CN101510096B

CN101510096B - 端口复用及故障检测电路及具有该电路的智能模块

Info

Publication number: CN101510096B
Application number: CN2009101272286A
Authority: CN
Inventors: 周继辉; 周翔; 李中华; 姚洪涛; 陈祖亮
Original assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: CN101510096A

Abstract

本发明公开一种端口复用及故障检测电路，包括输入电路、输出电路、反馈电路及外部端口；输入电路输入端连接外部端口，输出端连接主处理器输入口，根据外部检测信号，生成主处理器的输入信号；输出电路输入端连接主处理器输出口，输出端连接外部端口；输出电路输入端与输出端之间依次串接：驱动电路，根据主处理器的输出信号，生成负载的驱动信号；采样电路，生成负载信号的采样信号；开关电路，控制输出电路输入端与输出端的正向导通、反向截止；反馈电路输入端连接采样电路，输出端连接主处理器反馈口，根据采样信号，生成主处理器的反馈信号。本发明实现输入输出电路共用端口，并可在线检测外部故障。本发明还公开一种具有该电路的智能模块。

Description

端口复用及故障检测电路及具有该电路的智能模块

技术领域

本发明涉及电信号传输技术，具体涉及一种端口复用及故障检测电路及具有该电路的智能模块。

背景技术

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来各种类型的智能模块不断被开发出来。这种智能模块的主要功能是，对各种检测信号进行运算、处理，输出所需的驱动信号。

由于智能模块实际上为多输入多输出系统，因此需要大量的输入输出端口，这势必造成与智能模块小型化趋势之间的矛盾。同时，由于用户应用的差异化、个性化需求，处理的输入输出信号类型千差万别，使得智能模块对应用场合具有较强的依赖性，需要用户配备各种模块组合以用于不同场合。这极大地降低了开发效率、增加了开发成本。为解决这个问题，目前在一些电子类产品中已经有一些端口复用的实践，主要是输入复用或者输出复用。但由于未很好地解决输入端口与输出端口的复用问题，存在端口使用效率低、应用灵活性差的问题。

另外，根据统计资料表明，在控制系统的故障中，约有20％的故障属于智能模块的内部故障，而其余80％的故障属于外部故障，因此研制、发展具有检测外部故障功能的智能模块，具有广阔的市场前景。目前，智能模块的外部故障检测需通过其它仪器或设备进行，难以实现智能模块的在线检测，存在占用资源多、检测效率低的缺陷。

由于上述问题的存在，现有智能模块的输入输出端口电路不能满足控制系统应用的差异化需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种端口复用及故障检测电路，可使智能模块输入输出电路共用端口，实现外部故障的在线检测，满足各种控制系统应用的差异化需求。在此基础上，本发明还提供一种具有该电路的智能模块。

为解决以上技术问题，本发明提供的端口复用及故障检测电路，包括一输入电路、一输出电路、一反馈电路及一外部端口；其中，

所述输入电路，输入端连接所述外部端口，输出端连接主处理器输入口，用于根据外部检测信号，生成所述主处理器的输入信号；

所述输出电路，输入端连接所述主处理器输出口，输出端连接所述外部端口；所述输出电路输入端与输出端之间依次串接：一驱动电路，用于根据所述主处理器的输出信号，生成负载的驱动信号；一采样电路，用于生成所述驱动信号的采样信号；一开关电路，用于控制所述输出电路输入端与输出端的正向导通、反向截止；

所述反馈电路，输入端连接所述采样电路，输出端连接所述主处理器反馈口，用于根据所述采样信号，生成所述主处理器的反馈信号。

优选地，所述输入电路包括过流保护电路，用于防止所述主处理器的输入信号过大。

优选地，所述过流保护电路为一过流保护电阻。

优选地，所述驱动电路为一驱动芯片。

优选地，所述驱动芯片输出端连接一续流电路，用于释放感性负载产生的反向电动势。

优选地，所述续流电路为一二极管，阳极接地，阴极连接所述驱动芯片输出端。

优选地，所述开关电路为一二极管，阳极连接所述采样电路，阴极连接所述外部端口。

优选地，所述采样电路为一采样电阻。

优选地，所述反馈电路包括一运算放大器，同、反相输入端分别连接所述采样电阻一端，输出端连接所述主处理器反馈口。

优选地，所述运算放大器输出端与所述主处理器反馈口之间连接一滤波电路。

优选地，所述滤波电路为RC滤波电路。

优选地，所述检测信号为数字量或脉冲信号；所述驱动信号为数字量或PWM信号。

本发明提供的智能模块，包括主处理器及上述端口复用及故障检测电路。

与现有技术相比，本发明可使智能模块输入输出电路共用端口，实现外部故障的在线检测，满足各种控制系统应用的差异化需求，具体而言：

在输出电路上设置开关电路，一方面，消除输入电路对输出电路的影响，避免输入信号过大而造成输出电路元件的损坏；另一方面，输出信号也可经输入电路反馈至主处理器。通过多类型输入输出信号共用端口实现数据采集及信号输出，其同一端口既可以作为输入点，也可以作为输出点；其中，输入和输出电路可共存于一块电路板上并具有统一的外部端口，输入/输出操作互不影响；当输入/输出需要切换使用时无需附加操作即可实现，提高端口使用效率和应用灵活性。

输入信号输出信号复用端口，同一个端口既可以作为输出点，也可以作为输入点反馈信号；由此，可利用输入电路进行外部设备的短路检测，还可方便地利用反馈电路实现外部设备的掉线检测。这些检测仅需占用一个端口即可实现，从而极大地提高了端口的使用效率和控制操作的便捷性，简化了外部设备故障检测功能的实现。

附图说明

图1为本发明端口复用及故障检测电路第一实施例的电路框图；

图2为图1所述电路用于在线检测外部负载短路故障时的流程图；

图3为图1所述电路用于在线检测外部负载掉线故障时的流程图；

图4为本发明端口复用及故障检测电路第二实施例的电路框图；

图5为本发明端口复用及故障检测电路第三实施例的电路框图；

图6为本发明端口复用及故障检测电路第四实施例的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体说明。

请参见图1，该图为本发明端口复用及故障检测电路第一实施例的电路框图。该端口复用及故障检测电路，包括输入电路C100、输出电路C200、反馈电路C300和外部端口P，其中：输入电路C100、输出电路C200共用外部端口P。该端口复用及故障检测电路中，各类型信号处理相对独立，互不影响，从而实现输入输出端口的复用，具体而言：

所述输入电路C100，输入端连接外部端口P，输出端连接主处理器CPU(如DSP等型号)输入口，用于根据外部检测信号，生成主处理器的输入信号。其中，检测信号为数字量或脉冲信号，以便与主处理器输入信号形式一致；也可为模拟信号，此时应加入A/D转换器，在此不再赘述。不失一般性，以下以数字量进行说明。

如图1所示，为防止主处理器的输入信号过大，在输入电路C100中设置过流保护电路C101，具体为过流保护电阻R1。由此，输入数字量或脉冲信号经过R1后直接送入主处理器；其中，脉冲输入检测包括脉冲频率检测和脉冲个数计数两部分，一般地通过检测信号上升沿来实现的，当然也可根据情况选择下降沿实现。

所述输出电路C200，输入端连接主处理器输出口，输出端连接外部端口P；在输出电路C200输入端与输出端之间依次串接驱动电路C201、采样电路C202及开关电路C203，其中：

驱动电路C201，用于根据主处理器的输出信号，生成外部负载L的驱动信号。所述驱动信号一般为数字量或PWM(脉冲宽度调制)信号，也可为模拟信号；不失一般性，对驱动信号以数字量为例进行说明。

特别地，所述驱动电路C201为驱动芯片U1，并在驱动芯片U1输出端连接续流电路C204(具体由二极管D1充当，其阳极接地，阴极连接驱动芯片U1的输出端)，可释放感性负载产生的反向电动势，防止电能累积对驱动芯片U1及内部电路产生影响。

采样电路C202，用于生成述驱动信号的采样信号；该采样信号送入到反馈电路C300进一步处理后生成反馈信号，可以参与控制以及判断负载L的掉线(断路)故障。如图1所示，由一采样电阻R2构成采样电路C202，取其两端电动势作为采用信号，经分析处理后得到主处理器所需的反馈信号。

开关电路C203，用于控制输出电路C200输入端与输出端的正向导通、反向截止，使得输入电路C100不对输出电路C200产生影响。如图1所示，开关电路C203具体由二极管D2充当，其阳极连接采样电路，阴极连接外部端口，可防止检测信号过大而导致驱动芯片U1损坏。

所述反馈电路C300，输入端连接采样电路C202，输出端连接主处理器反馈口，用于根据采样信号，生成主处理器的反馈信号，该反馈信号可用于与主处理器控制，并能够用以判断负载L是否掉线(断路)。

特别地，反馈电路包括运算放大器U2，同、反相输入端分别连接采样电阻R2的一端，输出端通过滤波电路连接主处理器反馈口；其中，该滤波电路为滤波电阻R3、滤波电容C1构成的RC滤波电路。由此，数字量或PWM信号电流经采样电阻R2后，在电阻R2两端产生与电流成正比的小电压；该小电压被引进运算放大器U2放大后，滤波后将波动的电压信号调理成稳定、且与采样电流成正比的电压信号，以参与主处理器控制。

利用上述端口复用及故障检测电路，可方便地实现负载L(如电磁阀)短路、掉线等故障的在线检测，以下进行说明。

如图1所示，向外部电路输出信号时，可同时采集输出点的两路信号进入CPU处理(相当于有两路反馈信号)；由此，通过分析两路信号的采集值大小，可确定外部负载L的故障类型。假定CPU以数字量输出模式给负载L供给高电平，由此驱动负载L：在短路故障时，外部端口P为低电平，使得数字量输入为0；掉线(断路)故障时，通过采样电阻R2的电流为0，使得反馈电路C300的电流反馈值也应当接近0(详见表1示出的外部负载故障判断关系)。

表1外部负载故障判断关系

在故障检测时，由CPU向负载L供给高电平(即数字量输出DO为1)：自动切换到数字量输入模式采集当前端口信息，若数字量输入DI为0，则判断负载短路；若反馈信号为小信号(接近0)，则判断负载掉线。其具体判断过程请分别参见图2、图3，其中：图2为图1所述电路用于在线检测外部负载短路故障时的流程图；图3为图1所述电路用于在线检测外部负载掉线故障时的流程图。

如图2所示，所述示负载短路故障检测流程，具体包括以下步骤：

S201、输出数字量或PWM信号以驱动负载；

S202、切换到数字量输入模式；

S203、采集数字量输入信号；

S204、判断数字量输入信号是否为0，

若是，进入步骤S205；

若否，进入步骤S206；

S205、确认负载发生短路故障；

S206、确认负载未发生短路故障。

该流程中，通过判断数字量输入信号是否为0，可轻易确认负载L是否短路。

如图3所示，所述负载掉线故障检测流程，具体包括以下步骤：

S301、输出数字量或PWM信号以驱动负载；

S302、采集反馈信号；

S303、判断反馈信号是否为0，

若是，进入步骤S304；

若否，进入步骤S305。

S304、确认负载发生掉线故障；

S305、确认负载未发生掉线故障。

该流程中，通过判断所采集反馈信号是否为0，可轻易确认负载L是否掉线。

可以看出，上述故障检测都仅占用一个端口即可实现，节省了端口资源，且应用十分方便。

以上所述端口复用及检测电路，可使智能模块输入输出电路共用端口，实现外部故障的在线检测，满足各种控制系统应用的差异化需求，具体而言：

在输出电路C200上设置开关电路C203，一方面，消除输入电路C100对输出电路C200的影响，避免输入信号过大而造成输出电路C200元件的损坏；另一方面，输出信号也可经输入电路C100反馈至主处理器。通过多类型输入输出信号共用端口实现数据采集及信号输出，其同一端口既可以作为输入点，也可以作为输出点；其中，输入和输出电路可共存于一块电路板上并具有统一的外部端口，输入/输出操作互不影响；当输入/输出需要切换使用时无需附加操作即可实现，提高端口使用效率和应用灵活性。

本发明中，输入信号与输出信号复用端口，同一个端口既可以作为输出点，也可以作为输入点反馈信号；由此，可利用输入电路C100进行外部设备的短路检测，还可方便地利用反馈电路C300实现外部设备的掉线检测。这些检测仅需占用一个端口P即可实现，从而极大地提高了端口的使用效率和控制操作的便捷性，简化了外部设备故障检测功能的实现。

在相同的构思下，本发明也可作适当变化，以下为几个实例。

请参见图4，该图为本发明端口复用及故障检测电路第二实施例的电路框图。图中，开关电路C203为一NPN型的三极管T1，基极、集电极同时与采样电路C202连接，发射极与外部端口P连接；该电路中三极管T1的作用相当于二极管，其它部分与第一实施例相同。

请参见图5，该图为本发明端口复用及故障检测电路第三实施例的电路框图。图中，在驱动芯片U1输出端连接由电阻R4和电容C2构成的RC支路，通过选择合适的充、放电参数，可充分减小反向电动势的影响；其它部分与第一实施例相同。

请参见图6，该图为本发明端口复用及故障检测电路第四实施例的电路框图。与第一实施例相比：在运算放大器U2同、反相输入端并联由R5、R6及C3组成的低通滤波电路；同时，取消了运算放大器U2输出端的滤波电路；这同样可以实现反馈信号的滤波整流作用。

此外，在运算放大器U2的输入端与输出端之间也可设置反馈支路，以维持运算放大器U2放大倍数的恒定，在此不再赘述。

具有上述端口复用及故障检测的智能模块，因输入输出端口复用，可节省端口，降低开发成本，满足用户差异化需求；同时，利用输入输出端口复用的特性，能方便实现外部故障的检测；其通用性强，应用前景较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种端口复用及故障检测电路，其特征在于，包括一输入电路、一输出电路、一反馈电路及一外部端口；其中，

2.如权利要求1所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述输入电路包括过流保护电路，用于防止所述主处理器的输入信号过大。

3.如权利要求2所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述过流保护电路为一过流保护电阻。

4.如权利要求1所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述驱动电路为一驱动芯片。

5.如权利要求4所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述驱动芯片输出端连接一续流电路，用于释放感性负载产生的反向电动势。

6.如权利要求5所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述续流电路为一二极管，阳极接地，阴极连接所述驱动芯片输出端。

7.如权利要求1所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述开关电路为一二极管，阳极连接所述采样电路，阴极连接所述外部端口。

8.如权利要求1所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述采样电路为一采样电阻。

9.如权利要求8所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述反馈电路包括一运算放大器，同、反相输入端分别连接所述采样电阻的一端，输出端连接所述主处理器反馈口。

10.如权利要求9所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述运算放大器输出端与所述主处理器反馈口之间连接一滤波电路。

11.如权利要求10所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述滤波电路为RC滤波电路。

12.如权利要求1-11任一项所述的端口复用及故障检测电路，其特征在于，所述检测信号为数字量或脉冲信号；所述驱动信号为数字量或PWM信号。

13.一种智能模块，其特征在于，包括至少一个如权利要求1所述的端口复用及故障检测电路。

14.如权利要求13所述的智能模块，其特征在于，所述检测信号为数字量或脉冲信号；所述驱动信号为数字量或PWM信号。