专利名称：信号总线控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种自动控制系统技术，特别是采用信号总线传递系统中各种信号的技术。
现有的控制系统大多是以基带信号的方式传递信号，每一个信号占用一路导线，众多的电缆导线并排铺设，对于一个大系统，控制点很多，需传送的信号可达成百上千，甚至还要多，由于导线的利用率低，使得系统的硬件电路十分庞大，在设计、安装、调试和维修等方面都有许多不便之处，系统的制造成本和使用成本都很高。采用计算机分级控制或分布控制的方法，将一个大系统划分为若干个子系统，每一个子系统由一台相对小型化的计算机控制，再加上位机联网，这种方法可使控制系统的软件得到很大程度的简化，但是系统的硬件电路依然很庞大，而且各计算机的性能不能得到充分发挥。
本发明的任务是提供一种利用信号总线传递信号的控制系统，计算机通过信号总线从生产过程中采集数据，处理后再由信号总线将控制指令送入生产过程。
本发明是以如下方式完成的在信号的发送端，采用具有调制功能的专用电路板，使不同的信号对不同频率的载波进行调制，或调幅、或调频、或调相，已调波送入信号总线;在信号的接收端，采用具有解调功能的专用电路板，将具有特定频率的已调信号从信号总线中取出并恢复，称这些具有调制或解调功能的专用电路板为ZIO接口板，以区别通常使用的计算机的各种I/O接口板由于可使已调信号的带宽远小于信号总线所具有的带宽，采用频分多路复用技术，使每个信号占据信号总线中一个特定的频率位置，各信号在信号总线中互不重叠，互不干扰地并排传送。
信号总线控制系统由信号总线、动力总线、控制柜、配电柜、本机开关柜、ZIO接口电路板等部分组成。一条或数条信号总线与一条或数条动力总线平行铺设，系统中所有控制器件，如计算机、手动开关等均集中装入一个或数个控制柜中，显示元件可装入控制柜中，也可装入一个单独的柜中。配电柜提供系统中各种元件所需电力。生产过程中各种执行元件和检测元件均通过各自就近配置的本机开关柜或本机开关盒，并联在信号总线和动力总线上，从动力总线上获得动力，并与信号总线交换信息，信号总线通过具有调制或解调功能的ZIO接口电路板传递系统中各种信号。这种两线三柜式系统布局方法使系统的全部控制功能由控制柜、配电柜、本机开关柜分别承担，每一个柜都十分简单，尤其是本机开关柜，如控制一台电动机的启停，本机开关柜中仅需装入相应的ZIO接口电路板、中间继电控制器件及安全保护器件等;而且可根据不同的使用场合，不同的功率负载使本机开关标准化、系列化、以便于使用。控制柜十分轻巧简单，可置于系统的任何地点，也可远离现场。配电柜可置于系统的任何地点，而且可采用分散配电的方式，即由总配电柜向二级配电柜配电，再从二级配电柜向生产过程送电。本机开关柜置于工作现场，以尽量减少和缩短生产过程中各种元件与各自所配的本机开关柜之间的电缆导线，因为这些电缆导线往往具有较大的线径。这样便取消了通常的控制系统中由配电柜、主控制柜、中间控制柜所组成的庞大而复杂的控制柜组，并减少了许多中间继电环节，平行铺设的信号总线和动力总线取代了从控制柜组到工作现场之间大量的电缆导线和线路辅助器材，系统简单明了，易于设计、安装、制造成本大大减少，而且系统具有很强的灵活性，易于更改，如当系统需要扩展时，只需将新增元件所配置的本机开关柜接入最近的信号总线和最近的动力总线即可，而不必重新铺设电缆导线。
附
图1是本发明的系统布置图。
附图2是本发明的D/f接口板电路框图。
附图3是本发明的f/D接口板电路框图。
附图4是本发明的A/f接口板电路框图。
附图5是本发明的f/A接口板电路框图。
本发明的实施例结合附图进行详细说明。
参见附图1所述，由信号总线1、动力总线2、ZIO接口电路板3、配电柜4、本机柜5、计算机6、显示元件7、控制柜8等构成的信号总线控制系统，是将一条或数条信号总线1与一条或数条动力总线2平行铺设，信号总线1通过具有调制或解调功能的ZIO接口电路板3传递系统中各种信号，ZIO接口电路板3有串行PZIO和并行SZIO两大类。不同的信号以不同频率的已调波信号形式占据信号总线上相应的频率位置，并采用频分多路复用技术，使众多的信号在信号总线1上同时并排地传送。系统中所有控制器件，如计算机6、手动开关、显示元件7等均集中装入一个或数个控制柜8中，控制柜8与配电柜4挂接在动力总线2和信号总线1上。配电柜通过动力总线向系统提供不同等级的动力，控制柜从信号总线上进行数据采集，控制指令也通过信号总线送往现场。生产过程9中的各种执行器件、检测元件等均通过各自就近配置的本机柜5并接在信号总线1和动力总线2上，从动力总线上获得动力，并与信号总线交换信息。根据系统的控制功能，可将系统划分成若干个具有明确控制功能、相对独立的数据群，由一台计算机处理一个或若干个数据群，一台或若干台计算机组成计算机集，完成对系统全部数据群的直接数字控制。计算机集内的计算机可以是相互独立的，也可由主、从之分，或由CRT完成对计算机集的集中监控，并与上位机联网。计算机集可装在一个控制柜中，也可分散地置于若干个控制柜中，由数据总线或是信号总线联网。在群集系统中，数据总线提供计算机集内各计算机之间的数据通讯，信号总线提供计算机集与外部生产过程之间的信息交换。群集系统属于计算机分级控制的一种，与其它的分级控制如集散系统相比具有很大的灵活性。数据群的建立完全是由系统自身的特点所决定，以软件的形成固定，计算机集内各计算机的任务也是由软件决定，建立和调整都十分方便，只需规定各计算机所执行的控制程序和配备适当的ZIO接口电路板即可。根据所选用计算机的功能和数据群的特点，使两者合理地组合，达到最优设计，可充分发挥每台计算机的作用，用最少的计算机，最低的制造成本，达到最佳控制效果。
建立了数据群和计算机集之后，各计算机便通过各自的ZIO接口电路板从信号总线上进行数据采集，控制指令也通过ZIO接口电路由信号总线送往生产过程，ZIO接口电路负责信号的正确接收与发送，也就是说负责数据群与计算机集的正确建立。生产过程中各本机开关柜中的ZIO接口电路板将控制指令信号从信号总线中取出，或将检测信号送入信号总线传送。信号在信号总线中是以特定频率已调波的形式出现，ZIO接口电路板具有频率特性，能将信号总线上众多不同频率的信号中符合其频率特性的信号选出，或将信号以特定频率的已调波的形式送入信号总线。因此ZIO接口电路板是以区分频率的方式区分信号。
信号有两种形式，数字量信号和模拟量信号，数字量信号又有串行信号和并行信号两种情况，串行信号多用于数字通讯，并行信号多用于计算机与外部过程的开关量信号传递。由于数字量信号只有高电平和低电平两种状态，即只有“1”码和“0”码，因此可用某一具有单一特定频率的等幅正弦波信号的有无来传送一个并行的数字量信号。即当信号总线中出现某一频率的信号时，表示该信号此刻为1码，反之为O码。模拟量信号由于在任何一时刻取值时有无限个可能值，有时还可能是双极性的，因此不能仅用上述方法传送，而应采用振幅调制、频率调制或相位调制的方法传送模拟量信号，也可将模拟量信号转换成串行数字量信号后再调制载波，然后送入信号总线传送。振幅调制电路简单，易于实现，且对于大多数场合来说具有足够的精度和抗干扰能力，尤其适用于缓慢变化的非周期信号。用等幅正弦波信号的有无传送并行数字量信号也属于振幅调制。角度调制即频率调制和相位调制较振幅调制具有更高的抗干扰能力，但电路复杂一些，已调信号占用频宽也更大，适用于实时控制快速系统。采用串行数字量信号方式传送模拟量信号，信号可以得到高质量传送，但电路更为复杂，对于一些周期性变化的信号，由于其信号本身就是数字量，因此采用串行数字量方式传送是很合适的。
ZIO接口板有两大类1.并行PZIO接口板，用于处理并行开关量信号和模拟量信号。2.串行SZIO接口板，用于处理串行数字量信号，如数字通信和模拟量信号传送。
PZIO接口板有4种基本形式，1)开关量信号输出接口板，简称D/f接口板，完成对开关量信号的调制工作，即完成从开关量信号D到已调信号f的转换。2)开关量信号输入接口板，简称f/D接口板，完成对已调开关量信号的解调工作，即完成从已调信号f到开关量信号D的转换。3)模拟量信号输出接口板，简称A/f接口板，完成对模拟量信号的调制工作，即完成从模拟量信号A到已调信号f的转换。4)模拟量信号输入接口板，简称f/A接口板，完成对已调模拟量信号的解调工作，即完成从已调信号f到模拟量信号A的转换。各PZIO接口板可采用振幅调制、或频率调制、或相位调制。SZIO接口板有2种基本形式1)具有调制功能的串行D/f接口板;2)具有解调功能的串行f/D接口板;SZIO接口板可采用振幅键控、或频率键控、或相位键控。
下面结合附图2到附图5对几种典型的ZIO接口板加以说明。
四种接口板均以振幅调制为例。
如图2所示，D/f接口板主要由以下几个基本电路组成转换电路15、逻辑开关14、振荡器13、放大电路12、耦合电路11及标准电源电路10。其工作原理是转换电路将各种控制信号电平TTL、AC220V、DC24V等放大或衰减成一个标准的直流驱动电平用于驱动逻辑开关，正弦波振荡器产生一个频率可预先设定的正弦波载波信号，当传送1码时，驱动电平处于高电位，逻辑开关打开，载波信号便送入放大电路放大，然后由耦合电路送入信号总线;当传送O码时，驱动电平处于低电位，逻辑开关关闭，载波信号不能送去放大，耦合电路没有信号输出。标准电源电路提供接口板一个标准电源，这个标准电源各种接口板应是统一的。由于开关量信号作用时间很长，因此信号中的交流分量均可认为是干扰信号，应滤除。采用光电隔离开关做逻辑开关，可使已调信号的频率等于载波频率，这样便将开关量信号搬迁到一个单一频率的等幅正弦波已调信号上去了。
如图3所示，f/D接口板主要由以下几个基本电路组成耦合电路17、选频电路18、放大电路19、检波电路20、逻辑开关21、转换电路22、标准电源电路16。其工作原理是耦合电路将信号从信号总线中取出，选频电路将其中符合其频率特征的信号选出，放大后检波，得到标准的直流驱动电平，接收到1码时，驱动电平处于高电位，逻辑开关打开，通过转换电路得到所需的控制信号电平输出;O码时，驱动电平处于低电位，逻辑开关关闭，接口板没有控制信号输出。
如图4所示，振幅调制式A/f接口板主要由以下几个基本电路组成转换电路27、自激振荡调制电路26、放大电路25、耦合电路24、标准电源电路23。其工作原理是转换电路将各种模拟量信号电平范围如0～10mA、4～20mA、1～5V等以及各种传感器的微弱直流信号放大或衰减成一个标准的直流信号电平范围，自激振荡调制电路的特点是其输出的正弦波载波信号的振幅受输入的直流信号电平大小的控制，这样便得到频率预先设定、幅值随模拟量信号大小变化的已调信号，经放大后由耦合电路送入信号总线。A/f接口板用于调制微弱直流信号时具有二次仪表的功能，可直接完成对信号的调理工作。振幅调制式A/f接口板适用于调制变化较慢的非周期模拟量信号，对于这些信号，其中的交流分量均可以认为是干扰信号，应尽量滤去，使得已调信号频率等于载波频率，不含边频带，以减小已调信号占用信道带宽。因此，模拟量信号便由一个单一频率的不等幅正弦波已调信号来传送。
如图5所示，振幅调制式f/A接口板主要由以下几个基本电路组成耦合电路29、选频电路30、放大电路31、检波电路32、转换电路33、标准电源电路28。其电路结构和工作原理与f/D接口板大致相似，区别在于放大检波后，信号恢复成标准的直流电平范围。
从以上的分析中可以看出，采用振幅调制的方法调制载波，无论是模拟量还是开关量信号，在信号总线中均是以特定单一频率的正弦波的形式出现。信号总线的带宽得以最大程度的利用。但是，并不是所有场合都适合采用振幅调制，如信号传送距离较远，正弦波已调信号会产生较大衰减，使模拟量信号失真，在这种情况下采用角度调制就有很大优势。
在控制系统中往往还需传送串行数字量信号，这就要采用串行SZIO接口板。按数字通信理论，对串行数字量调制可分为振幅键控、频率键控、相位键控三种方式，与PZIO接口板相比，SZIO接口板电路复杂，需增加整形电路。判别电路、移位寄存器、计数器等，此外，还需提供一个异频脉冲，以协调信号传接，使电路进一步复杂。但是对于一些周期性的信号如频率信号，采用串行数字量方式由于SZIO接口板可取代二次仪表、A/D转换器、D/A转换器等，其优势也是明显的，且其传送精度很高。采用SZIO接口板，还使得计算机可以利用信号总线进行数据传送，对于计算机输出的单极性非归零脉冲序列，采用振幅键控方式的串行D/f和串行f/D接口板，电路较为简单，占用信道频宽也小，但传动速率不适太高，适用与低、中速数据传送。
ZIO接口板均是由一些基本电路单元组成的，不同的使用场合，基本电路的内部结构和电路参数是不同的，可将这些基本电路标准化，系列化，使用时是很方便的。为了配合计算机可制成多路PZIO接口板和多路SZIO接口板，即一块多路板可同时容纳多路信号，如8路、12路、16路等，也可制成双向多路板，即一块多路板可处理输入、输出两个方向的信号，但一块多路板上某些基本电路各路信号可共用。外部过程中各元件可采用单路板，即一块接口板上只容纳一路信号，要么输入、要么输出。ZIO接口板与计算机配合有二种方式一是做为原有各种I/O接口的子模板;另一种方式是通过扩展，可取代I/O接口板直接成为CPU的输入、输出通道，在这种情况下应考虑与计算机内部总线的兼容问题，如PC总线，STD总线等。
要使一个信号得到正确传接，信号的发送端如D/f、A/f接口板和信号的接收端如f/D、f/A接口板必须工作在同一个频率范围内。各接口板的工作频率由振荡器和选频放大器中的谐振电路决定，即两者的谐振电路必须有相同的工作频率，可采用调谐的方法选择信号，但对一个大的系统来说，信号很多，一个一个地调显然是极不方便的，也很容易出现错误，将谐振电路或谐振放大电路从各接口板上分离出来，做成标准的独立器件，称为谐振接插件，从而使接口板自身不具有频率选择性。某一工作频率的谐振接插件插入D/f或A/f接口板，产生载波，同时又插入f/D或f/A接口板，选择信号，于是很方便地建立了一条信号通路。谐振接插件的工作频率是预先固定的，并遵循一个标准的频率系列。这个频率系列将整个信道的频宽划分为数量众多的信号通路，每条通路可传送至少一路信号，通过选择谐振接插件的工作频率以选择信号占用的通路，在这条通路上，信号得以准确无误，不受干扰地传送。谐振电路的主要种类有LC谐振电路、RC谐振电路、石英晶体谐振器、压电陶瓷、声表面波器件等。谐振接插件要求谐振电路具有频率稳定度高、品质因数大的特点，石英晶体谐振器、压电陶瓷、声表面波器件均能满足要求，尤其以石英晶体谐振器为最好。
权利要求
1.一种由信号总线(1)、动力总线(2)、ZIO接口电路板(3)、配电柜(4)、本机柜(5)、计算机(6)、显示器(7)、控制柜(8)等构成的信号总线控制系统，其特征在于一条或数条信号总线(1)与一条或数条动力总线(2)平行铺设，信号总线(1)通过具有调制或解调功能的ZIO接口电路板(3)传递系统中各种信号，ZIO接口电路板(3)有串行PZIO和并行SZIO两大类，不同的信号以不同频率的已调波信号形式占据信号总线上相应的频率位置，并采用频分多路复用技术，使众多的信号在信号总线(1)上同时并排地传送；系统中所有控制器件，如计算机(6)、手动开关、显示元件(7)等均集中装入一个或数个控制柜(8)中，控制柜(8)与配电柜(4)挂接在动力总线(2)和信号总线(1)上；配电柜通过动力总线向系统提供不同等级的动力，控制柜从信号总线上进行数据采集，控制指令也通过信号总线送往现场；生产过程(9)中的各种执行器件、检测元件等均通过各自就近配置的本机柜(5)并接在信号总线(1)和动力总线(2)上，从动力总线上获得动力，并与信号总线交换信息。
2.根据权利要求1所述的信号总线控制系统，其特征在于根据系统的控制功能，可将系统划分成若干个具有明确控制功能、相对独立的数据群，由一台计算机处理一个若干个数据群，一台或若干台计算机组成计算机集，完成对系统全部数据群的直接数字控制;计算机集内的计算机可以是相互独立的，也可由主、从之分，或由CRT完成对计算机集的集中监控，并与上位机联网。计算机集可装在一个控制柜中，也可分散地置于若干个控制柜中，由数据总线或是信号总线联网;在群集系统中，数据总线提供计算机集内各计算机之间的数据通讯，信号总线提供计算机集与外部生产过程之间的信息交换。
3.根据权利要求1或2所述的信号总线控制系统，其特征在于PZIO接口板有4种基本形式，1)开关量信号输出接口板，简称D/f接口板，完成对开关量信号的调制工作，2)开关量信号输入接口板，简称f/D接口板，完成对已调开关量信号的解调工作，3)模拟量信号输出接口板，简称A/f接口板，完成对模拟量信号的调制工作，4)模拟量信号输入接口板，简称f/A接口板，完成对已调模拟量信号的解调工作;各PZIO接口板可采用振幅调制、或频率调制、或相位调制。
4.根据权利要求1或2所述的信号总线控制系统，其特征在于SZIO接口板有二种基本形式，1)具有调制功能的串行D/f接口板;2)具有解调功能的串行f/D接口板;SZIO接口板可采用振幅键控、或频率键控、或相位键控。
5.根据权利要求3所述的信号总线控制系统，其特征在于D/f接口板主要由以下几个基本电路组成转换电路(15)、逻辑开关(14)、振荡器(13)、放大电路(12)、耦合电路(11)及标准电源电路(10);f/D接口板主要由以下几个基本电路组成耦合电路(17)、选频电路(18)、放大电路(19)、检波电路(20)、逻辑开关(21)、转换电路(22)、标准电源电路(16);振幅调制式A/f接口板主要由以下几个基本电路组成转换电路(27)、自激振荡调制电路(26)、放大电路(25)、耦合电路(24)、标准电源电路(23);振幅调制式f/A接口板主要由以下几个基本电路组成耦合电路(29)、选频电路(30)、放大电路(31)、检波电路(32)、转换电路(33)、标准电源电路(28)。
6.根据权利要求3所述的信号总线控制系统，其特征在于将各种ZIO接口板上的谐振电路制成标准的独立器件，称为谐振接插件，谐振接插件的工作频率按一个标准频率系列预先固定，谐振接插件可由RC谐振电路、LC谐振电路、压电陶瓷、石英晶体谐振器、声表面波器件等制作。
7.根据权利要求4所述的信号总线控制系统，其特征在于将各种ZIO接口板上的谐振电路制成标准的独立器件，称为谐振接插件，谐振接插件的工作频率按一个标准频率系列预先固定，谐振接插件可由RC谐振电路、LC谐振电路、压电陶瓷、石英晶体谐振器、声表面波器件等制作。
8.根据权利要求5所述的信号总线控制系统，其特征在于将各种ZIO接口板上的谐振电路制成标准的独立器件，称为谐振接插件，谐振接插件的工作频率按一个标准频率系列预先固定，谐振接插件可由RC谐振电路、LC谐振电路、压电陶瓷、石英晶体谐振器、声表面波器件等制作。
9.根据权利要求1或2所述的信号总线控制系统，其特征在于ZIO接口板与计算机配合有二种方式一是做成原有各种I/O接口的子模板，另一是通过扩展取代I/O接口板直接成为CPU的输入、输出通道;且可将ZIO接口板制作成1)单路接口板，即一块接口板上只容纳一路信号，要么输入、要么输出;2)多路接口板，即一块多路板可同时容纳多路信号;3)双向多路板，即一块多路板可处理输入、输出两个方向的信号。
全文摘要
一种信号总线控制系统，是将一条或数条信号总线(1)与一条或数条动力总线(2)平行铺设，装有计算机(6)和显示元件(7)的控制柜(8)和配电柜(4)挂接在信号总线和动力总线上，生产过程(9)的各状态信号通过就近配置的本机柜(5)并接在信号总线和动力总线上，信号总线通过具有调制或解调功能的ZIO接口电路板(3)传递系统中各种信号，不同的信号以不同频率的已调波信号形式占据信号总线上相应的频率位置，并采用频分多路复用技术，使众多的信号在信号总线上同时并排地传送。
文档编号G06F9/00GK1111374SQ94111320
公开日1995年11月8日 申请日期1994年5月3日 优先权日1994年5月3日
发明者卓卫民 申请人:卓卫民