用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元技术方案

本发明专利技术涉及用于现场总线系统中的数据采集的一种输入/输出单元、一种方法和一种微控制器，所述输入/输出单元具有标准微控制器(11)，所述标准微控制器具有集成式同步串行接口(12)和用于存储器直接访问的控制单元(16)。所述至少一个同步串行接口(12)的数据输入端(MISO)可以连接生成数字数据的信号源(17)。所述第一接口(12)以第一时钟频率读入所述数据输入端(MISO)上的数据，其中用于存储器直接访问的所述控制单元(16)将所述读入的数据字传输至暂存器(18)，并且不时地从所述暂存器(18)提取出来，并传输至第二同步串行接口(14)或另一总线接口(19)。其中，所述第二接口(14)或所述另一总线接口(19)连接现场总线接口(15)，且在所述数据采集中以高于所述第一时钟频率的时钟频率通过所述第一接口(12)输出所述数据字。字。字。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元


[0001]本专利技术涉及一种用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元。本专利技术还涉及一种通过微控制器采集数字信号曲线的方法。

技术介绍

[0002]这类输入/输出单元以各种各样的方式应用于现场总线领域。现场总线系统应用于自动化技术、过程与工艺技术以及一般而言用于控制机器和设备，如机械手。现场总线系统在该处用于传感器的测量值采集，以及输出用于控制设备的开关信号。长期以来，特别是使用现场总线系统来在传感器中用数字传输技术替代此前常见的二进制信号的并行接线以及模拟信号传输。
[0003]现场总线领域的输入/输出单元通常配设有标准微控制器，其具有所谓的“通用输入/输出端(GPIO
‑
Port)”。一个典型的I/O应用是，例如必须在极短的时间间隔内对数字输入端的状态进行采样，以读入数字数据。并非总是能够以所需的采样频率时间间隔来通过现场总线将这些数据传输至现场总线系统的控制器。针对这个情形，需要将“过采样”技术与数据打包相结合。其中，在所需的较短时间间隔内对信号进行采样，将采样值暂存在存储器中并且以较高的传输率以打包的方式和较大的时间间隔(取决于上级现场总线系统和其访问条件)循环地进行传输。为此，通常“传统地”对微控制器的CPU的GPIO
‑
Ports的状态进行采样。每次当采样时间点到来时，对标准GPIO
‑
Ports的状态进行采集，并且将逐个状态(逐位)暂存在寄存器中。在此过程中，需要调入“繁琐的”位移位例程来收集各状态，从而将这些状态打包发送。通常借助于计时器模块，通过产生相应的时钟信号来预设采样时间点。同样针对某些位移位或字移位操作为计时器编程，这些计时器在预定的时间后产生计时器中断，通过这个计时器中断来调入CPU所执行的中断服务例程(ISR)。
[0004]由文档DE10 2014 209 625 A1已知，在微控制器中使用SPI接口，此微控制器同样配设有存储器直接访问控制器(DMA控制器)。通过SPI接口，使用DMA控制器将数据在微控制器与外部存储器之间来回传输。
[0005]文档US 2009 024 776 A1揭示过一种微控制器，其同样配设有SPI接口和DMA控制器。DMA控制器将从SPI接口接收的数据传输至CPU核心。
[0006]John Mangino于2007年1月所著主题为SPI和DMA控制器的评论文章《使用DMA与高性能外设来最大限度地利用系统性能》(WWTMS470 Catalog Applications，SPNA 105)同样揭示过，在通过SPI接口进行数据传输时，使用DMA控制器来为CPU减压。其中，外部DMA控制器将SPI所接收的数据写入存储器。
[0007]但已知解决方案具有以下缺点：使用用于暂存的处理器寄存器来将数据从I/O单元转移至工作存储器。首先，处理器将数据读入其内部寄存器，以便随后在另一步骤中将其移入工作存储器。为此，需要执行通过计时器模块触发的例程，这些例程需要多个时钟循环，在这些时钟循环中，处理器不用于执行其他指令，因此，运行的程序的执行速度下降。在通过存储器直接访问将数据从SPI接口转移至存储器的已知解决方案中，不考虑通过现场
总线输出数据。
[0008]因此，需要一种避免上述缺点的用于现场总线系统的改进型输入/输出单元。这一点可以在本专利技术范围内达成。

技术实现思路

[0009]本专利技术用以达成该目的的解决方案为根据权利要求1所述的一种用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元、根据权利要求9所述的一种通过微控制器采集数字信号曲线的方法，以及根据权利要求11所述的一种微控制器。
[0010]从属权利要求包含本专利技术根据对这些措施的以下描述的有利进一步方案和改进方案参阅。
[0011]本专利技术的解决方案为一种用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元，所述输入/输出单元具有标准微控制器，所述标准微控制器具有至少一个集成式同步串行接口和用于存储器直接访问的控制单元。该解决方案的特征在于，所述至少一个同步串行接口的数据输入端可以连接数字信号的信号源，且所述同步串行接口以第一时钟频率读入数据输入端上的数据。优选地，读入数据的时钟频率相当于同步串行接口的数据传输率。这样就能大幅简化将各个状态(逐位)收集和配置成数据包的过程，因为无需实施位移位例程和为此所需的计时器中断。此外，该解决方案还在于，用于存储器直接访问的控制单元将读入的数据字传输至暂存器，并且不时地从该暂存器提取出来，并传输至第二同步串行接口或另一现场总线接口，其中该第二同步串行接口或该另一总线接口连接现场总线接口，且在数据采集中以高于第一时钟频率的时钟频率通过第一同步串行接口输出读入的数据字。该解决方案的优点在于，无需调入CPU密集型例程来采集数字输入端上的数据以及将数据打包并通过现场总线传输。CPU被从数据采集和传输过程中释放出来，可以执行其他任务。同样可以使用CPU性能较低的微控制器，从而降低输入/输出单元的成本。
[0012]另一有利的措施在于，以打包的方式从暂存器提取数据字。可以为DMA控制器相应地编程，使得CPU同样无需为此执行任何例程。
[0013]特别有利地，可以以至少两个同步串行接口的类型为SPI接口(即串行外设接口)的微控制器来实现本专利技术。这个接口被广泛使用，且通常用于微控制器。
[0014]在一个优选方案中，如此地设计输入/输出单元，使得数据输入端连接第一SPI接口的MISO输入端(即主机输入，从机输出)，且第一SPI接口的输出端SCLK、MOSI和CS(即串行时钟、主机输出从机输入和片选)不连接或接地。因此，第一SPI接口以非传统的方式作为主机运行，但其中该接口并非与同样包含SPI接口的其他芯片连接。
[0015]同样极为有利地，如此地为输入/输出单元编程，使得第二时钟频率至少以某个系数高于第一时钟频率，从而使得该第二时钟频率对应于第一时钟频率的时钟频率的倍数，其中该倍数由数据字的字长决定。这个措施确保能够通过现场总线以打包的方式传输采集到的数据。
[0016]在一个扩展实施方式中，作为接地或不连接的替代方案，片选信号连接一或多个其他SPI接口，因此，从多个SPI接口中选出一或多个其他SPI接口，在这些接口中以第一时钟频率读入数据输入端(MISO)上的数据并且传输至暂存器。这样就能以相同的方式对多个数字输入端进行采集并且通过现场总线输出。
[0017]在一种有利实施方式中，输入/输出站所生成的数据包具有一个传输格式，包括头部、传输部分数据域和用户数据域，其中头部中包含地址信息，传输部分数据域中包含序列号和/或时间戳，用户数据域中包含多个编译成数据包的数据字。这样就能在上级控制控制器中简单地重新获得数字信号采集的数据包的时间顺序。为数据包单独编号。其中，包编号以序列号形式分配，从而随着传输至现场总线接口的每个新的数据包而增加。
[0018]其他有利方案涉及一种输入/输入单元，其中其他总线接口为U本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于现场总线系统中的数据采集的输入/输出单元，所述输入/输出单元具有标准微控制器，所述标准微控制器具有至少一个集成式同步串行总线接口(12)和用于存储器直接访问的控制单元(16)，其特征在于，所述至少一个同步串行总线接口(12)的数字数据输入端(MISO)可以连接数字信号的信号源(17)，所述第一同步串行接口(12)以第一时钟频率读入所述数据输入端(MISO)上的数字信号，所述时钟频率相当于所述同步串行总线接口(12)的数据传输率，用于存储器直接访问的所述控制单元(16)将所述读入的数据字传输至暂存器(18)，并且不时地从所述暂存器(18)提取出来，并传输至第二同步串行总线接口(14)或另一现场总线接口(19)，其中所述第二总线接口(14)或所述另一总线接口(19)连接现场总线接口(15)，且在所述数据采集中以高于所述第一时钟频率的时钟频率通过所述第一同步串行接口(12)将所述数据字输出至所述现场总线接口(15)。2.根据权利要求1所述的输入/输出单元，其中以打包的方式从所述暂存器(18)提取所述数据字。3.根据权利要求1或2所述的输入/输出单元，其中所述至少一个同步串行总线接口(12)的类型为SPI接口，即串行外设接口。4.根据权利要求3所述的输入/输出单元，其中所述信号源(17)连接所述SPI接口(12)的MISO输入端(MISO)，即主机输入从机输出，且所述SPI接口(12)的输出端(SCLK、MOSI和CS)，即串行时钟、主机输出从机输入和片选，不连接或接地。5.根据权利要求2至4中任一项所述的输入/输出单元，其中所述第二时钟频率至少以某个系数高于所述第一时钟频率，使得所述第二时钟频率对应于所述第一时...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳斯，
申请(专利权)人：菲尼克斯电气公司，
类型：发明
国别省市：