CN106354041B - 一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，包括分配于每个工业自动化物理位置处的节点电路，每个节点电路通过并行总线依次级联，上位机在驱动程序里将所有节点电路地址通过非全码列表并编号，当需要对应的节点电路工作时，通过编号取出非全码，并通过上位机的输出接口输出到并行总线控制器，控制并行总线驱动对应的节点电路工作。本发明可采用任何形式的并行总线形式，使用并行总线非全码方式传输，每个节点电路可以直接通过并行总线实现逻辑控制，非常简单，不需要智能芯片，外围电路，节点电路实现简单，价格低，元器件少，PCB尺寸小因此能很好适应实物位置的安装，不受实物位置大小,实物位置之间的间距限制。
Description
技术领域
本发明涉及仓库智能控制和物流管理，特别涉及一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统。
背景技术
在工业自动化行业，控制节点很多，节点之间距离较远，采用数字IO并行输出几十上百个信号，然后分到每个节点，布线是个大问题。如果依靠CAN、串口总线传输，信号电平较高，每个节点接收端可以分开控制，但每个接收端（节点处）需要智能芯片和外围元件，价格非常昂贵，元器件多，电路复杂，或者用一个智能芯片控制多个节点，由于这种方式智能芯片输出的电平不是工业级的（列如TTL）是并行输出在分到每个实物位置节点，虽然价格有所下降，但是节点之间距离较远时或者一个智能芯片控制的节点较多时，输出电平不是工业级的信号，由于长距离损耗太大。并且输出信号太多，布线也是问题，不方便实现多节点远距离，节点间距离远的控制。在工业控制工业自动化及仓储行业，多节点远距离，及节点之间距离较远，使用数字IO、CAN、串口（CAN，串口一个节点使用一个智能芯片价格非常贵；一个智能芯片输出多个节点控制信号，信号传输衰减大，布线复杂等）等传输时价格高，布线难，维护难，电路复杂等。
发明内容
本发明目的是：提供一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，每个物理位置处分配一个简单的模块化的节点电路，并且用并行总线编码及工业级的信号传输方式，实现远距离多节点之间的总线级联控制。
本发明的技术方案是：
一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，包括分配于每个工业自动化物理位置处的节点电路，每个节点电路通过并行总线依次级联，上位机在驱动程序里将所有节点电路地址通过非全码列表并编号，当需要对应的节点电路工作时，通过编号取出非全码，并通过上位机的输出接口输出到并行总线控制器，控制并行总线驱动对应的节点电路工作。
优选的，在驱动程序里，每个控制节点进行地址编码列表，开始启动时初始化，控制所有节点电路到初始值，输出时，将对应地址编码和使能信号开有效，通过并行总线输出；所述并行总线输出的唯一编码信号和使能开关信号驱动唯一的对应的节点电路。
优选的，所述非全码的编码方法为：从并行总线中选部分数据线作为输入，选取的数据线输入全1或全0输出动作。
优选的，在驱动软件里将非全码编码地址进行列表，通过列表地址编号索引选通，经过算法后从并行总线输出控制指令代码，硬件上用地址编码开关来选通控制指令，接受到的控制指令经过节点电路译码成对应实物位置编号的状态控制信号。
优选的，所述节点电路带有自检模块，判定对应的节点电路是否动作，并将判定结果通过并行总线回传给上位机。
优选的，每个节点电路无负载电流1mA，输入阻抗大，电源及信号传输电压12V以上，宽电源电压及信号工作模式6—20V，输入开启门槛电压1.5V，实现远距离传输。
优选的，所述并行总线数据线，使能开关信号线，自检检测信号线和电源线共用一个多pin电缆。
优选的，依次级联的节点电路采用双电源供电，首尾两个节点电路各分配一个电源，或采用中继器实现更远距离传输。
优选的，所述并行总线通过并行总线分配器的片选来实现多个并行总线的扩展。
优选的，还通过网络路由器实现多个并行总线控制器的扩展。
本发明的优点是：
1．本发明所提供的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，可采用任何形式的并行总线形式，灵活方便，使用并行总线非全码方式传输，每个节点电路不需要智能芯片，外围电路，及地址解码，节点电路实现简单，价格低，元器件少，PCB尺寸小因此能很好适应实物位置的安装，不受实物位置大小限制。
2．本发明使用并行总线非全码方式，非常容易扩展成几万甚至几十万个节点电路，总线上较少数据线可以控制许多的节点电路，可以同时实现对所有节点电路的全关，全开的控制。
3．本发明并行总线，电源，检测信号集成使用一根多pin电缆，每个节点电路模块对应一个实物位置，通过并行总线级联方式扩展，易于布线，安装等。
4．本发明采用工业级信号传输，对库位之间的距离无要求，库位尺寸适应度高，非常灵活，可实现远距离多节点之间的总线级联控制。
5．本发明带自动检测功能，在检测模式下，可以自动检测节点模块是否正常。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为实施例中非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统的安装示意图；
图2为实施例中非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统的系统方框图；
图3为实施例中节点电路的扩展示意图；
图4为实施例中节点电路的结构方框图；
图5为实施例中节点电路的原理图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明所揭示的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，包括分配于每个工业自动化物理位置处的节点电路，每个节点电路通过并行总线依次级联，上位机在驱动程序里将所有节点电路地址通过非全码列表并编号，当需要对应的节点电路工作时，通过编号取出非全码，并通过上位机的输出接口输出到并行总线控制器，并行总线控制器将电脑的任意形式总线协议如USB，COM，网络，PCI,PXI,PCIe等，转换成并行总线，也可以直接PLC，控制并行总线驱动对应的节点电路工作。
下面介绍非全码编码原理：非全码方式作为驱动控制，硬件输入用一种电平状态控制输出动作（输入全1输出动作，或者输入全0输出动作），因此只需要从并行总线中选部分数据线作为输入。在驱动软件里将非全码编码地址进行列表，通过列表地址编号索引选通，经过算法后从并行总线输出控制指令代码，硬件上用地址编码开关来选通控制指令。列如：
10位编码选4输入，高电位有效：0011110000，
此时硬件编码开关接通D4，D5，D6，D7驱动节点电路输出动作；
10位编码4输入，高电位有效：0000001111，
此时硬件编码开关接通D0，D1，D2，D3驱动节点电路输出动作；
10位编码4输入，低电位有效：1100001111，
此时硬件编码开关接通D4，D5，D6，D7驱动节点电路输出动作；
10位编码4输入，低电位有效：1111110000，
此时硬件编码开关接通D0，D1，D2，D3驱动节点电路输出动作。
这个10位数据4输入，按照上面的规则，必须是唯一的编码，可以用编程算法计算出所有的编码及个数。这些编码是10位数据组成的1024个编码的一部分，因此称为非全码。如10个数据选4输入，有210个编码，11个数据选4输入，有330个编码。非全码产生程序产生唯一的节点电路非全码代码。一旦硬件结构控制方式确定后，可使用这个程序自动生产代码，便于驱动程序编程。
这样的优点是，对应的节点电路硬件极其简单，如果用全码作为驱动，8位数据可以驱动256个节点电路，但是有8个输入端，并且每个输入端电位不一致，在硬件上必须是每个代码位分配一个输入，并且代码位为0的，用逻辑非电路完成再跟代码位为1的输入端逻辑与（高电位有效），使输出动作。有8个输入和许多的逻辑非电路，元器件非常多，电路非常复杂。为了易于生产，每个节点电路必须尽可能一样，全码方式也是个难点（需要更多的电路完成），并且同时对所有节点电路全开和全关不容易控制。
非全码方式作为驱动控制，硬件输入用一种电平状态控制输出动作（输入全1输出动作，或者输入全0输出动作），因此只需要从并行总线中选部分数据线作为输入（如：10选4位数据作为输入控制输出动作），并且输入电平一致，可以直接将4个数据位进行逻辑与输入（高电平有效），使输出动作，不需要像全码方式每个数据位分配一个输入，且代码0用逻辑非电路，再和其他的代码1输入进行逻辑与（高电平有效），因此非全码方式节点电路极其简单，总线简单。
全码控制同样适合这个系统控制，在软件上编码列表是全码，在硬件上每一个代码位需要一个输入端，代码0用非门，再与其他代码1的输入进行逻辑与。其他电路保持，使能，检测，地址编码开关等的控制原理类似。
如图3所示，节点电路的扩展示意图，本发明非常容易扩展成几万甚至几十万个节点电路，主要包括三种方式：1）通过总线级联方式扩展节点电路，数量用，210@10，表示一个并行总线是10位数据，可以最多扩展210个节点。2）通过并行总线分配器的片选扩展并行总线数量，数量用N表示；3）通过电路输出接口扩展更多的总线控制器，数量用D表示,如通过网络路由器控制扩展总线控制器。）那么使用一个系统总共可以扩展的节点数量为= D*N*210@10。
如图4和5所示，分别为节点电路的结构方框图和原理图。节点电路包括信号输入输出模块、编码开关、使能端、并行总线输入、逻辑及译码电路，输出电路进而输出检测电路。具体由二极管D1-D8、场效应管Q1-Q3、Q4，电容C1、电阻R1-R16，按照图5连接组成。
节点电路输出打开的工作过程如下：
（1）在驱动程序里，每个控制节点进行地址编码列表，开始启动时初始化，程序控制所有节点电路到初始值，输出时，将对应地址编码和使能信号开有效，通过并行总线输出。
（2）并行总线输出的唯一编码信号和使能开信号驱动唯一的对应的节点电路（节点电路用地址编码将信号选通），然后经译码器Q2的输出由高变低（Q2,D3,D4.D5,D8,J4,J5,J6,J7等构成译码器）使能控制Q1不拉低Q3输入使输出有效，此时输出电平动作由初始状态高变低。其他的所有的节点电路不动作。
（3）输出动作信号经过二极管D2反馈到前端将Q5输入拉低，保持现有的输出不变，信号自动锁存。节点信号输出打开完成。此时除对应的节点关信号控制以外，任何其他的信号输入无效，此输出一直保持。
（4）将所有的并行总线和使能信号回到默认值，此时，并行总线可以用同样的控制任何其他的节点（每个节点电路在总线上可以实现独立开关控制，不影响其他的节点电路）。
节点电路输出关闭工作的过程如下：
（1）在驱动程序里，每个控制节点进行地址编码列表，输出时，将对应地址编码和使能关信号通过并行总线输出；
（2）并行总线输出的唯一编码信号和使能关信号驱动唯一的对应的节点电路，通过Q1将Q3的输入拉低，Q3输出由低变高，Q5输入不拉低，锁存信号输出回到初始值，信号自动锁存失效，并且输出关闭完成。其他的所有的节点地址编码不选通，不动作；
（3）将所有的并行总线和使能信号回到默认值，此时，并行总线可以用同样的控制任何其他的节点开关（每个节点电路在总线上可以实现独立开关控制，不影响其他的节点电路）。
所述节点电路带有自检模块，判定对应的节点电路是否动作，并将判定结果通过并行总线回传给上位机。当输出打开时，自检电压由高变低，表示输出打开。还可以进行更复杂的检测：1.加上外围电路检测回路，打开一个节点电路，如果有两个以上节点电路同时动作时，电压不同，来判定不良；2.每个节点电路检测处串联不同电阻，对每个节点电路，量化输出信号检测。不仅可以判定是否动作，而且可以判定是否是对应的节点电路动作。
本发明输入阻抗高，电路功耗小，每个节点电路无负载电流1mA，电源及信号传输电压12V以上，宽电源电压及信号工作模式6—20V，输入开启电压1.5V，实现远距离传输。依次级联的节点电路采用双电源供电，首尾两个节点电路各分配一个电源，或采用中继器实现更远距离传输。所述并行总线数据线，使能开关信号线，自检检测信号线和电源线共用一个多pin电缆（列如：数据线10+使能1+检测1+电源2=14pin可以控制220个节点电路），易于布线，安装。每个节点模块PCB较小，通过一根多pin电缆级联，及工业级信号传输，因此对库位之间的距离无要求，库位尺寸适应度高，非常灵活。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，包括分配于每个工业自动化物理位置处的节点电路，每个节点电路通过并行总线依次级联，上位机在驱动程序里将所有节点电路地址通过非全码列表并编号，当需要对应的节点电路工作时，通过编号取出非全码，并通过上位机的输出接口输出到并行总线控制器，控制并行总线驱动对应的节点电路工作；
所述非全码的编码方法为：从并行总线中选部分数据线作为输入，选取的数据线输入全1或全0输出动作；在驱动程序里将非全码编码地址进行列表，通过列表地址编号索引选通，经过算法后从并行总线输出控制指令代码，硬件上用地址编码开关来选通控制指令，接受到的控制指令经过节点电路译码成对应工业自动化物理位置编号的状态控制信号。
2.根据权利要求1所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，在驱动程序里，每个节点电路进行地址编码列表，开始启动时初始化，控制所有节点电路到初始值，输出时，将对应地址编码和使能信号开有效，通过并行总线输出；所述并行总线输出的唯一地址编码和使能开关信号驱动唯一的对应的节点电路。
3.根据权利要求2所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，所述节点电路带有自检模块，判定对应的节点电路是否动作，并将判定结果通过并行总线回传给上位机。
4.根据权利要求3所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，每个节点电路无负载电流1mA，电源及信号传输电压12V以上，宽电源电压及信号工作模式6～20V，输入信号门槛电压1.5V，实现远距离传输。
5.根据权利要求4所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，所述并行总线数据线，使能开关信号线，自检检测信号线和电源线共用一个多pin电缆。
6.根据权利要求4所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，依次级联的节点电路采用双电源供电，首尾两个节点电路各分配一个电源，或采用中继器实现更远距离传输。
7.根据权利要求2所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，所述并行总线通过并行总线分配器的片选来实现多个并行总线的扩展。
8.根据权利要求4所述的非全码并行总线的级联式多节点工业自动化控制系统，其特征在于，还通过网络路由器实现多个并行总线控制器的扩展。
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