CN220511138U - 一种基于tsn网络标准的智能传感通讯控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其整体通讯基于TSN(时间敏感网络)的网络标准，可通过智能传感装置采集设备的工作参数，工作设备的其他参数也可以通过串口通讯模块进行交互，尤其IO控制模块的设置能够实现外部输入设备的自由接入，实现控制部分的灵活调节，因而可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号源进行同时的物理量信息的采集和向上位信息处理系统的传送。本实用新型的只能传感通讯控制装置可适用于以工业领域等广泛领域中的设备，助力工业互联网在制造业中的运用及智能制造。
Description
技术领域
本实用新型涉及物联网技术领域，尤其是传感监测基础下的工业物联网领域，具体涉及一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的物理量，并能将感受到的物理量，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器应用于诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等领域，在现代社会中是必不可缺少的存在。近年，随着应用场景的持续扩展和应对需求的规格提升，更以下述的模式，在其传感器原本的信号转换的性能提升基础上，其结构和功能方面上，加速向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展。传感器从原有的利用结构参量变化来感受和转化信号的结构型传感器，转化到至今的大多数的由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成的固体型传感器。随着传感器向微型化、多功能化、数字化的发展，其结构方面也有最初的单纯的物理量(即信号)的转换功能，加入了针对信号进行预处理，信息储存，数据加工，较复杂的数据通讯等硬件处理部分以及相对应的软件处理等模块。近年，受互联网技术在各领域的扩展驱动，其传感器数据的通讯接口成为担负着信息输出的功能，成为传感器走向多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展过程中的日益重要的组成部分。
为满足多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化的发展需求，现有的传感器的技术问题点主要体现在以下方面：
1.在新老设备混合以及电磁环境恶劣场景下，实现高密度，实时性以及高可靠性的通信技术问题。现有的诸如RS232，RS485，RS422等通用的通信接口和其通信标准虽然能运用于一些时代久远的设备中，但其通信协议已经无法满足的小于1ms等高密度，实时性的通讯，在制造业方面，其通讯的可靠性则更由于受大电流，高电磁噪音，以及设备间的长距离等影响而无法保障；
2.不同通讯标准的传感器而带来的采集数据的无法关联和数据孤岛的技术问题。针对高实时性和高可靠性的通信要求，相对近期的CANopen，Modbus，PROFIBUS，CCLink都是在标准以太网的基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性，其非标准以太网导致通信协议互不相通，数据无法有效使用，同时也较难解决系统内的不同的数据采集的协调问题，在易用性、互操作性、带宽和设备成本投入上有其不足；
3.传感器的自我诊断的技术问题。随着传感器日益向智能化方向的发展，传感器本身的状态检测以及自我诊断功能也是重要项目之一。目前的传感器大部分并不带有如此功能，仅少部分具有如此功能的，其通用做法是附加另外的类此传感器，对目标传感器的状态进行监控，未能实现传感器本身对自我状态进行诊断，并和数字量信号真正合为一体，实现实时的传感器自我诊断功能。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，能够适应于工业物联网多工况下的联网通讯，同时可引入外部输入控制，控制性能更好，且数据处理稳定性更高。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型提供了一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其包括：
若干个传感器单元，用于感应采集工作设备的状态参数并形成对应的模拟量信号并输出；
AD转换模块，与各个传感器单元的输出端相连，用于将所述传感器单元输出的模拟量信号转换为数字信号并输出至采样数据预处理模块；
串口通讯模块，一侧与所述采样数据预处理模块的通讯接口相连，另一侧通信连接所述工作设备；
IO控制模块，一侧与所述采样数据预处理模块的输入输出端口相连，另一侧与外部输入设备相连；
采样数据预处理模块，用于接收来自所述AD转换模块、所述串口通讯模块以及所述IO控制模块所返回的数字信号，并对下级反馈信号进行预处理再经由所述串口通讯模块或者所述IO控制模块送出至工作设备或者外部输入设备；
核心控制单元模块，与所述采样数据预处理模块的数据端相连，用于接收所述采样数据预处理模块处理后的数字信号，并形成下级反馈信号和/或上级反馈信号；
网口模块，一侧与所述核心控制单元模块相连，另一侧与上位系统相连，用于交互信息；
电源模块，用于为所述采样数据预处理模块、核心控制单元模块以及网口模块的工作供电；
其中，所述IO控制模块包括多组输入控制单元与多组输出控制单元，
每组输入控制单元中包括光耦隔离芯片，所述外部输入设备的输入信号接入所述光耦隔离芯片的输入信号正端，所述光耦隔离芯片的输入信号负端接地，所述光耦隔离芯片的输出端口与所述采样数据预处理模块相连；
每组输出控制单元中包括光耦驱动芯片与MOS管，下级反馈信号经所述采样数据预处理模块进行预处理后送入所述MOS管的漏极，所述MOS管的漏极接地，所述MOS管的栅极与所述光耦驱动芯片相连，所述光耦驱动芯片的输出端口与所述外部输入设备相连。
对于上述技术方案，申请人还有进一步的优化措施。
可选地，所述核心控制单元模块包括：
数据采样控制单元，与所述采样数据预处理模块的数据端相连；
采样数据处理单元，与所述数据采样控制单元相连，用于对获得的数字信号进行预处理，再经通讯数据组包后送入网络通讯模块；
网络通讯单元，与所述网口模块相连，所述网络通讯单元依照TSN网络标准协议进行通讯；
中央处理器，与所述数据采样控制单元、网络通信单元相连，用于进行数据的协调控制。
可选地，还包括显示模块，与所述核心控制单元模块的中央处理器相连，用于显示所述核心控制单元模块的状态指示。
可选地，所述光耦隔离芯片采用的是TLP2355光耦隔离芯片。
可选地，所述外部输入设备的输入信号的电压范围为0～48V。
可选地，所述光耦驱动芯片采用的是PC357光耦驱动芯片。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
本实用新型的智能传感通讯控制装置，基于TSN(时间敏感网络)网络标准进行通讯，可通过智能传感装置采集设备的工作参数，工作设备的其他参数也可以通过串口通讯模块进行交互，尤其IO控制模块的设置能够实现外部输入设备的自由接入，实现控制部分的灵活调节，因而可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号源进行同时的物理量信息的采集和向上位信息处理系统的传送。本实用新型的只能传感通讯控制装置可适用于以工业领域等广泛领域中的设备，助力工业互联网在制造业中的运用及智能制造。
对于传统通讯干扰、实时性差的问题，本实用新型基于TSN(时间敏感网络)，通过智能传感装置可以广泛用于实现需要高速且实时地对众多的信号源进行同时的物理量信息的采集和向上位信息处理系统的传送。本实用新型的智能传感装置因其高密度，实时性以及在恶劣电磁环境下能继续保持高可靠性的数据传递基本功能，可应用于小于1ms等工业级制造设备中的诸如电流，电压，扭矩等更高规格，更大范围，更多场景的数据采集，有助于更精确的状态把控和精细控制。
对于不同通讯标准的传感器而带来的采集数据的无法关联和数据孤岛的技术问题，本实用新型的智能传感装置可以在同一系统内的，来自不同信号源的传感器的数据采集进行同步协调，这可以以更小单位的系统，完成针对各类相互作用的复杂的现象分析和控制处理。因年代不同、通讯标准不同，导致的传感器采集数据的无法相互关联和数据孤岛的技术问题的能力，能以最小的投资实现设备等的数字化改造和后续的智能制造的实现。
对于传感器自我诊断的技术问题，本实用新型的智能传感装置可以检测传感器未连接、损坏、采样数据异常。AD转换模块电路设计了上拉电压，当未连接传感器设备时，会采集到设计大上拉电压，并通知采样数据预处理模块；当传感器损坏或者采样数据异常时，AD转换模块判断出采样数据模拟量转换异常，并通知采集数据预处理模块。采集数据预处理模块分析ADC采集传感器的结果后，会尝试重启传感器。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本实用新型一个实施例的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置的框架结构图；
图2为图1所示智能传感通讯控制装置中IO控制模块的输入控制单元的电路原理图；
图3为图1所示智能传感通讯控制装置中IO控制模块的输出控制单元的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例描述了一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，如图1所示，其包括：
若干个传感器单元，用于感应采集工作设备的状态参数并形成对应的模拟量信号并输出；
AD转换模块，与各个传感器单元的输出端相连，用于将所述传感器单元输出的模拟量信号转换为数字信号并输出至采样数据预处理模块；
串口通讯模块，一侧与所述采样数据预处理模块的通讯接口相连，另一侧通信连接所述工作设备；
IO控制模块，一侧与所述采样数据预处理模块的输入输出端口相连，另一侧与外部输入设备相连；
采样数据预处理模块，用于接收来自所述AD转换模块、所述串口通讯模块以及所述IO控制模块所返回的数字信号，并对下级反馈信号进行预处理再经由所述串口通讯模块或者所述IO控制模块送出至工作设备或者外部输入设备；
核心控制单元模块，与所述采样数据预处理模块的数据端相连，用于接收所述采样数据预处理模块处理后的数字信号，并形成下级反馈信号和/或上级反馈信号；
网口模块，一侧与所述核心控制单元模块相连，另一侧与上位系统相连，用于交互信息；
电源模块，用于为所述采样数据预处理模块、核心控制单元模块以及网口模块的工作供电。
其中，所述IO控制模块包括多组输入控制单元与多组输出控制单元，
如图2所示，每组输入控制单元中包括光耦隔离芯片，所述外部输入设备的输入信号接入所述光耦隔离芯片的输入信号正端，所述光耦隔离芯片的输入信号负端接地，所述光耦隔离芯片的输出端口与所述采样数据预处理模块相连；
如图3所示，每组输出控制单元中包括光耦驱动芯片与MOS管，下级反馈信号经所述采样数据预处理模块进行预处理后送入所述MOS管的漏极，所述MOS管的漏极接地，所述MOS管的栅极与所述光耦驱动芯片相连，所述光耦驱动芯片的输出端口与所述外部输入设备相连。
在一实施方式下，所述核心控制单元模块包括：
数据采样控制单元，与所述采样数据预处理模块的数据端相连；
采样数据处理单元，与所述数据采样控制单元相连，用于对获得的数字信号进行预处理，再经通讯数据组包后送入网络通讯模块；
网络通讯单元，与所述网口模块相连，所述网络通讯单元依照TSN网络标准协议进行通讯；
中央处理器，与所述数据采样控制单元、网络通信单元相连，用于进行数据的协调控制。
可知，所述核心控制单元模块能够进行实时控制操作、对数据进行处理及储存、通信缓冲以及自我诊断。所述核心控制单元模块可针对处理后的采样数据，进行通讯数据组包，并依照TSN网络标准通讯技术，实现和上位的网络模块的数据通讯。另外，所述核心控制单元模块通过网口模块接受来自上位系统的数据采样以及各动作模块的控制指令。所述核心控制单元模块收集传感器单元的状态数据，通过上位网口模块和TSN网络标准通讯技术，实时传递传感器模块的自我诊断结果。
在一实施方式下，所述智能传感通讯控制装置还包括显示模块，与所述核心控制单元模块的中央处理器相连，用于显示所述核心控制单元模块的状态指示。
优选地，所述光耦隔离芯片采用的是TLP2355光耦隔离芯片，所述外部输入设备的输入信号的电压范围为0～48V。
优选地，所述光耦驱动芯片采用的是PC357光耦驱动芯片。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，包括：
若干个传感器单元，用于感应采集工作设备的状态参数并形成对应的模拟量信号并输出；
AD转换模块，与各个传感器单元的输出端相连，用于将所述传感器单元输出的模拟量信号转换为数字信号并输出至采样数据预处理模块；
串口通讯模块，一侧与所述采样数据预处理模块的通讯接口相连，另一侧通信连接所述工作设备；
IO控制模块，一侧与所述采样数据预处理模块的输入输出端口相连，另一侧与外部输入设备相连；
采样数据预处理模块，用于接收来自所述AD转换模块、所述串口通讯模块以及所述IO控制模块所返回的数字信号，并对下级反馈信号进行预处理再经由所述串口通讯模块或者所述IO控制模块送出至工作设备或者外部输入设备；
核心控制单元模块，与所述采样数据预处理模块的数据端相连，用于接收所述采样数据预处理模块处理后的数字信号，并形成下级反馈信号和/或上级反馈信号；
网口模块，一侧与所述核心控制单元模块相连，另一侧与上位系统相连，用于交互信息；
电源模块，用于为所述采样数据预处理模块、核心控制单元模块以及网口模块的工作供电；
其中，所述IO控制模块包括多组输入控制单元与多组输出控制单元，
每组输入控制单元中包括光耦隔离芯片，所述外部输入设备的输入信号接入所述光耦隔离芯片的输入信号正端，所述光耦隔离芯片的输入信号负端接地，所述光耦隔离芯片的输出端口与所述采样数据预处理模块相连；
每组输出控制单元中包括光耦驱动芯片与MOS管，下级反馈信号经所述采样数据预处理模块进行预处理后送入所述MOS管的漏极，所述MOS管的漏极接地，所述MOS管的栅极与所述光耦驱动芯片相连，所述光耦驱动芯片的输出端口与所述外部输入设备相连。
2.根据权利要求1所述的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，所述核心控制单元模块包括：
数据采样控制单元，与所述采样数据预处理模块的数据端相连；
采样数据处理单元，与所述数据采样控制单元相连，用于对获得的数字信号进行预处理，再经通讯数据组包后送入网络通讯模块；
网络通讯单元，与所述网口模块相连，所述网络通讯单元依照TSN网络标准协议进行通讯；
中央处理器，与所述数据采样控制单元、网络通信单元相连，用于进行数据的协调控制。
3.根据权利要求2所述的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，还包括显示模块，与所述核心控制单元模块的中央处理器相连，用于显示所述核心控制单元模块的状态指示。
4.根据权利要求1所述的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，所述光耦隔离芯片采用的是TLP2355光耦隔离芯片。
5.根据权利要求4所述的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，所述外部输入设备的输入信号的电压范围为0～48V。
6.根据权利要求1所述的基于TSN网络标准的智能传感通讯控制装置，其特征在于，所述光耦驱动芯片采用的是PC357光耦驱动芯片。
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