CN203520079U - 可更换输入输出模块和mcu主控单元的工业自动化控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可更换输入输出模块和MCU主控单元的工业自动化控制器。它包含一个主电路PCB底板，其上有可插拔的并可堆叠为多层的输入输出模块和MCU主控单元；这些可插拔的与可堆叠的输入输出模块和MCU主控单元，通过若干标准排母排针链接器组实现电气连接和线路板与线路板之间的堆叠连接；每个输入输出模块有四个有效的IO信号，且每个输入输出模块之间、以及每个输入输出模块与MCU主控单元之间都是电气隔离的。其特点是积木式可插拔式模块结构，使选型简化，易于升级换代，功能更加完善，适用性更好，运行亦非常可靠。

Description

可更换输入输出模块和MCU主控单元的工业自动化控制器

技术领域

本实用新型涉及一种可安装于标准PCB塑料导轨的工业自动化控制器，其特点是有相同引脚和尺寸的具有不同功能的输入输出模块可根据控制现场的不同要求进行任意更换，且MCU主控单元的类型也可以根据功能升级需要进行更换，而不必更换控制器的框架结构和电气连接。 

背景技术

现有的单片微控制单元计算机MCU通常都具有引脚功能复用的特点，许多引脚通常即可作为数字量的输入输出，也可作为模拟量的输入输出，有些引脚还可作为各类数据通信、PWM、计时计数、数值比较等等复杂功能之用。然而，现在市面上的各类工业自动化控制器，包括PLC可编程序控制器，它们的输入输出模块、通讯等等功能模块以及MCU内核通常是固定的，不可变动的；这也使得各类工业自动化控制器和PLC必须是种类繁多，给用户的选择增添麻烦，给灵活多样的应用带来了诸多不便。 

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种可安装于现有标准PCB塑料导轨的工业自动化控制器，该工业自动化控制器可以充分满足对于不同类型的MCU，可以使用较为标准、安装尺寸相同的，但功能、性能、需求各异的输入输出模块。 

本实用新型的目的通过下面方式实现。一个主电路PCB底板；该主电路PCB底板的宽度设计为标准PCB塑料导轨的宽度；同时该主电路PCB底板分为两个可以通过标准排母排针链接器对工业自动化控制器进行功能和性能扩展的大的部分，这两大部分分别称为MCU主控单元和输入输出模块单元；每个输入输出模块有四个有效的输入输出接口与MCU主控单元一一对应相连接，且每个输入输出模块的外部接口端子与MCU主控单元之间是电气隔离的，以及每个输入输出模块的外部接口与另一个输入输出模块的外部接口端子之间也都是电气隔离的，以确保工业自动化控制器能够稳定的运行。MCU主控单元只需要一个就可以，而输入输出模块通常则需要多个，以满足不同的控制对象的需求。这些MCU主控单元和输入输出模块，均可以通过标准的排母排针链接器堆叠为多层线路板结构，且堆叠的上层输入输出模块可以设计有诸如以太网等特殊设备的接口，以便能更好的扩展工业自动化控制器的功能和性能，使本实用新型所描述的工业自动化控制器的更灵活更强大。为了使MCU主控单元的MCU可以进行灵活的更换，而不需对整个控制器进行更换，多数情况下，将MCU放置在堆叠的扩展板上，而不是将MCU放置在主电路PCB底板上。 

下面将结合附图对实用新型做进一步的称述： 

附图说明

图1是实用新型的正面俯视图。 

图2是实用新型的侧面视图。 

图3是实用新型的主电路PCB底板[1]上与输入输出模块[2]对应部分的正面俯视图。 

图4是实用新型的输入输出模块[2]上层可堆叠部分的正面俯视图。 

图5是实用新型的输入输出模块[2]各层堆叠后的侧面视图。 

图6是72mm标准PCB塑料导轨安装尺寸图。 

图7是108mm标准PCB塑料导轨安装尺寸图。 

具体实施方式

参照附图，[1]为主电路PCB底板，主电路PCB底板[1]分为两大可通过堆叠线路板实现控制功能变化和扩充的区域，这两个区域分别为可有多组的输入输出模块[2]区域和MCU主控 单元[3]区域。主电路PCB底板[1]的宽度根据工业自动化控制器安装的方便、配件的通用性和易购性的要求，设计为72±3mm和108±3mm两种，这两种宽度尺寸为标准PCB塑料导轨的安装尺寸见图6和图7；主电路PCB底板[1]的长度则主要根据输入输出模块[2]的数量和其它辅助电路的多寡来确定。 

本实用新型中，主电路PCB底板[1]上一般只安装电源电路、复位电路等通用电路，而MCU主控电路和输入输出检测控制电路，则通过标准排母排针链接器与MCU主控电路板和输入输出检测控制电路板相连接。MCU主控电路板在本说明书中称为MCU主控单元[3]，输入输出检测控制电路板在本说明书中称为输入输出模块[2]，多个排母排针链接器的组合在本说明书中称为排母排针链接器组。 

图1中所绘输入输出模块[2]分别在MCU主控单元[3]的两侧，连接外部输入输出设备的接线端子[9]在主电路PCB底板[1]的两侧边缘外；图中输入输出模块[2]的数量为六组模块，实际使用时输入输出模块[2]的数量常常并不一定只有六组模块，可以是十二组模块，也可以是更多的或更少的模块数量，最少时可以只有两组输入输出模块[2]。 

在本实用新型中输入输出模块[2]一般配置成多组，输入输出模块[2]组数的多寡取决于实际采用MCU的类型，MCU上IO数量多的，则输入输出模块[2]组数就多。对于检测控制数量少的工业自动化控制器，选用IO数量少的MCU。对于检测控制数量多的工业自动化控制器，选用IO数量多的MCU。对于检测控制精度和复杂度高的工业自动化控制器，则选用性能更好的MCU和输入输出模块[2]。这样就可以像搭积木般的使用该工业自动化控制器，使得同一个工业自动化控制器，它的适应性更广、性能更好更优异，也易于标准化。对最终减少市面上工业自动化控制器的种类也有帮助，使用户的选择更加简易方便。 

每一组输入输出模块[2]在主电路PCB底板[1]上有对应的六个接线端子[9]，接线端子[9为插拔式接线端子，图3中接线端子[9]的宽度为3.81mm或3.96mm或5.08mm的标准的PCB插拔式接线端子，当然亦可为固定的接线端子。每一组输入输出模块[2]的设计宽度根据所采用标准的PCB插拔式接线端子的宽度决定。这六个接线端子[9]分别为一个公共端COM，四个输入输出信号端A、B、C、D，一个外接直流电源端Ve；外接直流电源端Ve为单组输入输出模块[2]的IO功能区[13]提供电源能量，并为隔离元件区域[12]的与IO功能区[13]相连接的一侧提供电源能量；这六个接线端子[9]，它们的PCB引脚[8]与排母排针链接器组[7]在电路上是一一对应分别连通的，图中排母排针链接器组[7]为两排，每排排母排针链接器的数量都与接线端子[9]的数量相同，都为六个。排母排针链接器组[7]设为两排的目的是为要增加输入输出模块[2]作为输出时的电流驱动能力，以驱动大功率的电器设备，如双绕组步进电机等。当输入输出模块[2]作为输入或小电流输出目的时，排母排针链接器组[7]只需要一排就可以了；排母排针链接器组[7]为一排时，可以增加线路板上元器件的数量，可以实现功能更复杂的检测控制。 

每一组输入输出模块[2]在主电路PCB底板[1]上还有对应的可以连接到MCU主控单元[3]的排母排针链接器组[5]；排母排针链接器组[5]中包含四个IO信号a、b、c、d，一个正电源+V，一个负电源-V和三个公共端G，公共端G通常情况下一个也就可以了；这里使用三个公共端G，是因为输入输出模块[2]对应的六个接线端子[9]宽度较宽，足够放下宽度最大只有2.54mm排母排针链接器九个。根据主电路PCB底板[1]的宽度是72±3mm和108±3mm两种，计算出排母排针链接器组[5]的中心到主电路PCB底板[1]边缘处的间距在20mm到26mm[10]之间较为合理；每一组输入输出模块[2]靠近MCU主控单元[3]的边缘到主电路PCB底板[1]边缘处的间距，则设计为22mm到28mm之间。 

每一组输入输出模块[2]上的排母排针链接器组[5]包含四个IO信号a、b、c、d可以通过排母排针链接器组[4]连到MCU主控单元[3]，这四个IO信号是通过主电路PCB底板[1]上对应于每个输入输出模块[2]的排母排针链接器组[5]与排母排针链接器组[4]相链接，而使得 IO信号可以连接到MCU主控单元[3]。并且通过电气隔离区域[6]与输入输出模块[2]的排母排针链接器组[7]的四个IO信号A、B、C、D信号相对应；通常情况下a-A、b-B、c-C、d-D信号之间一一对应；每一组输入输出模块[2]选用四个IO信号的特点是灵活性和适用性都非常好，而同时设备开销也相对较小。如果选用每一组输入输出模块只包含一个IO信号，再加上必配的正负电源，则每个IO设备开销也相对较大；如果每一组输入输出模块选用八个IO信号，虽然每个IO设备开销也相对较小，但输入输出模块的灵活性和适用性则变得较差。每一组输入输出模块[2]选用四个IO信号可以直接推动各类H桥电器设备，单双绕组电机，SPI设备(如由高速SPI构成的以太网通讯设备)等等；选用四个IO信号也适用于较为复杂的通信设备，如RS232、RS485、USB、CAN总线，各类调制解调器等等，它的灵活性和适用性也都非常好；对于简单的一一对应的数字量和模拟量输入输出设备，每组输入输出模块[2]选用四个IO信号，在多数情况下它的灵活性和适用性都是较好的，而且设备开销也非常小。图中接口装置[14]为以太网或USB等的接口装置示意图，当有许多通讯或控制检测设备不适合接线端子[9]的接线方式时，则可以在输入输出模块[2]上设计如[14]所示的接口装置，以满足各类不同设备的特殊接口需求，这就使得本实用新型所述的工业自动化控制器功能更加强大，适用性更好。 

由排母排针链接器组[5]和排母排针链接器组[7]构成的输入输出模块[2]，可以形成如图中所示的两层或多层线路板堆叠在一起的结构，可以使多层线路板堆叠的输入输出模块[2]比只有单层线路板的输入输出结构，功能更加完善，可以实现更复杂更多样的控制任务。 

在主电路PCB底板[1]上有若干与输入输出模块[2]相对应的区块，这些区块中，每个区块都有六个接线端子[9]、双排每排六个排母排针链接器的排母排针链接器组[7]、九个排母排针链接器的排母排针链接器组[5]；在排母排针链接器组[7]和排母排针链接器组[5]之间有一个间距不小于8mm的电气隔离区域[6]；在主电路PCB底板[1]上的每一个电气隔离区域[6]内，也就是排母排针链接器组[5]和排母排针链接器组[7]之间，都不出现任何电子元件和覆铜连接，为的是使接线端子[9]和MCU主控单元[3]之间不产生电气连接，这样能确保整个MCU主控单元[3]的稳定运行；而且主电路PCB底板[1]上与各输入输出模块[2]相对应的区块与区块间的接线端子[9]，其覆铜之间的间距不小于4mm；这样可以确保每一组输入输出模块[2]之间也是电气隔离的，这就确保了整个工业自动化控制器都能够稳定的运行，即便是有某一个输入输出模块[2]受到强电干扰或意外损坏，也不会影响整个工业自动化控制器正常工作。 

按图所示，在每一组输入输出模块[2]上，与主电路PCB底板[1]上电气隔离区域[6]相对应的地方，有信号放大整形区域[11]和隔离元件区域[12]，且隔离元件区域[12]的宽度不小于4mm；每一组输入输出模块[2]上还有与主电路PCB底板[1]上接线端子[9]对应的区域，称之为输入输出功能区域[13]。信号放大整形区域[11]对来自隔离后外部输入输出设备的信号，加以放大整形，使得MCU能够更好的识别。而对于来自MCU的信号则加以驱动，使信号得以驱动隔离元件区域[12]中的各个隔离元件；这些隔离元件可以是光耦，也可以是隔离变压器，还可以是隔离电容等隔离元件。输入输出功能区域[13]的电路可以对通过接线端子[9]而来自的外部设备的信号加以处理，给隔离元件区域[12]中的隔离元件以足够完好的信号加以驱动；输入输出功能区域[13]的电路也可以对来自隔离元件区域[12]中从MCU而来的信号给于处理增加驱动能力，通过接线端子[9]驱动外部受控设备。这样的安排适用于几乎是任何的需要进行电气隔离保护的应用之中。它适用于隔离的数字输入输出、隔离的模拟输入输出、隔离的H桥驱动、隔离的RS232、隔离的RS485、隔离的SPI设备、隔离的USB、隔离的CAN总线等等场合。对于有些隔离应用，现在许多厂商也开始供应自身带有隔离的完整的集成器件或芯片，如一个完整的隔离USB芯片等，而无需在隔离元件之外，外接许多的功能元器件。 

MCU主控单元[3]通常情况下被安置于主电路PCB底板[1]的中间位置。MCU主控单元[3]通过排母排针链接器组[4]可以形成多层线路板堆叠的结构，并排母排针链接器组[4]与各输入输出模块[2]进行电气连接。MCU主控单元[3]的多层线路板堆叠结构，可以更加灵活的对 本实用新型所述工业自动化控制器进行配置，使其更易于升级、功能更加丰富、性能更加完善；主电路PCB底板[1]上的排母排针链接器组[4]与输入输出模块[2]上对应的排母排针链接器组[5]之间必须是有对应连接关系，以确保MCU主控单元[3]和各输入输出模块[2]之间有良好的信息和电气信号传输，且在主电路PCB底板[1]上有排母排针链接器组[4]与MCU主控单元[3]在电路上是有一一对应的连接，以便MCU主控单元[3]可以堆叠为多层线路板结构；在主电路PCB底板[1]另有排母排针链接器组[5]和排母排针链接器组[7]与输入输出模块[2]在电路上是一一对应的连接，以便输入输出模块[2]可以堆叠为多层线路板结构。 

Claims (7)

1.一种可更换输入输出模块[2]和MCU主控单元[3]的工业自动化控制器，其特征是有一个主电路PCB底板[1]，在主电路PCB底板[1]上有排母排针链接器组[4]与MCU主控单元[3]在电路上是有一一对应的连接，使MCU主控单元[3]可以堆叠为多层线路板结构；在主电路PCB底板[1]另有排母排针链接器组[5]和排母排针链接器组[7]与输入输出模块[2]在电路上是一一对应的连接，使输入输出模块[2]可以堆叠为多层线路板结构；且主电路PCB底板[1]上的排母排针链接器组[5]与排母排针链接器组[7]之间有一无任何电子元件和覆铜连接的电气隔离区[6]，电气隔离区[6]的宽度不小于8mm；主电路PCB底板[1]上的排母排针链接器组[5]与排母排针链接器组[4]之间有对应连接关系；主电路PCB底板[1]上对应于每个输入输出模块[2]的排母排针链接器组[5]有四个有效IO信号与MCU主控单元[3]对应的排母排针链接器组[4]相链接。 

2.根据权利要求1所述的工业自动化控制器，在主电路PCB底板[1]上至少有两组或两组以上的可以与输入输出模块[2]相连接的对应区域，其上有排母排针链接器组[5]和排母排针链接器组[7]；在主电路PCB底板[1]中每组与输入输出模块[2]对应区域有六个可以外接其它输入输出电器设备的接线端子[9]，且这六个接线端子[9]中，有一个公共端COM，四个输入输出信号端A、B、C、D，一个为IO功能区[13]提供电源能量的外接直流电源端Ve；且这六个接线端子[9]，它的PCB引脚[8]与排母排针链接器组[7]在电路上是一一对应分别连通的，且排母排针链接器组[7]至少也为六个并排排放的排母排针链接器；每组输入输出模块[2]还有可以连接到MCU主控单元[3]的排母排针链接器组[5]，排母排针链接器组[5]中包含四个IO信号a、b、c、d，一个正电源+V，一个负电源-V，至少一个公共端G；且排母排针链接器组[5]的中心到主电路PCB底板[1]边缘处的间距在20mm到26mm[10]之间。 

3.根据权利要求1或2所述的工业自动化控制器，输入输出模块[2]作为隔离数字输入输出、隔离模拟输入输出、隔离H桥驱动、隔离RS232、隔离RS485、隔离SPI、隔离USB、隔离CAN总线时，输入输出模块[2]上分为信号放大整形区域[11]和隔离元件区域[12]以及输入输出功能区域[13]三个区域，且隔离元件区域[12]的宽度不小于4mm。 

4.根据权利要求3所述的工业自动化控制器，输入输出模块[2]的信号放大整形区域[11]和隔离元件区域[12]以及输入输出功能区域[13]三个区域，由一个完整的集成器件代替。 

5.根据权利要求3所述的工业自动化控制器，在输入输出模块[2]上有适用于不适合接线端子[9]的接线方式的外接设备之特殊需求的接口装置[14]。 

6.根据权利要求3所述的工业自动化控制器，主电路PCB底板[1]宽度为72±3mm或108±3mm，以适应通用标准PCB塑料导轨的安装要求。 

7.根据权利要求3所述的工业自动化控制器，主电路PCB底板[1]上与各输入输出模块[2]相对应的区块与区块间的接线端子[9]覆铜之间的间距不小于4mm。 

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