具有在线诊断功能的DCS总线交换装置的制作方法

本实用新型涉及工业自动化控制领域，尤其涉及具有在线诊断功能的DCS总线交换装置。

背景技术：

Powerlink是目前工业控制中最为广泛的局域网通讯技术之一。广泛应用于制造业自动化、运动控制、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。Powerlink是一种用于自动化车间集监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。

DCS控制系统采用物理层基于RS-485的Powerlink总线设计，常规的RS485总线缺乏数据交换单元，在DCS系统规模较大且随着从站节点个数的增多，硬件芯片物理层无法实现对超过32个负载节点的管理；且基于Powerlink总线(物理层属于RS-485)的DCS控制系统，无法对Powerlink通讯总线进行监控以及诊断，节点故障发生之后问题排查困难，降低了系统的可维护性。所以，在DCS的现场工程应用场合迫切需要对每一个支路的Powerlink总线运行状态进行监控以及诊断，确保总线状态运行正常。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种具有在线诊断功能的DCS总线交换装置，旨在解决Powerlink现场总线数据交换单元数据传输的在线诊断以及大量设备间数据交换问题，使得整个DCS控制系统扩展性以及可靠性大幅提升。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

具有在线诊断功能的DCS总线交换装置，包括MCU微控制芯片、FPGA可编程逻辑芯片及供电系统，所述MCU微控制芯片与所述FPGA可编程逻辑芯片通信连接，采集来自所述FPGA可编程逻辑芯片的数据，所述FPGA可编程逻辑芯片通过RS-485通信接口芯片连接I/O模块及主控制器，所述RS-485通信接口芯片包括1至6路实现与所述I/O模块通信的支路RS-485通信接口芯片及路实现与所述MCU微控制芯片通信的主路RS-485通信接口芯片。

通过采用上述技术方案，PGA可编程逻辑芯片实现各个通讯链路的RS-485总线数据的转发，同时FPGA可编程逻辑芯片记录各个RS-485支路的状态供MCU微控制芯片读取，MCU微控制芯片、FPGA可编程逻辑芯片及各RS-485通信接口芯片组成Powerlink HUB，Powerlink HUB作为一个DCS中的一个节点，通过Powerlink总线（RS-485物理层）将诊断信息通过状态机的形式上传给主控制器，从而解决Powerlink现场总线数据交换单元间数据传输的在线诊断以及设备间数据交换问题，使得整个DCS控制系统扩展性以及可靠性大幅提升。

在一些实施方式中，至少一路所述支路RS-485通信接口芯片连接隔离电路。

通过采用上述技术方案，与支路RS-485通信接口芯片连接的隔离电路在该支路发生故障时能够及时切断故障通路的数据传输，保证其他支路的正常工作。

在一些实施方式中，所述供电系统包括降压芯片，所述降压芯片的输入电压为24V，输出电压为5V，所述供电系统的5V电压输出端连接隔离电路的电源输入端。

通过采用上述技术方案，隔离电路的输入电压及输出电压均为5V，供电系统为隔离电路提供所需电压，无需另外设置供电系统，简化了装置的整体结构。

在一些实施方式中，所述供电系统的5V输出电压降压至3.3V后为所述MCU微控制芯片供电。

通过采用上述技术方案，MCU微控制芯片的工作电压为3.3V，供电系统为MCU微控制芯片提供所需电压，无需另外设置供电系统，简化了装置的整体结构。

在一些实施方式中，所述供电系统的5V输出电压降压至1.2V后为所述FPGA可编程逻辑芯片。

通过采用上述技术方案，FPGA可编程逻辑芯片的工作电压为1.2V，供电系统为FPGA可编程逻辑芯片提供所需电压，无需另外设置供电系统，简化了装置的整体结构。

在一些实施方式中，所述FPGA可编程逻辑芯片还连接有预留RS-485通信接口芯片。

通过采用上述技术方案，实现了本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置间的级联，从而拓宽了使用范围。

在一些实施方式中，所述预留RS-485通信接口芯片连接有所述隔离电路。

通过采用上述技术方案，在级联的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中出现一组装置故障时，能够及时切断故障通路的数据传输，以防止错误输出的传输。

在一些实施方式中，所述MCU微控制芯片连接LED面板指示灯，所述LED面板指示灯显示每路的节点通讯状态。

通过采用上述技术方案，实现了对各支路状态进行诊断以及监控，在各支路出现故障时方便现场维护人员排查问题。

在一些实施方式中，所述MCU微控制芯片与所述FPGA可编程逻辑芯片之间的数据交换接口采用SPI接口结合UART接口或采用并行总线接口。

通过采用上述技术方案，实现了MCU微控制芯片实时读取FPGA可编程逻辑芯片内部的诊断数据。

在一些实施方式中，所述MCU微控制芯片连接地址拨码开关。

通过采用上述技术方案，确定了实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置的唯一地址。

综上所述，本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置具有以下有益效果：

1.通过采用MCU微控制芯片加FPGA可编程逻辑芯片的方式提供了Powerlink节点与节点之间数据交换的通路，从而为工厂现场设备智能化提供了可行的解决方案，同时，实现了Powerlink现场总线数据交换单元间数据传输的在线诊断；

2.通过在RS-485通信接口芯片上连接隔离电路，在某一支路发生故障时能够及时切断故障通路的数据传输，保证其他支路的正常工作。

附图说明

图1为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置的结构框架图。

图2为应用本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置的总线网络连接层次图。

图3为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中RS-485通信接口芯片的电路图。

图4为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中RS-485通信接口芯片与隔离电路的电路连接图。

图5为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中供电系统的电路图。

图6为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中MCU微控制芯片的供电电路图。

图7为本实用新型提供的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置中FPGA可编程逻辑芯片的内核供电电路图。

附图标记：1、MCU微控制芯片；2、FPGA可编程逻辑芯片；3、供电系统；31、降压芯片；311、浪涌保护、滤波、储能电路；312、储能、反馈滤波及输出过压保护电路；4、RS-485通信接口芯片；41、支路RS-485通信接口芯片；42、主路RS-485通信接口芯片；421、缓冲驱动及滤波电路；422、RS-485工作电路；43、预留RS-485通信接口芯片；5、I/O模块；6、主控制器；7、隔离电路；71、隔离电源；8、LED面板指示灯；9、地址拨码开关。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型实施例的技术方案进行详细描述。

如图1和图2所示，本实用新型披露的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置包括相互通信连接的MCU微控制芯片1及FPGA可编程逻辑芯片2，以及为MCU微控制芯片1及FPGA可编程逻辑芯片2供电的供电系统3。MCU微控制芯片1连接8位地址拨码开关9，以确定该具有在线诊断功能的DCS总线交换装置的唯一地址；FPGA可编程逻辑芯片2通过多路支路RS-485通信接口芯片41连接I/O模块5，同时通过1路主路RS-485通信接口芯片42连接主控制器6。FPGA可编程逻辑芯片2实现各个通讯链路的RS-485总线数据的转发，同时FPGA可编程逻辑芯片2记录各个RS-485支路的状态供MCU微控制芯片1读取，MCU微控制芯片1、FPGA可编程逻辑芯片2及各RS-485通信接口芯片4组成Powerlink HUB，Powerlink HUB作为一个DCS中的一个节点，通过Powerlink总线（RS-485物理层）将诊断信息通过状态机的形式上传给主控制器6。Powerlink HUB提供了Powerlink节点与节点之间数据交换的通路，同时实现对每一个支路的Powerlink总线运行状态进行监控以及诊断，从而为工厂现场设备的智能化提供了可行的解决方案。

MCU微控制芯片1与FPGA可编程逻辑芯片2之间的数据交换接口采用SPI接口结合UART接口或采用并行总线接口均可，MCU微控制芯片1用于采集来自FPGA可编程逻辑芯片2的数据，如图1所示，在本实用新型此实施方式中，MCU微控制芯片1与FPGA可编程逻辑芯片2之间通过高速SPI接口及UART接口实现通信，MCU微控制芯片1为SPI_master, FPGA可编程逻辑芯片2为SPI_slaver，MCU微控制芯片1实时读取FPGA可编程逻辑芯片2内部的诊断数据，FPGA可编程逻辑芯片2以寄存器列表的形式提供给MCU微控制芯片1诊断数据。

如图1和图2所示，上述技术方案披露的具有在线诊断功能的DCS总线交换装置连接6路支路RS-485通信接口芯片41以连接I/O模块5。如图3所示，RS-485通信接口芯片41电路包括连接于RS-485通信接口芯片41引脚1、引脚2、引脚3、引脚4之间的缓冲驱动及滤波电路421，RS-485通信接口芯片41引脚5、引脚6、引脚7、引脚8之间的RS-485工作电路422，通过该具有在线诊断功能的DCS总线交换装置之后，将Powerlink总线（物理层RS-485）转换成带有6路分支的星型结构，每个分支可挂接32个通讯负载节点，简化了总线的布局和连线。

如图1和图4所示，为了在某一支路发生故障时切断故障通路的数据传输，6路支路RS-485通信接口芯片41中其中2路连接隔离电路7，因此，当连接有隔离电路7的支路RS-485通信接口芯片41连接之路发生故障时，隔离电路7自动切断改路支路的信号，从而保证其他支路的正常工作，实现了故障隔离。

为了实现对各支路状态进行诊断以及监控，在各支路出现故障时方便现场维护人员排查问题，如图1所示，MCU微控制芯片1连接LED面板指示灯8，LED面板指示灯8设有与支路数量相同的指示灯，且每个指示灯分别与各支路相连，显示每路的节点通讯状态，当指示灯闪烁时，表示对应支路处于正常工作状态，当指示灯闪烁常亮时，表示对应支路发生故障，当指示灯不亮时，表示对应支路处于短路状态。

如图1所示，在FPGA可编程逻辑芯片2上还连接有1路预留RS-485通信接口芯片43，以实现Powerlink HUB之间的级联，从而拓宽了使用范围。为了实现在相互串联的Powerlink HUB中其中一组装置发生故障时能够及时切断数据传输，预留RS-485通信接口芯片43同样也连接有上述隔离电路7。

如图1和图5所示，供电系统3包括降压芯片31，降压芯片31的输入端连接浪涌保护、滤波、储能电路311，输出端连接储能、反馈滤波及输出过压保护电路312，供电系统3的输入电压为24V，输出电压为5V，如图4所示，5V的输出电压为上述隔离电路7的隔离电源71供电，如图6和图7所示，同时供电系统3为MCU微控制芯片1及FPGA可编程逻辑芯片2供电，如图6所示，供电系统3的5V输出电压降压至3.3V后为MCU微控制芯片1供电，如图7所示，供电系统3的5V输出电压降压至1.2V后为FPGA可编程逻辑芯片2。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。