CN201681290U

CN201681290U - 通用设备控制器

Info

Publication number: CN201681290U
Application number: CN2010201019712U
Authority: CN
Inventors: 袁爱进; 闫鑫; 孙宜阳; 黄孝雄
Original assignee: Sany Heavy Machinery Ltd
Current assignee: Shanghai Huaxing Digital Technology Co Ltd
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2020-01-22

Abstract

本实用新型公开了一种通用设备控制器，包括控制电路及输入输出接口电路，其特征在于：由三块单板的分体结构构成，从下至上依次为底板、IO板及CPU板，并以层叠的方式布置，所述底板上布置有与外接设备相连接的接插件，所述控制电路设置于所述CPU板上，所述输入输出接口电路布置于所述IO板上，上下相邻板之间经相应的数据连接插脚电连接。本实用新型通过三层单板的分体结构将各电路以层叠的方式分布于不同的单板上，并由数据连接插脚电连接，构成一个整体，提高了整机的抗干扰性、散热性及灵活可维护性，实现了通用设备控制器在工程机械各类设备上的使用。

Description

通用设备控制器

技术领域

本实用新型涉及一种设备控制器，具体涉及一种用于工业自动化中小型现场总线控制系统内的通用设备控制器。

背景技术

工业自动化根据生产过程的特点可分为过程自动化和制造自动化以及各种自动化测量控制系统，对于这些不同的工业对象发展了相应的控制装置和技术。目前，对于流程工业的控制常采用回路调节器、集散型控制系统(DCS-Distributed Control System)和现场总线控制系统(FCS-Field busControl System)；离散型制造业则主要依靠可编程序控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，用于逻辑和顺序控制；而间歇过程工业，则需要DCS和PLC的综合运用，两者的结合构成通用设备控制器。通用设备控制器在硬件上，将PLC和回路调节器的全部功能有机的溶为一体：用于离散型制造业可取代PLC；用于流程工业可置换回路调节器和DCS；用于间歇过程工业则可替代DCS与PLC的复杂组合；并使所有的工业自动化系统都有一个简单、统一的解决方案。

通用设备控制器一般包括电源电路、处理器电路、AI/AO电路和DI/DO电路等，这些电路被布置于一底板上，相互间以相应的外围电路连接通信，然而，当该结构运用到工程机械上时，便出现了各类问题。一方面，由于工程机械工作环境的恶劣，导致电磁干扰过大，出现各种误操作；另一方面，散热性差也致使处理器电路及其他电路工作出现异常，使得通用设备控制器在工程机械上难以得到运用。同时，由于工程机械种类的繁多，需要改变输入输出接口电路才能与各个使用设备匹配，因而无法达到通用的效果，也强加了使用成本。

因而，以现有的通用设备控制器无法使用在工程机械领域，需要做进一步的改进。

发明内容

本实用新型目的是提供一种通用设备控制器，通过对结构的改进，使得使用更为灵活，减小了维修维护成本，抗干扰能力得到了提高，适用于各类工程机械的作业环境。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种通用设备控制器，包括控制电路及输入输出接口电路，由三块单板的分体结构构成，从下至上依次为底板、IO板及CPU板，并以层叠的方式布置，所述底板上布置有与外接设备相连接的接插件，所述控制电路设置于所述CPU板上，所述输入输出接口电路布置于所述IO板上，上下相邻板之间经相应的数据连接插脚电连接。

上述技术方案中，相邻上下板之间通过数据连接插脚电连接，该插脚为金属插脚，具有一定的钢性，也就具有一定的支撑力，支撑上层一层或两层单板的力，同时承担上下板之间信号的传输，连接构成为一个整体。

上述技术方案中，上下相邻的所述单板之间设有用于支撑上层板的支撑架，设置支撑架或是支撑柱之类的支撑结构，加固数据连接插脚的支撑力，尤其可设置于底层与中间之间。

上文中，控制器由底板、IO板及CPU板三块单板以层叠的方式构成，所述CPU板上的控制电路主要包括电源电路、DSP电路、通信电路、远程监控、定位和维护电路、掉电保护电路，所述IO板实现产品的输入输出接口功能，所述底板为与外部接口部分，仅设置各类接插件，所有所需的信号由底板接入控制器，经IO板的处理，进入CPU板，由于线路上的干扰主要是从接插件进入的，在本实用新型中，信号经过IO板的处理，使得进入CPU板的信号都为“干净”信号，提高了产品的抗干扰性能；

又因三块单板以层叠方式安装布置，相邻板之间设置支撑架间隔支撑，从而形成板与板之间的散热空间，将没有发热元件的底板部分放在最下层；IO板实现产品的输入输出接口功能，此板有DO、PWM等驱动芯片，发热较大，因此安装在中间层，使产生的热量能快速散掉；而CPU板元件发热量次之，安装于顶层，如此布置充份利用散热空间，散去中间IO板的热量，使整个控制器保持在适合的工作温度下；

再者，底板上除了接插件外无其它元件，一般情况下不易损坏，CPU板主要为5V以下的控制电路，损坏的可能性也小，IO板有大电流DO、PWM输出以及控制信号的输入输出，以及相应的保护电路，在三块单板中损坏的机率最高，故而以三块单板的分体结构安装时，若其中一块单板出问题，只要更换有故障的那块板，而不需要整块更换，从而可减少维修成本，同时，当更换外接设备时。底板接插件与CPU板的控制电路通常为通用板，只需要更换对应的IO板(灵活配置输入输出，实现不同的控制功能)，便可实现与不同设备的连接，适用范围更广，降低使用成本。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是：

1、由于本实用新型将各电路接口分布在底板、IO板及CPU板三块单板上，并以层叠的方式安装，上下板之间经数据连接插脚电连接，构成一整体，以单板的分体结构组成，当其中一单板损坏时，可仅更换损坏板，其他板保留，减少维护成本；同时，由于底板与CPU板通常为通用板，通过改变IO板上输入输出电路的电路配置，便可实现不同的功能，适应不同的连接设备需要，提高了整个控制器的灵活性，通用性，降低使用成本；

2、由于底板为与外部接口部分，仅设置各类接插件，所有所需的信号由底板接入控制器，经IO板的处理，进入CPU板，使得进入CPU板的信号都为“干净”信号，提高了整机的抗干扰性能，适于工程机械的恶劣作业环境；

3、将没有发热元件的底板部分放在最下层，IO板上有DO、PWM等驱动芯片，发热较大，因此安装在中间层，而CPU板元件发热量次之，安装于顶层，如此布置充份利用板与板之间的散热空间，能快速散去中间IO板的热量，使整个控制器保持在适合的工作温度下，确保控制操作的稳定性和准确性。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是本实用新型实施例一中的电源电路I；

图4是本实用新型实施例一中的电源电路II；

图5是本实用新型实施例一中的电源电路III；

图6是本实用新型实施例一中的CPU板接口连接框图；

图7是本实用新型实施例一中的掉电保护检测电路；

图8是本实用新型实施例一中的通信电路I；

图9是本实用新型实施例一中的通信电路II；

图10是本实用新型实施例一中的AI输入处理电路；

图11是本实用新型实施例一中的DI输入处理电路；

图12是本实用新型实施例一中的DO/PWM驱动电路；

图13是本实用新型实施例一中的AO输出处理电路。

其中：1、底板；2、IO板；3、CPU板；4、支撑架；5、数据连接插脚；6、接插件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见图1～13所示，一种通用设备控制器，包括控制电路及输入输出接口电路，由三块单板的分体结构构成，从下至上依次为底板1、IO板2及CPU板3，并以层叠的方式布置，所述底板1上布置有与外接设备相连接的接插件6，所述控制电路设置于所述CPU板3上，所述输入输出接口电路布置于所述IO板2上，上下相邻板之间经相应的数据连接插脚5电连接，所述底板1与IO板2之间还设有支撑架4，增加数据连接插脚5的支撑力。

①底板1为与外部接口部分，所有所需的信号由底板1接入控制器。为了使底板1具有通用性，此单板上除了接插件6外，没有其它元器件，一般不会损坏，无发热元件，被布置于底层；

②CPU板3为控制器的主控制部分，所有的信号由此板进行处理。主要包括电源电路、DSP电路、通信电路、远程监控、定位和维护电路(GPS/GPRS电路)、掉电保护电路，均为5V以下的控制电路，损坏的可能性小，发热量次之，置于顶层；

电源电路如图3～5所示，滤波电路(电容、电感)以及DC/DC电源模块组成第一级电源处理电路，电源输入范围宽(6V~40V)，经U1006的DC/DC变换后，输出为5V，可供下一级电源变换用及常用芯片供电；经第二级电源处理电路经过各专用电源IC处理后供给DSP、GPS、GPRS模块、通信部分、IO等电路。U1008为DSP的主电源芯片，它为DSP提供内核电压及IO口电压等，U1009为3.3V LDO，为DSP的外围IO供电；U1011为GPRS模块提供供电，U1012为GPS模块供电及提供有源天线的偏压。

CPU板接口连接如图6所示，网络接口主要是通过CAN总线与现场总线仪表、总线结构的计算机网络、面向监督管理人员的操作站等实现现场总线控制系统的通信功能，可实现CAN2.0A、CAN2.0B、J1939协议；串口A用过与GPRS/GPS模块进行串行数据交换；串口B可与现场智能监控设备进行串行数据交换，同时也可以作为调试用的串行接口；通过SPI总线进行E2PROM扩展，主要用来保存掉电时的重要数据；而GPIO可完成现场传感器等模拟数据采集以及开关量的采集并输出模拟、数字控制信号。

DSP电路主要由DSP、外部晶振与复位电路组成，DSP上电复位信号由电源IC U1008提供，U1008为TI的专用电源芯片，提供两个上电复位信号。其晶振采用25MHz外部无源晶振，经过内部倍频使DSP工作在合适的工作频率上。DSP为控制的枢纽，控制系统底层程序与应用程序都下载到DSP中。

掉电保护电路如图7，采用U1019来检测电源是否掉电。当电源正常时，U1019的/RESET信号正常，当U1019的SESEN脚接的电源下降到设定值时，其/RESET脚输出中断信号给DSP，DSP转向掉保护程序，在大约2mS内完成重要数据的保存。

通信电路由CAN通信与RS232通信接口组成，如图8、9所示，DSP提供一个CAN接口，但需要CAN总线驱动芯片进行驱动，图中U1015为CAN驱动芯片，采用NXP的TJA1040T，具有很强的抗干扰能力，R1060与R1061实现TJA1040T与DSP间电平匹配，L6001实现共模干扰抑制，Z6001为ESD保护，防止外部的高压干扰进入内部。图中U1014为RS232接口芯片，电路为典型应用电路，其中R1062与R1063实现串口输出电平能与DSP输入电平匹配，Z1003与Z1004为保护TVS管。

远程监控、定位和维护电路主要GPS定位芯片与GPRS模块构成，GPS数据通过UART2与GPRS相连，GPRS模块与SIM电路组成无线数据收发电路，GPRS模块与DSP通过UART1相连。初始化完成后，GPS模块将定位的经纬度、高度、移动速度等数据传送给GPRS模块，GPRS模块再对数据进行调制通过GPRS网络再进远传；通过GPRS模块能远程对控制器的应用程序进行更新、维护以及排除故障。

③IO板2主要由AI输入处理电路、DI输入处理电路、DO/PWM驱动电路及AO输出处理电路组成，实现产品的输入输出接口功能，主要有输入信号的前级处理及输出信号的驱动功能，通过配置不同可实现输入输出的路数不同。此板有DO、PWM等驱动芯片，发热较大，因此安装在中间，使产生的热量能从板与板之间的空间快速散掉。

AI处理电路如图10所示，当输入的信号为0~5V的电压信号时，跳线J2001断开，这样电压信号经R2002与R2003分压后进入DSP的ADC，调节R2002与R2003的比率可以改进输入电压采集的幅度；当跳线J2001连接时，可输入电流信号，在R2001精密电阻上产生的压降进行测量；Z2001为保护TVS管，提高产品的EMC性能。

DI处理电路如图11所示，三极管Q4001为实现电平转换作用，R4001，C4001组成RC滤波，Z4001为保护TVS管。

DO/PWM驱动电路如图12所示，DSP驱动的DO信号或PWM信号经U5001进行驱动，可直接驱动触点容量为1.25A/40VDC的负载，并有过压、短路保护。

AO处理电路如图13所示，DSP输出的PWM信号经过U3003缓冲后，再经二阶滤波，输出4～20mA的直流电流信号，可通过调节PWM的占空比调节电流的大小。

三块单板中底板1与CPU板3为通用部件，而IO板2可以根据需求灵活配置，即可以通过改变IO板2灵活配置输入输出，以实现不同的控制功能，因此根据外接设备的不同，更换IO板2便可对不同的设备进行控制，实现控制器的通用性，同时，当易于损坏的IO板出问题时，只需更换IO板2便可修复，维护更为方便，减少维修成本。

Claims

1.一种通用设备控制器，包括控制电路及输入输出接口电路，其特征在于：由三块单板的分体结构构成，从下至上依次为底板、IO板及CPU板，并以层叠的方式布置，所述底板上布置有与外接设备相连接的接插件，所述控制电路设置于所述CPU板上，所述输入输出接口电路布置于所述IO板上，上下相邻板之间经相应的数据连接插脚电连接。

2.根据权利要求1所述的通用设备控制器，其特征在于：上下相邻的所述单板之间设有用于支撑上层板的支撑架。