CN100587410C - 智能变送器及基于单稳态电路的安全保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能变送器及基于单稳态电路的安全保护装置，其智能变送器用以将非电物理量转换成模拟量电信号，其包括传感器、V/I转换电路、微处理器以及基于单稳态电路的安全保护装置，基于单稳态电路的安全保护装置的一端与智能变送器的微处理器连接，另一端与V/I转换电路连接，用以通过检测微处理器是否在设定时间内持续发出脉冲信号，来判断微处理器的工作状态是否失效，若微处理器失效，则使智能变送器输出一设定电流值。本发明可以监测微处理器的工作状态，有效避免系统错误的发生。

Description

智能变送器及基于单稳态电路的安全保护装置

技术领域

本发明涉及智能变送器技术领域，特别涉及一种基于单稳态电路的安全保护装置以及使用该安全保护装置的智能变送器。

背景技术

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些非电物理量都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。而变送器便是被用来将物理量转换成电信号的设备。

目前主流变送器是4～20mA的两线制智能变送器。两线制变送器是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。而为了实现智能变送器的基本功能，如线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整以及数字通信等，一些关键器件如微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信芯片及传感器等是必需的。如图1所示，其为现有的一种智能变送器结构图，此智能变送器包括传感器103、A/D转换器105、微处理器107、V/I转换电路109、存储器111以及通信系统113。传感器103模拟信号经A/D转换器105转换成数字量后送入微处理器107进行处理，最后通过V/I转换电话109转换输出4～20mA标准电流信号。因此，现有的智能变送器可以有效地将传感器103检测到的非电模拟量转换成标准电流。

但是当出现故障等原因而使智能变送器内部的微处理器失效时，为了避免信号错误输出，引起系统的错误连锁反应，造成灾难性的后果，此时智能变送器的电流输出应为一预设故障报警电流值，以便可以及时发现系统故障并对其进行故障检测，因此微处理器的失效检测就尤为重要。

目前，现有的一种解决方案是采用具有PWM脉宽调制电路的D/A转换器。请参见图2，其为能解决微处理器失效的一种智能变送器局部结构图。微处理器107包括微处理器内核201以及PWM脉宽调制电路模块203。PWM脉宽调制电路模块203通过总线与微处理器内核201进行通讯，其产生PWM脉宽调制波，并经过低通过滤器205滤波后生成直流电压，然后再经过V-I转换电路207把电压转换成电流进行输出。在此方案中，PWM脉宽调制电路模块203的功能是产生PWM脉宽调制波，此PWM脉宽调制波的占空比正比于电流输出值(占空比是指正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值)。而PWM脉宽调制电路模块203属于微处理器107中的一部分，当微处理器107失效时，就不会发出PWM脉宽调制波，使占空比为0，此时D/A转换器109的输出一预设故障报警电流值，从而达到微处理器107失效检测的目的。

然而，因为PWM脉宽调制电路模块203是由相对独立的电路单元组成的，而PWM脉宽调制电路模块203与微处理器内核201之间是通过寄存器进行通讯，微处理器107只有需要更改PWM脉宽调制波的参数时才修改其寄存器。而在正常工作的时候，微处理器内核201并不需要与PWM脉宽调制电路模块203进行通讯。所以当微处理器107失效时，由于PWM脉宽调制电路模块203是独立运行的电路模块，只要系统时钟有效，此PWM脉宽调制电路模块203还依然有可能继续正常工作，从而也就有可能无法及时地检测到微处理器107的失效，存在漏检测的概率。

综上所述，现有的智能变送器无法在微处理器失效时进行及时与准确的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能变送器，以解决现有的智能变送器无法及时与准确地检测出微处理器失效的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于单稳态电路的安全保护装置，以解决现有的智能变送器无法及时与准确地检测出微处理器失效的问题。

本发明提出一种智能变送器，用以将非电物理量转换成模拟量电信号，其包括传感器、V/I转换电路、微处理器以及基于单稳态电路的安全保护装置，基于单稳态电路的安全保护装置的一端与智能变送器的微处理器连接，另一端与V/I转换电路连接，用以通过检测微处理器是否在设定时间内持续发出脉冲信号，来判断微处理器的工作状态是否失效，若微处理器失效，则使智能变送器输出一设定电流值。

依照本发明较佳实施例所述的智能变送器，其基于单稳态电路的安全保护装置包括单稳态触发模块及DAC数模转换器，单稳态触发模块与微处理器相连，DAC数模转换器分别与单稳态触发模块及V/I转换电路相连，其中，单稳态触发模块可以为单稳态触发电路，其包括第一晶体管、第二晶体管、电源端、定时电阻以及定时电容，第一晶体管的基极连接至微处理器，第一晶体管的集电极连接第二晶体管的基极，第一晶体管的发射极接地，定时电阻的一端连接至电源端，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，定时电容一端接地，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，第二晶体管的集电极连接至DAC数模转换器，第二晶体管的发射极接地。

依照本发明较佳实施例所述的智能变送器，单稳态触发电路还包括限流电阻和隔直电容，限流电阻的一端连接至微处理器，另一端与隔直电容的一端连接，隔直电容的另一端与第一晶体管的基极连接。

依照本发明较佳实施例所述的智能变送器，单稳态触发电路还包括二极管，其N级连接至隔直电容和第一晶体管基极之间的连线上，其P级接地。

依照本发明较佳实施例所述的智能变送器，所述单稳态触发模块包括单稳态触发器、定时电阻以及定时电容，其中单稳态触发器又包括定时电阻接入端、定时电容接入端、触发端以及输出端，定时电阻连接至单稳态触发器的定时电阻接入端，定时电容连接至单稳态触发器的定时电容接入端，单稳态触发器的触发端连接至微处理器，单稳态触发器的输出端连接至DAC数模转换器。

本发明另提出一种基于单稳态电路的安全保护装置，其设置于智能变送器中，用以检测智能变送器中的微处理器的工作状态，并根据微处理器的工作状态控制智能变送器的电信号输出，此基于单稳态电路的安全保护装置包括单稳态触发模块以及DAC数模转换器。单稳态触发模块的输入端与微处理器连接，用来接收微处理器发出的复位脉冲，产生系统工作正常信号，其中，其输入端不断收到来自CPU的刷新脉冲，则在输出端产生一个稳定的高电平信号，若超过设定时间范围未收到该微处理器的复位脉冲信号，则其输出端产生低电平信号。DAC数模转换器的输入端与单稳态触发模块的输出端连接，若其输入端检测到的是单稳态触发模块输出的稳定高电平信号，则其复位脚无效不起作用，若其输入端检测到的是单稳态触发模块输出的低电平信号，则其复位脚起作用，使得DAC数模转换器复位，将其输出电流限制为一个设定值。

依照本发明较佳实施例所述的基于单稳态电路的安全保护装置，单稳态触发模块可以为单稳态触发电路，其包括第一晶体管、第二晶体管、电源端、定时电阻以及定时电容，第一晶体管的基极连接至微处理器，第一晶体管的集电极连接第二晶体管的基极，第一晶体管的发射极接地，定时电阻的一端连接至电源端，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，定时电容一端接地，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，第二晶体管的集电极连接至DAC数模转换器，第二晶体管的发射极接地。

依照本发明较佳实施例所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其单稳态触发电路还包括限流电阻和隔直电容，限流电阻一端连接至微处理器，另一端与隔直电容一端连接，隔直电容的另一端与第一晶体管的基极连接。

依照本发明较佳实施例所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其单稳态触发电路还包括二极管，其N级连接至隔直电容和第一晶体管基极之间的连线上，其P级接地。

依照本发明较佳实施例所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其单稳态触发模块包括单稳态触发器、定时电阻以及定时电容，其中单稳态触发器又包括定时电阻接入端、定时电容接入端、触发端以及输出端，定时电阻连接至单稳态触发器的定时电阻接入端，定时电容连接至单稳态触发器的定时电容接入端，单稳态触发器的触发端连接至微处理器，单稳态触发器的输出端连接至DAC数模转换器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明可以利用单稳态触发模块和DAC数模转换器构成的安全保护电路装置来对微处理器的工作状态进行监测，若发现微处理器处于失效状态，则DAC数模转换器输出一预设的故障报警电流值，从而可以及时发现系统故障，并对其进行系统故障处理，防止引起系统的错误连锁反应。

附图说明

图1为现有的一种智能变送器结构图；

图2为现有的一种智能变送器局部结构图；

图3为本发明实施例的一种智能变送器结构图；

图4为本发明实施例的一种单稳态触发电路的电路图；

图5为本发明实施例的另一种单稳态电路电路图；

图6为本发明实施例的一种单稳态电路工作时序图。

具体实施方式

本发明的原理是：本发明在现有的变送器中加入了一个基于单稳态电路的安全保护装置，并通过基于单稳态电路的安全保护装置监测变送器的微处理器的工作状态。若发现微处理器处于失效状态，立刻使变送器输出一预设电流值，以便于及时发现系统故障，从而对其进行故障维护，防止系统的错误连锁反应。

以下结合附图，具体说明本发明。

请参见图3，其为本发明实施例的一种智能变送器结构图。此智能变送器包括传感器303、V/I转换电路309、微处理器307以及基于单稳态电路的安全保护装置301。基于单稳态电路的安全保护装置301又包括DAC数模转换器305以及单稳态触发模块311。传感器303与微处理器307连接，微处理器307与DAC数模转换器305连接，DAC数模转换器与V/I转换电路309连接，单稳态触发模块311一端连接微处理器307，另一端连接DAC数模转换器305。此智能变送器在正常工作时，传感器303检测到的外部数据信号送至微处理器307进行处理，接着微处理器307处理数据通过DAC数模转换器305转换成模拟电压信号，最后通过V/I转换电路309转换成标准电流信号输出。在本实施例中，当微处理器307正常工作时，会定时向单稳态触发模块311发出清零脉冲，单稳态触发模块311接收到清零脉冲后，便会向DAC数模转换器305发出一个稳态电压，并使DAC数模转换器305正常工作。而当微处理器307失效时，由于程序不能正常工作，也就无法向单稳态触发模块311定期发送清零信号。若单稳态触发模块311在设定的一段时间内接收不到微处理器307发出的清零信号，则其会将微处理器307定为失效的工作状态，并向DAC数模转换器305输出一个相对于稳态电压相反的电压，最后控制DAC数模转换器305输出预设故障报警电流值。

在实际应用中，单稳态触发模块311的输出可以直接控制DAC数模转换器305的复位脚，当微处理器307失效时，单稳态触发模块311向DAC数模转换器305的复位脚输出的电平就会发生反转，从而对DAC数模转换器305进行复位，使其输出预设故障报警电流值。

本发明的单稳态触发模块311可以由一个单稳态触发电路来实现其功能，请参见图4，其为本发明实施例的一种单稳态触发电路的电路图。此单稳态触发电路由限流电阻R1、隔直电容C1、二极管D1、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、电源端VCC、定时电阻R2以及定时电容C2构成。第一晶体管Q1的基极连接至微处理器307，第一晶体管Q1的集电极连接第二晶体管Q2的基极，第一晶体管Q1的发射极接地。定时电阻R2的一端连接至电源端VCC另一端串接定时电容C2后接地。第二晶体管Q2的集电极连接至DAC数模转换器305的复位脚，发射极接地。限流电阻R1与隔直电容C1串接后设置在微处理器307与第一晶体管Q1的基极之间的连线上。二极管D1的正极接地，负极与隔直电容C1相连。

当微处理器307正常工作时，会定时向单稳态触发电路发出稳态的脉冲，即由INPUT端定时输入一个稳态电压，则在限流电阻R1与隔直电容C1上会流过电流，并使第一晶体管Q1导通。当第一晶体管Q1导通的时候会把定时电容C2快速放电，从而令第二晶体管Q2基极的电压不足以导通第二晶体管Q2。也即是说当微处理器307正常工作时，此单稳态触发电路是不影响DAC数模转换器305工作的。

当微处理器307失效时，也即是INPUT端没有电压脉冲输入时，第一晶体管Q1的基极由于没有偏置电流，从而第一晶体管Q1截止。此时定时电阻R2会对定时电容C2进行充电，使第二晶体管Q2基极的电压上升。到第二晶体管Q2基极的电压超过开启电压后，第二晶体管Q2就会导通，使OUTPUT输出低电平。因为单稳态触发电路连接到DAC数模转换器305的复位脚，所以此时单稳态触发电路输出的低电平对DAC数模转换器305进行复位。

另外，为防止隔直电容C1单向饱和，二极管D1为隔直电容C1提供一个放电回路。

在微处理器307向单稳态触发电路发出脉冲时，脉冲的时间间隔是根据定时电阻R2与定时电容C2来设定的。因此只要微处理器307发出的脉冲周期小于定时时间，便可以使单稳态触发电路起到监测微处理器307工作状态的作用。

本发明的单稳态触发模块311除了由上述结构的单稳态触发电路来实现外，还可以有其它的实现方式，任何具有其功能的电路结构都在本发明的保护范围内。如通过单稳态触发器、门电路、555定时器等都可以构成单稳态触发电路来实现本发明单稳态触发模块311的功能。以下给出一种以74HC123芯片构成单稳态触发电路的电路图。

请参见图5，此单稳态电路包括74HC123芯片、定时电阻RT以及定时电容CT。74HC123芯片是一种单稳态触发器，其包括定时电阻接入端RCCOM、定时电容接入端CTC、触发端TRA、触发端TRB、复位端CLR以及输出端Q。定时电阻RT连接至单稳态触发器74HC123的定时电阻接入端RCCOM，定时电容CT连接至单稳态触发器74HC123的定时电容接入端CTC，单稳态触发器74HC123的触发端TRA连接至微处理器307，单稳态触发器74HC123输出端Q连接至DAC数模转换器305。

在此实施例中，触发端TRA是下降沿触发输入端，微处理器307向触发端TRA发出负脉冲进行触发，触发端TRA不用时保持高电平。触发端TRB是上升沿触发输入端，微处理器307向触发端发出正脉冲进行触发，触发端TRB不用时保持低电平。如图6所示，其为本实施例的单稳态触发电路工作时序图，单稳态触发器74HC123是由边缘触发(上升沿或下降沿)，输出端Q产生宽度T≈RT*CT的单脉冲，图中仅使用了下降沿触发端TRA。当触发端TRA触发一个下降沿后，输出端Q就会变为稳态的低电平。当触发端TRA在小于定时时间T内多次下降沿触发时，输出端Q将会一直保持暂态的高电平，直至触发端TRA在规定时间T内没有再次触发为止。

可见利用本实施例的单稳态触发电路的工作原理，在微处理器307正常工作时，只要在规定的时间T内对单稳态触发电路进行触发，单稳态电路311就会一直保持暂态的高电平输出，因而不会对DAC数模转换器305的复位脚清零。而当微处理器307失效时，因为无法再次触发单稳态触发电路，那么单稳态触发电路的输出便会变成稳态的低电平，此时便会对DAC数模转换器305进行复位，也即是达到了监测微处理器307工作状态的目的。

本发明还提出一种基于单稳态电路的安全保护装置，其设置于智能变送器中，用以检测智能变送器中的微处理器的工作状态，并根据微处理器的工作状态控制智能变送器的电信号输出。此基于单稳态电路的安全保护装置的结构及功能与上述的智能变送器中的基于单稳态电路的安全保护装置301相同，此处不再重复叙述。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明可以利用单稳态触发模块和DAC数模转换器构成的安全保护电路装置来对微处理器的工作状态进行监测，若发现微处理器处于失效状态，则DAC数模转换器输出一预设的故障报警电流值，从而可以及时发现系统故障，并对其进行系统故障处理，防止引起系统的错误连锁反应。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1、一种智能变送器，用以将非电物理量转换成模拟量电信号，其包括一传感器、一V/I转换电路、一微处理器，其特征在于，其还包括一基于单稳态电路的安全保护装置，其一端与该智能变送器的该微处理器连接，另一端与该V/I转换电路连接；

该基于单稳态电路的安全保护装置进一步包括一单稳态触发模块及一DAC数模转换器，该单稳态触发模块与该微处理器相连，该DAC数模转换器分别与该单稳态触发模块及该V/I转换电路相连；

该基于单稳态电路的安全保护装置用以通过检测该微处理器是否在设定时间内持续发出脉冲信号，来判断该微处理器的工作状态是否失效，若该微处理器失效，则使该智能变送器输出一设定电流值。

2、如权利要求1所述的智能变送器，其特征在于，该单稳态触发模块为一单稳态触发电路，其包括一第一晶体管、一第二晶体管、一电源端、一定时电阻以及一定时电容，该第一晶体管的基极连接至该微处理器，该第一晶体管的集电极连接该第二晶体管的基极，该第一晶体管的发射极接地，该定时电阻的一端连接至该电源端，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，该定时电容一端接地，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，该第二晶体管的集电极连接至该DAC数模转换器，该第二晶体管的发射极接地。

3、如权利要求2所述的智能变送器，其特征在于，该单稳态触发电路还包括一限流电阻、一隔直电容和一二极管，该限流电阻的一端连接至该微处理器，另一端与该隔直电容的一端连接，该隔直电容的另一端与该第一晶体管的基极连接，该二极管的N级连接至该隔直电容和该第一晶体管基极之间的连线上，其P级接地。

4、如权利要求1所述的智能变送器，其特征在于，所述单稳态触发模块包括一单稳态触发器、一定时电阻以及一定时电容，其中该单稳态触发器又包括一定时电阻接入端、一定时电容接入端、一触发端以及一输出端，该定时电阻连接至该单稳态触发器的该定时电阻接入端，该定时电容连接至该单稳态触发器的该定时电容接入端，该单稳态触发器的该触发端连接至该微处理器，该单稳态触发器的该输出端连接至DAC数模转换器。

5、一种基于单稳态电路的安全保护装置，其设置于一智能变送器中，用以检测该智能变送器中的一微处理器的工作状态，并根据该微处理器的工作状态控制该智能变送器的电信号输出，其特征在于，该基于单稳态电路的安全保护装置包括：

一单稳态触发模块，其输入端与该微处理器连接，用来接收该微处理器发出的复位脉冲，产生系统工作正常信号，其中，其输入端不断收到来自CPU的刷新脉冲，则在输出端产生一个稳定的高电平信号，若超过设定时间范围未收到该微处理器的复位脉冲信号，则其输出端产生低电平信号；

一DAC数模转换器，其输入端与该单稳态触发模块的输出端连接，若其输入端检测到的是该单稳态触发模块输出的稳定高电平信号，则其复位脚无效不起作用，若其输入端检测到的是该单稳态触发模块输出的低电平信号，则其复位脚起作用，使得该DAC数模转换器复位，将其输出电流限制为一个设定值。

6、如权利要求5所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其特征在于，所述单稳态触发模块为一单稳态触发电路，其包括一第一晶体管、一第二晶体管、一电源端、一定时电阻以及一定时电容，该第一晶体管的基极连接至该微处理器，该第一晶体管的集电极连接该第二晶体管的基极，该第一晶体管的发射极接地，该定时电阻的一端连接至该电源端，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，该定时电容一端接地，另一端连接至第一晶体管集电极和第二晶体管基极之间的连线上，该第二晶体管的集电极连接至该DAC数模转换器，该第二晶体管的发射极接地。

7、如权利要求6所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其特征在于，其单稳态触发电路还包括一限流电阻和一隔直电容，该限流电阻一端连接至该微处理器，另一端与该隔直电容一端连接，该隔直电容的另一端与该第一晶体管的基极连接。

8、如权利要求7所述的基于单稳态电路的安全保护装置，其特征在于，该单稳态触发电路还包括一二极管，其N级连接至该隔直电容和该第一晶体管基极之间的连线上，其P级接地。

9、如权利要求5所述的一种基于单稳态电路的安全保护装置，其特征在于，该单稳态触发模块包括一单稳态触发器、一定时电阻以及一定时电容，其中该单稳态触发器又包括一定时电阻接入端、一定时电容接入端、一触发端以及一输出端，该定时电阻连接至该单稳态触发器的该定时电阻接入端，该定时电容连接至该单稳态触发器的该定时电容接入端，该单稳态触发器的该触发端连接至该微处理器，该单稳态触发器的该输出端连接至该DAC数模转换器。

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