CN102183720A - 一种安全型数字量采集电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全型数字量采集电路及其实现方法。其中，所述电路,包括数字量信号生成单元、检测用信号生成单元、数字量输入单元、处理单元；检测用信号生成单元用来产生检测信号以及与检测信号同周期的参考信号；数字量输入单元，用来采集数字量信号和检测信号叠加产生的信号，并输送给处理单元；处理单元用来对数字量信号进行读取，并借助参考信号和检测信号对数字量输入单元进行检测；其中，述检测用信号生成单元与数字量信号生成单元并联接入数字量输入单元；处理单元分别与数字量输入单元和检测用信号生成单元连接。本发明解决了现有采集电路虽然可以实现对自身电路的自检，但缺乏实时性，不能第一时间发现故障存在的技术问题。

Description

一种安全型数字量采集电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及铁路信号技术和工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种安全型数字量采集电路及其实现方法。

背景技术

在绝大多数工业自动化控制和铁路信号采集中都不可避免地会涉及数字量采集的问题，数字量信号采样的准确可靠性对于整个测控系统以及列控系统能否正常稳定可靠地工作，起着重要的作用。当前，数字量信号采集电路的发展重点基本上集中在提高采集精度，增强抗干扰能力，降低功耗以及防腐蚀、冲击、震动等方面，缺乏对采集电路本身安全性的检测；而已有的对自身电路进行自检的设计又缺乏实时性，不能第一时间发现故障的存在。如果采集电路本身的线路由于物理挤压、线路自身老化，老鼠破坏等不可抗原因出现断线，或者由于受潮，橡胶皮脱落等原因出现短路，现场信号无法传送至处理器，使得处理单元不能正确、及时地接收到现场指令信号，这将会大大降低检测信号的真实性与控制系统的可靠性，使系统存在安全隐患。故，目前迫切需要一种能对自身电路进行实时自检的数字量采集电路。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种安全型数字量采集电路及其实现方法，以解决现有采集电路虽然可以实现对自身电路的自检，但缺乏实时性，不能第一时间发现故障存在的技术问题。

一种安全型数字量采集电路, 包括用来生成数字量信号的数字量信号生成单元、 检测用信号生成单元、数字量输入单元、处理单元；

所述检测用信号生成单元用来产生检测信号以及与检测信号同周期的参考信号；

所述数字量输入单元，用来采集数字量信号和检测信号叠加产生的信号，并输送给处理单元；

所述处理单元用来对数字量信号进行读取，并借助参考信号和检测信号对数字量输入单元进行检测；

其中，所述检测用信号生成单元与所述数字量信号生成单元并联接入数字量输入单元；所述处理单元分别与所述数字量输入单元和检测用信号生成单元连接。

较佳地，所述检测用信号生成单元包括信号生成子单元、检测信号放大子单元；

所述信号生成子单元用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号，以及为处理单元提供检测用参考信号；

所述检测信号放大子单元用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

所述信号生成子单元分别与所述检测信号放大子单元及处理单元连接；所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

较佳地，所述检测信号放大子单元包括光电耦合器、三极管、电阻，所述光电耦合器的一个输入端通过电阻接第一电源，另一个输入端接检测用信号生成单元；所述光电耦合器的一个输出端接第二电源，另一个输出端通过电阻接三极管的基极；所述三极管的集电极接第二电源，其发射极与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

较佳地，所述数字量输入单元包括光电耦合器、二极管、电容和电阻，光电耦合器的输入端并联有二极管和电容，且该述光电耦合器的一个输入端连接并联的检测信号放大子单元与数字量信号生成单元，另一个输入端接地；该述光电耦合器的一个输出端接电源，另一个输出端连接处理单元，并且通过电阻接地。

较佳地，所述信号生成子单元为脉冲发生器。

较佳地，所述检测用信号生成单元包括原始检测信号生成子单元、检测信号放大子单元、参考信号生成子单元；

所述原始检测信号生成子单元与所述检测信号放大子单元连接在一起，用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号；

所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元，用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

参考信号生成子单元与所述处理单元连接在一起，用来产生检测用参考信号。

一种安全型数字量采集电路实现方法，其包括下列步骤：

1）提供一种安全型数字量采集电路，包括用来生成数字量信号的数字量信号生成单元、检测用信号生成单元、数字量输入单元、处理单元；

其中，所述检测用信号生成单元与所述数字量信号生成单元并联接入数字量输入单元；所述处理单元分别与所述数字量输入单元和检测用信号生成单元连接；

2）由检测用信号生成单元产生参考信号；

3）由检测用信号生成单元产生检测信号；

4）数字量信号生成单元产生数字量信号；

5）检测信号和数字量信号进行叠加；

6）检测信号和数字量信号叠加后输入数字量输入单元；数字量输入单元对该叠加信号处理后输入处理单元；

7）处理单元通过对比检测信号和从数字量输入单元输入的信号的时序图，实现对数字量信号的读取和相关的故障报警。

较佳地，1）中的检测用信号生成单元包括信号生成子单元、检测信号放大子单元；

所述信号生成子单元用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号，以及为处理单元提供检测用参考信号；

所述检测信号放大子单元用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

所述信号生成子单元分别与所述检测信号放大子单元及处理单元连接；所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

较佳地，3）进一步包括：

由信号生成子单元产生原始检测信号；

原始检测信号输入检测信号放大子单元，得到需要幅值的检测信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过叠加检测信号和数字量信号，处理单元即可对线路的安全性进行实时检测，它的主要目的是：不影响数字量输入单元的采集精度和抗干扰能力的前提下，处理单元实现对数字量输入单元的实时检测，及时发现故障信息，该发明易于集成到已有的数字量输入电路，而且检测方法简单，可对现有的数字量输入单元进行安全改造。

附图说明

图1为本发明实施例1的模块结构示意图；

图2为本发明实施例1的电路原理图；

图3为本发明实施例1的电路自检示意图；

图4为本发明实施例1的方波检测信号；

图5为本发明实施例1的检测数字量输入单元的安全性和读入开关量软件流程图；

图6为本发明实施例1开关未闭合时检测信号通过数字量输入单元的时序图；

图7为本发明实施例1开关闭合时检测信号通过数字量输入单元的时序图；

图8为本发明实施例2的模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的描述：

实施例1

如图1，一种安全型数字量采集电路500, 包括用来生成数字量信号的数字量信号生成单元2、检测用信号生成模1、数字量输入单元3、处理单元4；

检测用信号生成单元1用来产生检测信号以及与检测信号同周期的参考信号；

数字量输入单元3，用来采集数字量信号和检测信号叠加产生的信号，并输送给处理单元4；

处理单元4用来对数字量信号进行读取，并借助参考信号和检测信号对数字量输入单元3进行检测；

其中，检测用信号生成单元1与数字量信号生成单元2并联接入数字量输入单元3；处理单元4分别与数字量输入单元3和检测用信号生成单元1连接。

在本实施例中，检测用信号生成单元1包括信号生成子单元11、检测信号放大子单元12。

信号生成子单元11用来向检测信号放大子单元12提供实时的原始检测信号，记作PHI0；信号生成子单元11还为处理单元4提供检测用参考信号PHR。

检测信号放大子单元12用来放大原始检测信号PHI0，从而得到需要幅值的检测信号，记作PHI。

信号生成子单元11分别与检测信号放大子单元12及处理单元4连接；检测信号放大子单元11与数字量信号生成单元2并联接入数字量输入单元3。

如图2，在本实施例中，信号生成子单元11为一个外接脉冲发生器，其设置有A1端口、A2端口。该脉冲发生器通过A1端口向检测信号放大子单元12提供一定频率的脉冲方波，保证产生实时检测信号，同时通过A2端口向处理单元4输送参考信号。

在本实施例中，数字量信号生成单元2为一个接有110V电源的开关K，其输出的数字量信号为其开关量。

检测信号放大子单元12包括光电耦合器U1、三极管Q1、电阻R1、R2，光电耦合器U1的一个输入端通过电阻R1接24V电源，另一个输入端接脉冲发生器的用于输出原始检测信号PHI0的A端口；光电耦合器的一个输出端接110V电源，另一个输出端通过电阻R2接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极接110V电源，其发射极与数字量信号生成单元2并联接入数字量输入单元3的输入端B1。

数字量输入单元3包括光电耦合器U2、二极管OP、电容C和电阻R3，光电耦合器U2的输入端并联有二极管OP和电容C，且该述光电耦合器U2的一个输入端B1连接并联的检测信号放大子单元12与数字量信号生成单元2，另一个输入端接地；该述光电耦合器U2的一个输出端接24V电源，另一个输出端B2连接处理单元4，并且通过电阻R3接地。

如图3，基于以上硬件设计，对数字量输入电路进行实时检测，即上述电路500的实现方法，包括下列步骤：

S31：由信号生成子单元11产生参考信号PHR；

S32：由信号生成子单元11产生原始检测信号PHI0，原始检测信号PHI0输入检测信号放大子单元12，得到需要幅值的检测信号PHI；

S33：数字量信号生成单元2产生数字量信号；

S34：检测信号PHI和数字量信号叠加;

S35：检测信号PHI和数字量信号叠加后输入数字量输入单元3；数字量输入单元3对该叠加信号处理后输入处理单元4；

S36：处理单元4通过对比检测信号PHI和从数字量输入单元3输入的信号的时序图，实现对数字量信号的读取和相关的故障报警，即处理单元4检测数字量输入单元的安全性和读入数字量信号。

在本实施例中，外接脉冲发生器通过A1端口向检测信号放大子单元12输入一个15HZ、幅值为24V的方波信号，即信号PHI0，通过检测信号放大子单元12放大成为相同周期、波形相反、幅值为110V的方波，即为检测信号PHI；同时通过PHR端口向处理单元输入一个15HZ、幅值为24V的方波，即参考信号PHR，如图4所示。

数字量信号与检测信号PHI并联接入到数字量输入单元3的输入端子B1，若B1端为高电平时，触发光电耦合器U2导通，从而使输入端B2为24V的高电平；反之，若B1端为低电平，则输入端B2处于低电平。处理单元4以固定频率(一般为检测信号周期的整数倍，本实例中处理单元采样频率为检测信号的8倍)读取数字量输入单元3的输入端口B2的电平信息，通过对比检测信号PHI，完成输入电路的安全性的检测以及开关量信息的读取。

在本发明中，上述S36步骤处理单元4检测数字量输入单元3的安全性和读入开关量的原理如下所述：

开关量信号和检测信号PHI叠加后的信号通过数字量输入单元3在端口B2形成相同频率的响应，处理单元4以固定频率(本实例中固定频率为检测频率的8倍)读取B2端电平信息，即在每一个检测信号周期采集8个电平信号，高电平记作1，低电平记作0:

(a)当数字量输入电路3安全且开关K未闭合时，检测信号PHI将在B2端口将获得相同频率，相同波形的响应，若在每一个参考信号PHR的上升沿触发后，处理单元读取1个检测信号周期的电平信号与检测信号PHI频率相同，波形相同，则可确定输入电路安全且开关K未闭合；

(b)当数字量输入电路3安全且开关K闭合时，输入端B1将输入一个数倍于检测周期的开关量信号（高电平），在B2端口产生一个相同宽度的高电平响应，若在每一个参考信号PHR的上升沿触发后，处理单元读取1个检测信号周期的电平信号保持在高电平,且连续数个参考信号PHR周期(本发明取3个参考信号PHR周期)后读取的信号恢复到(a)情况，则处理单元4确认为一次开关量；

(c)当数字量输入电路3发生断路时，检测信号PHI和开关量信号都无法传输到端口B2，使得B2端口长时间处于低电平状态，若在每一个参考信号PHR的上升沿触发后，处理单元读取1个检测信号周期的电平信号保持在低电平，则可判断为断路故障；

(d)当数字量输入电路3发生短路时，开关量信号将一直接通，使得B2端口长时间处于高电平状态，若在每一个参考信号PHR的上升沿触发后，处理单元读取1个检测信号周期的电平信号保持在高电平，和(b)情况不同之处是，B2端口将长时间处于高电平状态，而不是数倍于检测信号周期，故持续一定数目的参考信号PHR周期(本实例取5)后读取的电平信号仍为高电平，可认为短路故障；

(e)当处理单元4发生降频故障时，以频率降为正常情况的一半为例，处理单元4在每一个检测信号周期采样点的数目减半，则在每一个参考信号PHR的上升沿触发后，通过处理单元读取1个参考信号周期的电平信号与检测信号PHI的时序图对比，即可判断出是否出现降频故障。

在本发明中，S36处理单元4检测数字量输入电路的安全性和读入开关量的过程详见图5，主要步骤介绍如下：

S110：根据外接脉冲发生器输入的参考信息PHR，在每一个上升沿处理单元4以固定频率读取一个检测信号周期的输入端口B2的电平信息，即8个电平信息，通过与检测信号PHI的时序图比较，得到相关信息，包括开关量信息和故障信息：

S120：高电平计数器加1，主要用于区别电路输入是开关量还是短路故障，通过高电平计数器对高电平信号的计数，区分开关量信号和短路故障；

S130：若高电平计数器大于短路故障设定值，本实施实例中为5，即高电平信号持续5个检测信号周期，则默认为电路短路，转入短路报警，若小于该设定值则转入下一次上升沿采集；

S140：在采集信息恢复到电路安全且开关未闭合情况时，判断在这之前是否存在开关量信息，通过判断高电平计数器：若大于开关量设定值，本实例中为3，同时小于短路故障设定值，则处理单元认为一次开关量输入；

S150：高电平计数清零，用于下一次计数，同时转入下一次上升沿采集。

下面以具体几种情况对上述步骤和原理进行说明：

开关K未闭合，检测信号PHI与开关量信号叠加之后的时序图见图6。输入电路未出现故障时，脉冲方波信号PHI0通过检测信号放大子单元12放大成为同频率、波形相反、幅值为110V的检测信号PHI，再经过数字量输入单元3，在数字量输入端口B2产生一个同频率，同波形，幅值为24V的方波信号，处理单元4以固定频率获取该外设点电平信息，从而确认输入电路安全、顺畅；当在任意时刻输入电路出现短路，导致开关量110V信号长时间加载在检测信号上，光电耦合器U2长时间处于导通状态，使输入端口B2长时间处于高电平状态，处理单元4以固定频率获取该外设点电平信息，若该高电平计数超过短路故障设定值则判断出电路短路，将发出短路警报；当在任意时刻输入电路出现断路，检测信号将无法传送至DI输入端口B2，导致该外设点电平长时间处于低电平状态，处理单元以固定频率获取该外设点电平信息，则判断出电路断路，将发出断路警报；当任意时刻出现处理单元出现降频故障时，处理单元以固定频率读取数字量输入端口B2电平信息，通过与参考信号时序图对比，可判断出处理单元出现降频故障，并发出警报。

当开关K按下，产生一个开关量时，与检测信号叠加后的时序图见图7。输入电路未出现故障时，开关量信号叠加到检测信号中，使其产生一个一定宽度的方波，通过数字量输入电路3后使数字量输入端口B2产生一个数倍于检测信号宽度高电平，处理单元4读取外设点信息，当该高电平计数大于开关量设定值且小于短路故障设定值时可确认该信号为开关量信号，将其读入；当在任意时刻数字量输入电路3出现短路，导致开关量110V信号长时间加载在检测信号上，光电耦合器U2长时间处于导通状态，使输入端口B2长时间处于高电平状态，处理单元4读取该外设点电平信息，该高电平计数超过短路故障设定值则判断电路短路，将发出短路警报；当在任意时刻输入电路出现断路，检测信号和开关量信号都无法传送至数字量输入端口B2，导致该外设点电平长时间处于低电平状态，处理单元以固定频率获取该外设点电平信息，则判断出电路断路，将发出断路警报。

在本实施例中，信号生成子单元11是一个外接的脉冲发生器，发出一定频率的方波；通过叠加方波的检测信号和数字量信号来对数字量输入单元进行检测，仅为举例。在具体实施时，也可以应用其他波形进行安全检测，例如使用三角波，原理同方波一样，不过在读取电平信号时对高低电平取值进行设定。故本发明不对与数字量叠加的波形进行限定。

实施例2

实施例1中由一个外接的方波发生器提供原始的检测信号PHI0和参考信号PHR。

如图8，与实施例1不同的是，本实施例检测用信号生成单元包括原始检测信号生成模,11、检测信号放大子单元12、参考信号生成子单元13；

原始检测信号生成子单元11与检测信号放大子单元12连接在一起，用来向检测信号放大子单元12提供实时的原始检测信号PHI0；

检测信号放大子单元12与数字量信号生成单元2并联接入所述数字量输入单元3，用来放大原始检测信号PHI0，从而得到需要幅值的检测信号PHI；

参考信号生成子单元PHR与处理单元4连接在一起，用来产生检测用参考信号PHR。

即原始检测信号PHI0和参考信号PHR分别由不同的模块来提供。

这里需要说明的是，虽然原始检测信号PHI0和参考信号PHR分别由不同的模块提供，但为了保证PHI0和PHR的同步性，二者的周期必须相同。

后续的检测过程原理同实施例1，这里不再赘述。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种安全型数字量采集电路, 包括用来生成数字量信号的数字量信号生成单元，其特征在于，还包括: 检测用信号生成单元、数字量输入单元、处理单元；

所述检测用信号生成单元，用来产生检测信号以及与检测信号同周期的参考信号；

所述数字量输入单元，用来采集数字量信号和检测信号叠加产生的信号，并输送给处理单元；

所述处理单元，用来对数字量信号进行读取，并借助参考信号和检测信号对数字量输入单元进行检测；

其中，所述检测用信号生成单元与所述数字量信号生成单元并联接入数字量输入单元；所述处理单元分别与所述数字量输入单元和检测用信号生成单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种安全型数字量采集电路，其特征在于，所述检测用信号生成单元包括信号生成子单元、检测信号放大子单元；

所述信号生成子单元用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号，以及为处理单元提供检测用参考信号；

所述检测信号放大子单元用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

所述信号生成子单元分别与所述检测信号放大子单元及处理单元连接；所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

3.根据权利要求2所述的一种安全型数字量采集电路，其特征在于，所述检测信号放大子单元包括光电耦合器、三极管、电阻，所述光电耦合器的一个输入端通过电阻接第一电源，另一个输入端接检测用信号生成单元；所述光电耦合器的一个输出端接第二电源，另一个输出端通过电阻接三极管的基极；所述三极管的集电极接第二电源，其发射极与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

4.根据权利要求1或2所述的一种安全型数字量采集电路，其特征在于，所述数字量输入单元包括光电耦合器、二极管、电容和电阻，光电耦合器的输入端并联有二极管和电容，且该述光电耦合器的一个输入端连接并联的检测信号放大子单元与数字量信号生成单元，另一个输入端接地；该述光电耦合器的一个输出端接电源，另一个输出端连接处理单元，并且通过电阻接地。

5.根据权利要求2所述的一种安全型数字量采集电路，其特征在于，所述信号生成子单元为脉冲发生器。

6.根据权利要求1所述的一种安全型数字量采集电路，其特征在于，所述检测用信号生成单元包括原始检测信号生成子单元、检测信号放大子单元、参考信号生成子单元；

所述原始检测信号生成子单元与所述检测信号放大子单元连接在一起，用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号；

所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元，用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

参考信号生成子单元与所述处理单元连接在一起，用来产生检测用参考信号。

7.一种安全型数字量采集电路实现方法，其特征在于，其包括下列步骤：

1）提供一种安全型数字量采集电路，包括用来生成数字量信号的数字量信号生成单元、检测用信号生成单元、数字量输入单元、处理单元；

其中，所述检测用信号生成单元与所述数字量信号生成单元并联接入数字量输入单元；所述处理单元分别与所述数字量输入单元和检测用信号生成单元连接；

2）由检测用信号生成单元产生参考信号；

3）由检测用信号生成单元产生检测信号；

4）数字量信号生成单元产生数字量信号；

5）检测信号和数字量信号进行叠加；

6）检测信号和数字量信号叠加后输入数字量输入单元；数字量输入单元对该叠加信号处理后输入处理单元；

7）处理单元通过对比检测信号和从数字量输入单元输入的信号的时序图，实现对数字量信号的读取和相关的故障报警。

8.根据权利要求7所述的一种安全型数字量采集电路实现方法，其特征在于，1）中的检测用信号生成单元包括信号生成子单元、检测信号放大子单元；

所述信号生成子单元用来向检测信号放大子单元提供实时的原始检测信号，以及为处理单元提供检测用参考信号；

所述检测信号放大子单元用来放大原始检测信号，从而得到需要幅值的检测信号；

所述信号生成子单元分别与所述检测信号放大子单元及处理单元连接；所述检测信号放大子单元与数字量信号生成单元并联接入所述数字量输入单元。

9.根据权利要求7或8所述的一种安全型数字量采集电路实现方法，其特征在于，3）进一步包括：

由信号生成子单元产生原始检测信号；

原始检测信号输入检测信号放大子单元，得到需要幅值的检测信号。

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