一种通用输入电路的制作方法

本发明涉及楼宇自动化控制技术领域，具体涉及一种通用输入电路。

背景技术：

针对智能建筑自动化的控制，一般都采用ddc楼宇控制系统来实现建筑的自动化控制，楼宇控制系统的信号输入一般有数字量输入、pt1000、0-10v、4-20ma等信号，是一种iec(国际电工委员会)规定的应用在工业现场和楼宇控制中的模拟信号标准，用于现场物理信号的输入和输出。对于一个控制系统的io模块而言，需要适应的信号类型是多种多样的，但是受到模块尺寸的限制，每个模块信号的端子布置是固定的，不可能有很多，所以需要考虑最少端子数目能够输入信号的种类是最多的。

技术实现要素：

本发明涉及一种通用输入电路，它适用于楼宇控制、工业自动化控制等现场。它的主要应用是采集楼宇建筑中控制现场的环境参数(比如空调环境的温度、湿度、冷冻水的温度和流量、风道中的温湿度、以及风门开度、水阀开度等参数)，实现楼宇建筑的环境参数的采样和自动控制。

本发明设计的通用输入电路，它通过2个输入端子，通过内部电路切换控制，对现场的数字量信号、电压、电流、电阻等物理信号进行采样，主要是通过以下技术方案实现。

一种通用输入电路，包括：

输入端，包括第一输入端口和第二输入端口；

具有电流采样电阻的第一切换电路，耦合至所述第一输入端口和第二输入端口之间；

具有电流源的第二切换电路，耦合至所述第一输入端口；

控制所述第一切换电路和第二切换电路导通或断开，使所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收电压信号、电流信号、电阻信号和数字信号中任一。

一种实施例中，所述第一切换电路包括第一切换开关，所述第一切换开关的输入端通过电流采样电阻耦合至所述第一输入端，所述第一切换开关的输出端耦合至所述第二输入端口，所述第一切换开关的控制端接控制信号，且所述第一切换开关的控制端还通过二极管d1耦合至所述第一输入端口。

一种实施例中，所述第二切换电路包括第二切换开关和二极管d2，所述电流源、第二切换开关和二极管d2顺次连接，所述二极管d2的负极耦合至所述第一输入端口。

一种实施例中，还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括运算放大器、过压采样电阻r1、r2，所述运算放大器的非反相输入端输入基准电压vref，所述运算放大器的反相输入端耦合至过压采样电阻r1和r2之间，其中，过压采样电阻r1的另一端耦合至所述第一输入端口，过压采样电阻r2的另一端接地，所述运算放大器的输出端通过二极管d5耦合至二极管d1的正极。

一种实施例中，控制所述第一切换开关和第二切换开关同时断开的情况下，所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收电压信号。

一种实施例中，控制所述第二切换开关断开，且控制所述第一切换开关导通，所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收电流信号.

一种实施例中，当所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收电流信号时，若所述第一输入端口和第二输入端口误接入24v电源时，所述运算放大器输出电压为0，使所述第一切换开关的控制信号无效，所述第一切换开关断开，流经所述电流采样电阻的电流为0；或者，若所述第一输入端口和第二输入端口误接入-24v电源时，所述第一切换开关的控制端电压被二极管d1下拉至-24v，使所述第一切换开关的控制信号和运算放大器的输出电压控制均无效，所述第一切换开关断开，流经所述电流采样电阻的电流为0。

一种实施例中，控制所述第二切换开关导通，且控制所述第一切换开关断开，所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收电阻信号。

一种实施例中，所述数字信号为触点型，控制所述第二切换开关导通，且控制所述第一切换开关断开，当触点闭合时，电流源在第一输入端口和第二输入端口产生的电压信号为0，当触点断开时，电流源在过压采样电阻r1和r2之间产生非零电压信号，通过检测产生的电压信号是否为0判断触点的状态，以使所述第一输入端口和第二输入端口被配置成接收数字信号。

一种实施例中，还包括信号调理电路，所述第一输入端口和第二输入端口将接收的电压信号、电流信号、电阻信号和数字信号中任一信号输入至所述信号调理电路。

依据上述实施例的通用输入电路，由于通过2个输入端子对数字信号、电压、电流、电阻信号进行采样，简化了输入电路，增加了信号输入类型，同时增加了电流采样电阻的保护电路，在配置为电流采样时，外部信号误接24v不会损毁电流采样电阻，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1为通用输入电路原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本发明实施例中，设计了一种通用输入电路，它通过2个输入端子，通过内部电路切换控制，对现场的数字量信号、电压、电流、电阻等物理信号进行采样。本发明的输入电路中同时具备电流信号采样电阻的过压保护，保护电流采样电阻不受外部误接线导致过压损毁。

本例的通用输入电路的原理图如图1所示，包括输入端1、第一切换电路2、第二切换电路3、过压保护电路4和信号调理电路5，其中，通过第一切换电路2和第二切换电路3的切换控制，使输入端1被配置成接收电压信号、电流信号、电阻信号和数字信号中任一信号，且在输入端1被配置成接收电流信号时结合过压保护电路4，保护电流采样电阻不受外部接线导致过压损毁，下面具体详细说明各部分的组成及相对应的工作原理。

输入端1包括第一输入端口11和第二输入端口12，第一输入端口11耦合至正极，第二输入端口12耦合至负极，本例通过2个端口实现多种类型信号的输入和输出，打破传统中每种类型的信号需要对应一种类型的端口；具体是通过控制第一切换电路2和第二切换电路3的导通或断开，使第一输入端口11和第二输入端口12被配置成能够接收电压信号、电流信号、电阻信号和数字信号中任一信号。

第一切换电路2具有电流采样电阻21(rj1)和第一切换开关22，其中，电流采样电阻21的一端耦合至第一输入端口11，另一端耦合至第一切换开关22的输入端，第一切换开关22的输出端耦合至第二输入端口12，第一切换开关22的控制端接控制信号，且第一切换开关122的控制端还通过二极管d1耦合至第一输入端口11，具体的，二极管d1的负极耦合至第一输入端口11，二极管d1的正极耦合至第一切换开关22的控制端，优选的，控制信号(ma_con)和二极管d1均通过二极管d6耦合至第一切换开关22的控制端；在本例中，第一切换开关22需要采用低导通电阻的photomos或者是继电器开关，使第一切换开关22在不同温度下的电阻变化率较小，不会引起电流的采样精度产生漂移。

第二切换电路3包括电流源31、第二切换开关32和二极管d2，其中，电流源31、第二切换开关32和二极管d2顺次耦合连接，二极管d2的负极耦合至第一输入端口11，电流源31用于电阻测量的时候提供激励电流。

过压保护电路4包括运算放大器41、过压采样电阻r1、r2，运算放大器41的非反相输入端输入基准电压vref，运算放大器41的反相输入端耦合至过压采样电阻r1和r2之间，其中，过压采样电阻r1的另一端耦合至第一输入端口11，过压采样电阻r2的另一端接地，运算放大器41的输出端通过二极管d5耦合至二极管d1的正极，具体的，二极管d5的正极与二极管d1的正极耦合，二极管d5的负极与运算放大器41的输出端耦合，及二极管d5和控制信号通过二极管d6耦合至第一切换开关22的控制端。过压保护电路4对电流采样电阻21的过压保护，保护电流采样电阻21不受外部误接线导致过压损毁。

信号调理电路5也是两个端口，分别与输入端1的两个端口对应耦合，使得，第一输入端口11和第二输入端口12将接收的电压信号、电流信号、电阻信号和数字信号中任一信号输入至信号调理电路。

需要说明的是，本例的第一切换开关22和第二切换开关32的导通或断开受控于总体电路的cpu芯片。当第一输入端口11和第二输入端口12被配置为不同信号输入时，cpu芯片根据信号类型控制第一切换开关22、第二切换开关32、电流源31和控制信号的切换，以实现不同类型信号的输入，具体控制过程如下。

关于电压信号输入的控制过程如下：

当输入信号配置为电压信号时，cpu芯片控制第一切换开关22和第二切换开关32同时断开，恒流源电路和电流采样电路处于断开状态，此时，第一输入端口11和第二输入端口12接爱外部电压信号，并将接受的电压信号直接输入信号调理电路5。

关于电流信号输入的控制过程如下：

当输入信号配置为电流信号时，电流信号通过第一输入端口11和第二输入端口12两个端口进行输入，cpu芯片控制第二切换开关32断开，保持恒流源电流断开，不影响第一输入端口11和第二输入端口12之间的电流，控制第一切换开关22导通，使第一输入端口11和第二输入端口12被配置成接收电流信号。

具体的，cpu芯片控制控制信号(ma_con)为高电平，控制第一切换开关22导通，这时，外部电流i1通过电流采样电阻21和第一切换开关22的导通电阻(rs1)到地，电流转换为电压v＝i1(rj1+rs1)，之后输入信号调理电路5，adc通过采样电压后可计算出输入的电路。

当电路配置为电流输入时，而第一输入端口11和第二输入端口12的信号线接错，误接入24v电源时，电压通过过压采样电阻r1、r2分压到反馈电阻上，和基准电压vref进行比较，当反馈电压大于vref时，运算放大器输出电压为0，使得第一切换开关22的控制信号无效，使第一切换开关22断开，这时，流经电流采样电阻21的电流为0，保护电流采样电阻21不会损毁，当故障恢复后，电流可以再次输入进行采样，从而提高了通用输入电路的可靠性。

同样的，若第一输入端口11和第二输入端口12误接入-24v电源时，此时，第一输入端口11为-24v，第一切换开关22的控制端电压被二极管d1下拉至-24v，此时，运算放大器41的输出电压控制及第一切换开关22的控制信号均无效，使第一切换开关22断开，这时，流经电流采样电阻21的电流为0，保护电流采样电阻21不会损毁，当故障恢复后，电流可以再次输入进行采样，从而提高了通用输入电路的可靠性。

因此，通过过压保护电路4实现了外部24v信号误接的保护功能，避免了外部信号接错24v直接叠加到电流采样电阻21上，导致电流采样电阻功率过大烧毁的情况。

关于电阻信号输入的控制过程如下：

当输入信号配置为电阻信号时(比如pt1000，ni1000)，电阻信号通过第一输入端口11和第二输入端口12两个端口进行输入，恒流源电路的第二切换开关32导通，恒流源打开并对传感器电阻进行激励，同时，cpu芯片控制第一切换开关22断开，保持电流采样电路断开，不会影响第一端口11和第二端口12之间的电阻测量。

具体的，当输入信号配置为电阻信号时，电阻信号通过第一端口11和第二端口12进行输入，电阻信号为r，由于在智能建筑应用场合中，采用的电阻一般为p1000和n1000，该类传感器的电阻随温度变化的灵敏度很高，温度系数一般在每摄氏度4欧姆左右，所以可以采用两线制的电阻进行采样。

输入信号配置为电阻信号时，内部恒流源打开，电流经过第二切换开关32和二极管d2，经过第一输入端口11到传感器再到地(由于在测量时过压采样电阻r1、r2的电阻很大，有几百k，信号调理电路的输入阻抗也非常高，所以这些电阻通过信号标定后对外部传感器的电阻r测量精度影响很小)。

恒流源建立后，此时外部传感器上的电压基本为v＝ires*r，信号输入信号调理电路5进行采样处理。

数字信号输入的控制过程如下：

当输入信号配置为数字信号时，此时，数字信号通过第一端口11和第二端口12两个端口进行输入，恒流源电路的第二切换开关32导通，恒流源打开并对数字信号传感器进行激励，此时，cpu芯片控制第一切换开关22断开，保持电流采样电路断开，不会影响端口数字信号的输入。

具体的，当输入信号为数字信号时，恒流源对外部传感器输出电流，恒流源电流ires通过第二切换开关32、二极管d2和第一输入端口11到外部传感器，最后回到第二输入端口12和信号地相连，在智能建筑领域，主要的数字信号为触点型，表现为触点闭全或者是断开两种状态，当触点闭合时，恒流源在第一输入端口11和第二输入端口12产生的电压压降为0，当触点断开时，恒流源在传感器侧无法形成电流，但是可以通过过压采样电阻r1和r2到地，产生一个非零电压信号(即产生一个较高的电压信号)，通过检测产生的电压信号是过滤器为0即可判断触点的状态，信号调理电路能够检测出这两种状态，把外部的数字信号采样出来，以实现第一输入端口11和第二输入端口12被配置成接收数字信号。

结合上述的通用输入电路结构及控制过程的详细描述，可知本例的通用输入电路具有以下优点：

1)电流信号、电压信号、电阻信号、数字信号的输入是通过同一端口进入调理电路，电路简单，软件编程可以更加简单；

2)信号的输入是共地的；

3)电流采样电阻具备交流24v过压保护功能，外部信号误接24v不会损毁电流采样电阻，提高了产品的可靠性；

4)通过统一的adc进行采样；

5)信号的输入和输出到信号调理电路都是2个端口。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。