一起，共同连接到电阻R2的另一端。

图2所示的开关量输入模块的工作原理如下：ARM控制模块根据程序设定情况首先通过控制系统总线的输出引脚将配置信号P1置为高电平或低电平以对开关量输入模块的内部上拉或下拉电阻进行配置，从而进行信号类型选择和模式配置：当P1为高电平时，晶体管Q2导通，电阻R2经过Q2接地，电阻R2成为开关量输入信号DI的下拉电阻，此时外部输入的开关量输入信号可以是高低电平信号，也可以是只有高电平和悬空状态的开关量信号；当P1为低电平时，晶体管Q1导通，电阻R2经过Q1连接到电源正端，成为上拉电阻，此时外部输入的开关量输入信号可以是高低电平信号，也可以是只有低电平和悬空状态的开关量信号。所述开关量输入模块的开关量输入信号DI的范围是0～30V，当开关量输入模块工作时，开关量输入信号DI经过电阻R1后到达U1的正输入端，U1接成电压跟随器的方式将该信号传递给缓冲器U2，具有施密特特性的缓冲器U2对该信号进行滤波处理后，形成输出信号P0通过系统总线传递给ARM控制模块以供其进行采集。在该电路中稳压二极管D1起到过压保护的功能，当开关量输入信号DI的电压值超过稳压二极管D1的稳压值时，电压就会降落在电阻R1上，从而保证了U1输入端的电压不会超过其安全电压，进而保证了器件U1不会被损坏。

图3是本发明扩展装置模拟量输入模块其中两路模拟量输入电路的一种实施例的硬件电路连接示意图。图中，电压型模拟量输入信号VI0从电阻R1的一端输入，R1的另一端分别与稳压二极管D1的负极和运算放大器U1D的输入正端相连，稳压管D1的正极接地，运算放大器U1D的输入负端与其输出端相连，并连接到电阻R3的一端，R3的另一端分别与电阻R4、电容C1的一端相连，并连接到模数转换芯片U3的模拟信号输入引脚上(如1脚)，R4和C1的另一端接地。电流型模拟量输入信号CI0从保险丝F1的一端输入，F1的另一端分别与电阻R5和R6的一端相连，R5的另一端接地，R6的另一端与稳压二极管D2的负极和运算放大器U2D的输入正端相连，稳压管D2的正极接地，运算放大器U2D的输入负端与其输出端相连，并连接到电阻R7的一端，R7的另一端分别与电阻R8、电容C2的一端相连，并连接到模数转换芯片U3的模拟信号输入引脚上(如5脚)，R8和C2的另一端接地。模数转换芯片U3采用ADS7870芯片，其20脚经过光电隔离电路后连接ARM处理器(图中未示出)系统总线的SPI接口的串行时钟(SCLK)信号，21脚经过光电隔离电路后接主机输出从机输入(MOSI)信号，22脚经过光电隔离电路后接主机输入从机输出(MISO)信号，23引脚经过光电隔离电路后连接ARM处理器的一个通用输入输出(GPIO)信号。ADS7870的其他引脚按照其芯片手册进行连接，图中未详细示出。

图3所示的模拟量输入模块的工作原理如下：本发明中，模拟量输入信号分为电压型模拟量输入信号和电流型模拟量输入信号，电压型模拟量输入信号是指输入信号为0-10V的电压信号，电流型模拟量输入信号是指输入信号为4-20mA的电流信号，它们都为与扩展装置相连接的传感器等模拟量输入设备的输出信号。电压型模拟量输入信号VI0经过电阻R1后到达运算放大器U1D的输入正端，如果VI0的电压值高于稳压二极管D1的稳压电压，则在电阻R1上产生压降，从而保证运算放大器U1D的输入正端电压不会超过稳压二极管D1的额定电压，进而保护运算放大器U1D不会受到损坏，U1D接成电压跟随器方式，其输出端电压与输入正端的电压保持一致，U1D输出端电压经过电阻R3和R4分压后进入ADS7870的电压输入端进行模数转换，以供ARM控制模块对模数转换后的电压信号进行采集，同时电容C1起到滤除脉冲干扰的作用，以保证模拟量信号采集的信号稳定度。电流型模拟量输入信号CI0经保险丝F1后到达精密电阻R5，电流信号经过R5时产生压降，从而将电流信号转化为电压信号，转化后的电压信号经电阻R6后到达运算放大器U2D的正输入端，同样稳压二极管D2起到保护U2D的作用，U2D采用电压跟随器方式，其输出电压信号经过电阻R7和R8分压后输入到ADS7870的电压输入端进行模数转换，以供ARM控制模块对模数转换后的电压信号进行采集，根据采集到的电压信号的值和之前将电流信号转化为电压信号的电阻R5的电阻值即可计算得到电流型模拟量输入信号CI0的值。ADS7870的控制端(23、20、21、22引脚)与ARM处理器系统总线的SPI接口连接，ARM处理器通过系统总线的SPI接口实现对ADS7870的控制和访问，从而实现采集通道(LN0-LN7)的切换和模数转换结果的读取。

图4是本发明扩展装置PWM输出模块其中一路的一种实施例的硬件电路连接示意图。如图4所示，PWM输出模块主要由光电隔离芯片U2和智能开关芯片U1B构成，本实施例中U2采用HCPL0630芯片，U1B采用BTS721L芯片。图4中，ARM处理器的PWM控制信号CPU_PWM0和CPU_PWM1通过系统总线分别输入到U2的2脚和3脚，U2的1脚和4脚分别经过电阻R3和R4后连接5V电压，U2的7脚和6脚分别经过上拉电阻R2和R1与模拟信号侧的5V电压相连，同时分别与U1B的7脚和9脚相连，U2的8脚连接模拟信号侧的5V电压，5脚接地。U1B的14脚和13脚分别连接到该扩展装置的PWM输出端子上，同时这两个引脚分别连接到续流二极管D1和D2的负极，D1和D2的正极接地，U1B的10、11、12、15脚接外部输入电源电压，6脚接地。

图4所示的PWM输出模块的工作原理如下：ARM处理器通过系统总线发出的PWM控制信号CPU_PWM0和CPU_PWM1经过光电隔离器件U2后成为与ARM处理器侧不共地的控制信号，但其信号的时序和占空比与原信号一致，该控制信号输入到智能开关器件U1B后，由U1B进行功率放大，得到输出信号PWM0和PWM1，并经PWM输出端子输出到与PWM输出端子连接的外部控制设备中，以驱动外部控制设备执行相应的动作。该智能开关器件U1B自身内部具有过流、过压、短路保护功能，从而实现外部控制设备的安全可靠驱动。由于PWM输出模块的前端使用了光电隔离器件，因此，ARM处理器的控制信号和控制逻辑不会因PWM0/PWM1输出信号的短路或过流而产生影响，从而提高了系统的可靠性。

图5是本发明扩展装置中模拟量输出模块的一种实施例的硬件电路连接示意图，本发明的扩展装置有1路模拟量输出模块。如图5所示，模拟量输出模块主要由数模转换芯片U2和运算放大器U1A构成，本实施例中U2采用AD5620芯片，U1A采用TLV4112芯片。图5中，ARM处理器(图中未示出)系统总线SPI接口的SCLK信号经过光电隔离电路(图中未示出)后与U2的6脚相连，MOSI信号经过光电隔离电路(图中未示出)后与U2的7脚相连，ARM处理器的一个GPIO信号经过光电隔离电路(图中未示出)后与U2的5脚相连，U2的8脚接地，1脚与模拟信号侧的5V电压相连，U2的3脚和4脚之间连接电阻R2，U2的4脚还与电容C1和电阻R1的一端相连，C1的另一端接地，R1的另一端与U1A的输入正端相连，U1A的输入负端与输出端相连，并与二极管D1的正极相连，D1的负极与保险丝F1相连，F1的另一端输出信号AO到具有电压调节输入端口的模拟量控制设备上。

图5所示的模拟量输出模块的工作原理如下：ARM处理器通过系统总线SPI接口将从系统主控制器接收到并解析出来的控制输出命令发送给模拟量输出模块的数模转换芯片U2，由U2将数字控制输出命令信号转换为模拟信号并由4脚输出(其3脚和4脚之间的电阻R2是反馈电阻，可以通过调整R2的值调整输出电压的放大倍数)，由电容C1滤除模拟信号中的脉冲干扰之后，将模拟信号传送到运算放大器U1A的输入正端，U1A接成电压跟随器模式，其输出电压与输入正端的电压保持一致，再经过二极管D1和保险丝F1后输出到与模拟量输出模块相连的模拟量控制设备，以调节模拟量控制设备执行相应的动作。U1A选用的运算放大器为TLV4112，其输出驱动能力最大能达到200mA，二极管D1的作用是在外部接线接错的情况下防止输入信号灌入而损坏运算放大器，而自恢复保险丝F1起的是信号的过流保护作用。所述模拟量输出模块的电压输出范围为0～5V。

表1是该扩展装置采用CANOPEN通信协议采用的一种进程数据对象PDO的数据格式。在表1中每一行表示每种PDO的数据格式，第1列是每种PDO的名称，第2列是每种PDO所对应的CAN总线报文标识符CAN-ID的值，第3至第10列依次是CANOPEN通信协议中第1至第8个数据字节的值。本发明的扩展装置在通信时采用4个发送PDO(TXPDO1至TXPDO4)来传输开关量输入设备和模拟量输入设备信号的状态和数据，采用1个接收PDO(RXPDO1)来传输系统主控制器发来的控制信号的数据，各个PDO的CAN-ID采用标准CANOPEN通信协议中的格式定义。其中，前两个发送PDO用来传输电压型模拟量输入信号和开关量输入信号的数值，后两个发送PDO用来传输电流型模拟量输入信号。其中4个发送PDO中的模拟量输入信号用12位来表示，msb代表高8位，lsb代表低4位。开关量输入信号的每一通道采用1位来表示。接收PDO中包含了模拟量输出信号和各路PWM输出信号的数值，都采用8位来表示，模拟量输出信号的数值范围为0～255，代表从零电压到满量程的数值，PWM信号的数值范围为0～100，代表PWM信号的占空比。

表1

本发明采用ARM嵌入式软硬件技术和总线式通讯技术形成了具有多路多接口类型的IO采集与控制扩展装置，可以将所连接在其上的开关量、模拟量的传感器信号经过采集处理后，通过CAN总线将这些数值传送给系统主控制器，同时也可以通过CAN总线接收主控制器下发的控制命令，将其转化成相应的控制信号，输出到PWM端口和模拟量输出端口，来驱动各种外部控制设备。这种总线式IO采集与控制扩展模块可以提高工程机械车控制系统集成的灵活性，降低系统成本，简化系统布线的复杂度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种总线式IO采集与控制扩展装置，其特征在于，该装置包括：ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、脉宽调制PWM输出模块和模拟量输出模块，其中，

同时，该扩展装置通过所述CAN总线通信模块接收来自系统主控制器的控制命令，所述ARM控制模块对所述控制命令解析后得到控制信号，通过所述PWM输出模块将相应的控制信号输出给与所述PWM输出模块相连的PWM控制设备，通过所述模拟量输出模块对与其相连的模拟量控制设备进行实时调整，实现对所述模拟量控制设备的驱动；

所述模拟量输出模块具有1路电压信号输出接口；所述模拟量输出模块依次由光电隔离电路、数模转换电路、隔离放大器电路、模拟量输出接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到所述系统总线的SPI接口上，所述模拟量输出接口电路与外部具有电压调节输入端口的模拟量控制设备相连；

所述模拟量输出模块由数模转换芯片U2和运算放大器U1A组成，所述系统总线SPI接口的串行时钟SCLK信号经过光电隔离电路后与U2的6脚相连，主机输出从机输入MOSI信号经过光电隔离电路后与U2的7脚相连，所述ARM处理器的一个通用输入输出GPIO信号经过光电隔离电路后与U2的5脚相连，U2的8脚接地，1脚与模拟信号侧的5V电压相连，U2的3脚和4脚之间连接电阻R2，U2的4脚还与电容C1和电阻R1的一端相连，C1的另一端接地，R1的另一端与U1A的输入正端相连，U1A的输入负端与输出端相连，并与二极管D1的正极相连，D1的负极与保险丝F1相连，F1的另一端输出信号AO到具有电压调节输入端口的模拟量控制设备上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ARM控制模块根据用户配置情况，对所述开关量输入模块和所述模拟量输入模块进行信号类型选择和模式配置：选择开关量输入或是模拟量输入，选择电压型模拟量输入信号或是电流型模拟量输入信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CAN总线通信模块具有1路CAN总线通信接口；所述CAN总线通信模块依次由光电隔离电路、电平转换电路、CAN总线通信接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到所述系统总线的CAN通信功能引脚上，所述CAN总线通信接口电路与系统主控制器连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述开关量输入模块具有16路相同的开关量输入电路，相应具有16路电平信号输入接口；每个开关量输入电路依次由光电隔离电路、运算放大器电路、开关量输入接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到所述系统总线的通用输入输出GPIO引脚上，所述开关量输入接口电路与外部的开关量输入设备相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述开关量输入电路中：

表示某一开关量输入设备的开关状态的开关量输入信号DI从电阻R1的一端输入，R1的另一端分别与电阻R2、稳压二极管D1的负极、隔离运算放大器U1的正向输入端相连，D1的正极接地，U1的负向输入端分别与U1的输出端、带有施密特触发功能的缓冲器U2的输入端相连，U2的输出端信号P0经过光电隔离后输入到所述系统总线的输入引脚中，以供ARM控制模块对某一开关量输入设备的开关状态数据进行采集；

所述系统总线的输出引脚输出的模式配置信号经过光电隔离后成为配置信号P1，分别从电阻R3、R4的一端输入，R3的另一端与PNP型晶体管Q1的基极相连，R4的另一端与NPN型晶体管Q2的基极连接，Q1的射极连接到电源正端VCC上，Q2的射极接地，Q1的集电极和Q2的集电极连接在一起，共同连接到电阻R2的另一端。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述稳压二极管D1起到过压保护的功能，当开关量输入信号DI的电压值超过稳压二极管D1的稳压值时，电压就会降落在电阻R1上，从而保证了U1输入端的电压不会超过其安全电压，进而保证了U1不会被损坏。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟量输入模块具有16路相同的模拟量输入电路，包括8路电压型模拟量输入电路和8路电流型模拟量输入电路，相应具有8路电压型模拟量输入接口和8路电流型模拟信号接口；每个模拟量输入电路依次由光电隔离电路、模数转换电路、运算放大器电路、模拟量输入接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到所述系统总线的SPI接口和通用输入输出GPIO引脚上，所述模拟量输入接口电路与外部的模拟量输入设备相连。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模拟量输入电路中：

电压型模拟量输入信号VI0从电阻R1的一端输入，R1的另一端分别与稳压二极管D1的负极和运算放大器U1D的输入正端相连，稳压管D1的正极接地，运算放大器U1D的输入负端与其输出端相连，并连接到电阻R3的一端，R3的另一端分别与电阻R4、电容C1的一端相连，并连接到模数转换芯片U3的模拟信号输入引脚上，R4和C1的另一端接地；

电流型模拟量输入信号CI0从保险丝F1的一端输入，F1的另一端分别与电阻R5和R6的一端相连，R5的另一端接地，R6的另一端与稳压二极管D2的负极和运算放大器U2D的输入正端相连，稳压管D2的正极接地，运算放大器U2D的输入负端与其输出端相连，并连接到电阻R7的一端，R7的另一端分别与电阻R8、电容C2的一端相连，并连接到模数转换芯片U3的模拟信号输入引脚上，R8和C2的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PWM输出模块具有6路相同的PWM输出电路，相应具有6路输出驱动接口；每一PWM输出电路依次由光电隔离电路、前置单元电路、PWM输出接口电路连接组成，所述光电隔离电路连接到所述系统总线的PWM功能引脚上，所述PWM输出接口电路与外部的PWM控制设备相连。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，PWM输出模块由光电隔离芯片U2和智能开关芯片U1B组成，所述ARM处理器的PWM控制信号CPU_PWM0和CPU_PWM1通过系统总线分别输入到U2的2脚和3脚，U2的1脚和4脚分别经过电阻R3和R4后连接5V电压，U2的7脚和6脚分别经过上拉电阻R2和R1与连接模拟量侧的5V电压，同时分别与U1B的7脚和9脚相连，U2的8脚连接模拟信号侧的5V电压，5脚接地，U1B的14脚和13脚分别连接到该扩展装置的PWM输出端子上，同时这两个引脚分别连接到续流二极管D1和D2的负极，D1和D2的正极接地，U1B的10、11、12、15脚接外部输入电源电压，6脚接地。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述智能开关器件U1B自身内部具有过流、过压、短路保护功能，从而实现外部控制设备的安全可靠驱动。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源变换模块中有两路5V直流电压输出，一路5V直流电压为模拟信号侧供电，另一路5V直流电压为ARM控制模块及与其他各个模块供电，另外，9～30V的输入直流电压同时也为所述PWM输出模块供电。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述规定的数据格式为遵循CANOPEN通信协议的进程数据对象PDO数据格式。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扩展装置具有塑料外壳，通过40芯接插件与外部设备进行电气连接，所述外壳还具有DIN轨道固定槽，用于固定所述扩展装置。