专利名称：电气开关群光电隔离数据采集与显示高效接口的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电脑对一批电气开关的通断状态进行光电隔离式数据采集和发光二极管(简称LED)显示的高效能接口，主要属于电子技术领域，并涉及电脑在工业控制与检测方面应用的一些常识。
到目前为止，开关量数据采集技术，光电隔离技术和LED显示技术已分别在很多场合应用多年，但是如何将这些技术更好地综合应用，以及怎样使其具有更广泛的适应性和更高的效能，至今仍然值得继续探讨和研究。目前市场上出售的供生产线自动测控系统、工控机和PLC等用的电气开关之通断状态的数据采集插卡，尚存在不尽人意之处，例如检测或维修不够方便；对电气开关的通态等效电阻值要求相当严格，不利于在开关触头容易被氧化或容易被粉尘污染等场合长期使用；抗220V～意外电击能力不够强和售价较高等。与本实用新型相近的现有技术文献和资料有何立民主编的《单片机应用技术选编(1)》，(北京航空航天大学出版社1993年2月第1版)，95年至96年的《工业控制计算机》期刊，PLC和STD的IO插卡等技术资料。
本实用新型的目的是给用于工业控制或检测的电脑(包括以单片机为核心的微电脑、工业控制计算机、通用微机等)提供一种高效能接口，即提供一种“元器件少，成本低，可用于分散在一定范围内的电气开关群通断状态之开关量的数据采集，与电脑光电隔离，各电气开关都有相应的LED显示其通断状态，安装、调试和维修方便，适应性广、经久耐用”的电脑接口。
本实用新型的主要内容是它由“焊有接线端子排、限流电阻RLC、发光二极管LED的电路板”TD板、“光电隔离接口电路”ISO、光电隔离电源和插头插座组成。各电气开关通过外接导线接至TD板上的端子排，TD板上可有m×n个SRL支路(它们可用符号SRL1-1至SRLm-n表示，其通用符号可写成SRLX-Y，其中m、n、X和Y都是4至32范围内的自然数，而且X≤m，Y≤n)，它们与ISO中m个光电隔离电子开关A1至Am和n个光电耦合电路B1至Bn相连，即SRL1-Y至SRLm-Y的输入分别接A1至Am的输出，SRLx-1至SRLx-n的输出分别接B1至Bn的输入。每个SRL支路分别由一个外接电气开关、一只RLC和一至三只LED串连而成，其中LED可外接到电气开关附近或电气设备的面板上，也可焊在TD板上。m个光电隔离电子开关A1至Am的电路原理可以相同，即它可由“场效应管输出型光电耦合器或功能与之相同的电路”与电阻RA1、二极管DA1构成，其中后二者RA1和DA1分别串接在前者的LED输入回路和场效应管输出回路。n个光电耦合电路B1至Bn的电路原理可以相同，即它可由通用光电耦合器与稳压管DZB、电容CB、电阻RB1和RB2构成，光电耦合器内的LED与RB1并联后再与RB2串联，形成一个串并联电路，这个电路与CB、DZB两个元件并联。TD板与ISO通过一套插头、插座相连，即TD板的(m+n)根连线可接至插头PTD，ISO中A1至Am的m根输出连线和B1至Bn的n根输入(接至各光电耦合器内的LED)信号线可接至插座SKISO，SKISO还需外接光电隔离电源，该电源可接成浮置式，既与市电的中线(有的称为零线)或大地绝缘，也与电脑电路的地线
绝缘。当PTD插入SKISO时，本实用新型可正常工作。此外PTD还可插入另一个专用检测插座SKch，它与SKISO型号相同，但二者各插孔(或插针、簧片之类，以下尚有类似情况，不再重复说明)末端的接线不同，具体而言，SKch各插孔末端的接线方案之一是SKch插座上“与SKISO插座上接A1至Am输出连线的各插孔相对应”的各插孔之末端连在一起，接光电隔离电源或检测专用电源的正极；SKch上“与SKISO接B1至Bn输入连线的各接孔相对应”的各插孔之末端连在一起，接光电隔离电源或检测专用电源的负极。将PTD插入SKch，则可脱离ISO和电脑，对TD板和外接电气开关及其连线等进行调试、检测或维修。具体而言，可以通过观察各LED的亮暗状态了解各对应电气开关或连线之通断情况。至于本实用新型的其他细节，将在后面结合附图进一步说明。
与现有技术相比，本实用新型具有的优点和积极效果主要有①它能为电脑对电气开关群的通断状态进行数据采集提供硬件支持，并与电脑的电路光电隔离，而且每个电气开关都有LED显示其通断状态；②在外接电气开关数量超过95只的前提下，本实用新型所用元器件明显减少，成本明显降低；③它配置专用检测插座，可在脱离光电隔离电路和电脑的情况下，很方便地对TD板和外接电气开关及其连线等进行调试、检测或维修；④当电气开关及其连线的通态等效电阻值大至1.5KΩ时，仍可支持电脑进行正常数据采集，因此适用范围广；⑤抗220V～意外电击能力强；⑥抗干扰能力强，经久耐用。
图1是本实用新型的实施方案框图之一。
图2是图1中ISO的实施电路框图之一。
图3是图1中ISO的实施电路框图之二。
图4是图1中TD内SRL的实施电路图之一。
图5是图1中TD内SRL的实施电路图之二。
图6是图1中TD内SRL的实施电路图之三。
图7是图1中TD内SRL的实施电路图之四。
图8是图2和图3中B1至Bn的实施电路图之一。
图9是图2和图3中A1至Am的实施电路图之一。
图10是图2和图3中A1至Am的实施电路图之二。
图11是本实用新型的单通道等效电路之例图。
图12是TD板与专用检测插座相连的实施方案框图之一。
上面各图中用圆圈内的阿拉伯数字或字符表示它们之间的连接，即圆圈内阿拉伯数字相同或字符相同的点对应相连。下面结合上述附图对本实用新型作进一步说明。
(1)图1中“PC”代表电脑，它可以是以单片机为核心的微电脑，也可以是工业控制计算机或通用微机；“ISO”是光电隔离接口电路，图2和图3描述了它的两种实施框图；“PTD-SKISO”是一套插头插座，其芯线根数应不小于(m+n)，PTD的末端与TD板相连，SKISO的末端与ISO相连，至于PTD和SKISO哪个是插头，哪个是插座，可根据具体情况考虑怎样使用方便来确定。为了叙述方便，在权利要求书和本说明书中把PTD说成插头，SKISO和图12中的SKch说成插座。图1中TD板上可以接有m×n个SRL支路，图中将它们的编号标为SRL1-1至SRLm-n，它们与(m+n)根干线(X1至Xm和Y1至Yn)接成所谓行列式或矩阵式电路。
(2)图2和图3中电压标为VISO的直流电源是接成浮置式的光电隔离电源，它可外置或置于ISO内；标“+5V”处可与电脑内的+5V相连，图2中标
处应与电脑内的地线
相连。这两个图中的R1至Rn是电阻，其阻值可在4.7KΩ至10KΩ范围内选择；B1至Bn是光电耦合电路，图8是它们的实施电路图之一；A1至Am是光电隔离电子开关，图9和图10描述了A1至Am的两种实施电路；图2和图3中标记为AS1至ASm的引线可分别接m个74HC型驱动器的输出，这m个驱动器的输入端可与电脑具有锁存功能的输出端口相连，或与译码器的输出相连，译码器的输入可接数据锁存器的输出，而且电脑指令应当使AS1至ASm之一为低电平，才能对相应的电气开关之通断状态进行数据采集。不进行数据采集时，AS1至ASm可都为低电平或为高低电平交替变化(与扫描显示类似)，才能使处于接通状态的Sw对应(相串联)的LED呈亮状态或闪烁状态。图2中B1至Bn的输出D0至Dn-1可经过三态开关与电脑内的I/O数据总线相连；图3中标D0至D7的引线可与电脑内I/O双向三态数据总线驱动器245逐一对应相连，而图3中标Asb1和Asb2等的引线可接74HCTO5的输出，需要数据采集时，电脑指令应使Asb1和Asb2等分时逐一为低电平。不进行数据采集时，74HCTO5的输出应呈开路状态。
(3)图4至图7描述了四种SRL实施电路，其中Tw1和Tw2是TD板中端子排上的接线端子，Twa、Twb、Twc和Twd也是接线端子；Sw是外接(图中用虚线表示外接之意)的电气开关或起开关作用的交流接触器、继电器、行程开关、接近开关之类的触头或辅助触头；RLC是电阻，焊在TD板上；LED1、LEDa和LEDb是发光二极管，其中LED1焊在TD板上，LEDa和LEDb外置。此外，图4至图7中Sw、RLC和LED相串联，其位置可酌情对换，以利接线方便。
(4)图8是图2和图3中B1至Bn的一种实施电路，图中DZB可选用1W、4.7V或5.1V优质稳压管，CB可选用0.033至0.1μF的瓷片电容，RB1可选用5.1KΩ至10KΩ金属膜电阻器，RB2可选用220Ω或240Ω金属膜电阻器，图中的PTB可选用4N25等通用型光电耦合器。
(5)图9中RA1可选用240Ω金属膜电阻器，DA1可选用1N4007，图中的PTA可选用场效应管输出型光电耦合器，其额定通态电流可达0.3A以上，断态漏电流小于20μA，断态耐压不低于500V。
(6)图10所示电路与图9所示电路功能相当，但前者对光电耦合器的性能要求较低，即图10中PTa可选用4N25等通用型光电耦合器；图10中RA1和DA1与图9的RA1和DA1相同。图10中DZA可选用0.5W、9.1V或10V稳压管，RA2和RA3可分别选用10KΩ和18KΩ金属膜电阻器，CA可选用1000至3300PF瓷片电容器，TA应选用P沟道VMOS管，其额定通态电流可达0.5A以上，断态漏电流小于20μA，断态耐压不低于500V。
(7)图11举例描述了本实用新型单通道的等效电路，图中各元器件已在前面说明过，现说明它的一些原理问题。①当图中Sw关断时，LEDa、LED1和光电耦合器PTB内的LED都不会发光；在Sw闭合的条件下，如果图中标记为As的引线为高电平(接近+5V)，光电耦合器PTA内的LED不发光，PTA输出侧的场效应管关断，LEDa、LED1和PTB内的LED都不会发光。当Sw闭合，As为低电平，PTA内LED发光，PTA输出侧的场效应管导通，而且图中的VISO足以克服各LED和DA1的死区电压时，LEDa、LED1和PTB内LED才能导通发光，其正常导通电流可按下式估算Ion≈(VISO-0.7V-2×2V-VZB)÷(ron+RLC)上式中0.7V和2V分别是DA1和LED正向压降的近似估算值，VZB是稳压管DZB的稳压值，ron是外接电气开关Sw及其连线的通态等效电阻。若取VISO＝36V，VZB＝4.7V，RLC＝1.1KΩ，那么当ron在0至1.5KΩ范围内变化时，由上式可求出Ion的变化范围是24.2至10.2mA。虽然它的变化幅度相当大，但由于DZB的稳压作用使它两端的电压基本不变，因此PTB内LED的电流基本不变。②如果由于意外原因，220V交流电源的火线与图中P1和P2点连线左边的电路(外接部分)搭接时，由于光电隔离电源浮置，而且PTA和PTB左边的电路未接市电的中线或大地，因此可以不损坏。
(8)图12中标记“PTD-SKch”的矩形框内表示插头PTD与插座SKch及其末端的接线，该矩形框的左边与图1中对应部分相同，它的右边是检测电源，可与光电隔离电源合用或另配。
权利要求1.一种“电气开关群光电隔离数据采集与显示高效接口”，它由“焊有接线端子排、限流电阻RLC、发光二极管LED的电路板”TD板、“光电隔离接口电路”ISO、光电隔离电源和插头插座组成，其特征是各电气开关通过外接导线接至TD板上的端子排，TD板上可有m×n个SRL支路，它们与ISO中m个光电隔离电子开关A1至Am和n个光电耦合电路B1至Bn相连，其中m和n分别是4至32范围内的自然数；ISO中A1至Am和B1至Bn与电脑相连，电脑可对m×n个电气开关的通断状态进行数据采集，而且通过导线连接到TD板上的每个电气开关，都有相应的LED显示其通断状态。
2.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是TD板与电脑内的电路相互绝缘，二者通过ISO中各光电耦合器内LED发出的光传递信息。
3.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是TD板可采用单面印刷电路板，上面可焊有能外接m×n个电气开关的端子排和m×n个SRL支路，每个SRL分别由一个外接电气开关，一只RLC和一至三只LED串连而成，其中LED可外接到电气开关附近或电气设备的面板上，也可焊在TD板上。
4.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是外接电气开关的通态接触电阻值与它的引线电阻值之和ron的允许值可达1.5KΩ，也就是说，ron在0到1.5KΩ范围内变化时，电脑仍可对外接电气开关的通断状态进行数据采集，获取与各外接电气开关通断状态相对应的正确数据，其前提是各外接的电气开关断态之等效电阻值大于1MΩ。
5.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是m个光电隔离电子开关A1至Am的电路原理可以相同，即它可由“场效应管输出型光电耦合器或与之功能相同的电路”与电阻RA1、二极管DA1构成，其中后二者RA1和DA1分别串接在前者的LED输入回路和场效应管输出回路。
6.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是n个光电耦合电路B1至Bn的电路原理可以相同，即它由通用光电耦合器与稳压管.DZB、电容CB、电阻RB1和RB2构成，光电耦合器内的LED与RB1并联后再与RB2串联，形成一个串并联电路，这个串并联电路与CB、DZB两个元件并联。
7.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是即使外接电气开关的触头及其连线或外接LED及其连线与220V交流电源线意外碰触或搭接，以至造成二者接通，ISO中的A1至Am和B1至Bm也可以不损坏。
8.根据权利要求1所述的本实用新型，其特征是TD板上需要接到ISO的连线可先接到插头PTD上，PTD可插入ISO上的插座SKISO或检测专用插座SKch，两个插座型号相同，但它们的末端接线不同，因而作用不同，即PTD插入SKISO时，本实用新型可正常工作；PTD插入SKch时，则在脱离ISO和电脑的情况下，可对TD板和外接电气开关及其连线进行调试、检测或维修，具体而言，可以通过观察各LED的亮暗状态了解各对应电气开关及其连线的通断情况。
专利摘要本实用新型是“电气开关群光电隔离数据采集与显示高效接口”,属于电子技术及电脑应用领域。它的目的是提高批量开关量数据采集接口的效能。它由TD板、光电隔离接口电路、光电隔离电源和插头插座组成,它只需要m个光电隔离电子开关和n个光电隔离电路,能给电脑对m×n个电气开关之通断状态进行光电隔离式数据采集提供硬件支持,而且它功能强,适应性广,使用方便,经久耐用,成本低。它可用于工业控制或检测领域。
文档编号G06F3/00GK2278966SQ9624161
公开日1998年4月15日 申请日期1996年11月5日 优先权日1996年11月5日
发明者孙梅生 申请人:孙梅生