CN102970012B - 具有诊断功能的开关量输出模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有诊断功能的开关量输出模块，包括微处理器、至少一个开关量输出通道、与至少一个开关量输出通道一一对应的至少一个故障检测电路。每一开关量输出通道包括一场效应管，场效应管的控制端与微处理器的输出端连接，第一导通端与电源连接，第二导通端与该开关量输出通道的输出端子连接。每一故障检测电路包括第一检测电路和第二检测电路。第一检测电路包括分压电路、开关电路、第一开关管和第一电压采样电路。第二检测电路包括第一限流电路、第二开关管和第二电压采样电路。第一和第二电压采样电路的输出端与微处理器的输入端连接。本发明能够检测出开关量输出通道在工作时的工作状态，判断开关量输出通道是否发生了故障。

Description

具有诊断功能的开关量输出模块

技术领域

本发明涉及一种开关量输出模块。

背景技术

目前，大量电子器件的使用在简化操作、提升性能的同时，却带来了新的问题。由于电子器件均有可能发生失效，而且每种器件失效概率不同，失效模式各异，在设备由大量电子器件构成的情况下，失效概率会有所提升。这就使得任何一个电子器件发生如断路、短路等失效时都有可能导致系统失效，并进一步对电子设备自身、工作人员及环境造成伤害。

要解决器件失效引起的系统问题的根本点就是使得设备本身故障概率降低，并且在故障发生时不会引起更严重的事故。该机制的实现需要从器件失效特性着手，引入诊断机制，使得设备具备故障自诊断和故障警示功能，并且在此基础上实现设备本质安全的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有诊断功能的开关量输出模块，其能够检测出开关量输出通道在工作时的工作状态，判断开关量输出通道是否发生了故障。

本发明所采用的技术方案是：一种具有诊断功能的开关量输出模块，包括微处理器和至少一个开关量输出通道；每一开关量输出通道包括一场效应管，场效应管具有控制端、第一导通端和第二导通端；控制端与微处理器的输出端连接，第一导通端与电源连接，第二导通端与该开关量输出通道的输出端子连接；其特点在于，该开关量输出模块还包括与至少一个开关量输出通道一一对应的至少一个故障检测电路；每一故障检测电路包括第一检测电路和第二检测电路；第一检测电路包括分压电路、开关电路、第一开关管和第一电压采样电路；分压电路的一端与场效应管的第一导通端连接，另一端与输出端子连接；开关电路设置在分压电路至输出端子的连接路径上，并可在微处理器的控制下实现分压电路与输出端子之间的导通和断开；第一开关管具有控制端、第一导通端和第二导通端，第一开关管的控制端与分压电路的分压点连接，第一开关管的第一导通端与电源连接，第一开关管的第二导通端与第一电压采样电路的输入端连接；第一电压采样电路的输出端与微处理器的输入端连接；第二检测电路包括第一限流电路、第二开关管和第二电压采样电路；第一限流电路的一端与所述场效应管的第二导通端连接；第二开关管具有控制端、第一导通端和第二导通端，第二开关管的控制端与第一限流电路的另一端连接，第二开关管的第一导通端与电源连接，第二开关管的第二导通端与第二电压采样电路的输入端连接，第二电压采样电路的输出端与微处理器的输入端连接。

本发明通过故障检测电路采集到的与开关量输出通道的工作状态有关的工作电压，能够检测出开关量输出通道在工作时的工作状态，判断开关量输出通道是否发生了故障。通过设置在微处理器中的ROM诊断单元和RAM诊断单元，本发明还能对开关量输出模块的内存是否发生了故障进行诊断。此外，本发明还具有使用方便、抗干扰能力强、安全性高的优点。

附图说明

图1是本发明开关量输出模块的一个实施例的原理框图。

图2是根据本发明一实施例的模块电源子模块的电路原理图。

图3是根据本发明一实施例的通道电源子模块的电路原理图。

图4是根据本发明一实施例的开关量输出通道和诊断电路的电路框图。

图5是根据本发明一实施例的开关量输出通道和诊断电路的电路原理图。

图6是根据本发明一实施例的微处理器的原理框图。

图7示出了根据本发明一实施例的对应关系表。

图8是根据本发明一实施例的开关量输出通道的诊断流程示意图。

图9是根据本发明一实施例的内存诊断时序框图。

图10是根据本发明一实施例的齐步法诊断步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步描述。

参考图1。根据本发明一实施例的具有诊断功能的开关量输出模块，包括微处理器1、至少一个开关量输出通道2、与至少一个开关量输出通道2一一对应的至少一个故障检测电路3、CAN通信模块4、外部存储器5和电源模块6。

其中，微处理器1采用嵌入式微处理器芯片。在一具体实施例中，微处理器1采用NXP公司基于32位的ARM7处理器LPC2129。开关量输出通道2的数量是根据具体的应用而选择的，如8通道、16通道等等，此外为了简便起见，图中仅示出了一个开关量输出通道作为示例。CAN通信模块4包括一主CAN通信模块41和一冗余CAN通信模块42，微处理器1可通过该主CAN通信模块和冗余CAN通信模块连接至CAN总线，冗余的CAN通信模块实现了高速的冗余CAN总线通信。外部存储器5包括外部ROM和外部RAM，从而大大提升了数据及程序存储空间。电源模块6为微处理器1、开关量输出通道2、故障检测电路3、CAN通信模块4和外部存储器5提供稳定的电源，其包括通道电源子模块61和模块电源子模块62两部分。模块电源子模块62采用了DC/DC隔离设计，保证了板上的处理电路供电的稳定性，可接收+30%和-25%的宽幅供电范围。通道电源子模块61采用非隔离的DC/DC电路，转换效率高，发热量低，并且能够提供最大2A的电流。

图2是根据本发明一实施例的模块电源子模块62的电路原理图。光电隔离DC/DC模块U25使用COSEL公司的ZUS32405，它内部的滤波机制可以提供平滑的+5V电源，从而在电源进线端大幅度降低地线干扰的强度。图3中，并联电容C12、C13和电解电容C11能够起到一定滤波作用。桥路芯片D1保证了模块电源输入反接时不会导致错误。为了实现输入电压的限幅，电源输入端的末端加入了热敏电阻R384，以保证电压瞬间高峰不会影响模块电路正常工作。此外，使用熔断器F33，其熔断电流为1A，确保模块自身短路时不会因为电流过大而烧坏外部电源，提升了模块的本质安全特性。

电源模块的开关量OC输出供电使用两种模式，即：统一电源供电和分离电源供电。前一个模式下使用同一个DC24V作为供电源；后一个模式下的模块供电和开关量输出供电采用两个不同的DC24V，模块内部通过总线隔离芯片实现隔离。

图3是根据本发明一实施例的通道电源子模块的电路原理图。图中，U27为DC/DC转换芯片，能够实现单路2A电流输出。P7、P8为四个跳线，完成分离电源和统一电源的切换。

如图4所示，每一开关量输出通道2包括一场效应管21，场效应管21具有控制端、第一导通端和第二导通端。控制端与微处理器1的输出端连接，第一导通端与通道电源子模块61连接，第二导通端与该开关量输出通道的输出端子DO1连接，输出端子DO1连接到用电设备7。

每一故障检测电路包括第一检测电路、第二检测电路和第三检测电路。

第一检测电路包括分压电路311、第一开关管312、第一电压采样电路313和开关电路314。分压电路311的一端与场效应管21的第一导通端连接，另一端与输出端子DO1连接。开关电路314设置在分压电路311至输出端子DO1的连接路径上，并可在微处理器1的控制下实现分压电路311与输出端子DO1之间的导通和断开。第一开关管312具有控制端、第一导通端和第二导通端，第一开关管312的控制端与分压电路311的分压点连接，第一导通端与通道电源子模块61提供的24V电源连接，第二导通端与第一电压采样电路313的输入端连接。第一电压采样电路313的输出端与微处理器1的输入端连接。

第二检测电路包括第一限流电路321、第二开关管322和第二电压采样电路323。第一限流电路321的一端与场效应管21的第二导通端连接。第二开关管322具有控制端、第一导通端和第二导通端，第二开关管322的控制端与第一限流电路321的另一端连接，第一导通端与通道电源子模块61提供的24V电源连接，第二导通端与第二电压采样电路323的输入端连接，第二电压采样电路323的输出端与微处理器1的输入端连接。

第三检测电路包括第二限流电路331、第三开关管332和第三电压采样电路333。第二限流电路331的一端与场效应管21的第一导通端连接。第三开关管332具有控制端、第一导通端和第二导通端。第三开关管332的控制端与第二限流电路331的另一端连接，第一导通端与通道电源子模块61提供的24V电源连接，第二导通端与第三电压采样电路333的输入端连接。第三电压采样电路333的输出端与微处理器1的输入端连接。

图5示出了图4的一个具体应用实例。其中，场效应管21为NMOS管Q5，NMOS管Q5的栅极为控制端，漏极为第一导通端，源极为第二导通端。在该NMOS管的漏极与栅极之间串联有电阻R9。第一开关管312、第二开关管322和第三开关管332分别为PNP三极管Q3、PNP三极管Q7和PNP三极管Q1。各PNP三极管的基极为控制端，发射极为第一导通端，集电极为第二导通端。在第一开关管Q3的发射极至通道电源子模块61提供的24V电源的连接路径上设有保险丝F1。

第一电压采样电路313包括电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端与第一开关管Q3的集电极连接，另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地。电阻R13与电阻R14的公共节点为第一电压采样电路313的输出端。第二电压采样电路323包括电阻R19和电阻R20，电阻R19的一端与第二开关管Q7的集电极连接，另一端与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地。电阻R19与电阻R20的公共节点为第二电压采样电路323的输出端。第三电压采样电路333包括电阻R4和电阻R3，电阻R4的一端与第三开关管Q1的集电极连接，另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地。电阻R4与电阻R3的公共节点为第三电压采样电路333的输出端。分压电路311包括电阻R7和电阻R11，电阻R7的一端与场效应管Q5的漏极连接，另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与开关电路314连接。电阻R7与电阻R11的公共节点与第一开关管Q3的基极连接。在一个具体的实施例中，开关电路314为一继电器，该继电器的触点串联在分压电路311至输出端子DO1的连接路径上。第一限流电路由电阻R17构成，第二限流电路由电阻R1构成。

如图6所示，微处理器1包括：开关电路控制单元11、输出通道控制单元12、第一检测信号比较单元13、第二检测信号比较单元14、第三检测信号比较单元15和通道故障诊断单元16。

开关电路控制单元11用于在进行故障检测时控制开关电路314导通和断开各一次。输出通道控制单元12用于控制场效应管21的工作。第一检测信号比较单元13用于将第一电压采样电路313输出的电压信号与预设的第一电压基准值进行比较，若大于该第一电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第一电压基准值，则判断该电压信号为低电平。第二检测信号比较单元14用于将第二电压采样电路323输出的电压信号与预设的第二电压基准值进行比较，若大于该第二电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第二电压基准值，则判断该电压信号为低电平。第三检测信号比较单元15用于将第三电压采样电路333输出的电压信号与预设的第三电压基准值进行比较，若大于该第三电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第三电压基准值，则判断该电压信号为低电平。通道故障诊断单元16用于将输出通道控制单元12的输出状态、以及第一、第二和第三检测信号比较单元的比较结果，与预先存储的输出通道控制单元工作状态、第一、第二和第三检测信号比较单元的比较结果与开关量输出通道工作状态的对应关系表进行比对，判断是否发生了故障，并输出故障诊断结果，该故障诊断结果可通过CAN通信模块4传输到外部的报警设备。

图7示出了该对应关系表，表中，1代表高电平，0代表低电平。图8示出了根据本发明一实施例的开关量输出通道的诊断流程示意图。结合图5至图8所示，微处理器1输出的用于控制场效应管Q5的信号为OUTPUT+，用于控制开关电路314的信号为SWITCH+。第一、第二和第三电压采样电路313、323和333输出给微处理器1的电压信号分别为IIN+、EIN+和SIN+。在每次进行通道的故障检测时，输出通道控制单元12保持OUTPUT+信号不变，开关电路控制单元11控制开关电路314导通（SWITCH+为1）和断开（SWITCH+为0）各一次。第一、第二和第三检测信号比较单元13、14和15将采集到的两组IIN+、EIN+和SIN+信号与基准电压信号进行比较，并将比较结果发送给通道故障诊断单元16，然后再由通道故障诊断单元16与图7中的表格进行比较。例如，当OUTPUT+为0时，通道故障诊断单元16获得的信息为在SWITCH+为0时，IIN+、EIN+和SIN+的信号电平均为低电平，而在SWITCH+为1时，IIN+、EIN+和SIN+的信号电平分别为1、0和0，就可以判断通道中的场效应管Q5发生了短路故障。当外部用电设备7发生短路时，保险丝F1会熔断，第三开关管Q1导通，SIN+为高电平。图7表格中的“/”表示信号可以是任意的电平。

根据本发明一实施例的微处理器1还包括RAM诊断单元17和ROM诊断单元18。RAM诊断单元17和ROM诊断单元18可对微处理器1内部以及外部存储器5的RAM和ROM进行诊断。RAM诊断单元17用于通过齐步法检测RAM是否发生故障；ROM诊断单元18用于通过按字节的CRC校验算法检测ROM是否发生故障。图9是根据本发明一实施例的内存诊断时序框图。图10是根据本发明一实施例的齐步法(Marching)诊断步骤示意图。齐步法的过程描述为先将所有单元写‘0’，从首单元开始升序对每个单元先读‘0’再写‘1’，然后再从最后一个单元降序依次将各单元先读‘1’再写‘0’。图中，按照（a）至（f）步骤顺序执行。该方法不但诊断效率高，而且能够达到中级诊断覆盖率。若任何一次读0或读1操作失败，则说明该内存区产生错误，并产生一条失效报文。按字节的CRC校验算法将程序存储器中的代码通过CRC校验算法和按字节查表法结合，快速生成CRC校验和，即存储器的签名。诊断时，ROM诊断单元运行同样的除法，并将求出值与该签名比较，有差异则产生一条失效报文，从而实现高效率和高诊断覆盖率。

Claims (9)

1.一种具有诊断功能的开关量输出模块，包括微处理器和至少一个开关量输出通道；每一所述的开关量输出通道包括一场效应管，所述场效应管具有控制端、第一导通端和第二导通端；所述控制端与所述微处理器的输出端连接，所述第一导通端与电源连接，所述第二导通端与该开关量输出通道的输出端子连接；其特征在于，该开关量输出模块还包括与所述至少一个开关量输出通道一一对应的至少一个故障检测电路；每一所述故障检测电路包括第一检测电路和第二检测电路；

所述第一检测电路包括分压电路、开关电路、第一开关管和第一电压采样电路；所述分压电路的一端与场效应管的第一导通端连接，另一端与所述输出端子连接；所述开关电路设置在分压电路至所述输出端子的连接路径上，并可在所述微处理器的控制下实现分压电路与输出端子之间的导通和断开；第一开关管具有控制端、第一导通端和第二导通端，第一开关管的控制端与分压电路的分压点连接，第一开关管的第一导通端与电源连接，第一开关管的第二导通端与第一电压采样电路的输入端连接；第一电压采样电路的输出端与所述微处理器的输入端连接；

所述第二检测电路包括第一限流电路、第二开关管和第二电压采样电路；第一限流电路的一端与所述场效应管的第二导通端连接；第二开关管具有控制端、第一导通端和第二导通端，第二开关管的控制端与所述第一限流电路的另一端连接，第二开关管的第一导通端与电源连接，第二开关管的第二导通端与第二电压采样电路的输入端连接，第二电压采样电路的输出端与所述微处理器的输入端连接。

2.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，

所述的场效应管为NMOS管，该NMOS管的栅极为控制端，漏极为第一导通端，源极为第二导通端；在该NMOS管的漏极与栅极之间串联有电阻R9；

所述的第一开关管和第二开关管均为PNP三极管；该PNP三极管的基极为控制端，发射极为第一导通端，集电极为第二导通端；

所述的第一电压采样电路包括电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端与第一开关管的集电极连接，另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地；电阻R13与电阻R14的公共节点为该第一电压采样电路的输出端；

所述的第二电压采样电路包括电阻R19和电阻R20，电阻R19的一端与第二开关管的集电极连接，另一端与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地；电阻R19与电阻R20的公共节点为该第二电压采样电路的输出端；

所述的第一限流电路由电阻R17构成。

3.如权利要求2所述的开关量输出模块，其特征在于，

所述的分压电路包括电阻R7和电阻R11，电阻R7的一端与所述场效应管的漏极连接，另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与所述开关电路连接；电阻R7与电阻R11的公共节点与第一开关管的基极连接。

4.如权利要求3所述的开关量输出模块，其特征在于，所述的开关电路为一继电器，所述继电器的触点串联在分压电路至所述输出端子的连接路径上。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的开关量输出模块，其特征在于，还包括一第三检测电路；所述的第三检测电路包括第二限流电路、第三开关管和第三电压采样电路；第二限流电路的一端与场效应管的第一导通端连接；第三开关管具有控制端、第一导通端和第二导通端，第三开关管的控制端与所述第二限流电路的另一端连接，第三开关管的第一导通端与电源连接，第三开关管的第二导通端与第三电压采样电路的输入端连接；第三电压采样电路的输出端与所述微处理器的输入端连接；在第一开关管的第一导通端至电源的连接路径上设有保险丝。

6.如权利要求5所述的开关量输出模块，其特征在于，所述的第三开关管为PNP三极管；该PNP三极管的基极为控制端，发射极为第一导通端，集电极为第二导通端；

所述的第三电压采样电路包括电阻R4和电阻R3，电阻R4的一端与第三开关管的集电极连接，另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地；电阻R4与电阻R3的公共节点为该第三电压采样电路的输出端；

所述的第二限流电路由电阻R1构成。

7.如权利要求6所述的开关量输出模块，其特征在于，所述的微处理器包括：

输出通道控制单元，用于控制所述场效应管的工作；

开关电路控制单元，用于在进行故障检测时控制所述开关电路导通和断开各一次；

第一检测信号比较单元，用于将第一电压采样电路输出的电压信号与预设的第一电压基准值进行比较，若大于该第一电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第一电压基准值，则判断该电压信号为低电平；

第二检测信号比较单元，用于将第二电压采样电路输出的电压信号与预设的第二电压基准值进行比较，若大于该第二电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第二电压基准值，则判断该电压信号为低电平；

第三检测信号比较单元，用于将第三电压采样电路输出的电压信号与预设的第三电压基准值进行比较，若大于该第三电压基准值，则判断该电压信号为高电平，若小于等于该第三电压基准值，则判断该电压信号为低电平；

通道故障诊断单元，用于将所述输出通道控制单元的输出状态、以及第一、第二和第三检测信号比较单元的比较结果，与预先存储的输出通道控制单元工作状态、第一、第二和第三检测信号比较单元的比较结果与开关量输出通道工作状态的对应关系表进行比对，判断是否发生了故障，并输出故障诊断结果。

8.如权利要求7所述的开关量输出模块，其特征在于，所述的微处理器还包括：

RAM诊断单元，用于通过齐步法检测RAM是否发生故障；

ROM诊断单元，用于通过按字节的CRC校验算法检测ROM是否发生故障。

9.如权利要求1所述的开关量输出模块，其特征在于，包括一主CAN通信模块和一冗余CAN通信模块，所述的微处理器通过该主CAN通信模块和冗余CAN通信模块连接至CAN总线。