CN1801016A - 带Profibus－DP总线接口的远程IO模拟量模块 - Google Patents

带Profibus－DP总线接口的远程IO模拟量模块 Download PDF

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奚培锋
殷君
薛吉
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Abstract

本发明涉及带Profibus－DP总线接口的远程IO模拟量模块，包括模拟量输入和模拟量输出两个模块；包括模拟量输入、信号放大电路、AD转换电路、单片机；网络传送数据、单片机、DA转换电路、信号放大电路、模拟量输出；其特征在于增设了Porfibus－DP网络送数据、Porfibus－DP协议芯片(SPC3)、Porfibus－DP网络；电源有特殊设计，模拟量模块配有控制软件，其信号传递为：模拟量输入将信号传至信号放大，经过模数转换为数字量后，通过光藕传入单片机，单片机收到数字量数据发送到Porfibus－DP协议芯片(SPC3)、Porfibus－DP网络上的数据收发，采用光藕隔离保护；Porfibus－DP网络传送数据将信号传至Porfibus－DP协议芯片(SPC3)后，通过光藕传入单片机，经过数模转换为模拟量后，再进行信号放大、模拟量输出。该模块用于检测和控制各种现场装置。

Description

带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块
技术领域
本发明涉及一种带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，属于现场总线远程控制技术领域。
背景技术
随着科学技术的进步、现代化工业的发展，人们对工业生产过程的控制提出了更高的要求。智能化、网络化、微型化、分散化代表当代自动化控制技术发展的主流方向，而现场总线技术正是促使自动化系统顺应这一发展要求的先进技术。
Profibus-DP协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，是目前国际上通用的现场总线标准之一，该协议分三个部分：
1)、PROFIBUS-DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信。
2)、PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。PROFIBUS FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。
3)、PROFIBUS是一个在IEC 61158和IEC 61784中通用的开放标准，广泛的应用在于上游流程(包括原材料的运输和存储)和下游工艺流程(包括物流和包装)中的应用装置。它是能为流程工厂的所有自动化系统和装置提供点到点，兼容一致性的通讯平台和现场总线网络。
VI1TP远程输入输出模块，是一个PROFIBUS-DP的从站模块，用于检测和控制工业控制系统中的各种现场装置如：传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器等数字量或模拟量类型的输入、输出。根据数字量信号的应用场合，产品按型号分为数字量输入及数字量输出型；输出方式分晶体管PNP输出，晶体管NPN型输出，继电器输出型等等。
PROFIBUS-DP从站模块，需要在Profibus国际组织NPO注册ID号，登记GSD模块配置文件，通过Profibus一致性测试后，才能作为Profibus组织的认证产品销售的推广。
通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信，它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
一般来说，国内外产品，均未考虑到产品通用性(产品外形的一致性)和软件涉及的一致性，这就给产品升级、系列化、多样化带来不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优于现有产品性能，考虑到产品通用性、升级换代的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：硬件包括模拟量输入和模拟量输出两个模块及供电电源；其中IO模拟量输入模块包括：IO模拟量输入、信号放大电路、AD转换电路、单片机；IO模拟量输出模块包括：单片机、DA转换电路、信号放大电路、IO模拟量输出，其特征在于：
所述的模拟量输入模块增设了Porfibus-DP协议芯片(SPC3)、Porfibus-DP网络；模拟量输出模块增设了Porfibus-DP网络传送数据、Porfibus-DP协议芯片(SPC3)。
IO模拟量输入输出模块电源采用的方式是RC加场效应管的开关振荡，输出功率大，消耗功率小，输出两路5V和正负14V，一路为主CPU供电，另一路为测量电路供电。另有一路电源由24V经DC-DC转换而得，为通讯接口电路供电。三路电源完全隔离。
本发明的软件固化在硬件CPU单片机中。
本发明的有益效果：在用于连接工业控制系统中的各种现场装置如传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器等现场装置的模拟量的输入、输出信号，能产生有益的效果。
附图说明
图1为本发明的IO模拟量输入、IO输出模块的原理框图；
图2为图1中主CPU及外围电路原理图；
图3为图1中IO模拟量输入电路具体线路原理图；
图4为图1中IO模拟量输出电路具体线路原理图；
图5为本发明的IO模拟量输入及IO输出模块主程序流程图；
图6为本发明的IO模拟量输入及IO输出模块中断程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图和一个较佳的实施例对本发明作较详细的说明。
参照图1，这是本发明的IO模拟量输入及IO输出模块的原理框图。
如图所示，IO模拟量输入模块包括：IO模拟量输入、信号放大电路、AD转换电路、单片机、Porfibus-DP协议芯片(SPC3)、Porfibus-DP网络送数据；IO模拟量输出模块包括：Porfibus-DP网络传送数据、Porfibus-DP协议芯片(SPC3)、单片机、DA转换电路、信号放大电路、IO模拟量输出。
模拟量输入1将信号传至信号放大2，经过模数转换3把差模转为共模，作为模数转换芯片MAX1270的输入，经过模数转换为数字量后，通过光藕传入CPU单片机4。单片机4收到数字量数据发送到Porfibus-DP协议芯片(SPC3)、Porfibus-DP网络上的数据收发，采用光藕隔离保护。
模拟量输出中，Porfibus-DP网络传送数据将信号传至Porfibus-DP协议芯片(SPC3)后，通过光藕传入CPU单片机4，经过数模芯片MAX525转换为模拟量后，经过运放LM348放大后，由模拟量输出12输出。
参照图2，这是本发明主CPU电路、接口电路、电源电路。这里所述的主CPU指的是单片机4，在Porfibus-DP网络6上收发模拟量数据，并控制输入输出板上模拟量数据的测量或输出。
所述的Porfibus-DP网络，主站和从站之间采用轮循的通讯方式，用于系统中单元级和现场通信。
拨盘SW用于测量电流和电压的切换。电压的量程切换由软件控制。
电源电路采用的方式是RC加场效应管的开关振荡，24V直流输入，通过变压器输出二路，是完全隔离的，一路5V为CPU供电；另一路是正负14V，+14V由7805变成5V，为输入端口的器件供电。另一路是24V经DC-DC转换得5V，这一路为上层通信接口供电。
模拟量输入模块的运放输入前加滤波电路，参数选择精确，可以提供测量精度，使得模数转化的数据跳动很小。
模拟量输出模块的输出范围由硬件来实现。
参照图3，这是本发明的IO模拟量输入电路1的原理图。它包括四路输入电路、模数转换电路、光电隔离几部分。
参照图4，这是本发明的IO模拟量输出电路12的原理图。它包括四路输出电路、数模转换电路和光藕隔离几部分。
模拟量IO模块的研制在数字量IO模块的基础上进行的。基于模拟量模块的接线端子不多，尽量减小产品体积，模数、数模转换采用14点端子产品的外形。模拟量IO模块的输入、输出电路，需要正负14V的直流电源。在其它电源系统上改进的有：在原来DC-DC变压器上增加一个绕组、三个抽头，利用自激振荡后通过滤波得到正负14V电源，一路5V芯片用电源通过78L05对+14V电源降压获得，另一路5V由DC-DC芯片直接获得。
模拟量IO模块采用的器件比数字量IO模块多，各个系统之间要求相互之间隔离。
参照图5，这是本发明的IO数字量输入及输出模块主程序流程图。
如图所示，其流程如下：开始13、设置中断14、初始化(读取拨码判定设备类型和设备地址、检测发光二极管、初始化SPC3)15到是否有新的数据输出16进行判断，如果是，到输出数据到设备17；如果否，直接到控制单片机读取设备模拟量数据18，然后，到更新协议芯片SPC3输入缓冲区19，是否有新的诊断数据20进行判断，如果否，返回到是否有新的输出数据16；如果是，便进入发送诊断数据到协议芯片SPC321，返回到是否有新的输出数据16。
参照图6，这是本发明的IO模拟量输入及输出模块中断程序流程图。
如图所示，其流程如下：有中断产生22到是进入/离开数据交换阶段23进行判断，如果是，进入相应处理程序24、再进入全局控制命令中断进行判断25；如果否，则直接进入是全局控制命令中断进行判断25，如果是，进入相应处理程序26，再进入设置从站地址中断进行判断27；如果否，则直接进入设置从站地址中断进行判断27，如果是，进入相应处理程序28，再进入新参数数据中断进行判断29；如果否，则直接进入新参数数据中断进行判断29，如果是，进入相应处理程序30，再进入新配置数据中断进行判断31；如果否，则直接进入新配置数据中断进行判断31，如果是，进入相应处理程序32，再中断程序结束33；如果否，则直接中断程序结束33。
VI1TP远程输入输出模块主要用于连接工业控制系统中的各种现场装置如：传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器等现场装置的模拟量的输入、输出信号，并可通过Profibus-DP网络进行通信。主要特点如下：
自适应的Profibus-DP通讯速率，支持9.6kbps-12Mbps。
完全支持Profibus-DP的DPV0功能。
模块工作电源及端口电源完全隔离；
输入和输出采用辅助电源供电，确保总线通讯不受负载影响；
具有较高的电磁兼容能力及可靠性；
模块化设计、结构紧凑、使用方便；
防护等级IP20。
VI1TP系列远程输入输出模块包括不同点数的模拟量输入输出模块，但是它却只有一种相同大小的外壳，具有高度的产品外形一致性，而且不同的模块对应的都是一套软件，所以产品具有很高的模块化，对于产品的生产也非常方便。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1、带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，用于连接工业控制系统中的各种现场装置如：传感器、按钮、指示灯、阀门、变送器模拟量信号；
包括模拟量输入和模拟量输出两个模块及供电电源；其中IO模拟量输入模块包括：IO模拟量输入、信号放大电路、AD转换电路、单片机；IO模拟量输出模块包括：单片机、DA转换电路、信号放大电路、IO模拟量输出，其特征在于：
所述的模拟量输入模块增设了Porfibus-DP协议芯片(SPC3)、Porfibus-DP网络；模拟量输出模块增设了Porfibus-DP网络传送数据、Porfibus-DP协议芯片(SPC3)；
模拟量输入1将信号传至信号放大2，经过模数转换3把差模转为共模，作为模数转换芯片MAX1270的输入，经过模数转换为数字量后，通过光藕传入CPU单片机4，单片机4收到数字量数据发送到Porfibus-DP协议芯片(SPC3)5、Porfibus-DP网络6上的数据收发，采用光藕隔离保护；
模拟量输出中，Porfibus-DP网络传送数据7将信号传至Porfibus-DP协议芯片(SPC3)8后，通过光藕传入CPU单片机9，经过数模转换芯片MAX525转换10为模拟量后，再进行信号放大11、模拟量输出12；
电源分别向单片机和输入输出模块供电；
所述的IO模拟量模块，在硬件CPU单片机中固化本发明的软件。
2、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的IO模拟量输入，包含四路输入电路、AD转换电路、光电隔离电路。
3、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的IO模拟量输出，包含四路输出电路、DA转换电路、光电隔离电路。
4、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的Porfibus-DP网络，主站和从站之间采用轮循的通讯方式，用于系统中单元级和现场通信。
5、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的电源电路，该电路采用的方式是RC加场效应管的开关振荡，24V直流输入，通过变压器输出二路，是完全隔离的，一路5V为CPU供电；另一路是正负14V，+14V由7805变成5V，为输入端口的器件供电。另一路是24V经DC-DC转换得5V，这一路为上层板通信接口供电。
6、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的模拟量输入模块，其运放输入前加滤波电路，参数选择精确，可以提供测量精度，使得模数转化的数据跳动很小。
7、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的在硬件CPU单片机中固化本发明的主程序流程软件，其流程如下：开始13、设置中断14、初始化(读取拨码判定设备类型和设备地址、检测发光二极管、初始化SPC3)15到是否有新的数据输出16进行判断，如果是，到输出数据到设备17；如果否，直接到控制单片机读取设备模拟量数据18，然后，到更新协议芯片SPC3输入缓冲区19、是否有新的诊断数据20进行判断，如果否，返回到是否有新的数据输出16；如果是，便进入发送诊断数据到协议芯片SPC321，返回到是否有新的输出数据16。
8、如权利要求1所述的带Profibus-DP总线接口的远程IO模拟量模块，其特征在于：
所述的在硬件CPU单片机中固化本发明的中断程序流程软件，其流程如下：有中断产生22到进入/离开数据交换阶段23进行判断，如果是，进入相应处理程序24，再进入全局控制命令中断进行判断25；如果否，则直接进入全局控制命令中断进行判断25，如果是，进入相应处理程序26，再进入设置从站地址中断进行判断27；如果否，则直接进入设置从站地址中断进行判断27，如果是，进入相应处理程序28，再进入新参数数据中断进行判断29；如果否，则直接进入新参数数据中断进行判断29，如果是，进入相应处理程序30，再进入新配置数据中断进行判断31；如果否，则直接进入新配置数据中断进行判断31，如果是，进入相应处理程序32，再中断程序结束33；如果否，则直接中断程序结束33。
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