CN115826479A - 一种支持ssi信号采集的plc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持SSI信号采集的PLC系统，包括：通过对外连接器与外部设备连接的SSI电路，通过总线连接器与所述PLC系统内的主控模块连接的控制模块，所述控制模块通过隔离电路与所述SSI电路信号连接；所述控制模块包括FPGA芯片、第一存储器和第二存储器，所述第一存储器内存储有固件程序，所述第二存储器内存储有所述主控模块配置的参数，所述FPGA芯片基于所述主控模块配置的参数和所述固件程序运行以实现采集外部设备的SSI信号。该支持SSI信号采集的PLC系统能够简单、有效的适配目前市面上SSI接口编码器或传感器，无需信号转换模块，上位机可直接通过PLC读取通过SSI信号传输的数据。
Description
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，尤其涉及一种支持SSI信号采集的PLC系统。
背景技术
随着工业自动化的不断发展，对绝对值编码器的精度有了更好的需求，为了满足这样的需求，绝对值编码器的分辨率就越来越高，从而会使位数和电缆芯数的增加，导致成本增加，而且容易出现传输错误，SSI接口（Synchronous Serial Interface，同步串行接口）即可有效地避免这些缺点，SSI类似于RS422的单向串行协议，传输速率可达2Mhz。
在工业现场中，多数情况下是使用转换模块将SSI信号转换为常用的RS485、RS232信号、或者4~20mA、0~10V等模拟信号后接入PLC，这样的转化无疑会增加成本，且降低通信速率、容易引入干扰，若转换为模拟信号还会产生一定的误差。现有技术当中，为了获取SSI信号，将SSI信号转换为并行信号传输，但是需要占用芯片大量的I/O口，这种方法性价比不高，同时，在接收解析SSI数据时无论编码器分辨率为多少，始终需要32个时钟脉冲才能输出数据，若SSI编码器分辨率为12位，则会浪费20个时钟信号，在采样频率上受到限制，若SSI编码器为32位，则两次采样之间的等待时间仅为1个时钟信号的时间，远小于SSI编码器的两次采样最小时间间隔，容易导致数据传输错误，这种方法仅适用于低分辨率的SSI编码器的测试和排故，无法正式的接入控制系统中进行处理和应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种支持SSI信号采集的PLC系统，该支持SSI信号采集的PLC系统能够简单、有效的适配目前市面上SSI接口编码器或传感器，无需信号转换模块，上位机可直接通过PLC读取通过SSI信号传输的数据。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种支持SSI信号采集的PLC系统，包括：通过对外连接器与外部设备连接的SSI电路，通过总线连接器与所述PLC系统内的主控模块连接的控制模块，所述控制模块通过隔离电路与所述SSI电路信号连接；所述控制模块包括FPGA芯片、第一存储器和第二存储器，所述第一存储器内存储有固件程序，所述第二存储器内存储有所述主控模块配置的参数，所述FPGA芯片基于所述主控模块配置的参数和所述固件程序运行以实现采集外部设备的SSI信号。
在本发明的一个优选实施例中，所述PLC系统还包括数字量输入电路和数字量输出电路，所述数字量输入电路和所述数字量输出电路一侧连接所述对外连接器，另一侧连接所述隔离电路，分别用于数字量的获取和数字量的输出。
在本发明的一个优选实施例中，所述PLC系统还包括内侧供电模块，所述内侧供电模块用于为所述控制模块、所述隔离电路提供电源。
在本发明的一个优选实施例中，所述PLC系统还包括外配电源，所述外配电源用于为所述SSI电路提供电源。
在本发明的一个优选实施例中，所述外配电源具有与所述外部设备连接的接口以实现向所述外部设备的SSI编码器提供电源。
在本发明的一个优选实施例中，所述外配电源串联一保护电路通过所述对外连接器与外部设备连接。
在本发明的一个优选实施例中，所述隔离电路通过其内部的光耦和隔离芯片将所述FPGA芯片、总线连接器与SSI电路、外配电源、数字量输入电路、数字量输出电路隔离开。
在本发明的一个优选实施例中，所述SSI电路包括多个SSI通道，每个SSI通道相互隔离。
在本发明的一个优选实施例中，所述SSI电路的每个SSI通道包括依次连接的瞬态电压抑制器、磁珠和RS-422收发器，所述瞬态电压抑制器与所述对外连接器连接，所述RS-422收发器通过所述隔离电路中的隔离芯片与所述FPGA芯片连接。
在本发明的一个优选实施例中，所述主控模块配置的参数包括：在SSI信号的时钟上增加SSI数据采样间隙的参数配置，所述SSI数据采样间隙根据不同的SSI编码器调节两次SSI信号之间的采样间隔，以实现与SSI时钟频率组合配置从而将SSI信号在传输数据准确的情况下提高传输速度。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1、本发明的PLC系统通过SSI电路以及控制模块，将SSI数据直接转换为BLVDS总线数据格式进行传输，发送到PLC系统内部的主控模块，从而无需信号转换模块，上位机可直接通过PLC系统读取通过SSI信号传输的数据。无需将串行信号转换成并行信号传输，而是转换为BLVDS总线信号通过底板总线传给PLC主控模块处理，节约接口资源。
2、本发明的PLC系统内配置了数字量输入电路和数字量输出电路，经过配置后，即可进行数字量输入和数字量输出功能，结合SSI功能使用，无需通过总线传输给PLC主控模块处理后再返回进行处理，当使用数字量输入作为存储触发条件时防止由于PLC程序扫描周期和总线传输所造成的延迟导致存储SSI编码器数据出现误差，或进行比较输出时造成数字量输出滞后。提高响应速度。
3、本发明的PLC系统在硬件上对外提供了24V、5V两种外配电源，可以支持市面上常见的SSI编码器。针对SSI电路采取了保护和抑制干扰措施，可有效的避免SSI信号线上产生的干扰导致数据传输错误。
4、本发明在SSI参数配置上使用PLC编程组态软件通过总线进行配置，配置简单，可读性强。在SSI信号的CLK上增加了SSI_GAP（即SSI数据采样间隙）参数配置，根据不同的SSI编码器调节两次SSI信号之间的采样间隔，与SSI_CLK（即SSI时钟频率）组合配置可将SSI信号在传输数据准确的情况下速度达到最优。
5、本发明将SSI编码器上的DATA信号进行解析诊断，可准确判断SSI编码器是否断线。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明的支持SSI信号采集的PLC系统的实施例示意图；
图2为本发明的SSI电路实施例示意图；
图3为本发明的SSI时序图。
实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1所示，总线连接器用于连接本发明与PLC主控模块，总线连接器的主要功能为传输BLVDS总线数据和给模块供给24V电源，24V转5V电源模块用于将24V降压为模块内部电路使用的电源。逻辑电源模块主要用于生成FPGA的IO接口、隔离电路、存储器、时钟所使用的3.3V电源；总线电源用于生成BLVDS总线所需的2.5V电源；内核电源用于生成FPGA内核工作所需的电源。FPGA除了用于控制指示灯状态，主要进行BLVDS总线数据交互，控制数字量信号输出，采集数字量信号输入，采集SSI信号，并转换为BLVDS总线格式发送给PLC主控模块，由PLC主控模块将数据显示在上位机。存储器1用于存储固件程序，存储器2用于存储配置信息。
隔离电路采用光耦、隔离芯片将FPGA、总线等内部电路与外配电源、SSI接口电路、数字量输出电路、数字量输入电路隔离开，防止当外部接口受到干扰、短路等意外情况下对总线上其他模块的影响。所述隔离电路可以是现有技术当中任意一种可实现电路隔离的电路，在此不再赘述。隔离电路上方的24V转5V电源模块用于将外配电转化为SSI电路所需的5V电源。
如图2所示的SSI电路，24V和5V电源通过保护电路中的二极管、保险丝、TVS管连接到对外连接器上，用于给不同电压的SSI编码器供电，防止电源反接、过流。FPGA发出的单端CLK信号经过隔离芯片到RS-422收发器的发送数据输入端，RS-422收发器将单端CLK信号转化为差分CLK信号，经过保护电路中的磁珠、TVS管，由对外连接器发送给SSI编码器。SSI编码器返回的差分DATA信号由对外连接器经过保护电路中的TVS管、磁珠到RS-422收发器中转换为单端的DATA信号经过隔离芯片到FPGA中进行逻辑处理，RS-422收发器传输速度可达10Mbps以上，可以满足市面上的SSI编码器的传输速度。多通道SSI电路采用隔离电源进行独立供电，单通道损坏不影响其他通道的正常采集。数字量输出电路使用高速光耦控制输出数字量信号，数字量输入电路使用高速光耦采集高低电平信号传输至FPGA，能够在模块内部即可进行数字量输入和数字量输出功能结合SSI功能使用，无需通过总线传输给PLC主控模块处理后再返回进行处理，提高响应速度。
其中，SSI信号的配置信息由PLC主控模块通过总线发送给本发明中的FPGA，其中包括SSI_Width（SSI数据位宽）、SSI_CLK（SSI时钟频率）、SSI_GAP（SSI数据采样间隙）、B_Gn（SSI信号类型选择）。
SSI_Width占用1个BYTE的宽度，可根据SSI编码器的分辨率进行配置，若使用24位SSI编码器，即设置为24，若使用32位SSI编码器，即设置为32。
SSI_CLK占用1个BYTE的宽度，控制本发明输出的SSI时钟信号频率，可根据所选用的SSI编码器所支持的时钟频率进行配置。
SSI_GAP占用1个BYTE的宽度，设置本发明两次采样之间的时间间隔，根据不同的SSI编码器，设置最小采样间隙，配置此选项将本发明的采样间隙大于SSI编码器的最小采样间隙，防止2次采样间距过小导致SSI编码器数据发送错误。SSI_CLK与SSI_GAP组合配置，可确保SSI编码器在正常传输的同时速率达到最大。
B_Gn占用1个BOOL的宽度，用于切换SSI编码器的数据类型，逻辑“0”表示格雷码，逻辑“1”表示二进制码。
FPGA时序图3所示，若SSI编码器为24位，则发送25个时钟信号，CLK空闲状态为逻辑“1”，第一个下降沿触发编码器，随后每个CLK的上升沿从DATA的MSB开始依次读取数据位，CLK最后一个上升沿后保持逻辑“1”，时间为SSI_GAP所设置的时钟最小间距，这段时间内DATA保持逻辑“0”，随后恢复空闲状态保持逻辑“1”等待下一次数据传输。DATA的这段逻辑“0”将被用于诊断SSI编码器是否连接正常，当SSI编码器输出最大值，即前24个CLK信号DATA无翻转，第25个CLK后，DATA会输出逻辑“0”保持一段时间，若FPGA在连续几个周期内没收到这段逻辑“0”的信号，会判断SSI编码器掉线。
FPGA处理流程为根据从总线接收到的SSI参数配置信息，发出对应的CLK个数，接收到SSI编码器返回的DATA数据，然后判断SSI编码器是否掉线，根据B_Gn的配置项判断SSI的数据类型，将DATA数据转换为二进制码，将SSI数据和诊断信息打包成BLVDS格式由总线发送给PLC主控模块，最终显示在PLC编程组态软件中。
数字量输入功能可通过功能块进行配置，用户可使用PLC编程组态软件将配置信息由总线传输到本发明的FPGA中并存在存储器2中。可配置为2种功能：1、为通用型的数字量输入功能，即采集到的数字量信号输入，由FPGA打包成BLVDS总线格式经总线发送给PLC主控模块进行处理；2、为采集功能，当FPGA收到数字量信号后，无需传输给PLC主控模块处理，直接将当前的SSI数据保存起来，并打包成BLVDS总线格式发送给PLC主控模块，存储在指定的变量中，可有效地避免采集信号经过总线传输、处理所产生的延迟，导致记录的SSI数据产生误差。
数字量输出功能可通过功能块进行配置，用户可使用PLC编程组态软件将配置信息由总线传输到本发明的FPGA中并存在存储器2中。可配置为2种功能：1、为通用型数字量输出功能，PLC主控模块通过总线发送控制信号给本发明，由FPGA处理后输出数字量信号；2、为比较输出功能，通过总线给本发明配置一个设定值，在FPGA中进行比较，当采样的SSI值小于设定值时，输出数字量信号逻辑“0”，当采样的SSI值大于等于设定值时，输出数字量信号逻辑“1”，可有效地避免信号经过总线传输、处理所产生的延迟，导致数字量输出延后。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，包括：通过对外连接器与外部设备连接的SSI电路，通过总线连接器与所述PLC系统内的主控模块连接的控制模块，所述控制模块通过隔离电路与所述SSI电路信号连接；所述控制模块包括FPGA芯片、第一存储器和第二存储器，所述第一存储器内存储有固件程序，所述第二存储器内存储有所述主控模块配置的参数，所述FPGA芯片基于所述主控模块配置的参数和所述固件程序运行以实现采集外部设备的SSI信号。
2.根据权利要求1所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述PLC系统还包括数字量输入电路和数字量输出电路，所述数字量输入电路和所述数字量输出电路一侧连接所述对外连接器，另一侧连接所述隔离电路，分别用于数字量的获取和数字量的输出。
3.根据权利要求1所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于， 所述PLC系统还包括内侧供电模块，所述内侧供电模块用于为所述控制模块、所述隔离电路提供电源。
4.根据权利要求1所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述PLC系统还包括外配电源，所述外配电源用于为所述SSI电路提供电源。
5.根据权利要求4所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述外配电源具有与所述外部设备连接的接口以实现向所述外部设备的SSI编码器提供电源。
6.根据权利要求5所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于， 所述外配电源串联一保护电路通过所述对外连接器与外部设备连接。
7.根据权利要求1所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述隔离电路通过其内部的光耦和隔离芯片将所述FPGA芯片、总线连接器与SSI电路隔离开。
8.根据权利要求7所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述SSI电路包括多个SSI通道，每个SSI通道相互隔离。
9.根据权利要求8所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述SSI电路的每个SSI通道包括依次连接的瞬态电压抑制器、磁珠和RS-422收发器，所述瞬态电压抑制器与所述对外连接器连接，所述RS-422收发器通过所述隔离电路中的隔离芯片与所述FPGA芯片连接。
10.根据权利要求1所述的支持SSI信号采集的PLC系统，其特征在于，所述主控模块配置的参数包括：在SSI信号的时钟上增加SSI数据采样间隙的参数配置，所述SSI数据采样间隙根据不同的SSI编码器调节两次SSI信号之间的采样间隔，以实现与SSI时钟频率组合配置从而将SSI信号在传输数据准确的情况下提高传输速度。
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