CN111984578B - 一种带隔离的控制器的数字量扩展装置 - Google Patents

一种带隔离的控制器的数字量扩展装置 Download PDF

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Abstract

本发明适用于电路领域，提供了一种带隔离的控制器的数字量扩展装置，其中带隔离的控制器包括：控制模块，用于接收外界信号，并将外界信号处理后输出；第一/第二串口信号收发模块，用于将外界的串口信号传输至控制模块或者输出控制模块的串口信号；以及隔离芯片，用于对串口信号与控制模块之间进行电气隔离。本发明实施例通过在串口信号模块与控制模块之间设置隔离模块，用于将控制模块与外界信号进行隔离，能够消除接地环路噪声，提高通信网络的容错能力，可以使无基准电子设备之间进行通信，并且容易对设备进行故障隔离和诊断，提高通信网络的稳定性，总线数据竞争和阻塞，保证控制器在工业控制系统中的稳定工作。

Description

一种带隔离的控制器的数字量扩展装置
技术领域
本发明属于控制器领域，尤其涉及一种带隔离的控制器的数字量扩展装置。
背景技术
数字量扩展模块被广泛的应用于工业控制领域，当运动控制主卡或者运动端子卡的数字信号输入输出接口不够用时，可以通过串口，CAN总线和以太网总线连接到数字量扩展模块，对其进行IO口的扩展。
目前现有的数字量扩展模块只采用了电源隔离和输入输出IO光耦隔离，但是并没有对RS422/RS485通信总线进行隔离，在噪声环境中，RS422/RS232总线由于共模干扰导致不可接受的比特误差甚至出现设备损坏，并且现有的扩展模式都是采用总线拓扑连接，将所有的从设备节点通过单根传输线连接到主设备，虽然结构简单，传输线用量小，但是存在故障隔离困难，其中一个从设备出现故障，不能简单拆除处理，否则会切断整个通信网络，存在总线数据竞争和阻塞。
由此可见，现有的数字量扩展模式中，存在故障隔离困难以及总线数据竞争和阻塞的技术问题，急需解决。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种带隔离的控制器的数字量扩展装置，旨在解决现有的数字量扩展模式中，存在故障隔离困难以及总线数据竞争和阻塞的技术问题。
本发明实施例是这样实现的，一种带隔离的控制器的数字量扩展装置，其特征在于，包括：
多个控制器，所述多个控制器通过串口信号接口一一串联；
运动控制卡，连接至所述多个控制器的第一个控制器的串口信号输入接口，用于向所述多个控制器发送控制信号；所述控制器包括：
控制模块，用于接收外界信号，并将所述外界信号处理后输出；
数字编码器，连接至所述控制模块，用于为所述控制模块的数字量扩展模块设置地址；
第一串口信号收发模块，连通串口信号输入接口与所述控制模块，用于将外界的串口信号传输至所述控制模块；
以及第二串口信号收发模块，连通串口信号输出接口与所述控制模块，用于输出所述控制模块的串口信号；
其中，所述第一串口信号收发模块包括RS232收发芯片1、RS422收发芯片1，所述第二串口信号收发模块包括RS232收发芯片2、RS422收发芯片2；
RS232收发芯片1为从运动控制卡接收RS232信号的电平转换芯片，通过数字隔离芯片将运动控制卡RS232信号与控制模块进行电气隔离；
RS422收发芯片1为采用集成隔离功能的电平转换芯片，能够抑制接收的RS422信号耦合的共模干扰；
RS232收发芯片2用于芯片的拓展；
RS422收发芯片2是用于扩展模块之间的电平转换芯片；
SW1开关与SW2开关通过跳帽选择通信方式，当扩展模块处于工作状态时，通信方式只支持一种，即RS232通信或者RS422通信；
所述控制器还包括：
输入光耦隔离模块，连接在所述控制模块的输入接口和所述控制模块之间，用于将外部输入的信号与所述控制模块进行电气隔离；
输出光耦隔离模块，连接在所述控制模块的输出接口和所述控制模块之间，用于将所述控制模块输出的信号与所述控制模块进行电气隔离；
还包括：
电源模块，连接至所述控制器，用于为所述控制模块供电；以及
电源隔离模块，连接在所述电源模块和所述控制模块之间，用于对所述控制模块和所述电源进行电气隔离。
作为本发明再进一步的方案：当所述多个控制器通过RS422串口连接时，所述运动控制卡与所述第一个控制器的串口信号输入接口之间还设置有端子控制卡。
本发明通过在串口信号模块与控制模块之间设置隔离模块，用于将控制模块与外界信号进行隔离，能够消除接地环路噪声，提高通信网络的容错能力，可以使无基准电子设备之间进行通信，并且容易对设备进行故障隔离和诊断，提高通信网络的稳定性，总线数据竞争和阻塞，保证控制器在工业控制系统中的稳定工作。
附图说明：
图1示出了本发明实施例中提供的一种带隔离的控制器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种带隔离控制器的详细结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制中光耦隔离芯模块的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制器中保护模块的结构示意图；
图5示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制器的数字量扩展装置；
图6示出了本发明实施例提供的又一种带隔离的控制器的数字量扩展装置。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一串口信号收发模块称为第二串口信号收发模块，且类似地，可将第二串口信号收发模块称为第一串口信号收发模块。
图1示出了本发明实施例中提供的一种带隔离的控制器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的带隔离的控制器包括：
控制模块110，用于接收外界信号，并将所述外界信号处理后输出。
在本发明实施例中，控制模块110是控制器，一般采用芯片控制器，作为本发明一种优选的实施例，控制模块110采用型号为LCMXO2-1200CPLD控制器芯片，用于在工业控制系统中对整个系统进行控制。
数字编码器120，连接至所述控制模块，用于为所述控制模块的数字量扩展模块设置地址。
在本发明实施例中，数字编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用于通讯、传输和存储的信号形式的设备，作为本发明一种优选的实施例，数字编码器采用BCD数字编码器，用于将外界信号转换为数字信号方便可控制其运算处理。
第一串口信号收发模块130，连通串口信号输入接口与所述控制模块，用于将外界的串口信号传输至所述控制模块；第二串口信号收发模块140，连通串口信号输出接口与所述控制模块，用于输出所述控制模块的串口信号；其中，所述第一串口信号收发模块与串口信号输入接口之间、第二串口信号收发模块与串口信号输出接口之间设置有隔离芯片，用于对所述串口信号与所述控制模块之间进行电气隔离。
在本发明实施例中，第一串口信号收发模块和第二串口信号收发模块为接口模块，采用串口信号接口，用于接收和输出串口信号；隔离芯片是指用于对第一串口信号收发模块和第二串口信号收发模块与控制模块之间进行电气隔离的芯片，作为本发明一种优选的实施例，图2示出了本发明实施例提供的一种带隔离控制器的详细结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的带隔离的控制器包括型号为LCMXO2-1200 CPLD控制器4，16路输入可拆卸欧式可升降端子1，16路输入光耦隔离2采用双向光耦隔离芯片，型号为EL3H4，电源以及电源隔离模块3，35个LED状态显示5，2位BCD数字编码器6，16路输出光耦隔离7采用双向光耦隔离芯片，型号为EL3H4，16路MOS管8，16路输出可拆卸欧式可升降端子9，数字隔离芯片13，型号为ISO7320，RS232收发芯片1，型号为MAX3232，附图标记为10，RS232收发芯片2，型号为MAX3232，附图标记11，RS422收发芯片2，型号为ADM3077，附图标记12，RS422收发芯片1，型号为ISO3086，附图标记14，SW1开关15是2.54mm跳针，SW2开关16是2.54mm跳针，DB9输入接口17是DB9公头接口，DB9输出接口18是DB9母头接口，其中，所有的数字量输入信号是通过16路输入IO接口从外部接入的；所有的数字量通过16路输出IO向外部数量字输出信号；16路输入光耦隔离用于对外部输入的数字量信号进行与CPLD进行电气隔离；16路输出光耦隔离用于对CPLD与外部数字输出信号进行隔离；BCD数字编码器用于数字量扩展模块设置地址：通过DB9输入接口连接运动控制器或者端子板；通过DB9输出接口连接下一个扩展模块；RS232收发芯片1：从运动控制器接收RS232信号的电平转换芯片；数字隔离芯片用于将运动控制器RS232信号与CPLD芯片进行电气隔离；RS232收发芯片2用于芯片的拓展，RS422收发芯片1是为了抑制扩展卡接收的RS422信号耦合的共模干扰，采用集成隔离功能的电平转换芯片；RS422收发芯片2是用于扩展模块之间的电平转换芯片，SW1开关与SW2开关通过跳帽选择通信方式，当扩展模块处于工作状态时，通信方式只支持一种，RS232通信或者RS422通信，电源模块为整个模块提供电源。
本发明实施例通过在串口信号模块与控制模块之间设置隔离模块，用于将控制模块与外界信号进行隔离，能够消除接地环路噪声，提高通信网络的容错能力，可以使无基准电子设备之间进行通信，并且容易对设备进行故障隔离和诊断，提高通信网络的稳定性，总线数据竞争和阻塞，保证控制器在工业控制系统中的稳定工作。
图3示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制中光耦隔离芯模块的结构示意图，如图3所示，包括：输入光耦隔离模块150，连接在所述控制模块的输入接口和所述控制模块之间，用于将外部输入的信号与所述控制模块进行电气隔离；输出光耦隔离模块160，连接在所述控制模块的输出接口和所述控制模块之间，用于将所述控制模块输出的信号与所述控制模块进行电气隔离。
在本发明实施例中，输入/输出光耦模块分别连接在控制模块与第一/第二串口信号收发模块之间，用于实现信号与控制模块之间的隔离，光耦隔离模块是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出的功能模块，在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作，光耦隔离器就是用于都对信号进行处理，放置造成系统不稳定的器件。
作为本发明一种实施例，输入/输出光耦隔离模块采用的是与CPLD芯片配合使用的16路输入光耦隔离器和16路输出光耦隔离器，其中，16路输入光耦隔离器用于对外部输入的数字量信号进行与CPLD进行电气隔离，16路输出光耦隔离器对CPLD与外部数字输出信号进行隔离。
本发明实施通过输入/输出光耦隔离模块的设置，将第一/第二串口信号收发模块传输的信号与控制模块之间进行隔离，防止系统出现故障。
图4示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制器中保护模块170的结构示意图，如图4所示，所述输出光耦隔离模块与所述输出接口之间还设置有保护模块，所述保护模块由多路MOS管组成，所述MOS管的路数与所述输出接口的个数相同。
在本发明实施例中，保护模块用于增加控制器的驱动能力并防止外部感性负载的灌电流对电路的损坏，作为本发明一种优选的实施例，保护模块由多路MOS管组成，MOS管的路数与所述输出接口的个数相同，在本发明实施例中，采用l6路MOS管。
本发明实施例通过保护模块的设置，在输出光耦隔离模块与输出接口之间设置16路MOS管，能够增加控制器的驱动能力并防止外部感性负载的灌电流对电路的损坏。
在本发明实施例提供的带隔离的控制器中，还包括LED显示模块，连接至所述控制模块，用于显示所述控制模块中信号的输入输出状态。
在本发明实施例中，如图2所示，LED显示模块5，可以采用LED灯，用于显示数字量输入信号，数字量输出信号的输入输出状态，当外部数字量信号有输入的，那么与之对应的LED就会被点亮，否则LED是熄灭状态。
本发明实施例通过LED显示模块的设置，能够显示数字量输入信号，方便用户监控。
在本发明实施例提供的带隔离的控制器中，所述第一串口信号收发模块和第二串口信号收发模块都至少包含两个芯片，其中，所述第一串口信号收发模块和第二串口信号收发模块分别连接至所述控制模块，并通过选通开关来选择串口通信所使用的通信协议标准，所述第一串口信号收发模块由RS232芯片1和RS422芯片1组成，所述第二串口信号收发模块由RS232芯片2和RS422芯片2组成，其中，所述第一串口信号收发模块的RS232芯片1和RS422芯片1分别连接至所述控制芯片，并通过第一单刀双掷开关（SW1开关）连接至所述串口信号输入接口；所述第二串口信号收发芯片的RS232芯片2和RS422芯片2分别连接至所述控制芯片，并通过第二单刀双掷开关（SW2开关）连接至所述串口信号输出接口，所述串口信号输入接口采用DB9输入接口，用于连接外界串口信号输出或上一个扩展模块的串口信号输出接口；所述串口信号输出接口采用DB9输出接口，用于连接下一个扩展模块的串口信号输入接口。
图5示出了本发明实施例提供的一种带隔离的控制器的数字量扩展模块，如图5所示，包括，多个控制器，为上述实施例中的带隔离的控制器，所述多个控制器通过串口信号接口一一串联；运动控制卡，连接至所述多个控制器的第一个控制器的串口信号输入接口，用于向所述多个控制器发送控制信号。
在本发明实施例中，多个控制器之间采用菊花链连接方式，彼此之间通过RS232芯片连接，使设备容易进行故障隔离和诊断，并提高通信网络的稳定性，使数字量扩展模块更容易扩展，增加了应用场合。
作为本发明一种实施例，图6示出了本发明实施例提供的又一种带隔离的控制器的数字量扩展模块，当多个控制器之间通过RS422芯片连接时，运动控制卡与所述第一个控制器的串口信号输入接口之间还设置有端子控制卡。
本发明实施例提供给RS232/RS422芯片对上述实施例中的芯片进行连接，使设备容易进行故障隔离和诊断，并提高通信网络的稳定性，使数字量扩展模块更容易扩展，增加了应用场合。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带隔离的控制器的数字量扩展装置，其特征在于，包括：
多个控制器，所述多个控制器通过串口信号接口一一串联；
运动控制卡，连接至所述多个控制器的第一个控制器的串口信号输入接口，用于向所述多个控制器发送控制信号；所述控制器包括：
控制模块，用于接收外界信号，并将所述外界信号处理后输出；
数字编码器，连接至所述控制模块，用于为所述控制模块的数字量扩展模块设置地址；
第一串口信号收发模块，连通串口信号输入接口与所述控制模块，用于将外界的串口信号传输至所述控制模块；
以及第二串口信号收发模块，连通串口信号输出接口与所述控制模块，用于输出所述控制模块的串口信号；
其中，所述第一串口信号收发模块包括RS232收发芯片1、RS422收发芯片1，所述第二串口信号收发模块包括RS232收发芯片2、RS422收发芯片2；
RS232收发芯片1为从运动控制卡接收RS232信号的电平转换芯片，通过数字隔离芯片将运动控制卡RS232信号与控制模块进行电气隔离；
RS422收发芯片1为采用集成隔离功能的电平转换芯片，能够抑制接收的RS422信号耦合的共模干扰；
RS232收发芯片2用于芯片的拓展；
RS422收发芯片2是用于扩展模块之间的电平转换芯片；
SW1开关与SW2开关通过跳帽选择通信方式，当扩展模块处于工作状态时，通信方式只支持一种，即RS232通信或者RS422通信；
所述控制器还包括：
输入光耦隔离模块，连接在所述控制模块的输入接口和所述控制模块之间，用于将外部输入的信号与所述控制模块进行电气隔离；
输出光耦隔离模块，连接在所述控制模块的输出接口和所述控制模块之间，用于将所述控制模块输出的信号与所述控制模块进行电气隔离；
还包括：
电源模块，连接至所述控制器，用于为所述控制模块供电；以及
电源隔离模块，连接在所述电源模块和所述控制模块之间，用于对所述控制模块和所述电源进行电气隔离。
2.根据权利要求1所述的一种带隔离的控制器的数字量扩展装置，其特征在于，当所述多个控制器通过RS422串口连接时，所述运动控制卡与所述第一个控制器的串口信号输入接口之间还设置有端子控制卡。
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