CN105404140A - 基于专用cpu的冗余输出的数字量输出模块 - Google Patents

基于专用cpu的冗余输出的数字量输出模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块,包括：现场IO连接座、功率固态继电器、光耦隔离器、多路复用器、主控制器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器。本发明采用中国产CPU作为主控制器；本发明的优点是具有冗余输出、负载短路保护、过温保护、欠压关断的功能，本发明采用工业级高可靠防雷击抗强电磁高频干扰电路设计、成本低、散热良好、性能稳定可靠、采用贴片式芯片及元器件，能够适应各种电磁干扰大、环境恶劣的工业现场，在引弧电流、焊接电流、变频器的工作场合均可稳定使用。且数据双重保护功能，冗余输出，即使电路内部CPU当机也能输出DO数据，确保重要控制信号的输出。

Description

基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块
技术领域
本发明涉及基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块,属于工业控制技术领域。
背景技术
目前，数字量输出模块(DO)是PLC工业控制产品中使用频率最高的模块之一。中国国内的PLC市场基本被外国产品占领且并未从安全角度考虑到冗余和自诊断的问题。
例如，申请号为CN201220572296.0的专利公开了一种基于总线的防水型数字量输出模块，包括壳体、壳体内包裹的主板和一连接插头，所述壳体为防水铝材质的外壳体，所述连接插头为航空插头，所述壳体内还包括一与主板连接并连接一从板的冗余模块，所述冗余模块为PCB基板，该防水型数字量输出模块还包括一LED状态指示装置。本实用防护等级较高，为IP65，可在室外或者环境较为恶劣的环境下使用；本实用新型具有硬件冗余功能，当主板出现故障，从板可以继续工作。
例如，申请号为CN201220235266.0的专利公开了一种可热插拔的PLC数字量输出模块，其属于PLC数字量输出装置技术领域；所要解决的技术问题是提供一种带热插拔保护功能的PLC数字量输出模块；采用的技术方案是：一种可热插拔的PLC数字量输出模块，包括：热插拔电源模块、MCU单元、数字量输出单元、通讯单元和人机交互单元，所述MCU单元的电源端口与热插拔电源模块的电源输出端相连，所述数字量输出单元的输入端与MCU单元的信号输出端相连，所述MCU单元的通讯端口连接有通讯单元。
例如，申请号为CN200820219632.7的专利公开了一种不用CPU的MVB数字量输出模块，包括DO隔离电路和MVB物理接口，其特征在于还包括：内部设有曼彻斯特编解码单元、逻辑控制单元的FPGA；所述MVB总线通过MVB物理接口将信号传送给FPGA进行处理后，通过DO隔离电路传出；另外，还配有MVB地址配置器输入模块分配设备地址和逻辑地址。该MVB数字量输出模块符合IEC-61375的标准，具有高可靠性和高稳定性，其中CPU和MVB协议控制器由一片FPGA完成，简化了电路结构特别适合在机车领域广泛使用。
综上所述，传统的现有的数字量输出模块只是确保把CPU模块送来的开关量信号正确输出，外加一些保护电路，比如光电隔离，并没有冗余和自诊断功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块，本发明在实现开关量稳定输出的基础上增加了冗余输出并具备自诊断功能。
本发明包括：现场IO连接座、功率固态继电器、光耦隔离器、多路复用器、主控制器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器。本发明采用中国产CPU作为主控制器。本发明所述基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模采用贴片式芯片及元器件。
所述现场IO连接座、功率固态继电器、多路复用器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器依次连接，所述主控制器分别与多路复用器、etherCAT协议栈芯片连接；所述功率固态继电器、多路复用器通过光耦隔离器耦合。
本发明数字量输出的数据源来自板卡底座连接器，通过EBUS进入etherCAT协议栈芯片；所述EBUS是德国倍福公司使用的低压差分信号即LVDS标准定义的数据传输标准；etherCAT协议栈芯片与主控制器通过SPI进行数据通信；所述SPI(SerialPeripheralInterface)是串行外设接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线；所述主控制器读取所述etherCAT协议栈芯片内的DO数据，并通过所述主控制器的GPIO(General-PurposeInput/OutputPorts,通用I/O端口)输出。本发明将所述主控制器和所述etherCAT协议栈芯片的DO数据都输出到所述多路复用器，所述DO即数字量输出。当所述主控制器正常运行时，所述多路复用器输出所述主控制器的GPIO(General-PurposeInput/OutputPorts,通用I/O端口)传来的DO数据；当所述主控制器出现异常时，通过逻辑控制，输出信号源自动切换，直接输出所述etherCAT协议栈芯片的DO数据，实现了数据冗余输出，大大提高了可靠性。本发明的这种数据冗余机制有效地避免了数字量输出模块不及时输出控制造成的损失，大大提高了自主可控的能力，同时也降低了成本。
本发明通过多路复用器经过光耦隔离器驱动功率固态继电器工作，将开关量信号输出给现场IO连接座再通过接线端子连接到现场设备。功率固态继电器具有负载短路保护，过温保护，欠压关断的功能。同时，功率固态继电器的过温诊断信号连接到主控制器使主控制器能通过读取过温诊断信号的数据以查看芯片是否异常并通过程序控制外接LED灯来显示为何种异常情况。
本发明的优点是具有冗余输出、负载短路保护、过温保护、欠压关断的功能，本发明采用工业级高可靠防雷击抗强电磁高频干扰电路设计、成本低、散热良好、性能稳定可靠、采用贴片式芯片及元器件，能够适应各种电磁干扰大、环境恶劣的工业现场，在引弧电流、焊接电流、变频器的工作场合均可稳定使用。且数据双重保护功能，冗余输出。即使电路内部CPU当机也能输出DO数据，确保重要控制信号的输出。同时本发明能够进行自检测以方便及时发现异常并更换设备，因此，本发明具有较强的实用价值和现实意义。
附图说明
图1是本发明所述基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图1所示，本发明包括：现场IO连接座、功率固态继电器、光耦隔离器、多路复用器、主控制器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器。所述现场IO连接座、功率固态继电器、多路复用器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器依次连接，所述主控制器分别与多路复用器、etherCAT协议栈芯片连接；所述功率固态继电器、多路复用器通过光耦隔离器耦合。本发明采用中国产CPU作为主控制器。
本发明数字量输出的数据源来自板卡底座连接器，通过EBUS进入etherCAT协议栈芯片；所述EBUS是德国倍福公司使用的低压差分信号即LVDS标准定义的数据传输标准；etherCAT协议栈芯片与主控制器通过SPI进行数据通信；所述SPI(SerialPeripheralInterface)是串行外设接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线；所述主控制器读取所述etherCAT协议栈芯片内的DO数据，并通过所述主控制器的GPIO(General-PurposeInput/OutputPorts,通用I/O端口)输出。本发明将所述主控制器和所述etherCAT协议栈芯片的DO数据都输出到所述多路复用器，所述DO即数字量输出。当所述主控制器正常运行时，所述多路复用器输出所述主控制器的GPIO(General-PurposeInput/OutputPorts,通用I/O端口)传来的DO数据；当所述主控制器出现异常时，通过逻辑控制，输出信号源自动切换，直接输出所述etherCAT协议栈芯片的DO数据，实现了数据冗余输出，大大提高了可靠性。本发明的这种数据冗余机制有效地避免了数字量输出模块不及时输出控制造成的损失，大大提高了自主可控的能力，同时也降低了成本。本发明通过多路复用器经过光耦隔离器驱动功率固态继电器工作，将开关量信号输出给现场IO连接座再通过接线端子连接到现场设备。功率固态继电器具有负载短路保护，过温保护，欠压关断的功能。同时，功率固态继电器的过温诊断信号连接到主控制器使主控制器能通过读取过温诊断信号的数据以查看芯片是否异常并通过程序控制外接LED灯来显示为何种异常情况。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块，其特征在于，包括：现场IO连接座、功率固态继电器、光耦隔离器、多路复用器、主控制器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器；
所述现场IO连接座、功率固态继电器、多路复用器、etherCAT协议栈芯片、板卡底座连接器依次连接，所述主控制器分别与多路复用器、etherCAT协议栈芯片连接；所述功率固态继电器、多路复用器通过光耦隔离器耦合。
2.根据权利要求1所述的基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块，其特征在于，所述主控制器采用中国产CPU。
3.根据权利要求1所述的基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块，其特征在于，所述etherCAT协议栈芯片与主控制器通过SPI进行数据通信。
4.根据权利要求1所述的基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模块，其特征在于，所述基于专用CPU的冗余输出的数字量输出模采用贴片式芯片及元器件。
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