專利名稱：具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有短路保護(hù)與自 診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出1/0裝置。
背景技術(shù)：
目前，為了進(jìn)行設(shè)備之間的通信，傳統(tǒng)的輸入/輸出i/o裝置需要通過
導(dǎo)線將設(shè)備外部端點與控制器端點一對一連接，這種硬接線的連接方式需 要耗費大量的精力進(jìn)行現(xiàn)場組裝與調(diào)試，且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度會增加大 量的硬接線成本。
上述傳統(tǒng)的輸入/輸出i/o裝置不具備任何保護(hù)與診斷功能，例如，在 接口電源發(fā)生短路的情況下不具有及時斷開電源的功能，且無法提供任何 保護(hù)和診斷的信息，于是一旦i/o裝置出現(xiàn)故障，維護(hù)人員需要逐一對1/0
裝置中各個部件進(jìn)行故障檢測，大大影響維護(hù)人員對故障排查的效率，增 加了故障排查的難度。
DeviceNet現(xiàn)場總線作為 一種低成本的通信總線，它將工業(yè)設(shè)備連接到 網(wǎng)絡(luò)，從而消除了昂貴的硬接線成本。直接互連性改善了設(shè)備間的通信， 同時又提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級診斷功能，這是通過現(xiàn)有硬接線輸入/輸出 1/0裝置的I/O接口 4M,實現(xiàn)的。
此外，DeviceNet是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，它在提供多供貨商同類 部件間的互換性的同時，減少了硬接線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成本和時 間。DeviceNet是一種開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)范和協(xié)議都是開放的。供貨商 將設(shè)備連接到系統(tǒng)時無需硬件、軟件或授權(quán)付費。任何對DeviceNet感興趣 的人或組織都可以從DeviceNet供貨商協(xié)會(ODVA)獲得DeviceNet規(guī)范， 并可以加入ODVA,參加對DeviceNet規(guī)范進(jìn)行增補的技術(shù)工作組。
但是，目前還沒有出現(xiàn)一種具備本發(fā)明裝置特征的有短路保護(hù)與自診 斷功能Device Net現(xiàn)場總線的輸入和輸出I/0裝置，其具有短路保護(hù)與自診 斷功能，可以在接口電源發(fā)生短路的情況下及時斷開電源，避免因短路電 流而燒毀，并提供自診斷信息，方便維護(hù)人員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和排查。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的
DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出1/0裝置，其具有短路保護(hù)與自診斷功能， 可以在接口電源發(fā)生短路的情況下及時斷開電源，避免因短路電流而燒毀， 并提供自診斷信息，方便維護(hù)人員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和排查，當(dāng)短路故 障排除后裝置自動恢復(fù)正常工作，本發(fā)明具有重大的實際意義。
為此，本發(fā)明提供了一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn) 場總線輸入和輸出1/0裝置，包括
DeviceNet接口單元，用于與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通4言， 設(shè)置本節(jié)點的總線節(jié)點號MAC ID和通信波特率，以及采集和存儲來自輸 入輸出短路保護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；
輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元，用于與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 在輸入接口電路和/或輸出接口電路發(fā)生短路時，斷開電源給予短路保護(hù)， 當(dāng)短路故障排除后裝置自動恢復(fù)正常工作，并將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接 口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給DeviceNet接口單元。
優(yōu)選地，所述DeviceNet接口單元包括有
微處理器，用于向輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元采集和下發(fā)現(xiàn)場數(shù) 據(jù)，采集來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸出接口 狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)，接收撥碼開關(guān)電路所設(shè)置的本節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波 特率，控制模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈的狀態(tài)，初始化并與DeviceNet現(xiàn)場總線 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；
撥碼開關(guān)電路，與微處理器雙向連接，用于設(shè)置本節(jié)點的通信波特率 及總線節(jié)點號；
模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，與微處理器雙向連接，用于實時反映本節(jié)點的 工作狀態(tài)及通信狀態(tài)；
獨立式局域網(wǎng)CAN控制器，與微處理器雙向連接，用于接收DeviceNet 現(xiàn)場總線的才艮文并向DeviceNet現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN協(xié)議的才艮文；
CAN總線收發(fā)器，通過光耦與獨立式CAN控制器雙向連接，用于實 現(xiàn)獨立式局域網(wǎng)CAN控制器的電平與DeviceNet現(xiàn)場總線電平之間的轉(zhuǎn) 換，并與DeviceNet現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸；
數(shù)據(jù)擴展存儲器，與微處理器雙向連接，用于存儲微處理器中的通信數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，微處理器與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信具體為 所述微處理器接收來自DeviceNet現(xiàn)場總線的報文并進(jìn)行解析，以及將要 發(fā)送給DeviceNet現(xiàn)場總線的報文進(jìn)行打包，以符合DeviceNet協(xié)議少見范。
優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器所存儲的微處理器中的通信數(shù)據(jù)包括有 本節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波特率，以及微處理器向輸入輸出短路保護(hù)與 自診斷單元采集和下發(fā)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還有微處理器向DeviceNet現(xiàn)場總線 相交互的數(shù)據(jù)、來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸 出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元包括有
輸入接口電路，與微處理器雙向連接，用于為可接外圍通信對象的輸 入接口進(jìn)行供電，向微處理器提供輸入接口所輸入的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并在發(fā)生 短路時，斷開供電，而在短路故障排除后恢復(fù)供電；
輸出接口電路，與微處理器雙向連接，用于接收微處理器下發(fā)輸出的 現(xiàn)場數(shù)據(jù)給輸出接口，根據(jù)該輸出的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為可接外圍通信對象的輸 出接口進(jìn)行供電，并在發(fā)生短路時，斷開供電，而在短路故障排除后恢復(fù) 供電；
輸入狀態(tài)診斷電路，與微處理器雙向連接，用于診斷輸入接口電路是 否發(fā)生短路，在輸入接口電路發(fā)生短路時，輸出診斷短路信號給微處理器；
輸出狀態(tài)診斷電路，與微處理器雙向連接，用于診斷輸出接口電路是 否發(fā)生短路，在輸出接口電路發(fā)生短路時，輸出短路診斷信號給微處理器。
優(yōu)選地，所述輸入接口電路包括有功率開關(guān)芯片TS4141，該功率開關(guān) 芯片TS4141 —端接外部電源，其一端接輸入接口，所述輸入接口可接機 械開關(guān)或傳感器，所述輸入接口接光耦PC817,所述光耦PC817的輸出端 接三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的輸 出端接樣i處理器AT89S52。
優(yōu)選地，所述輸出接口電路包括有三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245， 所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的輸入端接微處理器AT89S52,其輸出 端接三極管Ql的基極，所述三極管Ql的發(fā)射極接地，所述三極管Ql的 集電極接光耦PC817，所述光耦PC817的輸出端接功率開關(guān)芯片TS4141， 該功率開關(guān)芯片TS4141 —端4妻外部電源，其一端接輸出4妄口，所述ilr出接口可接包括電磁閥、繼電器在內(nèi)的多種執(zhí)行器。
優(yōu)選地，所述輸入狀態(tài)診斷電路和輸出狀態(tài)診斷電路中包括有電壓 比較器LM339,所述電壓比較器LM339的負(fù)信號端接輸入接口電路或輸 出接口電路的電源正端，其正端電壓恒定，所述電壓比較器LM339的輸出 端接光耦PC817，所述光耦PC817的輸出端4妾三態(tài)雙向總線收發(fā)器 74LS245,所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的輸出端接;微處理器 AT89S52。
由以上本發(fā)明提供的技術(shù)方案可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供 了一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出I/O 裝置，其具有短路保護(hù)與自診斷功能，可以在接口電源發(fā)生短路的情況下 及時斷開電源，避免因短路電流而燒毀，并提供自診斷信息，方便維護(hù)人 員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和排查，當(dāng)短路故障排除后裝置自動恢復(fù)正常工作， 具有重大的實際意義。


圖1為本發(fā)明提供的一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn) 場總線輸入和輸出1/0裝置的總體結(jié)構(gòu)圖2為圖1中微處理器單片機與CAN控制器的接口電路圖3為CAN控制器、光耦和總線收發(fā)器之間的接口電路圖4為撥碼開關(guān)(設(shè)置節(jié)點MACID及通信波特率)的電路圖5為模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈的電路圖6輸入接口電路的電路圖7 l!r出4妻口電路的電if各圖8輸入狀態(tài)診斷電路的電路圖9輸出狀態(tài)診斷電路的電路圖10為數(shù)據(jù)擴屑_存儲器與微處理器之間的連接電路圖。
具體實施例方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實 施方式對本發(fā)明進(jìn)行說明。
圖1為本發(fā)明提供的一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn) 場總線輸入和輸出1/0裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。參見圖1,本發(fā)明提供了一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet 現(xiàn)場總線輸入和輸出1/0裝置，該裝置包括DeviceNet接口單元101和輸 入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102，其中
DeviceNet接口單元101,用于與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通 信，設(shè)置本發(fā)明裝置節(jié)點的總線節(jié)點號(MACID)(即本節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址) 和通信波特率，以及采集和存儲來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102 的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；
輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102,與DeviceNet接口單元101相 連接，用于與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(即輸入和輸出)，在輸入接口電 路和/或輸出接口電路發(fā)生短路時，斷開電源給予短路保護(hù)，當(dāng)短路故障排 除后裝置自動恢復(fù)正常工作，并將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù) 據(jù)傳送給DeviceNet接口單元101 。
在本發(fā)明中，所述DeviceNet接口單元101包括有
微處理器1011，用于向輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102采集和下 發(fā)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，采集來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102的輸入接口狀 態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)，接收撥碼開關(guān)電路1012所設(shè)置的本發(fā)明裝置 節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波特率，控制才莫塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈1013的狀態(tài)， 初始化并與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(即數(shù)據(jù)的4妻收和發(fā) 送)。
具體實現(xiàn)上，所述微處理器1011采集輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元 102中輸入接口電路的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，向其中的輸出接口電路下發(fā)現(xiàn)場數(shù)據(jù)； 此外，還采集來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102的輸入接口狀態(tài)和 輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；
微處理器1011與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信具體為所述 微處理器1011接收來自DeviceNet現(xiàn)場總線的報文并進(jìn)行解析，以及將要 發(fā)送給DeviceNet現(xiàn)場總線的報文進(jìn)行打包，以符合DeviceNet協(xié)議規(guī)范。
需要說明的是，按照DeviceNet協(xié)議規(guī)范，DeviceNet現(xiàn)場總線上傳輸 的報文分為報文頭和有效數(shù)據(jù)兩部分。因此，微控制器1011在接收到總線 報文后，需要將報文頭和有效數(shù)據(jù)拆解，從報文頭中判斷該報文的類型， 源節(jié)點地址等，而從有效數(shù)據(jù)中獲取所需要的具體數(shù)據(jù)，上述過程即為總 線報文的解析過程。同理，當(dāng)微控制器1011需要向DeviceNet現(xiàn)場總線傳輸其內(nèi)部的報文時，需要對該報文進(jìn)行封裝(即打包)，使該報文具備相關(guān) 的報文頭(該報文頭包含本節(jié)點或目標(biāo)節(jié)點地址、信息類型等)，然后再向
DeviceNet現(xiàn)場總線上發(fā)送。
需要說明的是，微處理器在初始上電后，所有參數(shù)的狀態(tài)都需要有一 個初始值，這樣才能在一個初始狀態(tài)下進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在孩i控制器開 始執(zhí)行時，需將相關(guān)參數(shù)如節(jié)點地址、主站地址、通信波特率、定時器初 始記數(shù)值、CAN控制寄存器初始值等參數(shù)寫入微控制器，只有這樣才能開 始運行。因此需要將所有默認(rèn)值通過賦值語句寫入到標(biāo)志這些狀態(tài)的專用 寄存器中，從而完成初始化。
撥碼開關(guān)電路1012，與微處理器1011雙向連接，用于設(shè)置本發(fā)明裝 置節(jié)點的通信波特率及總線節(jié)點號(即節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址)，參見圖4，為撥碼 開關(guān)電路的電路模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈1013，與微處理器雙向連接，用于實時反映本 發(fā)明裝置節(jié)點的工作狀態(tài)及通信狀態(tài)，參見圖5，圖5為模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指 示燈電路獨立式局域網(wǎng)(CAN)控制器1014,與孩i處理器1011雙向連接，用 于接收DeviceNet現(xiàn)場總線的報文并向DeviceNet現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN 協(xié)議的報文；按照CAN規(guī)范對來自DeviceNet現(xiàn)場總線的報文進(jìn)行判斷與 過濾，從而提高本發(fā)明1/0裝置的通信效率；參見圖2，圖2為微處理器 1011與獨立式局域網(wǎng)(CAN)控制器1014的接口電路圖。
CAN總線收發(fā)器1015，通過光耦與獨立式CAN控制器1014雙向連 接，用于實現(xiàn)獨立式局域網(wǎng)(CAN)控制器1014的電平與DeviceNet現(xiàn)場 總線電平之間的轉(zhuǎn)換，并與DeviceNet現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸；參 見圖3,圖3為CAN控制器、光耦和總線收發(fā)器之間的接口電路數(shù)據(jù)擴展存儲器1016，與微處理器1011雙向連接，用于存儲微處理 器1011中的通信數(shù)據(jù)；具體存儲有本發(fā)明裝置節(jié)點的總線節(jié)點號和通信 波特率，以及微處理器1011向輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102采集和 下發(fā)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還有微處理器1011向DeviceNet現(xiàn)場總線相交互的數(shù)據(jù)、 來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài) 診斷數(shù)據(jù)。參見圖10，圖10為數(shù)據(jù)擴展存儲器與微處理器之間的連接電 路圖。需要說明的是,在撥碼開關(guān)電路1012完成總線節(jié)點號及通信波特率的 設(shè)置后，通過數(shù)據(jù)總線通知給微處理器1011,微處理器1011隨即進(jìn)行協(xié) 議程序的執(zhí)行，接收獨立式局域網(wǎng)(CAN)控制器1014芯片SJA1000內(nèi) 容的相關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送經(jīng)處理后的應(yīng)答信息，并隨時將相關(guān)狀態(tài)通過數(shù)據(jù)總 線反映給模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，而所有接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)最終是通過 CAN總線收發(fā)器1015處理成符合局域網(wǎng)(CAN)總線電平要求的信號后 傳遞到DeviceNet總線上。
在本發(fā)明中，輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元102包括有
輸入接口電路1021,與微處理器1011雙向連接，用于為可接外圍通 信對象的輸入接口進(jìn)行供電，向《敖處理器1011提供輸入接口所輸入的現(xiàn)場 數(shù)據(jù)，并在發(fā)生短路時，斷開供電，而在短路故障排除后恢復(fù)供電；
輸出接口電路1022，與微處理器1011雙向連接，用于接收微處理器 1011下發(fā)輸出的現(xiàn)場數(shù)據(jù)給輸出接口，根據(jù)該輸出的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為可4妻外 圍通信對象的輸出接口進(jìn)行供電，并在發(fā)生短路時，斷開供電，而在短路 故障排除后恢復(fù)供電；
參見圖6、圖7,圖示輸入接口電路1021和輸出接口電路1022中的 TS4141為智能高端功率開關(guān)芯片，最大可提供2A負(fù)載電流，TS4141自 身帶有短路保護(hù)電路、過流保護(hù)、過壓保護(hù)等功能。當(dāng)模塊接口短路時， TS4141內(nèi)部集成的檢測電路會自動保護(hù)模塊電路，斷開電源，而當(dāng)短路故 障排除時，TS4141能立即恢復(fù)供電，使接口能正常工作。
輸入接口電路如圖6所示，所述輸入接口電路1021包括有功率開關(guān)芯 片TS4141,該功率開關(guān)芯片TS4141 —端接外部電源，其一端接輸入接口， 所述輸入接口可接機械開關(guān)或傳感器，所述輸入接口接光耦PC817，所述 光耦PC817的輸出端接三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線 收發(fā)器74LS245的輸出端接微處理器AT89S52。
如圖6所示，外部的24V電源通過智能高端功率開關(guān)芯片TS4141給 輸入接口 (Header3)供電，輸入接口可接機械開關(guān)或傳感器等外圍通信對 象，該輸入接口接光耦PC817,當(dāng)才幾械開關(guān)閉合或傳感器動作時，光耦 PC817導(dǎo)通，光耦PC817的輸出端輸出高電平，通過三態(tài)雙向總線收發(fā)器 74LS245可以實現(xiàn)與纟鼓處理器AT89S52進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，最終外圍通 信對象的8路輸入數(shù)據(jù)(開關(guān)量)由微處理器通過選通74LS245進(jìn)行采集。輸出接口電路如圖7所示，所述輸出接口電路1022包括有三態(tài)雙向 總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的輸入端接微處 理器AT89S52,其輸出端接三極管Ql的基極，所述三極管Ql的發(fā)射極接 地，所述三極管Ql的集電極4妻光身禺PC817，所述光耦PC817的輸出端接-功率開關(guān)芯片TS4141，該功率開關(guān)芯片TS4141—端接外部電源，其一端 接輸出接口，所述輸出接口可接包括電磁閥、繼電器在內(nèi)的多種執(zhí)行器。
如圖7所示，外部的24V電源通過智能高端功率開關(guān)芯片TS4141給 輸出接口供電，輸出接口可接電磁閥、繼電器等執(zhí)行器(即外圍通信對象)。 D觸發(fā)器74LS273可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存。微處理器輸出數(shù)據(jù)時，微處理器只 需給74LS273的時鐘端提供一個上升跳邊沿，數(shù)據(jù)總線上的輸出數(shù)據(jù)既鎖 存在74LS273的輸出端。輸出信號為高電平時，三極管Q1卯13導(dǎo)通，從 而光耦PC817導(dǎo)通，TS4141的開關(guān)信號輸入端被激活，TS4141開啟，從 而為輸出接口 (Header2)供電，驅(qū)動電磁閥、繼電器等外圍通信對象。
輸入狀態(tài)診斷電路1023，與纟效處理器1011雙向連4妻，用于診斷輸入 接口電路1021是否發(fā)生短路，在輸入接口電路1021發(fā)生短路時，輸出短 路診斷信號給微處理器1011;
輸出狀態(tài)診斷電路1024，與微處理器1011雙向連接，用于診斷輸出 接口電路1022是否發(fā)生短路，在輸出接口電路1022發(fā)生短路時，輸出短
路i貪斷信號給孩t處理器1011;
圖8、圖9分別為輸入狀態(tài)電路和輸出狀態(tài)診斷電路，如圖8和圖9 所示，LM339為高精度的電壓比較器，當(dāng)其正信號端電壓大于負(fù)信號端電 壓時，其輸出端輸出高電平，當(dāng)其負(fù)信號端電壓大于正信號端電壓時，其 輸出端輸出低電平。圖8、圖9中，所述電壓比較器LM339的負(fù)信號端接 輸入接口電路1021或輸出接口電路1022的電源正端，其正端電壓恒定， 所述電壓比較器LM339的輸出端接光耦PC817,所述光耦PC817的輸出 端接三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的 輸出端接孩i處理器AT89S52。
在本發(fā)明中，輸入接口電路1021和輸出接口電路1022的電源正端接電 壓比較器LM339的負(fù)信號端，24V電壓經(jīng)過100K、 1K電阻分壓后接LM339 正信號端，正端電壓恒為0,2V。因此，當(dāng)輸入接口電路1021發(fā)生短路時， TS4141處于保護(hù)狀態(tài)，輸入接口電路1021的電源正端接地，電源工作指示LED燈DS1熄滅。電壓比較器LM339的負(fù)信號端接地，由于電壓比豐支器 LM339的正端接0.2V的基準(zhǔn)電壓，電壓比較器LM339輸出高電平，此時輸 入診斷電路的光耦PC817輸入端導(dǎo)通，LED燈DS2導(dǎo)通指示通道短路，光耦 PC817輸出端所輸出的短路信號為高電平，從而74LS245的輸入狀態(tài)信號為 高電平，微處理器將通過74LS245采集輸入狀態(tài)信號"1"，作為輸入狀態(tài) 診斷數(shù)據(jù)。選通74LS245時，8位數(shù)據(jù)可由A通道傳輸?shù)紹通道，或者進(jìn)行 反向傳輸，所采集的74LS245的輸入狀態(tài)信號作為短路的輸入狀態(tài)診斷數(shù) 據(jù)。
當(dāng)短路故障排除時，TS4141自動恢復(fù)工作狀態(tài)，電源工作LED燈DS1 導(dǎo)通，電壓比較器LM339由于負(fù)信號端電壓大于正信號端電壓，輸出低電 平，輸入診斷電路光耦PC817截止，短路提示等DS2熄滅，診斷信號為低電 平，表明輸入通道正常，微處理器采集輸入狀態(tài)信號"0"，作為輸入狀態(tài) 診斷數(shù)據(jù)。
同理，當(dāng)輸出接口電路1022發(fā)生短路時，電源工作提示燈DS4熄滅，電 壓比較器LM339輸出高電平，控制短i 各提示LED燈DS3導(dǎo)通，輸出i貪斷信 號為高電平，微處理器將通過輸出短路診斷電路循環(huán)采集輸出狀態(tài)信號"1" 作為輸出狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。當(dāng)短路故障排除時，電源工作提示燈DS4導(dǎo)通， 電壓比較器LM339輸出低電平，短路提示燈DS3熄滅，診斷信號為低電平， 表明輸出通道正常，微處理器采集輸出狀態(tài)"0"作為輸出狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。 需要說明的是，對于本發(fā)明提供的裝置，該裝置的通信協(xié)議同時支持 "輪詢，，和"位選通"兩種重要的數(shù)據(jù)觸發(fā)方式本發(fā)明裝置不僅可以與 DeviceNet主節(jié)點進(jìn)行點對點的數(shù)據(jù)交換，即傳統(tǒng)的輪詢通信模式，還可 充分發(fā)揮DeviceNet網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢，支持DeviceNet
主節(jié)點"廣播式"的發(fā)送方式，使得多個i/o裝置可在同一時刻接收命令
信息，即支持位選通的通信模式。
具體實現(xiàn)上，本發(fā)明提供的基于多種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式的DeviceNet現(xiàn)場 總線輸入輸出I/O裝置，首先應(yīng)用微處理器單片機1011讀取外圍的撥碼 開關(guān)量，通過撥碼開關(guān)電路1012進(jìn)行本裝置節(jié)點的MAC ID(節(jié)點地址號) 和通信波特率的設(shè)置，通過模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈1013顯示模塊的網(wǎng)絡(luò)狀 態(tài)。
然后，微處理器1011通過輸入接口電路1021采集輸入數(shù)據(jù)，而通過輸入狀態(tài)診斷電路1023可診斷輸入接口電路是否短路，微處理器1011通 過輸入狀態(tài)診斷電路1023采集關(guān)于輸入接口電路1021的輸入接口狀態(tài)診 斷數(shù)據(jù)；輸出狀態(tài)診斷電路1024可診斷輸出接口電路1022是否短路，微 處理器1011通過輸出狀態(tài)診斷電路采集關(guān)于該輸出接口電路1022的輸出 接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。獨立式CAN控制器1014可自動完成部分CAN總線 協(xié)議，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)DeviceNet協(xié)議格式進(jìn)行封裝，并向總線發(fā) 送，以及接收總線上的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)按照DeviceNet協(xié)議進(jìn)行解析， 提取數(shù)據(jù)并向通過輸出接口電路1021向外圍的現(xiàn)場設(shè)備下發(fā)。光耦6N137 可以實現(xiàn)總線隔離，提高數(shù)據(jù)傳輸精度。CAN總線收發(fā)器1015 82C250可 以雙向發(fā)送或接受DeviceNet報文，數(shù)據(jù)擴展存儲器1016為微處理器提供 大量的數(shù)據(jù)存儲空間。
本發(fā)明在上述過程中，微處理器1011首先讀取外圍撥碼開關(guān)數(shù)值進(jìn)行 節(jié)點MAC ID和通信波特率的設(shè)置，隨后初始化DeviceNet對象屬性、初 始化DeviceNet通信參數(shù)、設(shè)置定時器和CAN控制寄存器，從而完成設(shè)備 初始化過程。然后進(jìn)行DeviceNet自檢，自檢通過后向DeviceNet總線上 發(fā)送重復(fù)MAC ID檢測才艮文，4企測總線上有無相同的MAC ID。 4企測通過 后節(jié)點就連上了 DeviceNet總線。
連接到DeviceNet總線后，需要與本節(jié)點進(jìn)行通信的節(jié)點就會發(fā)送建 立連接邀請，本節(jié)點會按照要求判斷所要建立的連接類型，并根據(jù)不同類 型配置內(nèi)部連接及各參數(shù)的初始狀態(tài)(輪詢連接實例和位選通連接實例)， 并返回響應(yīng)信息，以確i人所建立的連才矣。
連接建立后，本發(fā)明的裝置(即本節(jié)點)就可與總線上的其他節(jié)點交 換輸入/輸出i/o數(shù)據(jù)，微處理器通過輸入接口電路采集輸入數(shù)據(jù)，并通過 輸出接口電路下發(fā)輸出數(shù)據(jù)，并才艮據(jù)應(yīng)用程序要求完成其他各項功能。當(dāng) 主節(jié)點發(fā)送的信息為輪詢命令信息時，本裝置以輪詢響應(yīng)報文予以回應(yīng)， 當(dāng)主節(jié)點發(fā)送的信息為位選通命令信息時，本裝置的內(nèi)部程序會轉(zhuǎn)入位選 通判斷子程序，對信息加以分析判斷，若確為選通本裝置的信息，則會執(zhí) 行相關(guān)動作，并生成位選通響應(yīng)信息。
對于上述本發(fā)明提供的裝置，該裝置在輸入或者輸出接口電路發(fā)生短 路時，參見圖6、圖7，能夠?qū)⒕哂虚_關(guān)作用的光耦輸入端信號關(guān)閉，從而 關(guān)閉光耦相應(yīng)的輸出端，立即斷開通路，能夠有效地保護(hù)模塊的其他電子元件不會因短路而燒毀。結(jié)合圖8、圖9所示的電路，在短路時可以發(fā)出 報警信號，提示工作人員能夠盡快排除斷路故障。同時對于發(fā)生的短路故 障狀態(tài)通過DeviceNet現(xiàn)場總線可以實現(xiàn)有效傳輸與映射，為維護(hù)人員進(jìn) 行故障監(jiān)控提供有效信息。此外，當(dāng)短路故障排除后可以立即自動恢復(fù)工 作狀態(tài)，本發(fā)明的短路保護(hù)采用電子式短路保護(hù)，具有響應(yīng)速度快，短路 時功耗小的優(yōu)點，并且電路筒單，成本低廉。
本裝置可實現(xiàn)僅限組2報文的處理,完成基于DeviceNet現(xiàn)場總線的 多路I/0數(shù)據(jù)(開關(guān)量、模擬量)的通信功能；支持輪詢和位選通兩種數(shù) 據(jù)觸發(fā)方式，不僅可以處理來自總線的輪詢報文并做出響應(yīng)，還可以處理 來自總線的位選通才艮文，在正確判斷后估支出響應(yīng)，充分發(fā)揮了生產(chǎn)者/消費 者網(wǎng)絡(luò)^t型的優(yōu)勢；具有非常強的可移植性和可擴展性，在本裝置基礎(chǔ)上 較易實現(xiàn)系統(tǒng)的升級及功能擴展。
對于本發(fā)明提供的裝置，在總線通信設(shè)計中，采用了獨立式CAN控 制器SJA1000作為控制本裝置總線行為的專用芯片，從而使總線報文處理 與單片機數(shù)據(jù)采集的任務(wù)相分離，為以后的功能擴展提供了較大空間，同 時增強了系統(tǒng)的可移植性。在短路保護(hù)功能設(shè)計中，輸入輸出^t妻口采用光
耦，運放，發(fā)光二極管等元件實現(xiàn)i/o接口的短路保護(hù)功能，當(dāng)接口發(fā)生
短路時，能夠及時斷開電路，保護(hù)Blockl/0模塊，防止其因短路而損壞， 同時故障燈發(fā)光報警，同時實現(xiàn)在故障排除后自動恢復(fù)原正常工作狀態(tài)。
上述本發(fā)明裝置具有的輸入和輸出狀態(tài)診斷電路，可以在輸入輸出端 口發(fā)生短路故障時，短路診斷數(shù)據(jù)通過DeviceNe現(xiàn)場總線實現(xiàn)有效傳輸與 映射，從而使在現(xiàn)場工作條件較差的情況下，對經(jīng)常造成模塊輸入、輸出 端短路，負(fù)載裝置短路等引起嚴(yán)重電源短路的故障實現(xiàn)有效的診斷與保護(hù)。
綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供了一種具有短路保護(hù)與自 診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出I/O裝置，其具有短路保護(hù)與 自診斷功能，可以在接口電源發(fā)生短路的情況下及時斷開電源，避免因短 路電流而燒毀，并提供自診斷信息，方便維護(hù)人員進(jìn)行裝置的故障監(jiān)控和 排查，當(dāng)短路故障排除后裝置自動恢復(fù)正常工作，具有重大的實際意義。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn) 和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出I/O裝置，其特征在于，包括DeviceNet接口單元，用于與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，設(shè)置本節(jié)點的總線節(jié)點號MAC ID和通信波特率，以及采集和存儲來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元，用于與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在輸入接口電路和/或輸出接口電路發(fā)生短路時，斷開電源給予短路保護(hù)，當(dāng)短路故障排除后裝置自動恢復(fù)正常工作，并將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給DeviceNet接口單元。
2、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述DeviceNet接口單元 包括有微處理器，用于向輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元釆集和下發(fā)現(xiàn)場數(shù) 據(jù)，采集來自輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸出接口 狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)，接收撥碼開關(guān)電路所設(shè)置的本節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波 特率，控制模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈的狀態(tài)，初始化并與DeviceNet現(xiàn)場總線 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；撥碼開關(guān)電路，與微處理器雙向連接，用于設(shè)置本節(jié)點的通信波特率 及總線節(jié)點號；模塊/網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，與微處理器雙向連接，用于實時反映本節(jié)點的 工作狀態(tài)及通信狀態(tài)；獨立式局域網(wǎng)CAN控制器，與微處理器雙向連接，用于接收DeviceNet 現(xiàn)場總線的才艮文并向DeviceNet現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN協(xié)i義的才艮文；CAN總線收發(fā)器，通過光耦與獨立式CAN控制器雙向連接，用于實 現(xiàn)獨立式局域網(wǎng)CAN控制器的電平與DeviceNet現(xiàn)場總線電平之間的轉(zhuǎn) 換，并與DeviceNet現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸；數(shù)據(jù)擴展存儲器，與微處理器雙向連接，用于存儲微處理器中的通信 數(shù)據(jù)。
3、 如4又利要求2所述的裝置，其特征在于，纟敖處理器與DeviceNet 現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信具體為所述微處理器接收來自DeviceNet現(xiàn) 場總線的報文并進(jìn)行解析，以及將要發(fā)送給DeviceNet現(xiàn)場總線的報文進(jìn) 行打包，以符合DeviceNet協(xié)議規(guī)范。
4、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器所存 儲的微處理器中的通信數(shù)據(jù)包括有本節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波特率，以及微處理器向輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元采集和下發(fā)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還有微處理器向DeviceNet現(xiàn)場總線相交互的數(shù)據(jù)、來自輸入輸出短路保 護(hù)與自診斷單元的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。
5、 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，輸入輸出短路保護(hù)與自診 斷單元包括有輸入接口電路，與微處理器雙向連接，用于為可接外圍通信對象的輸 入接口進(jìn)行供電，向微處理器提供輸入接口所輸入的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并在發(fā)生 短路時，斷開供電，而在短路故障排除后恢復(fù)供電；輸出接口電路，與微處理器雙向連接，用于接收微處理器下發(fā)輸出的 現(xiàn)場數(shù)據(jù)給輸出接口，根據(jù)該輸出的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為可接外圍通信對象的輸 出接口進(jìn)行供電，并在發(fā)生短路時，斷開供電，而在短路故障排除后恢復(fù) 供電；輸入狀態(tài)診斷電路，與微處理器雙向連接，用于診斷輸入接口電路是 否發(fā)生短路，在輸入接口電路發(fā)生短路時，輸出診斷短路信號給微處理器；輸出狀態(tài)診斷電路，與微處理器雙向連接，用于診斷輸出接口電路是 否發(fā)生短路，在輸出接口電路發(fā)生短路時，輸出短路診斷信號給微處理器。
6、 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述輸入接口電路包括有 功率開關(guān)芯片TS4141,該功率開關(guān)芯片TS4141—端接外部電源，其一端 接輸入接口 ，所述輸入接口可接機械開關(guān)或傳感器，所述輸入接口接光耦 PC817，所述光耦PC817的輸出端接三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述 三態(tài)雙向總線Jlt^器74LS245的輸出端接孩i處理器AT89S52。
7、 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述輸出接口電路包括有 三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線Jlt義器74LS245的輸入 端接微處理器AT89S52,其輸出端接三極管Ql的基極，所述三極管Ql 的發(fā)射極接地，所述三極管Ql的集電極接光耦PC817，所述光耦PC817 的輸出端接功率開關(guān)芯片TS4141,該功率開關(guān)芯片TS4141—端接外部電 源，其一端接輸出接口，所述輸出接口可接包括電磁閥、繼電器在內(nèi)的多 種執(zhí)行器。
8、 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述輸入狀態(tài)診斷電路和 輸出狀態(tài)診斷電路中包括有電壓比較器LM339，所述電壓比較器LM339 的負(fù)信號端接輸入接口電路或輸出接口電路的電源正端，其正端電壓恒定， 所述電壓比較器LM339的輸出端接光耦PC817，所述光耦PC817的輸出 端接三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245,所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的 輸出端接孩t處理器AT89S52。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有短路保護(hù)與自診斷功能的DeviceNet現(xiàn)場總線輸入和輸出I/O裝置，包括DeviceNet接口單元，用于與DeviceNet現(xiàn)場總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，設(shè)置本節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波特率，以及采集和存儲輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；輸入輸出短路保護(hù)與自診斷單元，用于與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在輸入接口電路和/或輸出接口電路短路時，斷開電源給予短路保護(hù)，并將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給DeviceNet接口單元。本發(fā)明的Device NetI/O裝置具有短路保護(hù)與自診斷功能，可在接口電源發(fā)生短路時斷開電源并提供自診斷信息，當(dāng)短路故障排除后自動恢復(fù)工作。
文檔編號G06F11/07GK101587463SQ20091006936
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者倪建云, 亮 馮, 超 賈, 陳在平 申請人:天津理工大學(xué)