可編程邏輯控制器硬體擴展方法
2023-05-22 11:56:46
專利名稱：可編程邏輯控制器硬體擴展方法
技術領域：
本發明涉及可編程邏輯控制器，更具體地說，涉及一種可編程邏輯控制器硬體擴展方法。
背景技術：
可編程邏輯控制器(PLC)在當今的各行各業中具有廣泛的應用，例如應用於汽車、化工、紡織等生產設備及過程控制。它由輸入埠、處理器和輸出埠組成，主要功能是讀入輸入埠的電信號，然後將其轉換為數位訊號並送到處理器中按照用戶事先設定的邏輯進行處理，然後再將處理結果轉換為電信號送到其輸出埠，以驅動與之連接的外部設備完成相應的功能，從而可取代傳統的繼電器控制系統。
現有中小型PLC的輸入輸出埠數(俗稱點數)的滿配置一般可達256點或更多，且可同時接入模擬量輸入輸出、高速脈衝輸入輸出、定位擴展、網絡與總線通訊等特殊擴展模塊，這些埠及特殊擴展模塊無法在一個結構殼體內實現，往往需要設計成主模塊加擴展模塊的分體結構，通過積木組合方式才能實現，PLC內的主模塊與擴展模塊之間可靠高效的邏輯連接，是PLC硬體設計的關鍵之一。
PLC的結構大致可有背板結構和逐級連接兩種類型。前者為固定地址結構，容易實現擴展邏輯，但其佔用安裝空間較大，成本較高。而採用逐級連接方式則可使得擴展系統的結構更為緊湊，且可按順序任意安裝，接線靈活，如圖1所示，其中包括一個主模塊100、兩個輸入輸出(IO)擴展模塊202、兩個特殊擴展模塊204，從圖中可以看出，各個擴展模塊之間依次逐級連接。
對於這種有多個擴展模塊逐級連接的PLC系統，為方便用戶編程，需對各個擴展模塊的輸入埠按連接順序依次編號，並對各個擴展模塊的輸出埠也按連接順序依次編號。具體編號時，需對IO擴展模塊和特殊擴展模塊分別進行編號，也就是說，IO擴展模塊是一個順序，特殊擴展模塊則是另一順序。只有進行編號，也就是編址之後，主模塊才能正確訪問各擴展模塊。另外，IO擴展模塊有多種輸入輸出點數的配置，特殊擴展模塊依據功能與配置又有多種類型，要做到正確讀寫各擴展模塊，主模塊還必須知道各擴展模塊的類型與配置信息。
可見，現有技術中需要通過人工方式完成前述編址工作，也就是由人工方式根據具體的連接、分別按IO擴展模塊和特殊擴展模塊進行編址，編程人員在編程時需記住相應擴展模塊的信息，而且在安裝時也需與編程時的邏輯順序相一致。其缺點是容易造成安裝不方便，甚至發生混淆，用戶程序的通用性差。
另一方面，現有技術中，主模塊與擴展模塊之間的通訊方式主要有串行同步通訊、串行異步通訊等，還有「並行的地址線+數據線+RD/WR」硬體時序等方法都可實現。其中的串行同步通訊方式(在許多CPU的硬體說明中標識為SPI)是一種比較簡單的數據通訊方式，對應一個雙向通訊，最少需3個信號線，CLK(時鐘)、TXD(接收)、RXD(發送)，接收端按照CLK的節拍將發送端的數據按位逐個儲存起來；同時也將本發送單元的數據按位逐個放到接收上。其缺點是，一旦CLK信號線受到幹擾，便會使CLK的個數增加，進而導致接收端收到的數據發生錯誤。
發明內容
針對現有技術中針對PLC內逐級連接的擴展模塊進行人工編址時所存在的上述缺陷，本發明提供一種新的PLC擴展方法，其中可對IO擴展模塊和特殊擴展模塊分別自動編址，並可完成配置查詢、輸入輸出讀寫等功能。
為解決上述技術問題，本發明提供一種可編程邏輯控制器硬體擴展方法，所述可編程邏輯控制器中包括主模塊和通過擴展母線逐級連接的多個擴展模塊，其中，在每一次上電時，所述主模塊對與之逐級連接的所述各個擴展模塊進行自動編址；在上電之後的工作過程中，所述主模塊以通訊幀的形式發送控制命令；被指定的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，並以通訊幀的形式回傳響應信息。
本發明中，所述擴展模塊的類型通常包括輸入輸出擴展模塊和特殊擴展模塊；所述主模塊在進行自動編址或發送通訊幀時，先通過擴展母線向各個擴展模塊傳送一個類型選擇信號，以確定當前要處理的是輸入輸出擴展模塊還是特殊擴展模塊。
本發明中，可通過以下步驟進行自動編址(S11)所述主模塊通過擴展母線向各個擴展模塊傳送編址信號，並通過擴展母線中的數據總線傳送一個初始地址數據；(S12)所述主模塊將所述初始地址數據保存在符合當前所選類型且在位置上最靠近主模塊那一個擴展模塊中作為其通訊地址，並控制該擴展模塊在自身地址數據基礎上增加預定數值得出下一地址數據、再通過擴展母線中的數據總線將其向後傳送；(S13)針對符合當前所選類型且在位置上逐級遠離主模塊的每一個擴展模塊，所述主模塊將由其前一個擴展模塊送出的地址數據保存在該擴展模塊中作為其通訊地址，並控制該擴展模塊在自身地址數據基礎上增加預定數值得出下一地址數據、再通過擴展母線中的數據總線向後傳送；按同樣的方法依次處理，使符合當前所選類型的每一個擴展模塊中都有唯一的通訊地址。
在所述自動編址過程中，所述主模塊可通過擴展母線中的一根模塊復位信號線向各個擴展模塊傳送輸出關閉信號，以關閉各個擴展模塊的輸出埠；所述步驟(S11)中的初始地址數據最好為1；所述步驟(S12)、(S13)中的預定數值最好也為1。
本發明中，所述主模塊發送的通訊幀可以是配置查詢通訊幀，其中包含配置查詢命令和要查詢的擴展模塊通訊地址；此時，符合當前所選類型和通訊地址的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，以通訊幀的形式將自身配置信息回傳給所述主模塊。
本發明中，所述主模塊發送的通訊幀可以是讀寫通訊幀，其中包含讀寫命令、要讀寫的擴展模塊通訊地址、以及要寫入的輸出數據；此時，符合當前所選類型和通訊地址的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，將所述輸出數據傳送到其輸出埠，並以通訊幀的形式將其輸入埠的狀態數據作為應答數據回傳給所述主模塊。
本發明所述的方法中，所述主模塊中最好以微處理器(MCU)作為其核心部件；所述各個擴展模塊中最好以複雜可編程邏輯器件(CPLD)作為其核心部件。所述主模塊可通過擴展母線中的一根類型選擇信號線傳送其類型選擇信號，並以所述類型選擇信號的電平高低來確定當前要處理的是輸入輸出擴展模塊還是特殊擴展模塊。
本發明所述的方法中，所述擴展母線中的數據總線最好為8位雙向並行數據總線。所述主模塊發出的通訊幀中最好還包含至少兩個常數及一個根據所述兩個常數按預定公式計算所得的校驗數。
本發明所述的方法中，所述主模塊可通過所述擴展母線中的一根時鐘信號線向各個擴展模塊提供控制時鐘信號；還可通過所述擴展母線中的一根時鐘信號線向各個擴展模塊傳送通訊幀信號，以表明主模塊要向各個擴展模塊傳送通訊幀；每一擴展模塊可通過擴展母線中的一根反送數據信號向所述主模塊傳送反送數據信號，以表明該擴展模塊要向主模塊傳送數據。
由上述方案可知，本發明針對逐級連接的可編程邏輯控制器提出了一種以主MCU和擴展模塊CPLD實現的並行數據總線、自動編址、通訊幀帶校驗的擴展模式，以此實現主模塊與擴展模塊的邏輯擴展連接。本發明的方案具有以下優點1)可根據實際連接狀況，進行準確的自動編址；2)可通過配置查詢查明各個擴展模塊的類型及其配置信息；3)主模塊在讀寫擴展模塊時必須接到應答確認信號，以保證讀寫正確和成功，若在規定的時間內沒有接到應答信號，可採取重複讀寫，直到成功；4)在配置查詢和讀寫通訊幀中都有校驗字供雙方判斷，只要校驗正確的通訊幀會被接受；5)採用並行數據總線方式傳送數據，可實現高效率讀寫。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是PLC擴展的逐級連接示意圖；圖2是本發明一個優選實施例中PLC擴展的電連接拓撲圖；圖3是圖2中所示PLC對擴展模塊進行自動編址的時序圖；圖4是圖2中所示PLC對擴展模塊進行配置查詢的時序圖；圖5是圖2中所示PLC對擴展模塊的輸入輸出埠進行讀寫的時序圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例如圖2至圖5所示。如圖2所示，圖中的主MCU(微處理器)位於PLC主模塊100內，負責PLC的事務處理與用戶程序的執行，還訪問逐級連接的擴展模塊202、204，讀寫其輸入輸出埠。而擴展模塊內的CPLD(複雜可編程邏輯器件)則是與主模塊之間進行聯絡的信息通道，主模塊100與所有擴展模塊的聯繫都是通過擴展模塊內的CPLD器件進行的。圖2中的連接座206用於連通各模塊之間的擴展母線。
圖2中的主MCU與各擴展模塊內的CPLD之間的信息交換採用「主從通訊」方式，主MCU對某個擴展模塊內的CPLD的信息進行讀取或操作時，會發送含有「幀頭」、「地址」、「命令類型」、「數據」、「校驗」等內容的通訊幀，各個擴展模塊根據通訊幀的地址信息來判斷自己是否被選中，被選中的擴展模塊內的CPLD還會檢驗通訊幀中「數據」的校驗和，若符合要求，才將通訊幀中的「數據」鎖定到輸出埠，也就是將經PLC處理後的控制數據傳送到輸出埠以對相應的設備進行控制，接著將輸入埠的狀態數據及其校驗和按約定的時序放在擴展母線上，供主MCU讀取。整個通訊過程由主MCU提供硬體握手信號和時鐘脈衝節拍，並控制數據總線的信號流向，擴展模塊內的CPLD不能主動發送數據。
因此，擴展模塊中使用的CPLD應具備一定的邏輯智能，圖2中，在主MCU的控制邏輯下，擴展模塊內的CPLD能自動實現編址功能。主MCU在上電後，可通過一個控制信號狀態組合引發擴展模塊內的CPLD進行自動編址操作。當一個擴展模塊內的CPLD上電後，其內存的通訊地址默認為「0」，而編址完成後，其地址將大於「0」。優選的例子是將最靠近主MCU的那一個擴展模塊地址為「1」，下一個擴展模塊的地址則自動加1，依次處理，直至最後一個擴展模塊，從而使得每一個擴展模塊都有唯一的地址。在主MCU的控制下，各個擴展模塊會將其地址一直保存在其CPLD內部寄存器中，除非電源消失時地址信息被遺忘，或主MCU要求重新編址。
具體編址時，對IO擴展模塊和特殊擴展模塊分別進行編址，特殊擴展模塊也是通過內部的CPLD與主MCU進行通訊聯繫的。具體操作時，IO擴展模塊和特殊擴展模塊內的CPLD可根據主MCU發出的類型選擇信號(S_KIND)來區別當前是在對哪一類擴展模塊進行編址或訪問。若當前選定的是IO擴展模塊，則只對IO擴展模塊進行編址或訪問，特殊擴展模塊只起到信息直接傳遞的功能；反之，若當前選定的是特殊擴展模塊，則只對特殊擴展模塊進行編址或訪問，IO擴展模塊只起到信息直接傳遞的功能。
一、電連接拓撲如圖2所示，其中，已作隔離處理的輸入信號經擴展模塊的上部送入其CPLD，而控制輸出信號則由下部的輸出埠送出，並經放大與隔離電路後傳送到受其控制的外部設備。從圖2中可以看出，在主模塊100內部也有一個CPLD，它的作用與各個擴展模塊內的CPLD的作用相同，在進行編址時，會將其視為IO擴展模塊內的CPLD進行編址。
圖2中所示各連接信號的功能及作用可參見表一表一
二、自動編址自動編址時的各信號時序如圖3所示，該時序由從主MCU發出的RST_CPLD、ALATCH、FRAME等信號組合而成，S_KIND號則用於選定當前要對其進行編址的擴展模塊類型。本實施例中，如果S_KIND信號為低電平，則只對IO擴展模塊進行編址；如果S_KIND信號為高電平，則只對特殊擴展模塊進行編址。如前所述，每一個被選中的擴展模塊內的CPLD會逐級地將數據總線輸入口的DATA
數據加1後放到數據總線輸出口；在ALATCH信號的下降沿，各個擴展模塊將其收到的數據鎖存為自身地址。
為實現上述自動編址功能，要求各擴展模塊內的CPLD能對數據總線的信息作加1運算，並有受主MCU控制的信息鎖存功能。
三、配置查詢配置查詢的時序如圖4所示，在進行配置查詢時，由主MCU發送類型選擇信號和配置查詢命令，各個擴展模塊根據通訊幀的內容來判斷自己是否被選中，被選中的擴展模塊內的CPLD會將預設在其內部的「配置信息字」(CONFIG)按時序要求傳送給主MCU，通過按地址順序逐個訪問各個擴展模塊內的CPLD，便可知道整個PLC中接入了哪些擴展模塊、每種擴展模塊的數量、每個擴展模塊的輸入輸出通道數等信息。
如圖4所示，在FRAME信號的上升沿後，主MCU經數據總線依次發送NULL(空信息)、「AA(常數)」、「55(常數)」、「ADDRS(指定的擴展模塊地址)」、「CMD(命令字)」、「CHKSUM(校驗和)」等字節；然後，主MCU將FRAME信號電平降為0，數據總線改變傳輸方向，各個擴展模塊內的CPLD逐字檢查上述內容，若逐個符合要求，則表示該擴展模塊被選中，被選中的擴展模塊會在此後的第二個時鐘下降沿將前述配置信息字放在數據總線上，同時將ACK信號線拉成低電平，通知主MCU讀取；而未被選中的擴展模塊內的CPLD則無動作，但會提供數據傳送的物理通道。在下一個CLKB時鐘後，正在回答擴展模塊內的CPLD會釋放ACK信號線，使其恢復為高電平。
本實施例中發送「AA」、「55」常數字的作用在於隨時檢測數據總線的連接狀況，其原理是通過對收到的常數及校驗和進行對比，如果兩者一致，則表示擴展母線當前連接正常，從而可避免連接不良時發生錯誤動作。具體實施時，該常數並不限於「AA」、「55」，還可以是其他常數。
關於通訊幀中各個字節的數據及其作用，可參見表二。從其中可以看出，其中的第0位元組為空；第1位元組為一個常數「AA」；第2位元組為另一常數「55」；第3位元組用於指定要擴展模塊的通訊地址；第4位元組為命令，其值為「04H」為配置查詢，為「08H」時為IO讀寫；第5位元組在配置查詢時為校驗和，在IO讀寫時為要傳送給擴展模塊的控制輸出數據；第6位元組在IO讀寫時為要傳送給擴展模塊的另一個控制輸出數據；第7位元組在配置查詢時為擴展模塊反饋回來的配置信息，在IO讀寫時為校驗和。
可見，因為通訊信息容量不同，「查詢配置」幀要短一些；而「IO讀寫」幀要長一些。表格中有陰影的字節(如8-14位元組)為CPLD(即擴展模塊)的反饋給主模塊的數據字節。在查詢配置時，只需要指定CMD就可以了，在IO讀寫時，還需指定要寫到擴展模塊輸出埠的數據DATAO/DATAl。
表二
四、讀寫輸入輸出埠讀寫輸入輸出埠的時序如圖5所示，它與配置查詢時讀取擴展模塊的配置信息字的操作方式大體相似，但主MCU發出通訊幀中的「CMD」欄位為讀寫命令，且增加了「ODAT0」「ODAT1」兩個字節，該數據為寫入指定擴展模塊的輸出埠的數據，也就是控制輸出數據。在該時序裡，各個擴展模塊內的CPLD會按CLKB節拍逐個比較數據總線上的每個數據及其校驗字，完全符合的擴展模塊為被選中擴展模塊，它會在FRAME信號變低後將其輸入埠的狀態作為應答數據依次放在數據總線上，同時將ACK信號線拉成低電平，通知主MCU讀取，三個字節的應答數據反饋完畢後，會釋放ACK信號線，使之恢復為高電平。而不符合要求的擴展模塊內的CPLD則無動作，但提供數據傳送的物理通道。
從上述時序圖中可知，FRAME信號是通訊幀的起始控制信號，同時也是數據總線的信號流向的控制線，在每個上升沿或下降沿，運行中的產品不可避免地會受到外界電磁幹擾，為保證系統的工作可靠，擴展模塊內的CPLD對於接收到的錯誤幀信息不作響應。
針對IO擴展模塊和特殊擴展模塊進行上述自動編址、配置查詢、以及讀寫輸入輸出埠操作的時序分別類似，不同之處在於，針對IO擴展模塊，S_KIND信號為低電平，針對特殊擴展模塊，S_KIND信號為高電平。
上述擴展功能是通過主MCU及CPLD實現的，其中，CPLD的代碼可採用VHDL或Verilog HDL程式語言進行。而主MCU訪問CPLD的代碼則只需按上述時序要求進行編寫即可。
具體實施時，各擴展模塊之間可直接連接，也可經RC網絡連接，還可按圖2所示經電纜及插頭插座及其他電氣元件的連接。
權利要求
1.一種可編程邏輯控制器硬體擴展方法，所述可編程邏輯控制器中包括主模塊和通過擴展母線逐級連接的多個擴展模塊，其特徵在於，在每一次上電時，所述主模塊對與之逐級連接的所述各個擴展模塊進行自動編址；在上電之後的工作過程中，所述主模塊以通訊幀的形式發送控制命令；被指定的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，並以通訊幀的形式回傳響應信息。
2.根據權利要求1所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，所述擴展模塊的類型包括輸入輸出擴展模塊和特殊擴展模塊；所述主模塊在進行自動編址或發送通訊幀時，先通過擴展母線向各個擴展模塊傳送一個類型選擇信號，以確定當前要處理的是輸入輸出擴展模塊還是特殊擴展模塊。
3.根據權利要求2所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，其中通過以下步驟進行自動編址(S11)所述主模塊通過擴展母線向各個擴展模塊傳送編址信號，並通過擴展母線中的數據總線傳送一個初始地址數據；(S12)所述主模塊將所述初始地址數據保存在符合當前所選類型且在位置上最靠近主模塊那一個擴展模塊中作為其通訊地址，並控制該擴展模塊在自身地址數據基礎上增加預定數值得出下一地址數據、再通過擴展母線中的數據總線將其向後傳送；(S13)針對符合當前所選類型且在位置上逐級遠離主模塊的每一個擴展模塊，所述主模塊將由其前一個擴展模塊送出的地址數據保存在該擴展模塊中作為其通訊地址，並控制該擴展模塊在自身地址數據基礎上增加預定數值得出下一地址數據、再通過擴展母線中的數據總線向後傳送；按同樣的方法依次處理，使符合當前所選類型的每一個擴展模塊中都有唯一的通訊地址。
4.根據權利要求3所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，在所述自動編址過程中，所述主模塊還通過擴展母線中的一根模塊復位信號線向各個擴展模塊傳送輸出關閉信號，以關閉各個擴展模塊的輸出埠；所述步驟(S11)中的初始地址數據為1；所述步驟(S12)、(S13)中的預定數值也為1。
5.根據權利要求2所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，當所述主模塊發送的通訊幀為配置查詢通訊幀時，其中包含配置查詢命令和要查詢的擴展模塊通訊地址；符合當前所選類型和通訊地址的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，以通訊幀的形式將自身配置信息回傳給所述主模塊。
6.根據權利要求2所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，當所述主模塊發送的通訊幀為讀寫通訊幀時，其中包含讀寫命令、要讀寫的擴展模塊通訊地址、以及要寫入的輸出數據；符合當前所選類型和通訊地址的擴展模塊根據收到的通訊幀作出響應，將所述輸出數據傳送到其輸出埠，並以通訊幀的形式將其輸入埠的狀態數據作為應答數據回傳給所述主模塊。
7.根據權利要求5或6所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，所述主模塊發出的通訊幀中，還包含至少兩個常數及一個根據所述兩個常數按預定公式計算所得的校驗數。
8.根據權利要求2-6中任一項所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，所述主模塊中以微處理器作為其核心部件，所述各個擴展模塊中以複雜可編程邏輯器件作為其核心部件；所述主模塊與擴展模塊之間通過擴展母線中的數據總線傳送通訊幀；所述主模塊通過擴展母線中的一根類型選擇信號線傳送其類型選擇信號，並以所述類型選擇信號的電平高低來確定當前要處理的是輸入輸出擴展模塊還是特殊擴展模塊。
9.根據權利要求8所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，所述擴展母線中的數據總線為8位雙向並行數據總線。
10.根據權利要求8所述的可編程邏輯控制器硬體擴展方法，其特徵在於，所述主模塊通過所述擴展母線中的一根時鐘信號線向各個擴展模塊提供控制時鐘信號；所述主模塊還通過所述擴展母線中的一根時鐘信號線向各個擴展模塊傳送通訊幀信號，以表明主模塊要向各個擴展模塊傳送通訊幀；每一擴展模塊通過擴展母線中的一根反送數據信號向所述主模塊傳送反送數據信號，以表明該擴展模塊要向主模塊傳送數據。
全文摘要
本發明涉及一種可編程邏輯控制器硬體擴展方法，為解決現有技術中對逐級連接的PLC需通過人工編址等問題，本發明中可按以下步驟對擴展模塊進行自動編址，先由主模塊向各個擴展模塊傳送類型選擇信號以確定當前要處理的擴展模塊類型；然後由主模塊向各個擴展模塊傳送編址信號並傳送一個初始地址數據；主模塊將初始地址數據保存在符合當前所選類型且在位置上與之最靠近的那一個擴展模塊中作為其通訊地址，後續的同類型擴展模塊則逐個增加預定數值作為自身通訊地址，最終使符合當前所選類型的每一個擴展模塊中都有唯一的通訊地址。本發明的方法中還可通過並行數據總線傳送的含有校驗數據的通訊幀並來完成配置查詢、輸入輸出讀寫等操作。
文檔編號G05B19/05GK1719363SQ20051003625
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者周保廷 申請人:艾默生網絡能源有限公司