CN108241327A - 一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法 - Google Patents

一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法，属于工业控制领域。提供了一种用于嵌入式控制系统的控制器，所述控制器保留实现逻辑或数学计算和通信功能的电路，剔除IO处理电路，所述控制器以CAN、CANFD和/或LIN通信方式与智能传感器和/或智能执行器相连，所述智能传感器和/或智能执行器用于实现剔除的所述IO处理电路的功能。本发明提供的控制器及其控制方法能够使得控制器尺寸减小、重量减轻、成本降低、可靠性提高，并且控制器接口引脚数量减少，嵌入式控制系统的线束减少，嵌入式控制系统开发工作减少、柔性增强，在工业控制、汽车和军工等相关领域具有良好的应用前景。

Description

一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及工业控制领域，特别涉及一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法。
背景技术
所谓嵌入式应用技术，是指将一个具有完整功能的小型或微型机装置作为一个部件或子系统，与载体有机地构成一个更可靠的技术稳定性的功能更强大和完善的系统，工业嵌入式系统的主要指标要求：实时性、高效率、安全稳定性与可靠性以及结构紧凑、易于剪裁、良好的开放性。实时性就是事件驱动能力与时间驱动能力，其基础是内核的结构模式与进程管理机制；高效率包括系统的启动速度与运行速度及消息传递效率等；而稳定性与可靠性包括稳定性、安全性与容错能力等有关的性能指标。
目前在嵌入式控制系统中，控制器会尽量集成传感器的采集电路和执行器的驱动电路，从而使不同应用的嵌入式控制系统的控制器千差万别，不能标准化。此外，目前在嵌入式控制系统的控制器是由处理器芯片，电源芯片，晶振芯片，接口芯片等分立芯片通过PCB互联构成的，在这种情况下，芯片化的控制器是不可能的。并且，此种控制器存在PCB板级开发工作量大、线束较多、引脚多、可靠性较差等缺点。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种用于嵌入式控制系统的控制器，所述控制器保留实现逻辑或数学计算和通信功能的电路，剔除IO处理电路，所述控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式与智能传感器和/或智能执行器相连，所述智能传感器和/或智能执行器用于实现剔除的所述IO处理电路的功能。
优选地，所述控制器具有一组或多组CAN、CAN FD和/或LIN通信引脚。
优选地，所述智能传感器用于：将测定的物理量转换为数字信号；对传感器本身的状态进行诊断；将物理量和传感器本身的状态以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述控制器；所述智能执行器用于：接收所述控制器以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发送的指令并执行指令相应操作；对执行器本身的状态进行诊断；将执行器本身的状态以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述控制器。
优选地，剔除的所述IO处理电路的功能模块包括：I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
优选地，所述智能传感器和/或智能执行器包括所述I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
优选地，所述控制器包括：微处理器、程序数据存储器、电源、时钟发生器、总线系统、I/O中断控制器、看门狗模块以及用于所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式的I/O总线控制器、收发器和接口电路。
优选地，所述微处理器包括控制单元和算术单元，所述微处理器为4位、8位、16位或32位的微处理器；所述程序数据存储器包括非易失性只读存储器；所述数据存储器包括非易失性或易失性读/写存储器；所述总线系统包括4位宽、8位宽、16位宽或32位宽的数据连接。
另一方面，提供了一种根据上述方案所述的控制器的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
所述控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式从所述智能传感器获得所需物理量的数值；
以所述数值为输入由所述控制器的预设程序计算出相应控制数值，并将该控制数值以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述智能执行器；
所述智能执行器收到控制信号后，执行所述控制数值对应的控制指令相应操作。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、由于剔除了各种IO处理电路，PCB的面积大幅减小，重量减轻，甚至可以完全不采用PCB而釆用芯片的连接和封装技术将控制器封装成芯片，形成芯片式控制器，从而使得控制器整体的尺寸减小，重量减轻；
2、采用本控制器，PCB板级开发工作量大幅减少，甚至可以完全没有板级开发，因为控制器就是一个芯片，不需要板级开发。那么，在传统控制器板级开发中可能引入的错误就不再会引入，所以控制器可靠性会提高；另外，开发工作减少，开发费降低；
3、由于只保留通信和电源，控制器与外部的接口，也就是控制器的引脚大幅减少，那么连接控制器的线束会大幅减少，线束的成本会降低，线束的布置等线束的开发工作会减少，开发费用会下降；
4、目前不同应用的嵌入式控制器差异很大，例如，发动机控制器和ESP控制器是完全不同的，其根本原因是不同应用所需采集的物理信号和所需驱动控制的器件各不相同，如果将这些差异部分移出控制器，移入智能传感器和/或智能执行器，不同应用就可以采用相同的控制器，本控制器正是实现了这一功能，一个控制器可以适用于各种不同的应用中，使得控制系统的柔性增强；
5、由于控制器尺寸减小，重量减轻，线束和引脚减少，使得控制器的成本降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种传统的用于嵌入式控制系统的控制器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的1×LIN和1×CAN控制器结构示意图；
图4是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的3×LIN和1×CAN控制器结构示意图；
图5是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的2×LIN和1×CAN FD控制器结构示意图；
图6是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的控制方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，“多组”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器，其特征在于，通过保留实现逻辑或数学计算和通信功能的电路，剔除IO处理电路，然后控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式与智能传感器和/或智能执行器相连，智能传感器和/或智能执行器用于实现剔除的所述IO处理电路的功能，能够使得控制器尺寸减小、重量减轻、成本降低、可靠性提高，并且控制器接口引脚数量减少，嵌入式控制系统的线束减少，嵌入式控制系统开发工作减少、柔性增强，在工业控制、汽车和军工等相关领域具有良好的应用前景。
下面结合具体实施例，对本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器作进一步说明。
实施例1
图1是现有技术中一种传统的用于嵌入式控制系统的控制器结构示意图。图2是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器结构示意图。
如图1-2所示，本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器相对于传统控制器，只保留实现逻辑或数学计算和通信功能的电路，剔除IO处理电路，并将控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式与智能传感器和智能执行器相连，而智能传感器和/或智能执行器用于实现剔除的IO处理电路的功能。由于只保留了运算和通信功能，可以将传感数据通过网络在控制器与智能传感器和/或智能执行器之间传送，这样能够使控制器，在物理层面和功能层面具有相同或者说标准的接口，从而实现控制器的芯片化，嵌入式控制系统柔性增强；并且由于可以将其余模块封装成一个芯片，PCB板减少，接口变少，尺寸减小，体积减小；另外，由于PCB层级开发或板级开发拆减掉，可靠性提高，避免此过程可能会出现的错误。
具体地，控制器具有一组或多组CAN、CAN FD和/或LIN通信引脚。具体地，根据实际需要，控制器可以设计不同数量和CAN、CAN FD和/或LIN三种通信方式不同组合的通信引脚。例如，控制器可以是1×LIN和1×CAN控制器、2×LIN和1×CAN控制器、3×LIN和1×CAN控制器、1×LIN和1×CAN FD控制器、2×LIN和1×CAN FD控制器、3×LIN和1×CAN FD控制器等。图3至图5分别示出了本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的1×LIN和1×CAN控制器、3×LIN和1×CAN控制器、2×LIN和1×CAN FD控制器。需要说明的是，除了上述举例提到的控制器，还可以是其他针对上述通信引脚进行设置的控制器，本发明实施例不对其加以特别限制。
具体地，智能传感器用于：将测定的物理量转换为数字信号；对传感器本身的状态进行诊断；将物理量和传感器本身的状态以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给控制器；智能执行器用于：接收控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发送的指令并执行指令相应操作；对执行器本身的状态进行诊断；将执行器本身的状态以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给控制器。
具体地，剔除的IO处理电路的功能模块包括：I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
这里，智能传感器和/或智能执行器包括I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
具体地，控制器包括：微处理器、程序数据存储器、电源、时钟发生器、总线系统、I/O中断控制器、看门狗模块以及用于CAN、CAN FD和/或LIN通信方式的I/O总线控制器、收发器和接口电路。
具体地，微处理器包括控制单元和算术单元，所述微处理器为4位、8位、16位或32位的微处理器；所述程序数据存储器包括非易失性只读存储器；所述数据存储器包括非易失性或易失性读/写存储器；所述总线系统包括4位宽、8位宽、16位宽或32位宽的数据连接。
举例说明，本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的应用过程如下：
控制器以CAN和LIN通信方式从智能传感器获得冷却液温度的数值；以该数值为输入由控制器的预设程序计算出冷却风扇转速数值，并将该冷却风扇转速数值以CAN和LIN通信方式发给智能执行器；智能执行器收到控制信号后，执行冷却风扇转速数值对应的控制指令，从而驱动冷却风扇。
实施例2
图6是本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的控制方法流程示意图。如图6所示，本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的控制方法，包括以下步骤：
11、控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式从智能传感器获得所需物理量的数值；
12、以数值为输入由控制器的预设程序计算出相应控制数值，并将该控制数值以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给智能执行器；
13、智能执行器收到控制信号后，执行控制数值对应的控制指令相应操作。
举例说明，本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的控制方法应用过程如下：
控制器以CAN和LIN通信方式从智能传感器获得冷却液温度的数值；以该数值为输入由控制器的预设程序计算出冷却风扇转速数值，并将该冷却风扇转速数值以CAN和LIN通信方式发给智能执行器；智能执行器收到控制信号后，执行冷却风扇转速数值对应的控制指令，从而驱动冷却风扇。
综上所述，本发明实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器及其控制方法，相对于现有技术具有以下优点：
1、由于剔除了各种IO处理电路，PCB的面积大幅减小，重量减轻，甚至可以完全不采用PCB而釆用芯片的连接和封装技术将控制器封装成芯片，形成芯片式控制器，从而使得控制器整体的尺寸减小，重量减轻；
2、采用本控制器，PCB板级开发工作量大幅减少，甚至可以完全没有板级开发，因为控制器就是一个芯片，不需要板级开发。那么，在传统控制器板级开发中可能引入的错误就不再会引入，所以控制器可靠性会提高；另外，开发工作减少，开发费降低；
3、由于只保留通信和电源，控制器与外部的接口，也就是控制器的引脚大幅减少，那么连接控制器的线束会大幅减少，线束的成本会降低，线束的布置等线束的开发工作会减少，开发费用会下降；
4、目前不同应用的嵌入式控制器差异很大，例如，发动机控制器和ESP控制器是完全不同的，其根本原因是不同应用所需采集的物理信号和所需驱动控制的器件各不相同，如果将这些差异部分移出控制器，移入智能传感器和/或智能执行器，不同应用就可以采用相同的控制器，本控制器正是实现了这一功能，一个控制器可以适用于各种不同的应用中，使得控制系统的柔性增强；
5、由于控制器尺寸减小，重量减轻，线束和引脚减少，使得控制器的成本降低。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。
需要说明的是：上述实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器在进行控制业务时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将控制器的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的用于嵌入式控制系统的控制器的控制方法与用于嵌入式控制系统的控制器实施例属于同一构思，其具体实现过程详见控制器实施例，这里不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于嵌入式控制系统的控制器，其特征在于，所述控制器保留实现逻辑或数学计算和通信功能的电路，剔除IO处理电路，所述控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式与智能传感器和/或智能执行器相连，所述智能传感器和/或智能执行器用于实现剔除的所述IO处理电路的功能。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器具有一组或多组CAN、CAN FD和/或LIN通信引脚。
3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，
所述智能传感器用于：将测定的物理量转换为数字信号；对传感器本身的状态进行诊断；将物理量和传感器本身的状态以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述控制器；
所述智能执行器用于：接收所述控制器以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发送的指令并执行指令相应操作；对执行器本身的状态进行诊断；将执行器本身的状态以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述控制器。
4.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，剔除的所述IO处理电路的功能模块包括：I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述智能传感器和/或智能执行器包括所述I/O事件控制器、时间相关的I/O信号输入/输出、I/O模数转换器、I/O输入输出、用于与外部模块通信的I/O总线控制器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的控制器，其特征在于，所述控制器包括：微处理器、程序数据存储器、电源、时钟发生器、总线系统、I/O中断控制器、看门狗模块以及用于所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式的I/O总线控制器、收发器和接口电路。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述微处理器包括控制单元和算术单元，所述微处理器为4位、8位、16位或32位的微处理器；所述程序数据存储器包括非易失性只读存储器；所述数据存储器包括非易失性或易失性读/写存储器；所述总线系统包括4位宽、8位宽、16位宽或32位宽的数据连接。
8.一种根据权利要求1所述的控制器的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
所述控制器以CAN、CAN FD和/或LIN通信方式从所述智能传感器获得所需物理量的数值；
以所述数值为输入由所述控制器的预设程序计算出相应控制数值，并将该控制数值以所述CAN、CAN FD和/或LIN通信方式发给所述智能执行器；
所述智能执行器收到控制信号后，执行所述控制数值对应的控制指令相应操作。
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