CN103023485B - 故障安全的开关量离散输入状态采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，包括：震荡电路，光耦以及分压电阻；所述震荡电路连接至开关量离散输入端，并通过电阻的分压和光耦的隔离，当输入电平为高时，输出动态震荡脉冲。本发明可以对开关离散输入量的状态进行安全采集，在确定了安全侧和危险侧的前提下，有较快采集速度、较小功耗以及能够独立工作。

Description

故障安全的开关量离散输入状态采集电路

技术领域

本发明属于电子电路设计技术领域，具体是指一种应用于工业控制系统、安全信号系统等系统中的故障安全的离散输入信号采集电路。

背景技术

在工业控制系统和安全信号系统(应用于航空电子、铁路信号、核电等行业)中，系统对设备开关量的状态采集通常通过输入通道来完成，控制器通过输入通道实现对外部设备的监控。

外部设备到系统的输入状态往往是开关离散量，即只有导通和断开两种状态。导通时输入正电压，断开时没有电压输入。

如图2所示，是常见的一种开关量离散输入状态采集电路设计结构，由光耦1实现输入通道和逻辑电路的隔离，电阻3实现分压。该方案存在的问题是，当光耦1发生常通或常断的失效时，可能致使系统逻辑电路采集到的外部状态错误，从而可能导致安全系统在计算输出的时候的错误而造成的危险输出。

如图3所示，是另一种开关量离散输入状态采集电路设计结构，由光耦2、光耦2.1实现和电阻3组成，其中电阻3负责分压。电路中，逻辑电路产生一串校验波形，来控制光耦2.1的导通和断开。对于输入端为高电平的情况，当光耦2.1导通时，光耦2的输入端被旁路，光耦2断开；当光耦2.1断开时，光耦2.1的输入端受到输入电压时，导通。如此一来，当光耦2便会输出给逻辑电路一个与光耦2.1的校验波形相反的回检波形。对于输入端为低电平的情况，光耦2始终断开，输出给逻辑电路一个恒定电平。对于安全系统，定义离散输入高电平时为危险侧，离散输入为低电平时为安全侧。(如果系统误将安全侧的输入采集识别为危险侧，则会造成系统风险；如果系统误将危险侧的输入采集识别为安全侧，则不会造成风险)，如此一来，当光耦2.1或光耦2任何一个器件发生常通或常断的失效时，光耦2的输出端就不会产生正确的回检波形，使得系统采集到安全侧的输入，这对于系统来说是安全的。

但是该方案存在以下三个缺陷：

1、器件光耦2由于输出端在逻辑电路一侧，可以用3.3V或者5V的TTL或CMOS快速光耦。但光耦2.1的输出端在输入通道一侧，很难使用3.3V或5V的TTL或CMOS快速光耦，这就导致该电路对于校验波形的频率响应较慢，校验波形很难设置在10KHz以上的频率。如果系统对实时性要求较高，该电路较难满足要求。

2、该电路需要由逻辑电路的校验波形输入，离开校验波形的输入则无法独立工作，从而增加了系统逻辑电路部分的复杂性。

3、光耦2.1的输出端往往需要较大的电流(5～10mA)才能达到较好的工作状态，如果输入通道导通时的电压较高，整个电路的功率会比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，它可以对开关离散输入量的状态进行安全采集，在确定了安全侧和危险侧的前提下，有较快采集速度、较小功耗以及能够独立工作。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，包括：自激振荡电路，光耦以及分压电阻；所述自激振荡电路连接至开关量离散输入端，并通过电阻的分压和光耦的隔离，当输入电平为高时，输出动态振荡脉冲。

本发明的有益效果在于：可以对开关离散输入量的状态进行安全采集，在确定了安全侧和危险侧的前提下，有较快采集速度、较小功耗以及能够独立工作。

所述自激振荡电路采用不同的自激振荡电路实现对恒定的离散输入电平到动态振荡脉冲输出的转换。

所述自激振荡电路由三极管，电容C1、电容C2，电阻R1、电阻R4，电阻R2以及电阻R3组成，电阻R5取自激振荡电路一端输出的振荡波形，输入给光耦输入端，由该光耦隔离输出给系统逻辑电路。

所述隔离器件为3.3V/5V的TTL或CMOS光耦隔离器件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1一种常见的多谐自激振荡电路示意图

图2是一种常见的开关量离散输入状态采集电路结构示意图；

图3是另一种开关量离散输入状态采集电路结构示意图；

图4是本发明的开关量离散输入状态采集电路的原理图；

图5是本发明的一个实施例电路的原理图；

图6是该实例电路的振荡输出的波形图。

图中附图标记说明：

1自激振荡电路，2、2.1光耦，3分压电阻。

具体实施方式

本发明为了对开关离散输入量的状态进行安全采集，在确定了安全侧和危险侧的前提下(定义离散输入高电平时为危险侧，离散输入为低电平时为安全侧)，设计了一种较快采集速度、较小功耗以及能够独立工作的离散输入采集电路。

本发明提供一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，该电路能够应用于包括但并不局限于安全信号系统、工业控制系统等领域。

本发明离散输入通道采集电路的计数方案是：如图4所示，由分压自激振荡电路1、TTL/CMOS快速光耦2以及分压电阻3组成。

本电路的关键在于将振荡电路应用于开关量离散输入采集电路中，根据设计参数的需要以及系统实时性的要求，振荡电路的频率可以调整到合适的值。

本电路的工作原理是：

当开关量离散输入为高电平时，振荡电路被激活，产生自激振荡。振荡波形经过光耦2输出给系统逻辑电路。

当开关量离散输入为低电平时，振荡电路停止自激振荡，光耦2不会输出正确频率的振荡波形。

电路工作时，当光耦2输出正确频率范围内的振荡波形时，代表输入端为高电平，即危险侧；当光耦2输出其他形式的电平时，代表输入端为低电平或通道故障，系统会将这些情况统一认定为输入通道低电平，即安全侧。

在系统处理端，有两种方法判断开关量离散输入的状态：

1、判断光耦2输出振荡波形的脉宽，判断其是否在设计的频率范围内。如果在其范围内，则认为输入端为高电平，反之为低电平。

2、开辟一段时间窗，在该时间窗内对光耦2输出的振荡波形的脉冲数进行计数。如果其计数在设计的范围内，则认为输入端为高电平，反之为低电平。

本电路的故障安全特性表现为：

如果振荡电路失效：1、当离散输入为高电平时，振荡电路的输出频率如果改变，光耦2输出的振荡波形的频率会偏离设计的频率范围，使得系统采集到安全侧的输入。如果振荡电路的输出频率没有改变，系统采集到的值虽然是危险侧，但由于此时的输入状态和危险侧的值是一致的，对系统安全并没有影响。2、当离散输入为低电平时，振荡电路由于没有能量输入，无法开始自激振荡，光耦2始终输出恒定电平，系统得到的是安全侧输入。

如果光耦2失效：1、如果光耦2发生常通或常断的失效，光耦2会输出恒定电平，系统得到的是安全侧输入。2、如果光耦2老化，致使其导通/断开时间发生变化，或者输出电平发生变化，达到一定程度时，会影响光耦2输出的振荡波形的频率或幅值，从而系统也会得到安全侧的输入。

本电路的具有较快的采集速度，原因在于：

1、振荡电路1的频率可以根据设计参数调整，其调整范围可以从几赫兹到几百千赫兹。

2、由于光耦2的输出端在逻辑电路一侧，可以采用3.3V或5V的TTL或CMOS光耦，其相应速度在兆赫兹级别。

鉴于上述原因，系统可以在更快的时间内，完成对离散输入通道状态的采集。

本电路具有较低的功耗，其主要原因是，振荡电路1只需要很小的电流(1～2mA)即可产生自激振荡，而光耦2的输入端导通电流也比较小(1～2mA)，相对于图3所示电路方案中的电流(5～10mA)来说，功耗大大降低。

本电路可以独立工作，不需要逻辑电路的任何激励，其振荡电路1在输入通道为高电平时，即开始自激振荡，从而简化了逻辑电路的设计复杂度。

下面结合图5本发明一个实施例电路的原理图，对本发明做进一步说明。

该实施例针对输入通道，用三极管PMBT2222A(V1、V2)，47pF电容(C1、C2)，10K欧电阻(R1、R4)，30.1K欧电阻(R2)以及40.2K欧电阻(R3)组成自激振荡电路。用1K欧电阻(R5)取振荡电路一端输出的振荡波形，输入给光耦HCPL-2211(H1)的输入端，由该光耦经隔离输出给系统逻辑电路。

本电路的实际工作电流经测试，在2～2.5mA的范围内即可开始振荡。其输出的振荡波形频率为200KHz±5％，起振时间如图6所示，Ta＝20us±50％。

振荡波形的频率可以通过以下公式计算：

振荡波形占空比为：T1:T2，按照设计参数和具体电路，占空比为43％

本实例中，在系统处理端开辟了两段不同的时间窗：1ms和0.9ms，分别对该电路的输出振荡脉冲数进行计数。仅当脉冲数分别在200±5％和180±5％(振荡脉冲频率乘以时间窗时间跨度)的范围内时，认为开关量离散输入通道状态为高电平(危险侧)，其他任何情况都认为离散输入通道为低电平(安全侧)。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (4)

1.一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，其特征在于，包括：

三极管V1、V2，电容C1、C2，电阻R1、R2、R3、R4组成自激振荡电路(1)；

电阻R1-R4的第一端连接开关离散量输入正极，电阻R1第二端连接三极管V1集电极和电容C1的第一端，电阻R2第二端连接三极管V1基极和电容C2的第一端，三极管V1发射极接开关离散量输入负极，电阻R3第二端连接三极管V2的基极和电容C1的第二端，电阻R4第二端连接三极管V2的集电极和电容C2的第二端，三极管V2发射极接开关离散量输入负极；

所述自激振荡电路(1)通过一分压电阻(3)的分压和光耦(2)隔离；当电路未发生故障，即开关量离散输入端输入电平为高时，光耦(2)输出设计频率范围内的动态振荡脉冲，开关量离散输入端当输入电平为低或者电路发生故障时，光耦(2)输出其他形式的电平；

本电路定义有危险侧和安全侧，危险侧是指光耦(2)输出设计频率范围内的振荡脉冲，代表输入电平为高并且本采集电路工作正常；除光耦(2)输出设计频率范围内的振荡脉冲之外光耦(2)所有输出都为安全侧，代表输入电平为低或者采集电路故障。

2.根据权利要求1所述的故障安全的开关量离散输入状态采集电路，其特征在于，自激振荡电路(1)采用不同的自激振荡电路实现对恒定的离散输入电平到动态振荡脉冲输出的转换。

3.根据权利要求2所述的故障安全的开关量离散输入状态采集电路，其特征在于，所述电路还包括电阻R5取自激振荡电路一端输出的震荡波形，输入给光耦(2)输入端，由该光耦隔离输出给系统逻辑电路；

电阻R5第一端接开关离散量输入正极，电阻R5第二端接光耦(2)的输入端，光耦(2)的输出端接三极管V2的集电极。

4.根据权利要求3所述的一种故障安全的开关量离散输入状态采集电路，其特征在于，所述光耦(2)为3.3V/5V的TTL或CMOS光耦隔离器件。