一种分布式IO模块地址自适应系统及方法与流程

一种分布式io模块地址自适应系统及方法
技术领域
1.本发明涉及分布式控制系统技术领域，尤其涉及分布式io模块地址自适应方法及系统。


背景技术：

2.dcs(distributed control system)分布式控制系统又叫集散控制系统，是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，以微处理器为基础，采用功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调设计原则的新一代仪表控制系统。采用控制分散、操作和管理集中的基本思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，集中管理、分散控制，广泛应用于电力、冶金、石化等行业。
3.dcs系统发展到现在，均采用模块化设计，比如cpu模块，电源模块，i/o模块，通讯模块、ai/ao模块、di/do模块等，都设计成独立的模块，组装时只需要将各模块的底座安装后，将所需的模块装到底座上，就完成了系统硬件的安装。每个模块都有自己的mcu，自带处理功能，各个模块之间互不干扰、支持热插拔。
4.在目前已知的各dcs系统中，各io模块地址的配置多种多样，存在硬件拨码配置的，配置繁琐、工作量大、容易配错、io底座更换后需要重配地址等缺点；有通过软件配置的方式实现配置io模块地址配置的，操作时需要单独对模块进行配置，如果更换模块需要重新配置，同类型的模块容易插错位置，对模块的管理提出了较高的要求；有通过纯硬件移位实现地址识别的，该方案可靠性高、io模块地址自识别，优点较多，但是存在占用板间连接器针数较多的缺点，且io底座越多所需要的连接器针数越多，io底座的连接数量受到限制；有通过加法器电路进行地址识别的，该方案存在io底座上需要内置加法器电路且io底座连接数量较少的缺点；有通过分频器进行地址自识别的，该方案存在需要在io底座上内置分频电路、可靠性降低的缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有的分布式控制系统io模块地址自适应电路占用板间连接器数量多、内置分频电路可靠性降低、地址配置时需要人工干预等弱点，提供了一种分布式io模块地址自适应方法及系统。
6.为了实现上述目的，本发明包括如下技术方案：
7.一种分布式io模块地址自适应系统，包括
8.终端模块，输出激励电流；
9.io底座，各io底座上配置io模块，终端模块输出的激励电流依次流经各io底座；
10.地址电压产生电路，分别配置于各io底座上，生成地址电压输出至对应的io模块，由io模块运算获得自适应的地址序号；
11.控制器底座，配置有基准电源电路，激励电流经各io模块后进入基准电源电路，产生基准电压，给各io底座产生一个0#地址电压参考；
12.控制器模块，安装于控制器底座上，根据各io模块的自适应地址进行io配置应用。
13.本发明采用恒流源激励的方法实现了io模块地址自适应功能，结构简单、占用各模块间的连线少，稳定、可靠，不会受到网络故障、控制器故障或io通讯故障等影响，能够可靠保证分布式控制系统io模块地址自动正确识别，成本较低。
14.本发明还提供了一种分布式io模块地址自适应方法，包括以下步骤：
15.所述控制器底座为地址0#，各io底座按顺序从地址1#排列至地址n#，终端模块位于末端位置；所述终端模块输出恒流源激励电流信号，电流信号依次流入各io底座，由对应的地址电压产生电路生成地址电压和起始电压输出给对应的io模块，计算获得自识别的地址序号；电流信号经io底座后流入控制器底座，由基准电源电路产生基准电压，作为0#地址的基准电源电压值，并由控制器模块根据各io模块的自适应地址进行io配置应用。
16.本发明io模块通过采集地址电压自动识别出当前io模块所处的模块地址，且无论后级io底座数量变化前级的io模块地址保持不变。
17.其中，io模块自识别的地址序号n为：
18.n＝(vox-vj)/(vox-vix)
19.其中，vox：对应io底座采集的地址电压值，vix：对应io底座采集的起始电压值，vj：基准电源电压值。
20.进一步的，各io底座上设置的地址电压产生电路生成的地址采集电压值(vox-vj)、基准电源电路产生的基准电源电压值大小相同。
21.通过地址采集电压值(vox-vj)与基准电源电压值vj保持一致的设计，使得各io底座采集的地址电压vox和基准电源电压vj成整数倍关系，误差较小，mcu在计算当前模块地址号时可以再进行估算，完全去除精密电阻带来的误差，确保分布式io模块地址自适应功能的准确、可靠。
22.进一步的，恒流源电流值配置为2ma；各io底座上设置的地址电压产生电路均配置电压采集精密电阻，电阻值为50ω；控制器底座上的基准电源电路采用50ω的高精密电阻；所述io模块自识别的地址序号n为：
23.n＝(vox-0.1v)/0.1v
24.其中，vox：对应io底座采集的地址电压值。
25.通过对恒流源电流、地址电压产生电路和基准电源电路的设计，恒流源电流每经过一个电压采集精密电阻后即产生0.1v的地址采集电压；adc的采样电压配置为上线2v，适配所有的adc采样范围，io底座的数量限制为19个，足以满足使用需求。
26.本发明相比现有技术具有以下优点：
27.本发明的结构比较简单，配置比较灵活，项目实施时可以很方便的完成io底座配置及项目实施；各io底座无先后顺序，无论怎么配置均可确保io底座的序号保持不变，维持从控制器io底座开始按1、2、3、4.....n号地址配置；io模件地址自识别电路简洁，底座只需配置一个精密电阻即可实现、产品成本较低，故障率低、可靠性高、环境适应性强、可用性高，产品持续使用时间长；对io底座板间连接器的管脚资源占用比较少，只需要一根线即可实现io模块地址自适应，系统设计时资源消耗少、可靠性更高，板间连接的系统设计更简洁，同样的资源下给板间通信留足更多的管脚资源；地址自识别电压采集方便，对adc的需求较低，可以采用处理器自带的adc进行采样，无需占用额外的资源消耗，电路简洁、产品成
本低、可靠性高。
附图说明
28.图1为本发明分布式io模块地址自适应系统的结构框图；
29.图2为图1中终端模块电路示意图；
30.图3为图1中io底座电路示意图；
31.图4为图1中控制器底座电路示意图；
32.图5为图1中io模块电路示意图；
33.图6为本发明分布式io模块地址自适应方法的流程图。
34.图中，1-分布式io模块地址自适应系统，11-控制器模块，12-io模块，13-控制器底座，14-io底座，15-终端模块，121-地址电压采集电路，122-起始电压采集电路，123-adc采集电路，124-mcu运算处理模块，125-输出io模件地址，131-基准电源电路，132-控制器底座电流输入电路，141-io底座电流输出电路，142-地址电压产生电路，143-io底座电流输入电路，144-地址电压输出电路，145-起始电压输出电路，151-恒流源激励电流输出电路，152-恒流源电路，153-电源输入。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施案例对本发明的工作原理以及具体的技术方案，对本发明进行进一步详细说明。
36.如图1所示，本发明所涉及的分布式io模块地址自适应系统1，用于在工业分布式io系统中实现地址自适应功能；终端模块15配置在io分支的末端，输出地址自适应电路所需的恒流源激励电流信号；电流信号流进io底座14后，io底座上配置的地址电压采集电路会自动产生一个地址电压和起始电压，地址电压和起始电压同时输出给io模块12，在io模块中进行地址电压和起始电压的采集、运算，得到自适应的地址序号；恒流源激励电流信号流过io底座后再流入控制器底座13，控制器底座上配置有基准电源电路，产生一个基准电压，用于给各io底座产生一个0#地址电压参考，便于各io模件进行计算；控制器底座上用于安装控制器模块11，在控制器模块中根据各io模块的自适应地址进行io配置应用。
37.本发明所涉及的终端电阻模块15，用于产生地址自适应电路所需的恒流源激励电流信号，如图2所示，终端电阻模块需要外接电源输入153，模块得电后通过2ma恒流源电路152产生2ma的恒流源激励电流，激励电流通过激励电流输出电路151输出给io底座。
38.本发明所涉及的io底座模块14，如图3所示，恒流源激励电流通过io底座电流输入电路143输入后进入地址电压产生电路142，该电路配置50ω精密电阻、产生一个0.1v的地址电压信号，恒流源激励电流通过地址电压产生电路142后通过io底座电流输出电路141输出给下一个io底座或控制器底座13；起始电压信号通过起始电压输出电路145输出至io模块，地址电压信号通过地址电压输出电路144输出给io模块。
39.本发明所涉及的控制器底座13，如图4所示，恒流源激励电流通过控制器底座电流输入电路132输入后进入基准电源电路131，基准电源电路配置有一颗50ω电阻，配合2ma的恒流源激励电流，产生了一个0.1v的基准电压vj，此时，控制器底座后第一个连接的io底座的起始电压固定为0.1v；每个io底座的地址电压也配置为0.1v，n个io底座的地址电压为：
40.vox＝0.1v x n+vj
41.n：io底座槽位号
42.vox：地址电压
43.vj：基准电源电压。
44.本发明所涉及的io模块12，如图5所示，io底座输出的起始电压信号输入至起始电压采集电路122，io底座输出的地址电压信号输入至地址电压采集电路121；为了分布式系统能支持io模块热插拔，输入的电压信号需要进行热插拔设计，将起始电压、地址电压和后级的adc采集电路123隔离开，确保分布式io模块的热插拔更换功能可靠、稳定，确保起始电压采集功能稳定、可靠；adc采集电路需要支持io底座最大地址电压的采集量程，由于各地址电压设计为0.1v的整数倍，改电路对adc的要求不高，12bit的adc即可满足要求，该发明中的adc采集电路可以外部配置也可以采用处理器内部自带的adc，均可满足电路采集的要求，电路设计灵活、成本低、可靠性高；adc采集完成后将起始电压和地址电压转换成数字信号输出至mcu运算处理模块124，计算出当前的io底座槽位号后就输出io模块地址125，该io模块地址号可以通过通信总线传给控制器，也可以直接标识当前io模块，完成分布式io模块地址自适应功能。电路配置时地址电压vox和起始电压vix均不能超过adc的测量上限，起始电压vix也不能低于adc的测量下限，为了提高适用范围，adc的下限设计为0.01v，上限设计为2v，可以满足目前市场上大部分的adc的采样范围，降低产品成本。io底座的数量限制为19个，目前各分布式系统io底座数一般为8或16个，19个足以满足使用需求。
45.如图6所示，本发明所涉及的自适应方法实现示意图，分布式系统的io模块在热插拔上电后，首先执行硬件、软件初始化程序，完成处理器在adc及其它功能的初始化，初始化完成后通过adc模块读取起始电压值，然后再读取地址电压值，当地址电压和起始电压获取完成后就可以通过计算公式“n＝(vox-vj)/(vox-vix)”计算当前io底座的地址号，地址电压vox、起始电压vix为当前测量值，电源电压vj为估算值，通过控制器底座上的50ω基准电源电路产生，由于控制器底座和io底座上的各50ω均采用高精密电阻，恒流源激励电流为同一个，因此地址电压和基准电源电压将成整数倍关系，误差比较小，mcu在计算当前模块地址号时可以再进行估算，完全去除精密电阻带来的误差，确保分布式io模块地址自适应功能的准确、可靠。
46.通过分布式io模块地址自适应方法搭建的分布式系统，应用灵活、配置方便，在电路设计时采用的电路比较少，成本低、可靠性高，在进行io底座更换后无需进行额外的配置工作即可实现更换后的io模块地址自适应，方便、快捷。