用于连接到现场总线控制器的I/O模块的配置方法和设备与流程

本发明涉及现场总线控制器在工业工厂网络中的使用，且更具体地涉及用于确定现场总线控制器上连接的i/o模块的配置状态和用于配置现场总线控制器的数字输入端的方法和设备。

背景技术：

在工业工厂网络系统中，现场总线控制器在控制链的基底处用来将用户接口和可编程逻辑控制器(plc)链接到实际执行作业的多个仪器比如传感器、致动器、电动机、阀模块等等。现场总线控制器通常包含用于连接到这些仪器并控制这些仪器的多个可配置的i/o模块。在复杂的工业工厂网络中，单个现场总线控制器上的多个i/o模块可同时被连接以供使用，并且所述多个i/o模块可各自具有不同的配置设置。相应地，在每个i/o模块被连接以供使用时，发生适宜的标识、配置和启动(boot-up)过程。

通常，当i/o模块首次被连接在现场总线控制器上时，进行两个耗时的过程来配置和启动i/o模块。首先，所连接的i/o模块被现场总线控制器唯一地标识。如提及的，多个i/o模块可同时被连接以供使用，每个i/o模块具有不同的配置设置。常规的系统以序列号标识(id)来标识所连接的i/o模块，以便在所有的i/o模块都被连接时保证所有的i/o模块具有唯一的id。这意味着：当任何新的i/o模块被连接以供使用时，新的i/o模块首先与现场总线控制器上其它连接的i/o模块通信，例如以确保新的i/o模块接收到唯一的编号id；并且，所有连接的i/o模块的id按顺序排列，可能需要id的重新分配。其次，在接收到适宜的id后，i/o模块将它的配置设置和/或安全信息、包括例如它的型号和序列号通信给现场总线控制器。这些耗时的过程使得所连接的i/o模块的配置和启动时间漫长。尤其在大量的i/o模块被连接以供使用的复杂的工业网络中，这些漫长的配置和启动时间会与各种时间限制(比如，行业规范或资格)冲突。

另外，常规的现场总线控制器配置有仅单一类型的用于数字输入端的传感器接口并且仅能够检测来自pnp型输入端或者npn型输入端的信号。现场总线控制器要么被制造成npn型传感器输入端装置要么被制造成pnp型传感器输入端装置，但目前都不具备将所述输入端配置成npn型或pnp型传感器输入端的能力。然而，在复杂的工业网络中，许多不同的传感器类型被使用。这意味着，为了适应不同的传感器类型和不同的通信协议来通过工业网络发送和通信传感器数据信息，必须使用针对每种类型配置的、许多不同的现场总线控制器。

技术实现要素：

本发明提供一种用于现场总线控制器上连接的i/o模块的更快速的配置和启动过程的方法。本发明采用在所连接的i/o模块首次被配置时为所连接的i/o模块分配的密钥id(例如，4字节随机密钥id)，使得配置设置可在任何的随后的连接时被更加迅速地识别和获取。当i/o模块被连接并且i/o模块的密钥id与现场总线控制器上存储的多个密钥id中的至少一个匹配时，现场总线控制器获知i/o模块已被配置过。然而，当i/o模块的密钥id未与现场总线控制器上存储的多个密钥id中的至少一个匹配时，现场总线控制器获知i/o模块先前未配置过，并且现场总线控制器将给该i/o模块分配一密钥id。本发明还提供这样的电路，所述电路用于将现场总线控制器的数字输入端配置成pnp型输入端或npn型输入端并允许检测任一类型的输入端。

根据本公开的一个方面，提供一种用于确定经由通信链路连接到现场总线控制器的i/o模块的配置状态的方法。所述方法包括以下步骤：经由通信链路从i/o模块接收密钥id。在接收到密钥id之后，将密钥id与现场总线控制器上存储的至少一个密钥id进行比对。方法然后包括：在接收到的密钥id未与现场总线控制器上存储的至少一个密钥id相对应时，配置所述i/o模块。

根据一个实施例，配置步骤包括：由现场总线控制器生成新的密钥id，将新的密钥id通信给i/o模块，以及将新的密钥id存储在现场总线控制器和i/o模块上。

根据一个实施例，在接收到的密钥id与现场总线控制器上存储的至少一个密钥id相对应时，方法还包括断定所述i/o模块被配置过。

根据一个实施例，方法还包括完成所述i/o模块的启动过程。

根据一个实施例，所述密钥id包括4字节。

根据一个实施例，所述通信链路包括控制器局域网络线路。

根据本公开的另一方面，提供一种用于将现场总线控制器的数字输入端配置成pnp型输入端或npn型输入端的电路。所述电路包括控制电路，所述控制电路包括用于接收基准电压的基准输入端。控制电路还包括：用于在数字输入端的npn型模式与pnp型模式之间作选择的第一选择输入端，其中，第一选择输入端的状态控制在基准输入端处提供的电压；和用于提供指示npn型模式或pnp型模式的命令的控制输出端，其中，由控制输出端提供的命令与在基准输入端处提供的电压相对应。所述电路还包括数据电路，所述数据电路包括第二选择输入端，所述第二选择输入端电连接到控制输出端以接收由所述控制输出端提供的命令，其中，第二选择输入端操作成根据由控制输出端接收到的命令而将数字输入端配置成pnp型输入端或npn型输入端。数据电路还包括电耦接到数字输入端的数据输入端，并包括用于提供与所述数据输入端相对应的数据的数据输出端。控制输出端操作成将第二选择输入端连接到第一电压水平或者第二、不同的电压水平中的一者。

根据一个实施例，第一电压水平包括信号公共端(signalcommon)，并且第二电压水平包括与信号公共端不同的指定电压。

根据一个实施例，数据电路包括第一光耦合器。

根据一个实施例，第一光耦合器包括在数据输入端与第二选择输入端之间连接的第一发光装置，第一发光装置操作成基于在数据输入端上提供的数据而选择性地发光。

根据一个实施例，第一发光装置包括具有连接到数据输入端的阳极和连接到第二选择输入端的阴极的第一发光二极管和具有连接到第二选择输入端的阳极和连接到数据输入端的阴极的第二发光二极管。

根据一个实施例，第一光耦合器包括连接到数据输出端和信号公共端的第一光电晶体管，其中，第一光电晶体管基于从第一发光装置发射的光而选择性地使数据输出端耦接到信号公共端。

根据一个实施例，所述电路还包括第一电源、在第一电源与数据输出端之间连接的第一电阻器和在数据输入端与数字输入端之间连接的第二电阻器。

根据一个实施例，所述电路还包括第二电源、在第二电源与控制输出端之间连接的第三电阻器和在基准输入端与第一电源之间连接的第四电阻器。

根据一个实施例，控制电路包括第二光耦合器。

根据一个实施例，第二光耦合器包括在基准输入端与第一选择输入端之间连接的第二发光装置，第二发光装置操作成基于在基准输入端上提供的数据而选择性地发光。

根据一个实施例，第二发光装置包括具有连接到基准输入端的阳极和连接到第一选择输入端的阴极的发光二极管。

根据一个实施例，第二光耦合器包括连接到控制输出端和信号公共端的第二光电晶体管，其中，第二光电晶体管基于从第二发光装置发射的光而选择性地使控制输出端耦接到信号公共端。

下文中参考附图更加详细地本发明的以上及其它特征。

附图说明

现在将参考附图进一步详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1a是示例性的现场总线控制器的立体图；

图1b是示例性的现场总线控制器的分解图；

图1c是i/o连接器的示意图；

图2a-d是示意图，图示出在示例性现场总线控制器上的不同功率模块配置；

图3是连接到多个i/o模块的示例性现场总线控制器的示意性框图。

图4是根据本发明的确定经由通信链路连接到现场总线控制器的i/o模块的配置状态的示例性方法的流程图。

图5a-b是示意性的电路图，图示出根据本发明的用于配置现场总线控制器的数字输入端的电路。

具体实施方式

现在将参考附图来描述实施例，其中，贯穿始终，相似的附图标记用于指代相似的元件。将理解的是，附图不一定成比例。另外，相对于一个实施例描述和/或图示的特征也可以以相同的方式或以相似的方式用在一个或多个其它实施例中和/或与其它实施例的特征组合或者替代其它实施例的特征。

以下结合附图描述的是包括具有多个i/o模块的现场总线控制器的工业工厂网络系统的不同实施例。在本发明的一个方面中，提供一种确定现场总线控制器上连接的i/o模块的配置状态和/或配置现场总线控制器上连接的i/o模块的方法。在本发明的另一方面中，提供用于将现场总线控制器的数字输入端配置成pnp型输入端或npn型输入端的电路。

参考图1a-c，在工业工厂网络系统中使用的示例性现场总线控制器4被图示出。现场总线控制器4可具有多个i/o模块8，所述多个i/o模块带有多个i/o连接器6(例如螺纹连接器)，i/o模块8可通过所述i/o连接器连接到工业工厂网络内的仪器。i/o模块8可配置成数字输入端、数字输出端、模拟输入端、模拟输出端，或者i/o模块也可以以其它方式配置成与其它仪器适宜连接。每个i/o模块8能够按照其期望的目的被配置。例如，如将在稍后关于本发明的实施例描述的，i/o模块8可具有能够将数字输入端配置成pnp型输入端或npn型输入端的电路。在示例性实施例中，每个i/o模块8具有四个连接器6，并且每个连接器6具有两个可配置的i/o引脚7和多个其它预分配(比如例如预分配给功率和信号公共端)的引脚9。每个i/o引脚7因此可被配置成pnp型输入端或npn型输入端。现场总线控制器4可还包括网络连接器端口(比如ethernet端口109)和功率连接器12。现场总线控制器4可还具有bluetooth开关11和led指示器13。

功率连接器12可以是可自定义/可客制化的(customizable)并能够接收多种类型的功率连接。这给予用户根据正在使用的功率类型来择选不同功率板配置的能力。辅助和逻辑功率可通过aux(辅助)功率板供应，并且辅助和逻辑功率可运行通过可更换的熔断器。针对逻辑和aux功率的标称功率供应电压会是24vdc。逻辑和aux功率可具有在最小和最大电压范围条件下小于2a的浪涌电流。aux功率供应板可具有根据板配置的以下连接器：用于供应in(入)的4针、7/8型公头或5针(4+1pe)连接器；用于供应out(出)的4针、7/8型母头或5针(4+1pe)连接器。aux和逻辑功率可具有emi滤波和反向电压保护。机械外壳可制作成带有或不带有aida连接器。外壳可具有针对装配到外壳、给区块提供功率的7/8mini型功率连接器的配设(provision)。

为现场总线控制器及所连接的模块供应功率的功率板可以有例如七种不同的配置，所述七种不同的配置标记为a、b、c、d、e、f和j。这七种配置可以以如下方式配对用于功率分配：a&b、c&d、e&f和j。图2a-2d绘示出示意图，示出了利用配置a-j的四种示例性类型的板组合。图2a绘示出配置a&b的功率板组合。aux功率板配置a&b可具有带有不同类型的功率连接器的两个变型：带有4针mini型的功率板a和带有5针mini型的功率板b。图2b绘示出配置c&d的功率板组合。板组合c&d可具有带有不同类型的功率连接器的两个变型：带有4针mini型的功率板c和带有5针mini型的功率板d。图2c绘示出配置e&f的功率板组合。板配置e&f可具有带有不同类型的功率连接器的两个变型：带有4针mini型的功率板e和带有5针mini型的功率板f。图2d绘示出带有5针aida连接器的功率板配置j。在每种配置中，板可具有用于aux功率、逻辑供应和阀驱动器供应的保护性熔断器和滤波器。给现场总线控制器4提供这些针对功率模块配置的选项，以可调适性和可自定义性增添了对于用户的价值。另外，增加保护性熔断器为系统提供了额外程度的保护。

图3绘示具有多个i/o模块8的示例性现场总线控制器4的示意性框图。示例性现场总线控制器4可包括控制电路14，控制电路负责现场总线控制器4的总体操作。控制电路14可以是例如现场总线控制器4中的逻辑板。在一个实施例中，现场总线控制器4的控制电路14包括执行操作指令的处理器16。控制电路14的处理器16可以是执行代码以实现现场总线控制器4的操作的中央处理单元(cpu)、微控制器或者微处理器。现场总线控制器4可还包括存储器15。存储器15可以是例如以下中的一者或多者：缓冲器、闪存、硬盘驱动器、可移除介质、易失性存储器、非易失性存储器、随机存取存储器(ram)或者其它适合的装置。在常规的布置结构中，存储器15包括用于长期数据存储的非易失性存储器和充当用于控制电路14的系统存储器的易失性存储器。存储器15可以存储呈应用和/或网页形式的用户接口，并且可以通过数据总线与控制电路14交换数据。存储器15与控制电路14之间附随的控制线路和地址总线也可存在。存储器15被视为非暂时性计算机可读介质。

多个i/o模块8可包括模块处理器17、模块存储器18和其它的配置电路19。i/o连接器6连接到模块处理器17并利用通信接口21(例如，cantrx)经由通信链路22(比如，can线路)将数据发送到控制电路14的处理器16。例如，处理器16可使用针对背板can驱动器的背板协议来通过通信链路22与i/o模块通信。

在i/o模块8首次被连接到现场总线控制器4时，i/o模块通过通信链路22将它们的标识和配置设置通信到现场总线控制器4的处理器16。如果i/o模块8先前未有连接到现场总线控制器4和/或未被配置过，则现场总线控制器4实施针对该i/o模块8的配置过程。在配置之后，i/o模块8然后可启动并相应地来使用。

根据本发明，在i/o模块8的配置完成时，由现场总线控制器4的处理器16生成密钥id(例如，随机数发生器可生成随机的4字节数)。如以下所描述的，密钥id用于确定i/o模块8先前是否已被配置过。随机4字节数发生器允许用于2³²个可行的不同密钥id，确保了每个生成的密钥id将是唯一的。新的密钥id可经由通信链路22从处理器16被通信到i/o模块8。

密钥id与例如配置设置一起被保存在现场总线控制器4和i/o模块8的存储器15、18中。在i/o模块8连接到现场总线控制器4之后和/或在系统开机之后，现场总线控制器4获取i/o模块8中存储的密钥id并将检索到的密钥id与现场总线控制器4的存储器15中针对该特定i/o模块8存储的密钥id进行比对。如果密钥id匹配，则现场总线控制器4获知该i/o模块8已被配置过且不需要进一步的配置。通过这种方式，由于现场总线控制器4将会立即识别出该密钥id并检索对于该i/o模块8的具体配置设置，因此配置和启动时间可被缩短。如果密钥id不匹配(或者如果密钥id在现场总线控制器4或i/o模块8中不存在)，则针对该i/o模块8的配置过程被实施。如本文中所使用的，术语“连接”包括在i/o模块8连接到有效网络和/或有效现场总线控制器4时检测到连接和在现场总线控制器4、网络和/或i/o模块8开机时检测到连接。

相应地，在本发明的方面中，用于确定连接到现场总线控制器4的i/o模块8的配置状态的方法被绘示在图4中。在方框24中，方法包括将i/o模块8首先连接到现场总线控制器4。如以上提及的，这可包括将i/o模块连接到有效网络或者仅简单地在系统开机之后检测到连接。在方框26中，现场总线控制器4的处理器16从i/o模块8接收密钥id，如果一个密钥id已经从先前与现场总线控制器4的连接和配置被分配给i/o模块8的话。

在方框28中，处理器将接收到的密钥id与现场总线控制器4的存储器15中存储的至少一个密钥id进行比对。如果没有密钥id被接收到，或者如果从i/o模块8接收到的密钥id未与现场总线控制器4的存储器15上存储的至少一个密钥id相对应，则方法包括(在方框130中)配置i/o模块8。配置i/o模块可包括标示在方框32-36中的步骤，包括：由现场总线控制器4的处理器16生成新的密钥id，将新的密钥id通信给i/o模块，以及将该新的密钥id存储在现场总线控制器4和i/o模块8上。

在配置之后，方法还包括(在方框38中)断定i/o模块8被配置过以及然后(在方框40中)完成i/o模块8的启动过程。

如果从i/o模块8接收到的密钥id与现场总线控制器4的存储器15中存储的至少一个密钥id相对应，则现场总线控制器4将识别i/o模块8的密钥id并立即检索对于该i/o模块的配置设置。方法然后还包括(在方框38中)断定i/o模块8被配置过并检索该i/o模块的配置设置。在配置信息被接收之后，然后i/o模块8完成它的启动过程。

转向图5a-b，在本发明的另一方面中，用于将i/o模块8的数字输入端42配置成pnp型输入端或npn型输入端的示例性电路50、80被绘示。电路50、80包括电连接到数据电路80(绘示在图5b中)的控制电路50(绘示在图5a中)。电路50、80允许本发明的现场总线控制器4被连接到作为pnp型装置或npn型装置的i/o模块8，并通过将i/o模块8的数字输入端42选择性地配置成pnp型输入端或npn型输入端来检测来自任一类型的传感器信号。用户能够经由web接口或配置工具上提供的配置软件择选数字输入端42的配置类型。在选定之后，数字输入端42可被连接到pnp型或npn型装置，并且现场总线控制器4可从所述装置获取数据，而无需更换现场总线控制器4上的任何硬件。

在图5a中所绘的示例性实施例中，控制电路50包括用于选择数字输入端的npn型模式或pnp型模式的第一选择输入端54，所述选择取决于由用户在配置软件上择选的选择。第一选择输入端54与用户可设置的配置参数相对应，所述参数可经由现场总线控制器的配置工具来设置。控制电路50还包括用于接收基准电压的基准输入端52，其中，第一选择输入端54的状态及因此由第一选择输入端54选择的模式将控制在基准输入端52处提供的电压。控制电路50还包括用于提供命令的控制输出端56，所述命令指示由第一选择输入端54选择的npn型模式或pnp型模式，其中，由控制输出端56提供的命令也与在基准输入端52处提供的电压相对应。

数据电路80包括第二选择输入端82，所述第二选择输入端电连接到控制输出端56以接收由控制输出端56提供的命令。控制输出端56操作成将第二选择输入端82连接到第一电压水平或第二电压水平中的一者。在一个实施例中，第一电压水平包括信号公共端88，并且第二电压水平包括与信号公共端88不同的指定电压。第二选择输入端82然后操作成：根据由控制电路50的控制输出端56接收到的命令和第二选择输入端82到第一电压水平或第二电压水平中的一者的连接，来将数字输入端42配置成pnp型输入端或npn型输入端。数据电路80还包括电耦接到数字输入端42的数据输入端84和用于提供与数据输入端84相对应的数据的数据输出端86。由数据输出端86发送的数据与数字输入端42的状态相对应，并允许现场总线控制器4高效地将数字输入端42检测为pnp型输入端或npn型输入端。

在一个实施例中，数据电路80包括第一光耦合器90。第一光耦合器90可包括在数据输入端84与第二选择输入端82之间连接的第一发光装置92，如图5b中所示。第一发光装置92操作成基于数据输入端84上提供的数据和第二选择输入端82的状态而选择性地发光。第一发光装置92可包括第一发光二极管92a和第二发光二极管92b，第一发光二极管具有连接到数据输入端84的阳极和连接到第二选择输入端82的阴极，并且第二发光二极管具有连接到第二选择输入端82的阳极和连接到数据输入端84的阴极。第一光耦合器90可还包括连接到数据输出端86和信号公共端88的第一光电晶体管94。第一光电晶体管94基于由第一发光装置94发射的光而选择性地使数据输出端86耦接到信号公共端88。

在一个实施例中，控制电路50包括第二光耦合器58。第二光耦合器58可以是与第一光耦合器90相似的，并且第二光耦合器可以包括在基准输入端52与第一选择输入端54之间连接的第二发光装置60。第二发光装置60操作成基于基准输入端52上提供的数据和第一选择输入端54的状态而选择性地发光。第二发光装置60可包括发光二极管61，发光二极管61具有连接到基准输入端52的阳极和连接到第一选择输入端54的阴极。另外，第二光耦合器58可还包括连接到控制输出端56和信号公共端88的第二光电晶体管62。第二光电晶体管62基于由第二发光装置60发射的光而选择性地使控制输出端56耦接到信号公共端88。

在一个实施例中，图5a-b的电路50、80可还包括第一电源100、第二电源101和多个电阻器102、103、104、106和108。电路可包括在电源100与数据输出端86之间连接的第一电阻器102和在数据输入端84与数字输入端42之间连接的第二电阻器104，如在图5b的数据电路80中所示。数据电路80可还包括在第一电阻器102与电源100之间连接的中间电阻器103。电路50、80可还包括在电源101与控制输出端56之间连接的第三电阻器106和在基准输入端52与电源100之间连接的第四电阻器108，如在图5a的控制电路50中所示的。

在操作中，以上描述的电路50、80使现场总线控制器4上的i/o模块8的数字输入端42能够被配置成与npn型传感器或pnp型传感器兼容的npn型输入端或pnp型输入端。npn型传感器和pnp型传感器两者是三线装置并具有两条功率引线，一条功率引线连接到正供应，且一条功率引线连接到负的。该三线式输出端经由数字输入端42连接到现场总线控制器4的i/o模块8。数字输入端42可以是漏类型的或源类型的。漏类型输入端待与pnp型传感器一起使用，而源类型输入端待与npn型传感器一起使用。在pnp型传感器的情况下，被连接到数字输入端42的三线式输出端连接到功率供应部的负极，而在npn型传感器的情况下，被连接到数字输入端42的三线式输出端连接到功率供应部的正极。利用本发明的可配置的数字输入端42，这些类型中的任一种都可被现场总线控制器4检测。

例如，为了将数字输入端42配置成pnp型输入端，用户将在配置软件上选择pnp型配置设置。这致使第一选择输入端54因被设为低而选择pnp型模式。在第一选择输入端54被设为低的情况下，来自电源100的电压在基准输入端52处提供，并且电流经由发光二极管61流过第二光耦合器58的第二发光装置60。当电流流过第二发光装置60时，光被发射到第二光耦合器58的第二光电晶体管62上，使第二光电晶体管62接通。在第二光电晶体管62接通的情况下，控制输出端56将数据电路80的第二选择输入端82连接到信号公共端88、高效地将指示pnp型模式的命令提供到第二选择输入端82并促使第二选择输入端82将数字输入端42配置成pnp型输入端。第二选择输入端82做此，因为：第二选择输入端被连接到信号公共端88，促使电流从数字输入端42(根据数字输入端42的状态)被拉(source)到数据输入端84并经由第一发光二极管92a通过第一光耦合器90的第一发光装置92。光基于数字输入端42的状态从第一发光二极管92a被发射，并因此基于数字输入端42的状态使第一光耦合器90中的第一光电晶体管94接通或断开。因此，数据电路80的数据输出端86将与pnp型数字输入端42的状态相对应。

替代地，为了将数字输入端42配置成npn型输入端，用户将在配置软件上选择npn型配置设置。这致使第一选择输入端54因被设为高而选择npn型模式。在第一选择输入端54被设为高的情况下，没有电压被提供到基准输入端52，并且没有电流流过第二光耦合器58的第二发光装置60。相应地，第二光耦合器58中的第二光电晶体管62保持断开。在第二光电晶体管62断开的情况下，控制输出端56将数据电路80的第二选择输入端82连接到与信号公共端88不同的指定电压、高效地提供指示npn型模式的命令并促使第二选择输入端82将数字输入端42配置成npn型输入端。第二选择输入端82做此，因为：第二选择输入端被连接到与信号公共端不同的指定电压，致使数字输入端42基于数字输入端42的状态而灌电流，其中电流从第二选择输入端82流到数据输入端84、经由第二发光二极管通过第一光耦合器90的第一发光装置92。光基于数字输入端42的状态从第二发光二极管92b被发射，并因此基于数字输入端42的状态使第一光耦合器90中的第一光电晶体管94接通或断开。相应地，本发明的电路允许现场总线控制器4检测pnp型或npn型输入端。

尽管已相对于某个或某些个实施例示出并描述了本发明，然而显见的，本领域技术人员在阅读并理解本说明书及附图之后将会想到等同的变更和修改。尤其关于由以上描述的元件(部件、组件、装置、组成等)实施的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这类元件的术语(包括对“意味着/表示”的引用)意图对应于实施所描述的元件的指定功能(也就是，功能等同)的任何元件，即使所述功能等同的元件与本文中图示的本发明的一个或多个示例性实施例中实施该功能的公开结构在结构上并不等同。此外，尽管本发明的特定特征可能在以上相对于若干图示实施例中的仅一个或多个被描述，然而这样的特征可如对于任何给定或特定的应用会是期望和有利的方式与其它实施例的一个或多个其它特征组合。