一种基于单片机的现场可编程智能控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于单片机的现场可编程智能控制系统，包括一组或多组由通过总线连接的主机、从机和扩展机组成的子控制系统；主机用于处理扩展机所采集到的现场信号，并通过扩展机向现场设备发出控制信号；从机用于现场信号的传输；扩展机用于现场信号的采集、转换以及向现场设备传送控制信号。本发明通过设置一组或多组子控制系统，每组子控制系统包括通过总线连接的主机、从机和扩展机；能够根据不同的现场可设计出不同的现场信号模块组合方式，代替接触器、继电器控制系统实现对现场设备的信号采集及控制，能够极大地降低企业制造成本，保证中小型企业中研发生产。
【专利说明】一种基于单片机的现场可编程智能控制系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种基于单片机的现场可编程智能控制系统。
【背景技术】 [0002]随着科技的进步，可编程序控制器(PLC)在工业现场控制中发挥着越来越重要作用。目前，市场上的PLC大都为技术实力雄厚的大型企业生产，如日本的三菱、欧姆龙，德国的西门子等厂家。这些厂家具有丰富的电子产品生产经验和完善的技术链条，厂家中负责生产集成电路的部门可以完成对PLC的硬件、软件、上位机开发软件和配套设备的设计、制造、销售和培训等的一系列过程，甚至包括PLC内部的处理器芯片。这些主流可编程序控制器功能完善、可靠性很高，但设计制造过程十分复杂，从硬件电路的设计到上位机软件的开发是一个异常巨大繁琐的系统工程，只有大型企业才具备这样的条件，而中小型企业很难进入PLC设计制造领域。
[0003]在当前PLC的应用场所之中，并不是所有的地方都需要功能复杂、完善的PLC。目前通行的PLC，除了具有基本指令之外，还具有复杂的功能指令、现场总线功能和联机通信、功能模块扩展功能，以及一些相关的工控设备，如触摸屏等，极大地增加了 PLC的成本，导致PLC价格十分昂贵。而在很多应用场所，上述功能中的大多数都是用不上的，如控制单独工作、工作过程不太复杂的机械设备、简单的过程控制设备等，如果使用目前功能完善的PLC将会导致使用成本急剧升高；如果采用接触器、继电器控制又会造成产品可靠性的下降；若要直接采用单片机控制，由于单片机开发过程异常复杂，将会增加开发成本与产品开发周期。因此，亟需一种低成本、具有基本逻辑指令和简单联机扩展功能的PLC，能够降低企业制造成本，代替接触器、继电器控制系统以提高控制可靠性，方便灵活的应用于中小型企业中研发生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于单片机的现场可编程智能控制系统，能够降低企业制造成本，代替接触器、继电器控制系统以提高控制可靠性，方便灵活的应用于中小型企业中研发生产。
[0005]本发明采用下述技术方案:
一种基于单片机的现场可编程智能控制系统，包括一组或多组由通过总线连接的主机、从机和扩展机组成的子控制系统；
主机用于处理扩展机所采集到的现场信号，并通过扩展机向现场设备发出控制信号；主机由通过总线连接的处理模块、现场接口模块和现场信号模块组成；处理模块与上位机或其它子控制系统中主机内的处理模块进行通信；处理模块还通过现场接口模块与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信；
从机用于现场信号的传输；从机由通过总线连接的现场接口模块和现场信号模块组成；
扩展机用于现场信号的采集、转换以及向现场设备传送控制信号；扩展机由现场信号模块组成。
[0006]所述子控制系统包括多台从机和多台扩展机。
[0007]所述现场信号模块包括模拟量模块和开关量信号模块。
[0008]所述处理模块包括分别与单片机连接的输入、输出接口和通信接口模块，通信接口模块包括上位通信口和下位通信口，处理模块通过上位通信口与上位机或其它子控制系统中主机内的单片机进行通信；处理模块通过下位通信口与现场接口模块连接，实现与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信。
[0009]所述输入接口由4路模拟+8路数字接线端子、RC滤波和光电隔离电路构成，输出接口包括8路数字继电器、2路模拟继电器和2路模拟指示灯输出；上位通信口采用RS422接口、RS232接口和RS485接口 ；下位通信口采用SPI总线通信接口。
[0010]所述现场接口模块包括双向SPI通信接口和现场信号模块接口；双向SPI通信接口连接处理模块和/或现场接口模块；现场信号模块接口连接现场信号模块。
[0011]所述任意一组子控制系统中主机内设置的处理模块均通过上位通信口和总线与上位机、其他各组子控制系统中主机内设置的处理模块进行通信；任意一组子控制系统中主机内设置的处理模块均连接不超过7台从机，多台从机采用SPI环形总线结构连接；与主机相连的多台从机内的现场接口模块之间设置有辅助通信链路，辅助通信链路为一主多从模式的UART通信链路。
[0012]所述现场接口模块连接一台模拟量模块或多台开关量信号模块。
[0013]每一个与现场接口模块连接的开关量信号模块连接多台开关量信号模块。
[0014]所述的开关量信号模块设置有32个IO点，包括16个输入点和16个输出点；所述的模拟量模块设置有3个模拟量输入通道和3个模拟量输出通道。
[0015]本发明通过设置一组或多组子控制系统，每组子控制系统包括通过总线连接的主机、从机和扩展机；能够根据不同的现场可设计出不同的现场信号模块组合方式，代替接触器、继电器控制系统实现对现场设备的信号采集及控制，能够极大地降低企业制造成本，保证中小型企业中研发生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的原理框图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明所述的一种基于单片机的现场可编程智能控制系统，由一组或多组子控制系统组成；子控制系统包括通过总线连接的主机、从机和扩展机；每组子控制系统可包括多台从机和多台扩展机。
[0018]主机用于处理扩展机所采集到的现场信号，并通过扩展机向现场设备发出控制信号；主机由通过总线连接的处理模块、现场接口模块和现场信号模块组成。处理模块与上位机或其它子控制系统中主机内的处理模块进行通信；处理模块还通过现场接口模块与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信。[0019]主机内的处理模块包括分别与单片机连接的输入、输出接口和通信接口模块，输入接口由4路模拟+8路数字接线端子、RC滤波和光电隔离电路构成，输出接口包括8路数字继电器、2路模拟继电器和2路模拟指示灯输出；通信接口模块包括上位通信口和下位通信口，上位通信口可采用RS422接口、RS232接口和RS485接口 ；下位通信口采用SPI总线通信接口。处理模块通过上位通信口与上位机或其它子控制系统中主机内的处理模块进行通信，实现对上位机中的程序下载和通信，以及与其它子控制系统中主机的联机工作；处理模块通过下位通信口与现场接口模块连接，实现与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信。
[0020]输入、输出接口和通信接口模块均属于本领域管用技术手段，在此不再赘述。单片机由低功耗8位RISC芯片、EEPROM芯片、总线通信接口芯片构成。
[0021 ] 主机内的现场接口模块包括双向SPI通信接口和现场信号模块接口；双向SPI通信接口用于连接本主机内的处理模块和/或其他从机内的现场接口模块；现场信号模块接口连接现场信号模块。现场接口模块还可以连接LED点阵，用于现场信号的指示。
[0022]主机内的现场信号模块包括模拟量模块和开关量信号模块。现场信号模块由采集电路、光电隔离电路、放大器、信号寄存器等构成，可以将现场设备的开关量信号或模拟量信号转换为数据，通过现场接口模块传输至主机。开关量信号模块设置有32个IO点，包括16个输入点和16个输出点；模拟量模块设置有3个模拟量输入通道和3个模拟量输出通道。主机内的现场接口模块可连接一台模拟量模块或多台开关量信号模块，每一个与主机内的现场接口模块连接的开关量信号模块又可以连接多台开关量信号模块。
[0023]当本发明中保护多组子控制系统时，任意一组子控制系统中主机内设置的处理模块均通过上位通信口和总线与上位机、其他各组子控制系统中主机内设置的处理模块进行通信。
[0024]从机用于现场信号的传输；从机由通过总线连接的现场接口模块和现场信号模块组成；
从机内的现场接口模块包括双向SPI通信接口和现场信号模块接口 ；双向SPI通信接口用于连接本组子控制系统中主机内的现场接口模块和/或本组子控制系统中其他从机内的现场接口模块；现场信号模块接口连接现场信号模块。
[0025]从机内的现场信号模块与主机内的现场信号模块相同，包括模拟量模块和开关量信号模块，在此不再赘述。从机内的现场接口模块可连接一台模拟量模块或多台开关量信号模块，每一个与从机内的现场接口模块连接的开关量信号模块又可以连接多台开关量信号模块。
[0026]当任意一组子控制系统中的主机连接有多台从机时，多台从机采用SPI环形总线结构连接；与主机相连的多台从机内的现场接口模块之间设置有辅助通信链路，辅助通信链路为一主多从模式的UART通信链路，用于现场接口模块之间的自检测、数据校验和备用数据通信。
[0027]扩展机用于现场信号的采集、转换以及向现场设备传送控制信号；扩展机由现场信号模块组成，扩展机内的现场信号模块采用开关量信号模块。开关量信号模块设置有32个IO点，包括16个输入点和16个输出点。每一个与从机内的开关量信号模块连接的扩展机又可以连接多台扩展机。[0028]本发明中单片机程序部分采用简化型PLC编程语言，只有END结束、LD放置起始触点、LDI放置起始常闭触点、OR并联、ORI并联常闭触点、AND串联、ANI串联常闭触点、ORB多触点并联、ANB多触点串联、PUSH入栈、POP出栈、SET置位、RST复位、OUT输出、CJ跳转等16条基本指令和输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C和数据寄存器D6种编程元素。16条基本指令主要是针对开关量的逻辑控制指令，可以替代接触器继电器系统，满足大部分应用场合的要求。
[0029]用户程序的数据有四种，分别是指令、编程元素、编程元素编号和常数。每一种数据都是以一个字节的形式存在，字节的高两位是数据的识别位，以11、10、01、00分别表示指令、编程元素、编程元素编号和常数，指令和编程元素的低6六位分别表示其序号，如语句LD XO对应的程序代码为11 000001 10 000000 01 000000，故最多可支持64条指令或编程元素；编程元素编号和常数的低6位分为中3位和低3位，每三位二进制数可以表示一位八进制数，每一字节的编程元素编号或常数可以表示两位八进制数。
[0030]用户程序在单片机存储器中的形式是:指令、编程元素、编程元素编号、常数。其中有些指令后面没有编程元素，如入栈指令PUSH等，大部分程序语句后面都没有常数，只有当编程元素数定时器T、计数器C时，或跳转指令CJ后才有常数。如果有编程元素，编程元素后要紧跟一个字节的编程元素编号，用元素编号中的两位八进制数来给编程元素编址。而定时器T、计数器C或跳转指令CJ后面要跟两个字节的常数，即四位八进制数，数值的范围为4096，固定时器、计数器的最大工作范围为4095，而用户程序也不能超过4096条。
[0031]本发明使用的简化型PLC编程语言属于对现有PLC编程语言的一个简化，根据本申请中公开的PLC编程语言相关信息，本领域普通技术人员均可实现对本发明所述系统的程序编制，在此不再赘述。
[0032]本发明中，任意一组子控制系统中主机内的处理模块可通过上位通信口与上位机或其它子控制系统中主机内的处理模块进行通信，考虑到总线驱动能力和信号镜像寄存器容量的限制，本实施例中，子控制系统的数量最好不超过8组。任意一组子控制系统中主机内的处理模块可通过TTL电平的SPI总线通信接口与多台从机连接，考虑到TTL电平的传输距离和传输可靠性，与同一台主机连接的从机数量不超过7台，且主机与从机、从机与从机间的距离不宜过大。本发明中现场信号模块的设计灵活，在保证信号标准的前提下，不同的现场可设计出不同的现场信号模块组合方式，且现场信号模块可以设计出不同数量的IO接口或模拟通道数量。考虑到信号的传输距离和传输可靠性，本实施例中，主机和从机内的现场接口模块均可连接I台模拟量模块或不超过4台开关量信号模块，每一个与现场接口模块连接的开关量信号模块又可以连接不超过3台开关量信号模块。开关量信号模块设置有32个IO点，包括16个输入点和16个输出点；模拟量模块设置有3个模拟量输入通道和3个模拟量输出通道。
[0033]以本发明的最佳实施方式为例，本发明通过设置8组子控制系统，可实现8台主机的联机使用，每一组子控制系统中的主机又可连接7台从机，每一个采用开关量信号模块的从机又可与3台扩展机连接，组合方式灵活多变，可实现最多具有1024个字节、8192个点的现场信号处理能力。子控制系统中的主机为运算核心，每一组子控制系统中的主机都具有信号处理能力，从机和扩展机起到信号转换和传输功能。
【权利要求】
1.一种基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:包括一组或多组由通过总线连接的主机、从机和扩展机组成的子控制系统； 主机用于处理扩展机所采集到的现场信号，并通过扩展机向现场设备发出控制信号；主机由通过总线连接的处理模块、现场接口模块和现场信号模块组成；处理模块与上位机或其它子控制系统中主机内的处理模块进行通信；处理模块还通过现场接口模块与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信； 从机用于现场信号的传输；从机由通过总线连接的现场接口模块和现场信号模块组成； 扩展机用于现场信号的采集、转换以及向现场设备传送控制信号；扩展机由现场信号模块组成。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述子控制系统包括多台从机和多台扩展机。
3.根据权利要求2所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述现场信号模块包括模拟量模块和开关量信号模块。
4.根据权利要求3所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述处理模块包括分别与单片机连接的输入、输出接口和通信接口模块，通信接口模块包括上位通信口和下位通信口，处理模块通过上位通信口与上位机或其它子控制系统中主机内的单片机进行通信；处理模块通过下位通信口与现场接口模块连接，实现与主机内的现场信号模块、从机和扩展机进行通信。
5.根据权利要求4所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述输入接口由4路模拟+8路数字接线端子、RC滤波和光电隔离电路构成，输出接口包括8路数字继电器、2路模拟继电器和2路模拟指示灯输出；上位通信口采用RS422接口、RS232接口和RS485接口 ；下位通信口采用SPI总线通信接口。
6.根据权利要求5所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述现场接口模块包括双向SPI通信接口和现场信号模块接口 ；双向SPI通信接口连接处理模块和/或现场接口模块；现场信号模块接口连接现场信号模块。
7.根据权利要求6所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述任意一组子控制系统中主机内设置的处理模块均通过上位通信口和总线与上位机、其他各组子控制系统中主机内设置的处理模块进行通信；任意一组子控制系统中主机内设置的处理模块均连接不超过7台从机，多台从机采用SPI环形总线结构连接；与主机相连的多台从机内的现场接口模块之间设置有辅助通信链路，辅助通信链路为一主多从模式的UART通信链路。
8.根据权利要求7所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述现场接口模块连接一台模拟量模块或多台开关量信号模块。
9.根据权利要求8所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:每一个与现场接口模块连接的开关量信号模块连接多台开关量信号模块。
10.根据权利要求9所述的基于单片机的现场可编程智能控制系统，其特征在于:所述的开关量信号模块设置有32个IO点，包括16个输入点和16个输出点；所述的模拟量模块设置有3个模拟量输入通道和3个模拟量输出通道。
【文档编号】G05B19/05GK103676760SQ201310570180
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月16日 优先权日:2013年11月16日
【发明者】王清珍, 路康, 张莉 申请人:王清珍