CN102739234B - 一种多通道数字信号输入输出隔离箱及电源控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道数字信号输入输出隔离箱及电源控制系统；该隔离箱包括输入隔离电路、输出隔离电路和连接器；输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与所述连接器连接；输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与连接器连接，输出端输出一路指令信号；连接器连接外部的工控机。本发明提供的多通道数字信号输入输出隔离箱使用光耦隔离原理实现多个通道同时对输入输出信号进行隔离；实现了输入信号之间相互不干扰，同时输出信号驱动的各个负载也相互不干扰，并通过光信号的转换实现了对强电磁干扰的隔离。
Description
技术领域
本发明属于数字隔离电路领域，更具体地，涉及一种多通道数字信号输入输出隔离箱及电源控制系统。
背景技术
数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。隔离电路的作用，一是消除共模噪声回路，另一个是保护器件(或人)免受高电压的危害。已有的用于提供隔离的器件种类很多，按照生产工艺、电气结构和传输原理，主要分为电感、电容耦合以及光学技术的数字隔离器件。电感式隔离器使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信，可以在不明显降低差模信号的情况下减小共模噪声，信号能量转换的效率很高，但是其缺点在于易受外部磁场噪声的干扰。电容耦合隔离，使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息的传输，极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能，采用电容隔离效率高，然而电容耦合隔离技术没有差分信号，并且噪声和信号共用相同的传输通道，电容耦合存在带宽限制，并需要时钟编码数据。光电隔离器是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，不易受强磁场的影响，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，适合用在强磁场环境同时隔离通道数量很多的情况下。
在信号的传输过程中，数字隔离器不仅要将采集到的信号经隔离后传输入工控机，同时也要能将工控机发出的指令信号经隔离后才传输给负载。在很多应用场合，需采集的信号类型很多，例如干接点和湿接点信号，这样就需要在隔离信号输入的前端设计通用的信号采集电路进行处理，再经过信号隔离后，输入工控机。而指令信号需要驱动的负载类型也包含很多，例如继电器一类的电感性负载，还有内阻阻抗小、要求输出电流大的负载。现有公司(例如安华高)生产的光耦隔离电路无法满足这许多的条件，而且有些带隔离的多通道采集卡也无法同时满足这些要求。
发明内容
为了克服电感式隔离抗干扰能力的缺点，电容耦合噪声和信号共用传输通道的问题，同时克服现有光电隔离器的不足，本发明目的在于设计一种费用低、适用性广、可靠性高、带负载能力强同时具有多通道光隔离输入、多通道光隔离输出功能的多通道数字信号输入输出隔离箱。
本发明的目的在于提供一种多通道数字信号输入输出隔离箱，包括输入隔离电路、输出隔离电路和连接器；所述输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与所述连接器连接；所述输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与所述连接器连接，输出端输出一路指令信号；所述连接器用于连接外部的工控机；多路并行的采集信号分别经过所述输入隔离电路中的多个输入隔离单元后，经由连接器输入工控机；所述工控机发出的多路指令信号通过连接器输出，经输出隔离电路中的多个输出隔离单元后分别驱动多个负载；所述输入隔离单元包括：依次连接的信号采集电路、第一光耦模块和信号输入电路；信号采集电路对多通道、不同类型输入的数字信号进行采集并输出采集信号，所述采集信号经过所述第一光耦模块和所述信号输入电路后经由连接器输入工控机；所述输出隔离单元包括：依次连接的信号输出电路、第二光耦模块和负载驱动电路；信号输出电路将多路指令信号依次经过第二光耦模块和负载驱动电路后分别驱动多个负载；所述负载驱动电路包括：模拟开关模块、第三电阻和单向导通元件；所述模拟开关模块包括5个端口，第1端口连接+5V电压，第2端口作为负载驱动电路的输出端，第3端口接地，第4端口作为负载驱动电路的输入端与所述第二光耦模块连接，第5端口连接+5V电压；所述第三电阻连接在所述模拟开关模块的第2端口与第3端口之间；所述单向导通元件连接在所述模拟开关模块的第2端口与第3端口之间；所述单向导通元件为二极管，所述二极管的阴极连接至所述模拟开关模块的第2端口，阳极连接至所述模拟开关模块的第3端口。
更进一步地，所述信号采集电路包括：电压比较器、三极管、第一电阻和第二电阻；所述电压比较器的正向输入端连接数字采集信号，电压比较器的正向输入端还通过所述第一电阻连接至+5V电压；所述电压比较器的反向输入端连接参考电压；所述三极管的基极连接至所述电压比较器的输出端，发射极接地，集电极与第一光耦模块中发光二极管的阴极连接，发光二极管的阳极通过第二电阻连接至+5V电压。
更进一步地，所述多通道数字信号输入输出隔离箱还包括用于给所述输入隔离电路和所述输出隔离电路供电的隔离电源。
更进一步地，所述隔离电源包括：依次连接的AC/DC隔离模块和滤波器，以及分别连接在所述滤波器的输出端的第一DC/DC隔离模块和第二DC/DC隔离模块；所述滤波器的输出端还分别连接所述信号输入电路和所述信号输出电路；所述第一DC/DC隔离模块的输出端连接所述信号采集电路；所述第二DC/DC隔离模块的输出端连接所述负载驱动电路；220V市电经AC/DC隔离模块转换为直流电，经滤波处理后直接给所述信号输入电路和所述信号输出电路供电；经滤波处理后的直流电还通过所述第一DC/DC隔离模块隔离后给信号采集电路供电，经滤波处理后的直流电还通过所述第二DC/DC隔离模块隔离后给负载驱动电路供电。
本发明的目的还在于提供一种电源控制系统，包括多通道数字信号输入输出隔离箱以及与隔离箱连接的控制器，所述多通道数字信号输入输出隔离箱为上述的多通道数字信号输入输出隔离箱。
本发明提供的多通道数字信号输入输出隔离箱使用光耦隔离原理实现多个通道同时对输入输出信号进行隔离。实现了输入信号之间相互不干扰，同时输出信号驱动的各个负载也相互不干扰，并通过光信号的转换实现了对强电磁干扰的隔离。另外，输入隔离电路和输出隔离电路是两块分开的PCB电路板，固定在机箱的底板，通过排线来连接连接器，省去了部分插拔的工序。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱的模块结构示意图；
图2是本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱中输入隔离电路的模块结构示意图；
图3是本发明实施例提供的输入隔离电路中信号采集电路的具体电路图；
图4是本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱中输出隔离电路的模块结构示意图；
图5是本发明实施例提供的输出隔离电路中负载驱动电路的具体电路图；
图6是本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱中隔离电源的模块结构示意图；
图7是本发明实施例提供的32通道数字信号输入输出隔离箱的后面板的接口分布图；
图8是本发明实施例提供的32通道数字信号输入输出隔离箱的俯视图。
具体实施方式
图1示出看本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱的模块结构；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
多通道数字信号输入输出隔离箱1包括：输入隔离电路11、输出隔离电路12和连接器13；输入隔离电路11包括：多个并联连接的输入隔离单元100；每个输入隔离单元100的输入端连接一路采集信号，输出端与连接器13连接；输出隔离电路12包括：多个并联连接的输出隔离单元200；每个输出隔离单元的输入端与连接器13连接，输出端输出一路指令信号；连接器13用于连接外部的工控机2；多路并行的采集信号分别经过输入隔离电路11中的多个输入隔离单元100后，经由连接器13输入工控机2；工控机2发出的多路指令信号通过连接器13输出，经输出隔离电路12中的多个输出隔离单元200后分别驱动多个负载。
在本发明实施例中，信号通道都使用屏蔽性能好，电气性能佳的雷莫头代替传统的连接头对信号隔离提供一定保障。
如图2所示，输入隔离单元100包括：依次连接的信号采集电路101、第一光耦模块102和信号输入电路103；信号采集电路101对多通道、不同类型输入的采集信号进行采集，所述采集信号经过所述第一光耦模块102和所述信号输入电路103后经由连接器输入工控机；每一个输入隔离单元100中的信号采集电路101和信号输入电路103的地电位相异，多个输入隔离单元100中的信号采集电路101之间地电位也是相异的，多个输入隔离单元100中的信号输入电路103与工控机2是共地的。
在本发明实施例中，IDI0-n多个信号输入时，经过采集电路处理，不同类型信号的各种工作方式对应光耦LED的工作方式，LED的两种工作方式为发光和熄灭，再经过后级的光耦输出电路的处理，对应地输出高、低电平，之后传输入工控机，根据输入信号的电平以确定采集信号处的工作方式，这样就实现了信号的采集过程。如图3所示，信号采集电路101包括：电压比较器U1、三极管Q1、第一电阻R1和第二电阻R2；电压比较器U1的正向输入端连接数字采集信号，电压比较器U1的正向输入端还通过第一电阻R1连接至+5V电压；电压比较器U1的反向输入端连接参考电压；三极管Q1的基极连接至电压比较器U1的输出端，发射极接地，集电极与第一光耦模块102中发光二极管的阴极连接，发光二极管的阳极通过第二电阻R2连接至+5V电压。
作为本发明的一个实施例，使用一个电压比较器U1来完成信号的处理，比较器U1的IN+端通过第一电阻R1接上5V的上拉电位，比较器U1的IN-端输入参考电压，通过比较两端的电压确定比较器的输出，之后输入到三极管Q1，三极管Q1的集电极串接光耦的LED和第二电阻R2，通过R2接上5V电位。不同类型信号输入时LED的工作情况如下：方波信号输入时，高电位时LED发光，低电位时LED熄灭；干接点信号输入时，开关断开时LED发光，开关闭合时LED熄灭；湿接点信号输入时，高于参考电压输入时LED发光，低于参考电压输入时LED熄灭。以上过程完成信号的采集处理，不同的工作方式下LED的工作方式也不同，也就意味着光耦的工作方式不同，之后再经过输出电路通过连接器，与工控机连接，完成信号输入的过程。实现了并行隔离采集多通道多种类型的信号，包含干接点信号和湿接点信号。实现了指令信号并行隔离后驱动多通道多种类型的负载，包括内阻阻抗小的负载和电感性负载，设计的负载驱动电路的输出阻抗小，带载能力强。
如图4所示，输出隔离单元200包括：依次连接的信号输出电路201、第二光耦模块202和负载驱动电路203；信号输出电路201将多路指令信号依次经过第二光耦模块202和负载驱动电路203后分别驱动多个负载；每个输出隔离单元200的信号输出电路201和负载驱动电路203之间的地电位相异，多个输出隔离单元200中的负载驱动电路203之间的地电位也是相异的，多个输出隔离单元200中的信号输出电路201与工控机2是共地的。
如图5所示，负载驱动电路203包括：模拟开关模块S1、第三电阻R3和单向导通元件；模拟开关模块S1包括5个端口，第1端口连接+5V电压，第2端口作为负载驱动电路203的输出端，第3端口接地，第4端口作为负载驱动电路203的输入端与第二光耦模块202连接，第5端口连接+5V电压；第三电阻R3连接在模拟开关模块S1的第2端口与第3端口之间；单向导通元件连接在模拟开关模块S1的第2端口与第3端口之间。其中，单向导通元件可以为二极管D1，二极管D1的阴极连接至模拟开关模块S1的第2端口，阳极连接至模拟开关模块S1的第3端口。
在本发明实施例中，工控机2发出的指令信号，通过信号输出电路201将高低电平对应为光耦的不同工作方式，经第二光耦模块202隔离后，输入负载驱动电路203。负载驱动电路主要是基于一个模拟开关设计来完成的，指令信号的高低电平对应模拟开关的闭合和断开两种工作方式。模拟开关闭合时，输出5V高电平，直接加载在负载上，开关可以通过的电流最大达400mA，可见输出允许端接的负载阻抗可以小到10欧左右；开关断开时，输出端通过第三电阻R3连接至地参考电位，R3的阻值可以选择为通常情况下的阻抗50欧，同时在R3两端并接第一二极管D1，高电位时处于反向偏置，低电位时给电感式负载提供续流通道。这样，指令信号经过隔离后再通过负载驱动电路，完成信号的输出功能，可以驱动不同类型的负载，提高隔离器的带载能力。
在本发明实施例中，多通道数字信号输入输出隔离箱还包括用于给输入隔离电路11和输出隔离电路12供电的隔离电源14。作为本发明的一个实施例，如图6所示，隔离电源14包括：依次连接的AC/DC隔离模块141和滤波器142，以及分别连接在滤波器142的输出端的第一DC/DC隔离模块143和第二DC/DC隔离模块144；滤波器142的输出端还分别连接信号输入电路103和信号输出电路201；第一DC/DC隔离模块143的输出端连接信号采集电路101；第二DC/DC隔离模块144的输出端连接所述负载驱动电路203；220V市电经AC/DC隔离模块141转换为直流电，经滤波处理后直接给信号输入电路103和信号输出电路201供电；经滤波处理后的直流电还通过第一DC/DC隔离模块143隔离后给信号采集电路101供电，经滤波处理后的直流电还通过第二DC/DC隔离模块144隔离后给负载驱动电路203供电。使用AC/DC隔离开关电源，提供直流5V电，实现直流电与市电的隔离，再分别使用单个DC/DC隔离电源模块给每个通道提供直流电，实现各个通道对电源信号干扰的隔离。
在本发明实施例中，AC/DC隔离模块141完成两个功能：一是将220V市电转换为直流电，给输入隔离电路11和输出隔离电路12供电；二是隔离功能，输出的直流电与市电隔离开，这样免受市电的干扰影响。AC/DC隔离模块141提供的直流电，经过滤波器142后输出直流5V电，电流的流向分为两个方向：一个是直接给输入隔离电路11中的信号输入电路103和输出隔离电路12中的信号输出电路201供电，这多个电路是共地的，通过37针D型连接器与工控机2连接；另一个供电方向是给多个DC/DC隔离模块(143、144)供电，每个DC/DC隔离模块完成直流电压到直流电压的隔离，这样实现每个通道的光耦的输入和输出两端的直流供电电源的地电位都是相异的，多个DC/DC隔离模块给多个信号采集电路101和多个负载驱动电路203提供独立的隔离直流5V电位，多个信号采集电路101之间的地电位是相异的，多个负载驱动电路203之间的地电位也是相异的，同时信号采集电路101和负载驱动电路203之间地电位也是相异的。这样就完成了整个隔离箱的电源的隔离供电。
本发明实施例提供的多通道数字信号输入输出隔离箱可以使用在J-TEXT托卡马克装置的四套电源系统中，这四套电源系统是：纵场电源系统、加热场电源系统、垂直场电源系统和水平场电源系统。每套电源系统都有一套完整的控制系统，其中信号的采集和指令信号的发送都需要经过隔离箱才能实现控制信号的传递过程。本发明实施例提供的机箱采用标准的4U机箱，方便在特定机箱柜里安放；数字隔离箱1经由连接器13与控制器进行通信，实现多通道信号输入以及多通道信号输出，其中控制器可以为工控机2。从托卡马克装置的电源系统中采集线路电流、电压或者开关的动作情况等多路信号，标号为IDI0-n，进入输入隔离单元100，经过隔离后再通过连接器13传输到工控机2，完成采集信号的输入过程；工控机2通过分析采集到得数字信号，发出多路指令信号，这些指令信号通过连接器13传输到输出隔离单元200，经过隔离后再传输出隔离箱，去驱动晶闸管或者继电器等负载，这些隔离后的指令信号标号为IDO0-n，这样就完成了指令信号的输出过程。以上就完成了数字信号输入输出的整个过程。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的隔离箱，现以32通道为例详述其工作原理如下：图7示出了32通道数字信号输入输出隔离箱的后面板的接口分布；图8示出了32通道数字信号输入输出隔离箱的俯视图；3为信号输入通道雷莫头安装孔之一；4为信号输出通道雷莫头安装孔之一；5为DB-37型37针D型连接器接口；6为电源开关安装孔；7为电源插孔安装孔；8为隔离箱后部面板；9为开关电源安装位置；10为信号输入隔离电路安装位置；11为信号输出隔离电路安装位置；12为隔离箱俯视图前部面板，图中各个小圈为安装孔。
板面的主体是32个雷莫头安装孔、1个DB-37型连接器安装孔、1个电源开关安装孔和1个电源插孔安装孔。各个通道的信号接入部分使用的是具有良好的拔插机械性能，抗干扰能力强的雷莫接头。为了便于箱体内部的接线，如图5所示所有通道进行了编号。DB-37型连接器安装孔处我们安装的是一个37针的排线接头母头，便于匹配外部的接线。在电源安装孔处我们安装的是一个透明的带LED灯的开关，便于提示隔离箱内市电提供的开断情况。作为一个工程实用器件，使用220V市电进行供电，在市电接入和AC/DC隔离模块之间我们加了一个电源滤波器，对市电电源信号进行了一定的初步处理。信号输入、输出隔离电路是两块独立的PCB板，AC/DC隔离开关电源输出的直流电，通过导线连接到两块PCB板上，输入隔离电路上印刷着16道信号IDI0～IDI15的隔离输入通道，同时在输出隔离电路上印刷着16道信号IDO0～IDO15的隔离输出通道，每个通道都由一个单独的DC/DC隔离模块供电。隔离输入输出通道可以实现多个通道同时使用，并且可以耐受上千伏的高压，当其中某一个通道出现故障的时候，其他通道可以不受干扰的正常工作。此箱体运用在特殊的工作环境之下，具有较好的耐干扰能力。机箱后板面32个通道孔被平均分为4排，交错排列比较美观。本发明实施例提供的数字隔离箱的输入隔离电路和输出隔离电路是两块分开的PCB电路板，固定在机箱的底板，通过排线来连接连接器，省去了部分插拔的工序。
综上所述，本发明实施例的优点在于实现了信号隔离输入和隔离输出工控机的功能，提供多通道信号传输，同时基于光耦设计了信号采集电路和负载驱动电路，信号采集电路的设计增加了可以采集信号的类型，负载驱动电路的设计提高了隔离器的带载能力，同时通过隔离电源的设计保证了隔离的两端耐受上千伏高压的能力，将这些全部集中在一个4U的机箱中，只需一根三接头的电源线就可以完成供电，同时通过32个雷莫连接头和一个DB-37型连接器与外界进行通信，这些使得本发明具有使用方便、实用性广的特点。本发明使用于核聚变与等离子体研究环境下，能较好的应对在此环境下的干扰，是具有特殊应用环境的发明。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多通道数字信号输入输出隔离箱，其特征在于，包括：输入隔离电路、输出隔离电路和连接器；
所述输入隔离电路包括多个并联连接的输入隔离单元；每个输入隔离单元的输入端连接一路采集信号，输出端与所述连接器连接；
所述输出隔离电路包括多个并联连接的输出隔离单元；每个输出隔离单元的输入端与所述连接器连接，输出端输出一路指令信号；
所述连接器用于连接外部的工控机；多路并行的采集信号分别经过所述输入隔离电路中的多个输入隔离单元后，经由连接器输入工控机；所述工控机发出的多路指令信号通过连接器输出，经输出隔离电路中的多个输出隔离单元后分别驱动多个负载；所述输入隔离单元包括：依次连接的信号采集电路、第一光耦模块和信号输入电路；信号采集电路对多通道、不同类型输入的数字信号进行采集并输出采集信号，所述采集信号经过所述第一光耦模块和所述信号输入电路后经由连接器输入工控机；
所述输出隔离单元包括：依次连接的信号输出电路、第二光耦模块和负载驱动电路；信号输出电路将多路指令信号依次经过第二光耦模块和负载驱动电路后分别驱动多个负载；
所述负载驱动电路包括：模拟开关模块、第三电阻和单向导通元件；所述模拟开关模块包括5个端口，第1端口连接+5V电压，第2端口作为负载驱动电路的输出端，第3端口接地，第4端口作为负载驱动电路的输入端与所述第二光耦模块连接，第5端口连接+5V电压；所述第三电阻连接在所述模拟开关模块的第2端口与第3端口之间；所述单向导通元件连接在所述模拟开关模块的第2端口与第3端口之间；
所述单向导通元件为二极管，所述二极管的阴极连接至所述模拟开关模块的第2端口，阳极连接至所述模拟开关模块的第3端口。
2.如权利要求1所述的多通道数字信号输入输出隔离箱，其特征在于，所述信号采集电路包括：电压比较器、三极管、第一电阻和第二电阻；
所述电压比较器的正向输入端连接数字采集信号，电压比较器的正向输入端还通过所述第一电阻连接至+5V电压；所述电压比较器的反向输入端连接参考电压；
所述三极管的基极连接至所述电压比较器的输出端，发射极接地，集电极与第一光耦模块中发光二极管的阴极连接，发光二极管的阳极通过第二电阻连接至+5V电压。
3.如权利要求1所述的多通道数字信号输入输出隔离箱，其特征在于，所述多通道数字信号输入输出隔离箱还包括用于给所述输入隔离电路和所述输出隔离电路供电的隔离电源。
4.如权利要求3所述的多通道数字信号输入输出隔离箱，其特征在于，所述隔离电源包括：依次连接的AC/DC隔离模块和滤波器，以及分别连接在所述滤波器的输出端的第一DC/DC隔离模块和第二DC/DC隔离模块；
所述滤波器的输出端还分别连接所述信号输入电路和所述信号输出电路；所述第一DC/DC隔离模块的输出端连接所述信号采集电路；所述第二DC/DC隔离模块的输出端连接所述负载驱动电路；
220V市电经AC/DC隔离模块转换为直流电，经滤波处理后直接给所述信号输入电路和所述信号输出电路供电；经滤波处理后的直流电还通过所述第一DC/DC隔离模块隔离后给信号采集电路供电，经滤波处理后的直流电还通过所述第二DC/DC隔离模块隔离后给负载驱动电路供电。
5.一种电源控制系统，包括多通道数字信号输入输出隔离箱以及与隔离箱连接的控制器，其特征在于，所述多通道数字信号输入输出隔离箱为上述权利要求1-4任一项所述的多通道数字信号输入输出隔离箱。
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