开关量信号采集电路及显示装置的制作方法

本实用新型涉及信号采集领域，尤其涉及一种开关量信号采集电路及显示装置。

背景技术：

信号采集是常规控制系统最重要的功能之一，系统只有对输入的信号进行及时的采集和精确的处理，才能控制执行单元实现系统特定功能。而常见的输入信号，主要是开关量、数字量和模拟量，其中开关量是指非连续性信号的采集和输出。在强电领域中主要指开关触点的接通和断开，在数字电路中主要是“0”和“1”两种状态。

如图1所示，是目前控制系统普遍采用的一种采集电路，该电路运用光电耦合器采集开关量信号。当开关量信号IN1为低电平时，发光二极管上有一定电流通过，从而发出光线，照射在受光器件上，受光器件接收光线后导通，产生电流从集电极输出，从而实现了“电-光-电”的信号转换。此时，传送到MCU GPIO口的状态为低电平。当开关量信号IN1为高电平或者高阻状态时，发光二极管上没有电流通过，受光器件不导通，由于集电极被上拉为高电平，因此MCU GPIO口的状态为高电平。

在实际应用案例中，运用光电耦合器采集开关量信号的电路仍有以下缺点：

1、光电耦合器的可靠性不够高，因为光电耦合器是通过“电-光-电”的形式耦合实现信号采集，如果光电耦合器本身封装屏蔽有问题，那么受光部分很容易受到外界干扰，使得系统采集功能失效，特别是工作环境存在强光干扰的情况下，电路的可靠性很难保证。

2、作为基本的信号采集单元，光电耦合器成本偏高，成本是产品设计重点权衡的因素之一，光电耦合器的价格远比电阻电容高。

3、光电耦合器的体积较大，电路设计繁琐。当产品外部需要采集的信号有几十路时，如果采用分立的光电耦合器件，在PCB布局上，会占据较大的面积，使得产品外观设计不够紧凑美观，也无法满足产品轻量化的要求。此外，图1电路中光电耦合器需要两种电源VCCH和VCCL独立供电，PCB设计较为繁琐，增加了电路的复杂性，降低了产品的可靠性。

4、光电耦合器件的传输延时较大，使信号采集不够精确。为保证开关器件开通和关断的精确性，必须使电路的结构参数或传输延时一致，但是常规设计难以实现这一点。

总之，采用光电耦合器进行开关量采集，虽然能够实现一般的机电一体化系统的采集功能，但是其性能和可靠性还有较大的提升空间。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种开关量信号采集电路及显示装置，旨在解决现有技术中的信号采集电路由于使用光电耦合器导致可靠性低、成本高、体积大以及传输延时大的问题。

本实用新型是这样实现的，本实用新型第一方面提供一种开关量信号采集电路，所述开关量信号采集电路包括开关量生成模块、第一滤波模块、信号转换模块、电源模块以及控制模块；

所述开关量生成模块的输出端连接所述第一滤波模块的输入端，所述第一滤波模块的输出端连接所述信号转换模块的第一输入端，所述电源模块的输出端连接所述信号转换模块的第二输入端和所述控制模块的第一输入端，所述信号转换模块的输出端连接所述控制模块的第二输入端；

所述开关量生成模块根据开关状态生成开关量信号，并将所述开关量信号输出给所述第一滤波模块；

所述第一滤波模块对所述开关量信号进行滤波处理，并将滤波后的开关量信号输出给所述信号转换模块；

所述信号转换模块根据滤波后的开关量信号对所述电源模块输出的电压进行分压处理，将所述开关量信号转换成电压信号，并将所述电压信号输出给所述控制模块；

所述控制模块对所述电压信号进行数模转换以获取当前开关状态。

结合本实用新型第一方面，作为第一方面的第一种实施方式，所述信号转换模块包括第一分压器件、第二分压器件、防反器件以及防抖器件；

所述第一分压器件的第一端和所述防反器件的第一端共接并构成所述信号转换模块的第一输入端，所述防反器件的第二端、所述第二分压器件的第一端以及所述防抖器件的第一端共接并构成所述信号转换模块的输出端，所述第二分压器件的第二端为所述信号转换模块的第二输入端，所述第一分压器件的第二端和所述防抖器件的第二端共接于地。

结合本实用新型第一方面的第一种实施方式，作为第一方面的第二种实施方式，所述防反器件为二极管，所述二极管的阴极为所述防反器件的第一端，所述二极管的阳极为所述防反器件的第二端。

结合本实用新型第一方面的第一种实施方式，作为第一方面的第三种实施方式，所述防抖器件为第三电容。

结合本实用新型第一方面的第一种实施方式，作为第一方面的第四种实施方式，所述开关量信号采集电路还包括第二滤波模块，所述第二滤波模块的输入端连接所述信号转换模块的输出端，所述第二滤波模块的输出端连接所述控制模块的第二输入端；

所述第二滤波模块对所述电压信号进行滤波后输出给所述控制模块。

结合本实用新型第一方面的第四种实施方式，作为第一方面的第五种实施方式，所述第二滤波模块包括第五电阻和第四电容，所述第五电阻的第一端为所述第二滤波模块的输入端，所述第五电阻的第二端与所述第四电容的第一端共接并构成所述第二滤波模块的输出端，所述第四电容的第二端与所述防抖器件的第二端共接于地。

结合本实用新型第一方面，作为第一方面的第六种实施方式，所述开关量生成模块包括驻车制动开关模块，所述驻车制动开关模块包括第六电阻、第七电阻以及第一开关，所述第六电阻的第一端为所述开关量生成模块的输出端，所述第六电阻的第二端连接所述第七电阻的第一端和所述第一开关的第一端，所述第七电阻的第二端和所述第一开关的第二端共接于地。

结合本实用新型第一方面的第六种实施方式，作为第一方面的第七种实施方式，所述开关量生成模块还包括切换开关，所述切换开关的公共端为所述开关量生成模块的输出端，所述切换开关的切换端与电源连接、与地连接或者处于断路状态。

结合本实用新型第一方面，作为第一方面的第八种实施方式，所述第一滤波模块包括第一电容、第二电容以及电感，所述第一电容的第一端、所述第二电容的第一端以及所述电感的第一端共接并构成所述第一滤波模块的输入端，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端共接于地，所述电感的第二端为所述第一滤波模块的输出端。

本实用新型第二方面提供一种显示装置，所述显示装置包括第一方面及其第一种实施方式至第八种实施方式所述的开关量信号采集电路和仪表，所述控制模块的输出端连接所述仪表的第一输入端，所述电源模块的输出端连接所述仪表的第二输入端，所述控制模块通过所述仪表显示开关状态。

本实用新型一种开关量信号采集电路，与现有技术相比，现有技术中的光电耦合电路只能区分两种基本的开关状态，本实用新型中开关量生成模块实现采集多种开关状态，通过设置第一滤波模块对开关量信号进行滤波，增强了电路的抗干扰能力，保证了产品的可靠性，通过设置信号转换模块和控制模块实现对外部开关量信号的采集以及诊断功能，采集的范围广，诊断的能力强，输入控制模块的信息更加准确完整，当产品外部电路出现问题时，可通过控制模块采集开关量信号的模数值，容易锁定问题原因，为排除故障带来了极大的方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的一种开关量信号采集电路的电路图；

图2是本实用新型一种实施例提供的一种开关量信号采集电路的结构示意图；

图3是本实用新型另一种实施例提供的一种开关量信号采集电路的结构示意图；

图4是本实用新型一种实施例提供的一种开关量信号采集电路的部分电路图；

图5是本实用新型一种实施例提供的一种开关量信号采集电路中的驻车制动开关模块的电路图；

图6是本实用新型另一种实施例提供的一种显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本实用新型实施例提供一种开关量信号采集电路10，如图2所示，开关量信号采集电路10包括开关量生成模块101、第一滤波模块102、信号转换模块103、电源模块105以及控制模块104；

开关量生成模块101的输出端连接第一滤波模块102的输入端，第一滤波模块102的输出端连接信号转换模块103的第一输入端，电源模块105的输出端连接信号转换模块103的第二输入端和控制模块104的第一输入端，信号转换模块103的输出端连接控制模块104的第二输入端；

开关量生成模块101根据开关状态生成开关量信号，并将开关量信号输出给滤波模块；

第一滤波模块102对开关量信号进行滤波处理，并将滤波后的开关量信号输出给信号转换模块103；

信号转换模块103根据滤波后的开关量信号对电源模块105输出的电压进行分压处理，将开关量信号转换成电压信号，并将电压信号输出给控制模块104；

控制模块104对电压信号进行数模转换以获取当前开关状态。

在本实用新型实施例中，开关量生成模块101可以根据开关状态生成不同的开关量信号，例如可以实现驻车制动、离合意图、背光调节、制动液位、副驾驶安全带、菜单切换按钮等信号的输出，开关量生成模块101可以通过连接电源、与地连接、断路或者通过设置开关接入不同阻值的电阻等等生成开关量信号。

在本实用新型实施例中，第一滤波模块102用于对开关管量信号进行滤波，实现有效抑制外部干扰，增强该电路的抗干扰能力，第一滤波模块102可以为电容、电阻或者磁珠等构成的滤波电路。

在本实用新型实施例中，信号转换模块103用于将外部输入的开关状态进行采集，通过其内部设置的电阻比例关系对电源进行分压，得到与开关信号相对应的电压值，信号转换模块103可以为电阻以及其他阻抗器件构成的分压电路，以进行电压采样。

在本实用新型实施例中，控制模块104对电压信号进行模数转换获取电压信号的数字值，考虑到采集电阻的精度和参考电压的稳定性，及外部开关信号的抖动，控制模块104设定一定范围的数字值区间而不是一个确定的数字值，来判断外部开关的状态，从而增强采集电路的容错能力。

需要说明的，外部开关状态分别对应控制模块104不同的数字值区间，因此，当外部开关状态发生变化时，以上电路可以实时采集该变化状态；当外部开关出现异常时，可通过数字值来查找故障原因，而且所诊断的状态信息可以通过一定的通信方式传输给相关的人员。

本实用新型一种开关量信号采集电路，与现有技术相比，现有技术中的光电耦合电路只能区分两种基本的开关状态，本实用新型中开关量生成模块实现采集多种开关状态，通过设置第一滤波模块对开关量信号进行滤波，增强了电路的抗干扰能力，保证了产品的可靠性，通过设置信号转换模块和控制模块实现对外部开关量信号的采集以及诊断功能，采集的范围广，诊断的能力强，输入控制模块的信息更加准确完整。当产品外部电路出现问题时，可通过控制模块采集开关量信号的模数值，容易锁定问题原因，为排除故障带来了极大的方便，还可以将与开关量信号对应的模数值通过CAN总线、以太网、WIFI模块等方式传输给用户，有利于提升产品的用户体验。

进一步的，作为本实用新型实施例中的另一种实施方式，如图3所示，开关量信号采集电路10还包括第二滤波模块106，第二滤波模块106的输入端连接信号转换模块103的输出端，第二滤波模块106的输出端连接控制模块104的第二输入端；

第二滤波模块106对电压信号进行滤波后输出给控制模块104。

本实施方式中通过设置第二滤波模块，对信号作进一步的滤波处理，其中的串联电阻，还可以减少外部干扰对MCU的影响，避免MCU损坏。

作为本实用新型实施例的一种实施方式，如图4和图5所示，以检测驻车制动信号为例，下面通过具体的电路结构对本实用新型实施例进行具体说明：

对于开关量生成模块101，具体的，开关量生成模块101包括驻车制动开关模块107，驻车制动开关模块107包括第六电阻R6、第七电阻R7以及第一开关S1，第六电阻R6的第一端为开关量生成模块101的输出端，第六电阻R6的第二端连接第七电阻R7的第一端和第一开关S1的第一端，第七电阻R7的第二端和第一开关S1的第二端共接于地。

其中，驻车制动开关模块107通过第一开关S1的闭合和断开实现输出两种开关量信号。

开关量生成模块101还包括切换开关，切换开关的公共端为开关量生成模块101的输出端，切换开关的切换端与电源连接、与地连接或者处于断路状态。

其中，切换开关通过切换不同的状态实现输出三种开关量信号。

对于第一滤波模块102，具体的，第一滤波模块102包括第一电容C1、第二电容C2以及电感，第一电容C1的第一端、第二电容C2的第一端以及电感的第一端共接并构成第一滤波模块102的输入端，第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端共接于地，电感的第二端为第一滤波模块102的输出端。

对于信号转换模块103，具体的，信号转换模块103包括第一分压器件、第二分压器件、防反器件以及防抖器件；

第一分压器件的第一端和防反器件的第一端共接并构成信号转换模块103的第一输入端，防反器件的第二端、第二分压器件的第一端以及防抖器件的第一端共接并构成信号转换模块103的输出端，第二分压器件的第二端为信号转换模块103的第二输入端，第一分压器件的第二端和防抖器件的第二端共接于地。

串联的二极管的作用是防止外部输入高电压信号，即防止电流流入诊断电路，影响后面的上拉电源。该电路使用一个电阻上拉到一个稳定的电源电压，使采集更为准确，而并联的电容，可以消除大部分外部开关信号的抖动。

优选的，防反器件为二极管D1，二极管D1的阴极为防反器件的第一端，二极管D1的阳极为防反器件的第二端。

优选的，防抖器件为第三电容C3，第一分压器件为第三电阻R3，第二分压器件为第四电阻R4。

对于第二滤波模块106，具体的，第二滤波模块106包括第五电阻R5和第四电容C4，第五电阻R5的第一端为第二滤波模块106的输入端，第五电阻R5的第二端与第四电容C4的第一端共接并构成第二滤波模块106的输出端，第四电容C4的第二端与防抖器件的第二端共接于地。

本实施方式的工作原理如下：设置电源模块105的输出电压VCC为5V，第三电阻R3的阻值为180kΩ，第四电阻R4的阻值为68kΩ，第六电阻R6的阻值为20kΩ，第七电阻R7的阻值为100kΩ，那么开关量生成模块101输出的五种状态的模数诊断原理如下：

当开关量生成模块101对电源12V短路时，由于二极管D1的防反作用，控制模块104采集到的电压约为5V，其中，二极管D1有效地防止外部12V窜电到电源5V。

当开关量生成模块101对地短路时，此时第三电阻R3被短路，控制模块104采集到的电压约为二极管D1的正向导通压降0.5V。

当开关量生成模块101断路时，第三电阻R3、二极管D1和第四电阻R4构成分压电路，控制模块104采集到的电压约为3.766V。

当开关量生成模块101中的第一开关S1闭合时，第七电阻R7被短路，第六电阻R6接入电路，控制模块104采集到的电压约为1.442V。

当开关量生成模块101中的第一开关S1断开时，第六电阻R6和第七电阻R7接入电路，控制模块104采集到的电压约为2.814V。

以上开关量采集电路可以针对外部输入的五种状态进行采集诊断，这五种状态分别指的是输入端口对电源短路、输入端口对地短路、输入端口断路、开关闭合、开关断开。每种状态都会对应一个电压值，如果控制模块中A/D转换器分辨率为10位，即2¹⁰＝1024，根据比例关系5V/1024＝U/AD，该电压值根据比例关系可以得到一个确定的模数值，当然，考虑到采集电阻的精度和参考电压的稳定性及外部开关信号的抖动，控制模块设定一定范围的AD区间而不是一个确定的AD值，来判断外部开关的状态，从而增强采集电路的容错能力，保证AD诊断的有效性和准确性，从而实现驻车制动信号的采集和诊断功能。

本实用新型提出的电路结构中，具体的元器件参数可以根据外部信号种类和产品EMC性能要求选定，VCC可以是5V系统的电源，也可以是3.3V系统，但是VCC必须与所用MCU AD模块的参考电源一致，最好经过π型滤波。其中，电阻R5需要选择合适阻值，如果阻值太小，对MCU的保护作用很有限；如果阻值太大，当电阻R4上有一定电流流过时，会在电阻两端产生一定的电压降，从而影响采集的准确性。

需要说明的是，在PCB设计时，仪表外部的驻车制动开关电路和仪表内部采集电路第一电容C1、C2处需要共地，记为“PGND”，C3、C4处的地记为“GND”。注意“PGND”和“GND”并没有连在一起，中间用共模电感连接，目的是进一步增强仪表电路的抗干扰能力。

本实用新型开关量采集电路具有很强的抗干扰能力，第一滤波模块和第二滤波模块中的电容磁珠组合、RC滤波和共模电感分地处理，增强了电路的抗干扰能力，保证了产品的可靠性，信号采集模块作为控制系统最重要的功能之一，是产品正常显示相关参数和控制输出的基础，其可靠性至关重要。

本实用新型开关量采集电路具有一定的隔离作用，作为外部信号采集模块，避免不了一些噪声干扰，甚至出现输入端口对电源短路的情况，因此要求采集电路具有一定的抗干扰能力和隔离作用，电路中串联了二极管，可以有效防止外部电流倒灌进入内部电路，影响其他电路的正常工作。

本实用新型开关量采集电路，电路结构简单，成本低，应用灵活。该电路采用基本的电阻、电容、二极管实现了复杂的诊断功能，具有明显的成本优势和功能优势，由于该设计简单可靠，实际应用时具有很好的灵活性，大大提高了设计的效率，提升了产品的市场竞争力。

本实用新型另一种实施例还提供一种显示装置100，如图6所示，显示装置100包括上述的开关量信号采集电路10和仪表20，控制模块104的输出端连接仪表20的第一输入端，电源模块105的输出端连接仪表20的第二输入端，控制模块104通过仪表20显示开关状态。

本实用新型一种显示装置，可以在仪表外部设置几十路开关量信号电路，通过线束、连接器输入到开关量信号采集电路，开关量信号采集电路包括对应的抗干扰和隔离电路，并将所诊断的电压值通过单片机A/D转换器转换成AD值，经过单片机的处理后，将开关状态信息通过一定的方式传输到汽车仪表液晶屏上显示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。