CN104808542B - 用于经由输入/输出协议进行通信的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及伺服驱动设备。提供了其中通过背板连接器从背板接收消息的设备。切换电路识别哪些从背板接收的消息意在用于设备的运算电路，并且对这样的消息的输入/输出协议进行解析而同时将并非意在用于运算电路的消息返回至背板。切换电路可以与背板连接器独立地从设备移除，从而允许该切换电路进行改变以与不同背板协议一起使用而不影响其它设备元件。

Description

用于经由输入/输出协议进行通信的设备
技术领域
本发明涉及用于经由输入/输出协议进行通信的连接至背板的设备，以及包括多个这样的设备的系统。特别地但并非专有地，本发明涉及经由背板连接的伺服驱动设备。
背景技术
工业控制设备或控制器用于控制工业操作。例如，伺服驱动可以用于通过将适当的驱动信号提供至工业机械来控制该工业机械。这种类型的工业控制器自身必须被管理和控制，以便提供期望的性能。这意指控制器必须具有输入/输出(I/O)功能。
通常，工业控制器与用于特定任务的专用设备一起协同使用。作为说明性示例，可以考虑其中期望在3D空间中对元件进行控制观点的3D系统。这要求在所有三个维度上的控制。一种方法将涉及针对一起工作的三个维度中的每个维度的各个控制器。这样的系统中的控制器必须有效地彼此进行通信，以便产生期望的结果。
一般地，提供背板以允许系统内的控制器进行通信。背板提供通信接口，通过该通信接口，信号可以在连接至该背板的控制器之间进行传递。该背板以给定输入/输出(I/O)协议进行操作，控制器被设计成通过其自身的I/O部件部分与上述给定输入/输出(I/O)协议一起操作。
通过背板操作的I/O协议通常是工业控制器的供应商专有的并且由其进行设计。这意指由不同制造商提供的控制器之间缺乏互操作性。因此，当期望通过增加或替换控制器来升级或修复包括多个控制器的系统时，任何新的控制器必须适用于与背板使用的适当I/O协议一起工作。即使该协议自身并非专有的，但是仍然存在下述要求：所有控制器以与背板相同I/O协议进行操作并且能够与背板在物理上进行对接。
由于这些问题，给定控制器将仅利用可兼容的背板进行操作。因此，希望获得适当的控制器的操作者具有受限于与当前系统可兼容的控制器的选择，这会导致次优的选择。
日益增加的控制任务的复杂度已经导致期望通过背板外部的计算机源与控制器进行通信的日益增加。例如，商业上理想的可以是：从商业系统的传统计算机或另一部分来实现控制或监视性能。然而，商业系统使用的典型通信协议又与工业控制器使用的通信协议不同。通常，商业系统将使用例如基于以太网的协议进行通信。因此已经存在下述需要：在使用时将一个或多个设备桥接以在不同协议之间进行通信。这导致进一步的开支和潜在的可靠性问题。
在美国专利8,203,980中描述了在以太网网络和供工业控制器使用的协议之间进行桥接的方法的示例。这里公开了一种桥接系统，在该系统中，连接至背板的多个部件可以通过通用网络上的单个节点链接至以太网通用网络。目的在于：避免背板上的每个独立部件必须与通用网络直接进行对接。然而，背板的部件仍然不得不使用针对背板自身的适当协议来与彼此进行通信。
近来，已经努力开发了用于基于以太网的控制器通信的适当协议。一个示例为EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)协议，该协议为被设计成提供短数据更新时间和低通信抖动的基于以太网的高性能协议。这允许控制器和背板能够与基于以太网的通用网络更完备地结合。
仍然存在针对与工业控制器和类似的设备一起使用的背板的一系列通信协议。虽然基于以太网的协议提供了一些标准化，但是在缺乏公认的通用标准时，这种类型的设备仍旧需要针对它们想利用以进行操作的每个协议的特定部件部分。这导致缺乏客户选择，因为它们可能例如被限制于可以与传统系统互操作的设备。
发明内容
根据本发明的方面，提供了一种用于经由输入/输出协议进行通信的设备，该设备包括：
一个或更多个背板连接器，用于将设备连接至背板；
运算电路，用于执行设备的处理任务；以及
切换电路，其被配置成识别哪些通过连接器接收的消息与运算电路相关，对被识别为相关的消息的输入/输出协议进行解析，以及将其它消息通过连接器返回至背板，
其中，切换电路以可移除且与背板连接器独立的方式安装至设备。
本发明的这个方面提供了一种设备，其中，切换电路进行运作以解释通过背板提供的、与设备的运算电路相关的消息的I/O协议。切换电路能够以与背板连接器独立的方式从设备移除，背板连接器将设备连接至背板。因此，适于不同协议的不同切换电路可以与设备一起使用。这不要求同时替换连接器。替代地，已经认识到同一连接器可以用于多个不同协议，从而能够创建其中在改变协议时产生最小开支的模块化系统。
背板可以为物理部件如电路板，或者可以为逻辑构造。例如，设备可以利用代表用于设备之间通信信号的路径的背板来直接耦合至彼此。
优选地，背板连接器被固定地安装至设备。这可以有助于进一步提高连接器的可靠性，原因在于连接器不被移除或替换。
在优选实施方式中，输入/输出协议为分层协议。更优选地，输入/输出协议为以太网协议，优选地为EtherCAT协议。这种类型的协议特别适合本发明，因为许多变型可以使用基本上类似的物理连接。此外，分层协议如以太网在本领域中是完善且通用的，并且基于类似原理的协议可以使得能够相对容易地与外部元件进行互操作。
优选地，设备包括被布置在设备的相对面上的至少两个连接器。通过在设备的每侧上提供连接器，多个设备可以堆叠或布置成线性阵列，其中多个设备通过每侧上的连接器连接至彼此。因此，可以从多个设备形成背板而无需单独的背面板或类似装置。替代地，背板分布在设备的阵列之中。
在优选实施方式中，设备的第一面上的连接器为阳型连接器，而相对的第二面上的连接器为互补的阴型连接器。这有助于阵列中的设备的稳固连接。
优选地，设备进一步包括用于将消息从背板传送出去的外部连接器。该外部连接器可以为例如以太网连接器，并且该外部连接器可以被配置为RJ45插座。这可以使得外部连接器能够容易地与外部以太网设备或部件进行通信。
外部连接器可以可移除地安装至设备。这可以使得能够例如根据外部通信网络的需求来提供可替换的外部连接器。该外部连接器和切换电路可以安装至通用可替换元件。
在优选实施方式中，运算电路为控制电路系统。优选地，运算电路为驱动电路系统，更优选地为伺服驱动电路系统。
根据本发明的进一步的方面，提供了一种系统，该系统包括根据前述中任一项所述的经由背板连接的多个设备。例如，该系统中的设备可以通过每个设备的背板连接器直接耦合至彼此。
附图说明
将参照附图来描述本发明的实施方式，在附图中：
图1A是根据本发明的优选实施方式的驱动设备；
图1B示出了包括图1A的设备的阵列的系统；以及
图2是图1A的设备的电路图。
具体实施方式
参照图1A，提供了设备10。设备10为伺服驱动，然而可以认识到的是，也可以使用其它设备。例如，可以使用替代驱动设备或者其它控制设备。
设备10包括壳体12，其包含设备10的运算电路。第一背板连接器104被示出为布置在壳体12的侧面上。(在图2中示出的)第二背板连接器110被布置在壳体12的相对面上。背板连接器104、110为配接连接器；例如，设备10的一侧上的背板连接器104可以具有阳型配置，而另一侧上的背板连接器110可以具有阴型配置。以这种方式，不同设备的背板连接器104、110可以用于将多个设备耦合在一起。
提供了可移除接口卡14。该可移除接口卡14包括下述处理能力：对通过背板连接器接收的消息进行解析，并且将它们传递至设备10的运算电路。不同接口卡可以用于与背板中的不同I/O协议一起进行操作。
可选地提供了外部连接器122。在优选实施方式中，外部连接器122形成可移除接口卡14的一部分。外部连接器122可以用于从背板向外的通信。在优选实施方式中，外部连接器122为传统的以太网连接器如RJ45连接器。
在图1B中，多个设备10以线性阵列示出。每个设备的背板连接器104和背板连接器110接合至彼此，从而形成能够在设备之间进行通信的背板。驱动可以安装在DIN导轨架中，然而在优选实施方式中，这不用于设备10之间的通信。
图2示出了图1A的设备10的电路图的示意性表示。设备10包括主印刷电路板(PCB)100，在该主印刷电路板上布置有包括处理器112和共享存储器114的运算电路。背板连接器104和背板连接器110也安装至主PCB 100。处理器112使用存储器114中可用的信息来执行分配至设备10的功能任务。例如，处理器112可以被设计成对伺服电机进行驱动。尽管在图2中未示出输出驱动信号，但是技术人员将认识到其可以采用任何适当的形式。
在主PCB 100上还提供了接口116。此外，在背板连接器104、110与接口116之间的路径上布置有变换器106、108。变换器106、108被配置成对经由背板连接器104、110的来自背板和去往背板的信号进行调节，以使其具有针对由设备10或者背板处理的适当属性。例如，变换器可以确保绝缘和抗噪性。变换器忽略这些信号使用的特定协议，但是可以控制通用信号属性如电压电平，然而，在优选实施方式中，使用1：1的变换器，从而电压保持相同。
还提供了第二PCB。该第二PCB为子组件PCB 102。该子组件PCB 102形成可移除接口卡14的一部分并且可以通过接口116与主PCB 100进行对接。
子组件PCB 102驻留有被配置成对通过背板发送的消息的协议进行解析的切换电路120。在图2的示例中，切换电路120为以太网处理集成电路(IC)，其可以使用以太网协议来对信号的协议进行解码和解析。专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)也可以用于这个目的并且可以被布置成与基于以太网的协议或其它协议如其它分层协议一起进行操作。切换电路120可以被布置成与其一起进行操作的协议的示例包括EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、利用IEEE1588的标准以太网，然而技术人员将认识到还可以使用其它协议。
切换电路可以包括介质访问控制器(MAC)和物理(PHY)层。然而，在一些实施方式中，主PCB 100上的部件如变换器106、108可以充当PHY层，仅留下要由切换电路120执行的MAC特性。这具有下述优势：多个不同协议在要求不同MAC的同时可以具有相同物理表现。
子组件PCB 102还驻留有可以用于控制切换电路120的微处理器118。特别地，切换电路120可以将输入/输出协议解析成存储器114认可的形式，以用于与CPU 112的交换或者设备10内的其它处理。
在子组件PCB 102上驻留有外部连接器122。如前面所提及的，外部连接器可以具有传统的物理格式。例如，外部连接器可以为RJ45连接器。通过外部连接器122接收或发送的信号由切换电路120进行处理。
如图1B中所示，在使用时，设备10可以被布置在设备10的阵列内。设备10执行与工业处理的控制相关的任务。正因如此，要求与其正在控制的项目以及与阵列中的其它设备进行通信。在穿过(经由每个设备10的背板连接器104、110构建的)背板的设备之间发送通信信号。这些通信信号具有允许信息被传达的给定输入/输出协议。
当通过设备10从背板接收到消息时，首先通过背板连接器104、110中的一个或更多个接收到该消息。然后该消息被传递至变换器106、108进行调节。然后该消息通过接口116被发送至切换电路120。
切换电路从协议中识别出消息是否意在用于特定设备10。例如，消息可以被具体寻址至那个设备或者可以被向包括具体设备10的一组设备广播。如果通过背板连接器接收的消息不是用于设备10，则切换电路120经由变换器106、108和背板连接器104、110将该消息返回至背板。另一方面，如果该消息意在用于设备10，则切换电路将解析该消息的协议。然后可以以适当格式将从该消息中提取的相关信息传递至存储器114，以用于连接至114的处理器112或其它处理器。
意在用于其它设备或者外部部件的由处理器112产生的消息也通过切换电路120来处理。切换电路120将使用适当的协议对该消息进行编码以通过背板连接器104、110来透过背板进行发送或者通过外部连接器122发送至背板外部。
特定于背板中使用的协议的设备10的部件如开关单元120位于接口卡的子组件PCB 102上。因此，可以通过用针对不同协议而适当地配置的卡来替换接口卡，设备10可以与不同协议一起使用。这不与保持由主PCB 100驻留的实际物理背板连接器104、110进行对接。因此，暴露于外部使用且从而暴露于潜在的损害的这些背板连接器104、110的可靠性和鲁棒性未受到要可移除的需求的削弱。
如以上所提及的，不必在所有设备10上提供外部连接器122，然而，这样做获得下述优点：可以使得能够与不作为背板的一部分的部件进行通信。在上述优选实施方式中，在主PCB 100上提供变换器106、108，但是在其它实施方式中，可以在子组件PCB 102上提供变换器106、108。
其它的变型和修改对技术人员将是明显的。这样的变型和修改可以涉及已知的且可以替代本文中描述的特征或除本文中描述的特征之外使用的等同特征或其它特征。可以在单个实施方式中组合地提供在单独实施方式的上下文中描述的特征。相反地，也可以单独地或以任何合适的子组合来提供在单个实施方式的上下文中描述的特征。应当注意的是，术语“包括”未将其它元件或步骤排除在外，非限定性术语“一个”未将多个排除在外，单个特征可以实现权利要求中陈述的若干个特征的功能，并且权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。还应当注意的是，附图不一定按比例绘制；替代地，通常将重点放在说明本公开的原理上。

Claims (13)

1.一种用于经由输入/输出协议进行通信的设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或更多个背板连接器，用于将所述设备连接至背板；
运算电路，用于执行所述设备的处理任务；以及
切换电路，其被配置成：如果通过所述背板连接器接收的消息意在用于所述设备，则将它们识别为相关的消息，对被识别为相关的消息的输入/输出协议进行解析，以及将不是用于所述设备的其它消息通过变换器和所述背板连接器返回至所述背板，
其中，所述切换电路以可移除且与所述背板连接器独立的方式安装至所述设备的其余部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述背板连接器被固定地安装至所述设备。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输入/输出协议为分层协议。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输入/输出协议为以太网协议。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述输入/输出协议为EtherCAT协议。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括布置在所述设备的相对面上的至少两个背板连接器。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述至少两个背板连接器包括用于彼此配接的阳型连接器和阴型连接器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括用于将消息从所述背板传送出去的外部连接器。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述外部连接器可移除地安装至所述设备。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述运算电路为控制电路系统。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述运算电路为驱动电路系统。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述运算电路为伺服驱动电路系统。
13.一种系统，包括通过背板连接的多个根据权利要求1至12中任一项所述的用于经由输入/输出协议进行通信的设备。
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