專利名稱：信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)展裝置和一種擴(kuò)展系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域，越來越多的需要能夠采集大量模擬量信號(hào)及開關(guān)量信號(hào)的設(shè)備。在工程中已有的設(shè)備隨著工程規(guī)模擴(kuò)大和功能擴(kuò)充不能滿足使用要求的情況下，重新設(shè)計(jì)或修改設(shè)備硬件會(huì)造成資金和時(shí)間上的浪費(fèi)，因此需要一種能夠根據(jù)已有設(shè)備的資源來擴(kuò)充采集信號(hào)的端口的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展方法。這樣的擴(kuò)展裝置需要具備低管腳數(shù)，靈活，便于開發(fā)的特點(diǎn)，且具備根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步調(diào)整端口數(shù)量的能力。現(xiàn)有技術(shù)中通常會(huì)使用嵌入式設(shè)備做現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及控制監(jiān)測(cè)，因此通常情況下用于擴(kuò)充采集信號(hào)的端口的擴(kuò)展裝置需要與這類設(shè)備對(duì)接。當(dāng)然，用于擴(kuò)充采集信號(hào)的端口的擴(kuò)展裝置同樣可應(yīng)用在PC或工作站上。但無論與嵌入式設(shè)備連接還是與其他終端或采集器連接，在本說明書的上下文中，將這些設(shè)備或終端稱為擴(kuò)展裝置的上位機(jī)。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于擴(kuò)展上位機(jī)的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展方法可有效解決上述問題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，該裝置包括與上位機(jī)通信的第一通信接口 ；用于裝置擴(kuò)展的第二通信接口 ；與第一通信接口和第二通信接口通信耦合的邏輯器件；一個(gè)或多個(gè)模擬量采集單元，和/或—個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出單兀；每個(gè)模擬量采集單元具有一個(gè)或多個(gè)模擬量輸入端口，用于采集一個(gè)或多個(gè)模擬量信號(hào)至該邏輯器件，并通過來自邏輯器件的控制信號(hào)對(duì)所述模擬量輸入端口進(jìn)行配置；每個(gè)開關(guān)量輸入輸出單元具有一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出端口，用于采集開關(guān)量輸入信號(hào)至該邏輯器件和/或輸出該邏輯器件驅(qū)動(dòng)的開關(guān)量輸出信號(hào)，并通過來自邏輯器件的控制信號(hào)對(duì)開關(guān)量輸入輸出端口進(jìn)行配置。優(yōu)選地，該裝置進(jìn)一步包括連接第一通信接口和邏輯器件的第一數(shù)字隔離器和/ 或連接第二通信接口和邏輯器件的第二數(shù)字隔離器。優(yōu)選地，所述一個(gè)或多個(gè)模擬量采集單元分別通過串行數(shù)字接口與所述邏輯器件連接。優(yōu)選地,所述模擬量采集單元包括A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括與所述A/D轉(zhuǎn)換器和所述模擬量輸入端
4口率禹合的多選一選擇器。優(yōu)選地，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括與所述A/D轉(zhuǎn)換器和所述模擬量輸入端口耦合的級(jí)聯(lián)連接的8選I選擇器。優(yōu)選地，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括耦合在模擬量輸入端口和A/D轉(zhuǎn)換器之間的電壓跟隨器和耦合在邏輯器件和A/D轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字隔離器。優(yōu)選地，所述開關(guān)量輸入輸出單元包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)復(fù)用器，用于根據(jù)來自邏輯器件的控制信號(hào)配置所述一個(gè)或多個(gè)輸入輸出端口的方向。優(yōu)選地，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括耦合在開關(guān)復(fù)用器和邏輯器件之間的隔離器。優(yōu)選地，所述隔離器是單向隔離器或雙向隔離器。優(yōu)選地，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括具有輸出使能端的隔離器，用于根據(jù)來自邏輯器件的控制信號(hào)配置所述一個(gè)或多個(gè)輸入輸出端口的方向。優(yōu)選地，所述具有輸出使能的隔離器是具有輸出使能的單向隔離器，對(duì)于每個(gè)輸入輸出端口第一具有輸出使能的單向隔離器的輸入端與第二具有輸出使能的單向隔離器的輸出端短接，短接端接至該輸入輸出端口，第一具有輸出使能的單向隔離器的輸出端和第二具有輸出使能的單向隔離器的輸入端分別連接至邏輯器件；第一和第二具有輸出使能的單向隔離器的使能端分別接收來自邏輯器件的控制信號(hào)以控制各自的輸出狀態(tài)。優(yōu)選地，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括與所述輸入輸出端口耦合的調(diào)理電路。優(yōu)選地，所述裝置進(jìn)一步包括隔離電源。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展系統(tǒng)，其特征在于，該擴(kuò)展系統(tǒng)包括用于與上位機(jī)通信的上位機(jī)通信接口 ；和N個(gè)如上所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，N大于等于I ;其中第一信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第一通信端口用作所述上位機(jī)通信接口，第i+Ι信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第一通信接口與第i信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第二通信接口連接對(duì)第i信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，I < i < N。本發(fā)明提供了一種高兼容性、靈活、便于擴(kuò)展信號(hào)量采集端口及動(dòng)態(tài)配置開關(guān)量端口方向的擴(kuò)展裝置。根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展裝置通過采用隔離器件，擴(kuò)展裝置具備很強(qiáng)的抗干擾能力，可在惡劣環(huán)境下正常工作，同時(shí)可方便地實(shí)現(xiàn)模擬量端口和開關(guān)量端口的物理擴(kuò)充，且開關(guān)量端口方向可動(dòng)態(tài)配置。根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展裝置通過少量的物理管腳便可完成與上位機(jī)之間的通信，具備高擴(kuò)展性及兼容性。本發(fā)明利用極少物理管腳實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展信號(hào)量采集端口及動(dòng)態(tài)配置端口方向的裝置。 在不改變已有硬件設(shè)備的前提下，對(duì)硬件設(shè)備無信號(hào)量采集端口或采集端口過少的設(shè)備， 通過簡(jiǎn)單的物理線連接來達(dá)到迅速擴(kuò)充更多采集端口的目的，從而完成對(duì)多路模擬信號(hào)量及多路開關(guān)信號(hào)量的采集或驅(qū)動(dòng)輸出，并根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)配置開關(guān)量端口的輸入輸出方向。I示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
2不出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的8選I選擇器的控制信號(hào)二進(jìn)制真值表。
3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的3個(gè)8選I選擇器的級(jí)聯(lián)復(fù)用。
4示出實(shí)施例I中邏輯器件與模擬量采集單元之間通信接口的時(shí)序圖。
5示意性示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)量輸入輸出單元的結(jié)構(gòu)框圖。
6示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)量輸入輸出單元的結(jié)構(gòu)框圖。 7示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的擴(kuò)展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。


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具體實(shí)施例方式下面將參考附圖并結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案、優(yōu)點(diǎn)和有益效果。說明書中相同或相似的附圖標(biāo)記表示相同和相似的單元或部件。圖I示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的擴(kuò)展裝置100的結(jié)構(gòu)框圖。擴(kuò)展裝置100 包括邏輯器件110、模擬量采集單元120、開關(guān)量輸入輸出單元130、用于與上位機(jī)101通信的第一通信接口 102和用于與下位機(jī)或另一擴(kuò)展裝置通信的第二通信接口 109。該邏輯器件110可以是可編程邏輯器件或微控制器。擴(kuò)展裝置100可進(jìn)一步包括與上位機(jī)101或獨(dú)立電源105連接的隔離電源303。優(yōu)選地，擴(kuò)展裝置100進(jìn)一步包括耦合在邏輯器件110和通信接口 102，109之間的數(shù)字隔離器302用于將擴(kuò)展裝置100與外界環(huán)境之間進(jìn)行隔離保護(hù)。數(shù)字隔離器302可以是數(shù)字隔離電路或數(shù)字隔離芯片。通過耦合數(shù)字隔離器，可以有效地提高擴(kuò)展裝置的穩(wěn)定性及抗干擾能力，使本發(fā)明的擴(kuò)展裝置更適合在惡劣環(huán)境下工作。首先，參照?qǐng)DI說明擴(kuò)展裝置100與上位機(jī)101之間的第一通信接口 102，該通信接口是擴(kuò)展裝置中邏輯器件110與上位機(jī)101之間的通信通道。該通信接口由例如包括至少兩個(gè)物理連接線的實(shí)際的物理端口和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。例如，通過配置能夠滿足UART協(xié)議的控制器，比如利用Verilog HDL或VHDL等等實(shí)現(xiàn)，通信協(xié)議可以使用 UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)來實(shí)現(xiàn)。或者，也可以使用 2 線 IIC(Inter-Integrated Circuit)協(xié)議，4 線的帶有主從模式的 SPI (Serial Peripheral Interface)協(xié)議，適用于遠(yuǎn)程控制的RS-485協(xié)議等等，或自行設(shè)計(jì)通信協(xié)議，來完成擴(kuò)展裝置100與上位機(jī)101的通信。邏輯器件110進(jìn)一步包括第二通信接口 109用于對(duì)接入的擴(kuò)展裝置進(jìn)行擴(kuò)展。與第一通信接口 102相似，該通信端口 109由例如包括至少兩個(gè)物理連接線的實(shí)際的物理端口和通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。例如，通過Verilog HDL或VHDL等硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)能夠滿足 UART協(xié)議的控制器。或者，使用2線IIC協(xié)議，4線的帶有主從模式的SPI協(xié)議，適用于遠(yuǎn)程控制的RS-485協(xié)議等等，或自行設(shè)計(jì)通信協(xié)議，來完成擴(kuò)展裝置100與接入的擴(kuò)展裝置的通信。邏輯器件110為擴(kuò)展裝置100的核心器件，例如可采用具有大量IO端的可編程邏輯器件。這些IO端例如可用于接收來自模擬量采集單元120的A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，接收來自開關(guān)量輸入輸出單元130的開關(guān)量輸入信號(hào)或輸出邏輯器件驅(qū)動(dòng)的開關(guān)量輸出信號(hào)，掃描端口，配置端口方向，控制等等。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的擴(kuò)展裝置100包括獨(dú)立的模擬量采集單元120和開關(guān)量輸入輸出單元130用于分別采集模擬量信號(hào)和輸入輸出開關(guān)量信號(hào)。模擬量采集單元120主要包括提供多個(gè)模擬量輸入端口 106的多選一選擇器310， 電壓跟隨器311，A/D轉(zhuǎn)換器312、參考電壓314及數(shù)字隔離器313。輸入端口 106例如可以以物理連接器實(shí)現(xiàn)，用于直接連接傳感器。端口的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需求通過配置多選一選擇器進(jìn)行設(shè)置和擴(kuò)展。當(dāng)模擬量采集單元120僅提供一個(gè)模擬量輸入端口時(shí)，也可以省略多選一選擇器。模擬量輸入端口 106采集的模擬信號(hào)可以是電壓信號(hào)也可以是電流信號(hào)，通常， 可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來測(cè)量。在模擬信號(hào)采集過程中，無論需要測(cè)量多少路的模擬信號(hào)，根據(jù)來自邏輯器件的模擬量控制信號(hào)，在某一時(shí)刻可有一路輸入端口的模擬信號(hào)被送入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣。當(dāng)要采集多路例如A路模擬量輸入時(shí)，A為大于等于I的整數(shù)，需要對(duì)端口選擇器310的所有端口進(jìn)行掃描。因此，模擬信號(hào)的采集是一個(gè)時(shí)分復(fù)用的過程。若采集I路模擬量需要的時(shí)間為t，t > 0，則采集A路模擬量的時(shí)間至少需要t X A。 邏輯器件110通過控制接口 213接收來自模擬量采集單元120的數(shù)據(jù)并控制對(duì)多選一選擇器310的輸入端口掃描，通道214。邏輯器件110優(yōu)選地通過數(shù)字隔離器313與模擬量采集單元連接。多選一選擇器310例如可以是一個(gè)8選I通道的端口選擇器，該選擇器帶有 A、B、C和INH共4個(gè)控制引腳，其中引腳A、B、C三個(gè)二進(jìn)制信號(hào)引腳可從8個(gè)輸入端口選擇I路連接到輸出端口，而INH可將所有輸入輸出端口置為高阻。圖2給出了 8選I選擇器控制信號(hào)的二進(jìn)制真值表。優(yōu)選地，可將多片多選一選擇器級(jí)聯(lián)來擴(kuò)展更多的模擬信號(hào)輸入端口。如圖3所示，例如通過3個(gè)8選I選擇器的級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)24選I通道的復(fù)用。
從多選一選擇器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前，可優(yōu)選地設(shè)置例如由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器311以便增大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。隨后模擬信號(hào)被送入A/D轉(zhuǎn)換器312進(jìn)行采樣、數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換器的種類非常多，可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇。選擇時(shí)所依據(jù)的幾個(gè)重要參數(shù)包括解析率，采樣速率及數(shù)字端的控制時(shí)序。例如可以使用16位(bit)的高速A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率為50KHz。模擬信號(hào)被送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行采樣、數(shù)字化。經(jīng)數(shù)字化的信號(hào)通過串行數(shù)字接口(Serial Interface) 213將16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)以串行的方式送至邏輯器件110。串行數(shù)字接口是擴(kuò)展裝置內(nèi)部另一個(gè)重要的通信接口，它位于A/D轉(zhuǎn)換器 312與邏輯器件110之間，用于將模擬信號(hào)數(shù)字化后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入邏輯器件。圖4給出了這個(gè)通信接口需滿足的時(shí)序，并示出了 24個(gè)時(shí)鐘周期。在該實(shí)例中，需要最少22個(gè)時(shí)鐘周期用于16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如果在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)CS保持低，則具有最低有效位第一的新數(shù)據(jù)流被再次跳轉(zhuǎn)。因此邏輯器件內(nèi)部需具有滿足圖4所示時(shí)序的邏輯模塊，用于接收來自A/ D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，并將其臨時(shí)存儲(chǔ)在例化的寄存器內(nèi)，等待上報(bào)上位機(jī)。圖I中的通道212 即為A/D轉(zhuǎn)換器312的數(shù)字輸出通道。優(yōu)選地，可在模擬量采集單元120與邏輯器件110之間，即在A/D轉(zhuǎn)換器312與邏輯器件Iio之間設(shè)置數(shù)字隔離器313，使擴(kuò)展裝置100中的開關(guān)量輸入輸出單元130與模擬量米集單兀120徹底隔尚。對(duì)于模擬量采集單元，由于其具有的獨(dú)立特性，可將多個(gè)具有相似結(jié)構(gòu)的模擬量采集單元分別通過串行數(shù)字接口與邏輯器件耦合集成在擴(kuò)展裝置中。進(jìn)一步，如圖I所示，開關(guān)量輸入輸出單元130提供完全獨(dú)立的開關(guān)量信號(hào)采集及驅(qū)動(dòng)通道，其包括端口復(fù)用器用于擴(kuò)充D路開關(guān)量端口，D為大于等于I的整數(shù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)端口方向的動(dòng)態(tài)配置。方便起見，圖5和圖6示意性示出D路開關(guān)量端口中的I路來具體說明如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入輸出端口方向的配置。圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)量輸入輸出單元510的結(jié)構(gòu)框圖。開關(guān)量輸入輸出單兀510包括開關(guān)復(fù)用器和輸入輸出端口。在該例中，例如以物理連接器540作為開關(guān)量輸入輸出單元的輸入輸出端口。邏輯器件是采集與驅(qū)動(dòng)開關(guān)量信號(hào)的核心器件， 邏輯器件通過端口復(fù)用器實(shí)現(xiàn)對(duì)物理連接器的端口復(fù)用。即對(duì)于一個(gè)物理端口，該端口在某一時(shí)刻，該端口在某一時(shí)刻，可有一個(gè)開關(guān)量信號(hào)輸入或信號(hào)輸出。在圖5所不實(shí)施例中，端口復(fù)用器例如是單刀雙擲開關(guān)復(fù)用器520。通過單刀雙擲開關(guān)復(fù)用器520來設(shè)置該物理連接器540的輸入輸出方向?？刂崎_關(guān)復(fù)用器520的信號(hào)線例如通過隔離器511耦合到邏輯器件的一個(gè)K)端口 501。開關(guān)復(fù)用器520基于該IO端口 501的狀態(tài)例如通過隔離器 513耦合到邏輯器件的IO端口 503將該路端口用作輸入端口，或例如通過隔離器512耦合到邏輯器件的IO端口 502將該路端口用作輸出端口。優(yōu)選地，物理連接器540通過調(diào)理電路530與端口復(fù)用器520連接。調(diào)理電路530用于對(duì)輸入或輸出的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行諸如分壓，低通濾波，靜電防護(hù)和/或過流保護(hù)及短路保護(hù)等等處理。優(yōu)選設(shè)置在開關(guān)復(fù)用器540 與邏輯器件之間的隔離器511、512和513用于增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性及信號(hào)完整性。圖5所示的隔離器511、512和513為單向隔離器，將I路輸入輸出端口通過開關(guān)復(fù)用器耦合至邏輯器件的兩個(gè)IO端口，一個(gè)IO端口用作輸入端口，另一個(gè)IO端口用作輸出端口?；蛘?，開關(guān)量輸入輸出單兀的I路輸入輸出端口可以通過雙向隔離器與邏輯器件的一個(gè)IO端口f禹合,將該IO端口作為雙向端口使用，未示出。圖6示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)量輸入輸出單元610的結(jié)構(gòu)框圖。開關(guān)量輸入輸出單兀610包括具有輸出使能端的隔離器和輸入輸出端口，例如以物理連接器640作為開關(guān)量輸入輸出單元的輸入輸出端口。與圖5所示的實(shí)施例不同，圖6的實(shí)施例中沒有采用開關(guān)復(fù)用器，而是使用具有輸出使能端的隔離器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出端口的方向配置。輸出使能端起的作用是可將輸出端置為高阻狀態(tài)。如圖6所示，將2個(gè)完全相同的具有輸出使能端的隔離器以2個(gè)不同的方向連接，即將第一隔離器612的輸出端與第二隔離器613的輸入端短接，并優(yōu)選經(jīng)調(diào)理電路630進(jìn)一步耦合至物理連接器640。第一隔離器612的輸入端和第二隔離器的輸出端分別連接邏輯器件的IO端口 602和603。而來自邏輯器件IO端口 601的控制信號(hào)則通過第三隔離器611輸出到第一隔離器612的輸出使能端。第二隔離器的輸出使能端連接至IO端口 603接收來自邏輯器件的控制信號(hào)。這樣完成了 I路開關(guān)量輸入輸出端口的方向配置。以這種方式，可以形成具有一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出端口的開關(guān)量輸入輸出單兀。根據(jù)本發(fā)明，D路開關(guān)量端口可配置成M路(O彡MSD)輸入端口和N路 (O ^ N ^ D)輸出端口，且D = M+N。應(yīng)當(dāng)理解，在根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展裝置中，應(yīng)選擇IO端口數(shù)至少大于D+3的邏輯器件。當(dāng)使用單向隔離器時(shí)，如圖I所示，D路開關(guān)量端口最多可提供D路輸入信號(hào)或最多輸出D路輸出信號(hào)。在這種情況下，應(yīng)選擇IO端口數(shù)至少大于2D+3的邏輯器件。再次參見圖1，邏輯器件110可根據(jù)來自上位機(jī)的輸入對(duì)來自開關(guān)量端口的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行配置及處理。比如，當(dāng)D路開關(guān)量端口需要有M路輸入、N路輸出時(shí)，至少需要M+N位(比特)的寄存器與之對(duì)應(yīng)，以使每個(gè)開關(guān)量端口的狀態(tài)受控和可被查詢。當(dāng)需要采集開關(guān)量輸入狀態(tài)，或?qū)﹂_關(guān)量輸出加以驅(qū)動(dòng)時(shí)，便需要PXa+QXb個(gè)數(shù)據(jù)位，其中a和b是大于I的自然數(shù)。如果令a = b = 16,便可例化2D個(gè)字節(jié)(I字節(jié)=8比特)的寄存器,從而實(shí)現(xiàn)諸如計(jì)數(shù)、激勵(lì)輸出開關(guān)量或響應(yīng)輸入開關(guān)量等等的操作，來實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量端口的處理。 擴(kuò)展裝置100進(jìn)一步包括隔離電源303用于將擴(kuò)展裝置的供電電源與外界完整隔離，并用于根據(jù)擴(kuò)展裝置各部分需要的電壓來分配整流電路。隔離電源303的輸入端可通過供電接口 103直接與上位機(jī)耦合，或者可通過電源接口 104由外部穩(wěn)壓源105獨(dú)立供電。 可以理解，供電接口 103可以組合在第一通信接口 102中。在若上位機(jī)101用作提供足夠功率的電源，可在通信端口的連接器上增加例如I芯的供電引腳和例如I芯的接地引腳，從而實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)多芯的物理連接器即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與擴(kuò)展系統(tǒng)之間的全部連接。上面參照?qǐng)DI對(duì)包括模擬量采集單元和開關(guān)量輸入輸出單元的擴(kuò)展裝置進(jìn)行了描述，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要將擴(kuò)展裝置設(shè)置為僅包括模擬量采集單元或僅包括開關(guān)量輸入輸出單元，來實(shí)現(xiàn)對(duì)采集端口的擴(kuò)展。圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的擴(kuò)展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該擴(kuò)展系統(tǒng)包括多個(gè)擴(kuò)展裝置100，200，300和400。擴(kuò)展裝置200，300和400分別具有參考圖I描述的擴(kuò)展裝置100的結(jié)構(gòu)。在該擴(kuò)展系統(tǒng)中，擴(kuò)展裝置200通過其第一通信接口 102與擴(kuò)展裝置100 的第二通信接口耦合，此時(shí)，擴(kuò)展裝置100被視為擴(kuò)展裝置200的上位機(jī)，利用其第二通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展裝置200的控制和數(shù)據(jù)傳輸。擴(kuò)展裝置300通過其第一通信端口 102與擴(kuò)展裝置200的第二通信端口耦合，擴(kuò)展裝置400例如通過其第一通信端口 102與擴(kuò)展裝置 300的第二通信端口耦合，由此實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)101信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)擴(kuò)展系統(tǒng)中擴(kuò)展裝置的個(gè)數(shù)。盡管上文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行各種修改。因此，凡按照本發(fā)明原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，該裝置包括與上位機(jī)通信的第一通信接口；用于裝置擴(kuò)展的第二通信接口；與第一通信接口和第二通信接口通信耦合的邏輯器件；一個(gè)或多個(gè)模擬量采集單元，和/或一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出單兀；每個(gè)模擬量采集單元具有一個(gè)或多個(gè)模擬量輸入端口，用于采集一個(gè)或多個(gè)模擬量信號(hào)至該邏輯器件，并通過來自邏輯器件的控制信號(hào)對(duì)所述模擬量輸入端口進(jìn)行配置；每個(gè)開關(guān)量輸入輸出單元具有一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出端口，用于采集開關(guān)量輸入信號(hào)至該邏輯器件和/或輸出該邏輯器件驅(qū)動(dòng)的開關(guān)量輸出信號(hào)，并通過來自邏輯器件的控制信號(hào)對(duì)開關(guān)量輸入輸出端口進(jìn)行配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于擴(kuò)展信號(hào)量采集端口的裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括連接第一通信接口和邏輯器件的第一數(shù)字隔離器和/或連接第二通信接口和邏輯器件的第二數(shù)字隔離器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)模擬量采集單元分別通過串行數(shù)字接口與所述邏輯器件連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述模擬量采集單元包括A/D轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括與所述A/D轉(zhuǎn)換器和所述模擬量輸入端口耦合的多選一選擇器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括與所述A/D轉(zhuǎn)換器和所述模擬量輸入端口耦合的級(jí)聯(lián)連接的8選I選擇器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述模擬量采集單元進(jìn)一步包括耦合在模擬量輸入端口和A/D轉(zhuǎn)換器之間的電壓跟隨器和耦合在邏輯器件和A/D轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字隔離器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入輸出單元包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)復(fù)用器，用于根據(jù)來自邏輯器件的控制信號(hào)配置所述一個(gè)或多個(gè)輸入輸出端口的方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括耦合在開關(guān)復(fù)用器和邏輯器件之間的隔離器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述隔離器是單向隔離器或雙向隔離器。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括具有輸出使能端的隔離器，用于根據(jù)來自邏輯器件的控制信號(hào)配置所述一個(gè)或多個(gè)隔離器的輸入輸出方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述具有輸出使能的隔離器是具有輸出使能的單向隔離器，對(duì)于每個(gè)輸入輸出端口 第一具有輸出使能的單向隔離器的輸入端與第二具有輸出使能的單向隔離器的輸出端短接，短接端接至該輸入輸出端口，第一具有輸出使能的單向隔離器的輸出端和第二具有輸出使能的單向隔離器的輸入端分別連接至邏輯器件；第一和第二具有輸出使能的單向隔離器的使能端分別接收來自邏輯器件的控制信號(hào)以控制各自的輸出狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述開關(guān)量輸入輸出單元進(jìn)一步包括與所述輸入輸出端口耦合的調(diào)理電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步包括隔離電源。
15.一種信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展系統(tǒng)，其特征在于，該擴(kuò)展系統(tǒng)包括用于與上位機(jī)通信的上位機(jī)通信接口 ；和N個(gè)如權(quán)利要求I所述的信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置，N大于等于I ;其中第一信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第一通信端口用作所述上位機(jī)通信接口，第i+Ι信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第一通信接口與第i信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置的第二通信接口連接對(duì)第i信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，I < i < N。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號(hào)量采集端口的擴(kuò)展裝置和擴(kuò)展。該裝置包括與上位機(jī)通信的第一通信接口；用于裝置擴(kuò)展的第二通信接口；與第一通信接口和第二通信接口通信耦合的邏輯器件；一個(gè)或多個(gè)模擬量采集單元，和/或一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出單元。每個(gè)模擬量采集單元具有一個(gè)或多個(gè)模擬量輸入端口，用于采集一個(gè)或多個(gè)模擬量信號(hào)至該邏輯器件，并通過來自邏輯器件的控制信號(hào)對(duì)所述模擬量輸入端口進(jìn)行配置。每個(gè)開關(guān)量輸入輸出單元具有一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量輸入輸出端口。根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展裝置，可通過簡(jiǎn)單的物理線連接對(duì)已有硬件設(shè)備擴(kuò)展信號(hào)量采集端口。
文檔編號(hào)G05B19/05GK102608944SQ20121005894
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者于天歌, 何暢, 倪駿, 呼大明, 孫立斌, 徐昕, 胡伯平, 鄭海鷗 申請(qǐng)人:北京瀚景錦河科技有限公司