专利名称：现场总线式智能开关量输出控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种现场总线式智能开关量输出控制装置，属于现场总线控制技术领域。
背景技术：
现场总线(fie1dbus)是在20世纪80年代中期在国际上发展起来的。根据IEC(国际电工委员会)IEC1158定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线[1]。
现代计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展、相互渗透和结合，促成了信息技术的革命。人类社会进入信息社会以来，信息已经成为一项重要的生产力要素在社会各行各业的生存和发展中发挥越来越大的作用。世界各国的许多大企业都把加强信息基础设施建设放在了企业经营发展战略的重要位置，企业信息化是企业在信息经济时代发展的必有之路。企业的信息化应是用信息化的功能去推动企业的管理、生产和销售。
随着20世纪末世界全球市场的形成，企业之间的竞争空前激烈。处于全球市场之中的工业生产必须加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间T(time to market)，改善质量Q(quality)，降低成本C(cost)，并不断的完善售后服务S(service)，才能在剧烈的竞争中处于不败之地。为了适应市场竞争需要，在追求TQCS的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统(CIMS)。它采用系统集成、信息集成的观点来组织工业生产，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。由于它把整个生产过程看作是信息的采集、传送及加工处理的过程，因而信息技术成为工业生产过程的重要因素。综合自动化就是在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息的集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，提高企业的市场应变能力和竞争能力。而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制，或采用自封闭式的集散控制系统(DCS)，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。
中国计算机学会工业控制计算机专业委员会早已关注现场总线技术的发展并认为这是工业自动化装置产业界面临的一次重大变革性挑战和机遇。
现场总线控制系统是基于底层控制网络的开放式、数字化、多点通信的控制系统。他将微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信的能力，然后采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连成网络系统，并按公开、统一、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自控系统。现场总线的技术特点适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致了工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线已成为世界范围的自控技术热点、被誉为跨世纪的自控新技术。
发明内容
技术问题本实用新型的目的是提供一种现场总线式智能开关量输出控制装置，解决生产过程现场控制中相对集中的开关量信号的输出控制问题，为基于profibus-Dp现场总线分布式输出控制系统的集成实现提供一种更高性价比的产品。
技术方案本实用新型的现场总线式智能开关量输出控制装置，由信号控制部分和信号处理部分所组成，该装置包括主板部分的单片机、地址译码电路、协议接口电路、地址锁存电路、设站地址电路、片外扩展电路、看门狗电路；功能子板部分的输出锁存电路、光电隔离电路、继电器输出电路；其中，单片机分别与地址译码电路、协议接口电路、地址锁存电路、设站地址电路、片外扩展电路、输出锁存电路、看门狗电路相接，协议接口电路接现场总线，输出锁存电路的输出端接光电隔离电路，光电隔离电路的输出端分别接继电器输出电路。
其特征在于单片机中的中心处理器芯片的“P24、P25、P26、P27”端分别与地址译码电路中译码器的“A、B、C、G2A”端相接；中心处理器芯片的“P20、P21、P22”端分别与协议接口电路中协议芯片的“A0、A1、A2”端相接；中心处理器芯片的“P00～P07”端分别与地址锁存电路中的锁存器的“1D～8D”端、设站地址电路中的开关电路的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外扩展电路中的扩展电路的“DQ0～DQ7”端、输出锁存电路中的锁存电路“1Q～8Q”端相接；中心处理器芯片的“RESET”端与看门狗电路中的放大器的输出端相接；继电器输出电路中的16路是相同的，每一路均由晶体管、电阻、继电器线圈、二极管所组成，电阻的“IN”端接输入信号，电阻的另一端接晶体管的基极，晶体管的发射极接地，晶体管的集电极与电源之间并联接有继电器线圈和二极管。
有益效果本实用新型提供了一种基于profibus-Dp现场总线技术的集电源、CPU、通信控制、信号调理、输出控制、状态指示等于一体的16路开关量输出控制智能装置，使profibus-Dp现场总线分布式输出控制系统的集成实现更加灵活和方便。
本装置的特点是集电源、CPU、通信控制、信号调理、输出控制、状态指示等于一体，大大降低了仪器的制造成本和安装、调试、运行维护等成本。实施本技术具有管理效率更高、管理能力更强、抗干扰能力更好、监控精度更优、工程造价更低等特点。
图1是本实用新型的总体结构示意图。其中有主板部分的单片机1、地址译码电路2、协议接口电路3、地址锁存电路4、设站地址电路5、片外扩展电路6、看门狗电路8；功能子板部分的输出锁存电路7、光电隔离电路9、继电器输出电路10-1～10-16。
图2是本实用新型单路开关量输出的继电器输出电路原理图。
图3、图4是本实用新型的电路结构原理图。
具体实施方式
本实用新型的现场总线式智能开关量输出控制装置，由信号控制部分和信号处理部分所组成，该装置包括主板部分的单片机1、地址译码电路2、协议接口电路3、地址锁存电路4、设站地址电路5、片外扩展电路6、看门狗电路8；功能子板部分的输出锁存电路7、光电隔离电路9、继电器输出电路10-1～10-16；其中，单片机1分别与地址译码电路2、协议接口电路3、地址锁存电路4、设站地址电路5、片外扩展电路6、输出锁存电路7、看门狗电路8相接，协议接口电路3接现场总线，输出锁存电路7的输出端接光电隔离电路9，光电隔离电路9的输出端分别接继电器输出电路10-1～10-16。其中单片机1中的中心处理器芯片CPU的“P24、P25、P26、P27”端分别与地址译码电路2中译码器U2的“A、B、C、G2A”端相接；中心处理器芯片CPU的“P20、P21、P22”端分别与协议接口电路3中协议芯片U1的“A0、A1、A2”端相接；中心处理器芯片CPU的“P00～P07”端分别与地址锁存电路4中的锁存器U3的“1D～8D”端、设站地址电路5中的开关电路U9的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外扩展电路6中的扩展电路U4的“DQ0～DQ7”端、输出锁存电路7中的锁存电路U11、U13“1Q～8Q”端相接；中心处理器芯片CPU的“RESET”端与看门狗电路8中的放大器U13F的输出端相接；继电器输出电路10-1～10-16中的16路是相同的，每一路均由晶体管G、电阻R0、继电器线圈JX、二极管D0所组成，电阻R0的“IN”端接输入信号，电阻R0的另一端接晶体管G的基极，晶体管G的发射极接地，晶体管G的集电极与电源VCC之间并联接有继电器线圈JX和二极管D0。
1.CPU及外围电路这一部分主要包括89C52单片机、地址译码电路、内存扩展电路、看门狗电路、从站地址拨码设置电路等。
地址译码电路采用外设与外部数据RAM统一编址的方式，高位地址线经A12～A14经3-8译码器后形成片选信号输出，译码器的使能端接地址线A15，因此共有8路片选信号XCS0至XCS7输出。
外部RAM采用芯片62256，共32K，片选信号端经反相器反相后与地址线A15相连，因此外部RAM的地址范围为8000H～FFFFF。
由MAX705组成的看门狗复位电路可以保证单片机系统在程序“跑飞”时能够可靠复位，MAX705的复位脉冲输出有正脉冲和负脉冲两种方式，当复位脉冲为负脉冲时，需要外接反相器后再连接到单片机的复位端。在正常情况下，P1.x引脚不超过1.6s就向WDI端发出“喂狗”信号，程序陷入死循环后，“喂狗”信号无法发出，当死循环运行时间超过1.6s时，MAX705的看门狗输出WDO将变低并触发MR，复位信号从RESET端输出。
从站地址的设定由拨码器得到，拨码器的状态选择位通过产生相应的高低电平信号连接到74LS244的输入端，当片选信号XCS0有效时，从站地址由数据总线输出。
2.现场总线通信部分协议接口电路3，通信控制器采用了西门子SPC3协议芯片。SPC3可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括数据的成帧、发送、接收、差错处理、数据还原等。这样既可以加速通信协议的执行，也可以减少接口模板微处理器中的软件程序。总线存取由硬件驱动，数据传送来自SPC3内的一个双口RAM，与应用对象之间的通信采用数据接口，数据的交换独立于总线周期，数据传输速率得到了大大的提高，最大值可达12Mb/s。通信主板的设计可以采用外设与外部数据RAM统一编址的方式，高位地址线经A12～A14经3-8译码器后形成片选信号输出。
SPC3协议芯片内部含1.5k的RAM，地址范围为×000H～×5FFH，可以为该芯片分配1000H--1FFFH的地址空间；外部扩展32K的RAM芯片62256，其地址空间可以分配为8000H-FFFFH。可将剩余的口线和片选信号线引至从板接口。
SPC3协议芯片输出通过RS-485接口电路与PROFIBUS-DP总线进行通讯。在该电路中有两片光电隔离芯片HCPL0721，用于高速通信信号的隔离；符合RS485标准SN75176的驱动芯片用作支持12M波特率的驱动。使用9针Sub D插座，提供必须的A-line，B-line，VP，GND和RTS信号。
此外在防雷击和抗干扰方面我们设计相应的网络电路。在不影响原信号收、发的条件下，以保护接收和发送回路的元器件。
3.输出控制与处理部分开关量输出控制必须对开关量输出信号进行锁存保持，开关量输出后首先必须进行隔离，而后再经继电器驱动电路来驱动继电器。
输出信号进行锁存保持由74LS573芯片来完成。将74LS573输出允许端接地，数据置入端置为高电平时，其输出端的状态与输入端相同，当数据置入端由高电平返回低电平时，输入端的信息锁入8位锁存器，直至数据置入端的信号再次返回高电平时锁存器的输出才发生变化。
开关量信号输出必须进行光电隔离以避免受控对象强电的干扰。由于对速率的要求不高，因此采用一般的光耦器件即可(如TLP521-4)。开关量信号经隔离后由于输出电流很小而不能直接用于驱动继电器，因此必须采用功率放大器件来增强信号的驱动能力，单路开关量输出信号可以采用图2所示的电路。图中继电器线圈有两引脚，当三极管G未导通时，两引脚两点的电势相同，均为+5V，信号输入IN为高电平时；三极管G导通，此时引脚1的电位为0.3V，两引脚两点的电位差为4.7V，继电器动作。二极管D0可以防止在三极管关断的一瞬间，继电器线圈两端过大的反相感应电势烧毁三极管。
通信控制器采用了西门子SPC3协议芯片。SPC3可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能，包括数据的成帧、发送、接收、差错处理、数据还原等。这样既可以加速通信协议的执行，也可以减少接口模板微处理器中的软件程序。
SPC3协议芯片输出通过RS-485接口电路与PROFIBUS-DP总线进行通讯。在该电路中两片光电隔离芯片HCPL0721，用于12M波特率高速通信信号的隔离；SN75176芯片作为RS485通信的驱动。
在RS485通信驱动后，设计有相应的防雷击和抗干扰网络电路，在不影响原信号收、发的条件下，以保护接收和发送回路的元器件。
权利要求1.一种现场总线式智能开关量输出控制装置，由信号控制部分和信号处理部分所组成，其特征在于该装置包括主板部分的单片机(1)、地址译码电路(2)、协议接口电路(3)、地址锁存电路(4)、设站地址电路(5)、片外扩展电路(6)、看门狗电路(8)；功能子板部分的输出锁存电路(7)、光电隔离电路(9)、继电器输出电路(10-1～10-16)；其中，单片机(1)分别与地址译码电路(2)、协议接口电路(3)、地址锁存电路(4)、设站地址电路(5)、片外扩展电路(6)、输出锁存电路(7)、看门狗电路(8)相接，协议接口电路(3)接现场总线，输出锁存电路(7)的输出端接光电隔离电路(9)，光电隔离电路(9)的输出端分别接继电器输出电路(10-1～10-16)。
2.根据权利要求1所述的现场总线式智能开关量输出控制装置，其特征在于单片机(1)中的中心处理器芯片(CPU)的“P24、P25、P26、P27”端分别与地址译码电路(2)中译码器(U2)的“A、B、C、G2A”端相接；中心处理器芯片(CPU)的“P20、P21、P22”端分别与协议接口电路(3)中协议芯片(U1)的“A0、A1、A2”端相接；中心处理器芯片(CPU)的“P00～P07”端分别与地址锁存电路(4)中的锁存器(U3)的“1D～8D”端、设站地址电路(5)中的开关电路(U9)的“1Y1～1Y4、2Y1～2Y4”端、片外扩展电路(6)中的扩展电路(U4)的“DQ0～DQ7”端、输出锁存电路(7)中的锁存电路(U11、U13)“1Q～8Q”端相接；中心处理器芯片(CPU)的“RESET”端与看门狗电路(8)中的放大器(U13F)的输出端相接。
3.根据权利要求1所述的现场总线式智能开关量输出控制装置，其特征在于继电器输出电路(10-1～10-16)中的16路是相同的，每一路均由晶体管(G)、电阻(R0)、继电器线圈(JX)、二极管(D0)所组成，电阻(R0)的“IN”端接输入信号，电阻(R0)的另一端接晶体管(G)的基极，晶体管(G)的发射极接地，晶体管(G)的集电极与电源(VCC)之间并联接有继电器线圈(JX)和二极管(D0)。
专利摘要一种现场总线式智能开关量输出控制装置，该装置包括主板部分的单片机(1)、地址译码电路(2)、协议接口电路(3)、地址锁存电路(4)、设站地址电路(5)、片外扩展电路(6)、看门狗电路(8)；功能子板部分的输出锁存电路(7)、光电隔离电路(9)、继电器输出电路(10－1～10－16)；单片机分别与地址译码电路、协议接口电路、地址锁存电路、设站地址电路、片外扩展电路、输出锁存电路、看门狗电路相接，协议接口电路接现场总线，输出锁存电路的输出端接光电隔离电路，光电隔离电路的输出端分别接继电器输出电路(10－1～10－16)。
文档编号G06F13/42GK2718696SQ20042007840
公开日2005年8月17日 申请日期2004年8月6日 优先权日2004年8月6日
发明者方彦军, 孙冀 申请人:南京师范大学