專利名稱：一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器的制作方法
一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器。
技術(shù)背景
隨著設(shè)備的自動化程度越來越高，控制系統(tǒng)需要控制的現(xiàn)場變量也越來越多，尤其是各種開關(guān)量的控制，一個點就需要占用控制器的一個輸出點，而硬件資源特別有限，在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，很多情況IO資源都不能滿足使用需求，如采用PLC控制也需添加大量的輸出模塊，增加機架進(jìn)行擴展，增加硬件成本和要求較大的安裝空間，同時布線也十分復(fù)雜；常用的總線的分布式站點采集接口不開放，要求控制器具備相應(yīng)總線資源，成本居高，同時使用不靈活。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，解決了現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)需要用到的大量開關(guān)量輸出時接線復(fù)雜，IO資源利用不充分的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，包括直流降壓電路、矩陣列掃描電路、矩陣行信號寫入電路、矩陣邏輯電路和信號鎖存驅(qū)動電路五部分連接組成。直流降壓電路分別與矩陣列掃描電路、矩陣行信號寫入電路、矩陣邏輯電路、信號鎖存驅(qū)動電路的對應(yīng)電源端連接，矩陣列掃描電路和矩陣行信號寫入電路的輸出端同時與矩陣邏輯電路的對應(yīng)輸入端連接，矩陣列掃描電路和矩陣邏輯電路的輸出端與信號鎖存驅(qū)動電路的對應(yīng)輸入端連接。
本發(fā)明的有益效果是，應(yīng)用該矩陣式開關(guān)量驅(qū)動裝置可提高系統(tǒng)中控制器的輸出端口使用效率，大幅減少輸出點數(shù)配置，節(jié)約控制器的有限的空間，控制接口開放，對控制器無總線資源要求，使用靈活，對于分布式采集提供了一種減少布線、降低成本的解決方案。


圖1是本發(fā)明矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器的模塊整體連接框圖2是本發(fā)明裝置中的矩陣列掃描電路及電源電路示意圖3是本發(fā)明裝置中的矩陣行信號寫入電路示意圖4是本發(fā)明裝置中的矩陣邏輯電路示意圖5是本發(fā)明裝置中的信號鎖存驅(qū)動電路中的第一組(U3分別與0U4、0U5)的連接示意圖6是本發(fā)明裝置中的信號鎖存驅(qū)動電路中的第八組(U10分別與0U18、0U19)的連接示意圖。
圖中，101.直流降壓電路，102.矩陣列掃描電路，103.矩陣行信號寫入電路，104. 矩陣邏輯電路，105.信號鎖存驅(qū)動電路，
另外，R1、R2. · · R216分別表示各個電阻；
OUU 0U2. . . 0U19分別表示各個光電耦合器；
ΝΑΙ、NA2、NA3、NA4. . . NA16分別表示各個與非門器件；
Ul是譯碼器，U2是反向器，U3、U4. . . UlO分別表示各個鎖存器；
D1、D2. · · D16分別表示各個開關(guān)管；
A、B、C分別是矩陣點列的選擇信號輸入端子，EN是允許選擇的使能端子；
DI0, DIl. . . DI7分別表示各個開關(guān)量信號的批量輸入端子；
DOU D02. . . D064分別表示各個控制點信號的輸出端子；
ColU Col2. . . ColS分別表示各個矩陣列掃描電路的列輸出信號與矩陣邏輯電路 104、信號鎖存驅(qū)動電路105的連接點；
FU F2. . . F8分別表示各個矩陣行信號寫入電路103與矩陣邏輯電路104的連接占.^ \\\
Q1、Q2. . . Q64分別表示各個矩陣邏輯電路104與信號鎖存驅(qū)動電路105的連接點。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
參照圖1，本發(fā)明的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器的模塊連接結(jié)構(gòu)是，包括直流降壓電路 101、矩陣列掃描電路102、矩陣行信號寫入電路103、矩陣邏輯電路104和信號鎖存驅(qū)動電路105五部分連接組成。其中的直流降壓電路101分別與矩陣列掃描電路102、矩陣行信號寫入電路103、矩陣邏輯電路104、信號鎖存驅(qū)動電路105的對應(yīng)電源端連接，矩陣列掃描電路102和矩陣行信號寫入電路103的輸出端同時與矩陣邏輯電路104的對應(yīng)輸入端連接， 矩陣列掃描電路102和矩陣邏輯電路104的輸出端與信號鎖存驅(qū)動電路105的對應(yīng)輸入端連接。
本發(fā)明的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，通過矩陣循環(huán)逐列掃描使能當(dāng)前行中指定位置的輸出，分批次輸出并進(jìn)行鎖存進(jìn)行不間斷輸出的方式，實現(xiàn)少輸出口多控制點的控制驅(qū)動功能。
直流降壓電路101用于將實際工況的24V電壓降壓為邏輯器件需要的5V電壓，將輸出接入到各個邏輯器件供電端；矩陣列掃描電路102中的輸入端通過光電隔離連接外接選擇信號及控制信號，其輸出連接到矩陣邏輯電路104的輸入端和信號鎖存驅(qū)動電路105 的鎖存控制端；矩陣邏輯電路104中每個點陣的輸入端分別接到矩陣列掃描電路102的輸出和矩陣行信號寫入電路103的輸出，其輸出端連接到信號鎖存驅(qū)動電路105的信號輸入端。
參照圖2，矩陣列掃描電路102主要包括一個光電耦合器OUl(選用型號 TLP521-4)、一個譯碼芯片Ul (選用型號74LS138)、反相器U2 (選用型號74LSM0)、以及八個限流電阻(分別是Rl、R2... R8)連接組成。選擇編碼信號輸入端A、B、C以及使能信號端子EN分別對應(yīng)連接到光電耦合器OUl的四路輸入引腳，還各自對應(yīng)串連一個電阻后(分別為R1、R2、R3、R4)再分別連接到接地端；5V電壓端分成并聯(lián)的四路分別對應(yīng)串連一個電阻后(分別為R5、R6、R7、R8)接入光電耦合器OUl的信號輸出側(cè)的輸入端，選擇編碼信號 EN、A、B、C的對應(yīng)輸出端分別與譯碼芯片Ul的四個輸入端口(分別是G1、A、B、C端)對應(yīng)連接；另外，譯碼芯片Ul的兩個使能端(分別是G2A和G2B)同時連接到使能信號EN的光電耦合器OUl輸出側(cè)的輸入引腳；譯碼芯片Ul的八路輸出信號分別與反相器U2的八個對應(yīng)輸入端連接，反相器U2的兩個使能端(分別為/0E1、/0E2)直接接地，反相器U2的八個輸出端分別對應(yīng)連接到Coll、Col2. . . C0I8端口，譯碼芯片U1、反相器U2的電源端Vcc均與5V電壓源連接，5V電壓源連接到直流降壓電路101的直流變換器DC-DC的5V輸出端。
當(dāng)使能信號端子EN輸入為低電平時，光電耦合器OUl的對應(yīng)光耦處于開路狀態(tài)， 其對應(yīng)側(cè)的輸入端為高電平，輸出為低電平，使得譯碼芯片Ul的使能引腳G2A及G2B得到高電平，Gl為低電平，無論編碼信號輸入端A、B、C輸入的狀態(tài)，譯碼芯片Ul的輸出全部為高電平，經(jīng)過反相器U2反相后，得到全部低電平，不進(jìn)行任何列的選擇。
當(dāng)使能信號端子EN輸入為高電平時，光電耦合器OUl的對應(yīng)光耦處于閉路狀態(tài)， 其對應(yīng)側(cè)的輸入端為低電平，輸出為高電平，使得譯碼芯片Ul的使能引腳G2A及G2B得到低電平，Gl為高電平，譯碼芯片Ul將OUl正向耦合的編碼信號輸入A、B、C進(jìn)行譯碼，然后在指定的引腳輸出低電平，其余全部為高電平，經(jīng)過反相器U2反相后，得到指定引腳的高電平，其余為低電平，達(dá)到選擇的目的。
參照圖3，矩陣行信號寫入電路103主要包括兩個光電耦合器(分別是0U2及0U3) (選用型號TLP521-4)和十六個限流電阻(分別是R9、R10. . . R24)連接組成，開關(guān)量信號的八個批量輸入端子(分別是DI0、DI1...DI7)分別同時連接兩個光電耦合器(0U2及0U3) 輸入側(cè)的輸入端，然后分別串聯(lián)一個電阻后(如圖3中的R9、R10. . . R15)連接到接地端；
5V電源分成八路分別對應(yīng)連接到光電耦合器(0U2及0U;3)輸出側(cè)的八個輸入端， 光電耦合器(0U2及0U;3)輸出側(cè)的八個對應(yīng)輸出端分別串聯(lián)一個電阻后與連接點(分別是 F1、F2. . .F8)——對應(yīng)連接。
開關(guān)量信號的八個批量輸入端子(分別是DI0、DI1...DI7)的信號經(jīng)過兩個光電耦合器(0U2及0U3)實現(xiàn)電氣隔離，而矩陣行信號寫入電路103與矩陣邏輯電路104的連接點(分別是F1、F2...F8)的電平變化隨著開關(guān)量信號的批量輸入端子(分別是DI0、 DIl. · · DI7)的變化而相應(yīng)變化。
參照圖4，矩陣邏輯電路104主要包括16個與非門器件(分別是NA1、NA2. . . NA16, 選用二輸入型與非門器件的型號為74SL00)按照矩陣的形式連接組成，從上往下為四排， 每排從左到右布置四個與非門器件，第一排分別為ΝΑΙ、NA3、NA5、NA7，第二排分別為NA2、 NA4、NA6、NA8，第三排分別為 NA9、NA11、NA13、NA15，第四排分別為 NA10、NA12、NA14、NA16 ； 其中的與非門器件ΝΑΙ、ΝΑ2作為第一對，ΝΑ3、ΝΑ4作為第二對，總共組成八對，下面以第一對與非門器件ΝΑ1、ΝΑ2的連接關(guān)系來說明，其他各對連接原理相同，依次類推
第一對與非門器件(NAl和ΝΑ2)，每個與非門器件的A輸入端Q-5-10-13引腳) 均與Coll同時連接構(gòu)成一路輸入，與非門器件NA 1的B輸入端(1-4-9-12引腳)分別與連接點F1、F2、F3、F4對應(yīng)連接，同時與非門器件NA 2的B輸入端(1_4_9_12弓丨腳)分別與連接點F5、F6、F7、F8對應(yīng)連接構(gòu)成另一路輸入；兩個與非門器件均與5V電源連接，兩個與非門器件的四個輸出引腳依次分別直接輸出到八個連接點(分別是01、02、03、04，05、06、 Q7、Q8)；
第二對與非門器件(NA3和NA4)中的每組與非門的八個A輸入端同時連接到連接點Col2,與非門器件NA 3的B輸入端(1-4-9-12引腳)分別與連接點Fl、F2、F3、F4對應(yīng)連接，同時與非門器件NA 4的B輸入端(1-4-9-12弓丨腳)分別與連接點F5、F6、F7、F8對應(yīng)連接構(gòu)成另一路輸入；兩個與非門器件均與5V電源連接，兩個與非門器件的四個輸出引腳依次分別直接輸出到另外八個連接點(分別是09、010、011、012，013、014、015、016)，其余各組依次類推采用同樣原理連接而成。
當(dāng)Coll、Col2. · · Col8的信號為低電平時，即是ΝΑΙ、NA2. · · NA16中與之相連接的每組與非門的兩個求與輸入端至少有一個信號為低電平，故其對應(yīng)的輸出Q端得到高電平；當(dāng)接點Coll、Col2...Col8之一為高電平，若接點Fl、F2. . . F8通過與之相連接的邏輯器件求與非的結(jié)果與接點F1、F2. . . F8反相輸出到Q端，即是將接點F1、F2. . . F8反相復(fù)制到接點為高的那一列，其余電平為低的列保持全高輸出。
參照圖5、圖6，信號鎖存驅(qū)動電路105主要包括八個鎖存器(U3、U4. . . U10)(選用型號74LS373)、十六個光電耦合器(0U4、0U5. . . 0U18、OU19)(選用型號TLP521-4)、64 個開關(guān)管(DU D2. · · D64)(選用型號IRF3205)和多個限流電阻(R25、R26. · · R216)連接組成。八個鎖存器(U3、U4...U10)的鎖存使能端分別連接到八個連接點(分別是Coll、 Col2. · · Col8)，連接點(Q1、Q2. · · Q64)按照與接點(ColUCol2. · · Col8)的邏輯關(guān)系每八個點分為一組，共8組，由于圖示所限，圖中僅顯示了兩組輸出，即鎖存器U3及鎖存器UlO的連接電路，其他6組與該兩組結(jié)構(gòu)一致，僅連接的輸入輸出信號的序號不同，在此不予重復(fù)描述。
其中的第一組連接關(guān)系是，鎖存器U3的八個輸入端(D0、D1...D7)與矩陣邏輯電路104的輸出接點Oil、Q2. . . Q8)對應(yīng)連接，鎖存器U3的八個輸出端分別與兩個光電耦合器(0U4和0TO)輸入側(cè)的四個負(fù)端對應(yīng)連接，兩個光電耦合器(0U4和0TO)輸入側(cè)的四個正端分別串連一個電阻(分別是1 89、1 90、1 91、1 92，以及1 93、1 94、1 95、1 96)后與5V電源 VCC連接；
兩個光電耦合器(0U4和0TO)輸出側(cè)輸入端直接與MV電源連接，輸出側(cè)輸出端分別串連一個電阻(分別是R153...R160)后連接到各自對應(yīng)的一個開關(guān)管(分別是D1、 D2. . . D8)的柵極，開關(guān)管采用低壓側(cè)控制方式，每個開關(guān)管的源極直接接地；同時每個開關(guān)管的柵極分別連接一個下拉電阻(分別是R25、R26. . . R32)后接地。
當(dāng)接點(Coll, Col2. · · Col8)的信號為高時，鎖存器(U3、U4. · · U10)的鎖存使能， 將輸入口的信號進(jìn)行鎖存；當(dāng)接點(Coll、Col2...Col8)的信號為低電平時，鎖存器將所存的信號進(jìn)行輸出。
矩陣邏輯電路104的輸出接點(Q1、Q2...Q64)是低電平有效，所以當(dāng)其為低時，其高低電平貫穿電流使0U4. . . 0U19的對應(yīng)光耦處于閉路，其輸出導(dǎo)通，同時打開對應(yīng)開關(guān)管 (D1、D2...D64)，下拉電阻(R25、R26...R88)起分壓作用下，保證開關(guān)管不被燒壞。當(dāng)接點 (Q1、Q2. . . Q64)是低電平的，光耦(0U4. . . 0U19)處于斷路狀態(tài)，其輸出為低電平，同時在下拉電阻(R25、R26...R88)的作用下，關(guān)閉可靠。
信號鎖存驅(qū)動電路5的鎖存器鎖存反向驅(qū)動光電耦合器，光電耦合器輸出直接驅(qū)動功率開關(guān)管，具有較強的帶負(fù)載能力。采用光電耦合器隔離，實現(xiàn)了控制器數(shù)字信號輸出與被控對象的隔離，保證了控制器的安全性。
本發(fā)明采用基于矩陣式和二進(jìn)制譯碼進(jìn)行矩陣列掃描的開關(guān)量驅(qū)動器，采用3-8 譯碼芯片74LS138擴展為64輸出點的電路，利用控制器的12個輸出點就能控制64個開關(guān)量設(shè)備；采用4-16譯碼芯片74LS1M同樣的接線方法，利用控制器的13個輸出點就能控制 12八個開關(guān)量設(shè)備。將多個開關(guān)量驅(qū)動器的矩陣點列的選擇信號輸入端子A、B、C，開關(guān)量信號的批量輸入端子(DI0、DI1...DI7)進(jìn)行并聯(lián)，對不同的驅(qū)動器的允許選擇使能端子EN 進(jìn)行控制可實現(xiàn)容量的成倍擴展。大大節(jié)約輸出通道，同時遠(yuǎn)程采集時布線簡潔，是一種理想的分布式采集的低成本解決方案。
權(quán)利要求
1.一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，其特點在于包括直流降壓電路(101)、矩陣列掃描電路 (102)、矩陣行信號寫入電路(103)、矩陣邏輯電路(104)和信號鎖存驅(qū)動電路(105)五部分連接組成。直流降壓電路(101)分別與矩陣列掃描電路(102)、矩陣行信號寫入電路(103)、 矩陣邏輯電路(104)、信號鎖存驅(qū)動電路(10 的對應(yīng)電源端連接，矩陣列掃描電路(102) 和矩陣行信號寫入電路(103)的輸出端同時與矩陣邏輯電路(104)的對應(yīng)輸入端連接，矩陣列掃描電路(102)和矩陣邏輯電路(104)的輸出端與信號鎖存驅(qū)動電路(105)的對應(yīng)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，其特征在于所述的矩陣列掃描電路 (102)主要包括一個光電耦合器0U1、一個譯碼芯片Ul以及反相器U2、以及八個限流電阻連接組成，具體連接結(jié)構(gòu)是選擇編碼信號輸入端A、B、C以及使能信號端子EN分別對應(yīng)連接到光電耦合器OUl的四路輸入引腳，還各自對應(yīng)串連一個電阻后再分別連接到接地端；5V電壓端分成并聯(lián)的四路分別對應(yīng)串連一個電阻后接入光電耦合器OUl的信號輸出側(cè)的輸入端，選擇編碼信號 EN、A、B、C的對應(yīng)輸出端分別與譯碼芯片Ul的四個輸入端G1、A、B、C對應(yīng)連接；另外，譯碼芯片Ul的兩個使能端G2A和G2B同時連接到使能信號EN的光電耦合器OUl輸出側(cè)的輸入引腳；譯碼芯片Ul的八路輸出信號分別與反相器U2的八個對應(yīng)輸入端連接，反相器U2的兩個使能端直接接地，反相器U2的八個輸出端分別對應(yīng)連接到Coll、Col2. . . ColS端口， 譯碼芯片U1、反相器U2的電源端Vcc均與5V電壓源連接，5V電壓源連接到直流降壓電路 (101)的直流變換器DC-DC的5V輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，其特征在于所述的矩陣行信號寫入電路(103)主要包括兩個光電耦合器和十六個限流電阻連接組成，具體連接結(jié)構(gòu)是開關(guān)量信號的八個批量輸入端子分別同時連接兩個光電耦合器0U2及0U3輸入側(cè)的輸入端，然后分別串聯(lián)一個電阻后連接到接地端；5V電源分成八路分別對應(yīng)連接到光電耦合器0U2及0U3輸出側(cè)的八個輸入端，光電耦合器0U2及0U3輸出側(cè)的八個對應(yīng)輸出端分別串聯(lián)一個電阻后與連接點Fl、F2. . . F8 一一對應(yīng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，其特征在于所述的矩陣邏輯電路 (104)主要包括16個與非門器件按照矩陣的形式連接組成，具體連接結(jié)構(gòu)是該矩陣從上往下為四排，每排從左到右布置四個與非門器件，第一排分別為ΝΑΙ、NA3、 NA5、NA7，第二排分別為NA2、NA4、NA6、NA8，第三排分別為NA9、NA11、NA13、NA15，第四排分別為NA10、NA12、NA14、NA16 ；其中的與非門器件NAl、NA2作為第一對，NA3、NA4作為第二對，依次類推，總共組成八對，其中的第一對與非門器件NAl和NA2，每個與非門器件的A輸入端2-5-10-13引腳均與Coll同時連接構(gòu)成一路輸入，與非門器件NA 1的B輸入端1-4-9-12引腳分別與連接點 F1、F2、F3、F4對應(yīng)連接，同時與非門器件NA2的B輸入端1_4-9_12引腳分別與連接點F5、 F6、F7、F8對應(yīng)連接構(gòu)成另一路輸入；兩個與非門器件均與5V電源連接，兩個與非門器件的四個輸出引腳依次分別直接輸出到八個連接點Ql、Q2、Q3、Q4，Q5、Q6、Q7、Q8，其他各對的連接關(guān)系依照第一對，依次實施。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，其特征在于所述的信號鎖存驅(qū)動電路(105)主要包括八個鎖存器U3、U4. · · U10、十六個光電耦合器0U4、0U5. · · 0U19、64個開關(guān)管Dl、D2. . . D64和多個限流電阻連接組成，具體連接結(jié)構(gòu)是八個鎖存器U3、U4. . . UlO的鎖存使能端分別連接到八個連接點Coll、Col2. . . Col8，連接點Q1、Q2. · · Q64按照與接點ColU Col2. · · ColS的邏輯關(guān)系每八個點分為一組，共8組， 其中的第一組連接關(guān)系是，鎖存器U3的八個輸入端D0、D1. . .D7與矩陣邏輯電路(104) 的輸出接點Ql、Q2... Q8對應(yīng)連接，鎖存器U3的八個輸出端分別與兩個光電耦合器0U4和 0U5輸入側(cè)的四個負(fù)端對應(yīng)連接，兩個光電耦合器0U4和0U5輸入側(cè)的四個正端分別串連一個電阻后與5V電源VCC連接；兩個光電耦合器0U4和0U5輸出側(cè)輸入端直接與24V電源連接，輸出側(cè)輸出端分別串連一個電阻后連接到各自對應(yīng)的一個開關(guān)管Dl、D2. . . D8的柵極， 開關(guān)管采用低壓側(cè)控制方式，每個開關(guān)管的源極直接接地；同時每個開關(guān)管的柵極分別連接一個下拉電阻后接地，其他各組的連接關(guān)系依照第一組，依次實施。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種矩陣式開關(guān)量驅(qū)動器，包括直流降壓電路，直流降壓電路分別與矩陣列掃描電路、矩陣行信號寫入電路、矩陣邏輯電路、信號鎖存驅(qū)動電路的對應(yīng)電源端連接，矩陣列掃描電路和矩陣行信號寫入電路的輸出端同時與矩陣邏輯電路的對應(yīng)輸入端連接，矩陣列掃描電路和矩陣邏輯電路的輸出端與信號鎖存驅(qū)動電路的對應(yīng)輸入端連接。本發(fā)明裝置采用基于矩陣式和二進(jìn)制譯碼進(jìn)行矩陣列掃描的開關(guān)量驅(qū)動器，利用控制器的12個輸出點就能控制64個開關(guān)量設(shè)備，13個輸出點就能控制12八個開關(guān)量設(shè)備，對不同的驅(qū)動器的允許選擇使能端子EN進(jìn)行控制可實現(xiàn)容量的成倍擴展，從而大大節(jié)約輸出通道，遠(yuǎn)程采集時布線簡潔，成本低。
文檔編號H03K19/177GK102522983SQ20111043416
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者叢萬生, 劉啟蒙, 宋濤, 張鵬飛, 梁春平 申請人:寶雞石油機械有限責(zé)任公司