专利名称：用于程序控制向/从电缆导线输入/输出信号的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电缆敷设和电缆敷设系统，具体地说，涉及一 种通用的电缆敷设系统，其中在第一与第二设备之间的专用导线互连 要求是通过使用用来接到第一设备上并将连接从第一设备引至连接到
第二设备上的电缆的所选导线的可编程i/o模块实现的。
背景技术：
复杂的电气/电子系统往往需要定制的电缆配置。对于具体的应 用，电缆通常是专门配置的。即使在诸如家庭音频和小型计算机系统 之类的比较简单的系统内，通常也需要许多不同的电缆。在诸如工业 控制系统之类的较大应用中，定制电缆设计是大量的。在诸如管理机 动车厂之类的工业控制系统中，需要在控制装置与传感器和致动器之
间有交互作用。提供相应连接的装置将称为输入和输出系统。通过输 出系统，控制系统可以开启灯、泵、阀门及其他设备。类似地，通过 输入系统，控制系统可以得知按钮的状态、开关是接通还是断开、或 者箱是否充满或轴转得有多快。
在诸如可编程逻辑控制器(PLC)之类的现有技术的控制系统中， 控制系统的用户用各个导线连接器或者通过一些连接器化的线束将传 感器和致动器连接到输入/输出系统上。将传感器和致动器接到工业控制系统上的普通方法是使用经由接线板的各个导线连接。接线板通常 使用螺钉驱动的线夹。除去导线末端的绝缘材料，将棵线放在螺钉驱 动的线夹下。然后拧紧螺钉，将导线固定在线夹下，实现导线与接线 板的电连接。越来越多的是，用各种弹簧线夹来夹住导线，但是这些 弹簧线夹基本上是与螺钉驱动的线夹相同的。图l示出了一根根导线
10怎样通过一些与灯泡20、开关22和接近开关24这三个设备连接的 接线板18接到PLC 16的输入和输出模块12、 14上的情况。接近开
指示;常2类型开关。' '
图1所示的方法的缺点是PLC 16的输入或输出模块上的终端 26、 28不一定方便安排成便于连接诸如灯泡或开关之类的负载。结果 是，为了进行互连必须执行大量的定制手动布线。此外，接线板18 上必须提供从电源30对诸如灯泡或接近传感器之类的某些致动器和 传感器供电的电力，以便与灯泡或开关连接。通常，现有技术的输出 模块12和14不向负载提供电源，而只是通断电源。图l所例示的定 制布线的设计和实现显著地增大了系统的成本和尺寸。
将诸如PLC之类的工业控制系统与负载相连接的另一种方法是 通过连接器化的线束或电缆进行连接。图2示出了 PLC 36的一个输 入模块32和一个输出模块34。输入/输出模块32和34分别配有可以 用电缆42和44与各个传感器和致动器连接的连接器38和40。令人 遗憾的是，从输入或输出模块出来的电缆通常不能直接接到传感器或 致动器上，因为PLC 36上的连接器38和40很少配置成接受传感器 信号或提供致动器功率。由于这个原因，在使用PLC上的连接器时最 常见的将PLC与传感器或致动器连接的方法就如图3所示。在图3 中，从PLC的输入模块32和输出模块34出来的电缆40接到含有用 来与控制系统连接的接线板50的电路板46和48上。因此，即使使用 连接器化的电缆，现有技术仍然需要使用各个诸如接线板之类的导线 连接器进行连接。
不用各个导线连接器在PLC与传感器或致动器之间进行直接连
6接是有问题的。 一个示例情况是在PLC必须与已经安装有连接器的设 备连接时。要将PLC与这样的设备相连接是非常常见的。典型的设备 是装有用来连接一些必须接到PLC上的信号的连接器的流量控制器。 在这种情况下，由于PLC输出模块只含有输出端而PLC输入模块只 含有输入端，但流量控制器连接器含有表示输入和输出的信号，从而 使连接复杂化。更糟的是，信号中有些是通/断式的离散信号，而有些 则是连续变化的模拟信号。此外，流量控制器还需要将电源电压和回 线/地线加到流量控制器的连接器上。
通常，现有技术的方法和装置需要使用为将形式固定的PLC与 形式变化的诸如流量控制器和电源之类的完全不同的设备连接而设计 和构建的定制电缆线束。设计、制造和安装复杂的线束的困难是非常 大的，以致于将PLC与传感器和致动器连接的主要方法还是通过各个 导线连接和接线板进行连接。
图4a和4b示出了两个典型的非标准电缆结构的例子。在图4a 中导线52和54分别接到连接器56和连接器58上不同的引脚上。图 4b的电缆在一端有两个连接器60和62，而在另一端只有一个连接器 64。
发明内容
因此本发明的 一个目的是提供一种能用标准电缆进行定制连接 的方法和装置。
本发明的另一个目的是提供一种减小在进行控制系统内的互连 中所涉及的电缆复杂性的方法和装置。
本发明的又一个目的是提供一种减少系统内定制设计电缆和各 个导线连接器的数量的方法和装置。
本发明的一个目的是提供一种通过标准电缆引导装置之间的信 号的可编程输入/输出模块。
本发明的另 一个目的是提供一种得到改善的用可编程输入/输出 模块测试电缆的系统。本发明的又一个目的是为使用可编程输入/输出模块和标准电缆 的控制系统提供一种联锁系统。
简要地说，本发明的优选实施例包括执行来自控制器的向设备发 送信号和接收来自设备的信号的指示的输入/输出模块。输入/输出模 块包括与控制器通信和接受控制器编程的微处理器。输入/输出模块还 包括一些各具有若干引脚、每个引脚与接至设备的一根电缆导线互连 的设备通信连接器。输入/输出模块具有每个引脚一个的专用集成电路
(ASIC),用来提供与相应引脚的受控接口。每个ASIC具有多个互 连装置，各可由微处理器选择来提供与由特定ASIC服务的引脚的特 定接口。例如， 一个互连装置可以提供电源到引脚的连接，而另一个 可以提供发给或来自引脚的特定类型的信号。
本发明的优点是极大减少甚至不需要手动布线互连。 本发明的另一个优点是降低包括有关文件编制、导线剥皮、导线 标记、安装和测试在内的手动布线的成本。
本发明的又一个优点是消除或极大减少对定制电缆线束的需求。 本发明的另 一个优点是减少了设计新系统所需的时间。 本发明的一个优点是减少了系统内的部件。
本发明的另一个优点是简化了系统的现场维护，因为必须备有的 用来替换受损或可疑电缆的电缆较少。
本发明的又一个优点是有助于更改系统设计，因为通常不需要新 的电缆设计。
图l例示了使用各个导线的现有技术的互连系统；
图2例示了使用电缆的现有技术的互连系统；
图3例示了使用电路板将电缆接线与所选设备互连的现有技术；
图4a示出了 一个典型的现有技术的定制电缆布置；
图4b示出了另 一个典型的现有技术的定制电缆布置；
图5为例示本发明的装置和方法的框图；图6为例示本发明的连接器化的可配置系统的模块的更详细情况 的电路图7为例示用本发明的模块测试电缆的系统的框图； 图8为现有技术的联锁系统的示意图9为使用本发明的可配置的连接器化的输入/输出模块的联锁 系统的框图10例示了使用含有本发明的系统的元件的ASIC结构的情况；
以及
图11示出按照本发明的引脚驱动器接口装置的一个例子的更详 细电路。
具体实施例方式
现在参见附图中的图5，该框图示出了本发明的一个优选实施例 的方法和装置。本发明的装置包括含有一个输入/输出(1/0)模块66 和一个或多个电缆68的可配置输入/输出系统65。优选的是，所有这 些电缆68是相同的，但是本发明也包括电缆68中有不同的情况。每 个电缆68都包括一根或多根导线以及连接器69和71。按照本发明的 I/O模块66包括可编程成使得在模块66与设备70之间和在模块66 与系统控制器72之间可以传输特定信号的微处理器。优选的是，模块 66还包括一个或多个设备通信连接器74，优选的是标准的产品，用来 接到设备通信电缆68 (优选的也是标准产品)上。控制器通信连接器 76提供与网络(优选的是以太网)78的连接，用于模块66与系统控 制器72之间的通信。模块66由来自系统控制器72的输入编程/配置。 或者，也可以是模块66配置成用独立的计算机(未示出)编程。
例如，模块66可以编程成将来自诸如外部电源79之类的外部设 备或者来自模块66的内建电源的电源电压接到与相应电缆68关联的 任何一根或多根导线上，传输给相应所互连的设备70。作为另一个例 子，控制器72可以将模块66编程成接收来自连接器74的任何引脚的 信号或将信号发送给连接器74的任何引脚。模块66可以编程成使得在任何一个设备70与控制器72之间可 以传送通信数据，这可能要涉及由模块66执行的任何所需的模数 (A/D)或数模(D/A)变换。
现在结合图6对I/O模块66进行更为详细的说明。所谓"标准，， 在本说明书中用来指不是为特定连接所选择或设计的任何连接器和/ 或电缆。也就是说，所谓"标准"用来区别本发明的允许用户将输入引 至电缆的任何一根导线而不需要专用的连接器或电缆配线的特征。所 谓"标准，，可以包括也可以不包括可以为许多用途中任何用途设计的 "现有，，连接器或电缆。然而，本发明的方法和装置的优选实施例是包 括在传统意义上的使布线较为经济而部件较容易得到的"标准，，连接器 和电缆。
I/O模块66，如图6所示，包括一个含有微处理器82或者还有 电源84的引导装置115以及一个或多个接口装置97。每个接口装置 97接到一根与连接器114的一个引脚连接的线94上。电源84也可以 设置在外部，与I/0模块66互连，如结合图5所说明的那样。图中示 出了输入线86和输出线88，如按照一个优选实施例所要求的在模块 66与控制器72之间通过诸如以太网进行通信输入和输出。本发明也 包括按照在用的通信网络类型实现其他类型的互连。图6的总线86 表示在诸如图5的控制器72之类的控制器与1/0模块66之间进行网 络通信所需的连接装置。图6的总线88表示与另一个1/0模块进行通 信(诸如图7中在I/O模块120与122之间的通信)所需的连接装置。 通常，微处理器82由控制器72按需要配置/编程成接收来自控制器的 对设备96 (例如可以是压力传感器、温度传感器等)中一个特定所选 设备进行检测的指令和将相应数据提供给系统控制器。微处理器82 还由控制器72编程/控制成使特定信号加到连接器114的任何所选的 一个或多个引脚上，从而加到电缆94的相应一根或多根导线上。此外， 微处理器还编程成响应命令，将来自设备96的所选信号类型发送给系 统控制器72。
图6示出了接口装置97A，它可以含有任何数量的互连装置，诸
10如98-112，各在接到连接器114A的一个特定引脚上的线94A上提供 一个特定的可选接口。图6示出了第二接口装置97B,它可以与装置 97A完全相同，而接到所示的连接器114A的另一个引脚上。类似地， 可以为诸如114A之类的连接器的每个引脚配置一个接口装置97。图 6还示出了另一个连接器114N，这表示本发明内可以包括任何数量的 连接器114，而每个连接器114可以有任何数量的引脚。每个引脚可 以与一个专用接口装置97对接。每个接口装置具有一个或多个可选互 连装置，诸如互连装置98-112。因此，如图所示的模块66为多根线 94的连接器引脚中每个引脚提供了互连装置98-112。每套互连装置 98-112专用于与一根接到一个连接器114的一个引脚上的线94进行 连接。因此，本发明对于接到连接器114的每个连接器引脚上的每根 线94都包括一个含有一套互连装置(诸如98-112)的接口装置和在 微处理器82内的相应所需程序控制逻辑，这些引脚例如示为连接器 114上的圆圏，通过电缆68与任何相应设备70连接。
作为系统65操作的一个例子，可以将微处理器编程成识别特定 的输入数据，例如在线86上的包括含有指令的以太网信息包内的数 据，将这数据作为模拟信号在特定的线94上发送给特定设备70。在 这种情况下，程序将命令微处理器通过具有数模变换器116的装置98 引导/变换数据。进行这个连接的功能用在被激活时形成从设备116到 设备70的所需连接的继电器"R1"表示。作为另一个例子，如果线94 要承载给设备70的15伏电压，就将微处理器编程成响应来自控制器 的信号激活继电器R6。这样，系统65就允许通过任何线诸如94进行 所选类型的通信和将要发送的各个信号中的任何一个信号加到任何所 选线诸如94上从而加到相应设备70上。与这些线诸如线94连接的电 缆因此可以是任何能传输所需信号的电缆，如上面所说明的那样，优 选的是通常的标准电缆。
电路开关装置(Rl-R8)图示为机电式继电器。在一个实施例中， 开关装置用半导体电路实现。半导体电路可以经济得多，而且动作也 比机电式继电器电路快。用机电式继电器只是为了示出发明的实质。如图6所示，8个示为98-112的信号通路互连装置中的任何一个 可以与线94互连。例如，图6示出了向一个特定的引脚提供操作功率 的包括24V DC、地、15V DC和-15VDC四个不同的电源信号的装置。 本发明还包括任何数量或数值的信号。互连装置102为与线94连接的 引脚提供数字信号。互连装置108提供电源回线/地线。互连装置98 和100分别提供数模变换和模数变换。引导装置的微处理器82可编程 成使模块66向控制器输出第 一信号，其中第 一信号传送从设备70向 模块66输入的信号的数据内容到连接器114的一个所选引脚117。如 上所述，模块66为每个电缆68 (图5 )内的每根线94 (图6 )配置有 一套互连装置诸如98-112。
这些线和互连可以承栽任何类型的信号。例如，信号可以含有诸 如在从伺服马达反馈中发现的频率信息。或者，这些信号可以表示串 行通信载体，处理例如RS-232数据或现场总线数据，诸如设备网、 Profibus或以太网之类。
图6还例示了通过互连装置98-104连接四个非功率信号的i殳施。 互连装置98和100包括A/D和D/A变换器以及开关装置(Rl和R2 )， 如果为了适应控制器72和设备70的不同传输和接收能力/要求必须执 行这样的变换的话。互连装置102和104分别提供各自方向的数字信 号通道。在进一步的说明中，控制器可以命令模块66发送数字信号， 这信号在被模块66接收后可以发送给緩存器118,微处理器82响应 来自控制器的指示可以通过激活所需继电器，诸如与连接器114互连 的互连装置104，以将信号从緩存器118发送给连接器114上的任何 一个触点，从而将所需信号发送给所希望的连接器的所希望的触点。 同样，信号的路由选择用符号例示为通过闭合所关联的继电器 (Rl-R8)实现。在上面所提到的数字输出信号的情况下，如图6所 示，继电器R4闭合，而继电器R1-R3和R5-R8断开，因此将所请求 的数字输出传送给线94,从而传送给标准的I/O连接器114的相应引 脚。类似地，模块66可以接收来自设备72诸如设备96的数字信号， 而且响应来自控制器的指示可以将拷贝发送给控制器72。在这种情况下，继电器R3闭合而继电器R1-R2和R4-R8断开，因此将通过互连 装置102传送来自标准的1/0连接器114的给定引脚的数字信号。互 连装置98和100提供符合要求的模数变换。最后，可以使可配置的 I/O系统65与信号隔离，使得信号看起来被断开。这种断开通过断开 所有的继电器Rl-R8来实现。
再来看图5，本发明的优选方法包括在控制系统中使用系统65， 其中控制器72通过I/O模块66接收来自 一个或多个设备70的数据或 将数据发送给一个或多个设备70，而I/O模块66编程成接收来自接 到设备70上的所选电缆的任何所选导线上的信号和将信号加到所选 导线上。在一个优选实施例中，设备72是通过以太网系统78与I/O 模块66通信的系统控制器。或者，设备72可以是其他配置，诸如通 用计算机，而通信线78可以为任何类型的，诸如标准的计算机电缆之 类。
本发明的另一种方法包括用模块66测试电缆。图7示出了第一 I/O模块120,用需测试的电缆124与第二I/0模块122连接。按照一 个优选实施例，系统控制器126编程成引导模块120将特定信号加到 电缆124内一根所选导线128上。这信号可以是例如DC电源电压或 如测试电缆124所需的其他类型的信号。控制器命令第二模块122扫 描第二模块122的引脚130,扫描结果发送给控制器126，从而控制器 可以知道正确的信号是否处在正确的引脚上，以确定电缆的状况。除 了确定通过单根所选电缆导线传输的质量之外，控制器可以扫描和检 测模块122的连接器的任何引脚130上的信号，因此可以确定是否有 任何导线128相互短路，而且可以确定导线128之间的串扰电平。图 7示出了虛线132和134，表示系统控制器126与模块120和122之间 的通信线。
本发明的又一个实施例包括配置成具有模块66的特征的模块与 联锁装置一起在系统内提供安全特征的方法。图8例示了现有技术的 防止使用气阀134的联锁系统。为了使气阀134接收到操作功率，三 个继电器136、 138和140必须传导来自24 VDC电源142的电流。操作继电器136、 138和140的电绕组用圆圏142、 144和146表示。给 每个绕组的功率由传感单元148、 150和152控制。如果这三个传感单 元中有任何一个被激活，就会断开给相应绕组的功率，从而所关联的 继电器断开/开路，也就切断了给气阀的功率。图8的联锁电路往往做 成需要定制布线的定制电路板。
图9例示了本发明的方法的一个实施例，其中诸如模块66之类 的可配置的连接器化的I/O模块166、 168和170用来极大减少或消除 联锁系统内的定制布线。模块166、 168和170可以与图5和6的模块 66类似或完全相同，分别与联锁模块180、 182和184连接。图9中 所示的互连可以全部或部分用标准的连接器和电缆提供，而专用的对 信号的引导/路由选择通过对可配置的连接器化的I/O模块编程来实 现。
图9所例示的系统154包括控制操作的系统控制器156，它包括 诸如流量控制器之类的设备158。系统154包括只有在所有三个安全 传感器160、 162和164的状态都表示操作条件合适时才允许设备158 操作的联锁系统。这些传感器可以是用于这个用途的任何类型的传感 器。三个例子是接近开关160、安全联锁装置162和限制开关164。
系统控制器156与三个可配置的连接器化的I/O模块166、 168 和170连接，这些1/0模块提供如上所述的可编程的灵活性，允许在 系统各处用标准的电缆和连接器实现所示的各个连接。I/O模块166、 168和170示为与联锁模块180、 182和184交叠，表示联锁模块180、 182和184的插头插入1/0模块166、 168和170。在这个优选实施例 中，是联锁模块180、 182和184而不是电缆68插入诸如图5的模块 66的1/0模块的连接器74。联锁模块180、 182和184各舍有让电缆 68插入以使设备158 -164互连的设备连接器74。因此，联锁模块180、 182和184处在I/O模块166、 168和170与它们所连接的设备158-164 之间，这些设备包括例如图9中所示的接近开关160、限制开关164 和安全联锁装置162以及设备158。
系统控制器156与I/O模块166、 168和170通信，以及通过线锁处理器172通信。实现以太 网通信的装置是该技术领域内的专业人员众所周知的，因此不需要再 予以说明。电源176示为具有线178所示的连接。每个1/0模块(166， 168， 170)接有一个联锁模块(180， 182， 184)。每个联锁模块(180， 182， 184)通过如线186、 188和190所示的电缆/总线与联锁处理器 172连接。
图9的联锁系统下面不予进一步详细说明。概括地说，系统154 包括通过总线(186， 188， l卯)与联锁处理器172连接的联锁模块(180, 182， 184)。联锁模块具有两个功能(1)联锁模块180和182的第 一个功能是通过联锁总线186和188将一定的输入(例如来自传感器 160、 162和164的192、 194和195 )发送给联锁处理器172，这样的 一些输入是所有输入的一个称为联锁输入的子集。与任何联锁模块
(180, 182， 184)连接的任何输入线(192， 194， 195)可以布在联 锁模块内，使得这个输入可以驱动一个如图8中用继电器线圏标记
(142， 144， 146)所标示的继电器线圏。在这些继电器线圏被激活时， 所关联的继电器触点闭合。这些继电器线圏各激活一个触点，导致联 锁处理器172检测到一个信号，或者说通过联锁总线186和188将一 个信号发送给联锁处理器172。联锁处理器的功能将在稍后说明。(2) 联锁模块184的第二个功能是接收联锁处理器172通过联锁总线190 发来的一个或多个联锁信号。联锁处理器布线成使得联锁信号或者说 处理器发送到总线190上的信号可以驱动设置在联锁模块184内的、 其触点与1/O模块170的输出端串联的继电器的线圏。因此，这个输 出端197是被联锁的。也就是说，I/O模块170可以试图接通与设备 158连接的输出端，但是这个输出端197将不能延伸到联锁模块184 的外部(因为这个联锁才莫块是被联锁的)，除非联锁处理器172将使 与输出端197串联的继电器闭合的信号送到总线l卯上。联锁处理器 172响应来自联锁模块180和182的输入，对输入执行布尔逻辑，在 总线190上产生一个或多个联锁输出，传送给联锁模块184，再从I/O 模块170传送到联锁输出端197。优选的是，联锁处理器172用继电
15器来执行它的所有处理。继电器在安全电路内是常用的，因为它们筒 单而又可靠。硅开关和微处理器具有不大可靠、容易出现各种硬件或 软件小故障的名声。尽管如此，在这种应用中并不绝对排除使用硅处
理器、开关或逻辑。电缆186、 188和190示为直接连接在各个联锁模 块与联锁处理器之间。
在工作中，接近开关160提供直接接到第一联锁模块180的联锁 输入192。安全联锁装置162提供类似的输入194。这两个联锁输入 192和194由系统控制器156通过联锁模块180与I/O才莫块166之间 的连接和I/O模块166与系统控制器156之间通过网络174的输入监 视通信予以检测。联锁模块180含有联锁输入192和194各一个的继 电器。这些继电器(未示出)驱动一个信号通过联锁总线186发送给 联锁处理器172。联锁处理器172含有联锁输入192和194各一个的 继电器。这些继电器在联锁处理器172内配置成对联锁装置160、 162、 164执行布尔运算，产生联锁输出，通过联锁总线190传送给联锁模 块184。联锁模块184内部是每个被联锁的诸如输出197之类的输出 各一个的继电器(未示出)。也就是说，虽然在图9中示出只有一个 给一个设备158的输出197，但本发明的构思适用于任何数量的输入、 输出和设备。在联锁处理器172确定联锁输入160、 162、 164处于它 们满足系统正确操作的正确状态时，联锁处理器172就驱动一个信号， 经联锁总线190使联锁模块184内的继电器闭合，因此允许将输出加 到线197上，从而使设备158启动或接通。
现在参见附图中的图10，图中例示了本发明的另一个实施例，其 中包括诸如在图6中所示的98-112之类的互连装置的接口装置配置成 一个专用集成电路(ASIC ) 198。在I/O模块200内为每个连接器202 的每个引脚都配置一个ASIC 198。例如， 一系列用于一个连接器202 上的各个引脚的ASIC 198表示为用虚线204框起。因此，如果连接 器202具有25个引脚，那么这个连接器就要使用25个ASIC 198。模 块200可以含有任何数量的ASIC 198，正如任何模块可以含有任何数 量的连接器202。另一个实施例可以使用不同的ASIC体系结构，其中每个ASIC可以处理多个引脚，或者可以用多个ASIC来处理一个 或多个引脚。由于现代的半导体加工工艺所提供的小型化，使用ASIC 的结果是显著地减小了构建模块200的尺寸和成本。而且，图IO的电 路200在功能上是与结合图6所说明的电路模块66类似或相同的。差 别在于提供互连装置98-112的功能的电路或者说元件98-112或与一 个引脚对接/通信的其他元件的任何组合在图10这个电路200内合并 成一个ASIC 198。
图11示出了一个引脚驱动器ASIC198的框图。在通过诸如SPI 接口之类的串行通信总线206与微处理器82连接时，图IO的微处理 器82可以命令ASIC执行图6中示为98-112的电路的功能。虽然图 11的电路看来与图6的互连装置98-112不同，但电路198能够执行 相同或类似的所需功能。鉴于图6为用来说明本发明的实质的有些理 想化的示意图，图ll含有更多的可以配置在ASIC内部的电路元件。 尽管如此，图11实现了图6的所有电路元件。例如，图6用开关98 来将数模转换器(D/A或DAC)接到输出线94A上。在图11中，数 模转换器226通过开关220接到输出引脚208上。本发明还包括ASIC 198的用于相同或类似用途的其他电路结构。该技术领域内的专业人 员将知道怎样设计许多这样的电路，而所有这样的电路都应包括在本 发明之内。
现在对图11的电路的典型特征进行简要的说明。功率可以通过 闭合大电流开关222b和将电源选择器227设置到诸如24伏、12伏、 5伏、地线和负12伏之类的可用电源电压的任何电压上将功率加到引 脚208上。
电路可以通过闭合小电流开关222和读出经模数变换器216变换 的电压来测量引脚208上的电压。
电路可以直接与接在点/引脚208上的产生电压非常低的信号的 热电偶式温度传感器连接。交叉点开关210允许精度差动放大器212 接到热电偶的两根引线上，热电偶的一根引线接到与连接器202 (图 10)的一个引脚连接的节点/引脚208上，热电偶的第二根引线接到连214连接器连接的另一个引脚上。交叉 点开关210因此允许连接器202的两个相邻的引脚通过差动放大器 212接到同 一个模数变换器216上。
电路198能测量流入或流出图11中标为引脚的节点208的电流。 引脚驱动电路198在这种情况下用它的A/D变换器216测量流入或流 出引脚节点208的电流，从而可以检测过电流，或者检测接到引脚节 点208上的设备是否起作用或布线是否正确。
ASIC 198还能监视流入和流出引脚节点208的电流，以单向断 开电路198，从而防止ASIC 198由于短路或其他潜在的不良状况而毁 坏。ASIC 198用所谓的误用检测电路218来监视可能毁坏ASIC 198 的电流剧变。小电流开关220、 221、 222和大电流开关222b响应误用 检测电路218，将引脚208断开。
ASIC 198的误用检测电路218能建立引脚208的电流限制，电 流限制由微处理器82程控设置。这由选择224表示。
ASIC 198可以测量引脚节点208的电压，以便允许微处理器82 确定接到引脚节点上的数字输入的状态。数字输入的门限因此可以是 程控的，而不是由硬件固定的。数字输入的门限由微处理器82用数模 变换器226设置。数模变换器226的输出加到锁存比较器225的一侧。 锁存比较器225的另一个输入来自引脚208，表示数字输入。因此， 在引脚208上的数字输入的电压越过数模变换器所设置的门限时，微 处理器82就能确定输入改变，因此推断出数字输入已经改变状态。
ASIC 198可以接收或产生频率信号。如果一个串行通信设备， 例如打印机，接到引脚208上，所述频率信号可以通过小电流开关221 传送给通用异步收发器(UART)或类似的可以解释频率信息的电路 元件(未示出)。模块66内的所有ASIC都可以将频率信息传送给构 成频率总线230的4根线中的一根。使用所述频率总线230，就能使 模块66接收和发送配置成单端或差动的频率信号。如RS-422那样的 串行电气标准对差动串行信息作了规定。
ASIC可以在引脚节点形成一个电流源，该电流源是连接各种工
18业控制设备的标准方法。ASIC可以产生在标准4-20mA和0-20mA范 围内改变的信号。这个电流源装置由微处理器82实现，微处理器82 使数模变换器226产生一个电压传送给可选增益电压緩冲器或电流驱 动器231，再通过可选源电阻227,所述可选源电阻227由微处理器 82设置为具有适当阻值，以获得所希望的输出电流。电流由可选增益 电压緩沖器或电流驱动器231用通过模拟开关229使用路径A的反馈 进行调整。
ASIC可以测量由各种工业控制设备产生的出现在引脚节点上的 电流信号。ASIC可以测量在标准4-20mA和0-20mA范围内改变的信 号。这个电流测量装置由微处理器82实现，微处理器82使可选增益 电压緩冲器231在它的输出端产生一个适当的电压，诸如零伏。同时， 微处理器82使可选源电阻228对来自工业控制的电流和它的输出电流 的路径呈现一个阻抗。所述电流通过引脚208进入ASIC 198。已知阻 抗一侧上所施加的电压将使来自外部设备的未知电流在引脚208上产 生一个电压，这个电压就通过小电流开关222由模数变换器216测量。 微处理器82应用欧姆定律就可解出工业控制设备所产生的未知电流。
本发明的其他改进包括模块200能对接到模块200上的设备执行 独立控制。例如，如果将热电偶或其他温度传感器与加热器一起接到 模块200上，于是微处理器82就可以读温度传感器，以可以达到所希 望的温度的方式激活加热器。所述加热器通常使用放大器(例如继电 器)将模块200的低电平输出变换成能驱动加热器的高功率输出。模 块200因此可以执行闭环控制。在这种情况下，所述热电偶要接到两 个配置成输入端的相邻的引脚208上，而所述加热器要接到两个配置 成输出端的引脚208上。在工作中，微处理器82将如上所述测量温度 传感器的电压。微处理器82用已知的控制算法将所希望的温度应用于 所测得的温度，再用所采取的方法得出驱动信号。然后，微处理器用 连续可变的模拟信号或者用脉沖宽度控制(PWM)的通/断信号激活 加热器。这样就实现了对接到模块200上的设备的独立控制。
ASIC 198包括如上面结合接口装置97所说明的功能。例如，ASIC 198具有含有数模变换器226的互连装置，其中引导装置可编程 成引导接收来自微处理器82的数字信号和使这信号由数模变换器226 变换成模拟信号，并将这模拟信号的拷贝加到引脚208上。
ASIC 198还可以包括含有模数变换器216的互连装置，其中引 导装置可编程成检测第一连接装置的任何所选触点上的模拟信号和使 模数变换器216将这信号变换成数字信号，并将这数字信号的拷贝输 出给微处理器82。
ASIC 198还可以包括称为电源选择器227的引导装置，通过大 电流开关222b接到引脚208上。所述引导装置可编程成使一个电源电 压接到第一连接装置的第一所选连接器引脚节点上，并使电源回线接 到第 一连接装置第二所选引脚上。
虽然以上示出和说明了本发明的具体实施例，但对于该技术领域 的专业人员来说可以在不背离本发明的精神的情况下进行各种变更和 修改是显而易见的，因此所附权利要求书要包括这些在本发明的精神 和范围内的变更和修改。
权利要求
1. 一种可配置的连接器化的包括模块的系统，该模块包括(a)包括用来在所述模块与设备之间连接电缆的连接器的设备通信连接器装置；以及(b)响应来自控制装置的输入信号的引导装置，用来使所述模块将多个信号中的任何一个信号加到所述连接器的多个连接器引脚中的任何一个引脚上，其中所述引导装置包括至少一个给所述连接器引脚中的一个特定引脚提供一个可选互连装置的ASIC。
2. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述模块还包括第二连接 器，用来在所述模块与所述控制装置之间连接电缆。
3. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述控制装置被包括在所 述模块内。
4. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述^^块还包括内部信号 源，而所述引导装置可编程成将来自所述内部信号源的信号接到一个 连接器引脚上。
5. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述ASIC包括(a) 将操作功率接到第一所选连接器引脚上的第一可选互连装置；(b) 将数字信号接到第二所选连接器引脚上的第二可选互连装 置；以及(c) 将电源回线接到第三所选连接器引脚上的第三可选互连装置。
6. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述ASIC包括至少一个 具有数模变换器的互连装置。
7. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述ASIC包括具有模数 变换器的互连装置。
8. 如在权利要求1中所迷的系统，其中所述引导装置可编程成引 导所述模块将第 一信号输出给所述控制器，其中所述第 一信号从一个设备传送被输入所述模块的信号的数据内容到所述连接器引脚中的一 个所选引脚。
9. 如在权利要求1中所述的系统，其中每个ASIC包括含有数模 变换器的互连装置，以及其中，所述引导装置可编程成引导接收来自 所述控制器的数字信号和使所迷信号由所述数模变换器变换成模拟信 号，并将所述模拟信号的拷贝加到所述连接器引脚中的一个所选引脚 上。
10. 如在权利要求1中所述的系统，其中每个所述ASIC包括含有 模数变换器的互连装置，以及其中，所述引导装置可编程成检测所述 第一连接装置的任何所选触点上的模拟信号和使所述模数变换器将所 述信号变换成数字信号，并将所述数字信号的拷贝输出给所述控制器。
11. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述引导装置可编程成 使一个电源电压接到所述第一连接装置的第一所选连接器引脚上，并 使电源回线接到所述第 一连接装置的第二所选连接器引脚上。
12. 如在权利要求1中所述的系统，其中所述引导装置包括微处理器。
13. 如在权利要求11中所述的系统，其中所述模块包括提供所述 电源电压的电源。
14. 如在权利要求1中所述的系统，其中这样的所述ASIC包括多 个用于传输相应多个信号类型的互连装置。
15，如在权利要求14中所述的系统，其中信号类型包括频率信息。
16. 如在权利要求15中所述的系统，其中所述频率信息表示串行通信.
17. 如在权利要求15中所述的系统，其中所述频率信息是来自伺 服马达的反馈信息。
18. 如在权利要求1中所述的系统，还包括具有由控制器控制的 联锁系统的设备，所迷控制器向所述模块提供对所述联锁系统发送和 接收信号的指示。
19. 如在权利要求18中所述的系统，其中所述联锁系统包括至少一个联锁模块和至少一个通过相应的所述设备通信连接器与所述模 块互连的传感器。
全文摘要
一种输入/输出模块用来执行来自控制器的向设备发送信号和接收来自设备的信号的指示。输入/输出模块包括与控制器通信和接受控制器编程的微处理器。输入/输出模块还包括一些各具有若干引脚的设备通信连接器，每个引脚与接至设备的一根电缆导线互连。输入/输出模块具有每个引脚一个的ASIC，用来提供与相应引脚的受控接口。每个ASIC具有一些可由微处理器选择的互连装置，用来提供与由ASIC服务的引脚的特定接口。
文档编号G06F13/38GK101506786SQ200680051870
公开日2009年8月12日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月6日
发明者L·布拉斯菲尔德, P·萨古伊斯 申请人:伯克利程序控制公司