CN101414187B

CN101414187B - 操纵台在线检测装置

Info

Publication number: CN101414187B
Application number: CN2008101437388A
Authority: CN
Inventors: 黄采伦; 张剑; 曾照福
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology; Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN101414187A

Abstract

本发明公开了一种操纵台在线检测装置，其特征在于，包括操纵台、接口电路和控制电路，所述操纵台引出线连接接口电路，控制电路连接所述接口电路；所述接口电路包括信号切换支路，该信号切换支路的一端接控制电路的切换控制信号，另一端接操纵台引出线，还包括继电器，该继电器的控制端接所述的切换控制信号，该继电器的输出端控制操纵台的一路引出线接不同的2个电流支路：电流L1支路和电流L2支路。本发明所涉及的操纵台在线检测装置可以适配多种操纵台，扩展性能和兼容性好，可靠性高。

Description

操纵台在线检测装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种操纵台在线检测装置。

背景技术

对于操纵台的控制，传统的技术手段是，设计一套具体的电路针对某一具体的操纵台，但是由于操纵台的种类、型号多样化，不同的操纵台，其引出线的数量和信号种类都不一样，比如不同操纵台引出线数目一致，而且不同型号操纵台的引出线中，有许多引出线表示的信号不相同。因此，按照传统的设计方法，需要针对不同型号的操纵台设计不同的接口电路，因此，现有的操纵台检测装置的兼容性极差，扩展功能也差，同时还造成了人力和物力的极大浪费。

发明内容

本发明要解决技术问题是针对现有操纵台检测电路兼容性差以及扩展性差的缺点，提出了一种操纵台在线检测装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种操纵台在线检测装置，其特征在于，包括操纵台、接口电路和控制电路，所述操纵台引出线连接接口电路，控制电路连接所述接口电路；所述接口电路包括信号切换支路，该信号切换支路的一端接控制电路的切换控制信号，另一端接操纵台引出线，还包括继电器，该继电器的控制端接所述的切换控制信号，该继电器的输出端控制操纵台的一路引出线接不同的2个电流支路：电流L1支路和电流L2支路。

在所述的电流L1支路上还设有一电子开关，该电子开关的控制端接控制电路的开关控制信号。

电流L1支路接电平检测电路，该电平检测电路向控制电路输出数字信号。

作为改进，所述接口电路与控制电路的接口采用光电耦合器件。

所述的信号切换支路为多条。

所述接口电路还包括模拟信号接口支路，该模拟信号接口支路的输入端接操纵台的模拟信号输出端，模拟信号接口支路的输出端直接接控制电路接口或者经过信号放大电路接控制电路接口；所述的模拟信号接口支路上还设有用于控制支路接通或断开的继电器开关，所述继电器的控制端接控制电路的控制信号。

作为改进，所述接口电路还包括连接器接入自动检测电路，该连接器接入自动检测电路的信号输入端接一个插座，该插座与操纵台的电缆插头配合，该连接器接入自动检测电路的信号输出端接控制电路的接口。

所述的控制电路与上位机通信连接，可以采用232、485或USB等数据传输方式。

所述的操纵台、接口电路和控制电路为多路，通过串口总线与同一个上位机通信连接。

所处的控制电路采用基于ARM处理器、DSP、CPLD、FPGA或单片机的电路。

本发明的有益效果有：

(1)兼容性好：通过本发明的信号切换支路，可以控制操纵台的多个引出端连接不同的电平，或者使得该引出端保持开路，因此可以实现接口电路和操纵台引出端的灵活配置，不同的配置对应一种不同的连接关系，由此本发明可以实现对不同种类和型号的操纵台的兼容。

(2)扩展性好：由于本接口电路具备很好的兼容性，不同操纵台的共性的引出线都组合在接口电路上，另外还有多个预留的端口，用于适配非共同的信号。当开发出一个新的操纵台，只要根据新操纵台的电气特性和电气要求更改本接口电路的控制命令(即修改用于控制接口电路的软件)，则可简便地实现对新接口电路的兼容，即实现的本接口电路的功能扩展。

(3)可靠性高：对接口电路的控制信号与接口电路的输入输出信号之间均采用光电耦合隔离，另外，对于模拟信号的输出电路，也采用了隔离的技术，比如采用专用隔离放大器，基于上述电磁隔离措施，本接口电路抗干扰能力强，可靠性高。

(4)对于新产品的开发周期缩短，节省人力成本。由于本接口电路兼容性和可扩展性好，因此，对于新的操纵台，硬件上的设计可以保留不变，只需重新设计或更改控制该接口电路的软件，因此，设计周期可以大大缩短，设计效率可以显著提高。

(5)对多个操纵台的综合监控，多个操纵台均分别连接接口电路，接口电路再连接控制电路，再采用串口总线(比如485总线)将多个控制电路汇接到一个上位机，从而实现一个工作人员通过一台上位机控制多个操纵台，提高了控制效率。

附图说明

图1为操纵台在线检测装置总体框图；

图2为开关量输入输出电路(单路)；

图3为电位计信号输入输出电路；

图4为指示灯测试电路；

图5为连接器接入自动检测电路；

图6为上位机监控多个操纵台示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

1、接口电路总体结构

接口电路是本装置满足设计要求的关键部件，其功能、可靠性直接影响整个系统的性能。图1是本装置的总体框图。

由图1可见，接口电路包括：开关量输入输出电路、电位计测试电路、指示灯测试电路、数字逻辑输入输出电路、切换及切换控制电路、连接器接入自动检测电路、总线接口电路(CPLD1、CPLD2、CPLD3、CPLD4)、模数转换电路(ADC)等部分。

其中，开关量输入输出电路用于操纵台的引脚与电源+、电源公共端以及引脚之间的短路、开路扫描测试；同时，也用于操纵台内部各开关的状态测试，所有测试信号均经光电隔离后转换为数字信号，再经CPLD送数据地址总线。

电位计测试电路用于给操纵台内部的电位计提供测试基准电源，采用差分输入方式从电位计的滑动端、定端提取测试信号，经信号隔离、信号放大、信号处理电路后送A/D转换器，由A/D转换器将被测量变为数字信号经数据地址总线送下位机功能测试系统的CPU板。

指示灯测试电路分有限流电阻指示灯驱动检测电路和无限流电阻指示灯驱动检测电路两种，该电路用于给指示灯提供驱动电流，并根据流过指示灯的电流大小来判断指示灯的工作状态，判断结果经光电隔离后转换为数字信号，经CPLD送数据地址总线。

数字逻辑输入输出电路主要用于部分内部带数字逻辑电路的操纵台检测，其工作原理与开关量输入输出电路相同，只是接口电平不同而已。

切换及切换控制电路的切换部分由继电器及其驱动电路组成，切换控制电路由光电耦合器和CPLD的内部锁存器组成；为满足操纵台的多功能测试，本设计在装置连接器的每个端子设置两种测试功能，对这两种测试功能的切换由切换控制电路执行。

连接器接入自动检测电路用于检测装置的连接器上是否有插头接入，当有插头接入时，该检测端为低电平，为下位机功能测试系统的CPU提供中断信号，使下位机功能测试系统进入测试准备状态。

2、开关量输入输出电路

开关量输入输出电路的基本原理如图2所示，开关量输入输出电路用于操纵台的引脚与电源+(即图中的VDD1，相当于发明内容部分的L1电平)、电源公共端(即图中的VCC1，相当于发明内容部分的L2电平)以及引脚之间的短路、开路扫描测试；同时，也用于操纵台内部各开关、按钮的状态测试，所有测试信号均经光电隔离后转换为数字信号，再经CPLD送数据地址总线。

图中的开关量输入信号由下位机功能测试系统的CPU经数据地址总线、CPLD给出，当该信号低电平有效时，光电耦合器2IC1/1的发光二极管发光，光敏三极管导通，操纵台工作电压经限流电阻2R2加到操纵台的接线端子上。该操纵台的接线端子的检测返回值经三极管2BG1，电阻2R3、2R4推动光电耦合器2IC1/2的发光二极管，返回信号经光敏三极管的集电极输出，经CPLD、数据地址总线到下位机功能测试系统的CPU。电路工作的真值表如表1所示。

表1 开关量输入输出电路真值表

开关量输入信号	开关量检测输出信号	操纵台引脚状态
开关量输入信号	开关量检测输出信号	操纵台引脚状态	1	1	引脚开路
1	0	引脚与电源+端短路	1	1	引脚开路
1	0	引脚与电源+端短路	0	1	引脚与电源公共端短路
0	0	引脚开路	0	1	引脚与电源公共端短路

说明：表1中，操纵台引脚状态一栏中的“引脚开路”，即相当于图2中2R2的引出端(图2中2R2的右端)开路；“引脚与电源+端短路”即相当于于图2中2R2的引出端与电源正VDD1短接；“引脚与电源公共端短路”即相当于于图2中2R2的引出端与电源负VCC1短接；继电器的功能是切换引出端的电源连接状态——接电源正或接电源负，从而改变操纵台端的电路形式，实现控制操纵台电信号连接的目的。

对照图2和表1，当开关量输入信号为低电平时，光电耦合器2IC1/1的发光二极管发光，光敏三极管导通，操纵台工作电压经限流电阻2R2加到操纵台的接线端子上，若操纵台引脚是开路状态则此时三极管2BG1导通，光电耦合器2IC1/2导通，开关量检测输出信号的电平则被钳制于低电平(如表1的第五行所示，如果此时操纵台引脚接电源正，则效果如操纵台引出线开路相同)，若此时操纵台引脚与电源负(VCC1)相接，则三极管2BG1因集电极接低电平而截止，导致光电耦合器2IC1/2关断，因此，开关量检测输出为高电平VCC(即输出电平为1，如表1中第4行所示)。

当开关量输入信号为高电平时，光电耦合器2IC1/1截止(即不导通)，因此电子2R2端的电位取决于操纵台引脚的电平，如果操纵台引脚开路或者为低电平，则导致光电耦合器2IC1/2关断，因此，开关量检测输出为高电平VCC(即输出电平为1，如表1中第2行所示)此时，如果操纵台引脚与电源正(VDD1)相接，则此时三极管2BG1导通，光电耦合器2IC1/2导通，开关量检测输出信号的电平则被钳制于低电平(如表1的第3行所示)。

本电路用于检测操纵台线路的正确性，具体方式如下：上位机通过控制电路发命令到操纵台中的被测器件，被测器件返回应答命令，如果应答命令正确，说明线路正确。由此可以检测操纵台各信号和线路的正确与否。

3、电位计测试电路

电位计测试是本项目的难点，由于多种操纵台的内部电位计结构不同、引出方式不同，有单联、双联、三联等多种，有的引脚直接引出，有的引脚接公共端，且电位计大多采用不同阻值的电阻丝绕制而成，阻值差异很大，这给测试带来了很大的难度。电位计测试电路用于给操纵台内部的电位计提供测试基准电源，采用差分输入方式从电位计的滑动端、定端提取测试信号，经信号电隔离、信号放大、信号处理电路后送A/D转换器，由A/D转换器将被测量变为数字信号经数据地址总线送下位机功能测试系统的CPU板。电位计信号输入输出电路如图3所示。

图中的开关量输入输出电路的原理与图2所示的电路相同，如下介绍其它电路的设计。

3.1前级放大器设计

由于不同电位计的内部电位计结构不同、引出方式不同，有单联、双联、三联等多种，有的引脚直接引出，有的引脚接公共端，且电位计大多采用不同阻值的电阻丝绕制而成，阻值差异很大。所以对运算放大器要求很高。

采用专用隔离放大器

由于电位计有的引脚直接引出，有的引脚接公共端，为避免接地公共端带来的干扰，需对电位计的测试信号经过电隔离。

ISO124是德州公司生产的精密隔离放大器，采用DIP16塑封形式，ISO124隔离放大器采用新颖的脉宽调制解调技术，信号通过2pF的微分电容传送，该调制方式不影响信号的完整性，具有可靠性高、频率响应宽等特点。

采用ISO124隔离放大器可实现输入信号Vin端到输出信号Vout端1:1的电隔离。为本实施例实现多种电位计的集成测试，避免接地公共端带来的干扰，提供了很好的解决措施。

3.2基准电源设计

本装置对电位计的测试采用电测量方法，由于多种操纵台的内部电位计结构不同、引出方式不同，有单联、双联、三联等多种，且大多采用不同阻值的电阻丝绕制而成，阻值差异很大。因此，在测试时将电位计的每一种联接方式(即单联、双联、三联)单独看成为一个整体，分别加测试基准电源，如图3中的2IC5所示。

测试基准电源采用TL431或TL431A三端可调并联稳压器。TL431在应用工业、商业、军用温度范围内具有规定的热稳定性，器件的输出阻抗典型值为0.2Ω，输出电压可用两个外部电阻设置至V_ref(约2.5V)和36V之间的任意值。

3.3信号处理放大电路设计

由于本设计后续的A/D转换器为差分输入方式，故信号处理放大电路采用差动式输入方式，可有效抑制共模干扰，其电路如图3中所示。由双运算放大器IC3:OPA235、电阻2R15～2R22、电容2C1～2C4、二极管2D3～2D6组成。2R17与2C2和2R21与2C4分别组成两个低通滤波器，用于滤出电位计测试线路上同相端和反相端的干扰信号，2R15＝2R16、2R19＝2R20用于设置两个运算放大器的放大倍数，2R18、2R22用于给运算放大器提供参考电平，2C1、2C3是两个积分电容，用于增加运算放大器的稳定性，2D3、2D4和2D5、2D6用于对同相端和反相端放大器的输出限幅，以保护后面的A/D转换器。

3.5A/D转换器选择

根据前面对电位计测试电路的分析，由于电位计的阻值差异很大，从几十欧到几百欧，这样对于(以1KΩ为例)：

8位A/D精度：1000Ω/256＝3.90625Ω

10位A/D精度：1000Ω/1024＝0.9756625Ω

12位A/D精度：1000Ω/4096＝0.24414625Ω

考虑到其他部分所带来的干扰，8位、10位A/D无法满足系统精度要求。所以我们需要选择12位或者精度更高的A/D。

本实施例采用多通道同步转换A/D转换器

考虑到本装置检测的电位计有单联、双联、三联等多种，因此对电位计的检测需要同步采集；为此，要选择多通道同步转换的A/D转换器，才能满足系统要求。

ADS7864是BB公司的500kHz、12Bit、6通道同步采样模数转换器，采用完全差分输入方式，内部有两组A/D转换器，每组A/D转换器带有三对具有高速同步信号保持器的通道，输入放大器也采用全差分的方式到A/D转换器，该转换器具有80dB(50kHz)的共模抑制能力，这对于在高噪声环境的应用非常重要。ADS7864采用并行接口和控制输入，每个通道的输出数据为有效的16bit字节(地址和数据)，从而将系统的软件开销减至最小。

4、指示灯测试电路

操纵台内部的指示灯有发光二极管和小电珠两种，但其接线方式较多，有两端直接引出的、一端经限流电阻引出的，经限流电阻两端不接地和一端经限流电阻接地等四种。指示灯测试电路分发光二极管指示灯驱动检测电路和小电珠指示灯驱动检测电路两种，该电路用于给指示灯提供驱动电流，并根据流过指示灯的电流大小来判断指示灯的工作状态，判断结果经光电隔离后转换为数字信号，经CPLD送数据地址总线。指示灯测试原理电路如图4所示。

图4中，开关量输入输出部分原理与图2类似，指示灯测试电路作为引脚的第二功能出现。发光二极管指示灯驱动检测电路和小电珠指示灯驱动检测电路的结构一样，主要区别在于限流电阻2R37和分压电阻2R38、2R39的阻值不一样。虽然指示灯的接线方式有：两端直接引出的、一端经限流电阻引出的、经限流电阻两端不接地和一端经限流电阻内部接地等四种，但只要将无限流电阻的互连电缆中加上限流电阻，对内部不接地的引出端通过切换电路将其外部接地；这样，所示指示灯都可归为一类“经限流电阻接地”，如图4中的虚线部分。指示灯亮时，检测输出为低电平。

5、连接器接入自动检测电路

连接器接入自动检测电路如图5所示，该电路用于检测装置的连接器上是否有插头接入，当有插头接入时，该检测端为低电平，为下位机功能测试系统的CPU提供中断信号，使下位机功能测试系统进入测试准备状态。设计时，考虑在装置的连接器上留一空引线端，将该引线端与检测电路的光电耦合器连接。在电缆插头插入时，将该引线端与地短路，光电耦合器的发光二极光发光，开关量检测输出端输出低电平。

多个操纵台由一个上位机控制的框图如图6所示，图中，一台上位机控制2个操纵台。其中的控制电路(1和2)与上位机之间采用485串行通信。

Claims

1.一种操纵台在线检测装置，其特征在于，包括操纵台、接口电路和控制电路，所述操纵台引出线连接接口电路，控制电路连接所述接口电路；所述接口电路包括信号切换支路，该信号切换支路的一端接控制电路的切换控制信号，另一端接操纵台引出线，信号切换支路包括第一继电器，该第一继电器的控制端接所述的切换控制信号，该第一继电器的输出端控制操纵台的一路引出线接不同的2个电流支路：电流L1支路和电流L2支路；

所述的电流L1支路包括开关量输入支路和开关量检测输出支路：

所述的开关量输入支路为：控制电路的开关量信号接第一光电耦合器(21C1/1)的发光二极管的负极端；第一光电耦合器(21C1/1)的发光二极管的正极端通过第一电阻(2R1)与高电平端(VCC)连接；第一光电耦合器(21C1/1)的三极管的集电极接电源正(VDD1)；第一光电耦合器(21C1/1)的三极管的发射极经第二电阻(2R2)接电流L1支路的切换端；

所述的开关量检测输出支路为：第二光电耦合器(21C1/2)的发光二极管的负极端接模拟地(AGND)，第二光电耦合器(21C1/2)的发光二极管的正极端接第一三极管(2BG1)的发射极；第一三极管(2BG1)的集电极通过第三电阻(2R3)接电源正(VDD1)；第一三极管(2BG1)的基极通过第四电阻(2R4)接模拟地(AGND)；第一三极管(2BG1)的基极接电流L1支路的切换端；第二光电耦合器(21C1/2)的三极管的发射极接数字地(DGND)，第二光电耦合器(21C1/2)的三极管的集电极通过第五电阻(2R5)接高电平端(VCC)；第二光电耦合器(21C1/2)的三极管的集电极为开关量检测信号输出端；

所述的信号切换支路的具体电路为：控制电路的切换控制信号接第三光电耦合器(21C1/3)的发光二极管的负极端；第三光电耦合器(21C1/3)的发光二极管的正极端通过第六电阻(2R6)与高电平端(VCC)连接；第三光电耦合器(21C1/3)的集电极通过第七电阻(2R7)与电源正(VDD1)连接；第三光电耦合器(21C1/3)的发射极接第二三极管(2BG2)的基极；第二三极管(2BG2)的发射极接模拟地(AGND)，第二三极管(2BG2)的集电极与电源正(VDD1)之间接有第一继电器(D1)的线圈；

电流L1支路的切换端与操纵台的该路引出线之间接有第一继电器(D1)的一对触点；所述的电流L2支路为直接与电源负(VCC1)连接；所述的电流L2支路与操纵台的该路引出线之间接有第一继电器(D1)的另一对触点。

2.如权利要求1所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述的信号切换支路为多条。

3.如权利要求1所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述接口电路还包括模拟信号接口支路，该模拟信号接口支路的输入端接操纵台的模拟信号输出端，模拟信号接口支路的输出端直接接控制电路接口或者经过信号放大电路接控制电路接口；所述的模拟信号接口支路上还设有用于控制模拟信号接口支路接通或断开的第二继电器的开关，所述第二继电器的控制端接控制电路的控制信号。

4.如权利要求1所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述接口电路还包括连接器接入自动检测电路，该连接器接入自动检测电路的信号输入端接一个插座，该插座与操纵台的电缆插头配合，该连接器接入自动检测电路的信号输出端接控制电路的接口。

5.如权利要求1所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述的控制电路与上位机通信连接。

6.如权利要求5所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述的操纵台、接口电路和控制电路为多路，通过串口总线与同一个上位机通信连接。

7.如权利要求1～6任一项所述的操纵台在线检测装置，其特征在于，所述的控制电路采用基于ARM处理器、DSP、CPLD、FPGA或单片机的电路。