专利名称：现场控制机内部模块连接总线及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种自动化系统中的现场总线及实现方法，特别是现场控制机内部模块连接总线及实现方法。
背景技术：
现场总线用在生产现场实现微机化测量设备之间的双向串行多节点数字通信，它被广泛地应用于制造业、流程工业和交通等行业的自动化系统中。目前，现场总线通常采用串行总线拓扑结构实现物理连接，即所有的控制单元、测量单元都以总线式连接到这条串行总线上。虽然这种连接方式具有简单的优点，但总线某处发生故障将导致系统全面瘫痪，因此其工作可靠性差。特别是在要求高可靠性的自动化系统中，该种连接方式将存在极大的风险。为了提高总现场总线的可靠性，普遍考虑冗余设计方法，即采用双总线结构。但这种备用串行总线方案会带来通讯硬件接口和通讯线路的双重开销，更为突出的是通讯程序开销过大，使通讯软件变得复杂。
发明内容
针对现有技术存在的缺点，本发明的目的之一是提供一种结构简单、成本低且可靠性高的现场控制机内部模块连接总线；本发明的另一目的是提供所述现场控制机内部模块连接总线的实现方法。
本发明的现场控制机内部模块连接总线包括全双工总线，其结构特点是，还包括集线器，所述的全双工总线一端与所述集线器连接作为集线器的输入/输出口；所述的集线器包括逻辑运算电路，所述逻辑运算电路的多个输入端分别与集线器的输入连接，所述逻辑运算电路的输出端通过一条总线与集线器的各输出连接。
根据上述技术方案，所述的逻辑运算电路与集线器输入端之间连接有总线保护电路；所述的总线保护电路防止模块因出现故障而长时间占用所述的一条总线。
根据上述技术方案，所述的总线保护电路由单稳态触发器构成。
根据上述技术方案，所述的逻辑运算电路为一带有多输入端的“与”门电路。
根据上述技术方案，所述的逻辑运算电路包括一个多输入端的“与非”门集成电路和一个“非”门电路；所述“与非”门集成电路的输入端接收模块发送的数据，其输出端和“非”门电路的输入连接，所述“非”门电路的输出连接所述的一条总线。
所述现场控制机内部模块连接总线的实现方法，其特点是现场控制机内部各模块通过全双工总线与集线器进行半双工方式的数据交换；集线器将所述各模块的输入数据通过逻辑运算耦合到一条总线上，再经所述的一条总线把耦合的数据发送到所述的各模块；所述的各模块根据接收到的数据来判断所述的一条总线是否被其它模块占用，然后按照规定的通讯协议进行相应的操作。
根据上述技术方案，所述模块的输入数据在通过总线保护电路后再进行逻辑运算，所述的总线保护电路防止模块因出现故障而长时间占用所述的一条总线。
根据上述技术方案，所述总线保护电路为单稳态触发电路；当某一个模块或几个模块因故障而长时间发送占用总线信号时，所述的单稳态触发电路能将其封锁，使故障模块发送的数据不被耦合到所述的一条总线上。
根据上述技术方案，所述逻辑运算为“与”运算。
本发明通过集线器将现场总线的典型总线式连接改变成为星形连接，在不对适用于单总线式网络拓扑的通讯软件进行任何更动的情况下，使其工作可靠性大幅度提高，同时也避免了冗余设计所造成的通讯硬件接口和通讯线路的双重开销，以及通讯软件复杂等缺点。本发明的现场控制机内部模块连接总线还具有结构简单，制造和使用成本低以及使用方便等优点。采用本发明方法实现的总线连接方式，在任何一个模块发生故障的情况下，都不会影响其它模块的正常通讯，因而更能保证模块连接总线通讯的高可靠性。
图1为本发明的电路原理图；图2为本发明的另一结构电路原理图。
实施例如图1所示，本实施例以4个控制模块实现连接为例。模块A～D为现场控制机内的控制模块，各控制模块内有完成相应任务的软硬件。现场控制机内部模块连接总线由集线器1和全双工总线4组成，全双工总线4为RS422全双工总线。
集线器1通过与模块A～D连接。逻辑运算电路2由“与非”门电路IC25和“非”门电路IC26串连而成，“与非”门电路IC25的其中四个输入端分别与集线器1的四个RS422接收器IC3、IC7、IC11T和IC15连接。“非”门电路IC26的输出通过一条总线3连接到集线器1的RS422发送器IC4、IC8、IC12和IC16。集线器1与模块A～D的数据交换均通过各自配置的RS422接收器和RS422发送器完成。
在本发明的实现方法中，模块之间的通讯协议及通讯软件均与现有技术相同。当某一模块需占用总线时，先帧听总线，通过RS422接收器从RS422总线接收数据。如果接收到的数据为“0”，即低电平信号，则表示总线被其它模块所占用，此时该模块按照规定的通讯协议等待总线被释放；如果接收的到数据为“1”，即高电平信号，则按照规定的通讯协议进行总线测试以确认总线空闲。为使本发明的应用不对现有技术中适用于单总线式网络拓扑的通讯软件进行任改动，集线器1与各连接模块仅以半双工方式进行数据交换，即某一时刻模块只能发送数据或只能接收数据。
例如当模块A需占用总线进行通讯时，先通过RS422接收器IC2从总线接收数据并对数据进行判断，如果是数字“0”则等待总线被释放；如果数字为“1”则发送测试码。当确认总线空闲后，通过模块A的RS422发送器IC1发送低电平信号到全双工总线4上，集线器1的RS422接收器IC3接收到该低电平信号，然后把信号送至“与非”门电路IC25和“非”门IC26。信号经过“非”门IC26输出至一条总线3，再传递到集线器1的RS422发送器IC4、IC8、IC12、IC16，最后通过全双工总线4发送给模块A～D的RS422接收器IC2、IC6、IC10、IC14。同理，模块B、模块C和模块D发送的低电平信息，每个模块也都能接收到。
由图1可看出，本发明的实现方法是，模块1～4通过全双工总线4与集线器1进行半双工方式通讯，逻辑运算电路4中的“与非”门电路IC25将模块1～4的输入数据进行“与”“非”运算并经“非”门电路IC26将结果耦合到一条总线3上，一条总线3再将其传递至全双工总线4。按照这种数据交换方法，利用RS422总线和集线器作为一种新型结构的总线得以实现。
图2所示为本发明现场控制机内部模块连接总线另一种结构的电路图。该结构是在图1所示结构的基础上增加了总线保护电路5，以进一步提高总线的可靠性。从附图1中可以看出，当某一模块，如模块A出现故障时，可能长时间向总线发送低电平信号，其他所有模块都能从总线接收到该低电平信号，这样模块A就会长时间独占总线，从而使其它模块无法正常工作。总线保护电路5能够避免因模块故障而使总线被独占的情况出现。
总线保护电路5为单稳触发器IC17和“或”门电路IC21组成的单稳态触发电路，单稳触发器IC17型号为74HC133。单稳触发器IC17的2、3脚接高电平，输入脚14、15连接电阻R1和电容C1。电阻R1和电容C1组成时间常数τ＝R1C1，这个时间常数决定单稳态电路输出脉冲的宽度。当单稳触发器IC17的1脚有一个下降沿触发脉冲时，就会在4脚输出宽度为τ＝R1C1的低电平脉冲。在正常通讯的情况下，单稳触发器IC17的1脚收到的通讯信息是模块发送来的由高电平和低电平组成的脉冲序列。当信号从高电平变为低电平时，脉冲的下降沿使单稳触发器IC17的4脚产生一个宽度为τ＝R1C1的低电平脉冲，通讯信息经“或”门电路IC21后再由逻辑运算器2送到总线上。一种可能的情况是，当某一模块，如模块A出现故障，长时间发送低电平信号时，因其不会再出现下降沿脉冲，因此，当经过时间τ＝R1C1之后，单稳触发器IC17的4脚上将输出高电平信号，同时强制或门电路IC21输出为高电平。因此，模块A的低电平信号不会再被送至总线，这样就起到对总线的保护。
本实施例可连接的控制模块可以为多个；全双工总线4可为其它符合标准规范的全双工总线，如RS232等；逻辑运算器2中的“与非”门电路IC25和“非”门电路IC26可以用一带有多输入端的“与”门电路代替，其工作原理和实现方法与本实例相同。
权利要求
1.一种现场控制机内部模块连接总线，包括全双工总线，其特征在于还包括集线器，所述的全双工总线一端与所述集线器连接作为集线器的输入/输出口；所述的集线器包括逻辑运算电路，所述逻辑运算电路的多个输入端分别与集线器的输入连接，所述逻辑运算电路的输出端通过一条总线与集线器的各输出连接。
2.根据权利要求1所述的现场控制机内部模块连接总线，其特征在于所述的逻辑运算电路与集线器输入端之间连接有总线保护电路；所述的总线保护电路防止模块因出现故障而长时间占用所述的一条总线。
3.根据权利要求2所述的现场控制机内部模块连接总线，其特征在于所述的总线保护电路由单稳态触发器构成。
4.根据权利要求1或2所述的现场控制机内部模块连接总线，其特征在于所述的逻辑运算电路包括一个多输入端的“与非”门电路和一个“非”门电路；所述“与非”门电路的输入端接收模块发送的数据，其输出端与“非”门电路的输入连接，所述“非”门电路的输出连接所述的一条总线。
5.根据权利要求1或2所述的现场控制机内部模块连接总线，其特征在于所述的逻辑运算电路为一带多输入端的“与”门电路。
6.一种现场控制机内部模块连接总线的实现方法，其特征在于现场控制机内部各模块通过全双工总线与集线器进行半双工方式的数据交换；集线器将所述各模块的输入数据通过逻辑运算耦合到一条总线上，再经所述的一条总线把耦合的数据发送到所述的各模块；所述的各模块根据接收到的数据来判断所述的一条总线是否被其它模块占用，然后按照规定的通信协议进行相应的操作。
7.根据权利要求6所述的现场控制机内部模块连接总线的实现方法，其特征在于所述模块的输入数据在通过总线保护电路后再进行逻辑运算，所述的总线保护电路防止模块因出现故障而长时间占用所述的一条总线。
8.根据权利要求7所述的现场控制机内部模块连接总线的实现方法，其特征在于所述总线保护电路为单稳态触发电路；当某一个模块或几个模块因故障而长时间发送占用总线信号时，所述的单稳态触发电路能将其封锁，使故障模块发送的数据不被耦合到所述的一条总线上。
9.根据权利要求6或7所述的现场控制机内部模块连接总线的实现方法，其特征在于所述逻辑运算为“与”运算。
全文摘要
该发明公开了一种现场控制机内部模块连接总线及实现方法，属于自动化系统中的现场总线技术。该现场控制机内部模块连接总线包括全双工总线和集线器，全双工总线与集线器连接作为集线器的输入/输出口；逻辑运算电路的多个输入端分别与集线器的输入连接，逻辑运算电路的输出端通过一根总线与集线器的各输出连接。该发明的实现方法是，外部模块通过全双工总线与集线器进行半双工方式的数据交换；集线器将各模块的输入数据通过逻辑运算耦合到一条总线上，再经该条总线把数据发送到各模块。该发明解决了现有技术中总线式连接可靠性差及冗余设计所造成的硬件双重开销，以及软件复杂等缺点。该发明主要应用于自动化系统中现场控制模块的连接及通讯。
文档编号G06F13/38GK1417695SQ0113446
公开日2003年5月14日 申请日期2001年11月5日 优先权日2001年11月5日
发明者何国霖, 董世运, 卓明, 戈彦霞, 武芳瑛 申请人:清华同方股份有限公司