一种开关量输出模块的制作方法

1.本实用新型涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种开关量输出模块。


背景技术：

2.在轨道交通分布式控制系统(distributed control system,dcs)中，开关量输出模块使用是很普及的。但在现场中存在一些特殊情况：1、模块损坏，需要在线更换；2、外部供电电压不稳，模块保护性复位。这些情况下，模块控制芯片可能出现故障，且模块上电到控制芯片初始化完成期间，输出通道已有输出，输出状态不确定。这将导致连接的外部设备误动作等严重后果。
3.现有设计方案中，dcs开关量输出模块成本较高，维护难度较大，可能需要外接继电器进行输出，继电器在异常情况下存在误动现象；需要在设备停机时，再进行模块更换等操作。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种高性价比、易于维护的16通道开关量输出模块，防止模块上电时/控制芯片故障时继电器误动，保证开关量输出的可靠性，以解决轨道交通dcs开关量输出模块价格昂贵，维护复杂的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于轨道交通dcs系统的开关量输出模块，并且输出信号为继电器常开触点，满足工业现场的需要。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种开关量输出模块，包括电源单元、控制芯片单元、扩展通讯总线单元、驱动单元、继电器输出单元；所述电源单元用于给所述控制芯片单元、扩展通讯总线单元、驱动单元、继电器输出单元供电；所述控制芯片单元通过所述扩展通讯总线单元与上位机或控制器模块通讯，所述控制芯片单元通过所述驱动单元控制所述继电器输出单元实现开关量信号输出；所述驱动单元包括防误动电路、锁存器、达林顿管，所述锁存器接收所述控制芯片单元输出的控制信号，锁存后经所述达林顿管放大送至所述继电器输出单元，所述防误动电路连接至所述继电器输出单元，用于保持继电器线圈状态。
7.进一步地，所述控制芯片单元包括现场可编程门阵列和微控制器，所述现场可编程门阵列和所述微控制器之间相连接。
8.进一步地，所述继电器输出单元包括多路继电器，驱动单元包括多路防误动电路、锁存器、达林顿管，所述现场可编程门阵列输出数据信号和时钟信号送至每一路所述锁存器，每一路所述锁存器通过相应的所述达林顿管连接至相应的所述继电器线圈的负极，每一路所述防误动电路延时给相应的所述继电器线圈上电，并且延时解除相应的所述锁存器的清零信号。
9.进一步地，每一路所述防误动电路包括电容充电延时电路和三极管开关电路，所
述电容充电延时电路的输出端连接至所述三极管开关电路的输入端和相应的所述锁存器的清零反相输入端，所述三极管开关电路的输出端连接至相应的所述继电器线圈的正极。
10.进一步地，所述扩展通讯总线单元采用双路冗余配置。
11.进一步地，包括壳体，所述电源单元、控制芯片单元、扩展通讯总线单元、驱动单元、继电器输出单元集成在一块板卡上，所述板卡固定设置在所述壳体内。
12.进一步地，所述三极管开关电路包括输入端、第一三极管、第二三极管和输出端，所述第一三极管为npn型三极管，所述第二三极管为pnp型三极管，所述三极管开关电路的所述输入端经过第一分压电路输出送至所述第一三极管的基极，所述第一三极管的集电极经第二分压电路输出送至所述第二三极管的基极，所述第二三极管的集电极作为所述三极管开关电路的所述输出端通过第六电阻接地。
13.进一步地，所述继电器的带载容量是5a 30vdc/250vac。
14.进一步地，所述电容充电延时电路包括电容、第一电阻、二极管，所述第一电阻的一端和所述二极管的阳极并联接至+5v电源，所述第一电阻的另一端和所述二极管的阴极并联后作为所述电容充电延时电路的输出端经所述电容接地。
15.进一步地，所述第一分压电路包括第二电阻、第三电阻，所述第二分压电路包括第四电阻、第五电阻，所述第二电阻的一端作为所述三极管开关电路的所述输入端，所述第二电阻的另一端连接至所述第一三极管的基极并通过所述第三电阻接地，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极经所述第四电阻连接至所述第二三极管的基极并通过所述第五电阻连接至+5v电源，所述第二三极管的发射极连接至+5v电源。
16.与现有技术相比，本实用新型能够输出16个开关量信号，输出信号为继电器常开触点，并且能够防止模块异常情况下继电器误动，满足轨道交通dcs系统的基本需求。
17.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
18.图1是本实用新型的一个较佳实施例的开关量输出模块原理框图；
19.图2是本实用新型的一个较佳实施例的继电器防误动控制原理图。
20.其中，1-电源单元，2-微控制器，3-现场可编程门阵列，4-扩展通讯总线单元，5-驱动单元，6-继电器输出单元。
具体实施方式
21.以下参考说明书附图介绍本实用新型的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
22.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
23.实施例
24.如图1所示，本实施例提供了一种用于轨道交通dcs系统的16通道开关量输出模
块，包括：
25.电源单元1，可以给各个芯片供电，其包括将24v转5v，5v转3.3v的功能，即由24v电源经24v转5v模块降压为+5v，再经5v转3.3v模块降压为+3.3v；控制芯片单元，包括现场可编程门阵列(field programmable gate array,fpga)3和微控制器(microcontroller unit,mcu)2，现场可编程门阵列3和微控制器2之间通过外部总线接口(external bus interface,ebi)相连接，用于上位机/控制器模块通讯和信号输出；现场可编程门阵列3和微控制器2采用+3.3v供电；扩展通讯总线(xbus)单元4，通过两路冗余总线实现与上位机/控制器模块直接有效的通信；驱动单元5，将fpga的晶体管-晶体管逻辑电路(transistor-transistor logic,ttl)数据控制信号d经过逻辑芯片锁存后输出q，由达林顿管电路放大，增强帯载能力；继电器输出单元6，实现16路继电器常开触点输出。
26.驱动单元5能够防止模块上电时/控制芯片单元故障时继电器误动。图2示出了其中一路的继电器防误动电路原理：
27.上电后，+5v电源通过电阻r1和二极管d1给电容c充电，约300ms后到达设定电压，经电阻r2、r3分压后接入npn型三极管v1的基极，使得三极管v1导通。+5v电源经电阻r4、r5分压后接入pnp型三极管v2的基极，使得三极管v2导通。此时，电阻r6的两端施加+5v电源电压，继电器k驱动电源才能够得电，继电器k的正极为高电平“1”。同时，锁存器u1的清零clr管脚也等待电容c充电，维持在低电平“0”无输出状态，再通过达林顿管u2反相放大输出高电平“1”，在此过程中，继电器k线圈回路将保持断开状态。
28.模块上电时，fpga/mcu未完成初始化，其输入/输出(input/output,io)管脚默认状态不受控，会导致继电器k误动。通过延迟给继电器k的驱动电源上电，并使锁存器u1清零，可以避免该问题。另外，fpga/mcu故障后，不再向锁存器u1发送时钟clk信号，锁存器u1将维持前一时刻输出，继电器k保持状态，不会发出异常开关信号。利用锁存器u1清零clr功能和上升沿触发输出的特性，异常情况下保持继电器k线圈状态。
29.随着电容c充电完成，锁存器u1的清零clr管脚解除清零功能，fpga输出数据信号d和时钟信号clk送至锁存器u1，在时钟信号clk的上升沿触发信号，使得锁存器u1的输出信号q翻转或者维持和数据信号d相同的状态，再通过达林顿管u2反相放大输出，驱动继电器k的线圈负极。当数据信号为高电平“1”时，经过一个时钟信号clk的上升沿触发，达林顿管u2输出低电平“0”，继电器k的线圈负极电压为零，使得继电器k线圈回路得电，继电器k输出接点导通。当数据信号为低电平“0”时，经过一个时钟信号clk的上升沿触发，达林顿管u2输出高电平“1”，继电器k的线圈负极电压为+5v，使得继电器k线圈回路失电，继电器k输出接点断开。
30.本实施例中的fpga使用的是lattice公司的lcmx02-1200hc-4tg100i；mcu使用的是新唐公司的nuc029lan单片机；锁存器u1使用的是nxp公司的74lvc273pw；达林顿管u2使用的是ti公司的uln2803。上位机/控制器模块将数据通过xbus接口传输给fpga，fpga和mcu通过ebi进行数据和控制信息通信，mcu解析通讯数据，提取控制指令由fpga转换进行开关量输出控制，由驱动单元5控制继电器，实现开关量的输出。
31.本实施例的开关量的输出为16通道开关量输出，即可以同时输出16个开关量信号。
32.优选地，每通道的带载容量是5a 30vdc/250vac。
33.优选地，16通道开关量输出模块由一块板卡和一个壳体组成，电源单元、控制芯片单元、扩展通讯总线单元、驱动单元、继电器输出单元集成在一块板卡上，板卡置于壳体内，起到保护作用。
34.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。