CN109634230B - 一种信号采集与控制装置及其业务配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号采集与控制装置及其业务配置方法，适用于工业控制领域，其中该方法包括以下步骤：(1)获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据；(2)根据硬件类型数据确定对应的硬件类型的配置信息；(3)根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，并根据需要运行的业务处理单元确定配置信息中对应的业务管脚配置信息，驱动指定管脚完成信号的采集与控制。通过不同类型采集业务的要求，形成不同采集对象类型的业务处理单元的配置信息，动态注册相应业务处理单元，实现业务处理能力的柔性定制，降低了软硬件的耦合度，提高信号采集与控制装置的业务适应能力。

Description

一种信号采集与控制装置及其业务配置方法

技术领域

本发明涉及一种信号采集与控制装置及其业务配置方法，适用于工业控制领域。

背景技术

目前，在工业控制领域，可编程逻辑控制器应用广泛。可编程逻辑控制器是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。对用户而言，PLC的应用简单方便。

现有信号采集与控制装置一般是由电源插件、CPU插件、背板、实现各类采集控制功能的插件组成。电源插件通过背板以及电源插件与背板的连接器提供统一的工作电源。各类采集控制功能的插件与CPU插件连接方式有两种：其一、各信号采集插件负责前端数据采集，并通过背板，将信号变换的结果以电平方式输入到CPU插件的管脚上，控制输出由CPU插件输出管脚通过背板线连接到控制输出插件，进而完成装置的控制功能；其二、各信号采集插件本地完成信号采集处理，并通过背板数据总线，将采集数据以数据通信方式送到CPU插件上，由CPU插件根据业务需要进行必要的二次处理，信号控制插件接收CPU插件通过背板通信总线发出的输出命令，对信号对象进行控制输出。

不论信号采集与控制插件与CPU插件采取哪一种连接方式，单个信号采集与控制插件的软件设计都要基于插件本身具备的功能以及信号采集与控制对象的多少来进行软件定制的实现。采集信号的对象性质和对象数量的多少一般是不一致，目前通常做法是按照采样对象的性质和对象数量的多少进行软件定制，如包括开关量采集插件、模拟量采集插件、开关量输出插件，此外还包括一些特殊功能的插件，而每一类插件会因对象的多少形成不同类型的插件，如开关量输入插件就包含8个开关量、16个开关量以及32个开关量等几类插件。由于插件型号种类繁多，因此如果继续采用软件定制模式，其对应软件开发工作量巨大，软件开发效率底下。另外不同采集对象不能在同一个插件中实现，会导致采样对象类别不同而占有更多插槽位置，不利于装置小型化目标的实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信号采集与控制装置及其业务配置方法，用于解决现有的信号采集与控制装置的采集方式的配置方法的工作量巨大，效率比较低的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种信号采集与控制装置及其业务配置方法。

一种信号采集与控制装置的业务配置方法，包括以下步骤：

(1)获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据；

(2)根据硬件类型数据确定对应的硬件类型的配置信息；

(3)根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，并根据需要运行的业务处理单元确定配置信息中对应的业务管脚配置信息，驱动指定管脚完成信号的采集与控制。

通过不同类型采集业务的要求，形成不同采集对象类型的业务处理单元的配置信息，比如：开入量采集管脚、模拟量采集管脚、开出量控制管脚以及特殊模块的配置信息，然后注册相应的业务处理单元，并配置与业务处理单元相应的业务管脚，驱动指定管脚运行，通过业务处理单元和对应的管脚完成信号的采集与控制，实现业务处理能力的柔性定制以及业务处理的多样化，降低了软硬件的耦合度，提高信号采集与控制插件的业务适应能力，能够满足各种差异性较大的信号采集与控制装置的研发和维护需求。另外，管脚可以根据业务处理单元进行配置，不管采样对象类别是否不同，均可以利用相同的管脚，无需占有比较多的插槽位置，有利于装置小型化目标的实现。

进一步的，根据硬件类型数据使用遍历查询方式确定对应的硬件类型的配置信息。

遍历查询是将获取的硬件类型数据与配置模块中的硬件类型数据进行一一比对，是现在比较普遍，准确率高的一种查询方式，因此采用这种方式进行查询可以进一步的提高准确率。

一种信号采集与控制装置，包括应用模块和配置模块，应用模块包括至少两种业务处理单元，配置模块包括配置信息，配置信息包括各业务处理单元对应的业务管脚配置信息，应用模块获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据，并根据硬件类型数据匹配到配置模块中的对应硬件类型的配置信息并加载，配置模块根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，每个运行的业务处理单元根据配置信息中对应的业务管脚配置信息驱动指定管脚完成信号的采集与控制。

通过不同类型采集业务的要求，形成不同采集对象类型的业务处理单元的配置信息，比如：开入量采集管脚、模拟量采集管脚、开出量控制管脚以及特殊模块的配置信息，然后注册相应的业务处理单元，并配置与业务处理单元相应的业务管脚，驱动指定管脚运行，通过业务处理单元和对应的管脚完成信号的采集与控制，实现业务处理能力的柔性定制以及业务处理的多样化，降低了软硬件的耦合度，提高信号采集与控制插件的业务适应能力，能够满足各种差异性较大的信号采集与控制装置的研发和维护需求。另外，管脚可以根据业务处理单元进行配置，不管采样对象类别是否不同，均可以利用相同的管脚，无需占有比较多的插槽位置，有利于装置小型化目标的实现。

进一步的，应用模块还包括公用业务单元，所述公用业务单元包括硬件类型获取单元、对时单元和通信单元，通过硬件类型获取单元获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据，在匹配到对应的硬件类型的配置信息并加载之后，对时单元和通信单元开始运行。

公共业务单元用于处理各业务处理单元的公用业务，因此将公用业务单元单独分类，在进行不同类型插件运行时减少需要匹配的耦合度，进一步的信号采集与控制装置的业务适应能力。

进一步的，应用模块根据硬件类型数据使用遍历查询方式确定对应的硬件类型的配置信息。

遍历查询是将获取的硬件类型数据与配置模块中的硬件类型数据进行一一比对，是现在比较普遍，准确率高的一种查询方式，因此采用这种方式进行查询可以进一步的提高准确率。

进一步的，应用模块中的业务处理单元包括模拟量采集单元、开入量采集单元以及开出量输出单元，模拟量采集单元对应的业务管脚配置信息为模拟量采集管脚配置信息，开入量采集单元对应的业务管脚配置信息为开入量采集管脚配置信息，开出量输出单元对应的业务管脚配置信息为用于输出控制信号的开出量输出管脚配置信息。

一般情况下业务处理单元基本上包括模拟量采集单元、开入量采集单元以及开出量输出单元，当然特殊情况下也可以包括特殊定制单元，同样在配置模块中对应的包含各业务处理单元的配置信息，如果改变业务处理单元，只需改变配置模块中的配置信息即可，方法简单，实用性强。

附图说明

图1为本发明信号采集与控制装置的软件构架的一种具体的实施方式图；

图2为本发明信号采集与控制装置工作流程图；

图3为本发明NDY-8200插件的硬件类型数据图；

图4为本发明NDY-8200插件的模拟量采集配置数据图；

图5为本发明NDY-8200插件的开入量采集配置数据图；

图6为本发明NDY-8200插件的控制量开出配置数据图。

具体实施方式

信号采集与控制装置实施例：

如图1所示，信号采集与控制装置包括应用模块和配置模块，应用模块包括至少两种业务处理单元，比如：模拟量采集单元、开入量采集单元、开出量输出单元(也可以称为控制量开出单元或者开出量控制单元)以及特殊定制的业务单元，配置模块包括配置信息，配置信息包括各业务处理单元对应的业务管脚配置信息，比如：与模拟量采集单元对应的模拟量采集管脚配置信息、与开入量采集单元对应的开入量采集管脚配置信息、与控制量开出单元对应的用于输出控制信号的开出量输出管脚配置信息，与特殊定制的业务单元对应的特殊定制单元注册配置信息等等。

当然，为了保证信号采集与控制装置的可靠运行，应用模块还包括公用业务单元，公用业务单元包括硬件类型获取单元、对时单元、通信单元、运行状态单元等等。

对应的，在本实施例中，应用模块的各业务处理单元以及公用业务单元的实体化相关参数为配置模块中相关的硬件配置信息以及相关注册信息数据。公用业务单元所涉及到的实体的硬件配置信息均在应用模块中定义。

上述中，应用模块根据实际可能需要完成的各种采集控制业务，分别形成模拟量采集、开入量采集以及控制量开出等基本业务处理单元，这些基本采集业务单元是以采集对象不同而设置。当然，对于业务处理单元的数量，可以根据实际需要进行设置，可以是上述所述的业务处理单元中的两个或者三个，只是可以实现实际需要的功能即可，业务处理单元的数量以及类型不做限制。图1中业务处理资源库是各种采集业务类型处理逻辑集合的统称，与各类采集对象的管脚配置数据共同形成实例化的数据采样处理对象，而多个同类实例化的数据采样处理对象共同构成各类型业务处理单元。

同时，应用模块与配置模块中的各单元实现方式本发明不做限制，只要可以实现相应的功能即可。

本装置应用模块中各业务处理单元所获得采样数据的发布或者外部控制信号的接收，均通过公用业务单元中的通信单元来实现。公用业务单元中的通信单元包括通信协议，并且通信协议是直接调用现有的通信协议，因此，下文对此不进行赘述，但是其定义的通信协议应至少具备以下特征：

1.在发送任何数据时应包含该插件特殊唯一信息，以表明该数据包的来源；

2.在接收数据时应接收与本插件特殊唯一信息相符的数据命令包。

配置模块采用了结构体数量+配置数据对象结构模式，每一个配置数据对象是一个具体插件配置数据，配置数据对象至少包括模拟量采集管脚配置信息、开入量采集管脚配置信息、开出量输出管脚配置信息、特殊定制单元注册配置信息。

配置模块为了控制配置数据的大小，将各类型功能管脚按实际应用可能出现的最大值进行设置，开放管脚的使能配置及各管脚的具体数据配置接口，对业务所需的管脚进行配置即可。配置模块特征如下：

1.配置数据对象使用二进制数据形式表征映射各类型硬件的配置信息，配置数据对象结构体中的一个成员映射一种采样类型硬件的配置数据；

2.配置模块中各配置数据对象均具备唯一的硬件ID(也可以称硬件类型数据)，不允许两个配置数据对象拥有同一个硬件ID。

本装置中，应用模块和配置模块均可通过集成软件开发工具进行单独编译，两者存放于不同的ROM地址，并且应用模块需要知晓配置模块存放的起始地址，但是，由于配置模块的数据为二进制数据，因此配置模块可使用特定的集成软件开发工具编译生成相关数据文件，也可使用可视化的配置工具完成配置数据文件。

本装置的具体工作流程如图2所示，以下对此进行详细的介绍：

1)当本装置上电以后，应用模块与配置模块即可自动加载，本装置开始工作；

2)应用模块通过各实体的硬件配置信息完成公用业务单元中的相关实体的初始化，通过硬件类型获取单元获取到硬件类型数据，使用遍历查询方式匹配到配置模块中对应硬件类型的配置信息并加载，最终结合应用模块中的公用配置信息，完成相关硬件的初始化工作。若匹配成功，进行匹配成功的相关实体的初始化，若未查询到所需插件类型，则直接进入业务处理单元，只完成公用配置部分的初始化，而不进行采集控制业务处理所需的相关硬件初始化；

3)相关实体的初始化完成之后，进入业务处理流程，对时单元、通信单元等公用业务单元相继开始运行；

4)启动业务处理单元开始运行，配置模块中设置有各业务处理单元的注册信息，用于注册相关的业务处理单元，那么，模拟量采集、开入量采集以及控制量开出等需要定制的业务处理单元根据配置模块中业务处理单元的配置信息和注册信息，决定哪些业务处理单元需要运行，然后注册需要运行的业务处理单元，并运行这些业务处理单元；

5)每个运行的业务处理单元根据配置模块中的对应业务管脚配置信息，驱动指定管脚完成信号的采集与控制，其中，模拟量和开入量分别通过配置的模拟量和开入量采集管脚输入采集信号，而开出量通过配置的开出量管脚输出控制信号；

6)信号采集与控制装置将采集和控制信号经过应用处理之后，按照特殊协议驱动通信单元与外部设备通信。将采集到的数据信息发送出去，被外部设备所获取，同时接收外部设备的控制命令，由业务处理单元处进行控制输出。

因此，通过以上工作流程，信号采集与控制装置具备插件类型的自动识别匹配、动态注册相应业务处理单元、动态加载管脚配置以及特殊模块配置信息的能力，能够满足各种差异性较大的信号采集与控制装置的研发和维护需求。

以下以具体插件为例对信号采集与控制方法进行详细说明。

以NXP公司的基于ARM Cortex-M4内核CPU(MKE18F512LL16)为信号采集与控制装置的处理器插件，MKE18F512LL16具备以下基本功能：

1)3个ADC采样模块(模拟量采集单元)，单个ADC具备接入16个通道，采样速度大于2us/路；

2)至少具备64个可设置开入开出GPIO管脚(开入量采集管脚以及开出量控制管脚)；

3)具备CAN、UART通信能力；

4)具备160MHz处理能力，内嵌64K RAM以及512K ROM硬件。该CPU能充分满足采集对象类型以及采集对象路数的要求。

应用模块中公用业务单元至少包括以下内容：

1)CAN通信模块(通信单元)及管脚配置；

2)硬件ID开入(硬件类型获取单元)管脚配置；

3)B码对时输入模块(对时单元)及管脚配置。

配置模块中配置的信息包括：

1)模拟量采集管脚配置信息，按照其最大配置3个ADC、48个采样通道配置；

2)开入量采集管脚配置信息，开入通道按照最大配置，采用32路配置；

3)开出量输出管脚配置信息，开出通道按照最大配置，采用64路配置；

4)硬件类型数据，包括本板卡硬件ID信息、附加信息(日期、时间、CRC等)。

以NDY-8200插件为例，该插件的硬件类型如图3所示，其包括如图4所示的16路模拟量采集管脚，如图5所示的28路开出量输出管脚以及如图6所示的10路数字量采样管脚(即开入量采集管脚)。

该插件上电后完成两部分工作，一个是硬件(各管脚配置)初始化，另一个是进行处理。

硬件初始化包含公用硬件初始化和定制硬件初始化，步骤如下：

1)根据公用业务单元的中硬件ID开入管脚配置初始化硬件管脚，获取该硬件的硬件类型数据为0x0000000f；

2)初始化CAN通信模块管脚配置、串口、以及B码对时输入管脚配置，进一步的对硬件进行初始化；

3)应用模块从配置模块的存放起始地址0x40000中获取配置数据对象个数，并从配置信息起始地址0x40004开始获取第一个配置信息，通过配置类型数据中硬件类型ID与本插件硬件类型0x0000000f进行匹配查找。如果未查找配置数据对象时，硬件初始化工作全部结束，否则将配置对象数据拷贝到应用模块的内存对象中；

4)通过已获取到的配置信息，完成模拟量采集管脚以及相应的模拟量采集管脚的采样硬件模块的初始化工作，并进一步记录模拟量采样业务模块是否需要注册运行；

5)通过已获取到配置信息，完成数字量采样管脚和开出量输出管脚硬件的初始化工作，并进一步记录相关业务模块是否需要注册运行，硬件初始化工作全部结束。

处理流程分为公用业务处理和业务处理，根据本实施例配置信息，业务处理包括模拟量采集、开入量采集和开出量控制。

处理流程步骤如下：

1)B码对时输入模块，周期性读取对时管脚状态，根据对时编码规则，获取对时信息，更新本地时钟；

2)串口调试模块，接收串口数据，根据通信协议，响应相关命令处理并发送相关串口数据；

3)通过已配置的模拟量采集管脚获取采样数据，按照既定存放规则，存放到指定数据缓冲区；

4)通过已配置的开入量采集管脚获取开入状态，获取本次开入变化数据，更新开入量缓冲区数据，如果本次数据发送变化，进一步获取当前时标，按照指定格式，将变位数据和变位时标打包提交到通信模块的发送队列缓冲区；

5)CAN通信模块按照设定规则，周期性从模拟量(或者开入量)采样缓冲区获取采样数据，并根据实际管脚个数，将模拟量(或者开入量)数据打包并提交到CAN通信模块发送队列中，CAN通信模块周期性将发送队列数据发送出去；

6)CAN通信模块接收到外部控制命令，经过特殊处理策略，形成最新控制数据，驱动控制量开出管脚进行开出控制。

当面临使用其他类型的插件时，以NCK-8302为例，该插件硬件ID为0x00000001，且只具有14路开入量采集管脚。配置模块中与该插件对应的配置信息有所差异，具体表现为：插件的硬件类型数据为0x00000001、业务处理信息只包括14路开入量采集管脚配置信息。当该插件接入背板总线之后，重复上述插件工作流程，加载该插件类型的配置信息，实现配置模块的自动加载和匹配。

当该插件接入背板总线之后，重复上述硬件初始化和业务调用处理流程，差异之处体现为下面几点：

1)初始化时与本插件硬件类型数据为0x00000001，与此数据进行匹配查找，并将配置对象数据拷贝到应用模块的内存对象中；

2)通过已获取到的配置信息，仅注册运行开入量采集业务，只对开入量采集管脚进行硬件初始化；

3)业务处理时仅完成开入量的采集，更新开入量缓冲区数据，并将变位数据打包提交到CAN通信模块的发送队列缓冲区内；

4)CAN通信模块从开入量采样缓冲区周期性获取采样数据，打包提交至CAN通信模块发送队列中并发送出去。

上述差异化信息仅在于配置模块，应用模块中的初始化和处理流程不变，因此当新增插件类型或者修改已有插件类型的配置信息时，只需要更换配置模块即可完成定制。插件在上电后自动完成对应定制配置信息的加载和匹配，并进行业务处理，实现本装置的采集与控制功能。

信号采集与控制装置的业务配置方法实施例：

信号采集与控制装置的业务配置方法，包括以下步骤：

(1)获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据；

(2)根据硬件类型数据确定对应的硬件类型的配置信息；

(3)根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，并根据需要运行的业务处理单元确定配置信息中对应的业务管脚配置信息，驱动指定管脚完成信号的采集与控制。

具体该业务配置方法的实施过程在上述信号采集与控制装置实施例中已经详细介绍，这里不做赘述。

Claims (5)

1.一种信号采集与控制装置，其特征在于，包括应用模块和配置模块，应用模块包括至少两种业务处理单元，配置模块包括配置信息，配置信息包括各业务处理单元对应的业务管脚配置信息，应用模块获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据，并根据硬件类型数据匹配到配置模块中的对应硬件类型的配置信息并加载，配置模块根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，每个运行的业务处理单元根据配置信息中对应的业务管脚配置信息驱动指定管脚完成信号的采集与控制；

所述应用模块还包括公用业务单元，所述公用业务单元包括硬件类型获取单元、对时单元和通信单元，通过硬件类型获取单元获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据，在匹配到对应的硬件类型的配置信息并加载之后，对时单元和通信单元开始运行。

2.根据权利要求1所述的信号采集与控制装置，其特征在于，所述应用模块根据硬件类型数据使用遍历查询方式确定对应的硬件类型的配置信息。

3.根据权利要求1所述的信号采集与控制装置，其特征在于，应用模块中的业务处理单元包括模拟量采集单元、开入量采集单元以及开出量输出单元，模拟量采集单元对应的业务管脚配置信息为模拟量采集管脚配置信息，开入量采集单元对应的业务管脚配置信息为开入量采集管脚配置信息，开出量输出单元对应的业务管脚配置信息为用于输出控制信号的开出量输出管脚配置信息。

4.一种专用于权利要求1所述装置的信号采集与控制装置的业务配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取与接入的硬件类型相关的硬件类型数据；

(2)根据硬件类型数据确定对应的硬件类型的配置信息；

(3)根据硬件类型的配置信息中的业务处理单元注册信息确定需要运行的业务处理单元，注册需要运行的业务处理单元，并根据需要运行的业务处理单元确定配置信息中对应的业务管脚配置信息，驱动指定管脚完成信号的采集与控制。

5.根据权利要求4所述的信号采集与控制装置的业务配置方法，其特征在于，根据硬件类型数据使用遍历查询方式确定对应的硬件类型的配置信息。

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