一种基于CANopen的可配置远程I/O模块

摘要

本发明公开了一种基于CANopen的可配置远程I/O模块，包括微控制器、输入模块、输出模块、通信模块、数据存储、基本模块、CANopen协议栈和CANopen通信，其特征在于：所述微控制器由输入模块、输出模块、数据存储、通信模块和基本模块组成，本发明是一种基于CANopen的可配置远程I/O模块，利用CANopen通信协议应用到工业控制过程中设计了一款远程I/O模块，一方面，可利用其可配置性和扩展性，实现对远程I/O模块的控制；成本低、可靠性高、实时性强特点，可以应用在多数工业控制系统中的I/O模块，端口可配置使得I/O节点的输入、输出模块规格的选择可根据现场的需求而定，大大提高了系统的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是基于CANopen的可配置远程I/O模块技术领域，具体为一种基于CANopen的可配置远程I/O模块。

背景技术

CANopen协议就是CiA组织监督开发的标准的CAN应用层协议，为了弥补CAN总线的不足而制定的更高层次的协议，它是CAL子协议的延伸，CANopen中包含通信规范和应用层规范。CANopen不仅定义了应用层协议和通信子协议，而且对接口、不同器件和可编程系统等进行了定义。

CANopen设备的模型主要由通信接口、对象字典和应用程序这三部分组成，如图1所示。对象字典是CANopen协议的核心内容，是一系列数据结构的集合，是应用程序和CAN总线之间的通讯接口。每个对象采用16位的索引来寻址，同时定义了8位子索引来访问数据结构中的单个元素。I/O模块的运行模式中，通过定义4种通讯对象，即SDO、PDO、NMT以及特殊功能对象实现设备的CANopen通讯、网络管理、紧急事件处理等功能。

随着工业生产规模的不断扩大，使得传感器和执行器等现场设备空间位置上分散且与控制中心相距较远，而工业现场很多设备的控制仍然采用RS-485总线或者PLC控制系统，使得工业生产规模扩大带来的现场设备空间位置分散、控制信号量大、传输距离远、信号种类多样等一系列问题暴露出这些控制系统的不足之处：1)线束杂乱使得电缆桥架的承重增加降低了设备的便捷性；2)较多的干扰降低了通信的可靠性；3)灵活性差。分布式的、可配置的、具有通信功能的远程I/O模块即为可行的解决方法，而且越来越受到欢迎。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上所提出的问题，而提出的一种基于CANopen的可配置远程I/O模块。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括微控制器、输入模块、输出模块、通信模块、数据存储、基本模块、CANopen协议栈和CANopen通信，其特征在于：所述微控制器由输入模块、输出模块、数据存储、通信模块和基本模块组成，所述输入模块由开关量模块、模拟量模块和PWM组成，所述输出模块由开关量模块和PWM组成，所述通信模块由CAN通信和RS-485通信组成。

优选的，所述微控制器采用32位嵌入式处理器STM32F407ZE为核心，微控制器包含8路AI/DI输入、2路PWM输入、8路DO和2路PWM输出控制。

优选的，所述RS-485通信包含两个RS-485接口电路，主要用于CANopen网络中所有I/O模块初始地址和波特率的设置，所述RS-485接口电路选用MAX487ESA芯片进行设计，包含两根传输线，当PB0＝“0”，电路处于接收状态；当PB0＝“1”，电路处于发送状态，传输线始末端接一个120Ω电阻(R2)来减少线路上传输信号的反射，在A、B输出端接上拉、下拉电阻R1、R5，使V A-V B≥+200mV，输出1，V A-V B≤-200mV时，输出逻辑0。

优选的，所述数据存储采用EEPROM存储器，所述EEPROM存储器采用美国微芯半导体公司的24LC02B，内存为2KB，采用电擦除，I

优选的，所述CAN通信包含CAN控制器、CAN收发器和CAN接口电路，所述CAN控制器选用STM32F407ZE内部集成CAN控制器，所述CAN收发器采用是Analog Devices公司的ADM3053，所述CAN收发器在CAN协议控制与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口，具有限流和热关断特性可以防止输出短路，可以适应I/O模块所应用复杂的工业现场环境，所述CAN接口电路设置有气体放电管GDT用以吸收现场大部分的浪涌能量进而提高电路的可靠性。

优选的，所述基本模块包含电源模块，所述电源模块采用外部+24V供电，CAN收发器ADM3053需+5V供电电压，STM32控制器的工做电压为+3.3V，因此采用芯片IB2405LS将+24V转换为+5V，再将+5V通过芯片AS1117转换为+3.3V。

优选的，所述模拟量模块CAN接口用于CANopen通信，2路RS-485接口主要用于初始配置I/O模块的节点ID和波特率，并且存储在EEPROM存储器中供CPU读取。模拟量输入部分包括输入电路、信号调理电路和增益调节电路，可以通过调节不同的增益测量0-5V和0-20mA的不同量程信号，输出部分包括2路0-20mA的电流输出和2路0-10V的电压输出。

优选的，所述开关量模块由输入部分和输出部分组成，所述输入部分由输入指示模块、光耦隔离和输入缓冲模块组成，所述输出部分由光耦隔离、ULN2803驱动模块和输出指示模块组成。

优选的，所述CANopen协议栈上设有μC/OS-II操作系统，μC/OS-II操作系统是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片，同时，该系统源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种基于CANopen的可配置远程I/O模块，采用CAN总线有效支持分布式控制的串行通信网络，同时兼备可靠、实时、灵活、经济等特点，利用CANopen通信协议应用到工业控制过程中设计了一款远程I/O模块，一方面，可利用其可配置性和扩展性，实现对远程I/O模块的控制；另一方面，可通过设计带CANopen通信接口的I/O模块，减少国内此类产品对国外的依赖，成本低、可靠性高、实时性强特点，可以应用在多数工业控制系统中的I/O模块，解决的工程问题有：1)整个网络仅一组总线，大大降低了桥架的承重，可以更好的利用公共空间；2)在现场即转换为数字信号传输，有效提高了抗干扰的能力；端口可配置使得I/O节点的输入、输出模块规格的选择可根据现场的需求而定，大大提高了系统的灵活性。

附图说明

图1为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块的框图。

图2为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块的整体框架图。

图3为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块CAN接口的电路图。

图4为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块开关量模块的总体框图。

图5为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块模拟量模块的总体框图。

图6为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块电源模块的电路图。

图7为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块EEPROM存储器的电路图。

图8为本发明基于CANopen的可配置远程I/O模块RS-485通信的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：包括微控制器、输入模块、输出模块、通信模块、数据存储、基本模块、CANopen协议栈和CANopen通信，其特征在于：所述微控制器由输入模块、输出模块、数据存储、通信模块和基本模块组成，所述输入模块由开关量模块、模拟量模块和PWM组成，所述输出模块由开关量模块和PWM组成，所述通信模块由CAN通信和RS-485通信组成，所述微控制器采用32位嵌入式处理器STM32F407ZE为核心，微控制器包含8路AI/DI输入、2路PWM输入、8路DO和2路PWM输出控制，所述RS-485通信包含两个RS-485接口电路，主要用于CANopen网络中所有I/O模块初始地址和波特率的设置，所述RS-485接口电路选用MAX487ESA芯片进行设计，包含两根传输线，当PB0＝“0”，电路处于接收状态；当PB0＝“1”，电路处于发送状态，传输线始末端接一个120Ω电阻(R2)来减少线路上传输信号的反射，在A、B输出端接上拉、下拉电阻R1、R5，使V A-V B≥+200mV，输出1，V A-V B≤-200mV时，输出逻辑0，所述数据存储采用EEPROM存储器，所述EEPROM存储器采用美国微芯半导体公司的24LC02B，内存为2KB，采用电擦除，I

本发明的工作原理为：采用CAN总线有效支持分布式控制的串行通信网络，同时兼备可靠、实时、灵活、经济等特点，利用CANopen通信协议应用到工业控制过程中设计了一款远程I/O模块，一方面，可利用其可配置性和扩展性，实现对远程I/O模块的控制；另一方面，可通过设计带CANopen通信接口的I/O模块，减少国内此类产品对国外的依赖，成本低、可靠性高、实时性强特点，可以应用在多数工业控制系统中的I/O模块，解决的工程问题有：1)整个网络仅一组总线，大大降低了桥架的承重，可以更好的利用公共空间；2)在现场即转换为数字信号传输，有效提高了抗干扰的能力；端口可配置使得I/O节点的输入、输出模块规格的选择可根据现场的需求而定，大大提高了系统的灵活性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。