CN216718953U - 一种用于工业控制网关的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业控制及数据交换领域，具体涉及一种用于工业控制网关的电路，包括CPU、电源模块、隔离串口模块、电源保护电路、天线、模拟量输入模块、数字量输入模块和交换机芯片；电源保护电路连接电源模块，电源模块连接到CPU的电源接口，为其供电；隔离串口模块通过第一总线连接CPU，通过第一总线向CPU传输数据；交换机芯片通过第二总线连接CPU，交换机芯片还包括WAN接口和LAN接口，WAN接口和LAN接口使用有线网络连接外设,用于外部设备和CPU之间交换数据；模拟量输入模块通过第三总线连接到CPU，数字量输入模块通过第四总线连接到CPU。本实用新型网关电路提供的接口更丰富。

Description

一种用于工业控制网关的电路

技术领域

本实用新型涉及工业控制及数据交换技术领域，具体涉及一种用于工业控制网关的电路。

背景技术

工业网关采用以太网口作为数据接口，智能设备会自主处理和计算，然后将信息流转换为可通过以太网下的各种协议传输的形式进行交互，随着物联信息化的落地，终端设备的厂商为满足设备便于整体集成、易于联网，终端设备的对外接口以太网口的归一化也尤为明显，以太网公/私有协议标准化高、物理接口形式通用且易用、数据传输速率和带宽充足，性价比高以及市场对接方案方便简单。当前物联网改造的现场，面临的现场设备量较多，且单接入设备的数据量小。物联网化会需要设备接入统一节点，对于用户来说则是希望节点接入更多设备，而现有技术中仍普遍存在可接入设备少、不能无线通信、没有过压过流防反接设计而存在可靠性的问题。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的可接入设备少的问题，提供一种用于工业控制网关的电路。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于工业控制网关的电路，包括CPU、电源模块、隔离串口模块，还包括电源保护电路、天线、模拟量输入模块、数字量输入模块和交换机芯片；

所述电源保护电路连接电源模块，所述电源模块连接到CPU的电源接口，为CPU供电；

所述隔离串口模块通过第一总线连接到CPU，所述隔离串口模块用于接收外部设备的监控数据，并通过第一总线传输给CPU；

所述交换机芯片通过第二总线连接到CPU，用于拓展网络接口和连接外部设备；所述交换机芯片包括WAN接口和LAN接口，WAN接口和LAN接口使用有线网络连接外部设备，为外部设备和CPU之间交换数据；所述LAN接口的数量为一个及以上；

所述模拟量输入模块通过第三总线连接到CPU；所述模拟量输入模块用于接收模拟量信号，并将所述模拟量信号转换为数字量信号以后、通过所述第三总线传递给CPU；

所述数字量输入模块通过第四总线连接到CPU；所述数字量输入模块用于接收数字量信号并通过所述第四总线传递给CPU。

优选的，所述模拟量输入模块由过模拟输入连接口、稳压和滤波电路、模拟量输入芯片依次连接构成，所述模拟量输入芯片包含I2C接口，所述第三总线连接所述I2C接口与CPU。

优选的，所述数字量输入模块包括数字输入连接口、静电防护电路、数字信号隔离器和I/O端口扩展器；数字输入连接口与数字信号隔离器通过四根输入导线相连，静电防护电路连接在所述输入导线与地之间，数字信号隔离器与I/O端口扩展器通过四根输出导线相连，所述第四总线为I2C总线，连接I/O端口扩展器的输出口与CPU。

优选的，所述静电防护电路包括四个瞬态抑制二极管，每个瞬态抑制二极管的一端连接到一根输入导线上，每个瞬态抑制二极管的另一端均连接到地。

优选的，所述数字信号隔离器的型号为ADuM1400ARWZ。

优选的，所述电源保护电路，由过流保护电路、防浪涌保护电路、稳压电路和防过压防反接保护电路依次连接构成。

优选的，还包括串口指示灯，所述串口指示灯为发光二极管，所述发光二极管的阳极连接在所述第一总线上，所述发光二极管的阴极连接到地；所述第一总线为UART总线。

优选的，还包括无线通信模组，所述无线通信模组通过第五总线连接到CPU，所述无线通信模组还连接天线，用于收发无线数据。

优选的，还包括电源指示灯，所述CPU包括第一GPIO口，所述电源指示灯连接于CPU的第一GPIO口，用于指示电源状态。

优选的，还包括复位键和恢复出厂键，所述CPU包括第二GPIO口和第三GPIO口；所述复位键连接于CPU的第二GPIO口，用于提供复位输入信号；恢复出厂键连接于CPU的第三GPIO口，用于提供恢复出厂输入信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、通过集成交换机芯片，将交换机功能融合到网关的领域，通过集成了无线通信模组，提供了无线传输功能，使得在缺少有线网络的环境下也能进行数据传输；模拟量输入模块为模拟量转换为数字量的接口，能够直接外接传感器，采集到模拟量后转换为数字信号，传输给CPU处理，数字量输入模块则直接外接继电器、光耦等输出数字量的开关，传输数字信号给CPU处理，接口丰富，对用户减少了中间转换的过程。

2、通过在优选的实施方案中提供包括过流保护电路、防浪涌保护电路、稳压电路和防过压防反接保护电路的电源保护模块，使得电源工作更稳定可靠。

附图说明

图1是一种用于工业控制网关的电路连接框图。

图2是模拟量输入模块的电路原理图。

图3是电源保护电路的连接框图。

图4是电源保护电路的电路原理图。

图5是DC-DC电源的电路原理图。

图6是数字量输入模块的电路原理图。

图7是数字量输入模块的电路原理图。

图8是串口指示灯UART2 LED控制部分电路原理图。

图9是串口指示灯UART3 LED控制部分电路原理图。

图10是串口指示灯UART4 LED控制部分电路原理图。

图11是串口指示灯UART5 LED控制部分电路原理图。

图12是串口指示灯UART2和UART3 LED显示部分电路原理图。

图13是串口指示灯UART4和UART5 LED显示部分电路原理图。

图14是复位键的电路原理图。

图15是恢复出厂键的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种用于工业控制网关的电路，如图1所示，包括CPU、电源模块、隔离串口模块，还包括电源保护电路、无线通信模组、天线、模拟量输入模块、数字量输入模块，交换机芯片；

所述CPU是所述安全工业控制网关的核心处理器，本实施例所用型号为AM3352，自带电源接口、I2C、UART、SDID、USB、SPI、RMII、GPIO接口，所述CPU预留CAN接口，便于CAN设备的扩展。

如图2所示，本实施例模拟量输入芯片U1为ADC芯片，模拟输入连接口为con-4，包括第1端口～第4端口，用于外接输出为模拟量的传感器设备，其中模拟输入连接口的第1端口和第3端口接地，模拟输入连接口的第2端口连接模拟量输入芯片U1的第5端口VIN1，模拟输入连接口的第4端口连接模拟量输入芯片U1的第4端口VIN2，模拟输入连接口的第2端口和模拟量输入芯片U1的第5端口VIN1之间，以及模拟输入连接口的第4端口和模拟量输入芯片U1的第4端口VIN2之间，还连接有稳压和滤波电路，稳压电路为上拉到电源模块的上拉电阻构成，滤波电路为下拉到地的电阻和电容构成；模拟量输入芯片U1接收模拟输入连接口con-4接入的模拟量信号后将其转换成数字信号，然后通过模拟量输入芯片U1的第9端口SDA和第10端口SCL，通过I2C总线协议传输给CPU；模拟量输入芯片U1的第3端口连接电源模块，模拟量输入芯片U1的第2端口和第7端口接地；本实施例中模拟量输入模块实现的电路原理图如图2所示。

所述电源保护电路连接电源模块，所述电源模块连接到CPU的电源接口，为其供电；所述电源模块，包括DC-DC电源和LDO电源，用于转换电压。

如图3和图4所示，所述电源保护电路，由过流保护电路、防浪涌保护电路、稳压电路和防过压防反接保护电路依次连接构成，本实施例中，过流保护电路采用自恢复保险丝，提供过流保护，防浪涌保护电路采用TVS管，稳压电路采用稳压二极管和可控稳压源，防过压防反接保护电路采用MOS管。

DC-DC电源的电路原理图如图5所示，所选用的DC-DC转换芯片U4的具体型号为F0505S-2WR2。

数字量输入模块通过第四总线I2C连接到CPU，用于接收数字量信号并通过所述第四总线传递给CPU；

本实施例中，数字量输入模块包括数字输入连接口、静电防护电路、数字信号隔离器和I/O端口扩展器，数字输入连接口J1与数字信号隔离器U3通过四根输入导线相连，同时将5V的电平转换为3.3V的电平；数字信号隔离器U3与I/O端口扩展器U5通过四根输出导线相连,所述第四总线为I2C总线，连接I/O端口扩展器的输出口与CPU,I/O端口扩展器U5将输入的数字信号转换为I2C信号，传送给CPU做相应的操作；静电防护电路连接在所述输入导线与地之间,静电防护电路包括四个瞬态抑制二极管，每个瞬态抑制二极管的一端连接到一根输入导线上，每个瞬态抑制二极管的另一端均连接到地。数字信号隔离器的型号为ADuM1400ARWZ。实现的电路原理图如图6和图7所示。

所述隔离串口模块通过第一总线连接到CPU，通过第一总线向CPU传输数据；所述第一总线为UART总线；其中，UART总线包括4组，分别为UART2_TXD和UART2_RXD、UART3_TXD和UART3_RXD、UART4_TXD和UART4_RXD、UART5_TXD和UART5_RXD,；

所述隔离串口模块，为：

RS232隔离串口转换模块，即RS232转TTL的串口转换芯片，

或RS485隔离串口转换模块，即RS485转TTL的串口转换芯片，

或支持在RS232或RS485之间进行切换选择并转换为TTL标准电平的串口转换芯片；

本实施例所用RS485的串口转换芯片型号为MAX485，串口转换芯片通过UART总线连接到CPU的UART接口，用于与连接到所述隔离串口模块的工业设备进行数据传输；

所述无线通信模组，包括WiFi模组，本实施例所用型号为AP6255，通过SDIO总线连接到CPU的接口，WiFi模组还连接天线；还包括4G模组，型号为EC20，通过USB总线连接到CPU的USB接口，4G模组还连接天线，进行数据的无线收发；

所述交换机芯片，本实施例选用型号为KSZ8895，有一路WAN口和4路LAN口，交换机芯片的SPI接口通过SPI总线连接到CPU的SPI接口，交换机芯片的RMII接口和CPU的RMII接口连接；外部设备通过有线网络连接到WAN口或LAN口，交换机通过WAN口或LAN口接收到外部设备的数据后，传输给CPU。

本实用新型的一种用于工业控制网关的电路还包括串口指示灯，如图8-图13所示，所述串口指示灯为发光二极管，本实施例共使用4个发光二极管，所述4个光二极管的阳极分别连接到一组UART总线上，所述4个发光二极管的阴极通过200R的电阻到地。优选地，一种用于工业控制网关的电路还包括4个或门芯片，或门芯片的两个输入脚由一组UART总线的输入和输出引脚控制，或门芯片的输出脚上各自连接到一个发光二极管的阳极，发光二极管的阴极均通过200R的电阻到地。

本实用新型的一种用于工业控制网关的电路还包括SD接口，SD接口通过SD总线或SPI总线连接到CPU；SD接口用于外接存储拓展设备。

本实用新型的一种用于工业控制网关的电路还包括复位键和恢复出厂键，所述CPU包括第二GPIO口和第三GPIO口，所述复位键连接于CPU的第二GPIO口，恢复出厂键连接于CPU的第三GPIO口。本实施例中复位键的电路原理图如图14所示，恢复出厂键的电路原理图如图15所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于工业控制网关的电路，包括CPU、电源模块、隔离串口模块，其特征在于，还包括电源保护电路、天线、模拟量输入模块、数字量输入模块和交换机芯片；

所述电源保护电路连接电源模块，所述电源模块连接到CPU的电源接口，为CPU供电；

所述隔离串口模块通过第一总线连接到CPU，所述隔离串口模块用于接收外部设备的监控数据，并通过第一总线传输给CPU；

所述交换机芯片通过第二总线连接到CPU，用于拓展网络接口和连接外部设备；所述交换机芯片包括WAN接口和LAN接口，WAN接口和LAN接口通过有线网络连接外部设备，用于外部设备和CPU之间交换数据；

所述模拟量输入模块通过第三总线连接到CPU；所述模拟量输入模块用于接收模拟量信号，并将所述模拟量信号转换为数字量信号以后、通过所述第三总线传递给CPU；

所述数字量输入模块通过第四总线连接到CPU；数字量输入模块用于接收数字量信号，并通过所述第四总线传递给CPU。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，所述模拟量输入模块由过模拟输入连接口、稳压和滤波电路、模拟量输入芯片依次连接构成，所述模拟量输入芯片包含I2C接口，所述第三总线连接所述I2C接口与CPU。

3.根据权利要求1所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，所述数字量输入模块包括数字输入连接口、静电防护电路、数字信号隔离器和I/O端口扩展器；数字输入连接口与数字信号隔离器通过四根输入导线相连，静电防护电路连接在所述输入导线与地之间，数字信号隔离器与I/O端口扩展器通过四根输出导线相连，所述第四总线为I2C总线，连接I/O端口扩展器的输出口与CPU。

4.根据权利要求3所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，所述静电防护电路包括四个瞬态抑制二极管，每个瞬态抑制二极管的一端连接到一根输入导线上，每个瞬态抑制二极管的另一端均连接到地。

5.根据权利要求3所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，所述数字信号隔离器的型号为ADuM1400ARWZ。

6.根据权利要求1所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，所述电源保护电路，由过流保护电路、防浪涌保护电路、稳压电路和防过压防反接保护电路依次连接构成。

7.根据权利要求1所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，还包括串口指示灯，所述串口指示灯为发光二极管，所述发光二极管的阳极连接在所述第一总线上，所述发光二极管的阴极连接到地；所述第一总线为UART总线。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，还包括无线通信模组，所述无线通信模组通过第五总线连接到CPU，所述无线通信模组还连接天线，用于收发无线数据。

9.根据权利要求8所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，还包括电源指示灯，所述CPU包括第一GPIO口，所述电源指示灯连接于CPU的第一GPIO口，用于指示电源状态。

10.根据权利要求9所述的一种用于工业控制网关的电路，其特征在于，还包括复位键和恢复出厂键，所述CPU包括第二GPIO口和第三GPIO口；所述复位键连接于CPU的第二GPIO口，用于提供复位输入信号；恢复出厂键连接于CPU的第三GPIO口，用于提供恢复出厂输入信号。

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