電梯層疊式無總線擴展單片機控制器的製作方法
2023-07-07 14:53:21
專利名稱：電梯層疊式無總線擴展單片機控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電梯控制器，特別是一種CPU元件無外部總線擴展，並將硬體控
制電路按功能分布在不同的印製電路板單元，各電路板單元之間通過埠連接器逐層連接 在一起構成電梯層疊式無總線擴展單片機控制器。
背景技術：
目前，生產電梯控制器的廠家，一般都利用一片CPU元件(中央處理器)進行總線 擴展完成硬體設計方案，控制器本體一般由一整塊印刷電路板構成。現有的CPU元件及外 設元件，如圖3A所示，分別採用地址總線、數據總線和控制總線進行擴展，，硬體平臺元器 件多，電路複雜，成本高。CPU元件與外設元件通過總線以尋址方式進行訪問，影響系統運 行的可靠性，也不便生產、調試和維護。現有開關量輸入信號控制單元及其一般電路如圖 4A所示，外部24V開關量輸入信號Vi經電阻Rl，電容C組成的濾波電路進行信號濾波後， 輸入到光電耦合器B的輸入級，B的輸出級輸出對應於輸入級的信號Vo。由圖4A可見，雖 然採用了光電耦合元件，但輸入、輸出信號仍是共地的。並且由於光電耦合元件B的性能所 限，其信號傳輸特性(見圖4B)也不理想，B的放大特性比較突出，容易誤反應輸入信號的 真實狀態。現有開關量輸出信號控制單元及其一般電路如圖5A所示.輸出控制邏輯元件 D輸出單路控制信號經限流電阻R輸出到光電耦合器B的輸入級"+ "端。當D輸出單路邏 輯"l"信號時，B的輸出級輸出驅動信號使繼電器K動作，但由於光電耦合元件B輸入、輸 出兩端信號電源共地，且由單端信號控制。因此，一旦出現邏輯"l"的脈衝幹擾信號，且脈 衝寬度足夠寬，就會使輸出信號誤動作。現有正交編碼器脈衝計數控制單元及其一般電路 如圖6A所示，電路分別利用CPU內部兩個計數器對正交編碼器兩路脈衝信號進行計數，而 對編碼器的旋轉方向、速度及信號錯誤監測則全部由軟體程序處理，其計數精度和可靠性 都相對較低。現有的電梯控制器一般為無屏蔽機構的單板式結構，對外部電磁幹擾信號抑 制能力較弱，尤其是垂直於控制器方向，如圖7A所示。 在中國專利申請號為200710058427. 7的"智能電梯核心控制器"中，所公開的電 梯控制器，因對CPU元件進行了外部總線外擴，致使其外設元器件增加，產品硬體電路較為 複雜，存在成本高，不便於製造、調試和維護的問題。同時CPU元件的總線外露將造成產品 的抗幹擾能力差，可靠性降低。另外，控制器本體的整塊電路板結構，不僅給後期維護或升 級移置帶來不便，而且也佔用了較大的安裝空間。如果更換或移置其中某部分元件，則整個 控制器必須全部拋棄，將造成極大的浪費。
發明內容
本發明的目的是提供一種電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，它解決了現有單 板式總線擴展結構存在的維護或升級移置不便、抗幹擾能力差，可靠性較低等問題，其結構 設計合理，印刷電路板層疊、屏蔽設置，CPU完全以埠方式訪問外設元件，顯著減少佔用空 間和增強抗幹擾能力，運行可靠，升級移置容易，維護方便，有利於降低成本，便於後期升級換代。 本發明的技術方案是該電梯層疊式無總線擴展單片機控制器包括印刷電路板和 組裝其上的CPU元件及外設元件I/O信號接口、操作鍵盤、LCD液晶顯示器及其電路構成的 控制迴路，其技術要點是所述CPU元件採用內置正交編碼器信號接口模塊、無外部擴展總 線的嵌入式單片機，通過埠訪問所述外設元件；組裝有所述CPU元件及外設元件的所述 印刷電路板採用分置式結構，即分置成CPU單元電路板、I/O信號接口電路板、操作鍵盤電 路板和LCD液晶顯示器電路板分別層疊組裝，並使所述I/O信號接口電路板利用絕緣支柱 固定在屏蔽底板上，所述CPU單元電路板通過絕緣支柱固定在所述I/O信號接口電路板上， 二者間利用雙列插接件進行信號連接，所述操作鍵盤電路板、LCD液晶顯示器電路板通過絕 緣支柱並排固定在所述CPU單元電路板上，且分別利用單列插接件與所述CPU單元電路板 進行信號連接，所述操作鍵盤電路板、LCD液晶顯示器電路板的外表面設置屏蔽面板。
所述控制迴路中的工作電源電路和信號電源電路相互獨立，所述電源電路的地均 對大地懸空，無共地點。 所述控制迴路的1/0信號接口電路中，開關量輸入、輸出信號、正交編碼器脈衝輸 入信號均採取電源隔離和光電隔離。 所述控制迴路的1/0信號接口電路中，開關量輸出信號均採取電源隔離和光電隔 離，並按路實行硬體雙電平邏輯控制。 所述控制迴路的I/O信號接口電路中，開關量輸入信號為24V輸入，且按路採取浪 湧吸收保護，硬體濾波和反向過電壓保護。 所述控制迴路的I/O信號接口電路中，開關量輸出信號按路實行硬體雙電平邏輯 控制，繼電器常開接點輸出。 本發明的優點和所產生的積極的技術效果是由於本發明控制器的CPU元件採用 內置正交編碼器信號接口模塊、無外部擴展總線的嵌入式單片機，通過埠訪問外設元件， 印刷電路板採用帶有CPU元件的CPU單元電路板、1/0信號接口電路板、操作鍵盤電路板和 LCD液晶顯示器電路板的分置層疊組裝結構，同時用雙列或單列插接件逐層進行信號連接， 顯著減少佔用空間，維護方便，所以其結構設計合理，CPU完全以埠方式訪問外設元件，無 外部擴展總線，硬體設計元件少，有效地克服了通過總線以尋址方式進行訪問外設元件存 在的影響系統運行可靠性的缺陷。電路板層疊連接安裝方式便於移置更換控制器上的某塊 電路板，而不必象現有技術那樣把整個控制器拋棄，有利於降低成本，便於後期升級換代。 另外，CPU元件內嵌正交編碼器信號接口 (QEI)模塊，通過監測編碼器輸出脈衝的數目和兩 個信號的相對相位可以跟蹤編碼器的位置、方向和速度，對脈衝信號進行倍頻計數，還可自 動檢測兩個信號的正交錯誤。由於這些功能都是由CPU內部硬體模塊自動完成的，因此節 省了系統軟體開銷，提高了控制器對編碼器脈衝的計數精度和運行的可靠性，對於電梯控 制器的主要功能而言，這一點優為重要。因本發明控制器的電路板設置有由底板和面板組 成的屏蔽機構，可以對與其正反面垂直方向的電磁幹擾信號具有屏蔽作用，故顯著增強了 抗幹擾能力，使運行更加可靠。綜上所述，本發明控制器從根本上解決了現有控制器的單板 式總線擴展結構存在的維護或升級移置不便、抗幹擾能力差，可靠性較低等問題。
以下結合附圖對本發明作進一步描述。
圖1是本發明的一種具體結構示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。 圖3A是現有技術的CPU元件及外圍電路示意圖。 圖3B是本發明的CPU元件及外圍電路示意圖。 圖4A是現有技術的開關量輸入信號控制單元電路示意圖。圖4B是現有技術的開關量輸入信號控制單元信號傳輸特性圖。 圖4C是本發明的開關量輸入信號控制單元電路示意圖。 圖4D是本發明的開關量輸入信號控制單元信號傳輸特性圖。 圖5A是現有技術的開關量輸出信號控制單元及其一般電路示意圖。 圖5B是本發明的開關量輸出信號控制單元電路示意圖。 圖6A是現有技術的正交編碼器脈衝計數控制單元及其一般電路示意圖。 圖6B是本發明的正交編碼器脈衝計數控制單元及其電路示意圖。 圖7A是現有技術的抗外部電磁幹擾能力示意圖。 圖7B是本發明的抗外部電磁幹擾能力示意圖。 序號說明1I/0信號接口電路板、2CPU單元電路板、3操作鍵盤電路板、4單列插接 件、5絕緣支柱、6LCD液晶顯示器電路板、7單列插接件、8面板、9雙列插接件、10雙列插接 件、11底板。
具體實施例方式
根據圖1 7詳細說明本發明的具體結構。該電梯層疊式無總線擴展單片機控制 器是在現有電梯控制器的結構基礎上進行改進的，所以很容易實施。它包括印刷電路板和 組裝在印刷電路板上的CPU元件及常用外設元件1-1/0信號接口、外設元件2-操作鍵盤、 外設元件3-LCD液晶顯示器及其電路構成的控制迴路。其中CPU元件採用內置正交編碼器
信號接口模塊、無外部擴展總線的嵌入式單片機，通過相對應的埠分別訪問上述外設元 件1、2、3(如圖3B、圖6B所示)，從而提高對編碼器脈衝的計數精度和運行的可靠性。實際 製造安裝時，將組裝有CPU元件及外設元件1、2、3的印刷電路板採用分置式結構，即分置成 CPU單元電路板2、 I/O信號接口電路板1、操作鍵盤電路板3和LCD液晶顯示器電路板6， 按預告設計的順序分別逐層疊裝在一起。並使1/0信號接口電路板1利用絕緣支柱5固定 在屏蔽底板11上，放在最底層。CPU單元電路板2通過絕緣支柱5固定在I/O信號接口電 路板1上，CPU單元電路板2與I/O信號接口電路板1之間利用雙列插接件9、 10進行信號 連接，放在中間層。操作鍵盤電路板3、 LCD液晶顯示器電路板6通過絕緣支柱5並排固定 在CPU單元電路板2上，且分別利用單列插接件4、9與CPU單元電路板2進行信號連接，放 在上層。然後在操作鍵盤電路板3和LCD液晶顯示器電路板6的外表面，設置既便於操作 鍵盤使用和LCD液晶顯示器顯示，又能有效地抗外部電磁幹擾的屏蔽面板8。該控制器的電 路板採用層疊安裝、各層間以雙列或單列插接件逐層進行信號連接的方式，具有很大的靈 活性。當某一元件或部件發生故障或產品更新移置時，只需拆卸相關部件進行維護更換，更 換控制器上的某塊電路板非常方便快捷，而不必象現有控制器那樣，某塊電路板損壞就要把整個控制器拋棄。因此，還有利於降低成本，便於後期升級換代。 該控制器的控制迴路主要包括CPU單元電路、1/0信號接口電路、操作鍵盤控制電 路、LCD液晶顯示器控制電路及其常用連接器件。為了進一步描述本發明控制器的主要控 制功能，將本發明的幾個優選方案與現有技術進行比較，以突出本發明具有的優點
本發明的CPU及外圍電路示意圖見圖3B， CPU元件採用埠與各外設元件進行硬 件連接。硬體系統電路簡單，元器件少，成本低。更重要的是CPU元件以單片機方式工作， 通過埠訪問外設元件，系統運行的可靠性比現有的總線擴展微處理器方式明顯提高。
本發明開關量輸入信號控制單元電路見圖4C，外部24V開關量輸入信號Vi先經 電容C進行浪湧吸收保護，然後經電阻Rl，電容Cl組成的濾波電路進行信號濾波，再經電 阻R2分壓後輸出到光電耦合器B的輸入級。B的輸出級輸出對應於輸入級的信號Vo並由 CPU進行信號採集.二極體V反並聯接入B的輸入級，其作用是一旦Vi信號反極性輸入時 可將B的輸入級旁路，防止B因反向過電壓而損壞。將圖4A中一個輸入電阻R1改為圖4C 中兩個輸入電阻Rl和R2，可提高該輸入迴路的耐壓性能。電阻R並聯接入B的輸入級，其 作用是對B的輸入級進行分流，大大改善了隔離信號的傳輸特性，見圖4D， B的開關特性明 顯改善。由圖4C可看出，光電耦合器B的輸入級信號由24V電源供電，而輸出級由VCC (例 如5V)供電，輸入輸出信號實現了真正的電器隔離。與現有技術相比，該電路既反應了輸入 信號的真實性，又提高了產品的可靠性和實用性。 本發明開關量輸出信號控制單元電路見圖5B，電路實行電源隔離和光電隔離，繼 電器輸出。輸出控制邏輯元件D輸出雙路邏輯信號對光電耦合元件B進行雙電平邏輯控制， 一路經限流電阻R輸出到光電耦合器B的輸入級"+ "端，另一路輸出到光電耦合器B的輸 入級"-"端，B的輸出級驅動繼電器K。當D輸出邏輯"l"的信號作用到B的"+ "端，同時 輸出邏輯"O"的信號作用到B的"-"端時，B的輸出級輸出驅動信號使繼電器K動作。由圖 5B可看出，光電耦合器B的輸入級信號由24V電源供電，而輸出級由VCC (例如5V)供電，輸 出信號實現了真正的電器隔離，雙電平邏輯控制保證了光電耦合器B和繼電器K的正確動 作。與現有技術相比，該電路明顯提高了產品的可靠性和實用性。 本發明的正交編碼器脈衝計數控制單元及其電路見圖6B， CPU內含正交編碼器接 口 (QEI)模塊，通過監測編碼器輸出脈衝的數目和兩個信號的相對相位可以跟蹤編碼器的位 置、方向和速度，對脈衝信號進行倍頻計數，還可自動檢測兩個信號的正交錯誤。由於這些功 能都是由CPU內部硬體模塊自動完成的，因此節省了系統軟體開銷，提高了控制器對編碼器 脈衝的計數精度和運行的可靠性，對於電梯控制器的主要功能而言，這一點優為重要。
本發明的控制器為層疊式結構，底部安裝金屬底板11，表面安裝金屬面板8，底板 11和面板8對來自垂直於控制器方向的電磁幹擾信號均具有屏蔽抑制作用，見圖7B。 CPU 元件內部含有正交編碼器信號接口 (QEI)模塊(如圖6B)，並可對輸入的正交編碼器信號進 行4倍頻計數，與外部信號相聯繫的電路(1/0信號電路)在電氣上採取電源隔離及光電隔 離(如圖4C，圖5B)。 控制器與外部相聯繫的開關量輸入信號為24V輸入，且按路採取浪湧吸收保護， 硬體濾波和反向過電壓保護(如圖4C)。控制器與外部相聯繫的開關量輸出信號按路實行 硬體雙電平邏輯控制(如圖5B)，繼電器常開接點輸出。操作鍵盤電路板3上為6鍵，CD液 晶顯示器為128X 64點陣顯示器。控制器底板11和面板8對與其正反面垂直方向的電磁信號具有屏蔽作用(如圖7B)。控制器底板11的製作材料可選用金屬，例如鋼板。控制器
面板8的製作材料可選用金屬，例如鋁板。控制器帶有CPU元件的CPU單元電路板，其PCB 印製板為4層，第一層和第四層為信號層，第二層為電源層，第三層為電源地層。不同的電 源層和電源地層採取分區隔離，其隔離間距不小於3mm。 PCB印製板厚為1. 6mm。 I/O信號 接口電路板的PCB印製板為2層，PCB印製板厚為1. 6mm。操作鍵盤電路板的PCB印製板為 2層，PCB印製板厚為1.6mm。給控制器供電的工作電源(內部電源5VDC)和信號電源(外 部電源24VDC)相互獨立，兩個電源在控制器應用系統中無共地點，各電源的地均對大地懸
權利要求
一種電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，包括印刷電路板和組裝其上的CPU元件及外設元件I/O信號接口、操作鍵盤、LCD液晶顯示器及其電路構成的控制迴路，其特徵在於所述CPU元件採用內置正交編碼器信號接口模塊、無外部擴展總線的嵌入式單片機，通過埠訪問所述外設元件；組裝有所述CPU元件及外設元件的所述印刷電路板採用分置式結構，即分置成CPU單元電路板、I/O信號接口電路板、操作鍵盤電路板和LCD液晶顯示器電路板分別層疊組裝，並使所述I/O信號接口電路板利用絕緣支柱固定在屏蔽底板上，所述CPU單元電路板通過絕緣支柱固定在所述I/O信號接口電路板上，二者間利用雙列插接件進行信號連接，所述操作鍵盤電路板、LCD液晶顯示器電路板通過絕緣支柱並排固定在所述CPU單元電路板上，且分別利用單列插接件與所述CPU單元電路板進行信號連接，所述操作鍵盤電路板、LCD液晶顯示器電路板的外表面設置屏蔽面板。
2. 根據權利要求1所述的電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，其特徵在於所述控 制迴路中的工作電源電路和信號電源電路相互獨立，所述電源電路的地均對大地懸空，無 共地點。
3. 根據權利要求1所述的電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，其特徵在於所述控 制迴路的1/0信號接口電路中，開關量輸入、輸出信號、正交編碼器脈衝輸入信號均採取電 源隔離和光電隔離。
4. 根據權利要求1所述的電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，其特徵在於所述控 制迴路的I/O信號接口電路中，開關量輸出信號均採取電源隔離和光電隔離，並按路實行 硬體雙電平邏輯控制。
5. 根據權利要求1所述的電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，其特徵在於所述控制迴路的1/0信號接口電路中，開關量輸入信號為24V輸入，且按路採取浪湧吸收保護，硬 件濾波和反向過電壓保護。
6. 根據權利要求1所述的電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，其特徵在於所述控制迴路的I/O信號接口電路中，開關量輸出信號按路實行硬體雙電平邏輯控制，繼電器常開接點輸出。
全文摘要
一種電梯層疊式無總線擴展單片機控制器，解決了現有單板式總線擴展結構存在的維護或升級移置不便、抗幹擾能力差，可靠性較低等問題，它包括印刷電路板和組裝其上的CPU元件及外設元件的電路構成的控制迴路，其技術要點是CPU元件通過埠訪問外設元件；印刷電路板採用分置式結構，即分置成CPU單元電路板、I/O信號接口電路板、操作鍵盤電路板和LCD液晶顯示器電路板分別層疊組裝，其間利用雙列或單列插接件進行信號連接，並設置屏蔽底板和屏蔽面板。其結構設計合理，印刷電路板層疊、屏蔽設置，CPU完全以埠方式訪問外設元件，顯著減少佔用空間和增強抗幹擾能力，運行可靠，升級移置容易，維護方便，有利於降低成本，便於後期升級換代。
文檔編號B66B1/00GK101700843SQ20091018742
公開日2010年5月5日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者侯連君, 劉義和, 崔玉石, 李振才, 秦衛東, 谷雲松, 黃徵 申請人:瀋陽博林特電梯有限公司