一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口的制作方法

1.本实用新型涉及机载计算机接口技术领域，特别是涉及一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口。


背景技术：

2.计算机通过采集离散量信号的高电平或低电平来识别大量的位置、阀门状态、指示灯亮灭等状态信息。计算机也是通过高电平或低电平的离散量来控制指示灯的亮灭、继电器的吸和释放、设备的上电和断电。因此离散量信号对于计算机控制领域非常重要。随着电子元器件和集成电路的发展，计算机的升级。离散量接口电路也从简单到复杂，非电气隔离到电气隔离，可靠性逐步提高。
3.由于隔离型输入离散量和隔离型输出离散量是两种不同的控制过程，因此在工业控制领域和航空计算机领域的设备上大量配备输入离散量采集端口和输出控制离散量端口。在很多实际的使用中往往造成输入离散量采集端口不足而输出离散量端口却多有剩余或者反之。这势必造成了计算机硬件资源的浪费，这种固定的端口配置方式更不能满足计算机控制系统实际应用中临时输入输出需求的变化。在某些特殊的自动控制系统应用场合中，需要某个端口在不同时刻或根据某种状态，要求该端口动态改变输入输出方向时，那种固定输入输出的接口显然就不能胜任了。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口。
5.为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口，包括：
6.输入隔离单元、输出隔离单元、输入使能单元和逻辑控制单元；
7.逻辑控制单元的数据输出端与输出隔离单元的数据输入端相连，
8.输出隔离单元的数据输出端与输入使能单元的数据输入端相连，
9.逻辑控制单元的使能端与输入使能单元的数据输入端相连，
10.输入使能单元的数据输出端与输入隔离单元的数据输入端相连，
11.输入隔离单元的数据输出端与逻辑控制单元的数据输入端相连。
12.输入隔离单元连接输入使能单元，采集到的外部高低电平经过电气隔离，电平变换后传递给逻辑控制单元。
13.输入使能单元连接在输入隔离单元和输出隔离单元之间，当端口配置为输出时，隔断输出隔离单元输出的信号对输入隔离单元的影响。
14.输出隔离单元将逻辑控制单元输出的高低电平信号经过电气隔离后输出到外部接口。
15.进一步地，所述输入隔离单元包括：
16.偏流电阻r2的一端与28v电源相连，偏流电阻r2的另一端与偏流电阻r3的一端、二极管d1的负极、光耦u1的1脚相连，
17.偏流电阻r2和偏流电阻r3组成的串联分压网络，为光耦u1的1脚提供偏压和限流。
18.光耦u1的2脚、电阻r3的另一端、二极管d1的正极连接端口地；
19.二极管d1并联在光耦u1的内部发光二极管1、2脚之间，将反向电压抑制在0.7v，保护光耦u1内部的发光二极管不被反向电压击穿。
20.电阻r4的一端连接3v3电源，电阻r4的另一端连接光耦u1的4脚、电容c2的一端、逻辑控制单元数据输入端，电容c2的另一端与光耦u1的3脚连接数字地。
21.电阻r4是光耦u1的上拉电阻，为光耦u1输入的信号提供高电平。
22.电容c2并联在光耦u1的内部光敏管3-4脚ce极之间，滤除高频干扰。
23.光耦u1的4脚连接到逻辑控制单元的输入端。
24.光耦u1的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
25.进一步地，所述输出隔离单元包括：
26.限流保护电阻r1的一端连接外部接口gpio，限流保护电阻r1的另一端连接光耦u3的4脚、电容c1的一端；电容c1的另一端、光耦u3的3脚连接到端口地，用来滤波。
27.限流电阻r5的一端连接光耦u3的1脚，限流电阻r5的另一端连接3v3电源，为发光二极管提供偏流。
28.三极管q19的c极连接光耦u3的2脚，三极管q19的e极连接数字地，三极管q19的b极连接电阻r6的一端、电阻r7的一端，电阻r6的另一端连接数字地，电阻r7的另一端连接逻辑控制单元数据输出端。
29.电阻r7和电阻r6组成三极管q19的b极1脚的偏压网络。
30.光耦u3的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
31.进一步地，所述输入使能单元包括：
32.光耦u2的4脚连接输入隔离单元，u2光耦的3脚连接到输出隔离单元，当光耦u2内部的光敏三极管导通时，也就是光耦u2的4脚和3脚导通时，将输入隔离单元连接到端口的gpio上。当光耦u2内部的光敏三极管截止时，也就是光耦u2的4脚和3脚断开时，将输入隔离单元和端口gpio断开。
33.限流电阻r8的一端连接光耦u2的1脚即光耦u2内部的发光二极管阳极，限流电阻r8的另一端连接3v3电源，为发光二极管提供偏流。三极管q34的c极连接光耦u2的2脚即光耦u2内部发光二极管的阴极，三极管q34的e极连接数字地，三极管q34的b极连接电阻r9的一端和电阻r10的一端，电阻r9的另一端连接逻辑控制单元使能端，电阻r10的另一端连接数字地。
34.电阻r9和电阻r10组成三极管q34的b极1脚的偏压网络。
35.光耦u2的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
36.进一步地，所述逻辑控制单元包括：
37.逻辑控制单元由单片机mcu或arm处理器或fpga可编程逻辑器件实现，逻辑控制单元有3个pin脚分别与输入隔离单元、输出隔离单元和输入使能单元相连。
38.输入隔离单元连接逻辑控制单元的输入端，接收和处理外部gpio端口经过电阻r1、隔离使能光耦u2、电气隔离光耦u1输入端子data_in输入的数据。这时隔离使能光耦u2
的3-4脚处于导通状态，数据发送光耦u3处于截止状态。整个可编程离散量接口工作在输入端口模式。
39.输出隔离单元连接逻辑控制单元的输出端，需要发送的数据经过data_out端子，经过三极管q19驱动，光耦u3电气隔离区后，通过电阻r1输出到gpio端口。
40.当隔离使能光耦u2的3脚、4脚处于截止状态时，整个可编程离散量接口工作在非监听输出端口模式。
41.当隔离使能光耦u2的3脚、4脚处于导通状态时，整个可编程离散量接口工作在可监听输出端口模式。这时通过逻辑控制单元的输入端data_in可以实时监听可编程离散量接口的输出端gpio的输出状态，实现端口自环测试功能。
42.输入使能单元连接逻辑控制单元的使能端。
43.单片机mcu或arm处理器或fpga可编程逻辑器件通过使能端en、数据输入端data_in和数据输出端data_out配置可编程离散量接口的工作模式。当使能端en配置高电平，输入端data_in接收数据、输出端data_out发送数据时，可编程离散量接口工作在可监听输出端口模式。当使能端en配置低电平，输出端data_out发送数据时，可编程离散量接口工作在非监听输出端口模式。当使能端en配置高电平，输入端data_in接收数据、输出端data_out配置为低电平时，可编程离散量接口工作在输入端口模式。
44.通过运行在单片机mcu或arm处理器或fpga可编程逻辑器件上的软件，配置使能端en、输入端data_in和输出端data_out的不同电平状态，完成了由同一种电路，实现输入或输出的功能变化，实现了一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口的设计。
45.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型能使隔离型离散量接口设计更通用简洁，使用更灵活方便。应用此接口的计算机控制系统可在现场通过软件设置接口电路的功能，是输入离散量接口还是输出离散量接口。提高了计算机控制系统中离散量端口实际使用的灵活度，更好的适配了现场应用中隔离离散量接口需求的变更。也满足了某些特殊应用中需要动态改变同一个隔离端口输入输出方向的应用。同时设计开发计算机控制系统时隔离型离散量接口电路的设计也得以简化和通用。
46.并且本实用新型将隔离型输入输出接口合二为一，同时它可以在现场通过改变配置开关状态或发送软件配置命令或编辑修改系统配置文件的方式，更改接口是输入还是输出。或者配置为根据不同的状态，动态改变输入输出方向以适应特殊的需要场合，而不必修改隔离接口硬件电路本身。
47.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
48.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
49.图1是本实用新型的组成示意框图。
50.图2是本实用新型隔离接口的原理示意图。
具体实施方式
51.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
52.本实用新型提出一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口，接口可配置为离散量输入接口或离散量输出接口，接口可通过软件配置改变输入或输出的方向，接口是电气隔离接口。
53.可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口，如图1所示，由输入隔离单元、输出隔离单元、输入使能单元和逻辑控制单元组成。各个单元之间通过导线电气连接。其中，输入隔离单元连接输入使能单元，采集到的外部高低电平经过电气隔离，电平变换后传递给逻辑控制单元。输入使能单元连接在输入隔离单元和输出隔离单元之间，当端口配置为输出时，隔断输出隔离单元输出的信号对输入隔离单元的影响。输出隔离单元将逻辑控制单元输出的高低电平信号经过电气隔离后输出到外部接口。
54.进一步地，如图2所示，所述输入隔离单元包括：
55.偏流电阻r2和电阻r3组成的串联分压网络，r2的一端连接28v机载电源，为光耦is281g(或其他电流传输比高的光耦，如6n137等)光耦u1内部的发光二极管正极1脚提供偏压和限流。光耦u1的2脚内部发光二极管的阴极，连接端口地。二极管d1并联在光耦u1的内部发光二极管1、2脚之间，将反向电压抑制在0.7v，保护光耦u1内部的发光二极管不被反向电压击穿。10k电阻r4是光耦u1内部光敏管4脚c级的上拉电阻，为光耦u1输入的信号提供高电平。光耦u1的3脚，内部光敏管的e极连接数字地。0.1uf电容c2并联在光耦u1的内部光敏管3-4脚ce极之间，滤除高频干扰。光耦u1的4脚连接到逻辑控制单元的输入端。光耦u1的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
56.其中偏流电阻r2的阻值为2.7k，电阻r3的工艺流程为nc，二极管d1的型号为1n4148。
57.进一步地，如图2所示，所述输出隔离单元包括：
58.限流保护电阻r1，一端连接外部接口gpio，另一端连接光耦u3的4脚内部光敏管的c极，u2光耦的3脚内部光敏管的3脚，连接端口地。电容c1一端连接在光耦u3的4脚内部光敏管的c极。电容c1的另一端连接到端口地，用来滤波。限流220欧电阻r5一端连接光耦u3的1脚内部的发光二极管阳极，一端连接3v3电源，为发光二极管提供偏流。三极管(其他小功率npn三极管或n沟道小功率mos管)q19的c极3脚，连接光耦u3的2脚，内部发光二极管的阴极。三极管q19的e极2脚连接数字地。4.7k电阻r7和47k电阻r6组成三极管q19的b极1脚的偏压网络。r7一端连接q19的b极1脚，另一端连接逻辑控制单元输出端。光耦u3的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
59.其中限流保护电阻r1的阻值为100欧姆，光耦u3的型号为is281g，电容c1的容值为0.1uf，三极管q19的型号为mmbt3904，
60.进一步地，如图2所示，所述输入使能单元包括：
61.光耦u2的4脚连接光耦u1的1脚，u2光耦的3脚连接到限流100欧电阻r1的一端，当光耦u2内部的光敏三极管导通时，也就是光耦u2的4脚和3脚导通时，将输入隔离单元连接
到端口的gpio上。当光耦u2内部的光敏三极管截止时，也就是光耦u2的4脚和3脚断开时，将输入隔离单元和端口gpio断开。限流220欧电阻r8一端连接光耦u2的1脚内部的发光二极管阳极，一端连接3v3电源，为发光二极管提供偏流。三极管(其他小功率npn三极管或n沟道小功率mos管)q34的c极3脚，连接光耦u2的2脚，内部发光二极管的阴极。三极管q34的e极2脚连接数字地。电阻r9和电阻r10组成三极管q34的b极1脚的偏压网络。电阻r9一端连接q34的b极1脚，另一端连接逻辑控制单元使能端。光耦u2的1-2脚和3-4脚之间是电气隔离的，隔离电压2500v以上。
62.其中光耦u2型号为is281g，三极管q34的型号为mmbt3904，电阻r9的阻值为4.7k，电阻r10的阻值为47k，
63.进一步地，如图1所示，所述逻辑控制单元包括：
64.逻辑控制单元由单片机mcu或arm处理器或fpga可编程逻辑器件实现，可选择单片机或arm处理器系列或fpga可编程逻辑器件。其中单片机的型号可选用stm32f103，arm处理器的型号可选用imx6q，fpga可编程逻辑器件的型号可选用xilinx的xc6slx16-2csg324i。本实施例采用stm32f103单片机。
65.逻辑控制单元有3个pin脚和输入隔离单元、输出隔离单元和输入使能单元相连。输入隔离单元连接逻辑控制单元的输入端。外部gpio端口需要采集的高低状态经过100欧电阻r1、隔离使能is281g光耦u2、电气隔离is281g光耦u1，输入端子data_in输入到stm32f103的gpio的输入端数据，由stm32f103单片机进行识别处理。这时隔离使能is281g光耦u2的3-4脚处于导通状态，数据发送is281g光耦u3处于截止状态。整个可编程离散量接口工作在输入端口模式。
66.输出隔离单元连接逻辑控制单元的输出端，stm32f103需要发送的数据从发送gpio输出，经过data_out端子，经过mmbt3904三极管q19驱动，is281g光耦u3电气隔离区后，通过100欧电阻r1输出到gpio端口。当隔离使能is281g光耦u2的3-4脚处于截止状态时，整个可编程离散量接口工作在非监听输出端口模式。当隔离使能is281g光耦u2的3-4脚处于导通状态时，整个可编程离散量接口工作在可监听输出端口模式。这时通过stm32f103的输入端data_in的输入gpio可以实时监听可编程离散量接口的输出端gpio的输出状态，实现端口自环测试功能。
67.使能单元连接逻辑控制单元的使能端。stm32f103单片机通过，置高或拉低相应pin脚，使能端en，数据输入端data_in和数据输出端data_out，可配置离散量接口的工作模式。当使能端en配置高电平，输入端data_in接收数据、输出端data_out发送数据时，可编程离散量接口工作在可监听输出端口模式。当使能端en配置低电平，输出端data_out发送数据时，可编程离散量接口工作在非监听输出端口模式。当使能端en配置高电平，输入端data_in接收数据、输出端data_out配置为低电平时，可编程离散量接口工作在输入端口模式。
68.通过运行在单片机mcu或arm处理器或fpga可编程逻辑器件上的软件，配置使能端en、输入端data_in和输出端data_out的不同电平状态，完成了由同一种电路实现输入或输出的功能变化，实现了一种可软件配置输入输出方向的隔离型离散量接口的设计。
69.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。