CN104331340B - 看门狗电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种看门狗电路，包括依次连接的频率和占空比检测电路、动态信号静态信号转换电路和安全电源电压输出控制电路；频率和占空比检测电路用于对频率输入信号进行频率和占空比检测；当频率输入信号的频率和占空比都处于要求范围时输出一频率输出信号、超出要求范围时输出一高电平；当动态信号静态信号转换电路的输入端接收到频率输出信号时输出第一输出电压、接收到高电平时输出低电平；当安全电源电压输出控制电路的输入端接收到第一输出电压时其输出端和第一电源电压连接并输出、接收到低电平时其输出端和第一电源电压断开连接。本发明能对系统运行状态进行动态安全监控，电路简单、成本低、可靠性高，被监控信号频率的可用区间大。

Description

看门狗电路

技术领域

本发明涉及一种看门狗电路。

背景技术

在应用于航空电子、铁路信号、核电等行业的工业控制系统和安全信号系统中，基于在异常情况下系统的安全考虑，均需要设计安全看门狗电路。

现有的系统看门狗电路技术具有以下的一些缺陷和限制：

电路基本器件数多，结构复杂、冗长、可靠性低。

看门狗适用范围狭窄，对输入存在诸多限制，对被监控的信号频率有严格要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种看门狗电路，能对系统运行状态进行动态安全监控，且电路简单、成本低、可靠性高，被监控的信号频率的可用区间大。

为解决上述技术问题，本发明提供的看门狗电路包括：频率和占空比检测电路、动态信号静态信号转换电路和安全电源电压输出控制电路。

所述频率和占空比检测电路的输入端接收频率输入信号，所述频率和占空比检测电路的输出端连接到所述动态信号静态信号转换电路的输入端，所述动态信号静态信号转换电路的输出端连接到所述安全电源电压输出控制电路的输入端。

所述频率和占空比检测电路用于对所述频率输入信号进行频率和占空比检测；当所述频率输入信号的频率和占空比都处于要求范围时，所述频率和占空比检测电路输出一频率输出信号，所述频率输出信号和所述频率输入信号的频率相同；当所述频率输入信号的频率和占空比超出要求范围时，所述频率和占空比检测电路输出一高电平。

当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到所述频率输出信号时，所述动态信号静态信号转换电路的输出端输出第一输出电压；当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到高电平时，所述动态信号静态信号转换电路的输出端输出低电平。

当所述安全电源电压输出控制电路的输入端接收到所述第一输出电压时，所述安全电源电压输出控制电路的输出端和第一电源电压连接并输出；当所述安全电源电压输出控制电路的输入端接收到低电平时，所述安全电源电压输出控制电路的输出端和第一电源电压断开连接。

进一步的改进是，所述频率和占空比检测电路包括复杂可编程逻辑器件(CPLD)和第一光耦电路。所述CPLD接收所述频率输入信号并对所述频率输入信号进行频率和占空比检测；所述CPLD的输出端连接到第一PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的源极连接第二电源电压，所述第一PMOS管的漏极通过串联的第一电阻和第二电阻接地。所述第一光耦电路的发光二极管的负极接地、负极连接所述频率输入信号，所述第一光耦电路的使能端连接所述第一电阻和所述第二电阻的连接端，所述第一光耦电路的输出端作为所述频率和占空比检测电路的输出端。当所述频率输入信号的频率和占空比都处于要求范围时，所述CPLD的输出端输出一低电平使所述第一PMOS管导通并使所述第一光耦电路的使能端为高电平从而使所述第一光耦电路使能，所述第一光耦电路使能时所述第一光耦电路对输入信号进行光耦合并实现非门功能，所述第一光耦电路输出的所述频率输出信号和所述频率输入信号反相；当所述频率输入信号的频率和占空比超出要求范围时，所述CPLD的输出端输出一高电平使所述第一PMOS管截止，所述第一光耦电路的使能端为低电平，所述第一光耦电路光耦合关闭并输出一高电平。

进一步的改进是，所述动态信号静态信号转换电路包括：迟滞比较器、电荷泵和运算放大器；所述迟滞比较器、所述电荷泵和所述运算放大器都通过第三电源电压供电；所述迟滞比较器的反相输入端接地，所述迟滞比较器的正相输入端作为所述动态信号静态信号转换电路的输入端；所述迟滞比较器的输出端连接所述电荷泵的输入端，所述电荷泵的输入端连接到所述运算放大器的正相输入端；所述运算放大器的输出端连接到第一NPN晶体管的基极，所述第一NPN晶体管的集电极接所述第三电源电压，所述第一NPN晶体管的发射极连接所述运算放大器的反相输入端并通过第三电阻接地，所述第一NPN晶体管的的发射极作为所述动态信号静态信号转换电路的输出端；当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到所述频率输出信号时，所述电荷泵充放电并使所述动态信号静态信号转换电路输出所述第一输出电压。

进一步的改进是，所述动态信号静态信号转换电路还包括第四电阻、第一电容和第二电容；所述第一电容连接在所述电荷泵和地之间用于为所述电荷泵提供补偿；所述第四电阻和所述第二电容并联在所述运算放大器的正相输入端和地之间；所述第二电容用于滤除纹波和建立响应时间。

进一步的改进是，所述第四电阻、所述第一电容和所述第二电容的大小由如下公式确定：

VA/R1＝I1；

VA＝Vcc×f×C1×R1×G；

Vripple＝(Vcc/2)×(C1/C2)×(1-Vcc×f×C1/200)；

其中，VA表示所述第一输出电压的值，R1表示所述第四电阻的值，I1表示一固定电流值，Vcc表示所述第三电源电压的值，f表示所述频率输出信号的频率值，C1表示所述第一电容的值，C2表示所述第二电容的值，G表示所述运算放大器的增益，Vripp1e表示所述第一输出电压的波纹峰的峰值。

进一步的改进是，所述安全电源电压输出控制电路包括第二光耦电路、第二PMOS管和继电器；所述第二光耦电路的发光二极管的负极接地、正极连接所述动态信号静态信号转换电路的输出端；所述第二光耦电路的受光器连接在所述第二PMOS管的栅极和地之间；所述第二PMOS管的源极连接所述第一电源电压；所述继电器的线圈连接在所述第二PMOS管的漏极和地之间，所述继电器的触点开关的一端连接所述第一电源电压、另一端作为所述安全电源电压输出控制电路的输出端；所述继电器的触点开关为常开，当所述第二光耦电路的发光二极管的正极接收到所述第一输出电压时，所述第二光耦电路进行光耦合并使所述第二PMOS管的栅极接地，所述第二PMOS管导通使所述继电器的线圈通电从而使所述继电器的触点开关导通；当所述第二光耦电路的发光二极管的正极接收到低电平时，所述第二光耦电路的光耦合关闭并使所述第二PMOS管的栅极和地之间的连接断开。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明电路简单，采用的器件少，成本低，可靠性高。

2、本发明电路能动态对系统的被监控信号(LIFESIGNAL)进行监控即能对系统运行状态进行动态安全监控，实时性高。

3、本发明电路对被监控信号LIFESIGNAL的可用频率区间大。

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的说明：

图1是本发明实施例的电路示意图；

图2是本发明较佳实施例的电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例的电路示意图；本发明实施例看门狗电路主要应用于航空电子、铁路信号、核电等工业的工业控制系统和安全信号系统中，本发明实施例看门狗电路包括：频率和占空比检测电路1、动态信号静态信号转换电路2和安全电源电压输出控制电路3。

所述频率和占空比检测电路1的输入端接收频率输入信号LIFESIGNAL，所述频率和占空比检测电路1的输出端连接到所述动态信号静态信号转换电路2的输入端，所述动态信号静态信号转换电路2的输出端连接到所述安全电源电压输出控制电路3的输入端。

所述频率和占空比检测电路1用于对所述频率输入信号LIFESIGNAL进行频率和占空比检测；当所述频率输入信号LIFESIGNAL的频率和占空比都处于要求范围时，所述频率和占空比检测电路1输出一频率输出信号，所述频率输出信号和所述频率输入信号LIFESIGNAL的频率相同；当所述频率输入信号LIFESIGNAL的频率和占空比超出要求范围时，所述频率和占空比检测电路1输出一高电平。

当所述动态信号静态信号转换电路2的输入端接收到所述频率输出信号时，所述动态信号静态信号转换电路2的输出端输出第一输出电压；当所述动态信号静态信号转换电路2的输入端接收到高电平时，所述动态信号静态信号转换电路2的输出端输出低电平。

当所述安全电源电压输出控制电路3的输入端接收到所述第一输出电压时，所述安全电源电压输出控制电路3的输出端和第一电源电压连接并输出即输出电压24V-OUT；当所述安全电源电压输出控制电路3的输入端接收到低电平时，所述安全电源电压输出控制电路3的输出端和第一电源电压断开连接。

如图2所示，是本发明较佳实施例的电路示意图，本发明较佳实施例在如图1所示的实施例的基础上做了进一步的改进：

所述频率和占空比检测电路1包括CPLD模块U4和第一光耦电路U2。所述CPLD模块U4接收所述频率输入信号LIFESIGNAL并对所述频率输入信号LIFESIGNAL进行频率和占空比检测；所述CPLD模块U4的输出端连接到第一PMOS管Q1的栅极，第六电阻R2连接在所述第一PMOS管Q1的栅极和地之间。所述第一PMOS管Q1的源极连接大小为3.3V的第二电源电压，所述第一PMOS管Q1的漏极通过串联的第一电阻R3和第二电阻R4接地。所述第一光耦电路U2的发光二极管的负极接地、负极连接所述频率输入信号LIFESIGNAL，所述第一光耦电路U2的使能端VE连接所述第一电阻R3和所述第二电阻R4的连接端，所述第一光耦电路U2的输出端Vo作为所述频率和占空比检测电路1的输出端，所述第一光耦电路U2的电源端Vcc连接所述第二电源电压。当所述频率输入信号LIFESIGNAL的频率和占空比都处于要求范围时，所述CPLD模块U4的输出端输出一低电平使所述第一PMOS管Q1导通并使所述第一光耦电路U2的使能端VE为高电平从而使所述第一光耦电路U2使能，所述第一光耦电路U2使能时所述第一光耦电路U2对输入信号进行光耦合并实现非门功能，所述第一光耦电路U2输出的所述频率输出信号和所述频率输入信号LIFESIGNAL反相；当所述频率输入信号LIFESIGNAL的频率和占空比超出要求范围时，所述CPLD模块U4的输出端输出一高电平使所述第一PMOS管Q1截止，所述第一光耦电路U2的使能端VE为低电平，所述第一光耦电路U2光耦合关闭并输出一高电平。

所述动态信号静态信号转换电路2包括：由迟滞比较器4、电荷泵(ChargePump)5、运算放大器6和第一NPN晶体管T1组成的频率/电压转换器U1；所述迟滞比较器4、所述电荷泵5和所述运算放大器6都通过第三电源电压供电，所述第三电源电压为12V；所述迟滞比较器4的反相输入端接地，所述迟滞比较器4的正相输入端作为所述动态信号静态信号转换电路2的输入端；所述迟滞比较器4的输出端连接所述电荷泵5的输入端，所述电荷泵5的输入端连接到所述运算放大器6的正相输入端即节点B；所述运算放大器6的输出端连接到第一NPN晶体管T1的基极，所述第一NPN晶体管T1的集电极接所述第三电源电压，所述第一NPN晶体管T1的发射极连接所述运算放大器6的反相输入端即节点A并通过第三电阻R6接地，所述第一NPN晶体管T1的的发射极作为所述动态信号静态信号转换电路2的输出端；当所述动态信号静态信号转换电路2的输入端接收到所述频率输出信号时，所述电荷泵5充放电并使所述动态信号静态信号转换电路2输出所述第一输出电压。而当所述动态信号静态信号转换电路2的输入端接收到高电平时，所述电荷泵5停止充放电并使所述动态信号静态信号转换电路2输出低电平。

所述动态信号静态信号转换电路2还包括第四电阻R1、第一电容C1和第二电容C2；所述第一电容C1连接在所述电荷泵5和地之间用于为所述电荷泵5提供补偿；所述第四电阻R1和所述第二电容C2并联在所述运算放大器6的正相输入端和地之间；所述第二电容C2用于滤除纹波和建立响应时间。

所述第四电阻R1、所述第一电容C1和所述第二电容C2的大小由如下公式确定：

VA/R1＝I1(式一)；

VA＝Vcc×f×C1×R1×G(式二)；

Vripple＝(Vcc/2)×(C1/C2)×(1-Vcc×f×C1/200)(式三)。

其中，VA表示所述第一输出电压的值，R1表示所述第四电阻R1的值，I1表示一固定电流值，Vcc表示所述第三电源电压的值，f表示所述频率输出信号的频率值，C1表示所述第一电容C1的值，C2表示所述第二电容C2的值，G表示所述运算放大器6的增益，Vripp1e表示所述第一输出电压的波纹峰的峰值。

所述安全电源电压输出控制电路3包括第二光耦电路U3、第二PMOS管Q2和继电器K1；所述第二光耦电路U3的发光二极管的负极接地、正极通过电阻R5连接所述动态信号静态信号转换电路2的输出端；所述第二光耦电路U3的受光器连接在所述第二PMOS管Q2的栅极和地之间，所述第二光耦电路U3的受光器为一NPN三极管，基射结通过接受的光子产生基极电流；所述第二PMOS管Q2的源极连接所述第一电源电压，所述第一电源电压为24V_IN；所述继电器K1的线圈连接在所述第二PMOS管Q2的漏极和地之间，所述继电器K1的触点开关的一端连接所述第一电源电压、另一端作为所述安全电源电压输出控制电路3的输出端；所述继电器K1的触点开关为常开，当所述第二光耦电路U3的发光二极管的正极接收到所述第一输出电压时，所述第二光耦电路U3进行光耦合并使所述第二PMOS管Q2的栅极接地，所述第二PMOS管Q2导通使所述继电器K1的线圈通电即进行励磁从而使所述继电器K1的触点开关导通；当所述第二光耦电路U3的发光二极管的正极接收到低电平时，所述第二光耦电路U3的光耦合关闭并使所述第二PMOS管Q2的栅极和地之间的连接断开。

本发明较佳实施例中，通过频率和占空比检测电路1对信号LIFESIGNAL进行频率和占空比两项检测，并根据检测结果，经锁定逻辑后锁定输出，控制U2的使能引脚。同时LIFESIGNAL通过U2输出相应频率的信号给频率/电压转换器U1，如U1选用信号为LM2907的频率/电压转换器，U1作动态信号与静态信号转换电路，U1依据输入信号频率、C1、R1和C2控制输出电压即节点A电压；A点电压为光耦U3、PMOS管Q2组成的安全电源输出控制电路的输入，如U3选用HCPL_181_000E的光耦；最后，继电器K1由驱动电路控制其动作，继电器K1进而控制是否将电压24V_IN输出到24V_OUT，如继电器K1选用SIS21224VDCSEN的继电器。所以本发明较佳实施例中采用较少的元器件就实现并完成了系统安全看门狗的功能。

本发明较佳实施例的频率和占空比检测电路1原理：

锁定电路分成光耦U2，CPLD模块U4和PMOS管Q1三个部分。CPLD模块U4用作逻辑控制，通过CPLD模块U4检测方波信号的频率去控制PMOS管Q1的开启和关闭，其功能如下：

CPLD模块U4检测到LIFESIGNAL频率正常，譬如为500Hz±50Hz，占空比为40％～60％时，输出低电平去控制PMOS管Q1开启。

CPLD模块U4检测到LIFESIGNAL频率异常，输出高电平去控制PMOS管Q1关闭；各电阻的值能为：电阻R2为1KΩ，R3为1KΩ，R4为10KΩ。

在PMOS管Q1的配合下，U2的功能如下：

PMOS管Q1开启时，光耦U2VE为高电平，光耦U2实现非门的功能。

PMOS管Q1关闭时，光耦U2VE为低电平，光耦U2关闭，且输出一直为高电平。

本发明较佳实施例中，动态信号静态信号转换电路2的原理及关键参数计算：

在锁定电路的控制下，频率/电压转换器U1只会接收到两种信号的输入，第一种是频率和占空比都正常的信号，第二种是高电平信号。频率/电压转换器U1的输出电压即A点的电压由式二确定。

根据式二确定A点电压。式二其中，VCC为供电电压即12V，f为SYSTEMSIGNAL的频率，此处假设取500Hz，G为增益因子(通常为1)。C1为电荷泵提供补偿的功能，C1电容值至少大于100pF；R1的阻值由式一确定，令I1为200μA，则R1的阻值由VA/R1＝200μA确定，且R1不能太大，否则会降低LM2907的线性度；C2提供纹波滤除和建立响应时间的功能。另外，R1，C2的选取需要考虑到输出纹波的要求，该要求由式三确定。假定节点A的电压即VA的电压设定为5V；Vripple设定为100mV以及I1为200μA，通过以上式一、二和三计算出该系统C1，R1，C2的值如下：C1＝33nF，R1＝25KΩ，C2＝2uF。

本发明较佳实施例中的安全电源输出控制电路3的原理：

LIFESIGNAL正常情况下，A点电压设定为5V，光耦U3被驱动导通，进而PMOS管Q2导通；24V_IN驱动K1动作而开启，24V_OUT正常输出。

其中电阻R5和R6的大小能设置为：R5为470Ω，R6可断开，此处为调试预留用。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种看门狗电路，其特征在于，包括：频率和占空比检测电路、动态信号静态信号转换电路和安全电源电压输出控制电路；

所述频率和占空比检测电路的输入端接收频率输入信号，所述频率和占空比检测电路的输出端连接到所述动态信号静态信号转换电路的输入端，所述动态信号静态信号转换电路的输出端连接到所述安全电源电压输出控制电路的输入端；

所述频率和占空比检测电路用于对所述频率输入信号进行频率和占空比检测；当所述频率输入信号的频率和占空比都处于要求范围时，所述频率和占空比检测电路输出一频率输出信号，所述频率输出信号和所述频率输入信号的频率相同；当所述频率输入信号的频率和占空比超出要求范围时，所述频率和占空比检测电路输出一高电平；

所述频率输入信号的频率和占空比的要求范围为系统安全运行所要求的范围；

当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到所述频率输出信号时，所述动态信号静态信号转换电路的输出端输出第一输出电压；当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到高电平时，所述动态信号静态信号转换电路的输出端输出低电平；

当所述安全电源电压输出控制电路的输入端接收到所述第一输出电压时，所述安全电源电压输出控制电路的输出端和第一电源电压连接并输出；当所述安全电源电压输出控制电路的输入端接收到低电平时，所述安全电源电压输出控制电路的输出端和第一电源电压断开连接。

2.如权利要求1所述看门狗电路，其特征在于：所述频率和占空比检测电路包括CPLD和第一光耦电路；

所述CPLD接收所述频率输入信号并对所述频率输入信号进行频率和占空比检测；所述CPLD的输出端连接到第一PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的源极连接第二电源电压，所述第一PMOS管的漏极通过串联的第一电阻和第二电阻接地；

所述第一光耦电路的发光二极管的负极接地、负极连接所述频率输入信号，所述第一光耦电路的使能端连接所述第一电阻和所述第二电阻的连接端，所述第一光耦电路的输出端作为所述频率和占空比检测电路的输出端；

当所述频率输入信号的频率和占空比都处于要求范围时，所述CPLD的输出端输出一低电平使所述第一PMOS管导通并使所述第一光耦电路的使能端为高电平从而使所述第一光耦电路使能，所述第一光耦电路使能时所述第一光耦电路对输入信号进行光耦合并实现非门功能，所述第一光耦电路输出的所述频率输出信号和所述频率输入信号反相；当所述频率输入信号的频率和占空比超出要求范围时，所述CPLD的输出端输出一高电平使所述第一PMOS管截止，所述第一光耦电路的使能端为低电平，所述第一光耦电路光耦合关闭并输出一高电平。

3.如权利要求1所述看门狗电路，其特征在于：所述动态信号静态信号转换电路包括：迟滞比较器、电荷泵和运算放大器；

所述迟滞比较器、所述电荷泵和所述运算放大器都通过第三电源电压供电；

所述迟滞比较器的反相输入端接地，所述迟滞比较器的正相输入端作为所述动态信号静态信号转换电路的输入端；

所述迟滞比较器的输出端连接所述电荷泵的输入端，所述电荷泵的输入端连接到所述运算放大器的正相输入端；

所述运算放大器的输出端连接到第一NPN晶体管的基极，所述第一NPN晶体管的集电极接所述第三电源电压，所述第一NPN晶体管的发射极连接所述运算放大器的反相输入端并通过第三电阻接地，所述第一NPN晶体管的的发射极作为所述动态信号静态信号转换电路的输出端；

当所述动态信号静态信号转换电路的输入端接收到所述频率输出信号时，所述电荷泵充放电并使所述动态信号静态信号转换电路输出所述第一输出电压。

4.如权利要求3所述看门狗电路，其特征在于：所述动态信号静态信号转换电路还包括第四电阻、第一电容和第二电容；

所述第一电容连接在所述电荷泵和地之间用于为所述电荷泵提供补偿；

所述第四电阻和所述第二电容并联在所述运算放大器的正相输入端和地之间；所述第二电容用于滤除纹波和建立所述第一输出电压的响应时间。

5.如权利要求4所述看门狗电路，其特征在于：所述第四电阻、所述第一电容和所述第二电容的大小由如下公式确定：

VA/R1＝I1；

VA＝Vcc×f×C1×R1×G；

Vripple＝(Vcc/2)×(C1/C2)×(1-Vcc×f×C1/200)；

其中，VA表示所述第一输出电压的值，R1表示所述第四电阻的值，I1表示一固定电流值，Vcc表示所述第三电源电压的值，f表示所述频率输出信号的频率值，C1表示所述第一电容的值，C2表示所述第二电容的值，G表示所述运算放大器的增益，Vripp1e表示所述第一输出电压的波纹峰的峰值。

6.如权利要求1所述看门狗电路，其特征在于：所述安全电源电压输出控制电路包括第二光耦电路、第二PMOS管和继电器；

所述第二光耦电路的发光二极管的负极接地、正极连接所述动态信号静态信号转换电路的输出端；

所述第二光耦电路的受光器连接在所述第二PMOS管的栅极和地之间；所述第二PMOS管的源极连接所述第一电源电压；

所述继电器的线圈连接在所述第二PMOS管的漏极和地之间，所述继电器的触点开关的一端连接所述第一电源电压、另一端作为所述安全电源电压输出控制电路的输出端；

所述继电器的触点开关为常开，当所述第二光耦电路的发光二极管的正极接收到所述第一输出电压时，所述第二光耦电路进行光耦合并使所述第二PMOS管的栅极接地，所述第二PMOS管导通使所述继电器的线圈通电从而使所述继电器的触点开关导通；当所述第二光耦电路的发光二极管的正极接收到低电平时，所述第二光耦电路的光耦合关闭并使所述第二PMOS管的栅极和地之间的连接断开。