一种开关量输入信号采集电路和采集装置的制作方法

1.本发明涉及计算机领域，并且更具体地涉及一种开关量输入信号采集电路和采集装置。


背景技术：

2.开入信号采样电路是目前工业上最常用的电路，其目的是采样被测装置的开关量输出信号，并转换为cpu可以识别的信号。目前常用的开入信号采样方案中，主要有电阻分压方案和ad采样方案。电阻分压方案中，将输入电压通过电阻分压后进入光耦，这种方案优点是电路简单，缺点是由于需要满足起动电压要求，正常输入电压时，电路功耗大，电阻发热厉害，长期使用易造成损坏和安全事故。ad采样方案中使光耦处于线性状态，ad采样光耦副边输出电压判断光耦输入电压，这种方式优点是采样精确，起动电压判断准确，缺点是电路复杂，增加了成本而且每一路都需要预先校准，增加了工作量。上面两种方案还有共同的缺点，就是如果电压等级不同或者有源和无源信号切换时需要更换大量器件甚至重新开发板卡，适应性不高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种开关量输入信号采集电路和采集装置，通过使用本发明的技术方案，能够解决现有方案中功耗高、不兼容多种输入信号类型和电压的缺点。
4.基于上述目的，本发明的实施例的一个方面提供了一种开关量输入信号采集电路，包括：
5.开关量输入信号模块，开关量输入信号模块配置为接收被测装置输出的开关量信号；
6.有源/无源选择模块，有源/无源选择模块的正电压输出端连接到开关量输入信号模块，有源/无源选择模块的电源输入端连接到电源装置，有源/无源选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号并判断接收到的开关量信号的类型；
7.电压选择模块，电压选择模块的一个输入端连接到开关量输入信号模块，另一个输入端连接有源/无源选择模块的负电压输出端，电压选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号，并对开关量信号的电压进行降压；
8.恒流源模块，恒流源模块的输入端连接到电压选择模块的输出端，恒流源模块配置为接收电压选择模块输出的降压后的开关量信号，并将降压后的开关量信号转换成恒流信号；
9.光耦隔离模块，光耦隔离模块的输入端连接到恒流源模块的输出端，恒流源模块配置为接收恒流源模块输出的开关量信号并对开关量信号中的外部电压进行隔离后输出到cpu。
10.根据本发明的一个实施例，恒流源模块包括：
11.三极管，三极管的集电极连接到电压选择模块的输出端，三极管的发射极作为恒流源模块的输出端；
12.电阻，电阻的一端连接到三极管的集电极，另一端连接到三极管的基极；
13.稳压管，稳压管的阳极连接到地，阴极连接到三极管的基极。
14.根据本发明的一个实施例，电压选择模块包括瞬态电压抑制二极管，瞬态电压抑制二极管的一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，基于开关量信号的电压选择瞬态电压抑制二极管的导通电压值。
15.根据本发明的一个实施例，电压选择模块包括多个瞬态电压抑制二极管组成的并联电路，并联电路一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，每个瞬态电压抑制二极管具有不同的导通电压值，每个瞬态电压抑制二极管并联连接并分别设置有开关，电压选择模块配置为基于开关量信号的电压将对应的瞬态电压抑制二极管的开关闭合。
16.根据本发明的一个实施例，有源/无源选择模块配置为在判断接收到的开关量信号的类型为有源开关量信号时，将有源/无源选择模块与电源装置的连接断开，在判断接收到的开关量信号的类型为无源开关量信号时，电源装置选择相应的电压提供给有源/无源选择模块。
17.本发明的实施例的另一个方面，还提供了一种开关量输入信号采集装置，采集装置包括开关量输入信号采集电路，开关量输入信号采集电路包括：
18.开关量输入信号模块，开关量输入信号模块配置为接收被测装置输出的开关量信号；
19.有源/无源选择模块，有源/无源选择模块的正电压输出端连接到开关量输入信号模块，有源/无源选择模块的电源输入端连接到电源装置，有源/无源选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号并判断接收到的开关量信号的类型；
20.电压选择模块，电压选择模块的一个输入端连接到开关量输入信号模块，另一个输入端连接有源/无源选择模块的负电压输出端，电压选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号，并对开关量信号的电压进行降压；
21.恒流源模块，恒流源模块的输入端连接到电压选择模块的输出端，恒流源模块配置为接收电压选择模块输出的降压后的开关量信号，并将降压后的开关量信号转换成恒流信号；
22.光耦隔离模块，光耦隔离模块的输入端连接到恒流源模块的输出端，恒流源模块配置为接收恒流源模块输出的开关量信号并对开关量信号中的外部电压进行隔离后输出到cpu。
23.根据本发明的一个实施例，恒流源模块包括：
24.三极管，三极管的集电极连接到电压选择模块的输出端，三极管的发射极作为恒流源模块的输出端；
25.电阻，电阻的一端连接到三极管的集电极，另一端连接到三极管的基极；
26.稳压管，稳压管的阳极连接到地，阴极连接到三极管的基极。
27.根据本发明的一个实施例，电压选择模块包括瞬态电压抑制二极管，瞬态电压抑制二极管的一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，基于开关量信号
的电压选择瞬态电压抑制二极管的导通电压值。
28.根据本发明的一个实施例，电压选择模块包括多个瞬态电压抑制二极管组成的并联电路，并联电路一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，每个瞬态电压抑制二极管具有不同的导通电压值，每个瞬态电压抑制二极管并联连接并分别设置有开关，电压选择模块配置为基于开关量信号的电压将对应的瞬态电压抑制二极管的开关闭合。
29.根据本发明的一个实施例，有源/无源选择模块配置为在判断接收到的开关量信号的类型为有源开关量信号时，将有源/无源选择模块与电源装置的连接断开，在判断接收到的开关量信号的类型为无源开关量信号时，电源装置选择相应的电压提供给有源/无源选择模块。
30.本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的开关量输入信号采集电路，通过设置开关量输入信号模块，开关量输入信号模块配置为接收被测装置输出的开关量信号；有源/无源选择模块，有源/无源选择模块的正电压输出端连接到开关量输入信号模块，有源/无源选择模块的电源输入端连接到电源装置，有源/无源选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号并判断接收到的开关量信号的类型；电压选择模块，电压选择模块的一个输入端连接到开关量输入信号模块，另一个输入端连接有源/无源选择模块的负电压输出端，电压选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号，并对开关量信号的电压进行降压；恒流源模块，恒流源模块的输入端连接到电压选择模块的输出端，恒流源模块配置为接收电压选择模块输出的降压后的开关量信号，并将降压后的开关量信号转换成恒流信号；光耦隔离模块，光耦隔离模块的输入端连接到恒流源模块的输出端，恒流源模块配置为接收恒流源模块输出的开关量信号并对开关量信号中的外部电压进行隔离后输出到cpu的技术方案，能够解决现有方案中功耗高、不兼容多种输入信号类型和电压的缺点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
32.图1为根据本发明一个实施例的开关量输入信号采集电路的示意图；
33.图2为根据本发明一个实施例的恒流源模块的原理图的示意图；
34.图3为根据本发明一个实施例的电压选择模块原理图的示意图；
35.图4为根据本发明一个实施例的有源/无源选择模块原理图的示意图。
具体实施方式
36.以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普
通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。
37.基于上述目的，本发明的实施例的第一个方面，提出了一种开关量输入信号采集电路的一个实施例。图1示出的是该电路的示意图。
38.如图1中所示，该电路可以包括：
39.开关量输入信号模块，开关量输入信号模块配置为接收被测装置输出的开关量信号。开关量输入信号模块的开入信号电平可以是220v或者110v或者24v，可以是有源输入也可以是无源输入。
40.有源/无源选择模块，有源/无源选择模块的正电压输出端连接到开关量输入信号模块，有源/无源选择模块的电源输入端连接到电源装置，有源/无源选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号并判断接收到的开关量信号的类型；
41.电压选择模块，电压选择模块的一个输入端连接到开关量输入信号模块，另一个输入端连接有源/无源选择模块的负电压输出端，电压选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号，并对开关量信号的电压进行降压；
42.恒流源模块，恒流源模块的输入端连接到电压选择模块的输出端，恒流源模块配置为接收电压选择模块输出的降压后的开关量信号，并将降压后的开关量信号转换成恒流信号；
43.光耦隔离模块，光耦隔离模块的输入端连接到恒流源模块的输出端，恒流源模块配置为接收恒流源模块输出的开关量信号并对开关量信号中的外部电压进行隔离后输出到cpu。
44.通过本发明的技术方案，能够解决现有方案中功耗高、不兼容多种输入信号类型和电压的缺点，通过模块之间的协同工作，可以满足不同电压等级和不同输入类型的开入信号，并且可以极大降低电路功耗，降低发热量，使电路工作更稳定和可靠。
45.在本发明的一个优选实施例中，恒流源模块包括：
46.三极管，三极管的集电极连接到电压选择模块的输出端，三极管的发射极作为恒流源模块的输出端；
47.电阻，电阻的一端连接到三极管的集电极，另一端连接到三极管的基极；
48.稳压管，稳压管的阳极连接到地，阴极连接到三极管的基极。恒流源模块通过稳压管与三极管结合的方式，在输入电压从55％到100％变化时，恒流源模块输出电流基本保持不变，在保证恒流源模块正常导通的情况下也保护后面的隔离模块。如图2所示，恒流源模块为电路设计的核心模块，主要由三极管q2和稳压管d1和电阻r1、r2组成。kt为电压选择模块的输出端，也就是恒流源模块的输入端，kt分别连接到q2的c极和电阻r1，r1的另一端kb连接q2的b极和稳压管的阴极(kb)，稳压管的阳极接到输入信号的地gnd_iso也即光耦输入端的阴极kn。设kt点的电压为v
kt
，kb点的电压为v
kb
，ke点的电压为v
ke
，q2的c极电流为ic，b极电流为ib，e极电流为ie，r1的电流为i
r1
，vz为稳压管的稳态电压，功率为p
r1
，q2的功率为p
q2
。根据kt点的电压不同，kb和ke点的电压也随之变化，可以将kt处的电压分为3种情况进行分析：
49.(1)v
kt
＝0时，q2不导通。
[0050]vkb
＝v
ke
＝0，p
r1
＝p
q2
＝0。
[0051]
(2)0＜v
kt
＜vz时，q2导通，d1不稳压。
[0052]vkb
≈v
kt
，v
ke
＝v
kb-v
be
＝v
kb-0.7，且v
ke
＜v
z-v
be
＝14.3v
[0053][0054]
p
q2
＝(v
kt-v
ke
)*ic≈(v
kt-v
ke
)*ie[0055]
≈v
be
*ie＝0.7ie。
[0056]
(3)vz＜v
kt
时，q2导通，d1稳压。
[0057]vkb
＝vz，v
ke
＝v
kb-v
be
＝v
z-0.7＝14.3v
[0058][0059]
p
q2
＝(v
kt-v
ke
)*ic≈(v
kt-v
ke
)*ie[0060]
＝(v
kt-14.3)*ie。
[0061]
因此在v
kt
达到一定电压后，由于稳压管的稳压作用，ke处的电压可以保持不变，并且通过上面的计算可以看出q2的功率比较低，产生的热量比较少。
[0062]
在本发明的一个优选实施例中，电压选择模块包括瞬态电压抑制二极管，瞬态电压抑制二极管的一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，基于开关量信号的电压选择瞬态电压抑制二极管的导通电压值。在不同输入电压情况下，通过调整单个器件，使模块导通电压不同，保证55％输入电压以下的电压不起动，70％输入电压以上的电压必须起动，举例来说即220v等级输入时，在输入电压≥154v时，电压选择模块导通，输入电压＜121v时，电压选择模块不导通。因此对于220v、110v、24v的开入信号，为了满足起动电压的需求，设计在电路中串联1个双向的tvs(瞬态电压抑制二极管)来调整电路的起动电压。如图3所示，设q1的反向击穿电压为v
br
，ki的输入电压为v
ki
，kt处的电压为为v
kt
，电流为i
kt
，q1的功率为p
q1
。
[0063]
当v
ki
＜v
br
时，q1不导通，此时，v
kt
＝0，i
kt
＝0，p
q1
＝(v
ki-v
kt
)*i
kt
＝0。
[0064]
当v
ki
≥v
br
时，q1被击穿，此时，v
kt
＝v
ki-v
br
，p
q1
＝(v
ki-v
kt
)*i
kt
＝v
br
*i
kt
，因此可以通过调整tvs信号来满足不同输入电压的开入信号。
[0065]
在本发明的一个优选实施例中，电压选择模块包括多个瞬态电压抑制二极管组成的并联电路，并联电路一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，每个瞬态电压抑制二极管具有不同的导通电压值，每个瞬态电压抑制二极管并联连接并分别设置有开关，电压选择模块配置为基于开关量信号的电压将对应的瞬态电压抑制二极管的开关闭合。
[0066]
在本发明的一个优选实施例中，有源/无源选择模块配置为在判断接收到的开关量信号的类型为有源开关量信号时，将有源/无源选择模块与电源装置的连接断开，在判断接收到的开关量信号的类型为无源开关量信号时，电源装置选择相应的电压提供给有源/无源选择模块。如果输入信号是有源开关量，则有源/无源选择模块和电源之间的连接断开，将连接到电源的dc+和dc-短接，将dc+作为电路的负端。如果是输入信号是无源开关量
信号，则选择模块保持不变，从电源模块取得相应电压，dc+提供相应等级的电压，dc-作为电路的负端。如图4所示，其中j1为电源输入端子，j2为开关量输入端子。vcc_iso为装置内部开关量电源，gnd为装置内部开关量电源地。ki为开关量输入信号。如保护装置的输入开关量信号为有源信号即ki＝220v或110v或24v，则将j1.1和j1.3短接，即vcc_iso＝gnd＝0，与ki有源信号组成回路，导通后端电路。如输入开关量信号为无源信号，即保护装置提供闭合空接点，则将j1.1接到装置开关量电源，j1.2接到装置开关量电源的地。此时j2.2为装置开关量电源，其通过外部空接点与ki1信号短接，ki＝vcc_iso＝220v或110v或24v。为了防止j1开关量电源接反造成后端电路损坏，在接口j1处增加了防反接二极管d3用来保护后端电路。
[0067]
通过本发明的技术方案，能够解决现有方案中功耗高、不兼容多种输入信号类型和电压的缺点。
[0068]
基于上述目的，本发明的实施例的第二个方面，提出了一种开关量输入信号采集装置，采集装置包括开关量输入信号采集电路，开关量输入信号采集电路包括：
[0069]
开关量输入信号模块，开关量输入信号模块配置为接收被测装置输出的开关量信号；
[0070]
有源/无源选择模块，有源/无源选择模块的正电压输出端连接到开关量输入信号模块，有源/无源选择模块的电源输入端连接到电源装置，有源/无源选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号并判断接收到的开关量信号的类型；
[0071]
电压选择模块，电压选择模块的一个输入端连接到开关量输入信号模块，另一个输入端连接有源/无源选择模块的负电压输出端，电压选择模块配置为接收开关量输入信号模块输入的开关量信号，并对开关量信号的电压进行降压；
[0072]
恒流源模块，恒流源模块的输入端连接到电压选择模块的输出端，恒流源模块配置为接收电压选择模块输出的降压后的开关量信号，并将降压后的开关量信号转换成恒流信号；
[0073]
光耦隔离模块，光耦隔离模块的输入端连接到恒流源模块的输出端，恒流源模块配置为接收恒流源模块输出的开关量信号并对开关量信号中的外部电压进行隔离后输出到cpu。
[0074]
在本发明的一个优选实施例中，恒流源模块包括：
[0075]
三极管，三极管的集电极连接到电压选择模块的输出端，三极管的发射极作为恒流源模块的输出端；
[0076]
电阻，电阻的一端连接到三极管的集电极，另一端连接到三极管的基极；
[0077]
稳压管，稳压管的阳极连接到地，阴极连接到三极管的基极。
[0078]
在本发明的一个优选实施例中，电压选择模块包括瞬态电压抑制二极管，瞬态电压抑制二极管的一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，基于开关量信号的电压选择瞬态电压抑制二极管的导通电压值。
[0079]
在本发明的一个优选实施例中，电压选择模块包括多个瞬态电压抑制二极管组成的并联电路，并联电路一端连接到开关量输入信号模块，另一端连接到恒流源模块，每个瞬态电压抑制二极管具有不同的导通电压值，每个瞬态电压抑制二极管并联连接并分别设置有开关，电压选择模块配置为基于开关量信号的电压将对应的瞬态电压抑制二极管的开关
闭合。
[0080]
在本发明的一个优选实施例中，有源/无源选择模块配置为在判断接收到的开关量信号的类型为有源开关量信号时，将有源/无源选择模块与电源装置的连接断开，在判断接收到的开关量信号的类型为无源开关量信号时，电源装置选择相应的电压提供给有源/无源选择模块。
[0081]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0082]
上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实现的可能示例，并且仅为了清楚地理解本发明的原理而提出。可以在不脱离本文所描述的技术的精神和原理的情况下对上述实施例进行许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内并且由所附权利要求保护。