專利名稱：故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路的制作方法
故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電子電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種應用于工業(yè)控制系統(tǒng)、安全信 號系統(tǒng)等系統(tǒng)中的故障安全的離散輸入信號采集電路。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制系統(tǒng)和安全信號系統(tǒng)(應用于航空電子、鐵路信號、核電等行業(yè))中，系 統(tǒng)對設(shè)備開關(guān)量的狀態(tài)采集通常通過輸入通道來完成，控制器通過輸入通道實現(xiàn)對外部設(shè) 備的監(jiān)控。
外部設(shè)備到系統(tǒng)的輸入狀態(tài)往往是開關(guān)離散量，即只有導通和斷開兩種狀態(tài)。導 通時輸入正電壓，斷開時沒有電壓輸入。
如圖2所示，是常見的一種開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路設(shè)計結(jié)構(gòu)，由光耦I(lǐng)實現(xiàn) 輸入通道和邏輯電路的隔離，電阻3實現(xiàn)分壓。該方案存在的問題是，當光耦I(lǐng)發(fā)生常通或 常斷的失效時，可能致使系統(tǒng)邏輯電路采集到的外部狀態(tài)錯誤，從而可能導致安全系統(tǒng)在 計算輸出的時候的錯誤而造成的危險輸出。
如圖3所示，是另一種開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路設(shè)計結(jié)構(gòu)，由光耦1、光耦2實 現(xiàn)和電阻3組成，其中電阻3負責分壓。電路中，邏輯電路產(chǎn)生一串校驗波形，來控制光耦I(lǐng) 的導通和斷開。對于輸入端為高電平的情況，當光耦I(lǐng)導通時，光耦2的前端被旁路，光耦 2斷開；當光耦I(lǐng)斷開時，光耦I(lǐng)的前端受到輸入電壓時，導通。如此一來，當光耦2便會輸 出給邏輯電路一個與光耦I(lǐng)的校驗波形相反的回檢波形。對于前端為低電平的情況，光耦 2始終斷開，輸出給邏輯電路一個恒定電平。對于安全系統(tǒng)，定義離散輸入高電平時為危險 偵牝離散輸入為低電平時為安全側(cè)。(如果系統(tǒng)誤將安全側(cè)的輸入采集識別為危險側(cè)，則會 造成系統(tǒng)風險；如果系統(tǒng)誤將危險側(cè)的輸入采集識別為安全側(cè)，則不會造成風險)，如此一 來，當光耦I(lǐng)或光耦2任何一個器件發(fā)生常通或常斷的失效時，光耦2的后端就不會產(chǎn)生正 確的回檢波形，使得系統(tǒng)采集到安全側(cè)的輸入，這對于系統(tǒng)來說是安全的。
但是該方案存在以下三個缺陷
1、器件光耦2由于輸出端在邏輯電路一側(cè)，可以用3. 3V或者5V的TTL或CMOS快 速光耦。但光耦I(lǐng)的后端在輸入通道一側(cè)，很難使用3. 3V或5V的TTL或CMOS快速光耦，這 就導致該電路對于校驗波形的頻率響應較慢，校驗波形很難設(shè)置在IOKHz以上的頻率。如 果系統(tǒng)對實時性要求較高，該電路較難滿足要求。
2、該電路需要由邏輯電路的校驗波形輸入，離開校驗波形的輸入則無法獨立工 作，從而增加了系統(tǒng)邏輯電路部分的復雜性。
3、光耦I(lǐng)的后端往往需要較大的電流(5 10mA)才能達到較好的工作狀態(tài)，如果輸 入通道導通時的電壓較高，整個電路的功率會比較大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，它可以對開關(guān)離散輸入量的狀態(tài)進行安全采集，在確定了安全側(cè)和危險側(cè)的前提下，有 較快采集速度、較小功耗以及能夠獨立工作。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集 電路，包括震蕩電路，光耦以及分壓電阻；所述震蕩電路連接至開關(guān)量離散輸入端，并通 過電阻的分壓和光耦的隔離，當輸入電平為高時，輸出動態(tài)震蕩脈沖。
本發(fā)明的有益效果在于可以對開關(guān)離散輸入量的狀態(tài)進行安全采集，在確定了 安全側(cè)和危險側(cè)的前提下，有較快采集速度、較小功耗以及能夠獨立工作。
所述震蕩電路采用不同的自激振蕩電路實現(xiàn)對恒定的離散輸入電平到動態(tài)震蕩 脈沖輸出的轉(zhuǎn)換。
所述自激振蕩電路由三極管，電容Cl、電容C2，電阻Rl、R電阻4，電阻R2以及電 阻R3組成，電阻R5取震蕩電路一端輸出的震蕩波形，輸入給光耦前端，由該光耦經(jīng)隔離輸 出給系統(tǒng)邏輯電路。
所述隔離器件為3. 3V/5V的TTL或CMOS光耦隔離器件。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1 一種常見的多諧自激振蕩電路示意圖
圖2是一種常見的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路結(jié)構(gòu)示意圖3是另一種開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路的原理圖5是本發(fā)明的一個實施例電路的原理圖6是該實例電路的震蕩輸出的波形圖。
圖中附圖標記說明
I光稱，2光稱,3分壓電阻。
具體實施方式
本發(fā)明為了對開關(guān)離散輸入量的狀態(tài)進行安全采集，在確定了安全側(cè)和危險側(cè)的 前提下(定義離散輸入高電平時為危險側(cè)，離散輸入為低電平時為安全側(cè))，設(shè)計了一種較 快采集速度、較小功耗以及能夠獨立工作的離散輸入采集電路。
本發(fā)明提供一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，該電路能夠應用于包 括但并不局限于安全信號系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。
本發(fā)明離散輸入通道采集電路的計數(shù)方案是如圖4所示，由分壓震蕩電路1、 TTL/CM0S快速光耦2以及分壓電阻3組成。
本電路的關(guān)鍵在于將震蕩電路應用于開關(guān)量離散輸入采集電路中，根據(jù)設(shè)計參數(shù) 的需要以及系統(tǒng)實時性的要求，震蕩電路的頻率可以調(diào)整到合適的值。
本電路的工作原理是
當開關(guān)量離散輸入為高電平時，震蕩電路被激活，產(chǎn)生自激振蕩。震蕩波形經(jīng)過光 耦2輸出給系統(tǒng)邏輯電路。
當開關(guān)量離散輸入為低電平時，震蕩電路停止自激振蕩，光耦2不會輸出正確頻率的震蕩波形。
電路工作時，當光耦2輸出正確頻率范圍內(nèi)的震蕩波形時，代表輸入端為高電平， 即危險側(cè)；當光耦2輸出其他形式的電平時，代表輸入端為低電平或通道故障，系統(tǒng)會將這些情況統(tǒng)一認定為輸入通道低電平，即安全側(cè)。
在系統(tǒng)處理端，有兩種方法判斷開關(guān)量離散輸入的狀態(tài)
1、判斷光耦2輸出震蕩波形的脈寬，判斷其是否在設(shè)計的頻率范圍內(nèi)。如果在其范圍內(nèi)，則認為輸入端為高電平，反之為低電平。
2、開辟一段時間窗，在該時間窗內(nèi)對光耦2輸出的震蕩波形的脈沖數(shù)進行計數(shù)。 如果其計數(shù)在設(shè)計的范圍內(nèi)，則認為輸入端為高電平，反之為低電平。
本電路的故障安全特性表現(xiàn)為
如果震蕩電路失效1、當離散輸入為高電平時，震蕩電路的輸出頻率如果改變，光耦2輸出的震蕩波形的頻率會偏離設(shè)計的頻率范圍，使得系統(tǒng)采集到安全側(cè)的輸入。如果震蕩電路的輸出頻率沒有改變，系統(tǒng)采集到的值雖然是危險側(cè)，但由于此時的輸入狀態(tài)和危險側(cè)的值是一致的，對系統(tǒng)安全并沒有影響。2、當離散輸入為低電平時，震蕩電路由于沒有能量輸入，無法開始自激振蕩，光耦2始終輸出恒定電平，系統(tǒng)得到的是安全側(cè)輸入。
如果光耦2失效1、如果光耦2發(fā)生常通或常斷的失效，光耦2會輸出恒定電平， 系統(tǒng)得到的是安全側(cè)輸入。2、如果光耦2老化，致使其導通/斷開時間發(fā)生變化，或者輸出電平發(fā)生變化，達到一定程度時，會影響光耦2輸出的震蕩波形的頻率或幅值，從而系統(tǒng)也會得到安全側(cè)的輸入。
本電路的具有較快的采集速度，原因在于
1、震蕩電路I的頻率可以根據(jù)設(shè)計參數(shù)調(diào)整，其調(diào)整范圍可以從幾赫茲到幾百千赫茲。
2、由于光耦2的后端在邏輯電路一側(cè)，可以采用3. 3V或5V的TTL或CMOS光耦， 其相應速度在兆赫茲級別。
鑒于上述原因，系統(tǒng)可以在更快的時間內(nèi)，完成對離散輸入通道狀態(tài)的采集。
本電路具有較低的功耗，其主要原因是，震蕩電路I只需要很小的電流(IlmA)SP 可產(chǎn)生自激振蕩，而光耦2的前端導通電流也比較小(f 2mA)，相對于圖3所示電路方案中的電流(5 10mA)來說,功耗大大降低。
本電路可以獨立工作，不需要邏輯電路的任何激勵，其振蕩電路I在輸入通道為高電平時，即開始自激振蕩，從而簡化了邏輯電路的設(shè)計復雜度。
下面結(jié)合圖5本發(fā)明一個實施例電路的原理圖，對本發(fā)明做進一步說明。
該實施例針對輸入通道，用三極管PMBT2222A (Vl、V2)，47pF電容(C1、C2)，IOK歐電阻(R1、R4)，30.1K歐電阻(R2)以及40.2K歐電阻(R3)組成自激振蕩電路。用IK歐電阻 (R5)取震蕩電路一端輸出的震蕩波形，輸入給光耦HCPL-2211 (Hl)的前端，由該光耦經(jīng)隔離輸出給系統(tǒng)邏輯電路。
本電路的實際工作電流經(jīng)測試，在疒2. 5mA的范圍內(nèi)即可開始震蕩。其輸出的震蕩波形頻率為200KHz±5%，起震時間如圖6所示，Ta=20us±50%。
震蕩波形的頻率可以通過以下公式計算
權(quán)利要求
1.一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，其特征在于，包括震蕩電路(1)，光耦(2)以及分壓電阻(3); 所述震蕩電路(I)連接至開關(guān)量離散輸入端，并通過電阻(3)的分壓和光耦(2)的隔離，當輸入電平為高時，輸出動態(tài)震蕩脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，其特征在于，震蕩電路(I)采用不同的自激振蕩電路實現(xiàn)對恒定的離散輸入電平到動態(tài)震蕩脈沖輸出的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，其特征在于，所述三極管V1、V2，電容C1、C2，電阻R1、R4、R2、R3組成自激振蕩電路，電阻R5取震蕩電路一端輸出的震蕩波形，輸入給光耦前端，由該光耦經(jīng)隔離輸出給系統(tǒng)邏輯電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，其特征在于，所述隔離器件(2)為3. 3V/5V的TTL或CMOS光耦隔離器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種故障安全的開關(guān)量離散輸入狀態(tài)采集電路，包括震蕩電路，光耦以及分壓電阻；所述震蕩電路連接至開關(guān)量離散輸入端，并通過電阻的分壓和光耦的隔離，當輸入電平為高時，輸出動態(tài)震蕩脈沖。本發(fā)明可以對開關(guān)離散輸入量的狀態(tài)進行安全采集，在確定了安全側(cè)和危險側(cè)的前提下，有較快采集速度、較小功耗以及能夠獨立工作。
文檔編號H03K19/14GK103023485SQ201210475970
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者崔捷浩, 王軍偉, 俞泓, 諶鋒, 劉月華 申請人:上海富欣智能交通控制有限公司