CN109725568B

CN109725568B - 一种控制器扩展总线装置

Info

Publication number: CN109725568B
Application number: CN201811566036.0A
Authority: CN
Inventors: 赵晓宇; 方华松; 杨宝龙; 陈伟; 邱长青
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109725568A

Abstract

本发明公开了一种控制器扩展总线装置，包括主控模块、控制器扩展总线和多个扩展模块，所述的控制器扩展总线由RS485总线、SPI总线和快速保护线组成，所述的主控模块与扩展模块均通过总线隔离装置与控制器扩展总线连接，所述的总线隔离装置包括微控制器、RS485通信通路、SPI通信通路、快速保护通信通路和总线隔离器；本发明提高了控制器的扩展能力和通信速率、简化底板总线复杂度、提高了总线抗干扰能力，且成本低，易于实现。

Description

一种控制器扩展总线装置

技术领域

本发明属于自动化控制领域，尤其涉及PLC、工业控制器等控制装置的扩展总线装置。

背景技术

随着工业控制的发展，其对自动化水平要求也越来越高，这就导致越来越多的控制、采样信号等信号需要连至控制器。所以就要求控制器有很好的扩展性和更高的传输速率，以适应更多的场合。其中比较具有代表性的就是PLC（Programming LogicController）。

但目前众多的PLC扩展总线中都存在各自的问题：基于标准SPI的扩展方式中，一方面总线容易受干扰，另一方面每个模块对应一个片选使得总线复杂，扩展性受一定影响；基于CAN、I₂C等总线的通信速率又不够；基于CPLD等自定义协议，一方面成本较高，另一方面协议完整性很难保证，当系统出现故障时也很难实现快速保护。

且目前的多种总线中并不能保证数据的实时性，所以其不能用于实时控制。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种控制器扩展总线装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种控制器扩展总线装置，包括主控模块和通过控制器扩展总线与主控模块连接的多个扩展模块，多个扩展模块通过连接总线并联在控制器扩展总线上，实现与主控模块的电气连接，所述的控制器扩展总线由RS485总线、SPI总线和快速保护线组成，所述的主控模块与扩展模块均通过总线隔离装置与控制器扩展总线连接，扩展模块在发送数据时将总线隔离装置设为发送模式，在数据交互完成后将总线隔离装置设为接收模式，避免对总线产生影响，所述的总线隔离装置包括微控制器以及通过RS485通信通路、SPI通信通路和快速保护通信通路与微控制器连接的总线隔离器，所述的总线隔离器通过隔离芯片控制RS485总线、SPI总线和快速保护线的收发状态，屏蔽各个扩展模块对RS485总线、SPI总线和快速保护线的干扰，同时将SPI总线的单端信号转换成差分信号，以提高通信速率和抗干扰能力。

所述的一种控制器扩展总线装置，其RS485总线工作时以主控模块做主处理器，用于传输低速数据，并控制扩展模块的SPI片选信号，当片选信号为低电平时表示总线占用，片选信号为高电平时表示总线空闲，当某一模块作为从处理器发送数据时，将总线的片选信号电平拉低，否则拉高。

所述的一种控制器扩展总线装置，其SPI总线用于传输高速数据，工作时扩展模块SPI做主处理器，主控模块SPI做从处理器，其片选输出可采用RS485指令控制，也可采用令牌环控制方式。

所述的一种控制器扩展总线装置，其快速保护线默认为高电平，当系统中任一扩展模块出现严重故障，检测到故障信号时，将其快速保护线的电平拉低并通知主控模块进行保护动作，主控模块检测到低电平时进入保护模式，可实现控制系统的快速保护。

所述的一种控制器扩展总线装置，其RS485总线、SPI总线和快速保护线通过底板或板间连接器或连接端子或屏蔽线缆的形式与总线隔离装置连接。

所述的一种控制器扩展总线装置，其微控制器采用ARM类控制器、DSP或FPGA。

本发明的有益效果是：通过对标准SPI工作方式的改变，以RS485总线代替其片选信号，增加了总线的灵活性和扩展能力。同时提高了总线速率和抗干扰能力；采用标准总线实现简单、成本低；提高了SPI总线适应能力；且实现了高速数据与低速数据的分离，保证了数据的实时性，可用时实时控制场合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明总线隔离装置的功能框图；

图3是本发明SPI总线隔离功能的原理图；

图4是本发明RS485总线隔离功能的原理图。

各附图标记为：1—主控模块，2—控制器扩展总线，21—RS485总线，22—SPI总线，23—快速保护线，3—扩展模块，4—总线隔离装置，41—微控制器，42—总线隔离器。

具体实施方式

为了更加清楚的阐述本发明方案，下面结合附图和实例对发明内容进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体是实施例仅用于解释本发明，保护范围并不局限于所述实例。

参照图1所示，本发明公开的一种控制器扩展总线装置，包括主控模块1和通过控制器扩展总线2与主控模块1连接的多个扩展模块3，所述的控制器扩展总线2由RS485总线21、SPI总线22和快速保护线23组成，多个扩展模块3的RS485总线21、SPI总线22和快速保护线23通过连接总线并联在控制器扩展总线2上，实现与主控模块1的电气连接，其可采用底板形式，也采用板间连接器，或者连接端子都可以，为提高通信抗干扰能力，多采用线缆连接，应采用带屏蔽的线缆；所述的主控模块1与扩展模块3均通过总线隔离装置4与控制器扩展总线2连接，扩展模块3在发送数据时将总线隔离装置4设为发送模式，在数据交互完成后将总线隔离装置4设为接收模式，避免对总线产生影响，所述的总线隔离装置4包含微控制器41以及通过RS485通信通路、SPI通信通路和快速保护通信通路与微控制器41连接的总线隔离器42，所述的总线隔离器42通过隔离芯片控制RS485总线21、SPI总线22和快速保护线23的收发状态，屏蔽各个扩展模块3对各总线的干扰，同时将SPI总线22的单端信号转换成差分信号，以提高通信速率和抗干扰能力；其中微控制器41指能够实现SPI总线22和RS485总线21控制的控制器总称，可以使ARM类控制器、DSP、FPGA等等。

图2所示为发明总线隔离装置4的功能框图，SPI总线22通路和RS485总线21通路经过总线隔离器42后，将其单端信号转换成差分信号，用于提高通信的速率和抗干扰能力；由于片选信号并不属于高速信号，对通信质量不会造成影响，所以其仍采用单端传输方式。

本发明的RS485总线21工作时以主控模块1做主处理器，用于传输低速数据，并控制扩展模块3的SPI片选信号（片选指令），所有模块共用一个SPI片选信号，当片选信号为低电平时表示总线占用，片选信号为高电平时表示总线空闲，当某一模块作为从处理器发送数据时，将总线的片选信号电平拉低，否则拉高。其工作流程为：主控模块1首先通过RS485总线21依次向有高速数据需要与主控模块1交互的扩展模块3发送片选指令，扩展模块3收到主控模块1发出的片选指令后，启动SPI传输（作为主），拉低片选信号电平，之后主控模块1就可以与扩展模块3进行数据交互，完成高速数据交互后RS485接着进行低速数据的交互，直到下一个数据传输周期。

高速数据定义为控制器完成控制功能所需要实时获取的数据，当数据的获取速度达不到要求时将对控制性能产生一定的影响，其本身变化速度较快。如变频控制中的相关电流、电压信号。所以需要一定的机制来保证其通道畅通，本发明中所采用的SPI总线就是用于保证高速数据的畅通。

低速数据定义为控制器不需要实时获取的数据，一方面是其本身变化速度就比较慢，或者其获取速度并不影响控制性能。

在本发明中通过将两种数据分别传输，以提高控制系统的数据实时性，进而提高控制性能。通过此种方法实现了低速数据与高速数据的分别传输，可有效提高控制器的性能。

图3所示为SPI总线隔离功能的原理图，本实施例中采用DS92LV040ATLQA器件，其一方面将单元信号转换成差分信号，另一方面提供总线驱动，确保总线信号质量。DS92LV040ATLQA信号分为两组，分别受两个使能信号的控制。使能信号用于控制信号的传输方向，当设置为发送使能时，其才能够发送数据否则处于接收态，不会对总线产生影响。

本发明的SPI总线22用于传输高速数据，工作时扩展模块3的SPI做主处理器，主控模块1的SPI做从处理器，其片选输出可采用RS485指令控制，也可采用令牌环控制方式。

本发明的快速保护线23默认为高电平，当系统中任一扩展模块3出现严重故障，检测到故障信号时，将其快速保护线23的电平拉低并通知主控模块1进行保护动作。主控模块1检测到低电平时进入保护模式，可实现控制系统的快速保护。

图4所示为RS485总线隔离功能电路，其遵从标准RS485标准。总线支持三种工作模式，一是查询模式，二是中断模式，三是两种工作模式结合的兼容工作模式。

查询工作模式：此种工作模式下主控模块的RS485首先发送片选指令到相应扩展模块；扩展模块中的SPI为主，将片选线拉低发起数据传输，主控模块中SPI为从响应主的操作。这样依次对有高速数据的模块进行查询，之后RS485继续进行低速数据模块的操作，直到下一循环。

中断工作模式：此种工作模式下主控RS485不需要往各个扩展模块发送片选指令。有高速数据的扩展模块运行时一直监测片选信号线，当其要发送数据时若片选为低则表示总线被占用，其做延时等待，直到片选为高后延时一定时间（优先级越高延时越短），然后发起传输动作。此时仍是扩展模块SPI做主，主控模块SPI做从。此种模式下RS485与SPI总线没有任何耦合关系，RS485传输低速数据，SPI传输高速数据。

兼容工作模式：此种工作模式下，正常情况下系统工作在查询工作模式下，当系统中有紧急数据需要上传时，相应模块扩展中的SPI设置为中断工作模式。其需要上传数据时直接进行插队上传，确保数据的实时性。此种模式下处于中断模式的SPI模块不宜过多，否则应将系统设置为中断工作模式。

以上三种工作模式的选择应根据实际需求进行。

连接总线是指将主控模块和扩展模块进行互联的连接结构。在本实例中采用板间堆叠连接器，其也可以是底板、多芯连接器等实现此功能的连接器。由于总线隔离器已经具有信号隔离和抗干扰措施，所以此处不需加额外措施。

快速保护线用于实现系统的快速保护。在系统工作时，若某个扩展模块检测到系统中存在致命性故障，则其将立刻把快速保护线拉低，通知主控向各个模块发送故障指令。快速保护线为共享线，各个扩展模块都能将其拉低，其正常工作时为高电平。此设计不仅能实现系统的快速保护，还能协调模块间的保护动作，提高系统的可靠性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种控制器扩展总线装置，其特征在于：包括主控模块（1）和通过控制器扩展总线（2）与主控模块（1）连接的多个扩展模块（3），所述的控制器扩展总线（2）由RS485总线（21）、SPI总线（22）和快速保护线（23）组成，所述的主控模块（1）与扩展模块（3）均通过总线隔离装置（4）与控制器扩展总线（2）连接，扩展模块（3）在发送数据时将总线隔离装置（4）设为发送模式，在数据交互完成后将总线隔离装置（4）设为接收模式，所述的总线隔离装置（4）包括微控制器（41）以及通过RS485通信通路、SPI通信通路和快速保护通信通路与微控制器（41）连接的总线隔离器（42），所述的总线隔离器（42）通过隔离芯片控制RS485总线（21）、SPI总线（22）和快速保护线（23）的收发状态，屏蔽各个扩展模块（3）对其总线的干扰，同时将SPI总线（22）的单端信号转换成差分信号，所述的RS485总线（21）工作时以主控模块（1）做主处理器，用于传输低速数据，并控制扩展模块（3）的SPI片选信号，所有模块共用一个SPI片选信号，当片选信号为低电平时表示总线占用，片选信号为高电平时表示总线空闲，所述的SPI总线（22）用于传输高速数据，工作时扩展模块（3）SPI做主处理器，主控模块（1）SPI做从处理器，所述的快速保护线（23）默认为高电平，当系统中任一扩展模块（3）出现故障时，将其快速保护线（23）的电平拉低并通知主控模块（1）进行保护动作。

2.根据权利要求1所述的一种控制器扩展总线装置，其特征在于，所述的RS485总线（21）、SPI总线（22）和快速保护线（23）通过底板或板间连接器或连接端子或屏蔽线缆的形式与总线隔离装置（4）连接。

3.根据权利要求1所述的一种控制器扩展总线装置，其特征在于，所述的微控制器（41）采用ARM控制器、DSP或FPGA。