开关量采集电路的制作方法

本实用新型涉及电路领域，具体而言，涉及一种开关量采集电路。

背景技术：

随着工业水平不断发展，在电力设备保护装置以及工业自动化控制领域，继电保护装置的功能越来越丰富。继电保护装置的功能在具体的数据处理中往往需要多CPU协同处理，而这多个CPU有时需要同样的数据来源，例如，开关量。目前通用的做法是由某一CPU采集开关量之后，由该CPU通过其它的通讯方式传输给其它CPU，例如，采用双口、SPI等高速通讯接口进行数据传输，I/O扩展单元是非必要的单元。

如图1所示为现有技术中的一种开关量采集电路，该电路中，CPU0在采集开关量之后，通过双口、SPI或其它高速通讯方式传输给多CPU协同处理的继电保护装置中的其它CPU，这种技术方案主要有几个缺点：1)如果使用双口通讯接口，成本较高；2)继电保护装置中需要额外的高速通讯接口；3)所有开关量的采集都依赖CPU0，有一定风险；4)其它CPU接收开关量数据有延迟。

针对相关技术中的开关量采集电路可靠性和实时性不高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种开关量采集电路，以解决相关技术中的开关量采集电路可靠性和实时性不高的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种开关量采集电路。该开关量采集电路包括：开关量信号调理电路，用于输出开关量信号；多个I/O扩展单元，与开关量信号调理电路相连接，用于采集开关量信号；多个CPU，与多个I/O扩展单元一一对应连接，用于接收开关量信号。

进一步地，开关量信号调理电路为多个开关量信号调理电路，多个开关量信号调理电路用于输出多个开关量信号，多个开关量信号与多个开关量信号调理电路一一对应，多个I/O扩展单元中每个I/O扩展单元均与多个开关量信号调理电路相连接，用于采集多个开关量信号，多个CPU还用于分别向对应的I/O扩展单元发送控制信号，其中，控制信号用于控制I/O扩展单元在多个开关量信号中选择与控制信号对应的开关量信号作为输出信号。

进一步地，多个I/O扩展单元包括第一I/O扩展单元，多个CPU包括第一CPU，第一CPU与第一I/O扩展单元对应连接，第一I/O扩展单元包括：控制信号接口，与第一CPU相连接，用于接收控制信号；多个开关量接口，与多个开关量信号调理电路一一对应连接，分别用于接收对应连接的开关量信号调理电路输出的开关量信号；输出接口，与第一CPU相连接，用于向第一CPU输出根据控制信号选择的开关量信号。

进一步地，多个I/O扩展单元包括第一I/O扩展单元，第一I/O扩展单元为以下任意一种芯片：74系列芯片；可编程逻辑芯片CPLD；FPGA。

进一步地，开关量信号调理电路包括：隔离电路，连接在开关电路和多个I/O扩展单元之间，用于对开关电路和多个I/O扩展单元执行电气隔离，其中，开关量信号调理电路用于根据开关电路的电压生成开关量信号。

进一步地，隔离电路为光耦。

进一步地，开关量信号调理电路还包括：限流稳压电路，连接在开关电路和隔离电路相连接，用于对开关电路中的电压执行限流稳压。

进一步地，限流稳压电路包括：第一电阻，第一端与开关电路相连接；稳压二极管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与隔离电路的输入端相连接。

进一步地，开关量信号调理电路还包括：滤波电路，连接在隔离电路和多个I/O扩展单元之间。

进一步地，滤波电路包括：第二电阻，第一端与隔离电路的输出端相连接，第二端接地；电容，第一端与第二电阻的第一端相连接，第二端接地。

本实用新型通过开关量信号调理电路，用于输出开关量信号；多个I/O扩展单元，与开关量信号调理电路相连接，用于采集开关量信号；多个CPU，与多个I/O扩展单元一一对应连接，用于接收开关量信号，解决了相关技术中的开关量采集电路可靠性和实时性不高的问题，进而达到了提高开关量采集电路可靠性和实时性的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的一种开关量采集电路的示意图；

图2是根据本实用新型第一实施例的开关量采集电路的示意图；

图3是根据本实用新型第二实施例的开关量采集电路的示意图；

图4-a是根据本实用新型第三实施例的开关量采集电路的第一部分的示意图；

图4-b是根据本实用新型第三实施例的开关量采集电路的第二部分的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本实用新型的实施例还提供了一种开关量采集电路。

图2是根据本实用新型第一实施例的开关量采集电路的示意图。如图2所示，该开关量采集电路包括开关量信号调理电路10，多个I/O扩展单元20和多个CPU30。

开关量信号调理电路10用于输出开关量信号。开关量信号调理电路10可以根据开关电路的电压得到开关量信号。开关电路可以是继电器等具有开和关两种状态的电路，该实施例提供的开关量采集电路可以应用在继电器保护设备中。

多个I/O扩展单元20与开关量信号调理电路10相连接，用于采集开关量信号。图2中所示为三个I/O扩展单元的情况，三个I/O扩展单元分别为：I/O扩展单元21，I/O扩展单元22和I/O扩展单元23。

多个CPU30与多个I/O扩展单元20一一对应连接，用于接收开关量信号。图2中所示为三个CPU的情况，三个CPU分别为：CPU31，CPU32，CPU33。CPU31与I/O扩展单元21相连接，CPU32与I/O扩展单元22相连接，CPU33与I/O扩展单元23相连接。

该实施例提供的开关量采集电路，通过开关量信号调理电路10，用于输出开关量信号；多个I/O扩展单元20，与开关量信号调理电路10相连接，用于采集开关量信号；多个CPU30，与多个I/O扩展单元20一一对应连接，用于接收开关量信号，解决了相关技术中的开关量采集电路可靠性和实时性不高的问题，进而达到了提高开关量采集电路可靠性和实时性的效果。通过增加I/O扩展单元，对同一开关量信号进行采集，并由数据需求侧的CPU直接控制，各个CPU之间互不影响，使得各个CPU的软件处理简单，可靠性高，实时性高，此外，还有电路简单、成本低廉的优点。

开关量信号调理电路10可以为多个开关量信号调理电路10，多个开关量信号调理电路10用于输出多个开关量信号，多个开关量信号与多个开关量信号调理电路10一一对应，多个I/O扩展单元20中每个I/O扩展单元均与多个开关量信号调理电路10相连接，用于采集多个开关量信号，多个CPU30还用于分别向对应的I/O扩展单元发送控制信号，其中，控制信号用于控制I/O扩展单元在多个开关量信号中选择与控制信号对应的开关量信号作为输出信号。

多个I/O扩展单元20可以包括第一I/O扩展单元，多个CPU30可以包括第一CPU，第一CPU与第一I/O扩展单元对应连接，优选地，第一I/O扩展单元可以包括：控制信号接口，与第一CPU相连接，用于接收控制信号；多个开关量接口，与多个开关量信号调理电路10一一对应连接，分别用于接收对应连接的开关量信号调理电路10输出的开关量信号；输出接口，与第一CPU相连接，用于向第一CPU输出根据控制信号选择的开关量信号。

可选地，第一I/O扩展单元可以是多选一开关电路，在多个开关量接口中选择与控制信号对应的开关量接口，并将选择出的开关量接口接收到的开关量信号作为输出信号。第一I/O扩展单元还可以对信号整形，调整选择出的开关量接口接收到的开关量信号的波形，并将调整后的信号作为输出信号。

多个I/O扩展单元20中的任意一个I/O扩展单元可以是以下任意一种芯片：74系列芯片；可编程逻辑芯片CPLD；FPGA。

优选地，开关量信号调理电路10可以包括：隔离电路，连接在开关电路和多个I/O扩展单元20之间，用于对开关电路和多个I/O扩展单元20执行电气隔离，其中，开关量信号调理电路10用于根据开关电路的电压生成开关量信号。

优选地，隔离电路为可以光耦。

优选地，开关量信号调理电路10还可以包括：限流稳压电路，连接在开关电路和隔离电路相连接，用于对开关电路中的电压执行限流稳压。

优选地，限流稳压电路可以包括：第一电阻，第一端与开关电路相连接；稳压二极管，负极与第一电阻的第二端相连接，正极与隔离电路的输入端相连接。

优选地，开关量信号调理电路10还可以包括：滤波电路，连接在隔离电路和多个I/O扩展单元20之间。

优选地，滤波电路包括：第二电阻，第一端与隔离电路的输出端相连接，第二端接地；电容，第一端与第二电阻的第一端相连接，第二端接地。

图3是根据本实用新型第二实施例的开关量采集电路的示意图。该实施例可以作为上述实施例的一个优选实施例。

如图3所示，该实施例提供的开关量采集电路包括：限流稳压电路11，隔离电路12，滤波电路13，n个I/O扩展单元和n个CPU。n个I/O扩展单元包括I/O扩展单元21，I/O扩展单元22，I/O扩展单元23，I/O扩展单元24，……，I/O扩展单元2n，n个CPU包括CPU31，CPU32，CPU33，CPU34，……，CPU3n。

在该实施例提供的开关量采集电路中，可以仅对需要直接使用开关量信号且对实时性要求高的CPU连接I/O扩展单元。如果CPU不需要直接使用开关量信号，或者对实时性要求不高，可以不连接I/O扩展单元。

CPU可以是DSP，各个CPU可以是通过自身的DSP接口与I/O扩展单元连接，通过DSP接口与I/O扩展单元的控制接口相连，以向I/O扩展单元的控制接口输出控制信号控制I/O扩展单元选择一路输入信号作为输出信号。每个CPU可以根据对应连接的I/O扩展单元的控制特点对其进行控制。

限流稳压电路11可以包括限流电阻和稳压管，隔离电路12可以包括线性光耦，滤波电路13可以包括滤波电阻和滤波电容。限流稳压电路11可以在不通开关量电压时对电路中的信号进行抗干扰，并控制流入线性光耦的电流，隔离电路12可以对开关电路与开关量采集电路进行电气隔离，并传输开关量信号，滤波电路13可以对线性光耦输出的信号进行限流及滤波。

每个I/O扩展单元可以是一个多路模拟开关，与线性光耦的输出信号联接，用于信号整形及CPU的I/O扩展，I/O扩展单元的个数取决于需要保护的CPU的数量，需要保护的CPU是指对开关量实时性要求高的CPU。

每个与I/O扩展单元相连接的CPU可以是DSP，通过DSP接口控制多路模拟开关和读取开关量信号。

下面结合图4-a和图4-b对第二实施例的一个具体电路的实施方式进行描述：

图4-a是根据本实用新型第三实施例的开关量采集电路的第一部分的示意图，图4-b是根据本实用新型第三实施例的开关量采集电路的第二部分的示意图。图4-a中的端口1与图4-b中的端口1是电连接的，图4-a与图4-b通过端口1构成一个完整的电路。

如图4-a所示，限流稳压电路11包括限流电阻R1，稳压管D1；隔离电路12包括线性光耦U1，线性光耦U1内部可看作是一个发光二极管，及一个三极管，U1的一端与电压源VCC相连接；滤波电路13包括电阻R2及滤波电容C1，R2的一端和C1的一端接地。

具体连接方式为，开关量信号调理电路的正信号接电阻R1的第一端，电阻R1的第二端接稳压管D1的阴极，稳压管D1的阳极接光耦U1内部二极管的阳极，光耦U1内部二极管的阴极接开关电源公共端。光耦U1内部三极管的集电极接VCC，光耦U1内部三极管的发射极接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端接数字地GND，同时滤波电容C1与R2并联。

图4-b所示的开关量采集电路包括2个I/O扩展单元，I/O扩展单元21与CPU31相连接，I/O扩展单元22与CPU32相连接，在实际应用中，可以根据需要增加I/O扩展单元以与CPU相连。

I/O扩展单元可以采用八选一选择芯片，例如，I/O扩展单元可以采用可编程逻辑芯片CPLD、FPGA、74HC151芯片或其他74系列的芯片。

每个I/O扩展单元可以接收对应连接的CPU的控制信号并向该CPU发送根据控制信号确定出的开关量信号。以图4-b所示的I/O扩展单元21为74HC151芯片为例，接口I0～I7可以用于接收多个开关量信号调理电路的开关量信号，最多可以接收8个，图中所示为I0连接一个开关量信号调理电路的情况，I/O扩展单元21的接口A、B、C和E用于接收CPU31的控制信号，该控制信号可以控制I/O扩展单元21是否工作，以及如果工作，选择I0～I7中哪一个接口的开关量信号作为输出信号，引脚5与CPU31相连接，用于向CPU输出该输出信号。

图4-a中光耦U1内部三极管的发射极，或者说，限流电阻R2的第一端与图4-b中的多个I/O扩展单元相连接，也即，I/O扩展单元21的I0接口和I/O扩展单元31的I0接口分别与光耦U1内部三极管的发射极相连接。各个CPU可以通过拉低74HC151芯片的第7引脚的电压来使能该74HC151芯片，同时通过控制74HC151芯片的控制信号引脚，也即，引脚9～11，来选择读取与控制信号引脚接收到的控制信号相应的接口的开关量信号。通过这种电路连接方式，可以使得CPU内部的控制程序非常简单。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。