CN111522321A - 基于WiFi技术的智能电气控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于WiFi技术的智能电气控制器,涉及智能工业控制领域,其技术方案要点是:包括CPU模块、电源模块、后备电源模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块,普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块均与CPU模块通信连接;电源模块输出不同等级电压为CPU模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块提供电能;后备电源模块的输出端与CPU模块的后备电源输入端连接;通信模块包括CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块及Wi‑Fi通信模块,能够满足现有单片机项目针对不同的应用所需不同的硬件系统的需求,能够结合现有软件系统编写并上传不同的控制程序,使得开发周期短,利于项目的快速开发。
Description
技术领域
本发明涉及智能工业控制领域,更具体地说,它涉及基于WiFi技术的智能电气控制器。
背景技术
随着《中国制造2025》的提出,我国的工业体系逐步由自动化向智能化过渡。控制器也在向智能化发展,单片机以其高性价比的优势广泛应用于工业控制领域。但是在实际应用中往往需要针对不同的应用,开发不同的硬件,编写不同的控制程序,开发周期较长,不利于项目的快速开发。为此,研究设计一种智能、高效、适用性强的通用型电气控制器是我们目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于WiFi技术的智能电气控制器,能够满足现有单片机项目针对不同的应用所需不同的硬件系统的需求,能够结合现有软件系统编写并上传不同的控制程序,使得开发周期短,利于项目的快速开发。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:基于WiFi技术的智能电气控制器,包括CPU模块、电源模块、后备电源模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块,所述普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块均与CPU模块通信连接;
所述电源模块输出不同等级电压为CPU模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块提供电能;所述后备电源模块的输出端与CPU模块的后备电源输入端连接;
所述普通IO模块,其输入端可接受NPN信号或PNP信号任意一种输入,输出端的公共端可接24V直流设备、220V交流设备中任意一种;
所述高速IO模块,用于外部脉冲信号检测和输出脉冲信号;其输入端电路只接受NPN信号,并且输入信号幅度为24V、频率不大于100KHz;输出端电路可输出幅度为24V、频率不大于100KHz的方波信号;
所述通信模块包括CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块及Wi-Fi通信模块,CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块用于控制器与外部设备之间进行数据传输,Wi-Fi通信模块用于控制器接收上位机的远程控制任务及数据交换;
所述掉电检测及报警模块,掉电检测模块用于在控制器断电时将单片机中RAM中的数据保存到FLASH中,避免工作数据丢失;报警模块用于在控制器运行过程中出现故障时发出报警指示;
所述CPU模块,用于根据远程控制命令对控制器所接设备进行控制并将必要的数据通过Wi-Fi通信模块上传。
优选的,所述CPU模块包括SWD程序下载电路、时钟电路、复位电路以及状态指示电路。
优选的,所述电源模块包括沿电压输出方向依次连接的外部输入端口、电源滤波电路、5V电源模块、5V隔离模块、5V转3.3V模块;
所述电源滤波电路的另一输出端与输入输出接口电路连接;
所述5V电源模块的另一输出端与高速IO模块连接;
所述5V隔离模块的另一输出端与普通IO模块、通信模块连接;
所述5V转3.3V模块的输出端与CPU模块连接。
优选的,所述外部输入端口输入7-40V的直流电压。
优选的,所述普通IO模块通过继电器对控制器的外接设备进行控制;所述高速IO模块通过MOS管对控制器的外接设备进行控制。
优选的,所述普通IO模块包括普通DI单元和普通DO单元;所述普通DI单元通过LTV354交流输入光耦与CPU模块连接;所述普通DO单元通过ULN2803隔离驱动器与CPU模块连接。
优选的,所述普通DO单元输出端的公共端接24V高电平、0V低电平、220V交流电中的任意一种。
优选的,所述高速IO模块包括高速脉冲DI单元、高速脉冲DO单元;所述高速脉冲DI单元通过TLP109光电耦合器与CPU模块连接;所述高速脉冲DO单元通过ADuM1200隔离器与CPU模块连接。
优选的,所述CAN总线通信模块中的CAN总线接口通过隔离器接口集成电路IS01050与CPU模块的CAN控制器连接;所述RS485通信模块中的RS485接口通过ADM2587E隔离收发器与CPU模块的USART2串口连接;所述RS232通信模块中的RS232接口通过ADM3251E隔离收发器与CPU模块的USART1串口连接。
优选的,所述WiFi通信模块包括型号为STM32F103RGT6的单片机和Marvell88W8782无线模组,单片机控制Marvell88W8782无线模组以无线方式接入路由器,并将网络中的控制命令通过单片机的串口USART1传送给CPU模块的串口USART3。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:在分析了大量单片机应用项目的基础上,开发出了基于Wi-Fi技术的智能电气控制器,该控制器具备远程控制及数据传输功能;具备根据具体应用增加或减少输入输出点数的功能;普通输入端口具备接受NPN或PNP信号的特点;普通输出端口具备控制直流或交流的特点;高速输入端口具备接受幅值为24V,频率不高于100KHZ的脉冲信号的功能;高速输出端口具备输出幅值24V,频率不高于100KHZ的脉冲信号的功能;具备RS232、RS485、CAN总线通信功能,具备掉电数据保持和实时时钟功能,具备控制程序修改快速灵活的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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是本发明实施例中电气控制器系统结构图;
图2是本发明实施例中CPU模块结构图。
图3是本发明实施例中电源模块结构图;
图4是本发明实施例中电源模块原理图;
图5是本发明实施例中IO模块结构图;
图6是本发明实施例中普通IO模块原理图;
图7是本发明实施例中高速IO模块原理图;
图8是本发明实施例中掉电检测及报警模块原理图;
图9是本发明实施例中通信模块结构图;
图10是本发明实施例中WiFi通信模块结构图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图1-10及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
实施例:基于WiFi技术的智能电气控制器,如图1所示,包括CPU模块、电源模块、后备电源模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块,所述普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块均与CPU模块通信连接。所述电源模块输出不同等级电压为CPU模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块提供电能;所述后备电源模块的输出端与CPU模块的后备电源输入端连接。
如图2所示,CPU模块包括SWD程序下载电路、时钟电路、复位电路以及状态指示电路,使得CPU模块具有实时时钟功能,并可通过外接三菱PLC的软件开发平台GXWORK2控制程序快速灵活的修改。
如图3与图4所示,电源模块包括沿电压输出方向依次连接的外部输入端口、电源滤波电路、5V电源模块、5V隔离模块、5V转3.3V模块。电源滤波电路的另一输出端与输入输出接口电路连接。5V电源模块的另一输出端与高速IO模块连接。5V隔离模块的另一输出端与普通IO模块、通信模块连接。5V转3.3V模块的输出端与CPU模块连接。
电源模块可输出24V、5V、3.3V三种电压。其中,图4(a)部分的主要作用是滤波和保护电路,为整个控制器提供干净的24V电源。根据图4(a),外部直流电源7-40V(典型值24V)由图中+24V出输入,经过热敏元件NTC后进入保险丝F1,然后经过滤波电感L1后进入防接反二极管D01后通过330uF/50V电容输出VCC24V电压。其中,热敏元件NTC和保险丝F1的作用是当电路中电流大于1.1A时切断电路,对控制器起到保护作用。滤波电感L1的作用是滤除电源中的干扰,为控制器提供稳定的24V电源。二极管D01作用是防止电源反接,避免控制器受损。稳定的VCC24V接入控制器的输入输出接口电路的输入设备或输出设备接入端,保证接口电路正常工作。
图4(b)部分采用隔离电源模块,将内核模块与外部的电源隔离开。根据图4(b),+5V电压接入5V电源隔离模块F0505S-2WR2中,并连接必要的元器件后输出VCC5V电压,为CPU模块供电。此VCC5V电源与前述VCC24V和+5V电源是电气隔离的,避免CPU模块受到前述电源干扰。
根据图4(d),另外,VCC24V接入开关电源LM2576-5.0芯片中,连接必要的外围元件后输出+5V电压,为通信模块各芯片供电。
前述图4(d)中输出+5V电源同时接入图4(c)中的H1117-3.3V电源芯片中,并连接必要的元器件后输出3.3V电压,为输入输出接口电路的CPU接入端供电,保证接口电路正常工作。其中,D31和D51二极管具有防止电源接反的作用;C31是0.47mF/5.5V的超级电容,主要作用是控制器断电时使用超级电容中存储的电能将RAM中数据存储到FLAHS中,即掉电存储功能是靠此电容器实现的。
如图6与图7所示,普通IO模块通过继电器对控制器的外接设备进行控制。高速IO模块通过MOS管对控制器的外接设备进行控制。
如图5与图6所示,图6(a)是普通DI单元原理图,图6(b)普通DO单元原理图。普通IO模块用于输入端接受NPN信号、PNP信号任意一种输入,以及输出端的公共端接直流设备、交流设备中任意一种。普通IO模块包括普通DI单元和普通DO单元。普通DI单元通过LTV354交流输入光耦与CPU模块连接。普通DO单元通过ULN2803隔离驱动器与CPU模块连接。
普通DI单元的实现电路图如图6(a)所示,此电路是22路DI模块中的一路,其余21路电路与此电路相同,只是接入单片机时分配的输入引脚不同。图中R254和R255都为0欧电阻,不能同时焊接,否则造成电源短路。当外部输入信号为NPN信号时,将R255焊接,R254不焊接;当外部输入信号为PNP信号时,将R254焊接,R255不焊接;OP25为交流双向光耦LTV354T,既可以起到电气隔离的作用又可以实现NPN和PNP信号的输入。PG1/X25与CPU模块中的PG1引脚连接。
普通DO单元的实现电路图如图6(b)所示,此电路是12路DO模块中的一路,其余11路电路与此相同,只是接入单片机时分配的输入引脚不同。图中ULN2803A是8路隔离驱动器,每路驱动电流500mA,用于与CPU模块电气隔离,并驱动继电器K00,PD5/Y00-PA8/Y07分别于单片机IO口相接,RELAY00-RELAY07分别于对应的继电器线圈及指示灯相连接,COM00为公共端口,Y00与外部负载相接。输出继电器采用富士通公司的F3AA024E继电器,线圈输入电压24V,输出即可以驱动直流驱动器,也可以驱动交流驱动器;最大电流3A。
在本实施例中,普通DO单元输出端的公共端接24V高电平、0V低电平、220V交流电中的任意一种。
如图5与图7所示,图7(a)为高速脉冲输入电原理图,图7(b)为高速脉冲输出隔离电原理图,图7(c)高速脉冲输出驱动电原理图。高速IO模块包括高速脉冲DI单元、高速脉冲DO单元。高速脉冲DI单元通过TLP109光电耦合器与CPU模块连接。高速脉冲DO单元通过ADuM1200隔离器与CPU模块连接。
高速DI单元的实现电路图如图7(a)所示,此电路是2路高速DI模块中的一路。该电路只能接受NPN信号不能接受PNP信号。图中OP01为高速光耦TLP109,既可以起到电气隔离的作用又可以实现NPN信号的输入。PG5/X01与CPU模块中的PG5引脚连接。
高速DO单元的实现电路图如图7(b)和7(c)所示,此电路是4路高速DO模块中的一路。图7(b)的作用是实现CPU模块和输出驱动电路的电气隔离,它采用Analog Devices公司的双通道数字隔离芯片ADuM1200ARZ。根据数据手册,该芯片的隔离电压为25KV,数据传输速率最高可达25Mbp;图7(c)的作用是驱动外部电路正常工作,它采用美国ONSemiconductor公司的MJD122达林顿功率三极管驱动外部电路。根据数据手册,该芯片最大可输出8A电流,电平转换时间与输出电流有关系,最大转换时间<3us,因此,理论转换速率可达300KHz左右。
如图8所示,掉电检测及报警模块主要功能是当控制器断电时将单片机中RAM中的数据保存到FLASH中,以便重新上电后能够恢复原来数据。
图中R1和R2对VCC24V分压,OP1是普通光耦TLP181,当电源VCC24V存在时,光耦导通,单片机引脚PA0输入低电平,当电源消失时,光耦截至,单片机引脚PA0输入高电平,此时控制器中程序实现将RAM中数据保存至FLASH中。
如图1所示,通信模块包括CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块及Wi-Fi通信模块,CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块用于控制器与外部设备之间进行数据传输。
如图2与图9所示,CAN总线通信模块中的CAN总线接口通过隔离器接口集成电路IS01050与CPU模块的CAN控制器连接。RS485通信模块中的RS485接口通过ADM2587E隔离收发器与CPU模块的USART2串口连接。RS232通信模块中的RS232接口通过ADM3251E隔离收发器与CPU模块的USART1串口连接。
如图10所示,Wi-Fi通信模块用于控制器接收上位机的远程控制任务及数据交换。WiFi通信模块包括型号为STM32F103RGT6的单片机和Marvell88W8782无线模组,单片机控制Marvell88W8782无线模组以无线方式接入路由器,并将网络中的控制命令通过单片机的串口USART1传送给CPU模块的串口USART3。
在分析了大量单片机应用项目的基础上,开发出了基于Wi-Fi技术的智能电气控制器,该控制器具备远程控制及数据传输功能;具备根据具体应用增加或减少输入输出点数的功能;普通输入端口具备接受NPN或PNP信号的特点;普通输出端口具备控制直流或交流的特点;高速输入端口具备接受幅值为24V,频率不高于100KHZ的脉冲信号的功能;高速输出端口具备输出幅值24V,频率不高于100KHZ的脉冲信号的功能;具备RS232,RS485,CAN总线通信功能,具备掉电数据保持和实时时钟功能,具备控制程序修改快速灵活的特点。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,包括CPU模块、电源模块、后备电源模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块,所述普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块均与CPU模块通信连接;
所述电源模块输出不同等级电压为CPU模块、普通IO模块、高速IO模块、通信模块、掉电检测及报警模块提供电能;所述后备电源模块的输出端与CPU模块的后备电源输入端连接;
所述普通IO模块,其输入端可接受NPN信号或PNP信号任意一种输入,输出端的公共端可接24V直流设备、220V交流设备中任意一种;
所述高速IO模块,用于外部脉冲信号检测和输出脉冲信号;其输入端电路只接受NPN信号,并且输入信号幅度为24V、频率不大于100KHz;输出端电路可输出幅度为24V、频率不大于100KHz的方波信号;
所述通信模块包括CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块及Wi-Fi通信模块,CAN总线通信模块、RS485通信模块、RS232通信模块用于控制器与外部设备之间进行数据传输,Wi-Fi通信模块用于控制器接收上位机的远程控制任务及数据交换;
所述掉电检测及报警模块,掉电检测模块用于在控制器断电时将单片机中RAM中的数据保存到FLASH中,避免工作数据丢失;报警模块用于在控制器运行过程中出现故障时发出报警指示;
所述CPU模块,用于根据远程控制命令对控制器所接设备进行控制并将必要的数据通过Wi-Fi通信模块上传。
2.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述CPU模块包括SWD程序下载电路、时钟电路、复位电路以及状态指示电路。
3.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述电源模块包括沿电压输出方向依次连接的外部输入端口、电源滤波电路、5V电源模块、5V隔离模块、5V转3.3V模块;
所述电源滤波电路的另一输出端与输入输出接口电路连接;
所述5V电源模块的另一输出端与高速IO模块连接;
所述5V隔离模块的另一输出端与普通IO模块、通信模块连接;
所述5V转3.3V模块的输出端与CPU模块连接。
4.根据权利要求3所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述外部输入端口输入7-40V的直流电压。
5.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述普通IO模块通过继电器对控制器的外接设备进行控制;所述高速IO模块通过MOS管对控制器的外接设备进行控制。
6.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述普通IO模块包括普通DI单元和普通DO单元;所述普通DI单元通过LTV354交流输入光耦与CPU模块连接;所述普通DO单元通过ULN2803隔离驱动器与CPU模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述普通DO单元输出端的公共端接24V高电平、0V低电平、220V交流电中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述高速IO模块包括高速脉冲DI单元、高速脉冲DO单元;所述高速脉冲DI单元通过TLP109光电耦合器与CPU模块连接;所述高速脉冲DO单元通过ADuM1200隔离器与CPU模块连接。
9.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述CAN总线通信模块中的CAN总线接口通过隔离器接口集成电路IS01050与CPU模块的CAN控制器连接;所述RS485通信模块中的RS485接口通过ADM2587E隔离收发器与CPU模块的USART2串口连接;所述RS232通信模块中的RS232接口通过ADM3251E隔离收发器与CPU模块的USART1串口连接。
10.根据权利要求1所述的基于WiFi技术的智能电气控制器,其特征是,所述WiFi通信模块包括型号为STM32F103RGT6的单片机和Marvell88W8782无线模组,单片机控制Marvell88W8782无线模组以无线方式接入路由器,并将网络中的控制命令通过单片机的串口USART1传送给CPU模块的串口USART3。
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CN111707842B (zh) * | 2020-06-28 | 2022-03-29 | 中车大连机车车辆有限公司 | 一种基于rs485串口的频率信号生成方法及转速系统测试方法 |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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