控制模块与传输总线之间的点对点通信的设备的制作方法

专利名称：控制模块与传输总线之间的点对点通信的设备的制作方法
技术领域：
本发明关于一种用于控制模块与传输总线之间的点对点通信的设备。该 发明在可编程控制器领域中获得了特别有益的应用。
背景技术：
可编程控制器或者可编程逻辑控制器("PLC")是一种能够驱动、控制和 /或监控一个或多个处理的自动控制设施，特别是在工业控制装配、构造或者 电气分配装置领域。
通常的组合设计来讲，PLC可编程控制器由通过被称作"底板(backplane)" 总线的传输总线进行相互通信的不同的模块组成。这些模块机械地安装在机 架上，其包括印制电路，它既支撑底板总线，也支撑连4妄元件，该连接元件 意在与通常位于模块背面部分的连接器协作以实现这些^t块与该总线之间的 必要链接。模块的数目自然地依赖于自动化过程的大小以及类型。
典型地，可编程控制器可以包括
-电源供应模块，其通过底板总线向其它模块提供多种不同的电压。 -中央单元模块UC，其包括嵌入式软件("固件")，其集成实时操作系统 OS、和应用系统、或者用户程序，其包含由嵌入式软件执行以完成所需的控 制操作的指令。UC模块通常也包括在正面的连接，其连接到个人电脑PC类 型的编禾呈工具。
-根据要控制的过程而具有不同类型的输入/输出1/0模块，诸如用于计数 的数字I/O或者模拟TOR等。这些I/O模块链接至参与过程的自动化管理的 传感器和致动器。
-一个或多个与通信网络(以太网，CAN等)或者人-机接口(屏幕，键盘等) 进行通信的模块。
通过举例，输入/输出模块可以包括1到32个1/0路径，PLC控制器能够 依赖于管理数百个I/O路径的模型。如果需要的话，数个机架因此在一个相 同的PLC中连接在一起。这样，根据要自动化的应用和过程，PLC控制器可
以包括大量的模块。取决于其应用，PLC控制器的用户因此可以决定机架上
的模块的数目和定位。
并行底板传输总线是存在的，但是自此之后，底板传输总线通常是串行 总线。 一般地，串行总线包括数个双向传输线，而且是多点类型的，从某种 意义上说，双向线经过所有的与连接到总线的不同^^莫块相关的连接元件和连 接器。
底板总线(线+模块连接器+模块的输入电容)的每条线的等效阻抗根据连 接的模块的数目和它们在机架上的各自位置不同而显著不同，致使对总线信
号的尺寸标注变得很难或者实际上不可能(H言号的错配)。对底板总线的每一 个多点线的尺寸标注，也就是简要地说用于该线的特征阻抗ZQ的值象在这些 线的每个末端的匹配一样，事实上依赖于底板上模块的存在与否。比如，连
接到该底板总线的模块的数目越大，有效的特征阻抗Z。eff越低。
现在，象刚才所见，用户根据其应用来确定在机架中连接的模块的数目 和位置。自然地，以系统的方法无法实现最佳的尺寸标注，因此引起了由于 该线的低等效阻抗而导致的高消耗风险以及信号错配的风险，导致的额外的 结果是错配信号引起明显的电磁辐射并且生成更多的噪声。
这种不稳定现象更加显著地在消耗更少的能量(所谓的"低功耗"技术)
的目标下为总线信号选择更低的电压(例如3.3伏的电压取代常规的5伏电 压)。尺寸标注显示传统的多点/多连接器线技术不适用于这种"低功耗"技术。

发明内容
因此，本发明的目的之一是提出一种设备能够保证底板传输总线的容量， 因此保证信号的质量，而不管连接的模块的数目和它们的位置如何。
出于此目的，本发明提出，在多点底板传输总线上，将多点双向通信线 转换为在总线与连接到该多点总线的每个控制器模块之间的许多点对点连 接，上述的过程是以一种对连接的模块透明的方式进行的。
根据本发明，这个目标是借助于用于控制模块与传输总线之间的点对点 通信的设备来实现的，该设备包括承载该传输总线并包含连接元件的印制电 路，该连接元件用于将该模块连接到该传输总线。该印制电路包括位于该传 输总线和该连接元件之间的通信控制单元，所述单元包括多个单向通信逻辑 门、以及所述逻辑门的逻辑控制电路。
从而，对从总线到模块的信号的双向通信的控制因此卸载到该底板的印 制电路上，从而实现该总线的阻抗独立于连接的模块的数目和位置。有利的 是，多点传输总线持久地察看固定数目的通信控制单元，并且每个模块察看 点对点双向线以及相应的通信控制单元。
因此，只更改总线的物理拓朴，而不影响其原理以及更高层协议。对硬
件元件(扇入(fan-in),扇出(fan-out),模块存取次数)以及管理总线协议的应用 包软件来说，拓朴的改变是透明的。优点如下
-优化信号的完整性而不管底板总线上的模块的数目和位置，
-降低释放的电磁辐射，
-由于减少了对制作负载总线的线的印制电路的约束而获得的适当的成 本，因为在阻抗控制、无控制阻抗的连接性、标准逻辑组上点对点的线要比 多点的线受限更少。因此这能够补偿额外附加的控制逻辑电路的成本，
-在底板中的多点总线的限制内，可以随意扩展，
-对于用户是透明的，因为它只涉及通信协议的物理层。
根据一个特征，该控制电路能够将单向通信控制信号施加到该逻辑门， 该单向通信控制信号是在从该模块接收的通信状态信号的基础上确定的。
根据另 一个特征，所述控制信号也是通过控制电路在表示该模块操作状 态的信号的基础上确定的。
后者的装置使其能够仅在后者已正确连接并且在通信的合适状态时，允 许总线和模块之间的通信。
本发明实际上使得解决与控制器的使用相关的另 一个技术问题变得可 能。在通常操作中，如果模块之一停止服务， 一个模块试图在不干扰该PLC 其它模块的情况下替换该模块。因此很有必要在供电的情况下能够拔出故障 模块，然后插入一替换^^莫块，而不干扰该控制器其余配置和程序的运行。这 就是所谓的"热插拔(hotswap)"功能。相同的情况出现在当用户客户决定根 据他的应用或者处理过程把模块从机架的一个位置移开或者添加模块到空闲 的位置的时候。
为了解决与模块的热插拔有关的难题，提出了第一个解决方案，其包括 根据所应用的信号，执行底板连接元件和模块上的连接器之间的电连接的时 间顺序，例如，以这种方式来确保插入模块时保持如下的连接顺序地，正 电源电压，有用的信号等。为了这个目的，所提议的公知的方案根据需要的连接顺序，设想对底板连接元件或模块的连接器的各种不同的管脚给出不同 的长度。
此方案的优势在于在插拔底板的模块时具有信号的某种排序。例如，接 地信号总是比正电源电压保持更长的连接时间，因此相应的管脚变得更长。
另一方面，该公知系统存在一些缺陷，尤其是机械磨损以及特别是由于 其使用非标准的特殊连接器而造成的成本问题。更进一步，很有必要提供多 个具有相当长度的管脚以使其产生足够的长度弥补量以为插拔顺序获取必要 的时间间隔。该连接器的管脚的相当长度可能与可编程控制器的所有部分不 一致。
第二个存在的解决方案包括通过围绕轴旋转来将该模块的连接器插入到 底板连接元件中，从而可以确保当随着围绕轴旋转而插入一个模块时，临近 旋转轴的管脚比离其更远的管脚先连接。
此系统的优势与之前描述的相同。它的主要缺陷在于它提出了当初没有 为了此功能而设想到的额外的对于连接器的规范。更进一步，很难容忍实现 小型产品，这是因为这些连接器将包括很小间距的管脚，并且这也因此很难 在任何环境下获得可重复生产的^"为。
因此，本发明的一个目的是提供一种设备，其允许模块热插入到传输总 线上，而不干扰其它已经存在的模块的操作或者在该总线上传播的通信信号， 同时避免了与上述公知系统中的管脚和连接器的实现有关的机械约束。
出于此目的，根据另一特征，本发明的设备包括模块中存在的用于生成 表示该模块操作状态的信号的装置。所述用于生成有效信号的装置包括逻辑 构件，该逻辑构件接收至少 一个表示了该模块的状态的输入信号特征作为其 输入，并且仅当所述输入信号表示了该模块的操作状态与和传输总线通信的 模块的定位相一致时，提供所述有效信号。
根据另一特征，该控制电路包括逻辑OR门，其位于从多个模块接收的 多个状态信号之间，所述OR门能够提供与多个模块有关的通用通信状态信 号。连接到逻辑OR门的所述多个模块接着构成"虚拟模块"。 一组虚拟模块 能够以与真实单个才莫块相同的方式组装，以及在一些层级级别中等等。此层 级结构使其可以在多点线的级别上优化路由以及限制电容性负载。
本发明也描述了 一种自动控制设备，其包括传输总线和多个能够连接到 该传输总线的模块，还包括至少 一个这样的通信控制装置。
根据该发明，自动控制设备还可以包括机械系统用于插入和拔出围绕一 个轴旋转的模块。此系统使得在拔出该模块执行旋转运动的时刻，对信号消
失的顺序进行顺序化。例如，模块的电源供应的公共点(ov)可以应用在连接 元件的位于接近所述旋转轴的点上，且所述控制输入连接至连接元件的一点， 此点位于连接元件离所述旋转轴的相反端附近。
此处使用结合了根据本发明的设备和上述的旋转插入/拔出系统。这种结 合即使使用小尺寸的自动控制设备也是确实可以完成的，这是因为本发明的 设备已经使其可以减少强制管脚的数目，因而也就很容易隔开它们，来获得 有效的弥补量。
此外，从本发明刚刚给出的定义得出的，本发明不仅仅局限于可编程控 制器领域，还扩展到基于中速、低成本"底板"类型的传输总线的任意模块 系统，但是信号完整性的概念还是极其重要的。


其它特征和优点将在参照实施例的详细描述之后变得更加明显，其通过
举例和附图的形式给出，其中
附图1示出了依照本发明的点对点通信控制设备的基本图， 附图2图示出了可编程控制器中的底板总线的传统例子。
具体实施例方式
参照附图2,可编程控制器型的组合式(modular)自动控制设备展示了包 括底板印制电路20的底板型的固定部分，诸如I/O模块的数个模块10可以 任意地连接到底板印制电路20或从底板印制电路20断开。该印制电路20承 载多点传输总线22,该多点传输总线22服务于自动控制设备的模块的不同位置。
底板电路20包括底板连接器或管脚型的多个连接元件21,每个连接元 件21是为了在模块10插入到自动控制设备机架上的一个位置时接收模块10 的(补充连接元件21的连接器或者管脚型)相应连接器11。 一旦插入，在连接 元件21和模块10的连接器11之间的电链接特别地允许模块10被给予电压 (energize)以及能够通过传输总线22与自动控制设备的其它模块进行通信。
相应于图1示例的总线22是多点串行总线，主要包括两个双向传输线
221、 222:
-线221 DEL(用于定界符)，其通过通信交换主模块(master module)与由选 通脉冲(例如以大约10 MHz等级的频率)装置提供的总线时钟相应， 画线222 DATA,用于传输在总线22上实际交换的数据。 串行总线22是浮动主类型。主模块的指定(designation)取决于总线的附 加线(不被表示并被称作仲裁路径)，它的操作独立于本发明的结构。该双向仲 裁路径实际上被直接管理为不同模块间的多点，这并不呈现任何缺点，因为
该仲裁信号的频率要比该总线的其它信号的频率低得多。
主模块可以发起在总线上的交换。从模块(slave module)持续监听总线且 仅响应于来自主模块的请求。默认情况下，所有不进行发送的模块进行监听。 当模块不是主模块时，它因此必然保持接收监听总线上的模块发送的任何请 求。在任意时刻，模块都知道其自身的角色或者它是主模块并且因而作为 总线上的唯一发送者，或者它监听总线。任意路径使得它可以管理浮动主模 块的指定。
事实上，DATA线222由两个信号组成，也就是实际传输数据的双向DATA 信号和使其可以识别总线22上数据的发送者的DATAVAL通信状态单向信 号。如图l所示，该DATAVAL信号由每个模块10发送。默认情况下，模块 系统地设置它的DATAVAL信号使其可以持续接收在总线22上传播的数据， 例如通过对DATAVAL赋予逻辑值0。当模块10想要发送时，贯穿其发送其 数据的始末，其将DATAVAL信号转换为至逻辑值1。
刚刚给出的关于DATA数据线222的解释以相同的方法适用于DEL线 221,该线因此由DEL信号和DELVAL信号组成。为了简便起见，图1仅仅 示出了关于总线的DATA线的操作方式。
依照本发明，通信控制设备包括通信控制单元23,其位于电路20上连 接元件21和总线22的传输线之间，且其用于控制模块10和总线22之间的 通信。
单元23因而在模块10与总线22之间扮演了通信逻辑屏障(barrier)的角 色。该单元由分别链接至总线22的DEL 221和DATA222传输线的两个双向 通信组件231、 232组成。每个組件231、 232包括两个单向通信构件，其被 布置为相互首尾(head to tail)相接乂人而允许或者不允许在才莫块10和总线22之 间一个方向上或者相反方向上的通信。这些单向构件在发送方向(模块到总线)
记为24E，同时在接收方向上(总线到模块)标记为24R。它们由例如三态 逻辑门(也叫做三态緩冲器)构成。
因此，在机架上，在其与总线22的通信需要被控制的模块的每一个位置 的级别上，存在通信控制单元23。在每一个模块位置上存在的单元23使得 每个单元23和相应模块10之间从多点底板总线到点对点的通信变为可能。
每一个三态逻辑门24e和24r分別包括一个控制输入25e和25r，进行如 下操作
-如果施加到三态逻辑门控制输入的信号是逻辑值1的有效信号，则逻辑 门24e和24R的输入被分别复制到该逻辑门的输出。于是才莫块10就可以分别 在发送模式和接收模式下与总线22进行通信。
-另一方面，如果施加到三态逻辑门控制输入的信号是逻辑值0的钝化 (passivation)信号，它将其自身置于高阻抗状态，从而隔离其输出并且通过该 构件阻止模块10和总线22之间的任何通信。
有利的是，当钝化信号被施加到三态逻辑门的控制输入时，事实上在该 逻辑门的输入和输出之间，也就是存在于底板电路上的传输总线的信号以及 存在于相应模块的连接元件上的传输总线的信号之间，形成高阻抗。
可以从图l看出，该通信控制设备还包括逻辑控制电路30,特别用于为 三态逻辑门24e和24R提供单向通信控制输入25e和25r,作为由模块10提 供的DATAVAL和DELVAL状态信号的函数，已在上述解释过。
而且，逻辑电路30也考虑到有效信号，该有效信号由模块IO产生并且 代表模块10的操作状态。图1也示出了模块10包括逻辑电子组件12,该逻 辑电子组件12能够生成输出S，其连接到逻辑电路30的逻辑"AND"门31E 和31r的^T入。
输出S是逻辑构件12基于一个或多个代表模块10的操作状态的输入信 号Sp S2、 S3和S4等而生成的。原理是如果逻辑构件12证实这个或这些输 入信号的值符合满足与总线22通信的模块10的定位要求，那么输出S提供 值1的有效信号以激活组件231、 232。相反地，如果由于输入信号St、 S2、 S3和S4等中的至少一个指示模块10不处于满足与总线22通信的兼容状态而 导致模块10没有准备好通信，则逻辑构件12的输出S提供值0的钝化信号， /人而〗吏组件231和232失效。
在筒单实施例的框架内，尤其通过电阻器连接至模块的正电压(比如+
5V),可以设想逻辑构件12的单个输入信号S,。在这种情况下，值l的有效 信号仅仅指示模块IO确实已经被施加电压。
实际上，而更为可取的是，逻辑构件12的输出S由模块IO操作的不同
状态或模式的多个信号Si、 S2、 S3和S4等特征建立的一组逻辑条件组合来产
生，诸如举例来说该模块的电源供应的存在、该模块任一缺陷的消除、该 模块的测试序列适当执行的确认或者初始化的确认，等等。这使得可以确保 模块10在与总线22进行通信之前不仅被正确加压而且处于一个正确操作的 合适状态。
也可以设想在传送有效信号之前执行逻辑启动序列检测模块中的足够 的电压阈值，然后进行备用步骤以使得确保信号插入的完成以及电容器的预 充电，然后在模块内执行引导序列，等。
同样地，逻辑构件12可以集成到模块10的微处理器或者可以构成特殊 的构件。
同样也可以在图1中看到底板电路20上存在钝化模块26,用来当模块 IO没有连接到底板时通过低值电阻器返回到地来生成钝化信号，因而在连接 元件21上不存在输出S。因此，当模块10没有插入机架时，有利地持续保 证底板电路20上的总线22和连接元件21之间的信号的良好隔离。
很明显，依照使用的双向通信组件231、 232的类型和特征，施加到控制 输入25e和25R的有效和钝化逻辑信号的值可以等价地转换，也就是0为有 效信号，1为钝化信号。在这种情况下，输出S的生成可以相应地更改，并 且模块26的电阻将返回到电路20的正电压。
DATAVAL信号和;漠块10的操作状态输出S由逻辑电路30的"AND" 门3lE和3U处理。在当前的例子中，"AND"门31e直接接收愉出S和 DATAVAL信号作为其输入，并提供连接到单向通信控制输入25E的输出来驱 动相应的门24E。 "AND"门3U接收输出S和DATAVAL信号的反相作为其 输入，并提供连接到单向通信控制输入25R的输出来驱动相应的门24R。操作 方法々o下所述
-如果输出S提供有效信号(即比如=l)指示模块10准备通信，并且如果 DATAVAL信号为1,指示模块10准备在总线22上进行发送，那么与DATA 线222相关联的组件232的单向发送构件24E的控制输入25E生效，同时接收 构件24R的控制输入25R失效(构件24R处于高阻抗状态)。因此，只允许发送
方向(也就是说模块10到总线22的方向)上的通信。
-如果输出S提供有效信号，并且如果DATAVAL信号为0,指示模块10 在待命等待以便接收来自总线22的消息，那么与DATA线222相关联的接收 构件24R的控制输入25r生效，同时发送构件24E的控制输入25E失效(构件 24E处于高阻抗状态)。因此，只允许接收方向(也就是说总线22到模块10的 方向)上的il/f言。
-如果输出S提供钝化信号(即-O),指示模块10缺失、没有足够插入或 者没有处于通信的状态，控制输入25e和25r等于0并且这样在组件232的两 个单向构件24e和24R的输入和输出之间形成了高阻抗，因而阻止了模块10 和总线22的DATA线222的任何通信。这样，当拔出模块10或者模块10 缺失时，任何乱真(spurious)信号都不会影响底板总线。
如上所述的操作方法同样适用于与输出S相关联的DELVAL信号和管理 总线22的DEL线221的组件231的单向构件。
因此注意到无论机架上实际存在的模块的数目和位置是怎样以及处于操 作的合适状态中，总线22总是察看相同数目的通信控制单元23。阻抗和拓 朴是固定的，这是因为它们特别独立于模块的数目和位置。
另夕卜，DATAVAL和DELVAL信号的使用已经在才莫块10的级别上是可用 的，允许用于单向元件24￡和24r的控制屯路30的低成本实施。
优选地，控制电路30由通过CPLD( "Complex Programmable Logical Device",复杂可编程逻辑设备)技术实施的逻辑模块组成。CPLD模块是包括 在FLASH型的内部存储器上预编程的逻辑门的构件。这使其可以实现高速执 行，低成本，且在不需要任何微处理器或特定ASIC的情况下能在不同信号 间实现简单的基本的逻辑方程。
出于优化以及成本原因，单个CPLD模块30可以处理与总线22上的多 个位置相应的逻辑，也因而可以管理多个通信控制单元23，比如4个。这实 现了模块性和成本的折衷。这样的话，对于拥有12个位置的机架，只需要3 个CPLD才莫块。
而且，在CPLD才莫块的外部实现不同的双向组件231和232可能更为有 利，以便将这些组件设置在离连接元件21尽可能近的位置，也因此将单元 23和模块IO之间点对点连接的距离减到最小。
为了进一步P争低成本，双向組件231和232使用价格低廉的标准逻辑运
算技术，诸如LVC、 TTL、 COMS。
另外，控制电路30包括"OR"门33，其接收连接到由该相同的控制电 路30管理的位置上的不同模块10的DATAVAL通信状态信号。作为输出， "OR"门33提供全局通信状态信号DATAVAL_GLO,该信号是由电路30管 理的模块的组件的图像。同样地，电路30还包括另一 "OR"门(并没有在图 1中示出)，其接收DELVAL信号以提供全局信号DELVAL—GLO。
因此，由电路30管理的模块的组件就构成"全局虚拟模块"来提供全局通 信状态信号DATAVAL—GLO和DELVAI^GLO(在某种意义上等效于提供信号 DATAVAL和DELVAL的模块10)。如上所示，像这样的虚拟模块的组件可以 以相同的方式连接，以及在一些分级级别中等等。
权利要求
1.一种用于控制模块(10)与传输总线(22)之间的点对点通信的设备，该设备包括承载该传输总线(22)并且包含连接元件(21)的印制电路(20)，该连接元件(21)用于将该模块(10)连接到该传输总线(22)，其特征在于该印制电路(20)包括位于该传输总线(22)与该连接元件(21)之间的通信控制单元(23)，所述单元(23)包括至少一个双向通信组件(231，232)，其装配有相互首尾设置的单向通信三态逻辑门(24E，24R)，用于所述逻辑门(24E，24R)的逻辑控制电路(30)。
2. 根据权利要求l的设备，其特征在于该控制电路(30)将单向通信控制 信号(25e， 25R)施加到逻辑门(24e, 24R),该单向通信控制信号(25E， 25r)是在 从模块(10)接收的通信状态信号(DATAVAL， DELVAL)的基础上建立的。
3. 根据权利要求2的设备，其特征在于每个逻辑门(24E, 24"在缺乏相 应的控制信号(25E， 25R)的情况下处于高阻抗状态。
4. 根据权利要求2的设备，其特征在于该控制电路(30)包括逻辑OR门 (33),该逻辑OR门接收多个模块(10)的多个通信状态信号(DATAVAL， DELVAL)作为其输入，并且提供与所述多个模块相关的全局通信状态信号 (DATAVAL—GLO, DELVAL—GLO)作为其输出。
5. 根据权利要求2的设备，其特征在于该控制电路(30)是使用CPLD技 术实施的。
6. 根据权利要求2的设备，其特征在于该控制信号(25E, 25"也是通过 控制电路(30)在表示该模块(10)的操作状态的有效信号的基础上建立的。
7. 根据权利要求6的设备，其特征在于它包括存在于模块(10)中的装置 (12),其用于生成表示该模块(10)的操作状态的所述有效信号。
8. 根据权利要求7的设备，其特征在于所述用于生成有效信号的装置包 括逻辑构件(12),其接收至少一个表示该模块(10)的状态特征的输入信号(Sp S2, S3, S4)作为其输入，并且传送一输出(S)，当所述输入信号(S,， S2， S3, S4)表示该模块的操作状态与和传输总线(22)通信的模块(10)的定位一致时，所 述输出(S)生成所述有效信号。
9. 根据权利要求1的设备，其特征在于该通信控制单元(23)包括两个双 向通信组件(231, 232)，每个双向通信组件配备有相互首尾设置的两个单向逻 辑门(24e, 24R)。
10. —种自动控制设施，包括传输总线(22)和能够连接到该传输总线(22) 的多个模块(IO),其特征在于它包括至少一个根据前述权利要求之一的通信控 制设备。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制模块(10)与传输总线(22)之间的点对点通信的设备，该设备包括承载该传输总线(22)并且包含连接元件(21)的印制电路(20)，该连接元件(21)用于将该模块(10)连接到该传输总线(22)。该印制电路(20)包括通信控制单元(23)，其位于该传输总线(22)与该连接元件(21)之间，所述单元(23)包含单向通信逻辑门(24_E，24_R)，还包括所述逻辑门(24_E，24_R)的逻辑控制电路(30)。应用于可编程控制器。
文档编号G05B19/05GK101339423SQ20081021033
公开日2009年1月7日 申请日期2008年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者帕斯卡尔·查皮尔, 让-雅克·阿德拉格纳, 阿兰·穆尔雷 申请人:施耐德电器工业公司