CN101995826B - 一种高可靠性模拟量输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高可靠性模拟量输出装置，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、CPLD及通讯电路，电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信号；D/A转换模块一端与电流驱动模块连接，另一端通过串行外围设备接口SPI与MCU连接；A/D输出回读模块一端与电流驱动模块连接，另一端与串行外围设备接口SPI连接；D/A转换模块通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输入DA芯片中控制DA输出，电流驱动电路模块上设有报警输出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D输出回读模块处理，通过SPI口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。

Description

一种高可靠性模拟量输出装置

技术领域

本发明涉及一种高可靠性模拟量输出装置，属于大型操作系统的信号输出领域。 

背景技术

DCS是数字控制系统(Digital Control System)的简称，国内一般习惯称为数字控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。 

DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。 

控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器。 

目前通用的IO模块包括：AI为模拟量输入信号；AO为模拟量输出信号；DI为数字量输入信号；DO为数字量输出信号，其中作为控制驱动模拟信号执行机构动作的AO模块，目前现有技术和产品其基本的设计结构和原理大体如图1所示： 

模拟量输出模块作为的现场控制站的输出控制IO节点，通过现场总线通讯接收组态下发的各通道配置输出值数据，在本地进行数模转换后，由电流驱动电路输出电流。 

现有工业应用模拟量输出模块，从核安全级仪控系统智能IO板卡应用角度考虑，在产品可靠性方面无法满足要求，具体的说，普通的模拟量输出模块仅仅在功能上满足正常使用在产品运行可靠性保证，以及故障诊断，运行自监视以及通讯独立性等等方面，核安全级智能IO板卡需要具备的性能上没有很好的实现。 

DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备。 

现场控制站(FCS)接收来自工业控制现场的传感器或变送器的信号，进行运算处理后，发送给现场的执行器，完成对现场设备的控制，并通过网络与外界交换数 据。FCS可以理解为具备输入输出和数据处理功能的数字计算机，通过输入板卡采集现场仪表的数据，数据运算板卡处理完成信号转换和逻辑运算功能，通过输出板卡输出信号到现场执行器。 

模拟量输出板卡作为FCS中完成输出模拟信号功能的智能IO板卡，在通用DCS系统中经过几十年的发展，其应用已经比较成熟，如北京和利时公司的针对核电站常规岛非安全级系统开发的NM系列产品中，其模拟量输出模块在沿用常规模拟量输出设计基本思路的情况下，已经增加开发了一些如DA输出回读，热插拔等功能，产品的安全性和可靠性已经比常规电厂DCS系统有了一定幅度的提高。 

发明内容

本发明是针对目前现有模拟量输出装置产品的可靠性无法满足核站安全级仪控系统的要求，提供一种高可靠性模拟量输出装置。 

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种高可靠性模拟量输出装置的设计，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、复杂逻辑编程控制器及通讯电路组成，其特征在于：所述的电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接输出电流信号；D/A转换模块为数字信号转换为模拟信号的芯片，D/A转换模块的一端与电流驱动模块连接，D/A转换模块的另一端通过串行外围设备接口SPI与MCU连接；A/D输出回读模块为将模拟量转换为数字量的转换器，A/D输出回读模块的一端与电流驱动模块连接，A/D输出回读模块的另一端与串行外围设备接口SPI连接；所述模拟量D/A转换模块通过SNI总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输入DA芯片中，控制DA输出，DA输出的电压经电流驱动电路模块输出信号，电流驱动电路模块上设有报警输出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读输出信号，回读的输出信号经A/D输出回读模块处理，通过SPI口送回板卡MCU，MCU与通道设定值进行比较判断输出状态。 

所述电流驱动器内部集成I_A检测负载两端电压，I_AOUT输出成比例电流信号，配置采样电阻R_IA，将配置采样电阻R_IA上的电压输入AD，通过AD输出值结合当前通道输出电流值，即可计算获得通道负载阻抗。 

所述电流驱动器计算获得通道负载阻抗的步骤具体设计如下： 

考虑板卡输出电流信号I_OUT时，驱动负载不低于HRS连接器电阻R_HRS，按照负 载固定数值时R_IA上采样电压为U，配置电阻R_GAIN，R_IA分别选取固定的电阻值： 

根据电流驱动器内部仪放部分工作原理满足如下公式： 

$V_{\mathrm{IA}}=\frac{{2R}_{\mathrm{IA}}}{R_{\mathrm{GAIN}}}\×V_{\mathrm{IN}}$ V_IN＝I_out×R_LOAD

按照上面公式计算可以实现电流输出I_OUT的值； 

电流驱动器中的EFLD引脚为芯片对输出状态负载监控的引脚，当电流驱动器工作电流输出正常值时，负载增加到芯片无法按照输入电压输出正常电流时，该引脚将置低电平，表明负载过大或开路； 

EFCM引脚为芯片监控内部I_A共模输入范围报警输出，当负载两端电压超过电流驱动器内部I_A输入共模电压范围[(V-)+3～(V+)-3]时，EFCM引脚将输出低电平；此信号将用于保证I_A测量值的正确性。 

所述一种高可靠性模拟量输出装置采取在输出信号终端进行输出电路信号回读处理，所述输出电路信号回读处理为在板卡输出通道最末端的电流环路上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压降，经A/D回读通过SPI口送回板卡MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据的基准。 

D/A转换模块中的数字信号转换为模拟信号的芯片采用冗余设计；A/D输出回读模块中的模拟量转换为数字量的转换器采用冗余设计。 

在板卡输出通道最末端的电流环路上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压降，经A/D回读通过SPI口送回板卡MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据的基准。 

SN1总线驱动部分使用网络变压器实现本板卡电路与底板通讯信号的隔离，MCU在与D/A和A/D的SPI通讯采用高速数字隔离器进行隔离，其它低速数字信号通过光耦进行隔离，8路输出通道之间不隔离。 

板卡支持定期检测各通道DA控制器芯片的正常响应动态输入信号正常输出，在对上述通道进行检测时将变换输入码值验证DA芯片能够正常响应输出，这个检测为在线完成的，此时对应上述通道电流输出功能保持不受影响，对DA控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个2∶1模拟开关控制选择常闭触点端对外输出进入电流驱动输出芯片。 

MCU通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输入DA芯片中，控制DA输出。D/A输出的电压经电流驱动器输出信号。同时在最末端的输出通道上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压降，经A/D回读通过SPI口送回板卡MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据。 

现有最好的技术相比，本发明具有以下优点： 

(1)通讯电路独立性； 

(2)实现全通道自检测，输出回读能够在板卡输出最终端上进行，即输出电流环上的实际输出电流，大大提高了输出回读检测覆盖率； 

(3)板卡关键电路周期性自检测，对板卡上影响安全输出的关键电路部分，能够定期的进行自诊断，验证板卡的硬件电路好坏； 

(4)对电流输出负载故障预诊断，在故障监视及自诊断方面进行了相当程度的加强，如实现对输出断路以及输出负载预先检测判断； 

(5)具备安全输出功能。 

附图说明

图1为现有技术和产品的基本设计结构和原理图； 

图2为一种高可靠性模拟量输出装置板卡功能框图； 

图3为一种高可靠性模拟量输出装置硬件原理框图； 

图4为电流驱动器电流输出图； 

本发明的一种高可靠性模拟量输出装置由8路电流输出板卡，D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、复杂逻辑编程控制器CPLD及通讯电路组成。板卡通过SN1总线通讯协议接收操作站设定各通道的输出码值送入D/A控制器，D/A输出的电压值经驱动输出电路输出电流；同时采样输出通道上的电流并通过A/D回读上报MCU与通道设定值进行比较确定输出是否正常；板卡能够检测MCU自身工作状态情况，支持实时的运行状态、通信状态、故障报警指示，并具有电流输出开路、负载故障检测功能。 

功能框图见图2。 

英文缩写说明： 

DA Controler是DAC芯片； 

AD Controler是ADC芯片； 

V-I Driver：工业级压流转换驱动芯片这部分代表IO板卡与上位机通讯采用的自定义以太网总线SN1公共电路，即所有的IO板卡使用这部分电路实现与上位机系统的实时通讯； 

CSS Board：为另外一块板卡，提供SN1物理链路，成为IO通讯转接板卡； 

说明：MCU与ADC和DAC通讯采用SPI接口，CPLD为复杂可编程逻辑器件的简称，内部逻辑可编程，用于实现一些不需要MCU操控的逻辑控制操作。 

图3为板卡的硬件原理框图，板卡通过48针通讯连接器与底板相连，8路电流信号通过48针信号连接器送到现场。系统电源通过通讯连接器送到板卡，现场电源通过信号连接器送到板卡。板卡与IO通讯板卡间通过SN1总线进行通讯。 

MCU通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过SPI口各通道输的DA芯片中，控制DA输出。D/A输出的电压经电流驱动器输出信号。同时在最末端的输出通道上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个小电阻上的压降，经MD回读通过SPI口送回板卡MCU，与对应通道设定值进行比对，作为通道输出正常的判据。 

此外由于板卡要求诊断输出通道开路及负载故障，故利用电流驱动器内部集成的I_A测量负载端电压，并从I_AOUT引脚采样按照一定比例输出的电流值，这部分数值结合电流驱动器的报警输出信号EFCM和EFLD可用来判断当前通道负载状况。 

MCU根据电流驱动器的故障信息以及A/D回读数据和输出到D/A数据的比较结果，来判断整个输出通道是否工作正常，并可以诊断对应的故障状态，如果通道有故障或者板卡本身故障，则上传故障诊断信息。 

SN1总线驱动部分使用网络变压器实现本板卡电路与底板通讯信号的隔离，MCU在与MD和D/A的SPI通讯采用高速数字隔离器进行隔离，其它低速数字信号通过光耦进行隔离，8路输出通道之间不隔离。 

输出负载测量设计： 

如图4所示利用电流驱动器内部集成I_A检测负载两端电压，I_AOUT输出成比例电流信号，配置采样电阻R_IA，将R_IA上的电压输入A/D，通过AD输出值结合当前通道输出电流值，即可计算获得通道负载阻抗。具体设计如下： 

根据电流驱动器内部仪放部分工作原理满足如下公式： 

$V_{\mathrm{IA}}=\frac{{2R}_{\mathrm{IA}}}{R_{\mathrm{GAIN}}}\×V_{\mathrm{IN}}$ V_IN＝I_out×R_LOAD

按照上面公式计算可以实现电流输出I_OUT的值； 

电流驱动器中的EFLD引脚为芯片对输出状态负载监控的引脚，当电流驱动器工作电流输出正常值时，负载增加到芯片无法按照输入电压输出正常电流时，该引脚将置低电平，表明负载过大或开路； 

EFCM引脚为芯片监控内部I_A共模输入范围报警输出，当负载两端电压超过电流驱动器内部I_A输入共模电压范围[(V-)+3～(V+)-3]时，EFCM引脚将输出低电平；此信号将用于保证I_A测量值的正确性。 

DA输出动态检测功能设计： 

电流输出板卡能够支持定期检测各通道DA控制器芯片是否还能够正常响应动态输入信号正常输出，在对某通道进行检测时将变换输入码值验证DA芯片是否能够正常响应输出。 

这个检测应该是在线完成的，故此时对应通道电流输出功能应该要求保持不受影响，故对DA控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个2:1模拟开关，控制选择常闭触点端对外输出进入电流驱动输出芯片。 

该状态为板卡完成正常的模拟量输出功能时所处的状态，一旦启动进行DAC动态检测功能时： 

(1)首先MCU通过SPI接口控制备用的DAC芯片输出当前通道正在保持输出的电压； 

(2)通过GPIO脚控制模拟开关触点位置，使触点开关移动到NO位置，即常开触点，模拟开关切换的速度是很快的，在ns级，故对外正常输出功能不会受到影响； 

(3)接下来将对之前一直作为主芯片工作的DAC芯片响应动态输入命令变化输出的功能进行检测，即进行DAC动态输出检测，具体操作是，由单片机通过SPI接口对这片待测DAC芯片写入一系列变化的码值，由一片ADC芯片采集该DAC的输出，检查其响应是否正确，若正确则该DAC芯片的动态响应测试通过，若不正确说明该片DAC损坏，需要报警。 

GPIO：标识由单片机的通用IO引脚给出的控制信号，用于控制模拟开关的触点位置，其中NC常闭触点，NO常开触点。 

电流输出板卡能够支持定期检测各通道DA控制器芯片是否还能够正常响应动态输入信号正常输出，在对某通道进行检测时将变换输入码值验证DA芯片是否能够正常响应输出。 

这个检测应该是在线完成的，故此时对应通道电流输出功能应该要求保持不受影响，故对DA控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个2∶1模拟开关控制选择常闭触点端对外输出进入电流驱动输出芯片。 

该状态为板卡完成正常的模拟量输出功能时所处的状态，一旦启动进行DAC动态检测功能时： 

(1)首先MCU通过SPI接口控制备用的DAC芯片输出当前通道正在保持输出的电压； 

(2)通过GPIO脚控制模拟开关触点位置，使触点开关移动到NO位置，即常开触点，模拟开关切换的速度是很快的，在ns级，故对外正常输出功能不会受到影响； 

(3)将对之前一直作为主芯片工作的DAC芯片响应动态输入命令变化输出的功能进行检测，即进行DAC动态输出检测，具体操作是，由单片机通过SPI接口对这片待测DAC芯片写入一系列变化的码值，由一片ADC芯片采集该DAC的输出，检查其响应是否正确，若正确则该DAC芯片的动态响应测试通过，若不正确说明该片DAC损坏，需要报警。 

板卡能够支持定期检测各通道DA控制器芯片是否还能够正常响应动态输入信号正常输出，在对某通道进行检测时将变换输入码值验证DA芯片是否能够正常响应输出，这个检测应该是在线完成的，故此时对应通道电流输出功能应该要求保持不受影响，故对DA控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个2∶1模拟开关控制选择常闭触点端对外输出进入电流驱动输出芯片。 

Claims (6)

1.一种高可靠性模拟量输出装置，所述模拟量输出装置包括D/A转换模块、电流驱动输出模块、A/D输出回读模块、MCU、复杂逻辑编程控制器及通讯电路组成，其特征在于：所述电流驱动输出模块为电流驱动器，电流驱动器与信号连接器连接后输出电流信号；D/A转换模块为数字信号转换为模拟信号的芯片，D/A转换模块的一端与电流驱动模块连接，D/A转换模块的另一端通过串行外围设备接口SPI与MCU连接；A/D输出回读模块为将模拟量转换为数字量的转换器，A/D输出回读模块的一端与电流驱动输出模块连接，A/D输出回读模块的另一端与串行外围设备接口SPI连接；所述D/A转换模块通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过串行外围设备接口SPI口各通道输入D/A转换模块中，控制D/A转换模块输出，D/A转换模块输出的电压经电流驱动输出模块输出信号，电流驱动输出模块上设有报警输出信号EFCM和EFLD及在电流输出总线末端设置信号回读的输出信号，回读的输出信号经A/D输出回读模块处理，通过串行外围设备接口SPI口送回MCU，MCU与D/A转换模块的通道设定的码值进行比较并判断D/A转换模块输出是否正确。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于：所述电流驱动器内部集成IA芯片以检测负载两端电压，IA芯片的IA_OUT引脚输出成比例电流信号，配置设置在电流驱动器电流输出通道末端的采样电阻R_IA，将采样电阻R_IA上的电压输入A/D输出回读模块，通过A/D输出回读模块的输出值结合当前通道输出的电流值，计算并获得通道负载的阻抗。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于：电流驱动器采取在输出信号终端进行输出电路信号回读处理，所述输出电路信号回读处理为在电流驱动器输出通道最末端的电流环路上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个检测电阻上的压降，经A/D输出回读模块通过串行外围设备接口SPI口送回MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据的基准。

4.根据权利要求3所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于：所述D/A转换模块中的数字信号转换为模拟信号的芯片采用冗余设计；A/D输出回读模块中的模拟量转换为数字量的转换器采用冗余设计。

5.根据权利要求4所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于：板卡支持定期检测各通道D/A转换模块内控制器芯片正常响应动态输入信号的正常输出，在对上述通道进行检测时，将根据变换输入码值来验证D/A转换模块内控制器芯片是否能够正常响应输出，这个检测为在线完成的，此时为对应上述通道电流输出功能保持不受影响，对D/A转换模块的控制器芯片采用了冗余设计，每个通道均由一个2：1模拟开关控制选择常闭触点端对外输出。

6.根据权利要求1所述的一种高可靠性模拟量输出装置，其特征在于：MCU通过SN1总线接收IO通信单元板卡下行的配置数据，并将配置数据通过串行外围设备接口SPI口各通道输入D/A转换模块的控制器芯片中，控制D/A转换模块的输出；D/A转换模块输出的电压经电流驱动器输出信号；同时在最末端的输出通道上串接一个小阻值的检测电阻，通过采样这个检测电阻上的压降，经A/D输出回读模块通过串行外围设备接口SPI口送回MCU，与对应通道设定值进行比对，做为通道输出正常的判据。

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