[发明专利]总线式IO采集与控制扩展装置

说明书

技术领域

本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种总线式IO采集与控制扩展装置，是利用嵌入式技术和现场总线技术设计实现的用于扩展主控制器采集端口与控制端口数量的装置，适合于具有复杂结构的工程机械车的控制系统，也适用于具有分布式结构的控制系统和监测系统中。

背景技术

工程机械车是目前生产建设中非常重要的一类工作设备，往往具有较为复杂的结构和众多的运动部件，而随着生产要求的不断提高，对于这些设备的控制灵活性和机动性也提出了越来越高的要求。常规的集散式控制方式通常是整个设备由一个主控制器完成整个系统的功能控制，主控制器与设备的执行器之间、设备各关键部件的反馈传感器之间采用模拟量信号进行传输，这不仅会影响信号的采集和控制精度，也会为控制系统的布线带来很大困难。随着现场总线技术的发展，分布式控制系统越来越成为现场应用的主流，不仅降低了主控制器的输入输出端口数量需求，也减少了控制系统的布线。特别是在具有较长臂架的工程机械车上，分布式结构的控制系统更加具有突出的优势。但在常规的总线式IO节点中，出于模块化功能的设计理念，输入功能和输出功能往往是独立设计的，数字量模块和模拟量模块也往往被分离设计。这样在控制系统集成时，就需要使用多个具有不同功能的模块进行组合，以实现系统中某个功能区块的数据采集和控制功能。而在实际系统中，特别是在工程机械车的臂架系统中，在某个功能区块往往是数字量信号、模拟量信号并存，传感器、执行器都有，因此，有必要开发一种能够适应这种功能需求的、能够输入数字量和模拟量的，既能采集传感器信号又能驱动执行器输出的、具有总线式接口的IO采集与控制扩展模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种总线式的IO采集与控制扩展装置，在具有复杂结构的分布式控制系统中，特别是在高端工程机械装备中，与系统的主控制器通过现场总线相连接，通过主控制器下发的采集命令和控制命令，能够采集功能区块内的数字量、模拟量传感器的信号，能够控制和驱动安装在被控对象上的各种外部控制设备，完成各种操作功能，实现分布式控制系统的区域控制。

为达到上述目的，本发明提出一种总线式IO采集与控制扩展装置，其特征在于，该装置包括：ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、开关量输入模块、模拟量输入模块、脉宽调制PWM输出模块和模拟量输出模块，其中，

所述ARM控制模块包括ARM处理器以及连接到所述ARM处理器的复位电路、时钟电路、编程接口，所述ARM控制模块向外扩展系统总线，所述CAN总线通信模块、所述开关量输入模块、所述模拟量输入模块、所述PWM输出模块和所述模拟量输出模块分别通过该系统总线与所述ARM控制模块相连；

所述电源变换模块将9～30V的输入直流电压转换为5V的直流电压，向ARM控制模块和其他模块供电；

所述开关量输入模块与开关量输入设备相连，所述ARM控制模块通过扫描开关量输入模块与系统总线连接的端口的引脚电平来采集所述开关量输入设备的开关状态数据；

所述模拟量输入模块与模拟量输入设备相连，所述ARM控制模块通过系统总线的串行同步接口SPI访问所述模拟量输入模块来采集所述模拟量输入设备的电压或电流变化数据；

所述ARM控制模块将采集到的开关状态数据和电压或电流变化数据进行处理后，按照规定的数据格式通过所述CAN总线通信模块发送给系统主控制器；

同时，该扩展装置通过所述CAN总线通信模块接收来自系统主控制器的控制命令，所述ARM控制模块对所述控制命令解析后得到控制信号，通过所述PWM输出模块将相应的控制信号输出给与所述PWM输出模块相连的PWM控制设备，通过所述模拟量输出模块对与其相连的模拟量控制设备进行实时调整，实现对所述模拟量控制设备的驱动。

本发明的显著特点在于使用嵌入式ARM处理器平台构成总线式IO采集与控制扩展装置的核心，基于实时多任务操作系统，结合CANOPEN通信协议，形成了信号采集、数据处理、驱动输出、总线通信等多个工作任务并行处理的实时控制系统，能对将从主控制器下发的控制命令及时准确的输出到各个控制端口上，驱动与之连接的控制设备执行相应的动作，同时将各个输入端口的信号采集到扩展装置中，经过滤波处理后再由CAN总线按照规定的格式传送给主控制器，进而实现分布式控制系统中该扩展装置所在安装区域的信号采集和控制任务。