CN102087334B - 一种高可靠性数字量采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性数字量采集系统，包括传送24V电压信号的信号连接器、可实现对通道检测的微处理器、能够对采集的数字信号和微处理器产生的控制信号实现去抖功能的CPLD、采集和判断信号的数字量采集模块、模拟开关、以及将向上一级处理装置传送信号的通讯连接器；通过信号连接器接受的24V电压信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给微处理器，再由CPU通过SN1网络经过通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过比较器来判断工作状态。通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，实现对每一路的通道进行自检。
Description
技术领域
本发明涉及一种高可靠性数字量采集检测技术，特别是一种可实现断线自检的采集系统，该发明属于仪器控制领域。
背景技术
近年来，随着自动化技术和计算机技术的飞速发展，高度可靠的电子元器件、精良的制造工艺、完备的冗余手段、先进的自诊断技术，已经使得数字量采集装置的设计提升到一个全新的层面。
图1为现有的数字量采集板卡的示意图，采用了专门的总线系统进行板卡数据传输，具备自检能力，但不具备断线检测的能力，与SN1传输协议进行传输的系统相比，实时性、安全性和可靠性等要求不能很好的得到保证。
中国专利CN100510640公开了一种采样速率可调的高速高精度数据采集卡，是一种以极高信噪比、极高采样速率采集微弱信号的专用设备，阻抗匹配网络的输出端接差分变换器的输入端，差分变换器的输出端接高速高精度模数转换器的模拟输入端，低相位噪声时钟源输出分别接高速高精度模数转换器的时钟输入端和时钟缓冲驱动器的输入端，高速高精度模数转换器接高速FIFO的输入端，高速FIFO中的数据输端出接CPLD控制电路的数据输入端，时钟缓冲驱动器输出经过隔离的同频率时钟信号接CPLD控制电路和接口电路，CPLD控制电路对来自时钟缓冲驱动器的时钟做分频后输出接口电路的输入端。
CN101169635公开了一种多通道数据采集系统，包括采集计算机、采集显示器及采集端打印机，采集计算机安装有多个A/D采集卡和一缓存器，在每个A/D采集卡输入端设有电压隔离调理器，采集计算机通过SN1网络后端连接有控制计算机和回显计算机，控制计算机安装有双屏显示卡，并分别接至主、从显示器以及控制端打印机，回显计算机接有回显显示器以及回显端打印机。本发明还提供了多通道数据采集的方法，优点在于可测量多个通道，适合多信号记录场合，数据和波形的显示和打印方便，具有较高的自动化程度和准确度，有利于实现采集智能化，特别适用于火箭发射、武器试验、石油化工等危险和污染严重的现场信号检测与记录的场合。
现有技术中的数字量采集装置没有自诊断功能、没有断线检测功能，因其可靠性不强难以应用于核电站安全仪控系统中。国外产品分为兼容模式和标准模式，具有对时功能，在现场应用一般不需要，还存在操作模式比较复杂的缺点。由于信号采集的实时性、安全性、可靠性、自诊断的覆盖范围和其他一些因素，目前国内的数字量采集装置还没有在核电站安全级仪控系统中使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的数字量采集系统及采用该系统采集数字量的方法，用于采集经过调理模块调理后的24VDC电压型数字量信号，可实现信号之间不隔离和去抖处理，可在CPU空闲时间实行对通道进行自检，并在现场设备支持断线检测的情况下判断工作状态。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种高可靠性数字量采集系统，包括：传送24V电压信号的信号连接器、可实现对通道检测的微处理器、由CPLD为核心器件组成的去抖电路、采集和判断信号的数字量采集模块、模拟开关、以及将向上一级处理装置传送信号的通讯连接器；通过信号连接器接受的24V电压信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给微处理器，再由CPU通过SN1网络经过通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过比较器来判断工作状态。通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，对每一路的通道进行自检。
本发明的信号连接器传送的24VDC电压信号，还包括第三路经过模块后传送至控制比较模块的电压信号。本发明中，优选所述滤波调压模块包括滤波限流器、调压力器，所述信号连接器传送24V电压信号并通过滤波限流器、调压力器进行滤波和调压处理，然后连接到CPLD进行去抖处理后传送给微处理器。
控制比较模块包括多路器和比较器，实现在设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态。
本发明在微处理器、复杂可编程逻辑器件CPLD与信号连接器之间设置模拟开关，实现对通道的自检；并通过CPLD实现对调理模块发出的数字量信号进行实时的去抖动处理。
传送24VDC电压信号的调理模块包括滤波限流器、调压力器，所述信号连接器传送24V电压信号并通过滤波限流器、调压力器进行滤波和调压处理，然后连接到
本发明的控制比较模块包括多路器和比较器，实现在现成设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态。
所模拟开关模块包括光耦隔离器、场效应管、模拟开关MUX，微处理器将检测信号经场效应管放大后通过模拟开关MUX发送到通道，用于对每一路通道进行自检。
CPU以及CPLD与控制比较模块之间通过光耦隔离连接。
所述可实现对通道检测的微处理器可向通道发送通道自检信号0或1，当现场发送过来的是高电平信号时，微处理器向通道发送0信号；若现场发送过来的是低电平信号时，微处理器向通道发送1信号。
所述可实现对通道检测的微处理器可向通道发送通道自检信号0或1，当现场发送过来的是高电平信号时，微处理器向通道发送1信号；若现场发送过来的是低电平信号时，微处理器向通道发送0信号。
在进行通道自检时，与微处理器连接的模拟开关切换到检测信号上；当检测信号为1时，与复杂可编程逻辑器件CPLD连接的光耦隔离器导通，送给单片机的信号为0，此时通道正常；当检测信号为0时，与复杂可编程逻辑器件CPLD连接的光耦隔离器不导通，送给单片机的信号为1，此时通道正常。
若现场送过来是低电平，而微处理器接收到的是1信号，则需要对通道进行断线检测，在断线检测时候，则通道送给连接光耦隔离器的比较器的反相输入电压为0V，所述比较器输出0信号，所述微处理器将接收到的通道发送过来的信号与通过比较器发送过来的信号进行比较，上述两信号都为1时是通道断线，所述微处理器将接收到的通道发送过来的信号为1而通过比较器发送过来的信号为0时，通道为开路。
通讯通道信号通过电容隔离实现本模块电路与其他通讯信号的隔离，输入信号以及通道信号通过光耦进行隔离。
所述高可靠性数字量采集系统的硬件连接关系为：
(1)传送24DC电压信号的调理模块，包括信号连接器、滤波限流器、调压力器，所述信号连接器传送24V电压信号并进行旅波和调压处理，然后连接到CPLD进行去抖处理后传送给微处理器；
(2)控制比较模块，包括多路器和比较器可实现在现成设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态；下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态；
(3)模拟开关模块，包括光耦隔离器、场效应管、模拟开关MUX，微处理器将检测信号0/1经场效应管放大后通过模拟开关MUX发送到通道，用于对每一路通道进行自检。
还设有自监视功能，所述微处理器还设有内存自监视程序和电源自监视程序。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：
1输入信号故障判断
支持对输入信号故障的诊断功能，对输入信号做出正确反应。
2通道自检测
支持对采集通道的自检测，通过微处理器的定期检测确保通道正常工作。
3去抖功能
具有信号去抖功能，去抖时间在0～32ms之间，可通过软件配置，提高信号清晰度。
4断线检测
若现场设备具有标准触点支持断线检测，则本装置可以通过设置标准判断程序实现通过比较器来判断出正常、开路、断线三种工作状态。
5自诊断功能
对电源、MCU内存进行自诊断。
附图说明
图1为本发明高可靠性数字量采集系统的原理示意图；
图2为本发明高可靠性数字量采集系统原理框图；
图3为本发明高可靠性数字量采集系统的硬件原理框图；
图4为本发明高可靠性数字量采集系统软件流程图。
具体实施方式
本发明高可靠性数字量采集装置为32路电压型输入采集装置。它用于采集经过调理模块调理后的24VDC电压型数字量信号，信号之间不隔离。装置将采集到的数字量信号经过CPLD去抖后，直接上传给CPU。在CPU空闲时间，通过模拟开关的切换，用CPU给通道送0、1信号，实现对每一路的通道进行自检。若现场设备支持断线检测，则该装置可以实现通过比较器来判断出正常、开路、断线三种工作状
如图1、2所示，一种高可靠性数字量采集系统，包括：传送24V电压信号的信号连接器、可实现对通道检测的微处理器、对所采集的数字信号去抖以及对可实现对微处理器发送的控制信号去抖的复杂可编程逻辑器件CPLD、采集和判断信号的数字量采集模块、模拟开关、以及将向上一级处理装置传送信号的通讯连接器；通过信号连接器接受的24V电压信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给微处理器，再由CPU通过SN1经过通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过控制比较模块来判断工作状态。通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，对每一路的通道进行自检。
如图1、3所示，本发明的信号连接器传送的24VDC电压信号，还包括第三路经过滤波调压模块后传送至控制比较模块的电压信号。本发明中，优选所述滤波调压模块包括滤波限流器、调压力器，所述信号连接器传送24V电压信号并通过滤波限流器、调压力器进行滤波和调压处理，然后连接到CPLD进行去抖处理后传送给微处理器。
如图1、3所示，控制比较模块包括多路器和比较器，实现在设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态；
本发明在微处理器、复杂可编程逻辑器件CPLD与信号连接器之间设置模拟开关，实现对通道的自检；并通过CPLD实现对调理模块发出的数字量信号进行实时的去抖动处理
本发明的控制比较模块包括多路器和比较器，实现在现成设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态；
所模拟开关模块包括光耦隔离器、场效应管、模拟开关MUX，微处理器将检测信号经场效应管放大后通过模拟开关MUX发送到通道，用于对每一路通道进行自检。
CPU以及CPLD与控制比较模块之间通过光耦隔离连接。
本发明的数字量采集模块包括光耦器件、模拟电路，用于采集和判断信号。
图3为高可靠性数字量采集装置的硬件原理框图，信号通过48针信号连接器从现场引入本板，系统24V电源通过通讯连接器送到装置。
如图1、3所示，CPU以及CPLD与控制比较模块之间通过光耦隔离连接。
模拟开关与比较模块相连接，具体的说模拟开关与比较模块的多路器相连接。
其信息连接关系具体如下：
首先由信号连接器导入电压信号，通过滤波和调压对输入电压信号进行调理，然后发送给比较器和多路器。其中由CPLD进行去抖动处理，待抖动处理完毕，CPLD将外部输入信号的数字量采集结果发送给CPU；同时CPLD控制多路器将去抖动后的外部输入信号送给比较器，由比较器进行比对，并将比对结果反馈给CPU。CPU通过将数字量采集结果和比较器的比对结果进行对比，就可以确认当前是运行正常还是出现断线情况。
同时微处理器通过模拟开关可控制通道的开闭，并可发送检测信号确认通道当前工作状态，是否正常工作。
同时比较器通过比较通道内电信号与输入电信号的数值用于确认当前是开路还是断线，并将结果发送给微处理器，微处理器获得该信号后对多路器做出响应。
通过信号连接器过来的24V电压信号，一路经过CPLD进行去抖处理后直接上传给CPU，再由CPU通过SN1网络经过通讯连接器送给上一级的处理装置；另一路经过分压采样后送给比较器，在现场设备支持断线检测的情况下，可以通过比较器来判断出正常、开路、断线三种工作状态。通过模拟开关MUX的切换，用CPU给通道送0、1信号，实现对每一路的通道进行自检。
正常情况下，周期循环地进行32通道的DI信号采集，在经过固定时间采样后，再进行一次通道的自检。现场送过来高电平时，光耦导通，送给单片机的信号是0；现场送过来低电平时，光耦不导通，送给单片机信号是1。在进行通道自检时，通过模拟开关MUX切换到检测信号上，则当检测信号是1时，光耦导通，送给单片机的信号是0时说明通道正常；当检测信号是0时，光耦不导通，送给单片机信号是1时说明通道正常。若现场送过来的是低电平，而单片机接收到的是1信号时，需要进行一下断线检测。如果是断线，则通道送给比较器的反相输入端的电压是0V，比较器的同相输入端的基准电压是V1，其中0V＜V1＜0.8V，比较器输出1；如果是开路，则通道送给比较器的反相输入端的电压是0.8V，比较器的同相输入端的基准点压是V1，比较器输出0信号，根据单片机接收到的通道送过来的信号和通过比较器送过来的信号的比较，两者都为1时是断线，前者为1后者为0时是开路。
通讯通过电容隔离实现本模块电路与底板通讯信号的隔离，其他信号通过光耦进行隔离。
如图4所示，本发明高可靠性数字量采集系统采集数字亮的方法包括如下步骤：软件功能：首先为系统初始化，包括看门狗、SN1网络初始化，然后通道采样寄存器CPU始化。
通道进行电压信号采集工作。
采集结果上传到微处理器并通过通讯连接器发送到显示端。
断线检测寄存器在CPU初始化。
断线检测检测到的板卡外部信号源输入给采集板卡，来判断通道是否有断线，短路等情况。
处理器将检测结果通过通讯连接器发送到显示端。
对采集次数进行判断并通过多路器控制通道开路或者断线。
通道自检寄存器初始化。
CPU通过模拟开关SPDT对通道进行信号检测。
比较器将通道信号与输入信号进行对比并将对比结果发送到微处理器。
处理器将信息处理为SN1可识别的信息，在通过网络变压器将信号转化为交流信号，最后通过通讯连接器发送出去。
本系统功能归纳如下：
1初始化MCU
初始化MCU的硬件资源，包括时钟频率选择，工作模式选择，寄存器配置，端口寄存器设置，端口寄存器方向设置等，软件参数归零等。
2通道采集
采集32路电压信号，并且能保证对通道信号正确采集。
3自检测驱动配置
软件实现对采集通道的自检测配置和驱动。
4自监视
采集信号自监视，MCU内存自监视和电源自监视。
5通信数据解析
根据SN1协议，解析SCU发给DIS板卡的命令。
6通信数据组包
根据SN1协议，将上报的数据整理成SN1规定的格式。
7质量位处理
根据SN1协议，SN1的数据帧包含质量位，根据数据和状态对质量位做相应的操作。
高可靠性数字量采集系统采集数字量的方法包括：外部通过调理后的多路24VDC电压型数字信号分别通过该数字量采集系统的滤波、电压调节后分别送入到多路模拟开关和比较器模块中产生不同的状态信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给处理微器CPU，再由CPU通过SN1经过通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过比较器来判断工作状态，通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，对每一路的通道进行自检。
Claims (11)
1.一种高可靠性数字量采集系统，包括：传送24V电压信号的信号连接器、可实现对通道检测的微处理器、由CPLD为核心器件组成的去抖电路、采集和判断信号的数字量采集模块、模拟开关、滤波调压模块、以及将向上一级处理装置传送信号的通讯连接器；该数字量采集系统通过信号连接器接收的24V电压信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给处理微器CPU，再由CPU通过SN1网络经通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过比较器来判断工作状态，通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，对每一路的通道进行自检。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于，所述信号连接器传送的24V直流电压信号，还包括第三路经过滤波调压模块后传送至控制比较模块的电压信号，所述滤波调压模块包括滤波限流器、调压力器，所述信号连接器传送24V电压信号并通过滤波限流器、调压力器进行滤波和调压处理，然后连接到CPLD进行去抖处理后传送给微处理器进行处理。
3.根据权利要求2所述的高可靠性数字量采集系统，其特征在于，控制比较模块包括多路器和比较器，实现在设备支持断线检测的情况下通过比较器来判断出正常/开路/断线三种工作状态。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：微处理器将检测信号经过光耦隔离器隔离、经场效应管放大后通过模拟开关发送到信号连接器上，实现了对每一路通道进行自检。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：所述可实现对通道检测的微处理器向通道发送通道自检信号0或1，当现场发送过来的是高电平信号时，微处理器向通道发送0信号；若现场发送过来的是低电平信号时，微处理器向通道发送1信号。
6.根据权利要求4所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：所述可实现对通道检测的微处理器可向通道发送通道自检信号0或1，当现场发送过来的是高电平信号时，微处理器向通道发送1信号；若现场发送过来的是低电平信号时，微处理器向通道发送0信号。
7.根据权利要求4所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：在进行通道自检时，与微处理器连接的模拟开关MUX切换到检测信号上；当检测信号为1时，与CPLD连接的光耦隔离器导通，送给单片机的信号为0，此时通道正常；当检测信号为0时，与CPLD连接的光耦隔离器不导通，送给单片机的信号为1，此时通道正常。
8.根据权利要求4所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：若现场送过来是低电平，而微处理器接收到的是1信号，则需要对通道进行断线检测，在断线检测时候，则通道送给连接光耦隔离器的比较器的反相输入电压为0V，所述比较器输出0信号，所述微处理器将接收到的通道发送过来的信号与通过比较器发送过来的信号进行比较，上述通道发送过来的信号与通过比较器发送过来的信号都为1时是通道断线，所述微处理器接收到的通道发送过来的信号为1而通过比较器发送过来的信号为0时，通道为开路。
9.根据权利要求6所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：通讯通道信号通过电容隔离实现本模块电路与其他通讯信号的隔离，输入信号以及通道信号通过光耦进行隔离。
10.根据权利要求1所述的一种高可靠性数字量采集系统，其特征在于：还设有自监视功能，所述微处理器还设有内存自监视程序和电源自监视程序。
11.采用权利要求1-10任何一项所述的一种高可靠性数字量采集系统采集数字量的方法，其特征在于：该方法包括：外部通过调理后的多路24VDC电压型数字信号分别通过该数字量采集系统的滤波、电压调节后分别送入到多路模拟开关和比较器模块中产生不同的状态信号，第一路经过模拟开关和数字量采集模块后，由CPLD进行去抖处理后直接上传给处理微器CPU，再由CPU通过SN1网络经过通讯连接器送给上一级的处理装置；第二路经过分压采样后送给控制比较模块，再经CPLD传送给CPU；在现场设备支持断线检测的情况下，通过比较器来判断工作状态，通过模拟开关的切换，用微处理器给通道发送信号，对每一路的通道进行自检。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100084 No. 1, Nongda South Road, No. 9, bright city, Silicon Valley, Beijing, Haidian District Patentee after: Beijing Guangli Nuclear Power Co., Ltd. Patentee after: China General Nuclear Power Corporation Address before: 100084 No. 1, Nongda South Road, No. 9, bright city, Silicon Valley, Beijing, Haidian District Patentee before: Beijing Guangli Nuclear Power Co., Ltd. Patentee before: China Guangdong Nuclear Power Group Co., Ltd. |