CN102608927A - 扩展信号量采集端口的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扩展信号量采集端口的装置。该装置包括与上位机通信的第一通信接口；与第一通信接口通信耦合的逻辑器件；一个或多个模拟量采集单元，和/或一个或多个开关量输入输出单元。每个模拟量采集单元具有一个或多个模拟量输入端口，用于采集一个或多个模拟量信号至该逻辑器件，并通过来自逻辑器件的控制信号对所述模拟量输入端口进行配置。每个开关量输入输出单元具有一个或多个开关量输入输出端口。根据本发明的扩展装置，可通过简单的物理线连接对已有硬件设备扩展信号量采集端口。

Description

扩展信号量采集端口的装置

技术领域

本发明涉及一种扩展装置。更具体地，本发明涉及一种用于扩展信号量采集端口的装置。

背景技术

在工业、农业、畜牧业等领域，越来越多的需要能够采集大量模拟量信号及开关量信号的设备。在工程中已有的设备随着工程规模扩大和功能扩充不能满足使用要求的情况下，重新设计或修改设备硬件会造成资金和时间上的浪费，因此需要一种能够根据已有设备的资源来扩充采集信号的端口的扩展装置和扩展方法。这样的扩展装置需要具备低管脚数，灵活，便于开发的特点，且具备根据实际需求进一步调整端口数量的能力。

现有技术中通常会使用嵌入式设备做现场数据采集及控制监测，因此通常情况下用于扩充采集信号的端口的扩展装置需要与这类设备对接。当然，用于扩充采集信号的端口的扩展装置同样可应用在PC或工作站上。但无论与嵌入式设备连接还是与其他终端或采集器连接，在本说明书的上下文中，将这些设备或终端称为扩展装置的上位机。

因此，本发明的目的在于提供一种用于扩展上位机的扩展信号量采集端口的装置和扩展方法。

发明内容

根据本发明的扩展装置和扩展方法可有效解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于扩展信号量采集端口的装置，该装置包括：

与上位机通信的第一通信接口；

与第一通信接口通信耦合的逻辑器件；

一个或多个模拟量采集单元，和/或

一个或多个开关量输入输出单元；

每个模拟量采集单元具有一个或多个模拟量输入端口，用于采集一个或多个模拟量信号至该逻辑器件，并通过来自逻辑器件的控制信号对所述模拟量输入端口进行配置；

每个开关量输入输出单元具有一个或多个开关量输入输出端口，用于采集开关量输入信号至该逻辑器件和/或输出该逻辑器件驱动的开关量输出信号，并通过来自逻辑器件的控制信号对开关量输入输出端口进行配置。

优选地，该装置进一步包括连接第一通信接口和逻辑器件的第一数字隔离器。

优选地，所述一个或多个模拟量采集单元分别通过串行数字接口与所述逻辑器件连接。

优选地，所述模拟量采集单元包括A/D转换器。

优选地，所述模拟量采集单元进一步包括与所述A/D转换器和所述模拟量输入端口耦合的多选一选择器。

优选地，所述模拟量采集单元进一步包括与所述A/D转换器和所述模拟量输入端口耦合的级联连接的8选1选择器。

优选地，所述模拟量采集单元进一步包括耦合在模拟量输入端口和A/D转换器之间的电压跟随器和耦合在逻辑器件和A/D转换器之间的数字隔离器。

优选地，所述开关量输入输出单元包括一个或多个开关复用器，用于根据来自逻辑器件的控制信号配置所述一个或多个输入输出端口的方向。

优选地，所述开关量输入输出单元进一步包括耦合在开关复用器和逻辑器件之间的隔离器。

优选地，所述隔离器是单向隔离器或双向隔离器。

优选地，所述开关量输入输出单元进一步包括具有输出使能端的隔离器，用于根据来自逻辑器件的控制信号配置所述一个或多个输入输出端口的方向。

优选地，所述具有输出使能的隔离器是具有输出使能的单向隔离器，对于每个输入输出端口：

第一具有输出使能的单向隔离器的输入端与第二具有输出使能的单向隔离器的输出端短接，短接端接至该输入输出端口，第一具有输出使能的单向隔离器的输出端和第二具有输出使能的单向隔离器的输入端分别连接至逻辑器件；

第一和第二具有输出使能的单向隔离器的使能端分别接收来自逻辑器件的控制信号以控制各自的输出状态。

优选地，所述开关量输入输出单元进一步包括与所述输入输出端口耦合的调理电路。

优选地，所述装置进一步包括隔离电源。

本发明提供了一种高兼容性、灵活、便于扩展信号量采集端口及动态配置开关量端口方向的扩展装置。根据本发明的扩展装置通过采用隔离器件，扩展装置具备很强的抗干扰能力，可在恶劣环境下正常工作，同时可方便地实现模拟量端口和开关量端口的物理扩充，且开关量端口方向可动态配置。根据本发明的扩展装置通过少量的物理管脚便可完成与上位机之间的通信，具备高扩展性及兼容性。

本发明利用极少物理管脚实现扩展信号量采集端口及动态配置端口方向的装置。在不改变已有硬件设备的前提下，对硬件设备无信号量采集端口或采集端口过少的设备，通过简单的物理线连接来达到迅速扩充更多采集端口的目的，从而完成对多路模拟信号量及多路开关信号量的采集或驱动输出，并根据需要动态配置开关量端口的输入输出方向。

附图说明

图1示意性示出根据本发明实施例1的扩展装置的结构框图。

图2示出根据本发明一个实施例的8选1选择器的控制信号二进制真值表。

图3示出根据本发明另一个实施例的3个8选1选择器的级联复用。

图4示出实施例1中逻辑器件与模拟量采集单元之间通信接口的时序图。

图5示意性示出根据本发明一个实施例的开关量输入输出单元的结构框图。

图6示意性示出根据本发明另一个实施例的开关量输入输出单元的结构框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合本发明的优选实施例具体说明本发明的技术方案、优点和有益效果。说明书中相同或相似的附图标记表示相同和相似的单元或部件。

图1示意性示出根据本发明实施例1的扩展装置100的结构框图。扩展装置100包括逻辑器件110、模拟量采集单元120、开关量输入输出单元130、用于与上位机101通信的第一通信接口102。该逻辑器件110可以是可编程逻辑器件或微控制器。扩展装置100可进一步包括与上位机101或独立电源105连接的隔离电源303。优选地，扩展装置100进一步包括耦合在逻辑器件110和通信接口102之间的数字隔离器302用于将扩展装置100与外界环境之间进行隔离保护。数字隔离器302可以是数字隔离电路或数字隔离芯片。通过耦合数字隔离器，可以有效地提高扩展装置的稳定性及抗干扰能力，使本发明的扩展装置更适合在恶劣环境下工作。

首先，参照图1说明扩展装置100与上位机101之间的第一通信接口102，该通信接口是扩展装置中逻辑器件110与上位机101之间的通信通道。该通信接口由例如包括至少两个物理连接线的实际的物理端口和通信协议来实现。例如，通过配置能够满足UART协议的控制器，比如利用Verilog HDL或VHDL等等实现，通信协议可以使用UART(Universal AsynchronousReceiver-Transmitter)来实现。或者，也可以使用2线IIC(Inter-Integrated Circuit)协议，4线的带有主从模式的SPI(Serial Peripheral Interface)协议，适用于远程控制的RS-485协议等等，或自行设计通信协议，来完成扩展装置100与上位机101的通信。

逻辑器件110为扩展装置100的核心器件，例如可采用具有大量IO端的可编程逻辑器件。这些IO端例如可用于接收来自模拟量采集单元120的A/D转换器的数据，接收来自开关量输入输出单元130的开关量输入信号或输出逻辑器件驱动的开关量输出信号，扫描端口，配置端口方向，控制等等。

根据本发明实施例1的扩展装置100包括独立的模拟量采集单元120和开关量输入输出单元130用于分别采集模拟量信号和输入输出开关量信号。

模拟量采集单元120主要包括提供多个模拟量输入端口106的多选一选择器310，电压跟随器311，A/D转换器312、参考电压314及数字隔离器313。输入端口106例如可以以物理连接器实现，用于直接连接传感器。端口的数量可以根据实际需求通过配置多选一选择器进行设置和扩展。当模拟量采集单元120仅提供一个模拟量输入端口时，也可以省略多选一选择器。

模拟量输入端口106采集的模拟信号可以是电压信号也可以是电流信号，通常，可将电流信号转换成电压信号来测量。在模拟信号采集过程中，无论需要测量多少路的模拟信号，根据来自逻辑器件的模拟量控制信号，在某一时刻可有一路输入端口的模拟信号被送入A/D转换器中进行采样。当要采集多路例如A路模拟量输入时，A为大于等于1的整数，需要对端口选择器310的所有端口进行扫描。因此，模拟信号的采集是一个时分复用的过程。若采集1路模拟量需要的时间为t，t＞0，则采集A路模拟量的时间至少需要t×A。逻辑器件110通过控制接口213接收来自模拟量采集单元120的数据并控制对多选一选择器310的输入端口扫描，通道214。逻辑器件110优选地通过数字隔离器313与模拟量采集单元连接。多选一选择器310例如可以是一个8选1通道的端口选择器，该选择器带有A、B、C和INH共4个控制引脚，其中引脚A、B、C三个二进制信号引脚可从8个输入端口选择1路连接到输出端口，而INH可将所有输入输出端口置为高阻。图2给出了8选1选择器控制信号的二进制真值表。优选地，可将多片多选一选择器级联来扩展更多的模拟信号输入端口。如图3所示，例如通过3个8选1选择器的级联可实现24选1通道的复用。

从多选一选择器输出的模拟信号进入A/D转换器之前，可优选地设置例如由集成运算放大器构成的电压跟随器311以便增大信号的驱动能力。随后模拟信号被送入A/D转换器312进行采样、数字化。

A/D转换器的种类非常多，可依据实际应用进行选择。选择时所依据的几个重要参数包括解析率，采样速率及数字端的控制时序。例如可以使用16位(bit)的高速A/D转换器，采样速率为50KHz。模拟信号被送入A/D转换器的输入端进行采样、数字化。经数字化的信号通过串行数字接口(SerialInterface)213将16位二进制数据以串行的方式送至逻辑器件110。串行数字接口是扩展装置内部另一个重要的通信接口，它位于A/D转换器312与逻辑器件110之间，用于将模拟信号数字化后的二进制数据输入逻辑器件。图4给出了这个通信接口需满足的时序，并示出了24个时钟周期。在该实例中，需要最少22个时钟周期用于16位数据转换。如果在转换结束时CS保持低，则具有最低有效位第一的新数据流被再次跳转。因此逻辑器件内部需具有满足图4所示时序的逻辑模块，用于接收来自A/D转换器的数据，并将其临时存储在例化的寄存器内，等待上报上位机。图1中的通道212即为A/D转换器312的数字输出通道。

优选地，可在模拟量采集单元120与逻辑器件110之间，即在A/D转换器312与逻辑器件110之间设置数字隔离器313，使扩展装置100中的开关量输入输出单元130与模拟量采集单元120彻底隔离。

对于模拟量采集单元，由于其具有的独立特性，可将多个具有相似结构的模拟量采集单元分别通过串行数字接口与逻辑器件耦合集成在扩展装置中。

进一步，如图1所示，开关量输入输出单元130提供完全独立的开关量信号采集及驱动通道，其包括端口复用器用于扩充D路开关量端口，D为大于等于1的整数，并能够实现对端口方向的动态配置。方便起见，图5和图6示意性示出D路开关量端口中的1路来具体说明如何实现开关量输入输出端口方向的配置。

图5示出根据本发明一个实施例的开关量输入输出单元510的结构框图。开关量输入输出单元510包括开关复用器和输入输出端口。在该例中，例如以物理连接器540作为开关量输入输出单元的输入输出端口。逻辑器件是采集与驱动开关量信号的核心器件，逻辑器件通过端口复用器实现对物理连接器的端口复用。即对于一个物理端口，该端口在某一时刻，该端口在某一时刻，可有一个开关量信号输入或信号输出。在图5所示实施例中，端口复用器例如是单刀双掷开关复用器520。通过单刀双掷开关复用器520来设置该物理连接器540的输入输出方向。控制开关复用器520的信号线例如通过隔离器511耦合到逻辑器件的一个IO端口501。开关复用器520基于该IO端口501的状态例如通过隔离器513耦合到逻辑器件的IO端口503将该路端口用作输入端口，或例如通过隔离器512耦合到逻辑器件的IO端口502将该路端口用作输出端口。优选地，物理连接器540通过调理电路530与端口复用器520连接。调理电路530用于对输入或输出的开关量信号进行诸如分压，低通滤波，静电防护和/或过流保护及短路保护等等处理。优选设置在开关复用器540与逻辑器件之间的隔离器511、512和513用于增强系统稳定性及信号完整性。图5所示的隔离器511、512和513为单向隔离器，将1路输入输出端口通过开关复用器耦合至逻辑器件的两个IO端口，一个IO端口用作输入端口，另一个IO端口用作输出端口。或者，开关量输入输出单元的1路输入输出端口可以通过双向隔离器与逻辑器件的一个IO端口耦合，将该IO端口作为双向端口使用，未示出。

图6示意性示出根据本发明另一个实施例的开关量输入输出单元610的结构框图。开关量输入输出单元610包括具有输出使能端的隔离器和输入输出端口，例如以物理连接器640作为开关量输入输出单元的输入输出端口。与图5所示的实施例不同，图6的实施例中没有采用开关复用器，而是使用具有输出使能端的隔离器实现对输入输出端口的方向配置。输出使能端起的作用是可将输出端置为高阻状态。如图6所示，将2个完全相同的具有输出使能端的隔离器以2个不同的方向连接，即将第一隔离器612的输出端与第二隔离器613的输入端短接，并优选经调理电路630进一步耦合至物理连接器640。第一隔离器612的输入端和第二隔离器的输出端分别连接逻辑器件的IO端口602和603。而来自逻辑器件IO端口601的控制信号则通过第三隔离器611输出到第一隔离器612的输出使能端。第二隔离器的输出使能端连接至IO端口603接收来自逻辑器件的控制信号。这样完成了1路开关量输入输出端口的方向配置。以这种方式，可以形成具有一个或多个开关量输入输出端口的开关量输入输出单元。

根据本发明，D路开关量端口可配置成M路(0≤M≤D)输入端口和N路(0≤N≤D)输出端口，且D＝M+N。应当理解，在根据本发明的扩展装置中，应选择IO端口数至少大于D+2的逻辑器件。

当使用单向隔离器时，如图1所示，D路开关量端口最多可提供D路输入信号或最多输出D路输出信号。在这种情况下，应选择IO端口数至少大于2D+2的逻辑器件。

再次参见图1，逻辑器件110可根据来自上位机的输入对来自开关量端口的开关信号进行配置及处理。比如，当D路开关量端口需要有M路输入、N路输出时，至少需要M+N位(比特)的寄存器与之对应，以使每个开关量端口的状态受控和可被查询。当需要采集开关量输入状态，或对开关量输出加以驱动时，便需要P×a+Q×b个数据位，其中a和b是大于1的自然数。如果令a＝b＝16，便可例化2D个字节(1字节＝8比特)的寄存器，从而实现诸如计数、激励输出开关量或响应输入开关量等等的操作，来实现对开关量端口的处理。

扩展装置100进一步包括隔离电源303用于将扩展装置的供电电源与外界完整隔离，并用于根据扩展装置各部分需要的电压来分配整流电路。隔离电源303的输入端可通过供电接口103直接与上位机耦合，或者可通过电源接口104由外部稳压源105独立供电。可以理解，供电接口103可以组合在第一通信接口102中。在若上位机101用作提供足够功率的电源，可在通信端口的连接器上增加例如1芯的供电引脚和例如1芯的接地引脚，从而实现利用一个多芯的物理连接器即可实现上位机与扩展系统之间的全部连接。

上面参照图1对包括模拟量采集单元和开关量输入输出单元的扩展装置进行了描述，应当理解，本领域技术人员可以根据需要将扩展装置设置为仅包括模拟量采集单元或仅包括开关量输入输出单元，来实现对采集端口的扩展。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，该装置包括：

与上位机通信的第一通信接口；

与第一通信接口通信耦合的逻辑器件；

一个或多个模拟量采集单元，和/或

一个或多个开关量输入输出单元；

每个模拟量采集单元具有一个或多个模拟量输入端口，用于采集一个或多个模拟量信号至该逻辑器件，并通过来自逻辑器件的控制信号对所述模拟量输入端口进行配置；

每个开关量输入输出单元具有一个或多个开关量输入输出端口，用于采集开关量输入信号至该逻辑器件和/或输出该逻辑器件驱动的开关量输出信号，并通过来自逻辑器件的控制信号对开关量输入输出端口进行配置。

2.根据权利要求1所述的用于扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，该装置进一步包括连接第一通信接口和逻辑器件的第一数字隔离器。

3.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述一个或多个模拟量采集单元分别通过串行数字接口与所述逻辑器件连接。

4.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述模拟量采集单元包括A/D转换器。

5.根据权利要求4所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述模拟量采集单元进一步包括与所述A/D转换器和所述模拟量输入端口耦合的多选一选择器。

6.根据权利要求4所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述模拟量采集单元进一步包括与所述A/D转换器和所述模拟量输入端口耦合的级联连接的8选1选择器。

7.根据权利要求4所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述模拟量采集单元进一步包括耦合在模拟量输入端口和A/D转换器之间的电压跟随器和耦合在逻辑器件和A/D转换器之间的数字隔离器。

8.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述开关量输入输出单元包括一个或多个开关复用器，用于根据来自逻辑器件的控制信号配置所述一个或多个输入输出端口的方向。

9.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述开关量输入输出单元进一步包括耦合在开关复用器和逻辑器件之间的隔离器。

10.根据权利要求9所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述隔离器是单向隔离器或双向隔离器。

11.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述开关量输入输出单元进一步包括具有输出使能端的隔离器，用于根据来自逻辑器件的控制信号配置所述一个或多个隔离器的输入输出方向。

12.根据权利要求11所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述具有输出使能的隔离器是具有输出使能的单向隔离器，对于每个输入输出端口：

第一具有输出使能的单向隔离器的输入端与第二具有输出使能的单向隔离器的输出端短接，短接端接至该输入输出端口，第一具有输出使能的单向隔离器的输出端和第二具有输出使能的单向隔离器的输入端分别连接至逻辑器件；

第一和第二具有输出使能的单向隔离器的使能端分别接收来自逻辑器件的控制信号以控制各自的输出状态。

13.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述开关量输入输出单元进一步包括与所述输入输出端口耦合的调理电路。

14.根据权利要求1所述的扩展信号量采集端口的装置，其特征在于，所述装置进一步包括隔离电源。

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