CN110262350A - 含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法，设计者给控制***常规的模块形式添加单片机、实用的软件及通讯接口，构成针对不同行业不同设备不同功能的积木，用户根据功能需要，选择积木，通过串行总线网络将各个积木搭接实现控制***的完整功能。各个积木程序简单，修改容易，执行速度快，不容易出现bug；采用串行总线模式，可以更好的实现分布式控制，减小***体积，减短接线，降低干扰；用户不再需要编程，只需要设置参数，调试工作量大大减轻。即降低了用户负担，避免了因用户编程不当出现的故障甚至事故。将电机驱动器当作一种积木，视作控制***的一部分，使之无缝衔接，使机械设备的智能化更方便。

Description

含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法

技术领域

本发明涉及一种工业控制***，特别涉及一种含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法。

背景技术

目前，机械设备的智能控制***主要采用可编程序控制器(以下简称PLC)搭建或采用工控机总线控制器(以下简称PCbase)搭建。

发明于1969年的PLC，以其可靠性和便利性得到迅速发展，在上世纪八、九十年代达到顶峰，至今仍然是机械设备智能控制***的主流产品。

上世纪80年代兴起的PCbase在与PLC的抗争中始终处于劣势，但本世纪以来再次得到发展机遇，维持了其在机械设备智能控制***领域的一席之地。

如图1为PLC的结构示意图，拥有1个安置在CPU模块中的主程序，它从I/O模块、特殊模块和通过串行总线连接的电机驱动器中读取***数据，统一进行运算和处理，然后再将运算和处理的结果送回I/O模块、特殊模块和驱动器。PLC的特征为：1)单CPU模块，应用程序的主体集中于CPU模块中；2)采用并行总线、框架式结构；3)为用户提供便利的编程语言，由用户自己编写应用程序；4)控制***与电机驱动***相对独立，虽然近期已经有了较大的改善，但仍未完全解决两者之间的无缝衔接问题。

PCbase的特征为：1)单计算机模块，应用程序的主体集中于计算机模块中；2)采用PC总线(并行总线)、框架式结构；3)充分利用PC机的软件资源，由用户自己编写应用程序；4)控制***与电机驱动***相对独立。

PLC和PCbase自身特征引发的先天弊端为：

1、采用单一程序，随着设备智能化控制要求的不断提高，程序越来越复杂，程序执行时间也越来越长。

程序复杂造成对编程人员和调试人员的更高要求，需要更长的编程时间和调试时间，用户对设备功能的任意改动都需要修改主程序，不同程序员响应不同用户、不同应用、不同时段的不同需求对主程序的反复修改，使主程序不再经典而造成故障频发；

程序执行延长使程序编制更加困难(经常需要区分中断任务、快速任务、主任务和辅助任务)，甚至造成某些需要快速响应的功能的不可达。

2、采用并行总线和框架式结构，无法实现彻底的分布式***，模块相对集中，占用的空间相对较大，需要较多较长的接线。

3、由用户自己编写程序，需要用户有很强的技术实力，用户设计能力的不足，特别是安全设计理念的不足(在我国基层企业安全设计理念不足的现象普遍存在)可能引发设备故障频发甚至因设备故障而引发各种事故。

4、机械设备的智能化对控制***与电机驱动***的配合要求日益提高，目前的解决方案主要是在电机驱动器中配置工艺卡，完善电机驱动器中的应用宏软件，甚至是允许用户如同编写PLC程序一样的自行编写电机驱动器应用程序，这些方法都不能完全满足用户对驱动器和控制器高度融合的需求，控制***与电机驱动器之间的隔阂已经成为机械设备智能化进程的障碍。

发明内容

本发明是针对现在机械设备控制***设计存在的问题，提出了一种含预置程序的积木式多单片机控制***MSPPS(Multi-Singlechip Pre-Programing System)设计方法，将各个功能下放至各个积木，各个积木设计通过行业标准或专家定标设计，使用时通过积木的选择堆积来实现所需控制***功能，保证可靠性及统一性。

本发明的技术方案为：含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法，包括如下步骤：

1)设计者进行积木硬件设计：积木硬件包括I/O模块、工艺卡模块、存储器模块和电机驱动器模块四种类型；

I/O模块包括单片机、1个或1个以上通讯端口、数个逻辑量或/和模拟量输入输出端口；

工艺卡模块包括单片机、2个或2个以上通讯端口、数个逻辑量输入输出端口；

存储器模块包括单片机、1个或1个以上通讯端口、内置存储器或存储器接口、数个逻辑量输入输出端口；

电机驱动器模块包括2个或2个以上与其他积木硬件模块兼容的通讯端口，以及电机驱动软硬件，所述电机驱动软件为驱动电机所需软件；

2)设计者给步骤1)中每个积木预置软件，形成可执行指定功能的积木，具体实现：各个积木软件的设计根据行业标准或专家定标，并根据功能需要定义特征码，各个积木根据行业和功能进行分类，各个积木之间通过特征码识别和传递信息，每一块积木的软件运行步骤为：本积木输入信息的采集、接收相关积木传递过来的特征码，对输入信息和特征码进行运算处理，将运算结果编译成本积木的特征码送出并对本积木的输出端口进行操作；

3)用户根据所设计控制***需要选择积木，将各积木通过数个串行通讯网络搭接起来，修改积木软件的参数或调整连接元件使各积木协调运行，所述连接元件为微型开关或插针，将选择的积木与对应的输入输出器件连接，构成控制***；

4)用户根据***设备选取通讯转换单元与步骤3)控制***对接，形成外网扩展，完成控制***设计。

本发明的有益效果在于：本发明含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法，将单一程序分解为许多程序，使程序编写简单化、执行高速化和修改便利化。当各积木之间传递的功能码确定后，需要修改的程序只局限于单积木；即使需要修改功能码，也仅仅牵涉单一积木组(由同1路串行总线搭接的若干积木)，不会影响到整个程序；采用串行总线的模式，可真正实现分布式控制，每块积木都可以放置在实际需要它的地方，几乎不占用空间，接线最短最少，还可以降低干扰；由行业应用专家会同程序员将程序融合在积木中按功能要求提前编写并完善调试，用户不再需要编写程序，只需要根据应用设置几个参数，极大的方便了技术实力较弱的用户，也降低了因用户编制程序不当而出现的故障及事故。由于预置软件的使用量远高于用户自己编制的软件，对于程序中可能出现的bug也能够尽早发现并通过在线或本地升级而消除这些bug；MSPPS将电机驱动器作为自己的一组积木，在规划初期就将两者合为一体来考虑。能够完美的实现控制***与电机驱动器的无缝配合，有利于机械设备的智能化发展。

附图说明

图1为PLC控制***典型结构示意图；

图2为本发明含预置程序的积木式多单片机控制***典型结构示意图；

图3a为本发明方法组建的欧式起重机控制***实施例一结构示意图；

图3b为本发明方法组建的欧式起重机控制***实施例二结构示意图；

图3c为本发明方法组建的欧式起重机控制***实施例三结构示意图；

图4为本发明方法组建的造船龙门起重机控制***结构示意图。

具体实施方式

MSPPS将PLC的I/O模块智能化后形成带有预置软件的智能I/O积木，使之能够对其读写的I/O数据和接收到的功能码进行预处理，直接在本地完成局部功能的实现，并将单纯的I/O数据转换成简单的功能码送至需要这些功能码的关联积木；MSPPS将PLC和PCbase的单一CPU(或计算机)模块(主程序模块)转换为许多个工艺卡积木(功能程序模块)，分别处理不同的子任务；MSPPS由资深程序员和行业专家配合，直接在智能积木中预置了针对特定行业特定应用的软件，不再需要用户来进行PLC或PCbase的程序编写。

1、设计并制作积木硬件

1)积木的硬件称之为“模块”。本发明共定义了4种模块类型：I/O模块、存储器模块、工艺卡模块和电机驱动器模块。

2)I/O模块，用于数据采集和预处理，以及控制指令和信号的输出。包括有逻辑量I/O模块，模拟量I/O模块，计数器&定时器I/O模块，含信号放大器的模拟量输入模块等。所有模块都带有单片机，并包含1个或1个以上的串行通讯接口。优选的，是带有2个串行通讯接口，1个Can和1个SPI。

例如：

典型的逻辑量输入模块A，是包含了16路带隔离的直流24V逻辑输入、2路继电器输出、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

典型的逻辑量输入模块B，是包含12路带隔离的交流220V逻辑输入、2路继电器输出、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

典型的逻辑量输出模块，是包含2路带隔离的直流24V逻辑输入、8路继电器输出、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

典型的模拟量输入模块，是包含2路带隔离的直流24V逻辑输入、11路0～10V模拟量输入、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

典型的弱信号模拟量输入模块，是包含2路带隔离的直流24V逻辑输入、4路差分小信号模拟量循环检测输入、1个放大倍数可设置的信号放大器、2路继电器逻辑输出、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

典型的计数/定时器输入模块，是包含2路带隔离的直流24V逻辑输入、8路带隔离计数/定时脉冲输入、2个继电器逻辑输出、1个Can通讯接口、1个SPI总线接口的单片机电路板。

2)存储器模块，用于储存设备的各种信息，带有一个可插拔或不可插拔的储存介质(包括但不限于包括CF卡、SD卡、U盘、移动硬盘等)、带有单片机和实时钟，带有1个或1个以上的串行通讯口。

例如：

典型的储存器模块，是包含2个Can通讯接口，1个SPI总线接口，一个可插拔的U盘接口，1个实时钟，2个继电器逻辑输出口的单片机电路板。

3)工艺卡模块，用于结合其他模块来联合实现局部功能。带有少量的I/O点，2个或2个以上的串行通讯接口。

例如：

典型的工艺卡模块，是包含2个Can通讯接口、1个SPI总线(主)接口、4个带隔离的高速逻辑输入接口、2个继电器输出接口的单片机电路板。

4)电机驱动器模块，用于实施电机驱动。包括但不限于包括变频电机驱动器，开关磁阻电机驱动器，盘式电机驱动器，永磁同步电机驱动器等。这些电机驱动器的特点是配置有针对特定行业应用的宏软件，配置有2个或2个以上与MSPPS***兼容的串行口，与MSPPS约定了传递信息的功能码。这些电机驱动器可以是MSPPS***自行研制的，也可以是通过协议在电机驱动器的专业生产厂家定制的。

2、为积木硬件(模块)预置软件，形成积木。

1)模块预置软件后被称为积木。I/O模块预置软件后被称为I/O积木，存储器模块预置软件后被称为存储器积木，工艺卡模块预置程序后被称为工艺卡积木，电机驱动器模块预置相应的应用软件后被称为电机驱动器积木。

2)一种模块配置不同的预置软件后可以形成无数的积木，用于满足不同行业的不同功能需求。积木通常先根据行业分组，再根据功能分组。

3)可以是一块积木执行若干个简单功能，也可以是若干块通过串行通讯连接起来的积木共同执行1个功能。

4)这项工作，必须在行业专家的指导下分行业实施。开始时，积木应能覆盖行业的主体应用需求，后期，积木应能覆盖行业各机型的大部分应用需求，并应不断为行业出现的新需求设计新积木。

3、企业使用者选择需要的积木，将各积木通过串行通讯网络搭接起来，构成控制***的核心。由积木搭接而成的控制***，具备极大的灵活性。无论是增减功能，还是改变某功能的实现方法，都只要增减积木，更改积木的搭配模式或更改积木的参数就可以实现，不会影响控制***整体，简化了设计和调试。

4、通常，完整控制功能的实现还需要一些***设备，如显示装置、检测装置、操作装置、上级管理设备、车间云企业云外部管理云等。MSPPS通过通讯转换单元将这些设备接入控制***。通讯转换单元拥有2个串行通讯接口，1个接MSPPS***的内网，1个接这些设备的串行通讯接口。

如图2所示含预置程序的积木式多单片机控制***典型结构示意图。数据在智能I/O积木中进行预处理，完成一些简单的功能；工艺卡积木处理关联积木送达的信息，完成牵扯多个积木或多个局部功能的信息的处理；电机驱动器积木从其他积木得到约定数据实施电机驱动功能；存储器积木储存设备的各种信息，并通过通讯转换单元与车间网、企业网或云服务器交换数据；工艺卡积木配合其他积木完成需要较多积木配合的或/和需要较多计算的功能的实施。

如图3a、3b、3c所示本发明方法组建的欧式起重机控制***3个实施例结构示意图。

图3a中，驱动器A为主起升电机驱动器积木，驱动器C为大车电机驱动器积木，驱动器E为小车电机驱动器积木，工艺卡积木D联合智能I/O积木G和H完成起升控制柜的功能，工艺卡积木F联合智能I/O积木卡K和L完成大车控制柜的功能，工艺卡积木H联合智能I/O积木O和P完成小车控制柜的功能，工艺卡积木B联合智能I/O积木C和D完成驾驶室联动台的数据采集和部分功能处理，工艺卡积木A联合智能I/O积木A和B完成电源柜的功能；

图3b与图3a的区别是用户的功能需求中用手持式遥控器代替了驾驶室的联动台，控制***只需要将工艺卡积木B、智能I/O积木C和D去掉，增加一个通讯转换模块与遥控器交换数据，并在工艺卡积木A中用参数激活遥控器功能、休眠联动台功能即可，如果用户同时需要手持式遥控器和驾驶室联动台，则不去掉工艺卡积木B和智能I/O积木C和D，只需要增加通讯转换模块和激活遥控器功能；

图3c与图3a的区别是用户采用了2个大车电机驱动器，并增加了数据存储和与云数据处理平台的通讯功能，控制***增加了智能I/O积木F(用于处理联动台增加的数据量)，储存器积木A和通讯转换模块C。

如图4所示本发明方法组建的造船龙门起重机控制***结构示意图。驱动器A为主起升1电机驱动器积木，驱动器B为主起升2电机驱动器积木，驱动器C为主起升3电机驱动器积木，驱动器D为大车1电机驱动器积木，驱动器E为大车2电机驱动器积木，驱动器F为小车1电机驱动器积木，驱动器G为小车1电机驱动器积木。

工艺卡积木K联合智能I/O积木V用于完成起升同步功能，采用不同的起升电机同步方案只需要激活工艺卡积木K的不同功能软件，和选择不同的智能I/O积木V。

工艺卡积木L联合智能I/O积木W用于大车纠偏功能，采用不同的大车纠偏方案只需要激活工艺卡积木L的不同功能软件，和选择不同的智能I/O积木W。

工艺卡积木M联合智能I/O积木X用于小车同步功能，采用不同的大车纠偏方案只需要激活工艺卡积木L的不同功能软件，和选择不同的智能I/O积木X。

工艺卡积木H联合智能I/O积木卡H和I，工艺卡积木E联合智能I/O积木卡J和K，工艺卡积木H联合智能I/O积木卡H和I，完成3个起升控制柜的功能；

工艺卡积木G联合智能I/O积木卡N和O，工艺卡积木H联合智能I/O积木卡p和Q，完成2个大车控制柜的功能；

工艺卡积木I联合智能I/O积木R和S，工艺卡积木J联合智能I/O积木T和U，完成2个小车控制柜的功能；

工艺卡积木B联合智能I/O积木C、D、E、F、G完成驾驶室联动台的数据采集和部分功能处理；

工艺卡积木A联合智能I/O积木A和B完成配电保护的功能；

工艺卡积木C在存储器积木和3个通讯转换模块的配合下执行4个功能，与另一台造船龙门起重机的同步、触摸屏显示、重要数据的存储和与云监控器通讯。

Claims (1)

1.一种含预置程序的积木式多单片机控制***设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设计者进行积木硬件设计：积木硬件包括I/O模块、工艺卡模块、存储器模块和电机驱动器模块四种类型；

I/O模块包括单片机、1个或1个以上通讯端口、数个逻辑量或/和模拟量输入输出端口；

工艺卡模块包括单片机、2个或2个以上通讯端口、数个逻辑量输入输出端口；存储器模块包括单片机、1个或1个以上通讯端口、内置存储器或存储器接口、数个逻辑量输入输出端口；

电机驱动器模块包括2个或2个以上与其他积木硬件模块兼容的通讯端口，以及电机驱动软硬件，所述电机驱动软件为驱动电机所需软件；

2)设计者给步骤1)中每个积木预置软件，形成可执行指定功能的积木，具体实现：各个积木软件的设计根据行业标准或专家定标，并根据功能需要定义特征码，各个积木根据行业和功能进行分类，各个积木之间通过特征码识别和传递信息，每一块积木的软件运行步骤为：本积木输入信息的采集、接收相关积木传递过来的特征码，对输入信息和特征码进行运算处理，将运算结果编译成本积木的特征码送出并对本积木的输出端口进行操作；

3)用户根据所设计控制***需要选择积木，将各积木通过数个串行通讯网络搭接起来，修改积木软件的参数或调整连接元件使各积木协调运行，所述连接元件为微型开关或插针，将选择的积木与对应的输入输出器件连接，构成控制***；

4)用户根据***设备选取通讯转换单元与步骤3)控制***对接，形成外网扩展，完成控制***设计。