CN104317236A - 基于软plc技术的无线传感器网络控制终端 - Google Patents

基于软plc技术的无线传感器网络控制终端 Download PDF

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吕红芳
徐宇飞
王岩
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Abstract

本发明公开了一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，它包括一嵌入式控制器，其采用嵌入式系统；一I/O模块，用于采集检测区域的输入信息数据以及输出处理后的信息数据；以及一软PLC系统，所述软PLC系统包括一软PLC开发系统和一软PLC运行系统，所述软PLC运行系统包括软PLC运行程序和实时运行内核；所述实时运行内核置于所述嵌入式控制器，所述软PLC运行程序用于实现所述无线传感网络的各种逻辑控制和过程控制。本发明它改善了传感器网络控制系统的适用性和可扩展性，其可视化操作平台，可满足不同系统的使用；增加了系统的可移植性，避免了传统PLC应用过程编程的复杂过程，简化了操作。

Description

基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端
技术领域
本发明涉及无线传感器网络控制终端，特别是涉及一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端。  
背景技术
传统的PLC技术经过长时间的发展，已经成为一项成熟的技术，因其高速度、高性能、高可靠新在工业控制领域得到广泛的应用，但是传统的PLC自身存在诸多缺点。 
传统的PLC生产厂商之间的产品互补兼容，明显缺少明确一致的标准，因此难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性很强，工作人员必须将经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统的PLC生产厂家被几家厂商所垄断，造成PLC性价比增长很缓慢，这些因素制约的传统PLC发展，为了充分发挥PLC的控制优势，同时减少不利因素，提出了软PLC技术，就是利用软件实现标准硬件PLC的基本功能，或者说，将PLC的控制功能“封装”在软件内，运行于PC环境中，使得PLC软件开发工具与系统硬件设备分离，因此可以装载在各种开放式工业计算机系统的软硬件平台上，不仅方便了用户，而且也解除了硬件设备对于PLC发展的制约。 
嵌入式系统是一种嵌入到对象体系中的专用计算机系统，主要用于各种类型的信号处理与控制，在当前的工业控制等多个领域都得到了广泛的应用，将软PLC技术与嵌入式系统相结合，除了具有传统PLC的PID控制、I/O控制好离散控制之外，还能完成过程控制、运动控制等一些复杂的控制技术，具有强大的数据处理、运算和网络通信功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作和可连接各种I/O 系统的开放式结构，因此具有通用性，性价比高，程序可移植性强和编程方便等特点。 
嵌入式系统是嵌入对象系统中用于执行独立功能的专用计算机，在无线传感器网络应用广泛，一般采用传统的嵌入式控制器1实现网络控制过程，这使得传感器网络存在一些缺陷，对于功能指定的嵌入式控制器1，只能以某一种微处理器5内核为核心，芯片内部集成各种必要的功能和外设，这就使得嵌入式控制器1的针对性较强，也就是说，一种嵌入式控制器1只能实现一定功能的控制，适用性较差。 
另一方面，在传感器网络控制系统中，检测区域范围和节点密度的不同，造成网络规模大小不同，节点失效，新节点的加入以及节点的移动等，都会使得网络拓扑结构动态的发生变化，这就要求网络控制系统具有较强的可扩展性，能够适应网络结构的变化，现有的传感器网络通常采用嵌入式控制器1来实现，扩展性较差。 
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，它通过将软PLC系统与嵌入式系统二者合一，利用软PLC技术实现所述无线传感器网络系统的控制。 
本发明技术方案是：一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，它包括外围电路模块；以及一嵌入式控制器，其采用嵌入式系统；以及一I/O模块，所述I/O模块通信联接于所述嵌入式系统，所述I/O模块用于采集检测区域的输入信息数据以及输出处理后的信息数据；一软PLC系统，所述软PLC系统包括一软PLC开发系统和一软PLC运行系统，所述软PLC运行系统包括软PLC运行程序和实时运行内核；所述实时运行内核置于所述嵌入式控制器，所述实时运行内核用于提供所述软PLC运行程序的运行环境；所述软PLC运行程序经过程序的分析处理，用于产生输出信号响应所述I/O模块以实现无线传感网络的各种逻辑控制和过程控制；所述软PLC开发系统用于提供所述软PLC运行系统的软PLC运行软件。 
下面对上述技术方案进行进一步解释。 
所述软PLC开发系统独立于所述嵌入式控制器之外。 
所述软PLC开发系统为基于Android2.3系统的软件开发系统；所述软PLC开发系统包括一实时数据库模块，用于记录和生成用户编辑过程中的基本配置属性和信息以及数据结构、数据类型的相关参数；一编译/连接模块，用于完成用户编写的程序代码词法/语法的分析，以及生成独立于运行环境的目标代码；一仿真模块，用于仿真运行编制的程序；一通信模块，用于传递所述软PLC开发系统与硬件平台之间的数据信息；一工程管理模块，用于管理用户数据。 
所述软PLC运行程序包括一通信模块，用于传递硬件平台之间与软PLC开发系统数据信息；一设备驱动模块；一运行虚拟机模块；用于执行目标代码以及读取所述I/O模块的信息和设备驱动模块的信息。 
所述嵌入式系统包括软件组成部分和硬件组成部分；所述硬件组成部分包括一存储器以及一微处理器，所述微处理器为ARM11核心处理器，其主频达667MHz；所述软件组成部分包括一嵌入式操作系统以及一软件应用层。 
它还设置有一RS485通信接口；所述I/O模块通过所述RS485通信接口将信息传递于所述软PLC运行软件。 
所述RS485通信接口与所述软PLC运行程序构成数据采集及监视控制系统SCADA。 
它还设置有一触摸型可视化操作平台。 
它还设置有Wi-Fi、3G及WLAN的组网，所述组网用于实时检测传感器网络控制系统中的各项参数。 
所述I/O模块配备了满足不同系统使用的多路标准化输入输出接口，所述标准化输入输出接口包括太网接口、usb2.0数据线接口、SD卡接口、IDE接口、SIM卡接口、4-10mA输入接口、0-5V输入接口、开关量输入接口、Modbus通信协议接口、继电器输出接口、PWM输出端、0-20mA输出端。 
本发明的优点是：本发明的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，它改善了传感器网络控制系统的适用性和可扩展性，其可视化操作平台，可满足不同系统的使用；增加了系统的可移植性，避免了传统PLC应用过程编程的复杂过程，简化了操作；提高了传感器网络的适用性，改善了其扩展性，对于不同功能的传感器网络只需要开发不同功能的软PLC运行软件，定制应用层终端平台，即可实现一个专用的无线传感器网络。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。 
图1为本发明实施例的软PLC系统与嵌入式控制器关系模块示意图。 
图2为本发明实施例的控制终端模实现原理图。 
图3为本发明实施例的控制终端模块示意图。 
图4为本发明实施例的控制终端硬件组成模块示意图。 
图5为本发明实施例的控制终端软硬件结构层示意图。 
其中： 
1、嵌入式控制器；          2、软PLC系统；        21、软PLC开发系统；
22、软PLC运行系统；      221、实时运行内核；     222、软PLC运行程序；
31、控制策略编辑/调试模块；32、编译/连接模块；      33、仿真模块；
34、实时数据库模块；       35、工程管理模块；      36、通信模块；
37、运行虚拟机模块；       38、设备驱动模块；      4、I/O模块；
5、微处理器；              51、电源模块；          52、外部时钟电路；
53、复位电路；             54、存储器RAM；       55、ROM；
56、Flash；                 6、辅助设备。
具体实施方式
以下的实施方式仅用于描述及解释本发明，以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选方案只作为举例说明。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明范围的其他技术方案。 
如图1所示，一种无线传感器网络控制系统，它包括一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，它包括一嵌入式控制器1，其采用嵌入式系统；一I/O模块4， I/O模块4通信联接于所述嵌入式系统， I/O模块4用于采集检测区域的输入信息数据以及输出处理后的信息数据；以及一软PLC系统2，软PLC系统2包括一软PLC开发系统21和一软PLC运行系统22，软PLC运行系统22包括软PLC运行程序222和实时运行内核221；实时运行内核221置于嵌入式控制器1，实时运行内核221用于提供软PLC运行程序222的运行环境；软PLC运行程序222用于实现所述无线传感网络的各种逻辑控制和过程控制；软PLC开发系统21用于为软PLC运行系统22提供开发得到软PLC运行软件。软PLC开发系统21独立于所述嵌入式控制器1之外。软PLC技术是用于实现一无线传感器网络控制的技术，选用嵌入式控制器1作为软PLC系统2的应用对象，达到形成一种基于软PLC技术的新型无线传感器网络控制终端的目的。 
具体的： 
嵌入式控制器1是一个基于专用型计算机系统的控制器，可以根据用户需要对嵌入式控制平台定制，使其资源得到高效地利用。其软件采用嵌入式操作系统（如WinCE，VxWorks或Linux等）作支持，被移植在硬件平台上，选择基于嵌入式控制器1的控制方案。也就是说，选择一无线传感器网络的嵌入式控制器1作为软PLC技术的依附对象，控制所述无线传感器网络系统。嵌入式控制器1采用嵌入式系统，可以是现有技术的各种不同的适用于无线传感器网络的嵌入式控制器1。软PLC系统2，软PLC系统2应用于嵌入式控制器1，协同所述嵌入式控制器1实现所述无线传感器网络的各种逻辑控制和过程控制。
软PLC系统2包括软PLC开发系统21和软PLC运行系统22两个部分。 
具体的： 
如图3所示，软PLC开发系统21基于PC机，基于Android2.3系统设计软PLC开发系统21，建立在某一操作系统平台之上。软PLC开发系统21提供了PLC运行程序的编程及编译调试环境，开发得到软PLC运行程序222。软PLC集成系统环境主要包括控制策略编辑/调试模块31，编译/连接模块32、通信模块36、运行虚拟机模块37、实时数据库模块34、I/O接口模块、设备驱动模块38、仿真模块33、工程管理模块35以及它的界面管理和帮助信息等组件。
其中： 
一控制策略编辑/调试模块31，它是软PLC开发系统21汇总最基本的功能模块，它基于IEC61131-3标准为用户提供标准的编辑环境，通过建立中间语言转换模型将三种图形化编程语言及二种文本化编程语言进行统一转换，再经过编译产生所需要的目标代码，主要有LD、FBD、SFC、IL、ST几种编程语言等，其中指令表语言采用文本指令的编程方式完成控制策略的生成。
一实时数据库模块34，它主要是记录和生成用户编辑过程中的基本配置属性和信息以及数据结构、数据类型等其他相关参数。 
一编译/连接模块32，它是完成用户编写的程序代码的词法、语法的分析，通过语法指导翻译，将语法单位进行语义分析并把它们翻译成一定形式的中间语言代码，再经过代码的优化，最终生成独立于运行环境的目标代码。 
一仿真模块33，它能够仿真接口硬件设备，从而在没有硬件设备的情况下仿真运行用于编制的程序，以便缩短软件的开发周期。 
一通信模块36，它在整个系统汇总其至关重要的作用，它负责上位机与硬件平台之间的通信，完成用户控制程序的下载，底层硬件配置属性读取以及远程监控系统运行的状态等功能。 
一工程管理模块35，它用于管理用户数据，保存用户编制的控制策略稳健、打印文件、记忆权限管理等。 
软PLC开发系统21用于实现以下主要的功能： 
1、实现开放的控制算法接口，支持用户自定义的控制算法模块。
2、仿真运行实时在线监控，可以方便地进行编译和修改程序。 
3、支持数据结构，支持多种控制算法，如PID控制、模糊控制、运行控制、过程控制等。 
4、编程语言标准化，遵循IEC61131-3的标准，支持多种语言编程，并且各种编程语言之间可以相互转换。 
5、拥有强大的网络通信功能，支持基于TCP/IP网络，可以通过网络浏览器来对现场进行监控的操作。 
软PLC运行系统22包括软PLC运行程序222和实时运行内核221，实时运行内核221置于/固化于所述嵌入式系统，用于提供软PLC运行程序222运行环境。 
软PLC运行程序222包括： 
一通信模块，用于传递软PLC运行程序与软PLC开发系统数据信息；
一设备驱动模块38；
一运行虚拟机模块37，它是整个系统中的一个核心模块，它将传统的硬件系统进行软件抽象，具有与硬件无关的指令集，并管理相关的资源，虚拟机是一个抽象的计算机，和实际的计算机一样，具有一个指令集并使用不同的存储区域，它负责执行指令，并管理数据、内存和寄存器。其作用是执行编译连接产生的目标代码，且不断地读取I/O模块4的信息以及设备驱动模块38的驱动信息，从而完成相应的控制功能；
一I/O模块4是一个动态链接库（DLL），提供I/O读取服务，虚拟机通过I/O模块4与物理硬件设备通信，读取I/O变量信息。I/O模块4开发符合标准OPC数据接口，通过I/O接口，虚拟机可以访问任何符合OPC标准的硬件设备。
软PLC运行系统22是整个软PLC系统2的核心，主要完成输入处理，程序执行，输出处理等工作。软PLC运行系统22中的通信接口建立与PLC开发系统的连接，完成上位机开发的应用控制程序的下载，而I/O接口与外围I/O模块4相连，负责现场数据采集和执行输出控制过程，此外，通信接口也实现了与HMI/SCADA软件通信，软PLC运行系统22提供了标准OPC访问接口，既可以在PC/IPC上运行，也可以在嵌入式控制器1中运行。 
软PLC运行程序222的运行软件由软PLC开发系统21开发得到，加载于嵌入式控制器1内的实施运行内核221，实现所述无线传感器网路的各种逻辑控制和过程控制。 
也就是：在基于嵌入式控制器1的软PLC控制方案中，软PLC实时运行内核221可以作为一个固件被安装到嵌入式控制器1硬件平台上，通过软PLC开发系统21编写的软PLC运行程序222的运行软件并将之下载到嵌入式控制器1中，最后经过程序的分析处理产生输出信号响应I/O模块4完成相应的控制功能。 
如图2所示，在实施操作中，软PLC开发系统21提供的集成开发环境进行运行程序的编译、调试，应用程序编写完编译调试无误后，通过RS485通信接口或者TCP/IP等通信协议下载到嵌入式控制器1的嵌入式系统中，得以在固化于嵌入式系统的实时运行内核221中运行。软PLC运行程序222在实时运行内核221运行后，嵌入式系统首先根据软PLC开发系统21环境生成的配置文件，解析软PLC运行程序222的运行软件，生成相应的机器代码，之后进行循环扫描，依次循环执行输入采样、程序执行、输出刷新三个动作，从而完成所述无线传感器网络系统的控制功能。 
实时运行内核221将根据预定的数据量大小在内存里开辟一块区域，也即数据映射区。所述数据映射区用于存储来自I/O模块4采集的数据，供软PLC运行程序222交互使用，通过I/O模块4和现场总线CAN输出控制信号，从而完成相应的控制功能。 
值得一提的是，实时运行内核221是软PLC控制系统的核心，用于完成系统配置、输入信号处理、循环调用软PLC运行程序222集控制信号输出等操作。考虑到程序运行的效率以及可移植性，实施运行内核221用C语言编程实现。 
其中，所述I/O模块4负责现场输入信号的采集以及信号的输出，而软PLC运行程序222则完成对输入信号的处理、控制程序的执行、信号的输出处理，并通过RS485通信接口与软PLC运行软件通信构成监控和数据采集系统SCADA，可以监控软PLC系统2上连接的I/O接口的变化情况，在一可触摸显示屏上进行显示。 
也就是：在应用的所述无线传感器网络中，I/O模块4接收检测现场信息，I/O模块4通过RS485通信接口将信息传递于软PLC运行程序222，所述RS485通信接口与软PLC运行软件构成数据采集于监视控制系统SCADA，从而实现对输入信号的处理，控制程序的执行，信号的输出处理，从而为检测现场数据信息采集到执行机构的控制搭建了一个实用而有效的处理平台。 
所述无线传感器网络控制终端配备触摸型可视化操作平台，采用ARM11内核作为核心处理器，并可实现Wi-Fi、3G、WLAN组网，实时检测传感器网络系统中的各项参数，并配备的了多路标准化的输入输出接口，可接入4-20mA、0-5V开关量等，可满足不同系统的使用。为信息数据采集到执行机构的控制搭建了一个实用而有效的处理平台，采用流行的Android2.3作为操作系统，针对不同的传感器控制系统，仅需要个性化定制应用层终端平台，即可实现一个专用的无线传感器控制系统，也就是说，可针对不同的传感器系统开发不同的软PLC运行程序222，就可以实现不同功能的无线传感器网络控制。 
如图4、图5所示，嵌入式系统包括软件组成和硬件组成。 
其硬件包括存储器、微处理器5、外部时钟电路52，复位电路53，存储器RAM 54，ROM 55、Flash 56、输入输出接口电路、通信模块36、电源模块51以及辅助设备6组成。微处理器5的选择，综合考虑各个方面的因素，微处理器5的核心是ARM11，主频最高可达667MHz，运行稳定可靠。由于其系统资源非常有限，在存储管理方式上一般不采用虚拟内存管理，而采用动态内存管理的方式，即当程序的某一部分需要使用内存时，利用操作系统提供的分配函数来处理，使用完毕后，可通过释放函数来释放所占用内存，这样内存就可以重复使用。 
软件部分主要包括设备驱动层、嵌入式操作系统、应用程序接口（API）层、软件应用层四个层次。嵌入式操作系统支持整个控制系统的工作，它具有如中断处理、进程调度、存储管理和周边资源管理等一些基本的功能。嵌入式操作系统一般具有实时的特点，也就是说，一个优先级高的任务能够获得立即的、没有延迟的服务，实现系统功能和对外部和内部、同步或者异步事件作出及时响应的系统。嵌入式操作系统是多任务的。其硬件部分是嵌入式系统软件运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信的接口，而软件部分是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。软件部分的驱动层程序时嵌入式系统中非常重要的一个部分，使用任何外部设备都需要相应的驱动层程序的支持，其为上层软件提供了设备的操作接口。驱动层程序包括硬件抽象层（HAL）、板级支持包（BSP）和设备驱动程序。 
嵌入式软PLC控制系统的主要功能是实现各种逻辑控制和过程控制。因此硬件对于输入输出接口有相当高的要求，无论是主板还是接口电路的设计，都应该符合相应的工业标准，使之能够稳定的长时间运行，保证系统可靠的运行。接口要有良好的隔离性能和驱动能力。 
软PLC实现控制过程需要I/O模块4的和网络通信的支持，I/O模块4和网络通信主要负责现场信号的采集和信号的输出，而软PLC系统2则对采集上来的信号进行分析和处理，完成控制程序的执行。根据本发明的一优选实施例，嵌入式控制器1具有I/O模块4， I/O模块4配备了多路标准化输入输出接口，可接入4-20mA、0-5V模拟量以及开关量等，可满足不同系统的使用。 
具体的： 
无线传感网络控制终端提供可视化操作平台，实时监测传感器网络控制系统的各项参数，硬件设备采用核心处理主频可达667MHz，采用ARM11内核作为核心处理器，采用7寸触摸屏显示屏作为显示和人机交互接口，避免了传统PLC控制过程的编程的繁琐，操作更加直观，简便。
I/O模块4采用7寸触摸屏显示屏作为显示和人机交互接口，具有1路摄像头接口、可实现影像监控；1路100M以太网接口； 2个usb2.0数据线接口；1个SD卡接口； 44芯标准2.0英寸IDE接口，可接笔记本硬盘或光驱，可支持160G的大容量；1个SIM卡接口，无线网卡；6路4-10mA输入接口；6路0-5V输入接口；8路开关量输入接口；2路Modbus（RTU）通信接口；16路继电器输出接口；2路PWM输出；2路0-20mA输出，支持多种方式模拟量或者开关量等的输入和输出方式，从而为信息数据采集到主控制模块的软PLC系统2搭建了一个使用而有效的处理平台，从而实现PLC控制的网络化，智能化，软PLC开发系统21采用流行的Android2.3作为开发平台。 
应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。 

Claims (10)

1.一种基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：它包括外围电路模块；以及
一嵌入式控制器，其采用嵌入式系统；以及
一I/O模块，所述I/O模块通信联接于所述嵌入式系统，所述I/O模块用于采集检测区域的输入信息数据以及输出处理后的信息数据；
一软PLC系统，所述软PLC系统包括一软PLC开发系统和一软PLC运行系统，所述软PLC运行系统包括软PLC运行程序和实时运行内核；所述实时运行内核置于所述嵌入式控制器，所述实时运行内核用于提供所述软PLC运行程序的运行环境；所述软PLC运行程序经过程序的分析处理，用于产生输出信号响应所述I/O模块以实现无线传感网络的各种逻辑控制和过程控制；所述软PLC开发系统用于提供所述软PLC运行系统的软PLC运行软件。
2.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述软PLC开发系统独立于所述嵌入式控制器之外。
3.根据权利要求1或2所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述软PLC开发系统为基于Android2.3系统的软件开发系统；所述软PLC开发系统包括
一实时数据库模块，用于记录和生成用户编辑过程中的基本配置属性和信息以及数据结构、数据类型的相关参数；
一编译/连接模块，用于完成用户编写的程序代码词法/语法的分析，以及生成独立于运行环境的目标代码；
一仿真模块，用于仿真运行编制的程序；
一通信模块，用于传递所述软PLC开发系统与硬件平台之间的数据信息；
一工程管理模块，用于管理用户数据。
4.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述软PLC运行程序包括
一通信模块，用于传递硬件平台之间与软PLC开发系统数据信息；
一设备驱动模块；
一运行虚拟机模块；用于执行目标代码以及读取所述I/O模块的信息和设备驱动模块的信息。
5.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述嵌入式系统包括软件组成部分和硬件组成部分；
所述硬件组成部分包括一存储器以及一微处理器，所述微处理器为ARM11核心处理器，其主频达667MHz；所述软件组成部分包括一嵌入式操作系统以及一软件应用层。
6.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：它还设置有一RS485通信接口；所述I/O模块通过所述RS485通信接口将信息传递于所述软PLC运行软件。
7.根据权利要求6所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述RS485通信接口与所述软PLC运行程序构成数据采集及监视控制系统SCADA。
8.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：它还设置有一触摸型可视化操作平台。
9.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：它还设置有Wi-Fi、3G及WLAN的组网，所述组网用于实时检测传感器网络控制系统中的各项参数。
10.根据权利要求1所述的基于软PLC技术的无线传感器网络控制终端，其特征在于：所述I/O模块配备了满足不同系统使用的多路标准化输入输出接口，所述标准化输入输出接口包括太网接口、usb2.0数据线接口、SD卡接口、IDE接口、SIM卡接口、4-10mA输入接口、0-5V输入接口、开关量输入接口、Modbus通信协议接口、继电器输出接口、PWM输出端、0-20mA输出端。
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