一种开关量信号的输出电路及方法与流程

本申请涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种开关量信号的输出电路及方法。

背景技术：

随着工业自动化的推进，自动控制的理念已经渗透到工业的各个领域，如液位、温度的自动调节等等，工业控制现场对自动控制的需求越来越大，对自动控制的精度及准确度的要求越来越高，同时自动控制所带来的问题也受到了越来越多的关注。

开关量信号的变化不是连续的，而是跳跃变化的，相对于模拟信号它具有抗干扰能力强的特点，因此开关量信号常被用作自动化控制系统的控制信号。对于由开关量信号控制的具有连续工作能力的自动化控制系统，例如连续工作的自动开关系统或连续工作的自动温度控制系统等，开关量信号的输出往往会受到设备老化、外部环境干扰等各种不确定因素的影响而出现输出错误，在所述自动化控制系统的上一次控制作业完成后，若控制下一次控制作业的开关量信号输出错误，这可能会导致所述自动化控制系统的下一次控制作业出现误动作。因此，如何及时准确诊断出开关量信号发生是否发生输出错误，是减少自动化控制系统出现误动作的关键所在。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本申请提供了一种开关量信号的输出电路及方法，能够及时诊断出开关量信号的输出故障，避免由于开关量信号的输出错误而导致误动作，提高了自动控制系统的安全性与可靠性。

本申请提供了一种开关量信号的输出电路，所述电路应用于连续工作的自动控制系统，所述开关量信号用于控制所述自动控制系统的控制作业，所述电路包括：处理器、控制器、控制开关、诊断开关、电压跟随器和模数转换器；

所述控制开关的第一端连接开关量信号的输入端，所述控制开关的第二端连接所述诊断开关的第一端；

所述诊断开关的第二端为开关量信号的输出端；

所述电压跟随器的第一端连接所述诊断开关的第二端，所述电压跟随器的第二端连接所述模数转换器的输入端；

所述模数转换器的输出端连接所述处理器；

所述处理器，用于在预设时间内向所述控制器发出状态信号并在所述预设时间内根据所述模数转换器的输出信号与预设输出信号判断所述控制开关和所述诊断开关是否发生故障；所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔；

所述控制器，用于根据所述状态信号控制所述控制开关和所述诊断开关的工作状态。

可选的，若所述处理器判断所述控制开关发生故障，所述处理器还用在故障处理时间内于向所述控制器发送故障状态信号；

所述控制器，还用于在所述故障处理时间内，根据所述故障状态信号控制所述诊断开关断开；所述故障处理时间与预设时间之和小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔。

可选的，其特征在于，所述控制开关为第一nmos管；所述诊断开关为第二nmos管；所述第一nmos管的栅极和所述第二nmos管的栅极与所述控制器连接；

所述第一nmos管的漏极为所述控制开关的第一端，所述第一nmos管的源极为所述诊断开关的第二端，所述第二nmos管的漏极为所述诊断开关的第一端，所述第二nmos管的源极为所述诊断开关的第二端。

可选的，所述控制开关为第一pmos管；所述诊断开关为第二pmos管；所述第一pmos管的栅极和所述第二pmos管的栅极与所述控制器连接；

所述第一pmos管的漏极为所述控制开关的第一端，所述第一pmos管的源极为所述诊断开关的第二端，所述第二pmos管的源极为所述诊断开关的第一端，所述第二pmos管的漏极为所述诊断开关的第二端。

可选的，所述电路还包括：分压电路；

所述分压电路，用于控制所述模数转换器的输入端的电压满足所述模数转换器输入端的输入电压范围；所述分压电路的第一端连接所述电压跟随器的第二端，所述分压电路的第二端连接所述模数转换器的输入端。

可选的，所述分压电路包括：第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端为所述分压电路的第一端，所述第一电阻的第二端为所述分压电路的第二端；

所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端接地。

可选的，所述电路还包括：二极管；

所述二极管的正极连接所述开关量信的输出端，所述二极管的负极连接外部负载。

可选的，所述电压跟随器为运算放大器；

所述运算放大器的同相输入端为所述电压跟随器的第一端，所述运算放大器的输出端为所述电压跟随器的第二端，所述运算放大器的输出端与运算放大器的反相输入端连接。

本申请还提供了一种开关量信号的输出方法，所述方法应用于所述开关量信号的输出电路，所述方法包括：

在第一判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第一状态信号以控制所述控制开关和所述诊断开关闭合，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述控制开关和/或所述诊断开关发生故障；

在第二判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第二状态信号以控制所述控制开关断开、所述诊断开关闭合，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述控制开关发生故障；

在第三判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第三状态信号以控制所述控制开关闭合、所述诊断开关断开，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述诊断开关发生故障；

所述第一判断时间、所述第二判断时间和所述第三判断时间之和为所述预设时间。

可选的，在所述处理器判断所述控制开关发生故障后，所述方法还包括：

在故障处理时间内，所述处理器向所述控制器发出第四控制信号以控制所述诊断开关断开；

所述预设时间与所述故障处理时间之和小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

本申请提供的开关量信号的输出电路，包括处理器、控制器、控制开关、诊断开关、电压跟随器和模数转换器；所述控制开关的第一端连接开关量信号的输入端，所述控制开关的第二端连接所述诊断开关的第一端，将两个开关串联起来以使在所述控制开关出现故障时，通过断开诊断开关能够关断开关量信号的输出；所述电压跟随器的第一端连接所述诊断开关的第二端，所述电压跟随器的第二端连接所述模数转换器的输入端；所述模数转换器的输出端连接所述处理器；所述处理器，用于在预设时间内向所述控制器发出状态信号并在所述预设时间内根据所述模数转换器的输出信号与预设输出信号判断所述控制开关和所述诊断开关是否发生故障；所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔，使本电路可以在所述自动控制系统的上一次控制作完成后及时对电路进行检测，在下一次控制作业进行前能够判断出开关量信号输出电路中是否出现了故障，提高了自动控制系统的可靠性；所述控制器，用于根据所述状态信号控制所述控制开关和所述诊断开关的工作状态。

利用本申请提供的开关量信号的输出电路及方法，能够及时诊断出开关量信号的输出故障，避免由于开关量信号的输出错误而导致误动作，提高了自动控制系统的安全性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例一提供的一种开关量信号的输出电路的示意图；

图2为本申请实施例二提供的另一种开关量信号的输出电路的示意图；

图3为本申请实施例三提供的一种开关量信号的输出方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，以下本申请实施例中所述的“第一”、“第二”等词只是为了方便解释说明电路的工作原理，并不是对本申请所述开关量信号的输出电路及方法的限定。

实施例一：

本申请实施例一提供了一种开关量信号的输出电路，下面结合附图具体说明。

参见图1，该图为本申请实施例一提供的一种开关量信号的输出电路的示意图。

本申请实施例所述电路应用于连续工作的自动控制系统，例如连续工作的自动开关控制系统或者连续工作的自动温度控制系统等，所述开关量信号用于控制所述自动控制系统的控制作业。本申请对开关量信号不作具体限定。

所述电路包括：处理器101、控制器102、控制开关103、诊断开关104、电压跟随器105和模数转换器106。

所述控制开关103的第一端连接开关量信号的输入端，所述控制开关103的第二端连接所述诊断开关104的第一端，即所述控制开关103与所述诊断开关104串联在电路中。开关量信号是离散信号，在输出开关量信号时控制开关103闭合，在停止输出开关量信号时，控制开关103打开。

所述诊断开关104的第二端为开关量信号的输出端，所述开关量信号的输入端可以与外部负载连接以输出开关量信号。

所述电压跟随器105的第一端连接所述诊断开关104的第二端，所述电压跟随器105的第二端连接所述模数转换器106的输入端。所述电压跟随器105在电路中由缓冲隔离的作用，由于电压跟随器105具有输入阻抗高，输出低阻抗的特性，在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的电路更好的工作，即起到“缓冲”的作用；同时，电压跟随器105对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。

所述模数转换器106的输出端连接所述处理器101，模数转换器106用于将开关量信号转换成数字量信号，例如由二进制码0和1组成的数字信号，模数装换器106还将所述数字信号发送至处理器101。需要注意的是，模数转换器106并不是必然实现将模拟信号转换为数字信号，也可以实现数字信号之间的转换，例如当开关量信号为取值为0v或24v的数字信号时，模数转换器106可实现将该数字信号转换为处理器适用的取值为0和1的数字信号，其中可以用0来表示0v，用1来表示24v。上例仅为方便理解，并不是对本申请的限定。

所述处理器101，用于在预设时间内向所述控制器102发出状态信号并在所述预设时间内根据所述模数转换器106的输出信号与预设输出信号判断所述控制开关103和所述诊断开关104是否发生故障；所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔。所述处理器101可以为微控制单元(microcontrollerunit，mcu)或中央处理器(centralprocessunit，cpu)其中的一种。

所述控制器102，用于根据所述状态信号控制所述控制开关103和所述诊断开关104的工作状态。所述控制器可以为以下其中的一种：

复杂可编程逻辑器件(complexprogrammablelogicdevice，cpld)，现场可编程逻辑门阵列(field-programmablegatearray，fpga)和数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)，或其任意组合，此外本申请对控制器102的数量不作具体限定，例如可以用一个控制器同时控制所述控制开关和所述诊断开关，也可以用两个控制器分别控制所述控制开关和所述诊断开关。

下面具体介绍所述处理器101的工作原理：

对于所述自动控制系统的一次作业，对应一次开关量信号的输出，即对应一次控制开关103的闭合。

本申请实施例中可以将正常工况下所述模数转换器106的输出值设为预设输出信号，也可以将正常工况下所述开关量信号的输出端的输出值设为预设输出信号，还可以将正常工况下所述开关量信号的输出状态设为预设输出信号，本申请对此不做具体限定，为了方便说明，下面以将正常工况下所述开关量信号的输出状态设为预设输出信号为例，用on来表示开关量信号正在输出，用off来表示开关量信号停止输出。

在第一判断时间内，所述处理器101向所述控制器102发出第一状态信号以控制所述控制开关103和所述诊断开关104闭合，判断所述模数转换器106的输出信号与预设输出信号是否一致，由于两开关闭合，在正常工况下，预设输出信号为on，显然，若所述处理器101根据所述模数转换器106的输出信号得到的开关量信号的输出状态与预设输出信号是不一致，即为off时，表明此时所述控制开关103和所述诊断开关104至少有一个发生了故障。

在第二判断时间内，所述处理器101向所述控制器102发出第二状态信号以控制所述控制开关103断开、所述诊断开关104闭合，在正常工况下，电路断路，预设输出信号为off，若所述处理器101根据所述模数转换器106的输出信号得到的开关量信号的输出状态与预设输出信号是不一致，即为on时，表明此时所述控制开关103发生故障。

在第三判断时间内，所述处理器101向所述控制器102发出第三状态信号以控制所述控制开关103闭合、所述诊断开关104断开，在正常工况下，电路断路，预设输出信号为off，若所述处理器101根据所述模数转换器106的输出信号得到的开关量信号的输出状态与预设输出信号是不一致，即为on时，表明此时所述诊断开关104发生故障。

需要注意的是，所述第一判断时间、所述第二判断时间和所述第三判断时间之和为所述预设时间，而所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔，以使整个检测过程可以在所述自动控制系统的两次相邻控制的时间间隔内完成，即本电路在所述自动控制系统的上一次控制作业完成后及时对电路进行检测，在下一次控制作业进行前能够判断出开关量信号输出电路中是否出现了故障。

为了使所述判断过程中对所述控制开关103和所述诊断开关104的控制不会使开关量信号输出端所连接的外部负载上产生误动作，所述第一判断时间、所述第二判断时间和所述第三判断时间均小于所述外部负载的响应时间，所述响应时间为外部负载在接收开关量信号后做出对应响应动作的最短用时，举例说明如下：

假设外部负载为响应时间为10ms的继电器，即继电器接收到开关量信号后做出对应响应动作的最短用时为10ms，则所述第一判断时间、所述第二判断时间和所述第三判断时间均需小于10ms，例如可以选择1ms，可以在继电器做出对应响应动作之前就结束控制，以避免对控制开关103和诊断开关104的控制使继电器产生误动作。

需要注意的是，若所述处理器101判断所述控制开关103发生故障，所述处理器101还用在故障处理时间内于向所述控制器102发送故障状态信号，所述控制器102还用于在所述故障处理时间内，根据所述故障状态信号控制所述诊断开关104断开，所述故障处理时间与预设时间之和小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔，可以及时进行故障处理，避免了所述自动控制系统出现误动作，提升了自动控制系统的安全性与可靠性。

本申请实施例提供的开关量信号的输出电路，利用所述控制开关的第一端连接开关量信号的输入端，所述控制开关的第二端连接所述诊断开关的第一端，将两个开关串联起来以使在所述控制开关出现故障时，通过断开诊断开关能够关断开关量信号的输出；所述电压跟随器的第一端连接所述诊断开关的第二端，所述电压跟随器的第二端连接所述模数转换器的输入端；所述模数转换器的输出端连接所述处理器；所述处理器，用于在预设时间内向所述控制器发出状态信号并在所述预设时间内根据所述模数转换器的输出信号与预设输出信号判断所述控制开关和所述诊断开关是否发生故障；所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔，使本电路可以在所述自动控制系统的上一次控制作完成后及时对电路进行检测，在下一次控制作业进行前能够判断出开关量信号输出电路中是否出现了故障，提高了自动控制系统的可靠性；所述控制器，用于根据所述状态信号控制所述控制开关和所述诊断开关的工作状态。

利用本申请提供的开关量信号的输出电路，能够及时诊断出开关量信号的输出故障，避免由于开关量信号的输出错误而导致误动作，提高了自动控制系统的安全性与可靠性。

实施例二：

本申请实施例二还提供了另一种开关量信号的输出电路，下面结合附图具体说明。

参见图2，该图为本申请实施例二提供的另一种开关量信号的输出电路的示意图。

本申请实施例所述处理器为微处理器mcu203，所述控制器为复杂可编程逻辑器件cpld202，在实施例一所述电路的基础上，本实施例所述电路还包括：分压电路207和二极管208。

本申请实施例所述控制开关为第一nmos管203；所述诊断开关为第二nmos管204；所述第一nmos管203的栅极和所述第二nmos管204的栅极与所述控制器连接；所述第一nmos管203的漏极为所述控制开关的第一端，所述第一nmos管203的源极为所述诊断开关的第二端，所述第二nmos管204的漏极为所述诊断开关的第一端，所述第二nmos管204的源极为所述诊断开关的第二端。

所述控制器102向所述第一nmos管203和第二nmos管204发送控制信号，所述控制信号可以为电平信号，由于nmos管在栅极连接高点平时漏极和源极导通，在栅极连接低电平时漏极和源极断开，因此可以通过控制器102向所述第一nmos管203和第二nmos管204分别发送不同的电平信号来控制所述第一nmos管203和第二nmos管204处于不同的导通状态，即实现了对控制开关和诊断开关的控制。

所述分压电路207，用于控制所述模数转换器106的输入端的电压满足所述模数转换器106输入端的输入电压范围；所述分压电路207的第一端连接所述电压跟随器105的第二端，所述分压电路的第二端连接所述模数转换器106的输入端。

具体的，分压电路207包括：第一电阻207a和第二电阻207b。

所述第一电阻207a的第一端为所述分压电路207的第一端，所述第一电阻207a的第二端为所述分压电路207的第二端。所述分压电路207的输出电压为第二电阻207b两端的电压。

所述第二电阻207b的第一端连接所述第一电阻207a的第二端，所述第二电阻207b的第二端接地。

所述二极管208的正极连接所述开关量信的输出端，所述二极管的负极连接外部负载，所述二极管208起电路隔离的作用，用于防止外部的电流倒灌进入开关量输出回路。

本实施例所述电压跟随器为运算放大器205。

所述运算放大器205的同相输入端为所述电压跟随器的第一端，所述运算放大器205的输出端为所述电压跟随器的第二端，所述运算放大器205的输出端与运算放大器205的反相输入端连接。

可选的，所述控制开关还可以为第一pmos管；所述诊断开关还可以为第二pmos管；所述第一pmos管的栅极和所述第二pmos管的栅极与所述控制器连接；

所述第一pmos管的漏极为所述控制开关的第一端，所述第一pmos管的源极为所述诊断开关的第二端，所述第二pmos管的源极为所述诊断开关的第一端，所述第二pmos管的漏极为所述诊断开关的第二端。

需要注意的是，对于pmos管，其源极和漏极之间会存在寄生二极管，所述寄生二极管的正极为pmos管的源极，因此在pmos管的漏极和源极之间会存在漏电流，将所述第一pmos管的源极和所述第二pmos管源极连接，可以使两个pmos管的寄生二极管具有相反的导通方向，防止电路中产生漏电流。

所述控制器102向所述第一pmos管和第二pmos管发送控制信号，所述控制信号可以为电平信号，由于pmos管在栅极连接低点平时漏极和源极导通，在栅极连接高电平时漏极和源极断开，因此可以通过控制器102向所述第一pmos管和第二pmos管分别发送不同的电平信号来控制所述第一pmos管和第二pmos管处于不同的导通状态，即实现了对控制开关和诊断开关的控制。

此外，所述控制开关和所述诊断开关还可以为以下方式：

所述控制开关为nmos管，所述诊断开关为pmos管；

所述控制开关为pmos管，所述诊断开关为nmos管。

上述两种方式的连接关系与控制原理在此不再赘述。

利用本申请提供的开关量信号的输出电路，能够及时诊断出开关量信号的输出故障，避免由于开关量信号的输出错误而导致误动作，提高了自动控制系统的安全性与可靠性。

实施例三：

基于上述实施例提供的开关量信号的输出电路，本申请实施例三还提供了一种开关量信号的输出方法，下面结合附图具体说明。

参见图3，该图为本申请实施例三提供的一种开关量信号的输出方法的流程图。

本申请实施例所述方法可以应用于上述任意一个实施例所述的电路，所述方法包括以下步骤：

s101：在第一判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第一状态信号以控制所述控制开关和所述诊断开关闭合，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述控制开关和/或所述诊断开关发生故障。

s102：在第二判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第二状态信号以控制所述控制开关断开、所述诊断开关闭合，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述控制开关发生故障。

s103：在第三判断时间内，使所述处理器向所述控制器发出第三状态信号以控制所述控制开关闭合、所述诊断开关断开，判断所述模数转换器的输出信号与预设输出信号是否一致，若否，判断所述诊断开关发生故障。

需要注意的是，所述第一判断时间、所述第二判断时间和所述第三判断时间之和为所述预设时间，所述预设时间小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔。

可选的，在所述处理器判断所述控制开关发生故障后，所述方法还包括：

s104：在故障处理时间内，所述处理器向所述控制器发出第四控制信号以控制所述诊断开关断开；所述预设时间与所述故障处理时间之和小于所述自动控制系统两次相邻的控制作业的时间间隔。

利用本申请实施例提供的开关量信号的输出方法，能够及时诊断出开关量信号的输出故障，并在判断所述控制开关发生故障后，及时控制所述诊断开关断开，能够有效避免由于开关量信号的输出错误而导致误动作，提高自动控制系统的安全性与可靠性。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。