CN101145046A - 一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口 - Google Patents
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Abstract
一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，包括主模块和多个扩展模块，其特征在于：采用四线标准的SPI接口线与两根数字逻辑线：中断总线控制线和顺序连接控制线组成接口总线，主模块与所有扩展模块双向通信受令牌式控制；在系统初始化过程中自动完成各扩展模块的地址分配，完成主模块与多扩展模块之间的控制和数据信息双向通信，实现可编程控制器的输入输出及功能扩展。本发明的有益效果是：成功实现了可编逻辑控制器与扩展模块的通信接口功能，完成数据与控制字符的双向通信，具有扩展模块地址自动分配功能，同时还有效解决了通信中的冲突问题，提高了可编程控制器与扩展模块的通信效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及应用于工业控制应用领域的可编程逻辑控制器与多个扩展模块的接口。
背景技术
随着可编程逻辑控制器的广泛应用，单一可编程逻辑控制器由于其功能有限，在很多场合不能满足要求，而在实际控制过程中，通常需要扩展单一控制器的功能，即通过提供其他性能模块，如输入/输出模拟量扩展模块、数字量扩展模块、网络连接模块等来扩大系统的性能。模块化系统既能适用于简单的系统，又能通过扩展相应的功能模块，使其适用于复杂的系统，因此，可编程功能逻辑控制器需要提供具有很多的不同功能的附加扩展模块接口。逐级连接法由于具有任意组装，灵活接线的优点，因此现在已经广泛采用。对于具有多个扩展模块的系统，主模块为了访问各个扩展模块，各扩展模块需要有一个唯一的编号地址。现有的技术有人工手动输入编号和主模块自动编号。人工手动编号比较繁琐，每次增加一个扩展模块，需要编程人员记住相应的扩展模块信息，并输入正确的编号。主模块自动编号则是用硬件编码的方式，在扩展模块中设计一个地址逻辑编码与传递单元，这样，增加了硬件设计的复杂性，在扩展模块比较多的时候，需要的地址线增多，将进一步增加设计的复杂度。
PLC主模块与各扩展模块之间需要传递数据和控制信号。现有的技术是采用“主从通信”的信息交换方式，这样在整个通信过程都只能由主模块发起，提供寻址，总线控制和通信，扩展模块无主动发送数据的能力。这种模式大大降低了主模块和扩展模块间的通信效率。
发明内容
本发明的目的是提供可编程控制器与多模块的方便接口，采用一种主模块主动发送数据和扩展模块中断发送数据请求，主模块随机发送令牌的方式进行通信，可以实现可编程控制器的输入输出及功能扩展，简化设备装配过程，提高可编程控制器在工业领域应用的灵活性。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：可编程控制主模块与多扩展模块硬件接口总线由/SS、SCK、MOSI、MISO四线标准的SPI接口线与一条中断申请线、一条顺序控制线构成，其连接见图1。中断申请线连接主模块的外部中断口和扩展模块的通用I/O口，而顺序控制线为将各扩展模块顺序连接的通用I/O口线。通过软件设计，在接口总线传输控制与数据信号，并能自动为扩展模块编址。
数据传输协议。本发明所设计的接口具有双向数据传输功能，主模块可以随时向扩展模块发送数据字符和控制字符，扩展模块采用令牌的通信机制，获得令牌后可以向主模块发送数据。
多扩展模块的地址自动分配方案。本发明所述的地址自动分配方案，在上电初始化或增加新的扩展模块时，各扩展模块根据与主模块的CTLx线联接顺序，按照与主模块的远近，能用软件自动分配唯一的地址，主模块可以识别扩展模块编号地址。
数据传输冲突解决机制。包括软件防冲突机制和硬件防冲突机制。软件上采用令牌方式防止多扩展模块同时发送数据，即在一个时间内，只有一个扩展模块可以通过MISO总线向主模块发送数据。硬件上在每个扩展模块的发送端串联一个电阻，当两个扩展模块同时发送数据时，电平不同时，由于在每个扩展模块的发送端都串有一个470K欧姆电阻，使管脚电流不致太大，从而保护管脚使不致损坏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：成功实现了可编逻辑控制器与扩展模块的通信接口功能，完成数据与控制字符的双向通信，具有扩展模块地址自动分配功能，同时还有效解决了通信中的冲突问题，提高了可编程控制器与扩展模块的通信效率和可靠性。
附图说明
图1为本发明可编程逻辑控制器与多个扩展模块的接口示意图；
图2为接口总线的针脚分配排列图；
图3为单个扩展模块的地址自动分配流程图。
具体实施方式
下面将参照附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明， 在本发明技术方案为前提下，给出了详细的实施方式和过程，但应当理解，本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明可编程控制器与多个扩展模块的接口示意图，由图可见，一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，除了电源线和地线外，还包括主模块和多个扩展模块，其特征在于：采用/SS、SCK、MOSI、MISO四线标准的SPI接口线与两根数字逻辑线：INT申请中断控制线和CTLx顺序连接控制线组成接口总线，主模块与扩展模块间的数据通信模式为双向传输，同时完成数据的输入和输出，主模块通过MOSI向扩展模块传送信息，所述所有扩展模块共同使用MISO向主模块传送信息，双向通信受令牌式控制，只有获得令牌的唯一扩展模块才能在MISO总线上向主模块发送数据；顺序连接控制线为将各扩展模块顺序连接的通用I/O口线，根据扩展模块连接的顺序和距离主模块的远近，完成地址的自动分配；申请中断控制线连接主模块的外部中断口和扩展模块的通用I/O口，主模块响应扩展模块中断请求，扩展模块才能向主模块发送数据。本发明中，多扩展模块通过接口与主模块逐级相连，与主模块相连的扩展模块定义为扩展模块1，与扩展模块1相连的扩展模块为扩展模块2，依此类推。如图1所示。从图上可以看出，扩展模块之间的通过CTLx与主模块串联，用于地址分配，但各扩展模块又可以看成是并联的，其获得发送数据的机会是均等的，都是通过向主模块申请中断获得令牌。图1中总线功能示于表1。
| 信号线名 | 功能 |
| /SS | 扩展模块控制器选择信号，用于选定与哪一个扩展模块通信 |
| SCK | 由主模块控制的通信时钟信号线 |
| MOSI | 主模块数据输出信号线，主模块通过该线向扩展模块传输数据 |
| MISO | 主模块数据输入信号线，扩展模块通过该线向主模块传输数据 |
| INT | 扩展模块申请中断控制线 |
| CTLx | 扩展模块顺序连接控制线，用于地址分配。 |
| VCC | 5伏电源线，一共有两条 |
| GND | 电源接地线，一共有两条 |
表1
所述的扩展模块地址自动分配，每一个扩展模块都有一个地址。刚开始时，每个扩展的地址都为相同，为初始的统一地址，但只有最靠近主模块的扩展模块前的顺序连接控制线(CTL1)为低电平，即只有第一个扩展模块可以与主模块通讯，其余扩展模块处于睡眠状态。当主模块为第一个扩展模块分配好地址后，其后的第二个扩展模块后才可以进入等待地址状态，以此类推，扩展模块将按照先后顺序获得地址，当整个系统完成初始化以及地址分配后，按照靠近主模块的远近，扩展模块地址依次递加。顺序控制线CTLx在初始化地址自动分配中起重要作用，根据扩展模块的连接顺序，使用CTLx线依次唤醒连在后面的扩展模块来实现地址的顺序分配。
所有的扩展模块都连在同一根中断总线控制线上，主模块的处理器响应扩展模块产生的发送数据中断请求，通过向传送数据包中轮循插入令牌地址的方式寻址需要发送数据的扩展模块，当请求发送数据的扩展模块收到与自己地址相同的令牌时，该扩展模块停止产生发送数据中断请求，并向主模块发送数据，主模块收到发送数据立即停止发送令牌地址。
所述令牌式总线控制，令牌作为总线控制权的标志，只有获得令牌的扩展模块才能在MISO总线上发送数据，扩展模块如果想向主模块传送数据，先将中断INT控制线置为低电平，而扩展模块随时监测INT总线的状态，当主模块发现INT线被拉低为低电平后，将产生中断，开始发送两个连续的地址字符作为令牌，当要求发送数据的扩展模块地址与令牌中含有的地址相同时，该扩展模块就获得此令牌，也就获得发送数据的机会，于是释放INT总线，将INT总线恢复为高电平，然后向主模块发送数据。
在每个扩展模块的发送端都串有一个电阻，当两个扩展模块同时发送数据，电平不同时，两个管脚之间串有的两个电阻，保护管脚使不致损坏。
以上所述10根线组成了接口的硬件连接，通过十针的扁平线连接，其接口分布如图2所示。
为了实现PLC主模块与各扩展模块之间的高效可靠的连接，本发明实施例定义了双向传输的通信协议。主模块具有随时主动向扩展模块发送数据的功能，因此，主模块首先根据连接的扩展模块的个数，将需要发送的数据打包成帧的格式发送。所述MOSI和MISO线传送数据的帧格式为：地址+操作码+多个字节的数据+LRC效验码+结束字符。主模块向扩展模块传送、以及扩展模块向主模块传送数据帧的格式分别如表2和表3所示。
| Fx | OPC | DAT | LRC | FE |
| 扩展模块地址或广播地址 | 操作码 | 多个字节数据 | 校验 | 结束字符 |
| Fx | OPC | DAT | LRC | FE |
| 扩展模块地址 | 操作码 | 多个字节数据 | 校验 | 结束字符 |
表3
扩展模块的地址在启动时主模块软件根据扩展模块与主模块的连接顺序唯一确定。在本实施例中，扩展模块的地址为0xF1-0xF8共八个，0xF9定义为广播地址。广播地址为一特定的控制字节其值为0xf9。操作码是对传输的字节数据的定义，如传输的字节数据为扩展输入字节或输出字节等。本实施例中使用的LRC校验，校验字节使整个帧和为0。
控制字符格式为0xfx(x＝0 to f)，其余字符是数据字符。即，0xf0、0xf1、0xf2、0xf3……0xff都是控制字符，其余的为数据字符。如果需要传输的数据字符等于在本实施例中已经定义的控制字符，则将该数据字节拆分成两个字节，其中一个字节为高四位等于数据字节的高四位，低四位为0的字节，另外一个是高四位为0，低四位为数据字节的低四位组成的字节。更具体的说如果需要传送一个0xfx的数据字符，采用插入0xf0的方式传送，将0xfx拆分为0xf0和0x0x两个字符传送。所以每次检测到有一个字节数据为0xf0，则将它和后面的字节相加得到实际的传送字节数据。例如发送方想传送给接收方一个0xf5的数据值，发送方发送0xf0和0x05两个字符，而接收方在接收到字节0xf0后，会将后面的0x05与0xf0相或得到发送方传递的实际数值0xf5。
当主模块需要向所有扩展模块同时发送数据时，帧的第一个字节是广播地址时，发送的多个字节数据将会按照扩展模块的顺序，将要发送的数据组合，在扩展模块接收方，扩展模块按约定的组合方式从特定位置读取数据，并根据操作码执行相应的操作。广播信息的帧格式如表4所示。
表4
当主模块向某个扩展模块单独发送数据时，帧的第一个字节是所发送数据的接收方的唯一编码地址。扩展模块接收到数据帧后，如果数据帧中的地址与自己的地址一致，且数据传输正确，无效验错误，则接收数据，并根据操作码执行相应的操作，否则，丢弃该数据帧。如果发生数据传输错误，LRC校验出错，则采用数据重发机制，丢弃该数据，并请求主模块重新发送数据。
扩展模块要发送数据时，需要先将中断申请线ITN输出为低电平，向主模块申请令牌，主模块响应中断，在发送的数据帧中轮循插入地址令牌，地址令牌的格式为两个连续的0xfx字节(x＝1 to 8)，申请中断的扩展模块在没有接收到自己的地址令牌时，一直保持INT为低电平，直到接收到地址令牌才将INT线值为高电平，停止发送数据中断申请。主模块接收到扩展模块发送过来的数据字节，停止发送地址令牌，并按照数据包中的操作码完成相应的操作。
本发明中，完成扩展模块与主模块的通信的一个关键是每个扩展模块都有一个唯一的地址。本发明的实施例提供了一个可以用软件自动分配扩展模块地址的方法。其优越性在于不需要复杂的硬件地址编码设计，而且在增加扩展模块时，在不改变已被分配地址的扩展模块地址的前提下，自动给后来增加的扩展模块分配地址。
在初始化之前，扩展模块的地址相同，该地址在地址分配中作为初始地址令牌。系统初始化时，按照距离主模块的远近，也就是根据CTLx线的连接顺序，依次自动分配一个唯一的地址给扩展模块，因此当整个系统完成初始化以及地址分配后，扩展模块具有一个自己的唯一地址。每个扩展模块的唯一地址分配过程如图3可以分为三个阶段：等待分配地址，请求分配地址，确认分配的地址。
系统刚开始上电工作时，所有扩展模块将自己后向的CTLx线设置为1，或通过硬件设计保证系统上电后CTLx线为1，进入等待分配地址状态。经过适当延时后，扩展模块检测从前一个模块(主模块或扩展模块)过来的CTLx线电平，如果为0，进入等待地址状态。进入等待地址状态后，扩展模块将INT线拉低，监听MOSI总线，等待主模块分配地址令牌，当获得该令牌后，如果扩展模块获得MISO总线控制权，就发送请求地址命令。直到主模块发送过来地址分配命令后，扩展模块地址改变为主模块分配的新地址，进入确认地址状态。进入确认地址状态后，扩展模块仍然将INT线拉低，在获得主模块分配给自己的地址令牌后，向主模块发送确认获得地址命令。当收到主模块的工作命令后，将后向的CTL电平变低，进入正常工作状态。这样下一个扩展模块CTL线为0，重复唯一地址分配过程，获取新地址。因此每个扩展模块完成初始化(即使只有部分完成初始化)后，在总线上，处于正常工作状态的扩展模块都有一个独一无二的地址。主模块随时可以将数据传送给扩展模块，而扩展模块如果想向主模块传送数据，必须先将INT线拉低。主模块检测到INT线被拉低后，将开始发送令牌。主模块开始发送令牌，即发送两个连续的扩展模块地址命令字符，扩展模块的地址等于令牌中的地址命令字符时，该扩展模块就获得令牌，如果有数据发送，则立即开始发送数据，否则丢弃令牌。主模块接收到扩展模块反馈的信息后，立即停止发送令牌，转入数据接受过程。当数据传输完毕后，主模块继续监听INT总线，如果INT线仍然为低，说明仍有扩展模块需要发送数据，主模块继续发放令牌，等待需要发送数据的扩展模块接收到令牌后发送数据。
软件上，采用令牌方式防止冲突，可以保证在同一时刻只有一个扩展模块获得令牌，获得令牌的扩展模块通过总线向主模块传输数据，但如果因为干扰等情况，造成两个扩展模块同时向MISO总线发送数据时，在每个扩展模块的发送端都串有一个电阻，这样当两个扩展模块同时发送数据，电平不同时，两个管脚之间串有两个电阻470K欧姆电阻，可以有效地限制端口电流，使不造成接口通信管脚损坏。
Claims (6)
1.一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，包括主模块和多个扩展模块，其特征在于：采用四线标准的SPI接口线与两根数字逻辑线：中断控制线和顺序连接控制线组成接口总线，主模块通过MOSI线向扩展模块传送信息，所述所有扩展模块共同使用MISO向主模块传送信息，双向通信受令牌式控制，只有获得令牌的唯一扩展模块才能在MISO总线上向主模块发送数据；所述顺序连接控制线为将各扩展模块顺序连接的通用I/O口线，根据扩展模块连接的顺序和距离主模块的远近，完成地址的自动分配；所述中断总线控制线连接主模块的外部中断口和扩展模块的通用I/O口，主模块响应扩展模块中断请求后，扩展模块才能向主模块发送数据。
2.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，其特征在于：所述MOSI和MISO线传送数据的帧格式为：地址+操作码+多个字节的数据+LRC效验码+结束字符。
3.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，其特征在于：所述的扩展模块地址自动分配，每一个扩展模块都有一个地址。刚开始时，每个扩展的地址都相同，为初始的统一地址，但只有最靠近主模块的扩展模块前的顺序连接控制线(CTL1)为低电平，即只有第一个扩展模块可以与主模块通讯，其余扩展模块处于睡眠状态。当主模块为第一个扩展模块分配好地址后，连接在第一个扩展模块后面的扩展模块才可以进入等待地址状态，以此类推，扩展模块将按照先后顺序获得地址，当整个系统完成初始化以及地址分配后，按照靠近主模块的远近，扩展模块地址依次递加。
4.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，其特征在于：所有的扩展模块都连在同一根中断总线控制线上，主模块的处理器响应扩展模块产生的发送数据中断请求，通过向传送数据包中轮循插入令牌地址的方式寻址需要发送数据的扩展模块，当请求发送数据的扩展模块收到与自己地址相同的令牌时，该扩展模块停止产生发送数据中断请求，并向主模块发送数据，主模块收到发送数据，立即停止发送令牌地址。
5.如权利要求1所述一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，其特征在于：所述令牌式总线控制，令牌作为总线控制权的标志，只有获得令牌的扩展模块才能在MISO总线上发送数据，扩展模块如果想向主模块传送数据，先将中断INT控制线置为低电平，而扩展模块随时监测INT总线的状态，当主模块发现INT线被拉低为低电平后，将产生中断，开始发送两个连续的地址字符作为令牌，当要求发送数据的扩展模块地址与令牌中含有的地址相同时，该扩展模块就获得此令牌，也就获得发送数据的机会，然后向主模块发送数据，当数据发送完毕，该扩展模块释放INT总线，将INT总线恢复为高电平。
6.如权利要求1所述一种可编程逻辑控制器与扩展模块的接口，其特征在于：在每个扩展模块的发送端都串有一个电阻，当两个扩展模块同时发送数据，电平不同时，两个管脚之间串有的两个电阻，保护管脚使不致损坏。
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