专利名称：具有短路保护诊断的过程现场总线设备协议输入输出装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机应用技术领域,特别是涉及-一种具有短路保护与自诊断功能的 Profibus-DP现场总线输入和输出I/O装置。
背景技术：
目前，为了进行设备之间的通信,传统的输入/输出IZO装置需要通过导线将设备 外部端点与控制器端点一对一连接，这种硬接线的连接方式需要耗费大量的精力进行现场 组装与调试,且随着系统的复杂程度会增加大量的硬接线成本。 此外，上述传统的输入/输出I/O装置不具备任何保护与诊断功能,例如，在接口 电源发生短路的情况下不具有及时断开电源的功能，且无法提供任何保护和诊断的信息，
于是一旦i/o装置出现故障，维护人员需要逐一对i/o装置中各个部件进行故障检测，大大
影响维护人员对故障排查的效率,增加了故障排査的难度。 Prof ibus-DP现场总线作为一种低成本的通信总线，它将工业设备连接到网络，从 而消除了昂贵的硬接线成本。Profibus-DP现场总线具有的直接互连性改善了设备间的通 信，同时Profibus-DP现场总线又提供了相当重要的设备级诊断功能，这些功能是现有的 硬接线输入/输出1/0装置的I/0接口难以实现的。 此外，:Profibus-DP是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的 互换性的同时，减少了硬接线和安装工业自动化设备的成本和时间。Profibus-DP是一种开 放的网络标准，其规范和协议都是开放的。供货商将设备连接到系统时无需硬件、软件或授 权付费。任何对Prof ibus-DP感兴趣的人或组织都可以从Prof ibus-DP供货商协会(ODVA) 获得Prof ibus-DP规范，并可以加入()DVA，参加对Prof ibus-DP规范进行增补的技术工作 组。 但是，目前还没有出现一种具备本发明装置特征的具有短路保护与自诊断功能 Prof ibus-DP现场总线的输入和输出I/O装置,其具有短路保护与自诊断功能,可以在接口 电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维 护人员进行装置的故障监控和排查。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有短路保护与自诊断功能的Prof ibus-DP 现场总线输入和输出IZO装置，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路 的情况F及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装 置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作,本发明具有重大的实际 意义。 为此，本发明提供了 -种具有短路保护与自诊断功能的Profibus-DP现场总线输 入和输出1/0装置，包括 Prof ibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE接口单元，用于与Prof ibus-DP现场总线之间进行数据通信，设置本节点的总线节点号MACID，与输入输出短路保护与自诊断单元之 间进行现场数据的通信，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和 输出接口状态诊断数据； 输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接 口电路和/或输出接口电路发生短路时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置 自动恢复正常工作，并将短路状态提示给用户。
优选地，所述Prof ibus-DP接口单元包括有 微处理器，用于向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发现场数据，采集 来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据，接收拨 码开关电路所设置的本节点的总线节点号，初始化并与Profibus-DP现场总线通讯模块 0EM2-SE之间进行数据通信； 拨码开关电路，与微处理器双向连接，用于设置本节点的总线节点号；模块/网络状态指示电路与0EM2-SE连接，用于显示模块电源状态以及网络状
态；Prof ibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE，与微处理器双向连接，用于接收来自 Prof ibus-DP现场总线的报文并进行解析,将解析输出的数据发送给微处理器，以及从微处 理器处获取包括现场数据和输入接口状态和输出接口状态诊断数据在内的报文，将该报文 按照Profibus-DP协议规范进行打包后发送给Profibus-DP现场总线。
优选地，输入输出短路保护与自诊断单元包括有 输出接口电路，与微处理器双向连接,用于接收微处理器下发输出的现场数据给 输出接口 ，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供电，并在发生短 路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电； 输入状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输入接口电路是否发生短路， 在输入接口电路发生短路时,输出诊断短路信号； 优选地，所述输入接口电路包括有功率开关芯片TS4141,该功率开关芯片TS4141 一端接外部电源，其一端接输入接口 ，所述输入接口可接机械开关或传感器,所述输入接口 接光耦PC817 ，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245 ，所述三态双向总 线收发器74LS245的输出端接微处理器P89V51。 优选地，所述输出接口电路包括有三态双向总线收发器74LS245,所述三态双向 总线收发器74LS245的输入端接微处理器P89V51，其输出端接三极管Q1的基极，所述三极 管Ql的发射极接地,所述三极管Ql的集电极接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接功 率开关芯片TS4141，该功率开关芯片TS4141 一端接外部电源，其一端接输出接口，所述输 出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。 优选地，所述输入状态诊断电路和输出状态诊断电路中包括有电压比较器LM311,所述电压比较器LM311的负信号端接输入接口电路或输出接口电路的电源正端，其 正端电压恒定，所述电压比较器LM311的输出端短路LED提示灯。 由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有 短路保护与自诊断功能的Profibus-DP现场总线输入和输出I/O装置,其具有短路保护与 自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并 提供短路诊断提示，方便维护人员进行装置的故障监控和排査，当短路故障排除后装置自 动恢复正常工作，具有重大的实际意义。
图l为本发明提供的一种具有短路保护与自诊断功能的Profibus-DP现场总线输 入和输出1/0装置的总体结构图； 图2为图1中微处理器单片机与Prof ibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE的接口 电路图； 图3为拨码开关(设置节点MAC ID)的电路图；
图4为模块/网络状态指示灯的电路图；
图5输入接口电路的电路图；
图6输出接口电路的电路图；
图7输入状态诊断电路的电路图；
图8输出状态诊断电路的电路图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本 发明进行说明。 图l为本发明提供的一种具有短路保护与自诊断功能的Profibus-D:P现场总线输 入和输出1/0装置的总体结构图。 参见图1 ，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的Prof ibus-DP现场总 线输入和输出1/0装置，该装置包括0EM2-SE接口单元101和输入输出短路保护与自诊断 单元102，其中 0EM2-SE接口单元101，用于与Prof ibus-DP现场总线之间进行数据通信，设置本 发明装置节点的总线节点号(MAC ID)(即本节点的网络地址)，与输入输出短路保护与自 诊断单元102之间进行现场数据的通信，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元 102的输入接口状态和输出接口状态诊断数据； 输入输出短路保护与自诊断单元102，与0EM2-SE接口单元101相连接，用于与外 围设备之间进行数据通信(即输入和输出)，在输入接口电路和/或输出接口电路发生短路 时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，并将短路状态提示 给用户。 具体实现上,输入输出短路保护与自诊断单元102将短路状态(输入接口状态和 /或输出接口状态)通过短路提示LED灯提示给用户。
在本发明中，所述0EM2-SE接口单元101包括有
微处理器1011，用于向输入输出短路保护与自诊断单元102采集和下发现场 数据，采集来自输入输出短路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊 断数据，接收拨码开关电路1012所设置的本发明装置节点的总线节点号，初始化并与 Prof ibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE1014之间进行数据通信(即数据的接收和发送)。
具体实现上，所述微处理器1011采集输入输出短路保护与自诊断单元102中输入 接口电路的现场数据，向其中的输出接口电路下发现场数据；此外，还采集来自输入输出短 路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊断数据； 需要说明的是，微处理器在初始上电后,所有参数的状态都需要有一个初始值,这 样才能在-一个初始状态下进入正常工作状态。在微控制器开始执行时，需将相关参数如节 点地址、通信波特率、定时器初始记数值、通信数据配置等参数写入微控制器，只有这样才 能开始运行。因此需要将所有默认值通过赋值语句写入到0EM2-SE 1014寄存器中，从而完 成初始化。 拨码开关电路1012，与微处理器1011双向连接，用于设置本发明装置节点的总线 节点号(即节点网络地址)，参见图3，为拨码开关电路的电路图； 模块/网络状态指示灯1013，与0EM2-SE 1014双向连接，用于实时反映本发明装
置节点的电源状态及通信状态，参见图4，图4为模块/网络状态指示灯电路图； Profibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE 1014，与微处理器1011双向连接，用于
接收来自Prof ibus-DP现场总线的报文并进行解析，将解析输出的数据发送给微处理器
1011，以及从微处理器1011处获取包括现场数据和输入接口状态和输出接口状态诊断数
据在内的报文，将该报文按照Prof ibus-DP协议规范进行打包后发送给Prof ibus-DP现场
总线； g卩向Profibus-DP现场总线发送符合Profibus-DP协议的报文；按照 Prof ibus-DP规范对来自Prof ibus-DP现场总线的报文进行判断与过滤(即解析)，从而提 高本发明:[/()装置的通信效率；参见图2,图2为微处理器1011与Profibus-DP现场总线 通讯模块0EM2-SE 1014的接口电路图。 需要说明的是，Profibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE 1014与Profibus-DP现 场总线之间的数据通信具体为所述0EM2-SE 1014接收来自Profibus-DP现场总线的报文 并进行解析，以及将要发送给Prof ibus-DP现场总线的报文进行打包，以符合Prof ibus-I)P 协议规范；0EM2-SE 1014将解析的输出数据发送给微处理器1011，并从微处理1011获取输 入数据。 需要说明的是，在拨码开关电路1012完成总线节点号的设置后,通过数据总线通 知给微处理器l()ll，微处理器l()ll随即对()EM2-SE 1014的初始化程序，0EM2-SE 1014则 通过初始化的数据以及主站的连接状态反映给模块/网络状态指示灯1013，同时模块Z网 络状态指示灯1013还将连接到模块的供电总电源，显示模块的电源状况。
在本发明中，输入输出短路保护与自诊断单元102包括有 输入接口电路1021 ，与微处理器1 () 11双向连接，用于为可接外围通信对象的输入 接口进行供电，向微处理器1011提供输入接口所输入的现场数据，并在发生短路时，断开 供电，而在短路故障排除后恢复供电； 输出接口电路1022,与微处理器1011双向连接，用于接收微处理器1011下发输出的现场数据给输出接口 ，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供 电，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电； 参见图5、图6,图示输入接口电路1021和输出接口电路1022中的TS4141为智能 高端功率开关芯片，最大可提供2A负载电流，TS4141自身带有短路保护电路、过流保护、过 压保护等功能。当模块接口短路时，TS4141内部集成的检测电路会自动保护模块电路，断 开电源，而当短路故障排除时，TS4141能立即恢复供电，使接口能正常工作。
输入接口电路如图5所示，所述输入接口电路1021包括有功率开关芯片TS4141， 该功率开关芯片TS4141 —端接外部电源,其一端接输入接口，所述输入接口可接机械开关 或传感器，所述输入接口接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器 74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器P89V51。
如图5所示，外部的24V电源通过智能高端功率开关芯片TS4141给输入接口 (Header3)供电，输入接口可接机械开关或传感器等外围通信对象，该输入接口接光耦 PC817，当机械开关闭合或传感器动作时，光耦PC817导通，光耦PC817的输出端输出高电 平，通过三态双向总线收发器74LS245可以实现与微处理器P89V51进行数据的双向传输， 最终外围通信对象的8路输入数据(开关量)由微处理器通过选通74LS245进行采集。
输出接口电路如图6所示，所述输出接口电路1022包括有三态双向总线收发器 74LS273，所述三态双向总线收发器74LS273的输入端接微处理器P89V51，其输出端接三极 管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接光耦PC817，所述光 耦PC817的输出端接功率开关芯片TS4141，该功率开关芯片TS4141 —端接外部电源，其一 端接输出接口 ，所述输出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。
如图6所示，外部的24V电源通过智能高端功率开关芯片TS4141给输出接口供 电，输出接口可接电磁阀、继电器等执行器(即外围通信对象)。D触发器74LS273可实现数 据的锁存。微处理器输出数据时,微处理器只需给74LS273的时钟端提供一个上升跳边沿， 数据总线上的输出数据既锁存在74LS273的输出端。输出信号为高电平时，三极管Q19013 导通，从而光耦PC817导通，TS4141的开关信号输入端被激活，TS4141开启，从而为输出接 口 (Header 2)供电，驱动电磁阀、继电器等外围通信对象。 输入状态诊断电路1023,与微处理器1011双向连接，用于诊断输入接口电路1021 是否发生短路，在输入接口电路1021发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器1011 ;
输出状态诊断电路1024，与微处理器1011双向连接，用于诊断输出接口电路1022 是否发生短路，在输出接口电路1022发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器1011 ;
图7、图8分别为输入状态电路和输出状态诊断电路，如图7和图8所示，LM311为 高精度的电压比较器，当其正信号端电压大于负信号端电压时，其输出端输出高电平，当其 负信号端电压大于正信号端电压时,其输出端输出低电平。图7、图8中，所述电压比较器 LM311的负信号端接输入接口电路1021或输出接口电路1022的电源正端，其正端电压恒 定，所述电压比较器LM311的输出端接光耦PC817,所述光耦PC817的输出端接三态双向总 线收发器7礼S245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器P89V51。
在本发明中，输入接口电路1021和输出接口电路1022的电源正端接电压比较 器LM311的负信号端，24V电压经过10K、30K电阻分压后接LM311正信号端，正端电压恒为 18V。因此，当输入接口电路1021发生短路时，TS4141处于保护状态,输入接口电路1021的电源正端接地，电源工作指示LED灯DS 1熄灭。电压比较器LM311的负信号端接地，由于 电压比较器LM311的正端接18V的基准电压，电压比较器LM311输出高电平，此时短路提示 LED灯DS2导通指示通道短路。 当短路故障排除时，TS4141自动恢复工作状态，电源工作LEI)灯I)Sl导通，电压比 较器LM311由于负信号端电压大于正信号端电压，输出低电平，短路提示灯DS2熄灭，表明 输入通道正常。 同理，当输出接口电路1022发生短路时，电源工作提示灯DS4熄灭，电压比较器
LM311输出高电平，控制短路提示LED灯DS3导通。当短路故障排除时，电源工作提示灯DS4
导通，电压比较器LM311输出低电平，短路提示灯DS3熄灭,表明输出通道正常。 具体实现上，本发明提供的基于Prof ibus-DP现场总线输入输出I/O装置，首先应
用微处理器单片机1011读取外围的拨码开关量，通过拨码开关电路1012进行本装置节点
的MAC ]:D(节点地址号)，通过模块/网络状态指示灯1013显示模块的电源状态与网络状态。 然后，微处理器1011通过输入接口电路1021采集输入现场数据，而通过输入状态 诊断电路1023可诊断输入接口电路是否短路,微处理器1011通过输入状态诊断电路1023 采集关于输入接口电路1021的输入接口状态诊断数据；输出状态诊断电路1024可诊断输 出接口电路1022是否短路，微处理器1011通过输出状态诊断电路采集关于该输出接口电 路1022的输出接口状态诊断数据。Profibus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE 1014可自动 完成所有的Profibus-DP总线协议,将所要发送的数据根据Profibus-DP协议格式进行封 装，并向总线发送，以及接收总线上的数据，并对该数据按照Profibus-DP协议进行解析， 提取数据并向通过输出接口电路1021向外围的现场设备下发。 本发明在上述过程中，微处理器1011首先读取外围拨码开关数值进行节点MAC ID的设置，随后初始化Prof ibus DP对象属性、初始化Prof ibus-DP通信参数、设置定时器 和0EM2-SE通讯模块，从而完成设备初始化过程。然后进行Prof ibus-DP配置、组态，再通过 Prof ibus-DP总线配置、组态之后，节点就连上了 Prof ibus-DP总线。连上了 Prof ibus-DP 总线，模块就进入无限的数据循环交换状态。 对于上述本发明提供的装置，该装置在输入或者输出接口电路发生短路时，参见
图5、图6，能够立即断开通路，能够有效地保护模块的其他电子元件不会因短路而烧毁。结
合图7、图8所示的电路，在短路时可以发出报警信号，提示工作人员能够尽快排除断路故
障。此外，当短路故障排除后可以立即自动恢复工作状态，本发明的短路保护采用电子式短
路保护，具有响应速度快,短路时功耗小的优点，并且电路简单,成本低廉。 对于本发明提供的装置，在总线通信设计中，采用了 Profibus-DP现场总线通讯
模块0EM2-SE作为控制本装置总线行为的专用模块，从而使总线报文处理与单片机数据采
集的任务相分离，为以后的功能扩展提供了较大空间，同时增强了系统的可移植性。在短路
保护功能设计中，输入输出接口采用光耦，运放，发光二极管等元件实现1/0接口的短路保
护功能，当接口发生短路时，能够及时断开电路,保护Block ]:/()模块，防止其因短路而损
坏，同时故障灯发光报警，同时实现在故障排除后自动恢复原正常工作状态。 上述本发明装置具有的输入和输出状态诊断电路，可以在输入输出端口发生短路
故障时,对用户发出报警提示，从而使在现场工作条件较差的情况下,对经常造成模块输入、输出端短路，负载装置短路等引起严重电源短路的故障实现有效的诊断与保护。 综....匕所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的
Profibus-DP现场总线输入和输出I/O装置,其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电
源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护
人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的
实际意义。 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种具有短路保护与自诊断功能的Profibus-DP现场总线输入和输出I/O装置，其特征在于，包括Profibus-DP现场总线通讯模块OEM2-SE接口单元，用于与Profibus-DP现场总线之间进行数据通信，设置本节点的总线节点号MACID，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据；输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接口电路和/或输出接口电路发生短路时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，并将短路状态提示给用户。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述Profibus-DP接口单元包括有 微处理器，用于采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入数据并下发输出数据，采集来自输入输出短路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊断数 据，接收拨码开关电路所设置的本节点的总线节点号，初始化并与:Profibus-DP现场总线 通讯模块0EM2-SE之间进行数据通信；拨码开关电路，与微处理器双向连接，用于设置本节点的总线节点号； 模块/网络状态指示电路与0EM2-SE连接，用于显示模块电源状态以及网络状态； Prof i bus-DP现场总线通讯模块0EM2-SE,与微处理器双向连接，用于接收来自 Profibus-DP现场总线的报文并进行解析,将解析输出的数据发送给微处理器，以及从微处 理器处获取包括现场数据和输入接口状态和输出接口状态诊断数据在内的报文，将该报文 按照Profibus-DP协议规范进行打包后发送给Profibus-DP现场总线。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于,输入输出短路保护与自诊断单元包括有 输入接口电路，与微处理器双向连接，用于为可接外围通信对象的输入接口进行供电，向微处理器提供输入接口所输入的现场数据，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排 除后恢复供电；输出接口电路，与微处理器双向连接，用于接收微处理器下发输出的现场数据给输出 接口，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供电，并在发生短路 时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；输入状态诊断电路,用于诊断输入接口电路是否发生短路,在输入接口电路发生短路 时,输出诊断短路信号给微处理器；输出状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输出接口电路是否发生短路,在输 出接口电路发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于,所述输入接口电路包括有功率开关芯片 TS4141,该功率开关芯片TS4141 —端接外部电源，其一端接输入接口 ，所述输入接口可接 机械开关或传感器，所述输入接口接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线 收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器P89V51。
5. 如权利要求3所述的装置，其特征在于,所述输出接口电路包括有三态双向总线收 发器74LS245,所述三态双向总线收发器74LS245的输入端接微处理器P89V51 ，其输出端接 三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地,所述三极管Q1的集电极接光耦PC817，所 述光耦PC817的输出端接功率开关芯片TS4141，该功率开关芯片TS4141 —端接外部电源，其-一端接输出接口，所述输出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述输入状态诊断电路和输出状态诊断电 路中包括有电压比较器LM311，所述电压比较器LM311的负信号端接输入接口电路或输出 接口电路的电源正端，其正端电压恒定，所述电压比较器LM311的输出端接短路LED提示 灯。
全文摘要
本发明公开了一种具有短路保护与自诊断功能的Profibus-DP现场总线输入和输出I/O装置，包括OEM2-SE接口单元，用于与Profibus-DP现场总线之间进行数据通信，设置本节点的总线节点号，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信，以及采集输入接口状态和输出接口状态诊断数据；输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接口电路和/或输出接口电路短路时，断开电源给予短路保护，并显示输入接口状态和/或输出接口状态。本发明的Profibus-DP装置具有短路保护与自诊断功能，可在接口电源发生短路时断开电源并提供自诊断信息，当短路故障排除后自动恢复工作。
文档编号H04L12/40GK101707482SQ20091006992
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者倪建云, 冯亮, 朱文强, 贾超, 陈在平 申请人:天津理工大学