CN102751975A - Pwm与ai复用端口及控制器 - Google Patents

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    • H03K7/08—Duration or width modulation ; Duty cycle modulation

Abstract

本发明提出了一种PWM与AI复用端口及控制器，其中，该PWM与AI复用端口包括：PWM输出驱动单元、采样单元、负载单元、开关单元；采样单元的第一端与PWM输出驱动单元的输出端连接，采样单元的第二端用于与端口负载连接或用于接收AI信号；开关单元的第一端与PWM输出驱动单元的输出端连接，开关单元的第二端连接负载单元；在开关单元断开时，采样单元用于采集端口负载的PWM电流值；在开关单元导通时，PWM输出驱动单元关闭，采样单元用于采集AI信号。本发明可提升端口的灵活度，复用PWM端口以实现不同范围AI信号的高精度采集，满足现场多样化应用需求。

Description

PWM与AI复用端口及控制器
技术领域
本发明涉及端口复用领域，具体涉及一种控制器及PWM与AI复用端口。
背景技术
目前，控制产品不断向高端化发展及种类多样化发展。其中，控制产品的高端化发展具体包括端口的智能化程度、灵活性、通用性能的提升等，如现有的高电平与低电平开关量输入、电压型与电阻型模拟量输入，高端大电流和桥输出电路等类型端口可灵活编程配置的控制设备及具体的配置办法；控制产品的种类多样化发展则是根据不同典型的应用场合的应用需求开发多种类型供系统设计者进行选择。上述两种发展方向在市场潜力方面是互为补充的关系，一方面，高端化的产品容易满足复杂、高端的系统设计者对于防护等级、智能化等方面的需求，另一方面多种可供选择的产品更加容易切合不同应用需求，且便于灵活搭配，为用户提供最佳的应用解决方案。
端口复用是控制产品高端化发展的重要组成部分，目前常见的一般有不同输入类型或不同输出类型端口的互相复用，如AI/DI复用，DO/PWM复用等其中，AI是指模拟信号输入端口（Analog Signal Input），DI是指数字信号输入端口（Digital Signal Input），DO是指数字信号输出端口（Digital Signal Output），PWM是指脉冲宽度调制端口（Pulse WidthModulation），但很少有输入输出端口复用相关的技术，因此在一定的程度上限制了控制产品本身灵活性的程度。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明的第一目的在于提供一种有效的PWM与AI复用端口，包括：PWM输出驱动单元、采样单元、负载单元、开关单元；所述采样单元的第一端与所述PWM输出驱动单元的输出端连接，所述采样单元的第二端用于与端口负载连接或用于接收AI信号；所述开关单元的第一端与所述PWM输出驱动单元的输出端连接，所述开关单元的第二端连接所述负载单元；在所述开关单元断开时，所述采样单元用于采集所述端口负载的PWM电流值；在所述开关单元导通时，所述PWM输出驱动单元关闭，所述采样单元用于采集所述AI信号。
进一步地，所述的PWM与AI复用端口还包括：用于放大所述采样单元采集的信息的运算放大器。
进一步地，所述运算放大器的同相输入端连接所述采样单元的第一端，反相输入端连接所述采样单元的第二端。
进一步地，所述的PWM与AI复用端口还包括：用于对所述运算放大器的输出信号进行滤波的滤波电路。
进一步地，所述滤波电路包括：滤波电阻及滤波电容；所述滤波电阻的第一端连接所述运算放大器的输出端，所述滤波电阻的第二端通过所述滤波电容接地。
进一步地，所述运算放大器为高共模电压电流测量放大器。
进一步地，所述负载单元和/或所述采样单元为电阻。
进一步地，所述开关单元为程控开关或手动开关。
为了克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明的第二目的在于提供一种控制器，设置有上述任一种PWM与AI复用端口。
本发明PWM与AI复用端口通过在PWM端口内部增加可配置的负载回路，即负载单元及开关单元，通过开关单元的通断切换复用端口的工作模式，在开关单元导通时实现对AI信号的检测，在开关单元断开时工作在PWM模式下，可提升端口的灵活度，复用PWM端口以实现不同范围AI信号的高精度采集，满足现场多样化应用需求。
附图说明
图1为本发明PWM与AI复用端口的第一实施例结构示意图；
图2为本发明PWM与AI复用端口的第二实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明PWM与AI复用端口实施例包括：PWM输出驱动单元1、采样单元3、负载单元8、开关单元7；其中，采样单元3的第一端与PWM输出驱动单元1的输出端连接，采样单元3的第二端用于与端口负载连接或用于接收AI信号（其中，PWM与AI复用端口用作PWM端口时连接端口负载，用作AI端口时接收AI信号）；开关单元7的第一端与PWM输出驱动单元1的输出端连接，开关单元7的第二端连接负载单元8；在开关单元7断开时，采样单元3用于采集端口负载的PWM电流值；在开关单元7导通时，PWM输出驱动单元1关闭，采样单元3用于采集上述AI信号。
请参考图2，具体操作时，PWM输出驱动单元1可以为如图2中标号11所示的结构，采样单元3可以为电阻31或阻抗单元等各种能采集电流电压的电学单元，同理适用于负载单元8，如负载单元8为图2所示的电阻71；开关单元7可以为图2所示的手动开关81，当然，也可以是程控开关（图未示）；在开关单元7采用程控开关时，开关单元7接收控制指令，以实现断开状态与闭合状态的转换。
继续参考图2，优选地，为了更便捷地对采样单元3采集的信息进行分析，上述PWM与AI复用端口还包括：用于对采样单元3（如电阻31）采集的信息进行放大的运算放大器4。具体操作时，运算放大器4的同相输入端可以连接采样单元3（如电阻31）的第一端，反相输入端可以连接采样单元3（如电阻31）的第二端。
优选地，运算放大器4为高共模电压电流测量放大器，如INA193专用高共模电压电流测量放大器，可以支持最高达40V的共模及实现在24V共模电压下的可靠采样。
优选地，为了消除噪声以便于更精确地对采样单元3采集的信息进行分析，上述PWM与AI复用端口还包括：用于对运算放大器4的输出信号进行滤波的滤波电路。具体操作时，滤波电路包括滤波电阻5及滤波电容6；滤波电阻5的第一端连接运算放大器4的输出端，滤波电阻5的第二端通过滤波电容6接地；滤波电阻5的第二端作为滤波电路的输出端。
上述PWM与AI复用端口的工作原理简述如下：当采样单元3的第二端用于与端口负载连接时，PWM与AI复用端口可用作PWM端口，开关单元7断开（可以通过手动或程控实现），负载单元8与采样单元3断开连接，此时PWM与AI复用端口按照PWM模式工作，即PWM输出驱动单元1的输入管脚接收PWM信号，从PWM输出驱动单元1流出的PWM电流经PWM与AI复用端口内部的采样单元3（可以为电阻）后进入PWM与AI复用端口外部的端口负载；PWM电流在流经采样单元3时，在采样单元3的两端产生与PWM电流成正比的电压，该电压被引入运算放大器4，经过该运算放大器4放大后，通过依次由滤波电阻5及滤波电容6组成的滤波电路将运算放大器4的输出电压信号整理成一个稳定的且与PWM电流基本成正比的电压信号，可以直接使用该电压作为控制信号或通过模拟/数字转换将该电压转换成数字信号参与计算机控制；当采样单元3的第二端用于接收AI信号时，PWM与AI复用端口可用作AI端口时，开关单元7导通（可以通过手动或程控实现），负载单元8与采样单元3连通，同时令PWM输出为零以关断PWM输出驱动单元1，采样单元3用于采集AI信号流经采样单元3的电流值对应的电压信号，此时通过合适的参数匹配即可以实现将采样单元3上的电流值调节到运算放大器4的线性放大区，并经过运算放大器4放大到方便识别的与AI信号成正比的信号，从而实现AI端口复用；具体操作时，AI信号可以是电压信号或电流信号，当AI信号为电压信号时，各元件大小调整以适应运算放大器4的过程解释如下：
假设AI电压信号为V，负载单元8的阻值为Rf，采样单元3的阻值为Rs，则采样单元3的端电压
Figure BDA00001880191700051
与外部电压信号V存在如下关系：
V R S = V * R s / ( R s + R f )
具体操作时，通过负载单元8及采样单元3阻值的选择，上述的值位于运算放大器4的线性范围内即可；可以理解的是，通过选择具有不同参数的负载单元8，确保采样单元3两端的电压在运算放大器4的线性放大区内，则可以实现不同范围的AI信号的采集，如0~5V、0~10V等。
当AI信号为电流信号时候，可以直接利用如下公式计算采样电流值：
Is=Vs／Rs
其中，Is即为AI电流信号的电流值，Vs为采样单元3的端口电压，Rs为采样单元3的采样电阻值。
本发明各实施例通过在PWM端口内部增加可配置的负载回路，即负载单元及开关单元，通过开关单元的通断切换复用端口的工作模式，在开关单元导通时实现对外部电压信号大小的检测，在开关单元断开时工作在PWM模式下，可提升端口的灵活度，复用PWM端口以实现不同范围AI信号的高精度采集，满足现场多样化应用需求。
以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PWM与AI复用端口，其特征在于，包括：PWM输出驱动单元（1）、采样单元（3）、负载单元（8）、开关单元（7）；
所述采样单元（3）的第一端与所述PWM输出驱动单元（1）的输出端连接，所述采样单元（3）的第二端用于与端口负载连接或用于接收AI信号；
所述开关单元（7）的第一端与所述PWM输出驱动单元（1）的输出端连接，所述开关单元（7）的第二端连接所述负载单元（8）；
在所述开关单元（7）断开时，所述采样单元（3）用于采集所述端口负载的PWM电流值；在所述开关单元（7）导通时，所述PWM输出驱动单元（1）关闭，所述采样单元（3）用于采集所述AI信号。
2.根据权利要求1所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，还包括：用于放大所述采样单元（3）采集的信息的运算放大器（4）。
3.根据权利要求2所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，所述运算放大器（4）的同相输入端连接所述采样单元（3）的第一端，反相输入端连接所述采样单元（3）的第二端。
4.根据权利要求2或3所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，还包括：用于对所述运算放大器（4）的输出信号进行滤波的滤波电路。
5.根据权利要求4所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，所述滤波电路包括：滤波电阻（5）及滤波电容（6）；所述滤波电阻（5）的第一端连接所述运算放大器（4）的输出端，所述滤波电阻（5）的第二端通过所述滤波电容（6）接地。
6.根据权利要求2或3所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，所述运算放大器（4）为高共模电压电流测量放大器。
7.根据上述权利要求1-3中任一项所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，所述负载单元（8）和/或所述采样单元（3）为电阻。
8.根据上述权利要求1-3中任一项所述的PWM与AI复用端口，其特征在于，所述开关单元（7）为程控开关或手动开关。
9.一种控制器，其特征在于，设置有如权利要求1-8中任一项所述的PWM与AI复用端口。
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