模拟量输出板卡和模拟量输出方法与流程

本发明涉及轨道交通领域，特别是涉及模拟量输出板卡和模拟量输出方法。

背景技术：

在列车网络的控制系统中，需要向外部设备输出模拟量电压信号，其中，模拟量输出板卡是远程输入输出模块的重要组成部分，负责模拟量的采集输出，其稳定性关系到远程输入输出模块的稳定性与可靠性，对列车的安全运行发挥着重要作用。

目前，中国列车的网络控制系统的模拟量输出板卡向外部设备输出的电压一般都在0-15V之间，无法满足其他国家外部设备的高电压的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种模拟量输出板卡和模拟量输出方法，用以解决现有技术中的模拟量输出板卡无法满足高电压输出的问题。

本发明一方面提供一种模拟量输出板卡，包括：控制器局域网的驱动电路、处理器、高压隔离电源电路、低压信号处理电路、隔离采集电路和高压输出电路；

所述控制器局域网的驱动电路分别与所述控制器局域网的总线及处理器连接，用于接收所述控制器局域网发送的数字信号，并将所述数字信号转换成数字差分信号发送给所述处理器；

所述处理器与所述低压信号处理电路连接，所述处理器用于将所述数字差分信号转换成低压模拟信号，并将所述低压模拟信号发送给所述低压信号处理电路；

所述低压信号处理电路与所述隔离采集电路连接，所述低压信号处理电路用于将所述低压模拟信号进行升压处理，生成第一高压模拟信号，并将所述第一高压模拟信号发送给所述隔离采集电路；

所述隔离采集电路与所述高压输出电路连接，所述隔离采集电路用于隔离所述低压信号处理电路与所述高压输出电路，并对所述第一高压模拟信号进行线性处理，生成第二高压模拟信号，并将所述第二高压信号发送给所述高压输出电路；

所述高压隔离电源电路与所述高压输出电路的供电输入端连接，用于对所述高压输出电路供电；

所述高压输出电路与外部设备连接，所述高压输出电路用于将所述第二高压信号进行升压处理，生成满足所述外部设备的输入电压。

本发明另一方面提供一种模拟量输出方法，包括：控制器局域网的驱动电路接收控制器局域网发送的数字信号，并将所述数字信号转换成数字差分信号发送给处理器；

所述处理器接收控制器局域网的驱动电路发送的数字差分信号，将所述数字差分信号转换成低压模拟信号，并将所述低压模拟信号发送给低压信号处理电路；

所述低压信号处理电路接收所述低压模拟信号，将所述低压模拟信号进行升压处理，生成第一高压模拟信号，并将所述第一高压模拟信号发送给隔离采集电路；

所述隔离采集电路隔离所述低压信号处理电路与高压输出电路，接收所述第一高压模拟信号，对所述第一高压模拟信号进行线性处理，生成第二高压模拟信号，并将所述第二高压模拟信号发送给所述高压输出电路；

所述高压输出电路接收所述第二高压模拟信号，并对所述第二高压模拟信号进行升压处理，输出第三高压模拟信号给外部设备。

本发明提供的模拟量输出板卡和模拟量采集方法，通过控制器局域网的驱动电路接收控制器局域网发送的数字信号，通过低压信号处理电路进行初步升压，为了避免高压输出电路输出的高压信号带来的强干扰影响低压信号处理电路及处理器的工作，因此采用了隔离采集电路来进行电气隔离，提高了整个模拟量输出板卡的稳定性。进一步的，对隔离采集电路输出的信号进行升压处理，输出满足外部设备需求的电压。本发明的模拟量输出板卡和模拟量采集方法可靠性高，抗干扰能力强，能够满足高电压输出的需求。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的模拟量输出板卡的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的高压隔离电源电路的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的低压信号处理电路的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的隔离采集电路的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的高压输出电路的结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的模拟量输出方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例一

图1为本发明实施例一提供的模拟量输出板卡的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种模拟量输出板卡包括：控制器局域网的驱动电路1、处理器2、高压隔离电源电路3、低压信号处理电路4、隔离采集电路5和高压输出电路6。

其中，控制器局域网的驱动电路1分别与控制器局域网的总线(图中未示出)及处理器2连接，用于接收控制器局域网发送的数字信号，并将该数字信号转换成数字差分信号发送给处理器2。

处理器2与低压信号处理电路4连接，处理器2用于将上述数字差分信号转换成低压模拟信号，并将该低压模拟信号发送给低压信号处理电路4。具体的，该低压模拟信号为0-2.5V的电压信号。此外，处理器2还用于接收控制器局域网的总线发送的信号，并将该信号解析成标准数据存储在自身的缓存区，以供控制器读取。举例来说，处理器2可以包括STM32F103单片机和控制器局域网协议控制芯片，STM32F103单片机负责控制控制器局域网协议控制芯片的工作时序以及与外部系统进行数据的交互。

为了满足隔离采集电路5的工作电流，需要利用低压信号处理电路4对处理器2输出的低压模拟信号进一步升压。

具体的，低压信号处理电路4与隔离采集电路5连接，低压信号处理电路4用于将低压模拟信号进行升压处理，生成第一高压模拟信号，并将该第一高压模拟信号发送给隔离采集电路5。其中，第一高压模拟信号为0-10V的电压信号。

进一步的，由于高压输出电路6输出的高压信号会带来强干扰影响低压信号处理电路4及处理器2的工作，因此采用了隔离采集电路5来进行电气隔离，使得低压信号处理电路4中的信号不受高压输出电路的干扰，同时，也能消除高压对于处理器的影响，保证了板卡后端与高压输入端无电气连接，从而增强模拟量输出板卡的稳定性。

具体的，隔离采集电路5与高压输出电路6连接，隔离采集电路5用于隔离低压信号处理电路4与高压输出电路5，并对第一高压模拟信号进行线性处理，生成第二高压模拟信号，并将该第二高压信号发送给高压输出电路6，其中，隔离采集电路5可以采用线性元件，即保证第一低压模拟信号与第二低压模拟信号之间呈线性关系，可选的，第一高压模拟信号与第二高压模拟信号相等。

为了满足对外部设备的输出电压，需要进一步的对隔离采集电路5输出的电压信号进行升压。其中，采用了高压隔离电源电路3对高压输出电路进行供电。具体的，高压隔离电源电路3对高压输出电路6的供电电压为0-50V，高压隔离电源电路3与高压输出电路6的供电输入端连接，高压输出电路6与外部设备连接，高压输出电路6用于将第二高压信号进行升压处理，生成满足外部设备的输入电压。

由以上技术方案可知，本发明的模拟量输出板卡通过控制器局域网的驱动电路1接收控制器局域网发送的数字信号，通过低压信号处理电路进行初步升压，为了避免高压输出电路6输出的高压信号带来的强干扰影响低压信号处理电路4及处理器2的工作，因此采用了隔离采集电路5来进行电气隔离，提高了整个模拟量输出板卡的稳定性。进一步的，对隔离采集电路5输出的信号进行升压处理，输出满足外部设备需求的电压。本发明的模拟量输出板卡可靠性高，抗干扰能力强，能够满足高电压输出的需求。

实施例二

本实施例对上述实施例做进一步的补充说明，图2为本发明实施例二提供的高压隔离电源电路的结构示意图，如图2所示，高压隔离电源电路1包括第一电阻1101、第一电容1201、第二电容1202、第三电容1203、第四电容1204、第五电容1205、第一控制芯片1001、第六电容1206和第一防反二极管1301。

具体的，第一电阻1101、第一电容1201、第二电容1202、第三电容1203并联设置在高压隔离电源电路1的第一输入端111与第二输入端112之间，其中第一电阻1101为压敏电阻，用于防止输入至高压隔离采集电压电路1的电压突变对电路造成的损害，第三电容1203为极性电容，用来防止浪涌，此外，为了抑制共模信号，可以在第一电容1201与第二电容1202之间设置扼流圈1200。

进一步的，为了滤除杂波，第四电容1204的第一端连接在第二电容1202和第三电容1203之间，第四电容1204的第二端与第五电容1205的第一端连接，第五电容1205的第二端连接在第二电容1202和第三电容1203之间，其中，为了减小电路中的辐射，满足安规要求，第四电容1204与第五电容1205之间通过导线接地，使得高频杂波流入地端。

第四电容1204的第一端与第一控制芯片1001的第一输入端121连接，第五电容1205的第二端与第一控制芯片1001的第二输入端122连接。

第一控制芯片1001的第一输出端131与第二输出端132之间设置有相互并联的第六电容1206和第一防反二极管1301，其中第一防反二极管1301可以防止外部电路对高压隔离电源电路1的信号干扰，也可以防浪涌及电压突变对高压隔离电源电路的供电输入端产生的冲击。具体的，第一防反二极管1301与高压输出电路6的供电输入端连接。

图3为本发明实施例二提供的低压信号处理电路的结构示意图，优选地，如图3所示，低压信号处理电路4包括第一运算放大器101、第二电阻1102、第七电容1107、第三电阻1103、第四电阻1104、第二运算放大器102和第五电阻1105。

具体的，第一运算放大器101的同相输入端与处理器2连接，第二电阻1102的第一端连接在处理器2及第一运算放大器101的同相输入端之间，第二电阻1102的第二端接地。第七电容1107的第一端连接在第二电阻1102的第一端与第一运算放大器101的同相输入端之间，第七电容1107的第二端连接于第二电阻1102与大地之间。其中，第二电阻1102为接地电阻，设置第二电阻1102的目的是为了防止大地中的杂波对整个低压信号处理电路4的影响，第七电容1107为滤波电容，将低压信号处理电路4中的杂波导入大地。

进一步的，第一运算放大器101的反相输入端通过第三电阻1103接地，第一运算放大器101的输出端通过第四电阻1104与第二运算放大器102的同相输入端连接。

其中，第一运算放大器101还包括第一反馈电阻1011和第十电容1207，第一反馈电阻1011和第十电容1207相互并联，连接在第一运算放大器101的反相输入端与输出端之间，第二运算放大器102的输出端通过第五电阻1105与隔离采集电路5连接，此外，还有供电电源(图中未示出)提供0-15V的电压对第一运算放大器101供电。

通过第一运算放大器101和第二运算放大器102的共同作用，实现对处理器2输出的低压模拟信号进行升压处理。

图4为本发明实施例二提供的隔离采集电路的结构示意图，如图4所示，隔离采集电路5包括第三运算放大器103、第二控制芯片1002、第六电阻1106、第八电容1208、第四运算放大器104和第七电阻1107。其中，第二控制芯片1002为线性光耦元件。

具体的，第三运算放大器103的反相输入端与第二控制芯片1002的第一输入端151连接，第三运算放大器103的输出端通过第六电阻1106与第二控制芯片1002的第二输入端152连接，第三运算放大器103的反相输入端与第三运算放大器103的输出端之间设置有第八电容1208，第八电容1208的第一端连接在第三运算放大器103的反相输入端与第二控制芯片1002的第一输入端151之间，第八电容1208的第二端连接在第三运算放大器105的输出端与第六电阻1110之间。第三运算放大器105的同相输入端接地，并且，另外还有供电电源(图中未示出)为第三运算放大器105供电，供电电压范围为0-15V。

进一步的，第二控制芯片1002的第一输出端161与第四运算放大器104的反相输入端连接，第二控制芯片1002的第二输出端162与第四运算放大器104的同相输入端连接，第四运算放大器104的输出端通过第七电阻1107与高压输出电路5的输入端连接。

第二控制芯片1002的第一输出端与第四运算放大器104的反相输入端连接，第二控制芯片1002的第二输出端与第四运算放大器104的同相输入端连接，第四运算放大器104的输出端通过第七电阻1107与所述高压输出电路的输入端连接。

第四运算放大器104还包括第二反馈电阻1041与第九电容1209，第二反馈电阻1041与第九电容1209相互并联，连接在第四运算放大器104的反相输输入端与输出端之间。

此外，为了更好的滤除电路中的杂波成分，还设置有第一滤波电容2003，其中，第一滤波电容2001的第一端连接在第五电阻1105与第三运算放大器103的反相输入端之间，第一滤波电容的第二端接地。

图5为本发明实施例二提供的高压输出电路的结构示意图，可选的，如图5所示，高压输出电路5包括第五运算放大器105、第八电阻1108、第六运算放大器106、第九电阻1109、第十电阻1110、第七运算放大器107、第二防反二极管1302、第十一电阻1111、第十二电阻1112、第十三电阻1113、第十四电阻1114、第十五电阻1115、第十六电阻1116、第十七电阻1117、第一三极管2000、第二三极管2001。

具体的，第五运算放大器105的反相输入端与第七电阻1107连接，第五运算放大器105的输出端通过第八电阻1108与第六运算放大器106的反相输入端连接，第五运算放大器105的同相输入端通过第九电阻1109与第六运算放大器106的同相输入端连接，第六运算放大器106的输出端通过第十电阻1110与第七运算放大器107的同相输入端连接，第七运算放大器107的输出端通过第二防反二极管1302与外部设备连接。

进一步的，第五运算放大器105还包括第三反馈电阻1053，第三反馈电阻1053的第一端连接于第五运算放大器105的反相输入端和第七电阻1107之间，第三反馈电阻1053的第二端与第五运算放大器105的输出端连接。

第六运算放大器106还包括第四反馈电阻1064，第四反馈电阻1064的第一端连接于第六运算放大器106的反相输入端和第八电阻1108之间，第四反馈电阻1064的第二端与第六运算放大器106的输出端连接。

第七运算放大器107还包括第五反馈电阻1075，第五反馈电阻1075的第一端连接于第七运算放大器107的反相输入端和第十电阻1110之间，第五反馈电阻1075的第二端连接于第七运算放大器107的输出端。

第七运算放大器107的同相输入端与第十一电阻1011的第一端连接，第十一电阻1011的第二端连接在第十二电阻1012与第十三电阻1013之间，第十二电阻1012的一端与第十三电阻1013的一端连接，第十二电阻1012的另一端接地，第十三电阻1013的另一端与高压隔离电源电路3的第一输出端151连接。

其中，第一三极管2000、第二三极管2001以及第十四电阻1114、第十五电阻1115、第十六电阻1116、第十七电阻1117为浮地设计。

具体的，第十四电阻1114一端与十五电阻1115连接，第十四电阻1114的另外一端与第七运算放大器107的输出端连接，第十五电阻1115的另一端与所述高压隔离电源电路3第二输出端132连接，同时，高压隔离电源电路3的第二输出端132接地。

进一步的，第一三极管2000的基极连接在第十四电阻1114与第十五电阻1115之间，第一三极管2000的集电极与高压隔离电源电路5的第二输出端152连接，第一三极管2000的发射极与第七运算放大器107的第一供电输入端连接。

第十六电阻1116的一端与第十七电阻1117的一端连接，第十六电阻1116的另外一端与第七运算放大器107的输出端连接，第十七电阻1117的另外一端分别与高压隔离电源电路3的第一输出端和第十三电阻1113连接。

第二三极管2001的基极连接在第十六电阻1116与第十七电阻1117之间，第二三极管2001的发射极与第七运算放大器107的第二供电输入端连接，第二三极管2001的集电极与高压隔离电源电路3的第一输出端131连接。

其中，第十六电阻1116的阻值R16与第十四电阻1114的阻值R14相等，第十七电阻1117的阻值R17与第十五电阻1115的电阻R15相等，因此，第七运算放大电路107的第一供电输入端的电压V+与第七运算放大电路107的第二供电输入端的电压V-满足如下关系：V+-V-＝R14×(V1-V2)/(R14+R15)，其中，V1为高压隔离电源电路3的第一输出端的输出电势，V2为高压隔离电源电路3第二输出端的输出电势，从而使得第七运算放大器107向外部设备输出的电压可以满足外部设备的需求，即0-50V电压的输出需求，同时又使得高压隔离电源电路3输出的电压可以满足对第七运算放大器107的供电需求。

需要说明的是，上述实施例中的接地，在第二控制芯片1002的输入端一侧的所有接地均为数字地，而在第二控制芯片1002的输出端一侧的接地为大地。

由以上技术方案可知，本发明的模拟量输出板卡为了避免高压输出电路6输出的高压信号带来的强干扰影响低压信号处理电路4及处理器2的工作，采用了隔离采集电路5来进行电气隔离，提高了整个模拟量输出板卡的稳定性。进一步的，对隔离采集电路5输出的信号利用高压输出电路6进行升压处理，高压输出电路6采用了浮地设计，使输出的电压保持在第七运算放大电路的供电范围内，并满足外部设备需求的电压。本发明的模拟量输出板卡可靠性高，抗干扰能力强，能够满足高电压输出的需求。

实施例三

本实施例提供了一种模拟量输出方法，图6为本发明实施例三提供的模拟量输出方法的流程示意图，如图6所示，该模拟量输出方法包括：

步骤301，控制器局域网的驱动电路接收控制器局域网发送的数字信号，并将该数字信号转换成数字差分信号发送给处理器。

步骤302，处理器接收控制器局域网的驱动电路发送的数字差分信号，将该数字差分信号转换成低压模拟信号，并将该低压模拟信号发送给该低压信号处理电路。

具体的，该低压模拟信号为0-2.5V的电压信号。此外，处理器还用于接收控制器局域网的总线发送的信号，并将该信号解析成标准数据存储在自身的缓存区，以供控制器读取。举例来说，处理器可以包括STM32F103单片机和控制器局域网协议控制芯片，STM32F103单片机负责控制控制器局域网协议控制芯片的工作时序以及与外部系统进行数据的交互。

进一步的，为了满足隔离采集电路的输入电流，需要对低压模拟信号进行进一步的升压。

步骤303，低压信号处理电路接收该低压模拟信号，将该低压模拟信号进行升压处理，生成第一高压模拟信号，并将该第一高压模拟信号发送给隔离采集电路。

其中低压模拟信号为处理器发送的，第一高压模拟信号为0-10V的电压信号。

步骤304，隔离采集电路隔离低压信号处理电路与高压输出电路，接收第一高压模拟信号，对该第一高压模拟信号进行线性处理，生成第二高压模拟信号，并将该第二高压模拟信号发送给高压输出电路。

具体的，由于高压输出电路输出的高压信号会带来强干扰影响低压信号处理电路及处理器的工作，因此采用了隔离采集电路来进行电气隔离，使得低压信号处理电路中的信号不受高压输出电路的干扰，同时，也能消除高压对于处理器的影响，保证了板卡后端与高压输入端无电气连接，从而增强模拟量输出板卡的稳定性。其中，隔离采集电路可以采用线性元件，即保证第一低压模拟信号与第二低压模拟信号之间呈线性关系，可选的，第一高压模拟信号与第二高压模拟信号相等

为了满足对外部设备的输出电压，需要进一步的对隔离采集电路输出的电压信号进行升压。

步骤305，高压输出电路接收第二高压模拟信号，并对该第二高压模拟信号进行升压处理，输出第三高压模拟信号给外部设备。

其中，采用了高压隔离电源电路对高压输出电路进行供电。具体的，高压隔离电源电路对高压输出电路的供电电压为0-50V。

本实施例的模拟量输出方法中的控制器局域网的驱动电路、处理器、低压信号处理电路、隔离采集电路、高压输出电路、高压隔离电源电路可以与上述实施例的结构一致，在此不再赘述。

由以上技术方案可知，本发明的模拟量输出方法通过控制器局域网的驱动电路接收控制器局域网发送的数字信号，并将升压过程分为两级升压过程，通过低压信号处理电路进行初步升压，为了避免高压输出电路输出的高压信号带来的强干扰影响低压信号处理电路及处理器的工作，因此采用了隔离采集电路来进行电气隔离，提高了模拟量输出的稳定性。进一步的，对隔离采集电路输出的信号进行升压处理，输出满足外部设备需求的电压。本发明的模拟量输出方法可靠性高，抗干扰能力强，能够满足高电压输出的需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。