專利名稱：一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分布式測控技術領域，具體涉及一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器。
背景技術：
分布式測控是一種面向復雜測控對象的系統(tǒng)級設計技術。分布式測控系統(tǒng)通常由功能相對獨立而空間位置相對分散的若干測控節(jié)點及連接這些節(jié)點的物理鏈路構成，每個測控節(jié)點均可構成一個功能相對獨立的測控子系統(tǒng)，各節(jié)點通過物理鏈路形成局域測控網(wǎng)絡。目前，該技術在汽車、飛機、輪船等交通工具及其對應的智能交通系統(tǒng)中，在坦克、潛艇、 衛(wèi)星、航空航天器等國防技術中，以及在先進制造、現(xiàn)場控制、在線檢測與測試等現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，均占有越來越重要的位置。
分布式測控技術的本質特征是多節(jié)點同步準實時網(wǎng)絡測控，其核心在于測控節(jié)點的連接及其信息集成技術。各種工業(yè)現(xiàn)場總線技術和以太網(wǎng)技術的發(fā)展，為傳統(tǒng)的分布式測控系統(tǒng)提供眾多可選擇的物理連接鏈路和底層信息傳輸協(xié)議，但始終缺乏一種能滿足分布式測控系統(tǒng)特殊要求的信息集成方法。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡測控系統(tǒng)信息集成方法多通過指令驅動方式，即針對特定的測控系統(tǒng)制定特定的命令或指令集來實現(xiàn)。由于各測控系統(tǒng)的功能不同，物理連接方式也不完全相同，因此其信息集成軟件指令集也各不相同，一般不具備通用性和繼承性。另外，當前的各種總線和網(wǎng)絡協(xié)議更多地是考慮信息傳輸?shù)臏蚀_性和傳輸速度，而未充分考慮分布式測控系統(tǒng)對各測控節(jié)點的時鐘同步精度等特殊要求。這是分布式測控技術不同于傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡測控技術的地方，也是一直阻礙分布式測控技術使其不能隨各種總線技術和網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展而快速發(fā)展以及廣泛推廣應用的原因所在。
針對以上相關技術的研究發(fā)展現(xiàn)狀，專利發(fā)明人近年一直致力于分布式測控技術的研究，于2009年提出了一種用于分布式測控節(jié)點信息自動交換的理論方法，并于2010年正式發(fā)表，被命名為分布式測控信息管道技術。
本專利是在此理論方法的基礎上發(fā)明的一種新型的、可用于分布式測控節(jié)點信息自動交換的、自供電式的測控總線SIP(SyStem In lockage)信息集成器件，即基于CAN的總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，簡稱IPCANanformation Pipe Control Area Network)器件。發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，在滿足分布式測控系統(tǒng)對各節(jié)點的時鐘同步精度、數(shù)據(jù)準確性、更新實時性的要求前提下，一方面可實現(xiàn)測控節(jié)點的自動連接和信息交換的功能，另一方面可為系統(tǒng)中的各測控節(jié)點提供電源。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為
一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，包括至少一個總線自供電式的物理鏈路連接器1、內外供電與管理總線電源變換器2、總線驅動器3、總線控制器4、 MCU微處理器5、信息管道引擎6、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7、SPI同步串行通信接口 8、LED工作狀態(tài)指示燈9、GPI0接口 10和SIP集成封裝外殼11，外部總線中的第一電源線Vbus、第二電源線Gbus通過總線自供電式的物理鏈路連接器1并經過第一內部總線 I和內外供電與管理總線電源變換器2的輸入連接，外部總線中的第一信號線CanH、第二信號線CanL通過總線自供電式的物理鏈路連接器1并經過第一內部總線I和總線驅動器3 的第一輸入/輸出連接，總線驅動器3的第二輸入/輸出和總線控制器4的第一輸入/輸出連接，總線控制器4的第二輸入/輸出和MCU微處理器5的第一輸入/輸出連接，總線控制器4的第三輸入/輸出和信息管道引擎6的第一輸入/輸出連接，MCU微處理器5的第二輸入/輸出和信息管道引擎6的第二輸入/輸出連接，信息管道引擎6的第三輸入/輸出和信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7的輸入/輸出連接，MCU微處理器5的第三輸入/輸出通過第二內部總線II分別和SPI同步串行通信接口 8、工作狀態(tài)指示燈9、GPI0 接口 10的輸入/輸出連接，總線自供電式的物理鏈路連接器1、內外供電與管理總線電源變換器2、總線驅動器3、總線控制器4、MCU微處理器5、信息管道引擎6、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7、SPI同步串行通信接口 8、LED工作狀態(tài)指示燈9和GPIO接口 10封裝于SIP集成封裝外殼11內。
所述的總線自供電式的物理鏈路連接器1是通過一個連體雙路RJll插座來實現(xiàn)的，每個連體雙路RJll插座通過一個RJll標準水晶頭外連4芯外部總線，外部總線的4芯線纜分別定義為第一電源線Vbus、第二電源線Gbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL，其中第一電源線Vbus和第二電源線Gbus用于掛在外部總線上的測控節(jié)點內嵌的IPCAN器件供電， 而第一信號線CanH和第二信號線CanL用于差分數(shù)據(jù)通信，每個RJll插座的全部引腳分別在器件內部一一對應地連接在一起，確保器件即使在非工作狀態(tài)條件下其外部總線的第一電源線Vbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL、第二電源線Gbus也能分別在物理上保持連ο
所述的內外供電與管理總線電源變換器2是從外部總線中的第一電源線Vbus和第二電源線Gbus獲取能量，將外部總線中的電源線上不穩(wěn)定的高壓電源變換成器件內部穩(wěn)定的低壓電源，同時為本專利器件的外圍功能擴展電路提供“總線電源”和“本地電源”兩種不同電壓的電源，其中，“總線電源”用于本專利器件的外圍模擬電路擴展，“本地電源”貝IJ用于本專利器件的外圍數(shù)字電路擴展。
所述的信息管道引擎6是實現(xiàn)分布式測控節(jié)點之間信息自動交換與節(jié)點內信息管理的驅動部件，是一種構架于總線控制器及其物理鏈路協(xié)議之上，直接面向信息源和信息目標的、分布式測控節(jié)點頂層信息自動交換方法，對于掛在測控總線上的所有分布式測控節(jié)點來說，信息管道就是信息自動交換的直接通道，而與隱藏在底層的物理通道和物理鏈路協(xié)議無關，信息管道引擎6的具體功能都是通過在MCU微處理器5中運行的軟件來實現(xiàn)的，向上連接器件內的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7，向下連接物理總線鏈路。
所述的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7是信息管道引擎直接操控的信息對象，同時也是器件用戶將分布式測控節(jié)點信息接入信息管道的接口通道，器件用戶只需要將分布式測控節(jié)點可提供的信息通過SPI同步串行通信接口寫入信息管道源端點內存緩沖區(qū)，或者將分布式測控節(jié)點所需的信息通過SPI同步串行通信接口從信息管道目標端點內存緩沖區(qū)讀出即可，節(jié)點之間信息自動交換的其他過程均可全部交給信息管道引擎來完成。
所述的GPIO接口 10用于本專利所發(fā)明器件增強功能的擴展，隨器件實際擴展功能的變化，各GPIO 口的定義會有所不同，但至少包括一個端口用于輸出時鐘同步信號，實現(xiàn)高精度時鐘同步，以便各分布式測控節(jié)點之間同步協(xié)調工作。
本發(fā)明的優(yōu)點是在滿足分布式測控系統(tǒng)對各節(jié)點的時鐘同步精度、數(shù)據(jù)準確性、 更新實時性的要求前提下，一方面可實現(xiàn)測控節(jié)點的自動連接和信息交換的功能，另一方面可為系統(tǒng)中的各測控節(jié)點提供電源。


圖1為本發(fā)明采用SIP封裝的IPCAN器件內部結構示意圖。
圖2為本發(fā)明基于IPCAN器件的分布式測控系統(tǒng)多節(jié)點連接方式示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
參照圖1，一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，包括至少一個總線自供電式的物理鏈路連接器1、內外供電與管理總線電源變換器2、總線驅動器3、總線控制器4、MCU微處理器5、信息管道引擎6、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7、SPI同步串行通信接口 8、LED工作狀態(tài)指示燈9、GPIO接口 10和SIP集成封裝外殼11，外部總線中的第一電源線Vbus、第二電源線Gbus通過總線自供電式的物理鏈路連接器1并經過第一內部總線I和內外供電與管理總線電源變換器2的輸入連接；外部總線中的第一信號線 CanH、第二信號線CanL通過總線自供電式的物理鏈路連接器1并經過第一內部總線I和總線驅動器3的第一輸入/輸出連接；總線驅動器3的第二輸入/輸出和總線控制器4的第一輸入/輸出連接；總線控制器4的第二輸入/輸出和MCU微處理器5的第一輸入/輸出連接；總線控制器4的第三輸入/輸出和信息管道引擎6的第一輸入/輸出連接；MCU微處理器5的第二輸入/輸出和信息管道引擎6的第二輸入/輸出連接；信息管道引擎6的第三輸入/輸出和信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7的輸入/輸出連接；MCU微處理器5的第三輸入/輸出通過第二內部總線II分別和SPI同步串行通信接口 8、工作狀態(tài)指示燈9、GPIO接口 10的輸入/輸出連接?？偩€自供電式的物理鏈路連接器1、內外供電與管理總線電源變換器2、總線驅動器3、總線控制器4、MCU微處理器5、信息管道引擎6、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7、SPI同步串行通信接口 8、LED工作狀態(tài)指示燈9和 GPIO接口 10封裝于SIP集成封裝外殼11內。
所述的總線自供電式的物理鏈路連接器1是通過一個連體雙路RJll插座來實現(xiàn)的，每個連體雙路RJll插座通過一個RJll標準水晶頭外連4芯外部總線，外部總線的4芯線纜分別定義為第一電源線Vbus、第二電源線Gbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL，其中第一電源線Vbus和第二電源線Gbus用于掛在外部總線上的測控節(jié)點內嵌的IPCAN器件供電， 而第一信號線CanH和第二信號線CanL用于差分數(shù)據(jù)通信，每個RJll插座的全部引腳分別在器件內部一一對應地連接在一起，確保器件即使在非工作狀態(tài)條件下其外部總線的第一電源線Vbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL、第二電源線Gbus也能分別在物理上保持連ο
所述的內外供電與管理總線電源變換器2是從外部總線中的第一電源線Vbus和第二電源線Gbus獲取能量，將外部總線中的電源線上不穩(wěn)定的高壓電源變換成器件內部穩(wěn)定的低壓電源，同時為本專利器件的外圍功能擴展電路提供“總線電源”和“本地電源”兩種不同電壓的電源，其中，“總線電源”用于本專利器件外圍的模擬電路擴展，“本地電源”貝IJ用于本專利器件外圍的數(shù)字電路擴展。
所述的總線驅動器3用于連接總線控制器與RJll物理連接器上的外部總線中的第一信號線CanH、第二信號線CanL，完成總線所需的差分信號與總線控制器所需的標準數(shù)字信號之間的雙向電平轉換，同時為總線信號的傳播提供足夠的驅動能力。
所述的總線控制器4介于MCU微處理器5和總線驅動器3之間，用于總線底層通信協(xié)議的實現(xiàn)，完成底層數(shù)字信號的通信和分布式測控節(jié)點的底層信息傳輸。
所述的MCU微處理器5是整個器件智能化、信息化的核心硬件之一，也是器件內部所有軟件功能實現(xiàn)的硬件載體。
所述的信息管道引擎6是實現(xiàn)分布式測控節(jié)點之間信息自動交換與節(jié)點內信息管理的驅動部件，也是信息管道得以實現(xiàn)的核心技術，是一種構架于總線控制器及其物理鏈路協(xié)議之上，直接面向信息源和信息目標的、分布式測控節(jié)點頂層信息自動交換方法，對于掛在測控總線上的所有分布式測控節(jié)點來說，信息管道就是信息自動交換的直接通道， 而與隱藏在底層的物理通道和物理鏈路協(xié)議無關，信息管道引擎6的具體功能都是通過在 MCU微處理器5中運行的軟件來實現(xiàn)的，向上連接器件內的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7，向下連接物理總線鏈路。
所述的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7是信息管道引擎直接操控的信息對象，同時也是本專利器件用戶將分布式測控節(jié)點信息接入信息管道的接口通道，本專利器件用戶只需要將分布式測控節(jié)點可提供的信息通過SPI同步串行通信接口寫入信息管道源端點內存緩沖區(qū)，或者將分布式測控節(jié)點所需的信息通過SPI同步串行通信接口從信息管道目標端點內存緩沖區(qū)讀出即可，節(jié)點之間信息自動交換的其他過程均可全部交給信息管道引擎來完成。
所述的SPI同步串行通信接口 8用于本專利器件用戶對器件內部信息管道源端點與目標端點內存緩沖器7的操作。
所述的LED工作狀態(tài)指示燈9用于本專利器件內部工作狀況、總線連接狀態(tài)、以及器件內部供電狀態(tài)等狀態(tài)的指示。
所述的GPIO接口 10用于本專利器件增強功能的擴展，隨器件實際擴展功能的變化，各GPIO 口的定義會有所不同，但其中一個固定的GPIO接口用于輸出時鐘同步信號，實現(xiàn)高精度時鐘同步，以便各分布式測控節(jié)點之間同步協(xié)調工作。
所述的SIP集成封裝外殼11用于本專利器件的集成和封裝，將以上各軟硬件功能集成在一起，構成本專利發(fā)明的IPCAN器件，集成封裝后的器件尺寸小，小體積的封裝十分有利于各種嵌入式測控節(jié)點電路的設計和實現(xiàn)。
下面結合實施例對本發(fā)明做詳細描述。
器件采用DIP20雙列直插封裝，20支引腳分別與圖1所示原理圖左側的功能對應，5/6頁各引腳定義如表1所示。通過IPCAN器件的DIP20引腳即可與各種不同功能的分布式測控節(jié)點用戶電路相連。
權利要求
1.一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于包括至少一個總線自供電式的物理鏈路連接器(1)、內外供電與管理總線電源變換器O)、總線驅動器 (3)、總線控制器G)、MCU微處理器(5)、信息管道引擎(6)、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器(7)、SPI同步串行通信接口(8)、LED工作狀態(tài)指示燈(9)、GPI0接口 (10)和SIP 集成封裝外殼(11)，外部總線中的第一電源線Vbus、第二電源線Gbus通過總線自供電式的物理鏈路連接器(1)并經過第一內部總線(I)和內外供電與管理總線電源變換器(2)的輸入連接，外部總線中的第一信號線CanH、第二信號線CanL通過總線自供電式的物理鏈路連接器(1)并經過第一內部總線(I)和總線驅動器(3)的第一輸入/輸出連接，總線驅動器(3) 的第二輸入/輸出和總線控制器的第一輸入/輸出連接，總線控制器的第二輸入 /輸出和MCU微處理器(5)的第一輸入/輸出連接，總線控制器⑷的第三輸入/輸出和信息管道引擎(6)的第一輸入/輸出連接，MCU微處理器(5)的第二輸入/輸出和信息管道引擎(6)的第二輸入/輸出連接，信息管道引擎(6)的第三輸入/輸出和信息管道源端點與目標端點內存緩沖器⑵的輸入/輸出連接，MCU微處理器(5)的第三輸入/輸出通過第二內部總線(II)分別和SPI同步串行通信接口(8)、工作狀態(tài)指示燈(9)、GPIO接口 (10)的輸入/輸出連接，總線自供電式的物理鏈路連接器(1)、內外供電與管理總線電源變換器(2)、總線驅動器(3)、總線控制器(4)、MCU微處理器(5)、信息管道引擎(6)、信息管道源端點與目標端點內存緩沖器(7)、SPI同步串行通信接口(8)、LED工作狀態(tài)指示燈(9)和 GPIO接口(10)封裝于SIP集成封裝外殼(11)內。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于所述的總線自供電式的物理鏈路連接器(1)是通過一個連體雙路RJll插座來實現(xiàn)的，每個連體雙路RJll插座通過一個RJll標準水晶頭外連4芯外部總線，外部總線的4芯線纜分別定義為第一電源線Vbus、第二電源線Gbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL，其中第一電源線Vbus和第二電源線Gbus用于掛在外部總線上的測控節(jié)點內嵌的IPCAN器件供電， 而第一信號線CanH和第二信號線CanL用于差分數(shù)據(jù)通信，每個RJll插座的全部引腳分別在器件內部一一對應地連接在一起，確保器件即使在非工作狀態(tài)條件下其外部總線的第一電源線Vbus、第一信號線CanH、第二信號線CanL、第二電源線Gbus也能分別在物理上保持連ο
3.根據(jù)權利要求1所述的一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于所述的內外供電與管理總線電源變換器(2)是從外部總線中的第一電源線Vbus和第二電源線Gbus獲取能量，將外部總線中的電源線上不穩(wěn)定的高壓電源變換成器件內部穩(wěn)定的低壓電源，同時為本專利器件的外圍功能擴展電路提供“總線電源”和“本地電源”兩種不同電壓的電源，其中，“總線電源”用于本專利器件的外圍模擬電路擴展，“本地電源”則用于本專利器件的外圍數(shù)字電路擴展。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于所述的信息管道引擎(6)是實現(xiàn)分布式測控節(jié)點之間信息自動交換與節(jié)點內信息管理的驅動部件，是一種構架于總線控制器及其物理鏈路協(xié)議之上，直接面向信息源和信息目標的、分布式測控節(jié)點頂層信息自動交換方法，對于掛在測控總線上的所有分布式測控節(jié)點來說，信息管道就是信息自動交換的直接通道，而與隱藏在底層的物理通道和物理鏈路協(xié)議無關，信息管道引擎(6)的具體功能都是通過在MCU微處理器(5)中運行的軟件來實現(xiàn)的，向上連接器件內的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器(7)，向下連接物理總線鏈路。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于所述的信息管道源端點與目標端點內存緩沖器(7)是信息管道引擎直接操控的信息對象，同時也是器件用戶將分布式測控節(jié)點信息接入信息管道的接口通道，器件用戶只需要將分布式測控節(jié)點可提供的信息通過SPI同步串行通信接口寫入信息管道源端點內存緩沖區(qū)，或者將分布式測控節(jié)點所需的信息通過SPI同步串行通信接口從信息管道目標端點內存緩沖區(qū)讀出即可，節(jié)點之間信息自動交換的其他過程均可全部交給信息管道引擎來完成。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，其特征在于所述的GPIO接口(10)用于本專利所發(fā)明器件增強功能的擴展，隨器件實際擴展功能的變化，各GPIO 口(10)的定義會有所不同，但至少包括一個端口用于輸出時鐘同步信號，實現(xiàn)高精度時鐘同步，以便各分布式測控節(jié)點之間同步協(xié)調工作。
全文摘要
一種總線供電式分布式測控節(jié)點信息管道智能控制器，外部總線通過總線自供電式的物理鏈路連接器、第一內部總線和內外供電與管理總線電源變換器、總線驅動器連接，總線驅動器和總線控制器連接，總線控制器和MCU微處理器連接，總線控制器和信息管道引擎連接，MCU微處理器和信息管道引擎連接，信息管道引擎和信息管道源端點與目標端點內存緩沖器連接，MCU微處理器通過第二內部總線和SPI同步串行通信接口、工作狀態(tài)指示燈、GPIO接口連接，各器件封裝于SIP集成封裝外殼內，在滿足分布式測控系統(tǒng)對各節(jié)點的時鐘同步精度、數(shù)據(jù)準確性、更新實時性的前提下，一方面可實現(xiàn)測控節(jié)點的自動連接和信息交換的功能，另一方面可為系統(tǒng)中的各測控節(jié)點提供電源。
文檔編號H04L12/40GK102523097SQ201110329580
公開日2012年6月27日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2011年10月26日
發(fā)明者焦吉, 董慧龍, 陳非凡 申請人:清華大學