本發(fā)明涉及一種繼電模組領(lǐng)域，特別是一種高安全性的繼電模組。

背景技術(shù)：

繼電模組作為航天領(lǐng)域配電系統(tǒng)中的核心組件，為各種負(fù)載提供與其需求相匹配的電源和功率，并負(fù)責(zé)配電狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的接通、關(guān)斷和保護(hù)控制。現(xiàn)有的繼電模組不能針對(duì)特定的負(fù)載進(jìn)行在線重構(gòu)，難以為負(fù)載配電提供精確的保護(hù)控制，也沒(méi)有直流電弧檢測(cè)和保護(hù)功能，不能滿足空間環(huán)境下的使用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種高安全性的繼電模組，通過(guò)高精度電流采集技術(shù)檢測(cè)配電線路中的電流，用微控制器分析線路中電流的變化情況，對(duì)比真正電弧發(fā)生時(shí)電弧電流的不同特征，檢測(cè)電弧故障，從而及時(shí)關(guān)斷功率MOSFET，避免因電弧燃燒而造成的損失。

本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種高安全性的繼電模組，包括串行隔離總線模塊、微控制器、輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊、門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊、低通濾波模塊、比較器、放大器、功率MOSFET和四線制高邊電流檢測(cè)電阻；

輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊：供電電路供電后，生成負(fù)載的電壓形式模擬電壓信號(hào)，并將電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至微控制器；

微控制器：接收輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊傳來(lái)的電壓形式模擬電壓信號(hào)；將電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；接收低通濾波模塊傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)；并將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收比較器傳來(lái)的中斷信號(hào)，將中斷信號(hào)發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；

串行隔離總線模塊：接收微控制器傳來(lái)的電壓形式模擬電壓信號(hào)，將電壓形式模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)，并將外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至外部控制裝置；接收外部控制裝置傳來(lái)的外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收外部控制裝置傳來(lái)的外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收微控制器傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)，將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)，并將外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至外部控制裝置；

外部控制裝置：接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)，對(duì)外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，當(dāng)電壓形式模擬電壓信號(hào)超出預(yù)先設(shè)定電壓范圍時(shí)，發(fā)出外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；當(dāng)電壓形式模擬電壓信號(hào)在預(yù)先設(shè)定電壓范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)；

門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊：接收微控制器傳來(lái)的TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令變換為12V的門(mén)極關(guān)閉控制信號(hào)，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來(lái)的TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令變換為12V的門(mén)極打開(kāi)控制信號(hào)，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來(lái)的傳來(lái)額的中斷信號(hào)，將中斷信號(hào)轉(zhuǎn)化為12V的中斷信號(hào)，將12V的中斷信號(hào)發(fā)送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的門(mén)極關(guān)閉控制信號(hào)，功率MOSFET關(guān)閉；接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的門(mén)極打開(kāi)控制信號(hào)，功率MOSFET打開(kāi)；接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的中斷信號(hào)，功率MOSFET關(guān)閉；

四線制高邊電流檢測(cè)電阻：功率MOSFET打開(kāi)后，供電電路的電流通過(guò)四線制高邊電流檢測(cè)電阻，產(chǎn)生電阻電壓，并將電阻電壓發(fā)送至放大器；

放大器：接收四線制高邊電流檢測(cè)電阻傳來(lái)的電阻電壓，對(duì)電阻電壓進(jìn)行放大處理，生成發(fā)大后的電阻電壓，并將發(fā)大后的電阻電壓輸出至低通濾波模塊；

低通濾波模塊：接收放大器傳來(lái)的發(fā)大后的電阻電壓，對(duì)發(fā)大后的電阻電壓進(jìn)行濾波處理，生成濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)，并將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)輸出至微控制器；同時(shí)將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)輸出至比較器；

比較器：預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值；接收低通濾波模塊傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)；對(duì)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)和預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值時(shí)，發(fā)出中斷信號(hào)至微控制器；當(dāng)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)不超過(guò)預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值時(shí)，不做處理；

微控制器：接收電壓的模擬電壓信號(hào)和電流的模擬電壓信號(hào)；進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)接收到外部控制裝置發(fā)來(lái)的信號(hào)采集指令時(shí)，輸出電壓的模擬電壓信號(hào)和電流的模擬電壓信號(hào)至外部控制裝置。

在上述的一種高安全性的繼電模組，所述繼電模組還包括第一隔離電源和第二隔離電源；

第一隔離電源：輸出+5V電源為輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊供電；

第二隔離電源：輸出+12V電源為門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊供電；輸出+3.3V電源為串行隔離總線模塊、微控制器、低通濾波模塊、比較器和放大器供電。

在上述的一種高安全性的繼電模組，所述四線制高邊電流檢測(cè)電阻包括檢測(cè)電阻、第一電阻、第一線路、第二電阻、第二線路、第一測(cè)量電流線路和第二測(cè)量電流線路；其中，檢測(cè)電阻的一端分別與第一線路和第一測(cè)量電流線路連接；第一線路上串聯(lián)有第一電阻；第一測(cè)量電流線路的輸出端與放大器正端連接；檢測(cè)電阻的另一端分別與第二線路和第二測(cè)量電流線路連接；第二線路上串聯(lián)第二電阻；第二測(cè)量電流線路的輸出端與放大器負(fù)端連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用電流高精度電流采集技術(shù)對(duì)狀態(tài)電流進(jìn)行檢測(cè)，提高了配電保護(hù)的準(zhǔn)確性；

(2)本發(fā)明具有直流電弧檢測(cè)和保護(hù)功能，避免因電弧燃燒而造成的危害；

(3)本發(fā)明采用可重構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，為不同負(fù)載提供個(gè)性化的保護(hù)，提高配電的安全性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明繼電模組系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明四線制精密檢測(cè)電阻電流檢測(cè)電路原理圖；

圖3為本發(fā)明直流電弧產(chǎn)生電路原理圖；

圖4為本發(fā)明典型的直流電弧電流波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

本發(fā)明是一種高安全性的繼電模組，其輸出和輸入之間電氣上是隔離的，前后部分之間相互的影響小，可以實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)控制、配電狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障電弧監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能、模組重構(gòu)功能。

如圖1所示為繼電模組系統(tǒng)示意圖，由圖可知，一種高安全性的繼電模組，包括串行隔離總線模塊、微控制器、輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊、門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊、低通濾波模塊、比較器、放大器、功率MOSFET和四線制高邊電流檢測(cè)電阻；

輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊：供電電路供電后，生成負(fù)載的電壓形式模擬電壓信號(hào)，并將電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至微控制器；

微控制器：接收輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊傳來(lái)的電壓形式模擬電壓信號(hào)；將電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；接收低通濾波模塊傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)；并將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收比較器傳來(lái)的中斷信號(hào)，將中斷信號(hào)發(fā)送至門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊；

串行隔離總線模塊：接收微控制器傳來(lái)的電壓形式模擬電壓信號(hào)，將電壓形式模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)，并將外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至外部控制裝置；接收外部控制裝置傳來(lái)的外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收外部控制裝置傳來(lái)的外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收微控制器傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)，將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)，并將外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)發(fā)送至外部控制裝置；

外部控制裝置：接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)，對(duì)外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，當(dāng)電壓形式模擬電壓信號(hào)超出預(yù)先設(shè)定電壓范圍時(shí)，發(fā)出外部總線電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；當(dāng)電壓形式模擬電壓信號(hào)在預(yù)先設(shè)定電壓范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出外部總線電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來(lái)的外部總線電平的電流形式模擬電壓信號(hào)；

門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊：接收微控制器傳來(lái)的TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令，將TTL電平的關(guān)閉功率MOSFET的指令變換為12V的門(mén)極關(guān)閉控制信號(hào)，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來(lái)的TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令，將TTL電平的打開(kāi)功率MOSFET的指令變換為12V的門(mén)極打開(kāi)控制信號(hào)，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來(lái)的傳來(lái)額的中斷信號(hào)，將中斷信號(hào)轉(zhuǎn)化為12V的中斷信號(hào)，將12V的中斷信號(hào)發(fā)送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的門(mén)極關(guān)閉控制信號(hào)，功率MOSFET關(guān)閉；接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的門(mén)極打開(kāi)控制信號(hào)，功率MOSFET打開(kāi)；接收門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的12V的中斷信號(hào)，功率MOSFET關(guān)閉；

四線制高邊電流檢測(cè)電阻：功率MOSFET打開(kāi)后，供電電路的電流通過(guò)四線制高邊電流檢測(cè)電阻，產(chǎn)生電阻電壓，并將電阻電壓發(fā)送至放大器；

放大器：接收四線制高邊電流檢測(cè)電阻傳來(lái)的電阻電壓，對(duì)電阻電壓進(jìn)行放大處理，生成發(fā)大后的電阻電壓，并將發(fā)大后的電阻電壓輸出至低通濾波模塊；

低通濾波模塊：接收放大器傳來(lái)的發(fā)大后的電阻電壓，對(duì)發(fā)大后的電阻電壓進(jìn)行濾波處理，生成濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)，并將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)輸出至微控制器；同時(shí)將濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)輸出至比較器；

比較器：預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值；接收低通濾波模塊傳來(lái)的濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)；對(duì)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)和預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值時(shí)，發(fā)出中斷信號(hào)至微控制器；當(dāng)濾波后的電流形式模擬電壓信號(hào)不超過(guò)預(yù)設(shè)過(guò)流電壓值時(shí)，不做處理；

微控制器：接收電壓的模擬電壓信號(hào)和電流的模擬電壓信號(hào)；進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)接收到外部控制裝置發(fā)來(lái)的信號(hào)采集指令時(shí)，輸出電壓的模擬電壓信號(hào)和電流的模擬電壓信號(hào)至外部控制裝置；

另外，繼電模組還包括第一隔離電源和第二隔離電源；

第一隔離電源：輸出+5V電源為輸入電壓線性光耦隔離檢測(cè)模塊供電；

第二隔離電源：輸出+12V電源為門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊供電；輸出+3.3V電源為串行隔離總線模塊、微控制器、低通濾波模塊、比較器和放大器供電。

如圖2所示為四線制精密檢測(cè)電阻電流檢測(cè)電路原理圖，由圖可知，四線制高邊電流檢測(cè)電阻包括檢測(cè)電阻、第一電阻、第一線路、第二電阻、第二線路、第一測(cè)量電流線路和第二測(cè)量電流線路；其中，檢測(cè)電阻的一端分別與第一線路和第一測(cè)量電流線路連接；第一線路上串聯(lián)有第一電阻；第一測(cè)量電流線路的輸出端與放大器正端連接；檢測(cè)電阻的另一端分別與第二線路和第二測(cè)量電流線路連接；第二線路上串聯(lián)第二電阻；第二測(cè)量電流線路的輸出端與放大器負(fù)端連接。

如圖3所示為直流電弧產(chǎn)生電路原理圖，有圖可知，本發(fā)明的繼電模組還具備電弧故障檢測(cè)功能：一旦出現(xiàn)短路過(guò)流的現(xiàn)象時(shí)，比較器的輸出狀態(tài)立刻翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)微控制器的外部中斷輸入。微控制器在外部中斷的服務(wù)子函數(shù)內(nèi)部，立刻就可以將發(fā)生短路故障的線路關(guān)閉。微控制器通過(guò)向門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送關(guān)閉信號(hào)，及時(shí)關(guān)閉了功率MOSFET，從而保護(hù)短路過(guò)流的電路，避免短路電弧的進(jìn)一步發(fā)生。針對(duì)串行電弧，它發(fā)生時(shí)，線路并不會(huì)出現(xiàn)短路電弧發(fā)生時(shí)所特有的高過(guò)流情況，但它的線路電流會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)的電流跌落變化現(xiàn)象，通過(guò)軟件識(shí)別出這些串行電弧的電流特征后，比較當(dāng)前采樣得到的電流值與內(nèi)部預(yù)定義的閾值參數(shù)1/2/3的大小，一旦檢測(cè)到故障，就會(huì)及時(shí)地關(guān)閉功率MOSFET，避免故障擴(kuò)大。

本發(fā)明微控制器1內(nèi)部的電弧保護(hù)算法理論與實(shí)現(xiàn)如下：

如圖4所示為典型的直流電弧電流波形圖，由圖可知，由歐姆定律可以知道，通過(guò)電阻兩端的電流大小，正比于它兩端的電壓大小。通過(guò)四線制精密檢測(cè)電阻上的電流轉(zhuǎn)化為的電壓，就可以真實(shí)的反應(yīng)出線路中電流的變化情況。產(chǎn)生的典型的電弧故障電流的波形。當(dāng)沒(méi)有電弧產(chǎn)生時(shí)，圖3電路中負(fù)載電阻兩端的電壓就等于供電電壓。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。