CN210955040U

CN210955040U - 用于机器人控制器的可扩展的io模块组件

Info

Publication number: CN210955040U
Application number: CN201922288564.0U
Authority: CN
Inventors: 王科; 李延法; 孔德胜; 郝佳佳; 胡向明; 吴芸
Original assignee: Shanghai Step Robotics Corp; Shanghai Step Electric Corp
Current assignee: Shanghai Step Robotics Corp; Shanghai Step Electric Corp
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-19

Abstract

一种用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，包括IO管理模块、开始模块、结束模块及多个IO模块。开始模块包括第一网络变压器、第二以太网接口和第一连接器；第一网络变压器连接于第二以太网接口与第一连接器之间。多个IO模块依次串联；每一IO模块包括第二控制单元、第二PHY芯片、第二网络变压器、第二连接器、第三连接器及IO接口，第二控制单元、第二PHY芯片和第二网络变压器依次连接，第二网络变压器连接于第二、第三连接器之间，第三连接器与第二连接器连接。结束模块包括第四连接器和数据回环模块，第四连接器与多个IO模块中的最后一级IO模块的第三连接器可拆卸地连接。本实用新型可自由扩展IO模块，且刷新速度快，可靠性高。

Description

用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件

技术领域

本实用新型涉及机器人控制技术。

背景技术

近年来，机器人控制器在新一轮的工业革命中扮演着举足轻重的角色，同时越来越多的工业项目现场对控制器IO提出了更多要求，如IO刷新频率、IO可靠性、IO可扩展性等。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其可自由扩展IO模块，且刷新速度快，可靠性高，实施成本低。

本实用新型实施例提供了一种用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，包括IO管理模块、开始模块、结束模块以及多个IO模块；IO管理模块包括第一控制单元、第一PHY芯片和第一以太网接口，第一控制单元、第一PHY芯片和第一以太网接口依次连接；开始模块包括第一网络变压器、第二以太网接口和第一连接器；第一网络变压器连接于第二以太网接口与第一连接器之间，第二以太网接口通过网线与IO管理模块的第一以太网接口连接；多个IO模块依次串联；每一IO模块包括第二控制单元、第二PHY芯片、第二网络变压器、第二连接器、第三连接器以及IO接口；第二连接器的第一差分信号端子与第二网络变压器的第一差分信号输入端连接，第二网络变压器的第一差分信号输出端和第二差分信号输入端分别与第二PHY芯片连接，第二网络变压器的第二差分信号输出端与第三连接器的第一差分信号端子连接，第三连接器的第二差分信号端子与第二连接器的第二差分信号端子连接；第二控制单元分别与第二PHY芯片和IO接口连接；多个IO模块中的首个IO模块的第二连接器与开始模块的第一连接器可拆卸地连接，每相邻的两个IO模块中，后一级IO模块的第二连接器与前一级IO模块的第三连接器可拆卸地连接；结束模块包括第四连接器和数据回环模块，第四连接器与多个IO模块中的最后一级IO模块的第三连接器可拆卸地连接，数据回环模块与第四连接器连接，用于将接收到的数据通过第四连接器返回给多个IO模块中的最后一级IO模块。

本实用新型至少具有以下优点:

1、本实用新型实施例的IO模块组件的多个IO模块之间通过连接器彼此可拆卸地连接，IO模块的可扩展性高，可以将任意类型的IO模块插入到开始模块和结束模块之间；

2、本实用新型实施例的IO模块只使用一个PHY芯片即可实现数据报文往返通信，实现了对IO读写操作，成本低；

3、本实用新型实施例的IO模块采用了FPGA和PHY芯片，刷新频率高，数据通信速率高达100Mbps；

4、本实用新型实施例既可应用于本地IO可应用在远程IO中，具有较高的灵活性。

附图说明

图1示出了根据本实用新型一实施例的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件的原理图。

图2示出了根据本实用新型一实施例的IO管理模块的原理图。

图3示出了根据本实用新型一实施例的开始模块的原理图。

图4示出了根据本实用新型一实施例的IO模块的原理图。

图5示出了根据本实用新型一实施例的结束模块的原理图。

图6示出了根据本实用新型一实施例的数据回环模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出进一步说明。

请参考图1至图5。根据本实用新型实施例的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，包括IO管理模块1、开始模块2、结束模块3以及多个IO模块4。

IO管理模块1包括第一控制单元111、第一PHY芯片121、第一以太网接口131和第一LED模块141，第一控制单元111、第一PHY芯片121和第一以太网131接口依次连接，第一LED模块141与第一控制单元111连接。

IO管理模块1是机器人控制器5和各IO模块4通讯的桥梁。在本实施例中，第一控制单元111为FPGA，FPGA111提供了并口、PCI接口、JTAG接口、PS程序配置接口。FPGA111可通过并口或PCI接口与机器人控制器5的CPU进行连接并通信，提供JTAG接口供开发人员进行FPGA程序的开发和调试，并提供了PS程序配置引脚，方便通过机器人控制器上的CPU对FPGA程序进行下载更新。IO管理模块1用于将用户数据报文转换为以太网数据报文，以太网帧类型为0x8844。

开始模块2包括第一网络变压器211、第二以太网接口222和第一连接器231。第一网络变压器211连接于所述第二以太网接口222与第一连接器231之间，第二以太网接口222通过网线与IO管理模块1的第一以太网接口131连接。具体来说，第一网络变压器211的第一差分信号输入端与第二以太网接口连接，第一网络变压器211的第一差分信号输出端与第一连接器231的第一差分信号端子连接，其数据的传输方向为图3中所示的Tx方向；第一网络变压器211的第二差分信号输入端与第一连接器231的第二差分信号端子连接，第一网络变压器211的第二差分信号输出端与第二以太网接口连接，其数据的传输方向为图3中所示的Rx方向。开始模块2用于以太网数据报文的转发。

多个IO模块4依次串联。每一IO模块4包括第二控制单元412、第二PHY芯片422、第二网络变压器432、第二连接器442、第三连接器443、IO接口445和第二LED模块452。第二连接器442的第一差分信号端子与第二网络变压器432的第一差分信号输入端连接，第二网络变压器432的第一差分信号输出端和第二差分信号输入端分别与第二PHY芯片422连接，第二网络变压器432的第二差分信号输出端与第三连接器443的第一差分信号端子连接，其数据的传输方向为图4中所示的Tx方向；第三连接器443的第二差分信号端子与第二连接器442的第二差分信号端子连接，其数据的传输方向为图4中所示的Rx方向。第二控制单元412、第二PHY芯片422和第二网络变压器432依次连接，IO接口445与第二控制单元412连接。第二网络变压器432连接于第二连接器442与第三连接器443之间。多个IO模块4中的首个IO模块的第二连接器442与开始模块2的第一连接器231可拆卸地连接，每相邻的两个IO模块中，后一级IO模块的第二连接器442与前一级IO模块的第三连接器443可拆卸地连接。

在本实施例中，第二控制单元412由FPGA413和MCU414组成，MCU414分别与FPGA413和IO接口445连接。IO接口445为DI接口、DO接口、AI接口、AO接口、脉冲接口、编码器接口或PWM接口。每个IO模块4对前一级模块发送过来的数据报文根据不同的命令类型由FPGA413进行读写操作，并通过SPI与MCU414进行通信，实现对IO接口445的读写操作，提高了数据处理速度。每个IO模块4对后一级模块返回的数据报文不做任何读写操作，直接通过连接器进行数据报文转发。IO模块处于不同的状态可通过第二LED模块452闪烁不同频率进行区分。可选地，MCU414的型号为STM32F103。

结束模块3包括第四连接器34和数据回环模块35，第四连接器34与多个IO模块4中的最后一级IO模块的第三连接器443可拆卸地连接，数据回环模块35与第四连接器34连接，用于将接收到的数据直接通过第四连接器返回给多个IO模块4中的最后一级IO模块。

在本实施例中，数据回环模块的原理图如图6所示。其包括两对差分信号线，其中一对差分信号线作为接收差分信号线Rx使用，另一对差分信号线作为发送差分信号线Tx使用，一对发送差分信号线Tx的一端与一对接收差分信号线Rx的一端均与第四连接器34连接，一对发送差分信号线Tx的另一端与一对接收差分信号线Rx的另一端彼此连接，从而可将从第四连接器34接收到的信号不经任何处理后再通过第四连接器34返回给个IO模块4中的最后一级IO模块。

可选地，第一以太网接口和第二以太网接口均为RJ45接口。第一连接器231、第二连接器442、第三连接器443和第四连接器34采用插针或插口结构，通过插针与插口的接插，实现不同连接器之间的可拆卸连接。

在本实施例中，IO管理模块1的数据报文支持4种命令类型，即枚举、轮询、配置和周期。枚举命令主要是查询IO模块4的数量，并依次配置各个IO模块4的站点地址；轮询命令主要是根据站点号获取对应的IO模块4的信息，如支持的IO类型、IO支持的通道数等；配置命令主要是配置DI接口的滤波时间、AI接口的采样时间和滤波时间等；周期命令是对IO模块有效数据进行读取和写入操作。IO管理模块1可实现对IO模块4的枚举、轮询、配置、周期数据交换等通讯管理。

根据本实施例的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件的工作过程大致如下。

机器人控制器5通过并口或PCI接口发送数据报文给IO管理模块1，IO管理模块将数据报文转化为以太网数据报文，通过第一以太网接口131发送出去。以太网数据报文首先经过开始模块2，通过第一连接器231转发到IO模块4上。IO模块4接收到以太网数据报文后，IO模块4的FPGA根据数据报文中的命令对数据报文进行读写操作，并快速地将数据报文通过第三连接器443转发到后一级IO模块。后一级IO模块进行相应的处理后，通过第三连接器443将数据报文进行转发，最后数据报文到达结束模块3。结束模块3将接收到的数据报文不做任何处理通过第四连接器转发出去，IO模块中的第二、第三连接器对返回的数据报文直接通过物理连接进行转发，不需要经过IO模块中的FPGA，加快了数据传输速度，最终数据回到IO管理模块1，将DI接口、AI接口、编码器接口数据等进行处理，即完成了一次数据通信。

根据本实用新型实施例的IO模块组件的多个IO模块之间通过连接器彼此可拆卸地连接，IO模块的可扩展性高，可以将任意类型的IO模块（例如数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、脉冲模块、编码器模块、PWM模块等）插入到开始模块和结束模块之间。

Claims

1.一种用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其特征在于，包括IO管理模块、开始模块、结束模块以及多个IO模块；

所述IO管理模块包括第一控制单元、第一PHY芯片和第一以太网接口，所述第一控制单元、第一PHY芯片和第一以太网接口依次连接；

所述开始模块包括第一网络变压器、第二以太网接口和第一连接器；所述第一网络变压器连接于所述第二以太网接口与所述第一连接器之间，所述第二以太网接口通过网线与IO管理模块的第一以太网接口连接；

多个IO模块依次串联；每一所述IO模块包括第二控制单元、第二PHY芯片、第二网络变压器、第二连接器、第三连接器以及IO接口；第二连接器的第一差分信号端子与第二网络变压器的第一差分信号输入端连接，第二网络变压器的第一差分信号输出端和第二差分信号输入端分别与第二PHY芯片连接，第二网络变压器的第二差分信号输出端与第三连接器的第一差分信号端子连接，第三连接器的第二差分信号端子与第二连接器的第二差分信号端子连接；所述第二控制单元分别与第二PHY芯片和所述IO接口连接；多个IO模块中的首个IO模块的第二连接器与所述开始模块的第一连接器可拆卸地连接，每相邻的两个IO模块中，后一级IO模块的第二连接器与前一级IO模块的第三连接器可拆卸地连接；

所述结束模块包括第四连接器和数据回环模块，所述第四连接器与多个IO模块中的最后一级IO模块的第三连接器可拆卸地连接，所述数据回环模块与所述第四连接器连接，用于将接收到的数据通过第四连接器返回给多个IO模块中的最后一级IO模块。

2.如权利要求1所述的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其特征在于，所述第一控制单元为FPGA。

3.如权利要求1所述的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其特征在于，所述第二控制单元包括FPGA和MCU，所述MCU分别与所述FPGA和所述IO接口连接。

4.如权利要求1所述的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其特征在于，所述第一以太网接口和所述第二以太网接口均为RJ45接口。

5.如权利要求1所述的用于机器人控制器的可扩展的IO模块组件，其特征在于，所述IO接口为DI接口、DO接口、AI接口、AO接口、脉冲接口、编码器接口或PWM接口。