CN116909201B - 一种总线式io采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及总线式分布IO外部信号采集与控制功能扩展的技术领域，公开了一种总线式IO采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质，包括，用于模块内部供电、用于控制供电顺序和热插拔处理的芯片的电源模块，用于传输激励信号和传输被测信号的模拟量采集模块，用于接收主控制器模块的控制指令并传递至控制扩展装置的通信接口模块，用于输出控制指令的主控制器模块，通过解决了用分布式总线代替工业PLC控制的IO模块与多功能扩展模块的问题，其次通过嵌套式结构从站解决传统PLC接口的有限性的问题，最后该总线式IO采集与控制扩展系统可应用于各种分布式控制系统中。
Description
技术领域
本发明涉及总线式分布IO外部信号采集与控制功能扩展的技术领域，公开了一种总线式IO采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质。
背景技术
目前，总线式IO采集与控制扩展系统在工业自动化、物联网和智能家居等领域得到广泛应用，并呈现以下几个发展情况，随着数据传输需求的增加，总线式IO采集与控制扩展系统正在朝着更高速的通信方式演进。例如，从传统的串行通信协议向更快的以太网通信协议过渡，以满足对实时性和带宽的要求，为了适应不同的应用场景和设备类型，总线式IO采集与控制扩展系统提供了多种接口选项。例如，数字输入/输出（Digital I/O）、模拟输入/输出（Analog I/O）和专用接口（如PWM输出、步进电机控制等），以便满足不同设备的连接需求，随着物联网技术的快速发展，总线式IO采集与控制扩展系统越来越多地与网络和云平台集成。通过连接到互联网，用户可以进行远程监控和控制，并实现数据的云端存储和分析，在工业自动化领域，总线式IO采集与控制扩展系统对可靠性和稳定性的要求非常高。因此，厂商在设计和生产过程中注重产品的抗干扰性、抗震动性和温度适应性等方面的提升，以确保系统能够在恶劣环境下可靠运行，除此以外，市场上存在着多种不同的总线标准和通信协议，用于总线式IO采集与控制扩展系统的连接和通信。例如，常见的有Modbus、CAN（控制器局域网）、EtherCAT等。这些标准和协议在不同的应用领域或行业中具有各自的特点和优势，现代的总线式IO采集与控制扩展系统越来越注重开放性和可扩展性。通过提供软件接口和开发工具包，使用户可以根据自己的需求进行定制和扩展，实现更灵活、更可靠的控制系统，低功耗和节能技术：在某些应用场景下，尤其是物联网和移动设备领域，对总线式IO采集与控制扩展系统的功耗和能效要求越来越高。因此，厂商在设计和制造过程中积极采用低功耗技术和节能策略，以延长设备续航时间和降低能源消耗。
例如现有的申请公开号为CN105511387A的专利公开了一种PLC IO扩展模块及其扩展方法，公开了PLC IO扩展模块分为PLC本地IO扩展模块、PLC分布式远程IO扩展模块。PLC本地IO扩展模块包括PLC主机、若干IO模块。PLC分布式远程IO扩展模块包括PLC主机(作为主站)、若干接口模块(作为从站)、若干IO模块。PLC主机或接口模块通过自定义的并行扩展总线加载若干IO模块。IO模块的数量由自定义并行扩展总线的地址线位数决定：2地址线位数。PLC主机与若干接口模块之间通过现场总线或实时以太网通讯。本发明的扩展方式提高PLC主机处理IO模块的能力。本发明还公开了PLC分布式远程IO扩展模块的扩展方法。
但是上述专利中存在：PLC IO扩展模块通常比单独的IO设备价格更高。这是因为它们需要具备额外的功能和接口，以适应PLC系统的要求。对于规模较大且需要大量IO点的系统，成本可能会更加显著，其次PLC IO扩展模块与PLC主机进行连接，所以需要相应的物理空间来安装这些模块。对于空间有限的应用场景，这可能会带来一定的挑战，每个PLC IO扩展模块都有固定的数量和类型的IO点。如果需要增加更多的IO点或不同类型的IO信号，可能需要添加更多的IO扩展模块。这可能会导致系统复杂性的增加，并且对于未来的扩展可能需要重新设计和调整，当PLC IO扩展模块出现故障时，很难确定是哪个具体模块引起了问题。这可能需要逐一排查各个模块，增加了故障诊断和维修的复杂性。
本发明的一种总线式IO采集与控制扩展系统采用嵌套式的总线IO扩展模块，其设计紧凑，可以直接安装在设备或控制柜内部，节省了物理空间。相比于传统的独立IO模块，它们不需要单独的安装和布线，因此在布局上更加灵活，其次嵌套式总线IO扩展模块基于Modbus 网络协议进行通信，这使得它们能够方便地与其他设备和系统进行数据交换和远程访问。通过网络通信，可以实现监控、远程操作和数据采集等功能，嵌套式总线IO扩展模块支持快速和简便的IO扩展。通过添加更多的模块或扩展单元，可以轻松增加更多的IO点和功能，以满足系统的需求。这种灵活性使得系统能够根据实际应用的需要进行动态调整和扩展，嵌套式总线IO扩展模块通常具有更丰富的功能和处理能力。它集成了先进的数据处理、调试和诊断功能，以提供更高级的操作和监测功能。这些功能可以大大提高系统的可靠性、安全性和效率。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种总线式IO采集与控制扩展系统；
供电模块，包括与系统各个模块相连并用于给各模块供电的主电源单元、用于控制供电顺序控制和热插拔处理的电源芯片；
传感器组模块，包括用于接收被测信号的各类传感器，与模拟量采集模块相连；
模拟量采集模块，包括用于与模拟量输入设备相连的模拟量输入单元和用于与外部设备相连的模拟量输出单元；
总线功率自主诊断优化模块，建立功率模型，通过功率模型和问题诊断单元对总线功率进行实时诊断，并通过优化单元对过载进行自主优化。
主控制器模块，包括主控芯片和连接主控芯片的复位电路、信号输入接口电路、信号输出接口电路、时钟电路和程序烧入接口，主控芯片向外扩展系统总线分别与模拟量采集模块、通信接口模块、供电模块通过系统总线相连；
通信接口模块，包括用于从站与主站之间的通信，控制信息汇聚的节点与模拟量采集模块通过通信接口模块连接；
所述供电模块主要为模拟量采集模块供电，由于各模块所需启动电源电压不同，因此通过电源芯片精准对每一个模块进行分配供电，同时通过电源芯片控制各模块运行时的供电顺序和热插拔芯片进行热插拔处理；
所述热插拔芯片包括MOS管电路和电流检测电阻，其中电流检测电阻将流过MOS管的信号传递给电源控制线路，电源控制线路通过电源芯片控制MOS管的导通；
所述各模块包括系统中的所有需要供电模块。
作为本发明一种总线式IO采集与控制扩展系统的一种优选方案，其中：
所述传感器组模块包括依据系统功能可采集被测信号的传感器、用于对采集的被测信号进行整形滤波处理的信号处理单元和用于交直流互换的A/D转换单元；
所述模拟量采集模块包括模拟量输入单元和模拟量输出单元；
所述模拟量输入单元与通信接口模块相连，模拟量输入单元用于接收传感器组模块采集的被测信号通过通信接口模块传递主控制器模块，主控制器模块通过处理接收到的被测信号采集发出控制指令；
所述模拟量输出单元用于接收主控制器模块输出的控制指令，并且通过发出控制指令激励对外部设备进行控制；
所述主控制器模块包括主控芯片、复位电路、信号输入接口电路、信号输出接口电路、时钟电路和程序烧入接口；
所述复位电路用于控制主控制器模块进行复位清零；
所述时钟电路用于发出脉冲信号和计数被测信号脉冲信号；
所述信号输入接口电路与通信接口模块相连，用于接收由模拟量输入单元接收的被测信号；
所述信号输出接口电路与通信接口模块相连，用于发出由主控制模块发出的控制指令，控制指令用于控制系统外部设备工作；
所述程序烧入接口用于将预先调试好的程序写入主控器模块中的主控芯片中；
所述通信接口模块，通过与供电模块中的电源芯片相连，实现过流保护和失效保护，同时通信接口模块与主控制模块相连，用于总线IO的数据信号传输，通信接口模块与模拟量输入单元相连，用于传递数据信号；
所述数据信号包括控制信号和被测信号；
所述总线IO包括IO-Link从站和IO-Link主站，其中IO-Link从站类型为SDIOL-8800-M12，是8通道数字量输入8通道数字量输出模块，通道数为16，输入额定电压为16V，去抖时间默认为3ms，预设范围0~10ms，采用光电隔离的方式，工作温度为，储存温度也为/>；
所述传感器包括应变传感器、温度传感器、振动传感器、压力传感器分别对被测信号进行采集；
所述应变传感器通过桥电路进行采集，连接电压源，输出低电平；
所述温度传感器通过3线制测量，连接电压源，输出低电平；
所述振动传感器通过集成压电式进行测量，连接电流源，输出高电平，通过信号处理单元对输出高电平信号进行处理；
所述压力传感器连接电压源，输出低电平；
所述总线功率自主诊断优化模块，包括功率模型、问题诊断单元、功率优化单元；
所述功率模型通过对总线IO控制扩展单元的实时电流电压进行采集，作为基础数据，通过基础数据建立功率模型，其表达式如下所示：
其中，H为总线IO控制扩展单元电压或电流的参数集，Q为线路损耗，P为总线IO控制扩展单元复功率，为第i个节点与第i+1个节点的压差或电流差，T为矩阵转秩符号，i为序数取1,2,3，...；
通过约束条件约束总线IO控制扩展单元电压或电流监控的量化分析模型，约束条件表达式如下所示：
其中，Q为线路损耗，为两个节点的压差，i为序数；
通过功率模型对总线IO控制扩展单元功率进行实时监测，当监测到扩展单元中的设备功率过大，总线IO控制扩展单元通过功率模型对功率过大的设备通过优化单元进行限压和限流进而降低功率，若出现故障则通过主控制器模块对设备进行切断。
一种总线式IO采集与控制扩展方法，包括：
S1、系统供电，各模块正常工作；
S2、传感器采集外部信号，通过信号处理单元和A/D转换单元对外部信号进行处理，最终输出被测信号；
S3、被测信号通过模拟量输入单元传递，由与模拟量输入单元相连的通信接口模块输出，通过总线作为介质进行传递，由与主控制器模块相连的通信接口模块接收，并输入主控芯片；
S4、主控芯片预先写入设定好的程序，通过接收到的被测信号与预先写入的程序进行分析处理，生成控制指令；
S5、控制指令由与主控制器模块相连的通信接口模块发出，通过总线作为介质进行传递，由与模拟量输出单元相连的通信接口模块接收，并输出控制指令；
S6、外部设备通过接收控制指令进行相应的工作。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被执行时，实现一种总线式IO采集与控制扩展方法。
一种电子设备，包括：存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述电子设备执行实现一种总线式IO采集与控制扩展方法。
本发明的有益效果：
本发明采用嵌套式的总线IO扩展模块，其设计紧凑，可以直接安装在设备或控制柜内部，节省了物理空间，在布局上更加灵活，通过串行总线IO模块更方便实现单个IO扩展模块布局和功能实现，若单个IO扩展模块出现问题更方便的及时排查；
本发明可以添加更多的模块或扩展单元，可以轻松增加更多的IO点和功能，以满足系统的需求。这种灵活性使得系统能够根据实际应用的需要进行动态调整和扩展，嵌套式总线IO扩展模块通常具有更丰富的功能和处理能力。它集成了先进的数据处理、调试和诊断功能，以提供更高级的操作和监测功能
解决了传统PLC IO扩展模块与PLC主机进行连接需要更多的物理空间来安装这些模块，简化了增加更多IO点或者不同类型的IO信号的的复杂度，当PLC IO扩展模块出现故障时，减小了故障诊断和维修的复杂性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一种总线式IO采集与控制扩展系统的整体系统组成图；
图2为本发明一种总线式IO采集与控制扩展方法实现的系统流程图；
图3为本发明一种总线式IO采集与控制扩展系统的热插拔电路原理图；
图4为本发明一种总线式IO采集与控制扩展系统的整体组成原理图；
图5为本发明一种总线式IO采集与控制扩展系统的拓扑结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例一
如图1所示一种总线式IO采集与控制扩展系统包括：供电模块、传感器组模块、模拟量采集模块、主控制器模块、通信接口模块。
其中，供电模块主要为模拟量采集模块供电，由于各模块所需启动电源电压不同，因此通过电源芯片精准对每一个模块进行分配供电，同时通过电源芯片控制各模块运行时的供电顺序和热插拔芯片进行热插拔处理；
如图3，进一步的，热插拔芯片包括MOS管电路和电流检测电阻，其中电流检测电阻将流过MOS管的信号传递给电源控制线路，电源控制线路通过电源芯片控制MOS管的导通，热插拔芯片具有控制电路电流上升情况、具有断电器的功能、对电源进行管理和对电源使用状态实时报告等功能。电源产生电路基于数字电源芯片进行设计，实现智能、高效的转换与控制。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，这就意味着电源的动态特性是可变的，能顺应负载在相当大的范围内变化。
其中，传感器组模块包括依据系统功能可采集被测信号的传感器、用于对采集的被测信号进行整形滤波处理的信号处理单元和用于交直流互换的A/D转换单元；
进一步的，应变传感器通过桥电路进行采集，连接电压源，输出低电平；温度传感器通过3线制测量，连接电压源，输出低电平；振动传感器通过集成压电式进行测量，连接电流源，输出高电平，通过信号处理单元对输出高电平信号进行处理；压力传感器连接电压源，输出低电平。
其中，模拟量采集模块包括模拟量输入单元和模拟量输出单元；
进一步的，如图4，模拟量输入单元与通信接口模块相连，模拟量输入单元用于接收传感器组模块采集的被测信号通过通信接口模块传递主控制器模块，主控制器模块通过处理接收到的被测信号采集发出控制指令；
模拟量输出单元用于接收主控制器模块输出的控制指令，并且通过发出控制指令激励对外部设备进行控制。
其中，主控制器模块包括主控芯片、复位电路、信号输入接口电路、信号输出接口电路、时钟电路和程序烧入接口；
复位电路用于控制主控制器模块进行复位清零；
时钟电路用于发出脉冲信号和计数被测信号脉冲信号，由于供电模块中电源控制芯片的串行总线中没有分配同步时钟信号线，因此需要通过位同步编码方式将时钟信息嵌入数据信息中，以实现高速串行数据流的高效可靠传输；
信号输入接口电路与通信接口模块相连用于接收由模拟量输入单元接收的被测信号；
信号输出接口电路与通信接口模块相连用于发出由主控制模块发出的控制指令，控制指令用于控制系统外部设备工作；
程序烧入接口用于将预先调试好的程序写入主控器模块中的主控芯片中。
其中，通信接口模块，通过设置热插拔单元在保证通信速率的前提下实现热保护，通过与供电模块中的电源芯片相连实现过流保护和失效保护，同时通信接口模块与主控制模块相连用于总线IO的数据信号传输，通信接口模块与模拟量输入单元相连用于传递数据信号；
进一步的，模块与模块之间的通信通过通信协议来完成，其中，总线协议层主要定义数据的类型和排布方式，便于第三方设备对数据进行解析，实现对采集系统的控制、同步与数据获取。根据设备功能，可以将总线帧格式规划为命令帧、数据帧和同步帧 3 种。其中，命令帧和数据帧用于主从站间的命令控制、状态查询和数据传输等过程；同步帧专用于主从时钟时间同步。以数据帧为例。由前同步信号作为帧头，后同步信号作为帧尾，根据命令类型字段可以判断其为数据帧。根据数据帧内部的协议，对协议层的 IP 核寄存器进行相应的配置；字节长度用于定位数据区截止位置；目标地址实现数据接收地址的识别和数据接收完后的应答；源地址用于表明主站身份；数据区字长可变，可根据采集模块采样率的不同自动调整长度，最大容纳字节长度为 256 B；帧校验和( FCS) 主要用于接收数据的检错。
0085.进一步的，如表1-IO-Link从站说明表格所示和如表2-IO-Link主站版本表格所示，其中IO-Link从站类型为SDIOL-8800-M12，是8通道数字量输入8通道数字量输出模块，通道数为16，输入额定电压为16V，去抖时间默认为3ms，预设范围0~10ms，采用光电隔离的方式，工作温度为-10~70°C，储存温度也为-25~70°C。
0086.表1-IO-Link从站说明表格
0087.
0088.表2-IO-Link主站版本表格
0089.
0090.如图5所示总线式IO采集与控制扩展系统的拓扑结构，其中由于从站与从站之间并联，则从站之间互不影响，由于单个从站为单独功能实现的小系统，则实现功能快，响应快，且若某一从站出现故障，其问题互不影响，且排查时间短暂，造成的影响小。
0091.总线功率自主诊断优化模块，包括功率模型、问题诊断单元、功率优化单元；
0092.功率模型通过对总线IO控制扩展单元的实时电流电压进行采集，作为基础数据，通过基础数据建立功率模型，其表达式如下所示：
0093.
0094.其中，H为总线IO控制扩展单元电压或电流的参数集，Q为线路损耗，P为总线IO控制扩展单元复功率，为两个节点的压差或电流差，i为序数；
0095.通过约束条件约束总线IO控制扩展单元电压或电流监控的量化分析模型，约束条件表达式如下所示：
0096.
0097.其中，Q为线路损耗，为两个节点的压差，i为序数；
0098.通过功率模型对总线IO控制扩展单元功率进行实时监测，当扩展单元功率过大，总线IO控制扩展单元通过功率模型对功率过大的设备通过优化单元进行限压和限流进而降低功率，若出现故障则通过主控制器模块对设备进行切断。
0099.实施例二
0100.如图2，一种总线式IO采集与控制扩展方法：
0101.S1、系统供电，各模块正常工作；
0102.通过供电模块为系统中各模块按照预设供电，保障各模块正常工作；
0103.S2、传感器采集外部信号，通过信号处理单元和A/D转换单元对外部信号进行处理，最终输出被测信号；
0104.当传感器组模块中传感器采集到外部信号时，外部信号经过信号处理单元进行初步整形滤波处理，处理后的信号经过A/D转换单元进行交直流互换，最终得到被测信号；
0105.S3、被测信号通过模拟量输入单元传递，由与模拟量输入单元相连的通信接口模块输出，通过总线作为介质进行传递，由与主控制器模块相连的通信接口模块接收，并输入主控芯片；
0106.S4、主控芯片预先写入设定好的程序，通过接收到的被测信号与预先写入的程序进行分析处理，生成控制指令；
0107.主控芯片接收被测信号，通过预先写入设定好的程序对被测信号进行计算分析最终生成处理方案，生成控制指令，控制指令用于控制总线内部各模块或者用于控制外部设备；
0108.S5、控制指令由与主控制器模块相连的通信接口模块发出，通过总线作为介质进行传递，由与模拟量输出单元相连的通信接口模块接收，并输出控制指令；
0109.S6、外部设备通过接收控制指令进行相应的工作。
0110.实施例三
0111.本实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储指令，处理器用于执行该指令，使得计算机设备执行实现上述一种总线式IO采集与控制扩展方法的步骤。
0112.实施例四
0113.一种计算机可读存储介质，其上存储有可擦写的计算机程序；
0114.当计算机程序在计算机设备上运行时，使得计算机设备执行上述的一种总线式IO采集与控制扩展方法。
0115.重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了两个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值（例如，温度、压力等）、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
0116.此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征（即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征）。
0117.应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
0118.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种总线式IO采集与控制扩展系统，其特征在于：包括，
供电模块，包括与系统各个模块相连并用于给各模块供电的主电源单元、用于控制供电顺序和热插拔处理的电源芯片；
传感器组模块，包括用于接收被测信号的各类传感器，与模拟量采集模块相连；
模拟量采集模块，包括用于与模拟量输入设备相连的模拟量输入单元和用于与外部设备相连的模拟量输出单元；
主控制器模块，包括主控芯片和连接主控芯片的复位电路、信号输入接口电路、信号输出接口电路、时钟电路和程序烧入接口，主控芯片向外扩展系统总线分别与模拟量采集模块、通信接口模块、供电模块通过系统总线相连；
通信接口模块，包括用于从站与主站之间的通信，控制信息汇聚的节点与模拟量采集模块通过通信接口模块连接；
总线功率自主诊断优化模块，建立功率模型，通过功率模型和问题诊断单元对总线功率进行实时诊断，并通过优化单元对过载进行自主优化；
所述供电模块为模拟量采集模块供电，由于各模块所需启动电源电压不同，因此通过电源芯片对每一个模块进行分配供电，同时通过电源芯片控制各模块运行时的供电顺序和热插拔芯片进行热插拔处理；
所述热插拔芯片包括MOS管电路和电流检测电阻，其中电流检测电阻将流过MOS管的信号传递给电源控制线路，电源控制线路通过电源芯片控制MOS管的导通；
所述各模块包括系统中的所有需要供电模块
所述传感器组模块包括依据系统功能采集被测信号的传感器、用于对采集的被测信号进行整形滤波处理的信号处理单元和用于交直流互换的A/D转换单元；
所述模拟量采集模块包括模拟量输入单元和模拟量输出单元；
所述模拟量输入单元与通信接口模块相连，模拟量输入单元用于接收传感器组模块采集的被测信号通过通信接口模块传递主控制器模块，主控制器模块通过处理接收到的被测信号采集发出控制指令；
所述模拟量输出单元用于接收主控制器模块输出的控制指令，并且通过发出控制指令激励对外部设备进行控制；
所述主控制器模块包括主控芯片、复位电路、信号输入接口电路、信号输出接口电路、时钟电路和程序烧入接口；
所述复位电路用于控制主控制器模块进行复位清零；
所述时钟电路用于发出脉冲信号和计数被测信号脉冲信号；
所述信号输入接口电路与通信接口模块相连，用于接收由模拟量输入单元接收的被测信号；
所述信号输出接口电路与通信接口模块相连，用于发出由主控制模块发出的控制指令，控制指令用于控制系统外部设备工作；
所述程序烧入接口用于将预先调试好的程序写入主控器模块中的主控芯片中；
所述通信接口模块，通过与供电模块中的电源芯片相连，实现过流保护和失效保护，同时通信接口模块与主控制模块相连，用于总线IO的数据信号传输，通信接口模块与模拟量输入单元相连，用于传递数据信号；
所述数据信号包括控制信号和被测信号；
所述总线IO包括IO-Link从站和IO-Link主站，其中IO-Link从站类型为SDIOL-8800-M12，是8通道数字量输入8通道数字量输出模块，通道数为16，输入额定电压为16V，去抖时间默认为3ms，预设范围0~10ms，采用光电隔离的方式，工作温度为，储存温度也为/>；
所述传感器包括应变传感器、温度传感器、振动传感器、压力传感器分别对被测信号进行采集；
所述应变传感器通过桥电路进行采集，连接电压源，输出低电平；
所述温度传感器通过3线制测量，连接电压源，输出低电平；
所述振动传感器通过集成压电式进行测量，连接电流源，输出高电平，通过信号处理单元对输出高电平信号进行处理；
所述压力传感器连接电压源，输出低电平；
所述总线功率自主诊断优化模块，包括功率模型、问题诊断单元、功率优化单元；
所述功率模型通过对总线IO控制扩展单元的实时电流电压进行采集，作为基础数据，通过基础数据建立功率模型，其表达式如下所示：
；
其中，H为总线IO控制扩展单元电压或电流的参数集，Q为线路损耗，P为总线IO控制扩展单元复功率，为第i个节点与第i+1个节点的压差或电流差，T为矩阵转秩符号，i为序数取1,2,3,...；
通过约束条件约束总线IO控制扩展单元电压或电流监控的量化分析模型，约束条件表达式如下所示：
；
其中，Q为线路损耗，为两个节点的压差，i为序数；
通过功率模型对总线IO控制扩展单元功率进行实时监测，当监测到扩展单元中的设备功率过大，总线IO控制扩展单元通过功率模型对功率过大的设备通过优化单元进行限压和限流进而降低功率，若出现故障则通过主控制器模块对设备进行切断。
2.一种总线式IO采集与控制扩展方法，其基于权利要求1中所述的一种总线式IO采集与控制扩展系统实现，其特征在于，所述方法包括以下具体步骤：
S1、系统供电，各模块正常工作；
S2、传感器采集外部信号，通过信号处理单元和A/D转换单元对外部信号进行处理，最终输出被测信号；
S3、被测信号通过模拟量输入单元传递，由与模拟量输入单元相连的通信接口模块输出，通过总线作为介质进行传递，由与主控制器模块相连的通信接口模块接收，并输入主控芯片；
S4、主控芯片预先写入设定好的程序，通过接收到的被测信号与预先写入的程序进行分析处理，生成控制指令；
S5、控制指令由与主控制器模块相连的通信接口模块发出，通过总线作为介质进行传递，由与模拟量输出单元相连的通信接口模块接收，并输出控制指令；
S6、外部设备通过接收控制指令进行相应的工作。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被执行时，实现如权利要求2所述的一种总线式IO采集与控制扩展方法。
4.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述电子设备执行实现如权利要求2所述的一种总线式IO采集与控制扩展方法。
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