CN109558357A - 一种采集与控制信号的方法及主cpu插件、子插件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采集与控制信号的方法及主CPU插件、子插件，属于工业控制领域。本发明提出的方法包括以下步骤：主CPU插件通过其总线接口获取各子插件的心跳报文；主CPU插件遍历子插件列表，进行查询，若查询不到，则判断心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入子插件列表中，并且向新增的子插件发出召唤属性信息的命令；新增的子插件通过其总线接口发送其属性信息；主CPU插件获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册。本方法主CPU插件通过获取各子插件的心跳报文，且对心跳报文进行判断后即可识别该子插件，方法简单实用，实现了子插件的即插即用。

Description

一种采集与控制信号的方法及主CPU插件、子插件

技术领域

本发明涉及一种采集与控制信号的方法及主CPU插件、子插件，属于工业控制领域。

背景技术

信号采集与控制装置一般由多个插件构成，如图1所示包括开入插件、开出插件、模拟量插件、电源插件、背板、CPU插件。开入插件、开出插件、模拟量插件通过背板的印制线，直接和主CPU插件的器件的管脚相连。由于主CPU插件执行业务需求各异，导致对开出插件中开出控制对象个数、开入插件开入个数、模拟量采集个数要求差异性很大，进一步导致作为电气连接作用的背板PCB设计复杂，主CPU插件与背板物理连接点个数增加，降低了主CPU插件管脚的有效利用。装置功能扩展性差，背板的设计依赖于开入插件、开出插件的个数、模拟量插件个数，装置的背板不具备通用性，不利于产品标准化设计的实现。

随着以太网技术的发展以及相关现场总线技术的发展，开入插件、开出插件、模拟量插件通过以太网或者现场总线与主CPU插件进行数据交换。以太网的技术使用，虽带来数据交互便利性，但也存在明显的缺点，公布号为CN 105207837A的中国发明专利申请文件中提到的装置是通过以太网技术进行数据交换的，该装置有以下缺点：1)以太网通信给开入开出插件的硬件提出更高的要求，导致数据采集各子插件的成本急剧升高；2)基于以太网通信方式可能对开入开出插件配置带来额外的信息配置，不利于开入开出插件即插即用目标的实现；3)开入开出插件增加，导致背板上以太网数据线路急剧增加，背板的设计更加复杂，也不具备通用性。

申请公布号为CN 108021061A的中国发明专利申请文件公开了一种采用现场总线技术进行数据交换的装置，该装置扩展性强，但是该装置主控单元对从控单元的控制方式过于复杂，实现难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采集与控制信号的方法及主CPU插件、子插件，用于解决为实现插件的即插即用导致系统和控制方式复杂、实现难度大的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种采集与控制信号的方法及主CPU插件、子插件，一种采集与控制信号的方法，包括以下步骤：

(1)子插件通过其总线接口发送心跳报文，心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

(2)主CPU插件通过其总线接口获取各子插件的心跳报文；

(3)主CPU插件维护一个子插件列表，子插件列表用于记录所有已注册的子插件，子插件列表中至少存储有已注册的子插件的地址信息和属性信息；对于获取的一个心跳报文，主CPU插件遍历子插件列表，查询心跳报文的地址信息，若不能查询到心跳报文的地址信息，则判断心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入子插件列表中，并且向新增的子插件发出召唤属性信息的命令；

(4)新增的子插件收到召唤属性信息的命令后，通过其总线接口发送其属性信息；

(5)主CPU插件获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册。

本方法主CPU插件通过获取各子插件的心跳报文，并且对心跳报文进行判断后即可识别该子插件，方法简单实用，实现了子插件的即插即用。

进一步的，心跳报文还包括子插件的状态信息，状态信息包括工作状态与非工作状态；主CPU插件向已注册的子插件发送召唤数据的命令，召唤数据的命令包括改变对应子插件的状态信息的部分。

主CPU插件通过控制子插件的状态进行数据的传输，即子插件为工作状态时才可以向主CPU插件进行数据上传，保证数据传输的安全性，系统工作的可靠性。

进一步的，主CPU插件根据设定时间段内收集所有子插件的心跳报文，遍历子插件列表，若查询不到子插件列表中某已注册的子插件的心跳报文，则从子插件列表中删除该子插件对应的所有信息。

若查询不到子插件心跳报文消失，则删除子插件列表中该子插件的所有信息，及时更新子插件列表，保证数据的及时更新。

进一步的，对于完成注册的子插件，主CPU插件还建立对应该已注册子插件的存储空间；在从子插件列表中删除子插件对应的所有信息时，还释放该子插件对应的存储空间。

子插件注册，建立子插件存储空间，子插件删除，释放存储空间，及时清理主CPU插件的存储空间，提高了主CPU插件的工作速度，进一步提高工作效率。

进一步的，采集与控制信号的方法还包括在主CPU插件更新子插件列表后，将子插件列表信息向上位机进行上传的步骤。

子插件列表信息在每次新子插件注册或者子插件删除后主CPU插件都会更新子插件列表，并将更新后的子插件列表信息向上位机进行上传，子插件列表信息形成与对应子插件构成相应的数据模型，该数据模型由上位机掌握，用于上位机从外部进行控制。

一种主CPU插件，包括处理器、存储器和总线接口，处理器运行存储在存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：

通过其总线接口获取各子插件的心跳报文，心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

维护一个子插件列表，子插件列表用于记录所有已注册的子插件，子插件列表中至少存储有已注册的子插件的地址信息和属性信息；对于获取的一个心跳报文，主CPU插件遍历子插件列表，查询心跳报文的地址信息，若不能查询到心跳报文的地址信息，则判断心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入子插件列表中，并且向新增的子插件发出召唤属性信息的命令；

获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册。

主CPU插件通过获取各子插件的心跳报文，并且对心跳报文进行判断后即可识别该子插件，方法简单实用，实现了子插件的即插即用。

进一步的，心跳报文还包括子插件的状态信息，状态信息包括工作状态与非工作状态；主CPU插件向已注册的子插件发送召唤数据的命令，召唤数据的命令包括改变对应子插件的状态信息的部分。

主CPU插件通过控制子插件的状态进行数据的传输，即子插件为工作状态时才可以向主CPU插件进行数据上传，保证数据传输的安全性，系统工作的可靠性。

进一步的，主CPU插件根据设定时间段内收集所有子插件的心跳报文，遍历子插件列表，若查询不到子插件列表中某已注册的子插件的心跳报文，则从子插件列表中删除该子插件对应的所有信息。

若查询不到子插件心跳报文消失，则删除子插件列表中该子插件的所有信息，及时更新子插件列表，保证数据的及时更新。

进一步的，在主CPU插件更新子插件列表后，主CPU插件将子插件列表信息向上位机进行上传。

子插件列表信息在每次新子插件注册或者子插件删除后主CPU插件都会更新子插件列表，并将更新后的子插件列表信息向上位机进行上传，子插件列表信息形成与对应子插件构成相应的数据模型，该数据模型由上位机掌握，用于上位机从外部进行控制。

一种子插件，包括总线接口、处理器以及存储器，处理器运行存储在存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：

通过其总线接口向主CPU插件发送心跳报文，心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

收到主CPU插件召唤属性信息的命令后，通过其总线接口向主CPU插件发送其属性信息。

子插件向主CPU插件上传其心跳报文以及属性信息，主CPU插件即可识别该子插件，方法简单实用，实现了子插件的即插即用。

附图说明

图1是现有技术中背板与采集插件之间的连接示意图；

图2是本发明背板插座连接原理图；

图3是本发明主CPU插件的结构示意图；

图4是本发明子插件的结构示意图；

图5是本发明采集与控制信号的方法实施例的流程图。

具体实施方式

采集与控制信号的方法实施例：

实施本发明的方法实施例涉及的装置如图2所示，包括背板(图中未画出)，一个主CPU插件和六个子插件，以及一个电源插件。

背板上设有CAN总线(包括Can-H和Can-L)和电源总线(包括+5V电源线和地线GND)；背板上还可以设置对时总线(由于与本发明的实施例无关，因此未画出)。背板上设置有八个插座(即插槽)，其编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8，如表1所示，电源插件对应连接插座1，主CPU插件对应连接插座2，1#开入插件对应连接插座3，1#开出插件对应连接插座4，1#模拟量插件对应连接插座5，2#开入插件对应连接插座6，2#开出插件对应连接插座7，2#模拟量插件对应连接插座8。一个电源插件、一个主CPU插件和六个子插件分别插入上述对应的插座中。

电源插件向电源总线提供不同电压等级的电压，各插座的电源管脚连接到电源总线上，以保证其他各插件具备正常工作的条件。

本发明的方法，实施的主体为主CPU插件和子插件，即本发明的方法主要体现了主CPU插件与子插件进行信息交互的过程，因此下面对CPU插件和子插件进行详细说明。

主CPU插件以及子插件的结构如图3、图4所示，主CPU插件包括主控制模块CPU、与CAN总线连接的CAN接口、与电源总线连接的电源接口、地址接口；子插件包括子控制模块子CPU、与CAN总线连接的CAN接口、与电源总线连接的电源接口、地址接口；主控制模块CPU、子控制模块子CPU均配置有相应的主CPU插件存储器和子插件存储器(图中未画出)。其中，地址接口如图2所示，每个插座的第一排5个管脚构成地址接口，如插座3的5个管脚中，后两个接高电平，其他接低电平；插座4的5个管脚中，中间第3个接高电平，其他接低电平，从而形成不同的地址编码。

表1各插件分配表

从图3、图4可知，主CPU插件和子插件的硬件结构，属于现有技术中常见的插件结构。需要说明的是，首先，在本实施例中，选择CAN总线作为各子插件数据交换的总线；作为其他实施方式，也可以选择其他串行总线，当然，此时主CPU插件以及子插件中的CAN接口也应该对应的进行改变以与总线一致。其次，关于插件地址设置方式，也不限于本实施例中方式，例如还可以采用拨码开关等方式进行设置。再有，电源插件的地址，主CPU插件的地址在本发明方法实施例中并不发挥作用(当然，并不排除在其他实施例中可以在信息交互中发挥作用)，仅为了标识插件之间的区别而列出。

主CPU插件的作用是对各子插件进行管控，子插件用于将采集数据信息通过子插件CAN接口上传至主CPU插件。

使上述主CPU插件和子插件区别于现有技术的，主要在于上述主CPU插件存储器和子插件存储器中存储的程序指令和数据。当主CPU插件和子插件运行所述的程序指令时，即可实现本发明方法实施例，下面具体介绍所述程序指令所实现的方法步骤。

由于利用了CAN总线，因此本发明的方法在实现具体的命令/数据接收/发送时，可以直接调用相应的CAN协议，而CAN总线的各种数据仲裁机制、优先级判别、校验、应答机制以及数据重发机制等属于现有技术，因此下文对此不进行赘述。基于本发明方法实施例，本领域技术人员可以轻松的将其移植到不同的总线协议和操作系统中。

采集与控制信号的方法过程如图5所示，具体过程如下，

(1)子插件通过其总线接口发送心跳报文，心跳报文中包括子插件的地址信息与子插件的状态信息，状态信息包括工作状态与非工作状态；心跳报文涉及的CANID定义如表2所示。

表2 11位CANID定义表

序号	位标示	备注
			0	Bit5—Bit0	信息地址域
1	Bit10-Bit6	控制功能域

信息地址域用于存储地址信息，控制功能域用于存储状态信息等其他类型的信息，本实施例中，心跳报文只包括了子插件的地址信息和状态信息，作为其他实施方式，心跳报文还可以不包括子插件的状态信息，子插件接收到命令后直接上传数据，只不过通过改变工作状态进行数据的上传更加安全，对于子插件的状态设定为，非工作状态下子插件只可以上传地址信息或者属性信息，工作状态下子插件可以进行数据上传。

(2)主CPU插件通过其总线接口获取各子插件的心跳报文。

(3)主CPU插件维护一个子插件列表，子插件列表用于记录所有已注册的子插件，子插件列表中至少存储有已注册的子插件的地址信息和属性信息，属性信息包括开入路数、开出路数、模拟量路数；对于获取的一个心跳报文(这里的一个心跳报文代表每一个子插件的心跳报文)，主CPU插件遍历子插件列表，查询心跳报文的地址信息，若不能查询到心跳报文的地址信息，则判断心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入子插件列表中，并且向新增的子插件发出召唤属性信息的命令。

主CPU插件周期性的收集所有子插件的心跳报文，遍历子插件列表，若查询不到子插件列表中某已注册的子插件的心跳报文，则从子插件列表中删除该子插件对应的所有信息，同时还删除该子插件对应的存储空间(子插件数据指针)。

如图5所示，主CPU插件每隔设定时间段(例如15s)判断一次，确定是有子插件的心跳报文消失或者是出现新增的心跳报文，本周期的具体时间在本发明中不做限制，可以根据需要进行调整。

(4)新增的子插件收到召唤属性信息的命令后，通过其总线接口发送其属性信息。

(5)主CPU插件获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册，主CPU插件还建立对应该已注册子插件的存储空间(子插件数据指针)；主CPU插件向已注册的子插件发送召唤数据的命令(此命令是上位机向主CPU插件下发的)，可以通过改变子插件的状态进行数据传输，也可以直接进行数据传输。

(6)在主CPU插件更新子插件列表后，将子插件列表信息向上位机进行上传，使得上位机进行外部控制。

本实施例中，不仅判断子插件的新增还判断子插件的消失，判断子插件消失的主要作用在于，避免列表信息过多导致系统运行过慢。如果不考虑子插件的消失，也可以不设置关于子插件消失的控制过程。

举例来说：初始状态下，已有很多子插件连接对应的插座，比如：1#开出插件连接插座4，1#模拟量插件连接插座5，2#开入插件连接插座6，2#开出插件连接插座7，2#模拟量插件连接插座8，这些子插件都在上传各自的心跳报文。每个子插件周期性(周期为3秒)向主CPU插件发送心跳报文。主CPU插件收集了15s内的心跳报文后，然后判断是否是新增子插件或者有子插件消失。

某个时刻，1#开入插件插入插座3，此时：

1)1#开入插件在电源总线的支持下，上电运行；

2)1#开入插件通过1#开入插件的CAN总线接口发送心跳报文，心跳报文中包含1#开入插件的地址信息以及状态信息，地址信息为00010；

3)主CPU插件通过主CPU插件的CAN总线接口获取1#开入插件的心跳报文；

4)主CPU插件维护主CPU插件内部已存在的一个子插件列表，子插件列表包含1#开出插件、1#模拟量插件、2#开入插件、2#开出插件、2#模拟量插件的地址信息以及属性信息，对于获取的1#开入插件的心跳报文，主CPU插件遍历子插件列表，查询1#开入插件的心跳报文的地址信息，由于1#开入插件的地址信息以及属性信息不在子插件列表中，因此查询不到1#开入插件心跳报文的地址信息，则判断1#开入插件为新增的子插件，然后主CPU插件将1#开入插件的地址信息加入子插件列表中，并且向1#开入插件发出召唤属性信息的命令；

5)1#开入插件收到召唤属性信息的命令后，通过其CAN接口发送其属性信息，1#开入插件属性信息包括开入路数为12路，开出路数为0，模拟量路数为0；

6)主CPU插件获取1#开入插件的属性信息后，加入到子插件列表中，完成1#开入插件的注册，注册完成后，主CPU插件还建立1#开入插件的存储空间；

7)此时主CPU插件完成子插件列表的更新，子插件列表包含1#开入插件、1#开出插件、1#模拟量插件、2#开入插件、2#开出插件、2#模拟量插件的地址信息以及属性信息，并将更新后的子插件列表信息向上位机进行上传，子插件列表信息构成相应的数据模型(表示多个子插件的组合形式)，该数据模型由上位机掌握，用于上位机从外部进行控制；

8)上位机接收到新的子插件列表信息，向主CPU插件下达获取1#开入插件的数据信息的指令，之后主CPU插件向1#开入插件发送召唤数据的命令，主CPU插件控制1#开入插件为工作状态，1#开入插件可以进行数据上传，主CPU插件接收数据后，可以根据1#开入插件的属性信息对接收到的数据进行解析。

某个时刻，1#开出插件拔出插座4，此时：

1)主CPU插件周期性(周期为15s)的判断所收集的所有子插件的心跳报文，遍历子插件列表，子插件列表包含1#开入插件、1#开出插件、1#模拟量插件、2#开入插件、2#开出插件、2#模拟量插件的地址信息以及属性信息，当1#开出插件从装置的插座端子4中拔出时，则所收集到的心跳报文中找不到列表中1#开出插件的心跳报文；

2)查询不到1#开出插件的心跳报文时，将1#开出插件的注册信息从子插件列表中删除，同时释放1#开出插件在主CPU插件中的存储空间；

3)删除1#开出插件的注册信息后更新子插件列表信息，此时子插件列表包含1#开入插件、1#模拟量插件、2#开入插件、2#开出插件、2#模拟量插件的地址信息以及属性信息，并将更新后的子插件列表信息向上位机进行上传，子插件列表信息构成相应的数据模型(表示多个子插件的组合形式)，该数据模型由上位机掌握，用于上位机从外部进行控制。

主CPU插件实施例：

主CPU插件的结构组成以及主CPU插件的具体工作过程在上述采集与控制信号的方法的实施例中已经介绍，这里不做赘述。

子插件实施例：

子插件的结构组成以及子插件的具体工作过程在上述采集与控制信号的方法的实施例中已经介绍，这里不做赘述。

本发明主CPU插件通过获取各子插件的心跳报文，并且对心跳报文进行判断后即可识别该子插件，方法简单实用，实现了子插件的即插即用。

Claims (10)

1.一种采集与控制信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)子插件通过其总线接口发送心跳报文，所述心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

(2)主CPU插件通过其总线接口获取各子插件的心跳报文；

(3)主CPU插件维护一个子插件列表，子插件列表用于记录所有已注册的子插件，所述子插件列表中至少存储有已注册的子插件的地址信息和属性信息；对于获取的一个心跳报文，主CPU插件遍历所述子插件列表，查询所述心跳报文的地址信息，若不能查询到所述心跳报文的地址信息，则判断所述心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入所述子插件列表中，并且向所述新增的子插件发出召唤属性信息的命令；

(4)所述新增的子插件收到所述召唤属性信息的命令后，通过其总线接口发送其属性信息；

(5)主CPU插件获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册。

2.根据权利要求1所述的采集与控制信号的方法，其特征在于，所述心跳报文还包括子插件的状态信息，所述状态信息包括工作状态与非工作状态；主CPU插件向已注册的子插件发送召唤数据的命令，召唤数据的命令包括改变对应子插件的状态信息的部分。

3.根据权利要求1或2所述的采集与控制信号的方法，其特征在于，主CPU插件根据设定时间段内收集所有子插件的心跳报文，遍历所述子插件列表，若查询不到子插件列表中某已注册的子插件的心跳报文，则从所述子插件列表中删除该子插件对应的所有信息。

4.根据权利要求3所述的采集与控制信号的方法，其特征在于，对于完成注册的子插件，主CPU插件还建立对应该已注册子插件的存储空间；在从子插件列表中删除子插件对应的所有信息时，还释放该子插件对应的存储空间。

5.根据权利要求3所述的采集与控制信号的方法，其特征在于，所述采集与控制信号的方法还包括在主CPU插件更新所述子插件列表后，将子插件列表信息向上位机进行上传的步骤。

6.一种主CPU插件，包括处理器、存储器和总线接口，其特征在于，所述处理器运行存储在所述存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：

通过其总线接口获取各子插件的心跳报文，所述心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

维护一个子插件列表，子插件列表用于记录所有已注册的子插件，所述子插件列表中至少存储有已注册的子插件的地址信息和属性信息；对于获取的一个心跳报文，主CPU插件遍历所述子插件列表，查询所述心跳报文的地址信息，若不能查询到所述心跳报文的地址信息，则判断所述心跳报文对应的子插件为新增的子插件，然后主CPU插件将新增的子插件的地址信息加入所述子插件列表中，并且向所述新增的子插件发出召唤属性信息的命令；

获取新增的子插件的属性信息后，加入到子插件列表中以完成新增的子插件的注册。

7.根据权利要求6所述的主CPU插件，其特征在于，所述心跳报文还包括子插件的状态信息，所述状态信息包括工作状态与非工作状态；所述主CPU插件向已注册的子插件发送召唤数据的命令，召唤数据的命令包括改变对应子插件的状态信息的部分。

8.根据权利要求6或7所述的主CPU插件，其特征在于，所述主CPU插件根据设定时间段内收集所有子插件的心跳报文，遍历所述子插件列表，若查询不到子插件列表中某已注册的子插件的心跳报文，则从所述子插件列表中删除该子插件对应的所有信息。

9.根据权利要求8所述的主CPU插件，其特征在于，在所述主CPU插件更新所述子插件列表后，主CPU插件将子插件列表信息向上位机进行上传。

10.一种子插件，包括总线接口、处理器以及存储器，其特征在于，所述处理器运行存储在所述存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：

通过其总线接口向主CPU插件发送心跳报文，所述心跳报文中至少包括子插件的地址信息；

收到主CPU插件召唤属性信息的命令后，通过其总线接口向所述主CPU插件发送其属性信息。