專利名稱：一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及計算機應用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸 入輸出裝置。
背景技術(shù)：
目前，為了進行設備之間的通信，傳統(tǒng)的輸入/輸出I/O裝置需要通過導線將設備 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行現(xiàn)場 組裝與調(diào)試，且隨著系統(tǒng)的復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和診斷的信息，于是一 旦I/O裝置出現(xiàn)故障，維護人員需要逐一對I/O裝置中各個部件進行故障檢測，大大影響維 護人員對故障排查的效率，增加了故障排查的難度。CANopen現(xiàn)場總線作為一種低成本的通信總線，它將工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，從而消 除了昂貴的硬接線成本。直接互連性改善了設備間的通信，同時又提供了相當重要的設備 級診斷功能，這是通過現(xiàn)有硬接線輸入/輸出I/O裝置的I/O接口很難實現(xiàn)的。此外，CANopen是一種簡單的網(wǎng)絡解決方案，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)自動化設備的成本和時間。CANopen是一種開放的網(wǎng) 絡標準，其規(guī)范和協(xié)議都是開放的。供貨商將設備連接到系統(tǒng)時無需硬件、軟件或授權(quán)付 費。任何對CANopen感興趣的人或組織都可以從自動化CAN用戶和制造商協(xié)會(CiA)獲得 CANopen 規(guī)范。但是，對于上述的CANopen總線，其目前具有的輸入/輸出1/0裝置同樣不具備任 何保護和診斷功能，因此，目前迫切需要開發(fā)出一種CANopen現(xiàn)場總線的輸入和輸出1/0裝 置，其具有短路保護與自診斷功能，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，方便維護人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型的目的是提供一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置， 其具有短路保護與自診斷功能，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，方便維護人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查，當短路故 障排除后裝置自動恢復正常工作，本實用新型具有重大的實際意義。為此，本實用新型提供了一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置，包括CANopen接口單元，用于與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，設置本節(jié)點的總 線節(jié)點號Node-ID和通信波特率，與輸入輸出短路保護與自診斷單元之間進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的 通信，以及采集來自輸入輸出短路保護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)；輸入輸出短路保護與自診斷單元，用于與外圍設備之間進行數(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，當短路故障排除后裝置 自動恢復正常工作，并實時將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給CANopen 接口單元。 優(yōu)選地，所述CANopen接口單元包括有帶有局域網(wǎng)CAN控制器的微處理器，用于向輸入輸出短路保護與自診斷單元采集 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)絡狀態(tài)指示燈的狀態(tài)，初始化并與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，接收CANopen現(xiàn) 場總線的報文并向CANopen現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN協(xié)議的報文；撥碼開關(guān)電路，與微處理器雙向連接，用于設置本節(jié)點的通信波特率及總線節(jié)點 號；模塊/網(wǎng)絡狀態(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)；帶有隔離裝置的CAN總線收發(fā)器，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CANopen現(xiàn)場總線電平之間的轉(zhuǎn)換，并與CANopen現(xiàn)場總線進 行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，同時實現(xiàn)微處理器與CANopen總線之間的隔離功能。優(yōu)選地，微處理器與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信具體為所述微處理器 接收來自CANopen現(xiàn)場總線的報文并進行解析，以及將要發(fā)送給CANopen現(xiàn)場總線的報文 進行打包，以符合CANopen協(xié)議規(guī)范。優(yōu)選地，所述CANopen接口單元中還包括有一個數(shù)據(jù)擴展存儲器，與帶有CAN控制 器的微處理器相連接，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器用于存儲帶有CAN控制器的微處理器中的通信 數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器所存儲的帶有CAN控制器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CANopen現(xiàn)場總線相交互的數(shù)據(jù)、來自輸入輸出短路保 護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，輸出短路診斷信號給微處理器；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BTS410，該功率開關(guān)芯片BTS410 一端接外部電源，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AT90CAN128。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74LS273，所述三態(tài)雙向 總線收發(fā)器74LS273的輸入端接微處理器AT90CAN128，其輸出端接三極管Q1的基極，所述 三極管Q1的發(fā)射極接地，所述三極管Q1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BTS410，該功率開關(guān)芯片BTS410 —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。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的輸出端接微處理器 AT90CAN128o由以上本實用新型提供的技術(shù)方案可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型提供了 一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置，其具有短路保護與自診斷功能，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 人員進行裝置的故障監(jiān)控和排查，當短路故障排除后裝置自動恢復正常工作，具有重大的 實際意義。

圖1為本實用新型提供的一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置的總體結(jié)構(gòu) 圖；圖2為撥碼開關(guān)(設置節(jié)點NODE-ID及通信波特率)電路的電路圖；圖3為模塊/網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈的電路圖；圖4為帶有CAN控制器的微處理器和帶隔離的總線收發(fā)器之間的接口電路圖；圖5為輸入接口電路的電路圖；圖6為輸出接口電路的電路圖；圖7為輸入狀態(tài)診斷電路的電路圖；圖8為輸出狀態(tài)診斷電路的電路圖。
具體實施方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型方案，
以下結(jié)合附圖和實施方式 對本實用新型進行說明。圖1為本實用新型提供的一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置的總體結(jié)構(gòu) 圖。參見圖1，本實用新型提供了一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置，該裝置包 括CANopen接口單元101和輸入輸出短路保護與自診斷單元102，其中CANopen接口單元101，用于與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，設置本實用 新型裝置節(jié)點的總線節(jié)點號(N0DE-ID)(即本節(jié)點的網(wǎng)絡地址)和通信波特率，與輸入輸出 短路保護與自診斷單元之間進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信(即輸入和輸出)，以及采集來自輸入輸 出短路保護與自診斷單元102的輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；[0039]輸入輸出短路保護與自診斷單元102，與CANopen接口單元101相連接，用于與外 圍設備之間進行數(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，當短路故障排除后裝置自動恢復正常工作，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CANopen接口單元101。在本實用新型中，所述CANopen接口單元101包括有帶有局域網(wǎng)CAN控制器的微處理器1011，用于向輸入輸出短路保護與自診斷單元 102采集和下發(fā)現(xiàn)場數(shù)據(jù)(即進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信)，接收CANopen現(xiàn)場總線的報文并向 CANopen現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN協(xié)議的報文，采集來自輸入輸出短路保護與自診斷單元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所設置的本實用新型 裝置節(jié)點的總線節(jié)點號和通信波特率，控制模塊/網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈1013的狀態(tài)，初始化并 與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信(即數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送)。具體實現(xiàn)上，在本實用新 型中，帶有CAN控制器的微處理器1011采用帶有CAN控制器的微處理器AT90CAN128。具體實現(xiàn)上，所述微處理器1011采集輸入輸出短路保護與自診斷單元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CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信具體為所述微處理器 1011接收來自CANopen現(xiàn)場總線的報文并進行解析，以及將要發(fā)送給CANopen現(xiàn)場總線的 報文進行打包，以符合CANopen協(xié)議規(guī)范。在本實用新型中，所述CANopen接口單元101中還包括有一個數(shù)據(jù)擴展存儲器，與 帶有CAN控制器的微處理器1011相連接，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器用于存儲帶有CAN控制器的 微處理器1011中的通信數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器所存儲的帶有CAN控制器的微處理器 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CANopen現(xiàn)場總線相交互的數(shù) 據(jù)、來自輸入輸出短路保護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)。需要說明的是，按照CANopen協(xié)議規(guī)范，CANopen現(xiàn)場總線上傳輸?shù)膱笪姆譃閳笪?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，當微控制器1011需要向CANopen現(xiàn)場總線 傳輸其內(nèi)部的報文時，需要對該報文進行封裝(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)點或目標節(jié)點地址、信息類型等)，然后再向CANopen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)下進入正常工作狀態(tài)。在微控制器開始執(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值通過賦值語句寫入到標志這些狀態(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，用于設置本實用新型裝置節(jié)點的 通信波特率及總線節(jié)點號(即節(jié)點網(wǎng)絡地址)，參見圖2，為撥碼開關(guān)電路的電路圖；模塊/網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈1013，與微處理器雙向連接，用于實時反映本實用新型裝 置節(jié)點的工作狀態(tài)及通信狀態(tài)，參見圖3，圖3為模塊/網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈電路圖；[0049]帶有隔離裝置的CAN總線收發(fā)器1014，與帶有CAN控制器的微處理器1011雙向連 接，用于實現(xiàn)微處理器內(nèi)嵌的局域網(wǎng)(CAN)控制器的電平與CANopen現(xiàn)場總線電平之間的 轉(zhuǎn)換，并與CANopen現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸；參見圖4，圖4為帶有CAN控制器的微 處理器和帶隔離的總線收發(fā)器之間的接口電路圖，具體實現(xiàn)上，CTM1050接口芯片即為帶有 隔離裝置的CAN總線收發(fā)器1014 ；圖4為微控制器和總線收發(fā)器之間的接口電路圖；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隨即進行協(xié)議程序的執(zhí)行，接收局域網(wǎng) (CAN)控制器中的相關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送經(jīng)處理后的應答信息，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1014 處理成符合局域網(wǎng)(CAN)總線電平要求的信號后傳遞到CANopen總線上。在本實用新型中，輸入輸出短路保護與自診斷單元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 接口進行供電，向微處理器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)給可接外圍通信對象的輸出接口，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供電；參見圖5、圖6，圖示輸入接口電路1021和輸出接口電路1022中的BTS410為智能 高端功率開關(guān)芯片，最大可提供2A負載電流，BTS410自身帶有短路保護電路、過流保護、過 壓保護等功能。當模塊接口短路時，BTS410內(nèi)部集成的檢測電路會自動保護模塊電路，斷 開電源，而當短路故障排除時，BTS410能立即恢復供電，使接口能正常工作。輸入接口電路如圖5所示，所述輸入接口電路1021包括有功率開關(guān)芯片BTS410， 該功率開關(guān)芯片BTS410 —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AT90CAN128。如圖5所示，外部的24V電源通過智能高端功率開關(guān)芯片BTS410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，當機械開關(guān)閉合或傳感器動作時，光耦PC817導通，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)與微處理器AT90CAN128進行數(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三態(tài)雙向總線收發(fā) 器74LS245進行采集。輸出接口電路如圖6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 74LS273，所述三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS273的輸入端接微處理器AT90CAN128，其輸出端接 三極管Q1的基極，所述三極管Q1的發(fā)射極接地，所述三極管Q1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BTS410，該功率開關(guān)芯片BTS410 —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6所示，外部的24V電源通過智能高端功率開關(guān)芯片BTS410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D觸發(fā)器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Q19013導通，從而光耦PC817導通，功率開關(guān)芯片BTS410的開關(guān)信號輸入端被激活， BTS410開啟，從而為輸出接口(Header 2)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，與微處理器1011雙向連接，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，輸出短路診斷信號給微處理器1011 ；圖7、圖8分別為輸入狀態(tài)電路和輸出狀態(tài)診斷電路，如圖7和圖8所示，LM339為 高精度的電壓比較器，當其正信號端電壓大于負信號端電壓時，其輸出端輸出高電平，當其 負信號端電壓大于正信號端電壓時，其輸出端輸出低電平。圖7、圖8中，所述電壓比較器 LM339的負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的輸出端接微處理器AT90CAN128。在本實用新型中，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，當輸入接口電路1021發(fā)生短路時，BTS410處于保護狀態(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的負信號端接地，由于 電壓比較器LM339的正端接0. 2V的基準電壓，電壓比較器LM339輸出高電平，此時輸入狀 態(tài)診斷電路1023的光耦PC817輸入端導通，短路提示LED燈DS2導通用于指示通道短路， 光耦PC817輸出端所輸出的短路信號為高電平，從而三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245的輸入 狀態(tài)信號為高電平，微處理器將通過三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245采集輸入狀態(tài)信號“1”， 作為輸入狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。選通三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245時，8位數(shù)據(jù)可由A通道傳輸?shù)?B通道，或者進行反向傳輸，所采集的三態(tài)雙向總線收發(fā)器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)。當短路故障排除時，功率開關(guān)芯片BTS410自動恢復工作狀態(tài)，電源工作LED燈DS1 導通，電壓比較器LM339由于負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，短路提示燈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，控制短路提示LED燈DS3導通，輸出診斷信號為高電平，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)。當短路故障排除 時，電源工作提示燈DS4導通，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，對于本實用新型提供的裝置，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)方式本實用新型裝置不僅可以與CANopen主節(jié)點進行點 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CANopen網(wǎng)絡生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡 模型的優(yōu)勢，支持CANopen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。[0067]具體實現(xiàn)上，本實用新型提供的基于多種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式的CANopen現(xiàn)場總線輸入 輸出I/O裝置，首先應用微處理器單片機1011讀取外圍的撥碼開關(guān)量，通過撥碼開關(guān)電路 1012進行本裝置節(jié)點的NODE-ID (節(jié)點地址號)和通信波特率的設置，通過模塊/網(wǎng)絡狀態(tài) 指示燈1013顯示模塊的網(wǎng)絡狀態(tài)。然后，帶有CAN控制器的微處理器1011通過輸入接口電路1021采集可接外圍 通信對象的輸入接口所輸入的現(xiàn)場數(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1021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)；同時，通過輸出接口電路1022給輸出接口下發(fā)輸出現(xiàn)場數(shù) 據(jù)，而通過輸出狀態(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1024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)。內(nèi) 嵌于微處理器1011的CAN控制器可自動完成部分CAN總線協(xié)議，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù) CANopen協(xié)議格式進行封裝，并向總線發(fā)送，以及接收CANopen總線上的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù) 按照CANopen協(xié)議進行解析，提取數(shù)據(jù)并向通過輸出接口電路1021向外圍的現(xiàn)場設備下 發(fā)。帶隔離的CAN總線收發(fā)器1014CTM1050可以實現(xiàn)總線隔離，并雙向發(fā)送或接受CANopen 報文。本實用新型在上述過程中，微處理器1011首先讀取外圍撥碼開關(guān)數(shù)值進行節(jié)點 N0DE-ID(即節(jié)點地址號)和通信波特率的設置，隨后初始化CANopen對象屬性、初始化 CANopen通信參數(shù)、設置定時器和CAN控制寄存器，從而完成設備初始化過程。然后進行 CANopen自檢，自檢通過后向CANopen總線上發(fā)送重復NODE-ID檢測報文，檢測總線上有無 相同的N0DE-ID。檢測通過后節(jié)點就連上了 CANopen總線。連接到CANopen總線后，需要與本節(jié)點進行通信的節(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)，并返回響應信息，以確認所建立的連接。連接建立后，本實用新型的裝置(即本節(jié)點)就可與總線上的其他節(jié)點交換輸入 /輸出1/0數(shù)據(jù)，微處理器通過輸入接口電路向可接外圍通信對象的輸入接口采集輸入數(shù) 據(jù)，并通過輸出接口電路向可接外圍通信對象的輸出接口下發(fā)輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用程序 要求完成其他各項功能。當主節(jié)點發(fā)送的信息為輪詢命令信息時，本裝置以輪詢響應報文 予以回應，當主節(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 選通響應信息。對于上述本實用新型提供的裝置，該裝置在輸入或者輸出接口電路發(fā)生短路時， 參見圖5、圖6，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)閉光耦相應的輸出端， 立即斷開通路，能夠有效地保護模塊的其他電子元件不會因短路而燒毀。結(jié)合圖7、圖8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CANopen現(xiàn)場總線可以實現(xiàn)有效傳輸與映射，為維護人員進行故障 監(jiān)控提供有效信息。此外，當短路故障排除后可以立即自動恢復工作狀態(tài)，本實用新型的短 路保護采用電子式短路保護，具有響應速度快，短路時功耗小的優(yōu)點，并且電路簡單，成本 低廉。本裝置可實現(xiàn)僅限組2報文的處理，完成基于CANopen現(xiàn)場總線的多路1/0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，還可以處理來自總線的位選通報文，在正確判斷后做出響應， 充分發(fā)揮了生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡模型的優(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。對于本實用新型提供的裝置，采用了集成CAN控制器的微處理器AT90CAN128作為 本裝置的主控，此外，只采用了一片CTM1050接口芯片就實現(xiàn)了帶隔離的CAN收發(fā)電路，從 而簡化了電路，降低了生產(chǎn)成本，提高了良率。在短路保護功能設計中，輸入輸出接口采用 光耦，運放，發(fā)光二極管等元件實現(xiàn)I/O接口的短路保護功能，當接口發(fā)生短路時，能夠及 時斷開電路，保護I/O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 排除后自動恢復原正常工作狀態(tài)。上述本實用新型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CANopen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，負載裝置短路等引起嚴重電源短 路的故障實現(xiàn)有效的診斷與保護。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型提供了一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸 入輸出裝置，其具有短路保護與自診斷功能，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，方便維護人員進行裝置的故障監(jiān)控和排 查，當短路故障排除后裝置自動恢復正常工作，具有重大的實際意義。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和 潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
1權(quán)利要求一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置，其特征在于，包括CANopen接口單元，用于與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，設置本節(jié)點的總線節(jié)點號Node ID和通信波特率，與輸入輸出短路保護與自診斷單元之間進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信，以及采集來自輸入輸出短路保護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)；輸入輸出短路保護與自診斷單元，用于與外圍設備之間進行數(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，當短路故障排除后裝置自動恢復正常工作，并實時將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給CANopen接口單元。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述CANopen接口單元包括有帶有局域網(wǎng)CAN控制器的微處理器，用于向輸入輸出短路保護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 狀態(tài)指示燈的狀態(tài)，初始化并與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，接收CANopen現(xiàn)場總 線的報文并向CANopen現(xiàn)場總線發(fā)送符合CAN協(xié)議的報文；撥碼開關(guān)電路，與微處理器雙向連接，用于設置本節(jié)點的通信波特率及總線節(jié)點號；模塊/網(wǎng)絡狀態(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)；帶有隔離裝置的CAN總線收發(fā)器，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CANopen現(xiàn)場總線電平之間的轉(zhuǎn)換，并與CANopen現(xiàn)場總線進行數(shù) 據(jù)的雙向傳輸，同時實現(xiàn)微處理器與CANopen總線之間的隔離功能。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，微處理器與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù) 通信具體為所述微處理器接收來自CANopen現(xiàn)場總線的報文并進行解析，以及將要發(fā)送 給CANopen現(xiàn)場總線的報文進行打包，以符合CANopen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CANopen接口單元中還包括有一個數(shù)據(jù) 擴展存儲器，與帶有CAN控制器的微處理器相連接，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器用于存儲帶有CAN 控制器的微處理器中的通信數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)擴展存儲器所存儲的帶有CAN控制器的微處理 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CANopen現(xiàn)場總線相交互的 數(shù)據(jù)、來自輸入輸出短路保護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，輸出短路診斷信號給微處理器；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。專利摘要本實用新型公開了一種新型CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置，包括CANopen接口單元，用于與CANopen現(xiàn)場總線之間進行數(shù)據(jù)通信，與輸入輸出短路保護與自診斷單元之間進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信，以及采集輸入接口狀態(tài)和輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)；輸入輸出短路保護與自診斷單元，用于與外圍設備之間進行數(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，并實時將輸入接口狀態(tài)和/或輸出接口狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)傳送給CANopen接口單元。本實用新型的CANopen現(xiàn)場總線輸入輸出裝置具有短路保護與自診斷功能，可在接口電源發(fā)生短路時斷開電源并提供自診斷信息，并在短路故障排除后自動恢復工作。
文檔編號H04L12/40GK201657001SQ20102012177
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者倪建云, 王峰, 賈超, 陳在平 申請人:天津理工大學