CN104199344B - 接口电路、控制器、控制系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接口电路、控制器、控制系统及工程机械，其中，该接口电路包括：对外端口，连接有输出回路设置有输出回路和输入回路，所述输出回路上设置有二极管；端口电压采集模块，与所述输出回路或所述输入回路连接，用于采集所述对外端口处的电压；控制模块，与所述输出回路、所述输入回路及所述端口电压采集模块连接，并用于控制所述输出回路上二极管的导通来使所述输出回路有效，以及根据所述端口电压采集模块采集的所述对外端口处的电压确定输入是否有效，并用于接收所述输入回路的输入信号；电源模块，与所述控制模块连接，用于为接口电路提供电源。因此，本发明能够使控制器的接口电路中的对外端口的输入输出功能同时有效。

Description

接口电路、控制器、控制系统及工程机械

技术领域

本发明涉及电控领域，特别涉及一种接口电路、控制器、控制系统及工程机械。

背景技术

在控制器的设计当中，为提高控制器的适用性通常设计有输入、输出功能复用的IO(输入输出)端口。

然而，在应用中，对于具有复用功能的IO端口只能用作输入功能或者输出功能，不能同时执行输入输出功能。这是因为，对于目前的具有复用输入输出功能的管脚，如果作为输入功能使用时，复用的输出功能也有效的话，输入功能则始终为高电平，无法采集外部信号；如果作为输出功能使用时，复用的输入功能有效的话，输入信号就会造成负载误动作。这样看来，目前的IO复用端口不能同时执行输入输出操作，因此，IO端口提供复用功能的同时也造成了成本的增加，以及资源的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提出一种接口电路，能够使其对外端口的输入输出功能同时有效。

进一步来讲，本发明实施例的接口电路包括：对外端口，连接有输出回路和输入回路，所述输出回路上设置有二极管；端口电压采集模块，与所述输出回路或所述输入回路连接，用于采集所述对外端口处的电压；控制模块，与所述输出回路、所述输入回路及所述端口电压采集模块连接，并用于控制所述二极管的导通来使所述输出回路有效，以及用于根据所述端口电压采集模块采集的所述对外端口处的电压确定输入是否有效，并用于接收所述输入回路的输入信号；电源模块，与所述控制模块连接，用于为接口电路提供电源。

可选的是，在一些实施例中，所述输出回路上，所述二极管的负极连接开关元件的第一端，所述二极管的正极连接所述对外端口；所述开关元件的第二端接地，所述开关元件的控制端连接于所述控制模块；所述对外端口处的电压等于所述输出回路上的二极管的正向导通电压时，所述二极管导通，输出有效。

可选的是，在一些实施例中，所述输出回路上，所述二极管的正极连接开关元件的第一端，所述二极管的负极连接所述对外端口；所述开关元件的第二端连接所述电源模块，所述开关元件的控制端连接所述控制模块；所述对外端口处的电压低于所述电源模块的电源电压时，所述二极管导通，输出有效。

可选的是，在一些实施例中，所述电源模块配置有电源端口电压采集模块，用于采集所述电源模块的电源电压；所述电源端口电压采集模块与所述控制模块连接，用于采集所述电源模块为所述开关元件提供的电压，并用于将所采集的结果传送给所述控制模块。

可选的是，在一些实施例中，所述开关元件为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

相对于现有技术，本发明实施例的接口电路具有以下优势：

本发明实施例的接口电路采用在输出回路上引入压降，即在对外端口的输出回路中串联二极管，利用二极管的正向压降，防止外部端口电压反灌，并对对外端口电压值进行采集，使单一IO复用端口同时实现输出与输入功能。

本发明的目的再一在于提出一种控制器，能够使接口电路中的对外端口的输入输出功能同时有效。其中，该控制器设置有上述任一种所述的接口电路。

本发明的目的另一在于提出一种控制系统，能够使接口电路中的对外端口的输入输出功能同时有效。

进一步来讲，该控制系统用于控制信号输入输出以及外部负载动作，该控制系统包括：上述任一种所述的接口电路、与所述接口电路相配合的外部线路；其中，所述接口电路与所述外部线路通过所述对外端口连接。

可选的是，在一些实施例中，所述二极管的负极连接开关元件的第一端，所述开关元件的第二端接地，所述二极管的正极连接所述对外端口时，所述外部线路包括：外部输入回路，与所述对外端口连接，并设置有输入开关，所述输入开关闭合处的电压为接地电压；外部负载线路，其一端在所述对外端口与所述输入开关之间的任一节点接入，另一端的电压连接所述电源模块。

可选的是，在一些实施例中，所述二极管的正极连接开关元件的第一端，所述开关元件的第二端连接所述电源模块，所述二极管的负极连接所述对外端口时，所述外部线路包括：外部输入回路，与所述对外端口连接，并设置有输入开关，所述输入开关闭合处的电压与所述电源模块的电源电压相同；外部负载线路，其一端在所述对外端口与所述输入开关之间的任一节点接入，另一端接地。

本发明的目的又一在于提出一种工程机械，工程机械设置有上述任一种所述的控制系统，该控制系统能够使接口电路中的对外端口的输入输出功能同时有效。

由于上述任一种接口电路具有上述技术效果，因此，设有该接口电路的控制器、控制系统及工程机械也应具备相应的技术效果，兹不赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的接口电路的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的另一接口电路的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的控制器的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的控制系统的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一控制系统的电路结构示意图。

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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

接口电路实施例

为了提高复用端口的功能利用率，设计一种具有单一IO复用端口的接口电路，能够同时实现输出与输入功能。参照图1和图2，其分别为本实施例提供的接口电路的原理示意图。

本实施例中，接口电路包括：对外端口、端口电压采集模块、控制模块及电源模块。其中，对外端口连接有输出回路和输入回路，输出回路设置有二极管。输入回路的一端在二极管与对外端口之间任一节点O接入。或者说，输入回路和输出回路共用一个对外端口，在O点处分成两路，即输入回路和输出回路。

其中，端口电压采集模块与输出回路或输入回路连接，端口电压采集模块用于采集对外端口处的电压。本实施例中，可选的是，如图1所示，端口电压采集模块设置在输入回路上，并与控制模块连接，用于将采集的端口电压传递给控制模块。作为另一种可选的实施方式，又如图2所示，端口电压采集模块设置在输出回路上，并与控制模块连接，用于将采集的端口电压传递给控制模块。

如图1或图2所示，控制模块与输出回路、输入回路及端口电压采集模块及电源模块连接，控制模块用于控制二极管的导通来使输出回路有效，以及根据对外端口处的电压确定输入是否有效，并用于接收所述输入回路的输入信号。其中，电源模块用于为接口电路提供电源。

上述实施例中，采用在输出回路上引入压降，即在对外端口的输出回路中串联二极管D，利用二极管D的正向压降，防止外部端口电压反灌，并对对外端口电压值进行采集，使单一IO复用端口同时实现输出与输入功能。

上述实施例中，控制模块可为一种中央处理器(CPU)或微型处理器。在上述接口电路中，控制模块设置有与各电路模块连接的引脚，例如：控制模块与输入回路通过A/D转换引脚连接，与输出回路通过IO引脚连接，与端口电压采集模块通过另一A/D转换引脚连接，与电源模块通过接入电源的引脚连接等。

需要说明的是，上述实施例中的接口电路适用于高/低有效的输入及输出，进一步说明如下：

1)以高有效输出端口与高有效的输入端口复用为例：

参照图1所示的接口电路的电路结构，该接口电路可同时执行输入和输出功能，对外端口的输入/输出功能高电平有效。

其中，在对外端口的输出回路上，二极管的正极连接开关元件的第一端，二极管的负极连接对外端口。开关元件的第二端连接电源模块，开关元件的控制端连接控制模块。其中，开关元件可以选用MOS管，即，金属(Metal)-氧化物(Oxid)-半导体(Semiconductor)场效应晶体管。

这样，对外端口处的电压低于电源模块的电源电压时，二极管导通，输出有效。

可选的是，电源模块配置有电源电压采集模块，用于采集电源模块的电源电压，电源电压采集模块与控制模块连接，电源电压采集模块用于采集电源模块为开关元件提供的电压，并用于将所采集的结果传送给控制模块。

例如，以工程机械中控制器对外的IO复用端口为例：控制器内部对输出回路上连接的电源电压Vcc通过电源电压采集模块中的采集电路进行实时采集，同时，作为IO复用端口的输入功能可通过端口电压采集模块实时采集对外端口的电压值，并将其与采集的电源电压Vcc进行比较，以控制输入输出的有效性。

当IO复用端口的输出功能有效时，由于二极管D压降的存在，Uo＝Vcc-V_D<Vcc。同时，输入开关闭合后，输入功能有效，Uo＝Vcc，但由于二极管有反向截止功能，不会造成电压倒灌。因此，上述实施例的接口电路，在保持输出功能一直有效的情况下，实现输入功能有效。这里，如果输出不能保持一直有效，则输入信号的接入会造成负载错误动作，这是因为负载动作是输出端口控制的，如果在不需要负载动作时，接入输入信号，这样会造成负载的动作。因此，在高电平输出有效的情况下，控制器内部要控制一直输出高电平。

2)以低有效输出端口与低有效的输入端口复用为例：

参照图2所示的接口电路的电路结构，该接口电路可同时执行输入和输出功能，对外端口的输入/输出功能低电平有效。

其中，二极管的负极连接开关元件的第一端，二极管的正极连接对外端口，开关元件的第二端接地，开关元件的控制端连接于控制模块。

这样，对外端口处的电压等于输出回路上的二极管的正向导通电压时，二极管导通，输出低电平有效。其中，开关元件可以选用MOS管，即，金属(Metal)-氧化物(Oxid)-半导体(Semiconductor)场效应晶体管。

例如，以工程机械中控制器对外的IO复用端口为例，对外端口处的电压Uo＝V_D时，输出低电平有效，负载连接控制器内部电源，根据控制器的指令执行相应的动作。在IO复用端口输出端口的输出功能有效时，控制器内部可以通过采集对外端口的电压Uo作为输入是否有效的判断：

Uo＝0，输入开关闭合，输入低电平有效；

Uo＞0，输入无效。

其中，对外端口处的电压Uo＝0时，输入有效；此时，虽然二极管截止，但负载连接控制器内部电源，根据控制器的指令执行相应的动作，因此，输出仍有效。

需要说明的是，上述各实施例中，开关元件与二极管串联设置在输出回路上，开关元件可选用场效应晶体管、继电器、驱动芯片等具有开关功能的电气元件，可通过控制开关元件来控制开关元件与二极管连接端的电压。

控制器实施例

基于上述各实施例，还提出一种控制器，参照图3所示，该控制器设置有上述任一实施例所述的接口电路。

上述实施例中，控制器内部对电源Vcc通过采集电路进行实时采集，这里可采用控制器的CPU的ADC(Analog-to-Digital Converter，模拟/数字转换器)采集模块搭配分压电路来实现电压的采集，然后CPU根据采集值进行比较。

需要说明的是，上述实施例的控制模块可以是在控制器的CPU内部开发的一块控制区域，也可以是单独设置的控制区域，可与控制器的CPU交互信息，这里对其不作限制。

另外，对外端口电压的采集与电源电压的采集原理基本相同，可通过控制器中CPU内部不同的ADC通道进行采集。CPU对采集后的电压值进行存储及处理。

控制系统实施例

基于上述各实施例，本实施例还提出一种控制系统，参照图4和图5，其分别为控制系统的电路结构示意图。

本实施例中，该控制系统用于控制信号输入输出以及外部负载动作，该控制系统包括：上述任一实施例所述的接口电路、与接口电路相配合的外部线路。其中，接口电路与外部线路通过对外端口连接。

一种情况下，如图4所示，对外端口输入/输出低电平有效时，即二极管的负极连接开关元件的第一端，开关元件的第二端接地，二极管的正极连接对外端口时，上述的外部线路包括：外部输入回路和外部负载线路，外部负载线路也可称之为外部输出回路。其中，外部输入回路与对外端口连接，并设置有输入开关，输入开关闭合处的电压为接地电压。外部负载线路的一端在对外端口与输入开关之间的任一节点接入，另一端的电压连接电源模块，即外部负载连接控制系统的内部电源，以使其在收到动作指令时借助该电源执行相应动作。

上述实施例中，开关元件以控制器内部的驱动芯片为例，二极管的负极与驱动芯片第一端连接，驱动芯片的第二端接地。

对于对外端口输入/输出低电平有效的情况，输出回路中二极管D的电压降为V_D，当采集到的对外端口电压Uo＝V_D时，输出低电平有效；当Uo＝0时，输入低电平有效，即输入开关关闭，进行信号输入，此时，输出仍处于有效状态，负载仍然可根据控制器输出的控制指令执行动作。

另一种情况下，如图5所示，对外端口输入/输出高电平有效时，即二极管的正极连接开关元件的第一端，开关元件的第二端连接电源模块，负极连接对外端口时，上述的外部线路包括：外部输入回路和外部负载线路。其中，外部输入回路与对外端口连接，并设置有输入开关，输入开关闭合处的电压与电源模块的电源电压相同。外部负载线路的一端在对外端口与输入开关之间的任一节点接入，另一端接地。

需要指出的是，上述实施例中，输入开关闭合时，输入高电平有效。对外端口为输入输出复用端口。以工程机械中控制器对外的IO复用端口为例，采集电源电压Vcc以及对外端口的电压，在IO复用端口输出端口输出功能有效时，控制器内部可以通过比较Vcc的采集值与对外端口的电压采集值Uo作为输入是否有效的判断：

当Uo＝Vcc时，判断为输入有效；

当Uo<Vcc时，判断为输入无效，此时由于二极管D压降的存在，输出有效。

上述实施例中，开关元件以控制器内部的驱动芯片为例，二极管的正极连接有开关元件的第一端，开关元件的第二端连接电源模块。

需要说明的是，上述实施例对Vcc与对外端口电压进行采集，通过比较Vcc与对外端口电压采集值，实现输入输出功能的同时使用。当然，作为输入输出功能同时有效使用时，输出功能必须一直有效，即内部控制一直输出高电平，否则，作为输入信号的接入会造成负载错误动作。当IO复用端口输出功能有效时，输入开关闭合后，输入功能有效，即Uo＝Vcc，但由于二极管有反向截止功能，输入功能不会造成负载误动作。因此，上述实施例的接口电路，在保持输出功能一直有效的情况下，实现输入功能有效，这样，在同一控制器管脚可以同时控制输出功能和采集输入功能。

另外，本发明实施例还提供了一种工程机械，该工程机械设有上述任一种控制系统，由于上述任一种控制系统具有上述技术效果，因此，设有该控制系统的工程机械也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。所述存储装置为非易失性存储器，如：ROM/RAM、闪存、磁碟、光盘等。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种接口电路，其特征在于，包括：

对外端口，连接有输出回路和输入回路，所述输出回路上设置有二极管；

端口电压采集模块，与所述输出回路或所述输入回路连接，用于采集所述对外端口处的电压；

控制模块，与所述输出回路、所述输入回路及所述端口电压采集模块连接，并用于控制所述输出回路上二极管的导通来使所述输出回路有效，以及用于根据所述端口电压采集模块采集的对外端口处的电压确定输入是否有效，并用于接收所述输入回路的输入信号；

电源模块，与所述控制模块连接，用于为接口电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于：

所述输出回路上，所述二极管的负极连接开关元件的第一端，所述二极管的正极连接所述对外端口；所述开关元件的第二端接地，所述开关元件的控制端连接于所述控制模块；

所述对外端口处的电压等于所述输出回路上的二极管的正向导通电压时，所述二极管导通，输出有效。

3.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于：

所述输出回路上，所述二极管的正极连接开关元件的第一端，所述二极管的负极连接所述对外端口；所述开关元件的第二端连接所述电源模块，所述开关元件的控制端连接所述控制模块；

所述对外端口处的电压低于所述电源模块的电源电压时，所述二极管导通，输出有效。

4.根据权利要求3所述的接口电路，其特征在于：

所述电源模块配置有电源电压采集模块，用于采集所述电源模块的电源电压；

所述电源电压采集模块与所述控制模块连接，用于采集所述电源模块为所述开关元件提供的电压，并用于将所采集的结果传送给所述控制模块。

5.根据权利要求2至4任一项所述的接口电路，其特征在于，所述开关元件为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

6.一种控制器，其特征在于，设置有权利要求1至5任一项所述的接口电路。

7.一种控制系统，其特征在于，用于控制信号输入输出以及外部负载动作，该控制系统包括：

权利要求1至5任一项所述的接口电路、与所述接口电路相配合的外部线路；其中，所述接口电路与所述外部线路通过所述对外端口连接。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述二极管的负极连接开关元件的第一端，所述开关元件的第二端接地，所述二极管的正极连接所述对外端口时，所述外部线路包括：

外部输入回路，与所述对外端口连接，并设置有输入开关，所述输入开关闭合处的电压为接地电压；

外部负载线路，其一端在所述对外端口与所述输入开关之间的任一节点接入，另一端的电压连接所述电源模块。

9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述二极管的正极连接开关元件的第一端，所述开关元件的第二端连接所述电源模块，所述二极管的负极连接所述对外端口时，所述外部线路包括：

外部输入回路，与所述对外端口连接，并设置有输入开关，所述输入开关闭合处的电压与所述电源模块的电源电压相同；

外部负载线路，其一端在所述对外端口与所述输入开关之间的任一节点接入，另一端接地。

10.一种工程机械，其特征在于，设置有权利要求7至9任一项所述的控制系统。