CN102722111A

CN102722111A - 一种移位式开关量输入输出装置

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Publication number: CN102722111A
Application number: CN2012101968468A
Authority: CN
Inventors: 梁春平; 于兴军; 李庆福; 吴阳; 曹振兴
Original assignee: Baoji Oilfield Machinery Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; Baoji Oilfield Machinery Co Ltd; CNPC National Oil and Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center Co Ltd
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN102722111B

Abstract

本发明公开了一种移位式开关量输入输出装置，包括直流降压电路，直流降压电路同时与控制接口电路、输出信号处理电路、信号采集处理电路、级联电路分别连接，级联电路与信号采集处理电路、控制接口电路依次连接；控制接口电路设置有信号输入端，控制接口电路的两个信号输出端同时与输出信号处理电路、信号采集处理电路分别连接，信号采集处理电路另设置有信号输入端，输出信号处理电路另设置有信号输出端。本发明的装置，基于移位芯片的串行机制的IO装置，只占用控制器的6DO，1DI可以实现8DO、8DI的功能，同时可以通过级联的方式扩充容量，成倍点数的控制，从而节约控制器的输入输出通道，同时远程采集时布线简洁，使用灵活。

Description

一种移位式开关量输入输出装置

技术领域

本发明属于开关电器控制技术领域，是自动化控制系统中的开关量输出处理技术设备，涉及一种移位式开关量输入输出装置。

背景技术

随着电器设备的自动化程度越来越高，控制系统需要控制的现场变量也越来越多，尤其是各种开关量的控制，一个点就需要占用控制器的一个输出点，而硬件资源特别有限，在进行嵌入式系统开发时，很多情况IO资源都不能满足使用需求，如采用PLC控制也需添加大量的输出模块，增加机架进行扩展，增加硬件成本和要求较大的安装空间，同时布线也十分复杂；总线的分布式模块，控制接口不开放，同时要求控制器具备相应总线资源，使用不灵活，增加系统成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种移位式开关量输入输出装置，解决了现有技术在进行嵌入式系统开发时，很多情况下IO资源都不能满足使用需求的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种移位式开关量输入输出装置，包括直流降压电路，直流降压电路同时与控制接口电路、输出信号处理电路、信号采集处理电路、级联电路分别连接，级联电路与信号采集处理电路、控制接口电路依次连接；另外，控制接口电路设置有信号输入端，控制接口电路的两个信号输出端同时与输出信号处理电路、信号采集处理电路分别连接，信号采集处理电路另设置有信号输入端，输出信号处理电路另设置有信号输出端。

本发明的有益效果是，基于移位芯片的串行机制的IO装置，只占用控制器的6DO，1DI可以实现8DO、8DI的功能，同时可以通过级联的方式扩充容量，成倍点数的控制，从而节约控制器的输入输出通道，同时远程采集时布线简洁，针对目前广泛采用的控制系统需要用到的大量开关量输入输出时接线复杂，解决了IO资源利用不充分的问题。采用本采集器可提高控制器的输出端口使用效率，大幅减少输出点数配置，节约控制器的有限的空间，对于分布式采集减少布线，提供低成本的解决方案；控制接口开放，对控制器无总线资源要求，使用灵活。

附图说明

图1是本发明移位式开关量输入输出装置的整体电路框图；

图2是本发明装置中的控制接口电路3的原理图；

图3是本发明装置中的输出信号处理电路2的原理图；

图4是本发明装置中的信号采集处理电路4的原理图；

图5是本发明装置中的级联电路5的原理图。

图中，1.直流降压电路，2.输出信号处理电路，3.控制接口电路，4.信号采集处理电路，5.级联电路，

另外，OU1、OU2…OU9均是光电耦合器；R1、R2…R60均为电阻；

U1是总线驱动芯片、U2是串入并出的移位芯片、U3是并入串出的移位芯片；

PWR是电源接入端子、SRCLR是输入输出寄存器清除控制端子、SI是输驱动输入信号端子、LCK是移位脉冲信号端子、SCK是锁存信号端子、SEL是输入输出控制端子、

是输入装载/移位控制端子、SO是采集输出端子；DOSER是级联驱动输出端子，DISER是级联采集输入端子；DO1、DO2…DO8是驱动信号输出端子，DI1、DI2…DI8是采集信号输入端子；

是控制接口电路3与输出信号处理电路2以及信号采集处理电路4的共同接点；

SI、RCKO、SRCKO是控制接口电路3与输出信号处理电路2的对应接点；Q7’、RCKI、SRCKI、

是控制接口电路3与信号采集处理电路4的对应接点；SOout、SIin分别为控制接口电路3和信号采集处理电路4与级联电路5的接点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的以下实施例中选用了带锁存器的8bit的串入并出移位寄存器74LS595，还有带锁存器的8bit的串入并出移位寄存器74LS597。

参照图1，本发明的移位式开关量输入输出装置的结构是，包括直流降压电路1，直流降压电路1同时与控制接口电路3、输出信号处理电路2、信号采集处理电路4、级联电路5分别连接，提供供电支持，级联电路5与信号采集处理电路4、控制接口电路3依次连接；另外，控制接口电路3设置有信号输入端，控制接口电路3的两个信号输出端同时与输出信号处理电路2、信号采集处理电路4分别连接，信号采集处理电路4另设置有信号输入端，输出信号处理电路2另设置有信号输出端。

直流降压电路1将实际工况的电压降压为逻辑器件需要的TTL电压，将输出接入到各个逻辑器件供电端。

输出信号处理电路2由带锁存器的8bit的串入并出移位寄存器以及光电隔离电路、开关管驱动电路组成。控制接口电路3由光电耦合器、保护电阻、总线控制器组成。信号采集处理电路4由带锁存器的8bit的并入串出移位寄存器以及光电隔离电路组成。级联电路5由光电耦合器、限流电阻组成。

信号采集处理电路4采用带移位及所存寄存器的芯片(U3)，与输出控制信号公用，实现单DI的多通道输入功能。利用控制器的6DO和1DI通过控制接口电路3的总线驱动芯片(U1)控制信号采集处理电路4和输出信号处理电路2的工作，实现分时进行输入输出处理。输出信号处理电路2与信号采集处理电路4采用的级联引脚经过光电耦合引出，具有较强的驱动能力，适合远距离级联。

参照图2，直流降压电路1的结构是，包括DC-DC，DC-DC的输入端同时与24V电源及PWR端子分别连接，DC-DC的输出端为5V电源，DC-DC设置有接地端。

参照图2，控制接口电路3的结构是，由光电耦合器OU1(型号为TLP521-4)、OU2(型号为TLP521-3)、OU3(型号为TLP521-1)、一个总线驱动器U1(型号为74LS125)以及多个限流电阻（R1、R2…R16）组成，具体连接关系是：

光电耦合器OU1的输入侧输入端分别串接SRCLR、SI、LCK、SCK信号输入端子；光电耦合器OU2的第一、第二输入侧输入端同时串接SEL控制端子，光电耦合器OU2的第三输入侧输入端串接

控制端子；光电耦合器OU3的输入侧输入端一路串接电阻R8后与24V电源连接，另一路直接串接SO采集输出端子；光电耦合器OU1、OU2的输入侧输出端分别串电阻（R1、R2…R7）后与接地端连接，光电耦合器OU3的输入侧输出端直接与接地端连接；

光电耦合器OU1输出侧输入端分别串一电阻（R9、R10、R11、R12）后接至5V电源端；光电耦合器OU2输出侧的上、下路输入端分别串一电阻（R13、R15）后接至5V电源端，光电耦合器OU2输出侧的中路输入端直接接至5V电源端；光电耦合器OU3输出侧输入端直接接至5V电源端；另外，光电耦合器OU1和电阻R9之间的接点与

端子连接；光电耦合器OU1和电阻R10之间的接点与SI端子连接；光电耦合器OU2和电阻R13之间的接点与U1的C1、C3引脚连接；光电耦合器OU2和电阻R15之间的接点与

端子连接；

光电耦合器OU1的输出侧的两个输出端直接接地，第三个输出端同时与U1的A1、A2引脚分别连接，第四个输出端同时与U1的A3、A4引脚连接；OU2输出侧的上、下路输出端直接接地，OU2输出侧的中路输出端串接电阻R14后同时与U1的C2、C4引脚分别连接；

光电耦合器OU3的输出侧输出端串接电阻R16后与Q7’端子连接；

总线驱动器U1的VCC端与5V电源连接，U1的GND端接地，U1的Y1端与RCKO端子连接，U1的Y2端与RCKI端子连接，U1的Y3端与SRCKO端子连接，U1的Y4端与SRCKI端子连接。

控制信号以及输入输出装置的串口输入信号分别通过光电耦合器(OU1，OU2)隔离后，移位脉冲信号LCK接至总线驱动器U1的A1(引脚2)、A2(引脚5)；锁存脉冲信号SCK接至总线驱动器U1的A3(引脚9)、A4(引脚12)；输入输出控制SEL分成两路接入OU2的输入侧输入端，其一路从其对应输出侧的输端取信号反向输出接至控制引脚C1(引脚1)和C3(引脚10)，另一路从其对应的输出侧输出端接至总线驱动芯片U1的控制引脚C2(引脚4)和C4(引脚13)；输入输出移位寄存器的清除控制信号(SRCLR)反向接到输出信号处理电路2和信号采集处理电路4的复位引脚，输出串口信号(SI)及总线驱动器(U4)的输出引脚Y1(引脚103)和Y3(引脚8)接到输出信号处理电路2；输入串口信号(SO)及总线驱动器(U4)的输出引脚Y2(引脚6)和Y4(引脚11)接到信号采集处理电路4。

光电耦合器OU1、OU2、OU3完成24V电源和5V电源的电气隔离，同时对信号SRCLR、SI、SEL、

进行取反操作，便于控制和满足后续芯片的低电平驱动要求。

参照图3，输出信号处理电路2的结构是，包括带锁存器的8bit的串入并出移位寄存器U2(型号为74LS595)、两个光电耦合器(OU4和OU5，型号均为TLP521-4)、八个开关管(D1、D2…D8，型号均为IRF3205)和多个限流电阻(R17、R18…R32)，各个元件具体连接关系是，

移位寄存器U2的VCC引脚与5V电源连接，移位寄存器U2的SDI、RCK、SRCK四个引脚分别对应连接至控制接口电路3的SI、RCKO、SRCKO端口，移位寄存器U2的

GND两个引脚均接地，移位寄存器U2的Q7’引脚与SOout端子连接；

两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输入侧输出端分别与U2的输出口Q0、Q1…Q7一一对应连接，两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输入侧输入端分别串联一个电阻（R17、R18…R24）后均与5V电源连接；两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输出侧输入端分别与24V电源连接，两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输出侧输出端分别串联一个电阻（R25、R26…R32）后分别与八个开关管D1、D2…D8的G极一一对应连接，同时从每个开关管的G极分别串联一个下拉电阻（R53、R54…R60）后接地；八个开关管（D1、D2…D8）的源极均接地，八个开关管（D1、D2…D8）的漏极分别与驱动端子DO0、DO1…DO7一一对应连接。

移位寄存器U2(型号为74LS595)为低电平时，光电耦合器（OU4、OU5）对应引脚导通，将高电平信号输送到开关管，打开八个开关管，八个开关管均采用低压侧控制，实现驱动控制；开关管的下拉电阻起到分压作用，保护开关管，同时又保证关断可靠。

参照图4，信号采集处理电路4的结构是，主要由带锁存器的8bit的并入串出移位寄存器U3(型号为74LS597)、两个光电耦合器(OU6和OU7，型号均为TLP521-4)和多个限流电阻R33、R34…R48组成，各个元件具体连接关系是，

两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输入侧输入端与八个信号采集端DI0、DI1…DI7一一对应连接，两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输入侧输出端分别串联一个电阻（R33、R34…R40）后接地；两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输出侧输入端分别与5V电源连接，两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输出侧输出端分别串联一个电阻（R41、R42…R48）后与移位寄存器U3的八个数据输入口A、B…H一一对应连接；移位寄存器U3的VCC与5V电源连接，移位寄存器U3的控制口SCLR、RCK、SRCK、

Q7’分别与控制接口电路3的接点RCKI、SRCKI、

Q7’一一对应连接；移位寄存器U3的GND接地；移位寄存器U3的SER端口与Siin端子连接。

光电耦合器OU6、OU7完成电气隔离，将信号送入U3的数据口，通过控制U3的

将信号所存的信号装载到移位寄存器，然后通过控制SRCKI的脉冲将移位寄存器中的数据通过Q7’送到控制接口电路3。

参照图5，级联电路5的结构是，由两个光电耦合器（OU8和OU9）、多个限流电阻（R49、R50、R51、R52）组成，

其中的光电耦合器OU8和OU9的输出侧输入端分别串联一个电阻（R49、R50）后分别与5V电源连接，光电耦合器OU8和OU9的输出侧输出端分别与控制接口电路3和信号采集处理电路4与级联电路5的接点SOout、SIin对应连接，光电耦合器OU8的输出侧输入端与24V电源连接，光电耦合器OU8的输出侧输出端串联一个电阻R51后与端子DOSER连接，光电耦合器OU9的输出侧输入端串联一个电阻R52后与端子DISER连接，光电耦合器OU9的输出侧输出端直接接地。

级联电路5是将输出信号处理电路2中的移位寄存器74LS595的串口输出引脚Q7’(引脚9)和信号采集处理电路4中的移位寄存器74LS597的串口输入引脚SER(引脚14)经过光电耦合器（OU8和OU9）进行电气隔离，便于与现场的24V电压进行级联。

本发明的移位式开关量输入输出装置，通过移位寄存器实现串口信号和并行信号的转换。直流降压电路将现场的电压降压为逻辑器件需要的TTL电平，将输出接入到各个逻辑器件供电端；控制接口电路分别将控制信号连接到输出信号处理电路和信号采集处理电路，信号采集处理电路的输出送至控制接口电路返回至控制器；输出信号处理电路的串口输出以及输入信号的串口输入与级联电路连接。

Claims

1.一种移位式开关量输入输出装置，其特征在于：包括直流降压电路（1），直流降压电路（1）同时与控制接口电路（3）、输出信号处理电路（2）、信号采集处理电路（4）、级联电路（5）分别连接，级联电路（5）与信号采集处理电路（4）、控制接口电路（3）依次连接；另外，控制接口电路（3）设置有信号输入端，控制接口电路（3）的两个信号输出端同时与输出信号处理电路（2）、信号采集处理电路（4）分别连接，信号采集处理电路（4）另设置有信号输入端，输出信号处理电路（2）另设置有信号输出端。

2.根据权利要求1所述的移位式开关量输入输出装置，其特征在于：所述的直流降压电路（1）的结构是，包括DC-DC，DC-DC的输入端同时与24V电源及PWR端子分别连接，DC-DC的输出端为5V电源，DC-DC设置有接地端。

3.根据权利要求1所述的移位式开关量输入输出装置，其特征在于：所述的控制接口电路（3）的结构是，由三个光电耦合器OU1、OU2、OU3、一个总线驱动器U1以及多个限流电阻组成，具体连接关系是：

控制端子；光电耦合器OU3的输入侧输入端一路串接电阻R8后与24V电源连接，另一路直接串接SO采集输出端子；光电耦合器OU1、OU2的输入侧输出端分别串电阻后与接地端连接，光电耦合器OU3的输入侧输出端直接与接地端连接；

光电耦合器OU1输出侧输入端分别串一电阻后接至5V电源端；光电耦合器OU2输出侧的上、下路输入端分别串一电阻后接至5V电源端，光电耦合器OU2输出侧的中路输入端直接接至5V电源端；光电耦合器OU3输出侧输入端直接接至5V电源端；另外，光电耦合器OU1和电阻R9之间的接点与

端子连接；光电耦合器OU1和电阻R10之间的接点与SI端子连接；光电耦合器OU2和电阻R13之间的接点与U1的C1、C3引脚连接；光电耦合器OU2和电阻R15之间的接点与端子连接；

4.根据权利要求1所述的移位式开关量输入输出装置，其特征在于：所述的输出信号处理电路（2）的结构是，包括带锁存器的8bit的串入并出移位寄存器U2、两个光电耦合器OU4和OU5、八个开关管和多个限流电阻，各个元件具体连接关系是，

移位寄存器U2的VCC引脚与5V电源连接，移位寄存器U2的

SDI、RCK、SRCK四个引脚分别对应连接至控制接口电路（3）的

SI、RCKO、SRCKO端口，移位寄存器U2的

两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输入侧输出端分别与U2的输出口Q0、Q1…Q7一一对应连接，两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输入侧输入端分别串联一个电阻后均与5V电源连接；两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输出侧输入端分别与24V电源连接，两个光电耦合器OU4和OU5的共八个输出侧输出端分别串联一个电阻后分别与八个开关管D1、D2…D8的G极一一对应连接，同时从每个开关管的G极分别串联一个下拉电阻后接地；八个开关管的源极均接地，八个开关管的漏极分别与驱动端子DO0、DO1…DO7一一对应连接。

5.根据权利要求1所述的移位式开关量输入输出装置，其特征在于：所述的信号采集处理电路（4）的结构是，包括带锁存器的8bit的并入串出移位寄存器U3、两个光电耦合器OU6和OU7、和多个限流电阻，各个元件具体连接关系是，

两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输入侧输入端与八个信号采集端DI0、DI1…DI7一一对应连接，两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输入侧输出端分别串联一个电阻后接地；两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输出侧输入端分别与5V电源连接，两个光电耦合器OU6和OU7的共八个输出侧输出端分别串联一个电阻后与移位寄存器U3的八个数据输入口A、B…H一一对应连接；移位寄存器U3的VCC与5V电源连接，移位寄存器U3的控制口SCLR、RCK、SRCK、

Q7’分别与控制接口电路（3）的接点RCKI、SRCKI、

6.根据权利要求1所述的移位式开关量输入输出装置，其特征在于：所述的级联电路（5）的结构是，包括两个光电耦合器OU8和OU9，

其中的光电耦合器OU8和OU9的输出侧输入端分别串联一个电阻后分别与5V电源连接，光电耦合器OU8和OU9的输出侧输出端分别与控制接口电路（3）和信号采集处理电路（4）与级联电路（5）的接点SOout、SIin对应连接，光电耦合器OU8的输出侧输入端与24V电源连接，光电耦合器OU8的输出侧输出端串联一个电阻后与端子DOSER连接，光电耦合器OU9的输出侧输入端串联一个电阻后与端子DISER连接，光电耦合器OU9的输出侧输出端直接接地。