專利名稱：現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，屬于現(xiàn)場總線控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)場總線(fie1dbus)是在20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。根據(jù)IEC(國際電工委員會)IEC1158定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線[1]。
現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展、相互滲透和結(jié)合，促成了信息技術(shù)的革命。人類社會進入信息社會以來，信息已經(jīng)成為一項重要的生產(chǎn)力要素在社會各行各業(yè)的生存和發(fā)展中發(fā)揮越來越大的作用。世界各國的許多大企業(yè)都把加強信息基礎設施建設放在了企業(yè)經(jīng)營發(fā)展戰(zhàn)略的重要位置，企業(yè)信息化是企業(yè)在信息經(jīng)濟時代發(fā)展的必有之路。企業(yè)的信息化應是用信息化的功能去推動企業(yè)的管理、生產(chǎn)和銷售。
隨著20世紀末世界全球市場的形成，企業(yè)之間的競爭空前激烈。處于全球市場之中的工業(yè)生產(chǎn)必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)，按市場需求調(diào)整產(chǎn)品的上市時間T(time to market)，改善質(zhì)量Q(quality)，降低成本C(cost)，并不斷的完善售后服務S(service)，才能在劇烈的競爭中處于不敗之地。為了適應市場競爭需要，在追求TQCS的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。它采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織工業(yè)生產(chǎn)，并采用計算機、自動化、通信等技術(shù)來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。由于它把整個生產(chǎn)過程看作是信息的采集、傳送及加工處理的過程，因而信息技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)過程的重要因素。綜合自動化就是在信息采集、加工的基礎上，運用網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)信息的集成，在集成信息的基礎上進一步優(yōu)化生產(chǎn)與操作，提高企業(yè)的市場應變能力和競爭能力。而處于生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)仍采用一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進行測量和控制，或采用自封閉式的集散控制系統(tǒng)(DCS)，難以實現(xiàn)設備與設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設備之間與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。
中國計算機學會工業(yè)控制計算機專業(yè)委員會早已關(guān)注現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展并認為這是工業(yè)自動化裝置產(chǎn)業(yè)界面臨的一次重大變革性挑戰(zhàn)和機遇。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于底層控制網(wǎng)絡的開放式、數(shù)字化、多點通信的控制系統(tǒng)。他將微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力，然后采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并按公開、統(tǒng)一、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設備之間以及現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自控系統(tǒng)。現(xiàn)場總線的技術(shù)特點適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來更大的實惠和更多方便，并促使目前生產(chǎn)的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的重大變革，導致了工業(yè)自動化產(chǎn)品的又一次更新?lián)Q代，因而現(xiàn)場總線已成為世界范圍的自控技術(shù)熱點、被譽為跨世紀的自控新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，解決生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制中相對集中的開關(guān)量信號的輸出控制問題，為基于profibus-Dp現(xiàn)場總線分布式輸出控制系統(tǒng)的集成實現(xiàn)提供一種更高性價比的產(chǎn)品。
技術(shù)方案本實用新型的現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，由信號控制部分和信號處理部分所組成，該裝置包括主板部分的單片機、地址譯碼電路、協(xié)議接口電路、地址鎖存電路、設站地址電路、片外擴展電路、看門狗電路；功能子板部分的輸出鎖存電路、光電隔離電路、繼電器輸出電路；其中，單片機分別與地址譯碼電路、協(xié)議接口電路、地址鎖存電路、設站地址電路、片外擴展電路、輸出鎖存電路、看門狗電路相接，協(xié)議接口電路接現(xiàn)場總線，輸出鎖存電路的輸出端接光電隔離電路，光電隔離電路的輸出端分別接繼電器輸出電路。
其特征在于單片機中的中心處理器芯片的“P24、P25、P26、P27”端分別與地址譯碼電路中譯碼器的“A、B、C、G2A”端相接；中心處理器芯片的“P20、P21、P22”端分別與協(xié)議接口電路中協(xié)議芯片的“A0、A1、A2”端相接；中心處理器芯片的“P00～P07”端分別與地址鎖存電路中的鎖存器的“1D～8D”端、設站地址電路中的開關(guān)電路的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外擴展電路中的擴展電路的“DQ0～DQ7”端、輸出鎖存電路中的鎖存電路“1Q～8Q”端相接；中心處理器芯片的“RESET”端與看門狗電路中的放大器的輸出端相接；繼電器輸出電路中的16路是相同的，每一路均由晶體管、電阻、繼電器線圈、二極管所組成，電阻的“IN”端接輸入信號，電阻的另一端接晶體管的基極，晶體管的發(fā)射極接地，晶體管的集電極與電源之間并聯(lián)接有繼電器線圈和二極管。
有益效果本實用新型提供了一種基于profibus-Dp現(xiàn)場總線技術(shù)的集電源、CPU、通信控制、信號調(diào)理、輸出控制、狀態(tài)指示等于一體的16路開關(guān)量輸出控制智能裝置，使profibus-Dp現(xiàn)場總線分布式輸出控制系統(tǒng)的集成實現(xiàn)更加靈活和方便。
本裝置的特點是集電源、CPU、通信控制、信號調(diào)理、輸出控制、狀態(tài)指示等于一體，大大降低了儀器的制造成本和安裝、調(diào)試、運行維護等成本。實施本技術(shù)具有管理效率更高、管理能力更強、抗干擾能力更好、監(jiān)控精度更優(yōu)、工程造價更低等特點。


圖1是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中有主板部分的單片機1、地址譯碼電路2、協(xié)議接口電路3、地址鎖存電路4、設站地址電路5、片外擴展電路6、看門狗電路8；功能子板部分的輸出鎖存電路7、光電隔離電路9、繼電器輸出電路10-1～10-16。
圖2是本實用新型單路開關(guān)量輸出的繼電器輸出電路原理圖。
圖3、圖4是本實用新型的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
本實用新型的現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，由信號控制部分和信號處理部分所組成，該裝置包括主板部分的單片機1、地址譯碼電路2、協(xié)議接口電路3、地址鎖存電路4、設站地址電路5、片外擴展電路6、看門狗電路8；功能子板部分的輸出鎖存電路7、光電隔離電路9、繼電器輸出電路10-1～10-16；其中，單片機1分別與地址譯碼電路2、協(xié)議接口電路3、地址鎖存電路4、設站地址電路5、片外擴展電路6、輸出鎖存電路7、看門狗電路8相接，協(xié)議接口電路3接現(xiàn)場總線，輸出鎖存電路7的輸出端接光電隔離電路9，光電隔離電路9的輸出端分別接繼電器輸出電路10-1～10-16。其中單片機1中的中心處理器芯片CPU的“P24、P25、P26、P27”端分別與地址譯碼電路2中譯碼器U2的“A、B、C、G2A”端相接；中心處理器芯片CPU的“P20、P21、P22”端分別與協(xié)議接口電路3中協(xié)議芯片U1的“A0、A1、A2”端相接；中心處理器芯片CPU的“P00～P07”端分別與地址鎖存電路4中的鎖存器U3的“1D～8D”端、設站地址電路5中的開關(guān)電路U9的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外擴展電路6中的擴展電路U4的“DQ0～DQ7”端、輸出鎖存電路7中的鎖存電路U11、U13“1Q～8Q”端相接；中心處理器芯片CPU的“RESET”端與看門狗電路8中的放大器U13F的輸出端相接；繼電器輸出電路10-1～10-16中的16路是相同的，每一路均由晶體管G、電阻R0、繼電器線圈JX、二極管D0所組成，電阻R0的“IN”端接輸入信號，電阻R0的另一端接晶體管G的基極，晶體管G的發(fā)射極接地，晶體管G的集電極與電源VCC之間并聯(lián)接有繼電器線圈JX和二極管D0。
1.CPU及外圍電路這一部分主要包括89C52單片機、地址譯碼電路、內(nèi)存擴展電路、看門狗電路、從站地址撥碼設置電路等。
地址譯碼電路采用外設與外部數(shù)據(jù)RAM統(tǒng)一編址的方式，高位地址線經(jīng)A12～A14經(jīng)3-8譯碼器后形成片選信號輸出，譯碼器的使能端接地址線A15，因此共有8路片選信號XCS0至XCS7輸出。
外部RAM采用芯片62256，共32K，片選信號端經(jīng)反相器反相后與地址線A15相連，因此外部RAM的地址范圍為8000H～FFFFF。
由MAX705組成的看門狗復位電路可以保證單片機系統(tǒng)在程序“跑飛”時能夠可靠復位，MAX705的復位脈沖輸出有正脈沖和負脈沖兩種方式，當復位脈沖為負脈沖時，需要外接反相器后再連接到單片機的復位端。在正常情況下，P1.x引腳不超過1.6s就向WDI端發(fā)出“喂狗”信號，程序陷入死循環(huán)后，“喂狗”信號無法發(fā)出，當死循環(huán)運行時間超過1.6s時，MAX705的看門狗輸出WDO將變低并觸發(fā)MR，復位信號從RESET端輸出。
從站地址的設定由撥碼器得到，撥碼器的狀態(tài)選擇位通過產(chǎn)生相應的高低電平信號連接到74LS244的輸入端，當片選信號XCS0有效時，從站地址由數(shù)據(jù)總線輸出。
2.現(xiàn)場總線通信部分協(xié)議接口電路3，通信控制器采用了西門子SPC3協(xié)議芯片。SPC3可獨立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括數(shù)據(jù)的成幀、發(fā)送、接收、差錯處理、數(shù)據(jù)還原等。這樣既可以加速通信協(xié)議的執(zhí)行，也可以減少接口模板微處理器中的軟件程序。總線存取由硬件驅(qū)動，數(shù)據(jù)傳送來自SPC3內(nèi)的一個雙口RAM，與應用對象之間的通信采用數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)的交換獨立于總線周期，數(shù)據(jù)傳輸速率得到了大大的提高，最大值可達12Mb/s。通信主板的設計可以采用外設與外部數(shù)據(jù)RAM統(tǒng)一編址的方式，高位地址線經(jīng)A12～A14經(jīng)3-8譯碼器后形成片選信號輸出。
SPC3協(xié)議芯片內(nèi)部含1.5k的RAM，地址范圍為×000H～×5FFH，可以為該芯片分配1000H--1FFFH的地址空間；外部擴展32K的RAM芯片62256，其地址空間可以分配為8000H-FFFFH?？蓪⑹Ｓ嗟目诰€和片選信號線引至從板接口。
SPC3協(xié)議芯片輸出通過RS-485接口電路與PROFIBUS-DP總線進行通訊。在該電路中有兩片光電隔離芯片HCPL0721，用于高速通信信號的隔離；符合RS485標準SN75176的驅(qū)動芯片用作支持12M波特率的驅(qū)動。使用9針Sub D插座，提供必須的A-line，B-line，VP，GND和RTS信號。
此外在防雷擊和抗干擾方面我們設計相應的網(wǎng)絡電路。在不影響原信號收、發(fā)的條件下，以保護接收和發(fā)送回路的元器件。
3.輸出控制與處理部分開關(guān)量輸出控制必須對開關(guān)量輸出信號進行鎖存保持，開關(guān)量輸出后首先必須進行隔離，而后再經(jīng)繼電器驅(qū)動電路來驅(qū)動繼電器。
輸出信號進行鎖存保持由74LS573芯片來完成。將74LS573輸出允許端接地，數(shù)據(jù)置入端置為高電平時，其輸出端的狀態(tài)與輸入端相同，當數(shù)據(jù)置入端由高電平返回低電平時，輸入端的信息鎖入8位鎖存器，直至數(shù)據(jù)置入端的信號再次返回高電平時鎖存器的輸出才發(fā)生變化。
開關(guān)量信號輸出必須進行光電隔離以避免受控對象強電的干擾。由于對速率的要求不高，因此采用一般的光耦器件即可(如TLP521-4)。開關(guān)量信號經(jīng)隔離后由于輸出電流很小而不能直接用于驅(qū)動繼電器，因此必須采用功率放大器件來增強信號的驅(qū)動能力，單路開關(guān)量輸出信號可以采用圖2所示的電路。圖中繼電器線圈有兩引腳，當三極管G未導通時，兩引腳兩點的電勢相同，均為+5V，信號輸入IN為高電平時；三極管G導通，此時引腳1的電位為0.3V，兩引腳兩點的電位差為4.7V，繼電器動作。二極管D0可以防止在三極管關(guān)斷的一瞬間，繼電器線圈兩端過大的反相感應電勢燒毀三極管。
通信控制器采用了西門子SPC3協(xié)議芯片。SPC3可獨立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括數(shù)據(jù)的成幀、發(fā)送、接收、差錯處理、數(shù)據(jù)還原等。這樣既可以加速通信協(xié)議的執(zhí)行，也可以減少接口模板微處理器中的軟件程序。
SPC3協(xié)議芯片輸出通過RS-485接口電路與PROFIBUS-DP總線進行通訊。在該電路中兩片光電隔離芯片HCPL0721，用于12M波特率高速通信信號的隔離；SN75176芯片作為RS485通信的驅(qū)動。
在RS485通信驅(qū)動后，設計有相應的防雷擊和抗干擾網(wǎng)絡電路，在不影響原信號收、發(fā)的條件下，以保護接收和發(fā)送回路的元器件。
權(quán)利要求1.一種現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，由信號控制部分和信號處理部分所組成，其特征在于該裝置包括主板部分的單片機(1)、地址譯碼電路(2)、協(xié)議接口電路(3)、地址鎖存電路(4)、設站地址電路(5)、片外擴展電路(6)、看門狗電路(8)；功能子板部分的輸出鎖存電路(7)、光電隔離電路(9)、繼電器輸出電路(10-1～10-16)；其中，單片機(1)分別與地址譯碼電路(2)、協(xié)議接口電路(3)、地址鎖存電路(4)、設站地址電路(5)、片外擴展電路(6)、輸出鎖存電路(7)、看門狗電路(8)相接，協(xié)議接口電路(3)接現(xiàn)場總線，輸出鎖存電路(7)的輸出端接光電隔離電路(9)，光電隔離電路(9)的輸出端分別接繼電器輸出電路(10-1～10-16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，其特征在于單片機(1)中的中心處理器芯片(CPU)的“P24、P25、P26、P27”端分別與地址譯碼電路(2)中譯碼器(U2)的“A、B、C、G2A”端相接；中心處理器芯片(CPU)的“P20、P21、P22”端分別與協(xié)議接口電路(3)中協(xié)議芯片(U1)的“A0、A1、A2”端相接；中心處理器芯片(CPU)的“P00～P07”端分別與地址鎖存電路(4)中的鎖存器(U3)的“1D～8D”端、設站地址電路(5)中的開關(guān)電路(U9)的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外擴展電路(6)中的擴展電路(U4)的“DQ0～DQ7”端、輸出鎖存電路(7)中的鎖存電路(U11、U13)“1Q～8Q”端相接；中心處理器芯片(CPU)的“RESET”端與看門狗電路(8)中的放大器(U13F)的輸出端相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，其特征在于繼電器輸出電路(10-1～10-16)中的16路是相同的，每一路均由晶體管(G)、電阻(R0)、繼電器線圈(JX)、二極管(D0)所組成，電阻(R0)的“IN”端接輸入信號，電阻(R0)的另一端接晶體管(G)的基極，晶體管(G)的發(fā)射極接地，晶體管(G)的集電極與電源(VCC)之間并聯(lián)接有繼電器線圈(JX)和二極管(D0)。
專利摘要一種現(xiàn)場總線式智能開關(guān)量輸出控制裝置，該裝置包括主板部分的單片機(1)、地址譯碼電路(2)、協(xié)議接口電路(3)、地址鎖存電路(4)、設站地址電路(5)、片外擴展電路(6)、看門狗電路(8)；功能子板部分的輸出鎖存電路(7)、光電隔離電路(9)、繼電器輸出電路(10－1～10－16)；單片機分別與地址譯碼電路、協(xié)議接口電路、地址鎖存電路、設站地址電路、片外擴展電路、輸出鎖存電路、看門狗電路相接，協(xié)議接口電路接現(xiàn)場總線，輸出鎖存電路的輸出端接光電隔離電路，光電隔離電路的輸出端分別接繼電器輸出電路(10－1～10－16)。
文檔編號G06F13/42GK2718696SQ20042007840
公開日2005年8月17日 申請日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者方彥軍, 孫冀 申請人:南京師范大學