CN106338942A - 开关量采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关量采集电路。其中，该电路包括：开关；通道电路，与开关相连接，用于将开关的开关量转化为2路信号；多路复用器，与通道电路相连接，多路复用器的任意两个引脚分别接收2路信号；单片机，与多路复用器相连接，用于读取2路信号的输入值，并且将输入值与预设值进行比较，其中，在比较出输入值与预设值一致时，确定开关量正确；在比较出输入值与预设值不一致时，确定开关量错误。本发明解决了现有技术中的信号采集电路工作可靠性差的技术问题。

Description

开关量采集电路

技术领域

本发明涉及工业控制领域，具体而言，涉及一种开关量采集电路。

背景技术

在工业控制系统中，开关量是指受控继电器的导通或断开所对应的值。在控制器发出指令前，需要获取当前受控对象的状态信息，即要获取开关量信号。一般情况下需要同时采集的开关量信号为8路或16路，因此开关量采集电路多用价格低廉的光耦实现。工作原理如图1和图2所示。

图1技术方案工作原理：开关断开时，光耦前级二极管不导通，根据光耦的工作原理，光耦后级三极管输出电路截止，此时采集到高电平信号；反之当开关闭合时，光耦前级二极管导通，则光耦后级三极管输出电路也导通，此时采集到低电平信号。

图2技术方案工作原理：开关断开时，光耦前级二极管不导通，根据光耦的工作原理，光耦后级三极管输出电路截止，此时采集到低电平信号；反之当开关闭合时，光耦前级二极管导通，则光耦后级三极管输出电路也导通，此时采集到高电平信号。

如图1和图2所示技术方案，当光耦失效时，采集信号都不能正确反应开关的状态，这会导致控制器误动作。对一般的工业应用，该方案能满足设计要求，但在对可靠性和安全性要求很高的功能安全产品中，可能会导致控制系统失去安全保护功能，这是不能被接受的。由此，现有技术中存在信号采集电路工作可靠性差的技术问题。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种开关量采集电路，以至少解决现有技术中的信号采集电路工作可靠性差的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种开关量采集电路，包括：开关；通道电路，与开关相连接，用于将开关的开关量转化为2路信号；多路复用器，与通道电路相连接，多路复用器的任意两个引脚分别接收2路信号；单片机，与多路复用器相连接，用于读取2路信号的输入值，并且将输入值与预设值进行比较，其中，在比较出输入值与预设值一致时，确定开关量正确；在比较出输入值与预设值不一致时，确定开关量错误。

进一步地，通道电路包括：分压电阻R1，一端与开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；分压电阻R2，一端与开关的第二端相连接，另外一端接地；双通道电源比较器U1，输入端与开关的第二端相连接；第一光耦，第一光耦的输入端与双通道电源比较器U1的一个输出端相连接，第一光耦的输出端与多路复用器的任意一个引脚相连接；第二光耦，第二光耦的输入端与双通道电源比较器U1的另一个输出端相连接，第二光耦的输出端与多路复用器的任意一个引脚相连接，其中，第二光耦的输出端和第一光耦的输出端连接多路复用器的不同引脚。

进一步地，双通道电源比较器U1包括：第一比较器U1A，第一比较器U1A的正向输入端与开关的第二端相连接，第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，第一比较器U1A的电源端与查询电源相连接；第二比较器U1B，第二比较器U1B的正向输入端与第一比较器U1A的反向输入端相连接，第二比较器U1B的反向输入端与第一比较器U1A的正向输入端相连接，其中，第一比较器U1A的输出端与第一光耦的输入端相连接，第二比较器U1B的输出端与第二光耦的输入端相连接。

进一步地，分压电阻R1、分压电阻R2和参考电压被设置为满足以下条件：UA1<Vref<UA2，其中，UA1为开关断开时的电压，UA2为开关闭合时的电压，Vref为参考电压。

进一步地，UA2满足以下关系：其中，R1为分压电阻R1的阻值，R2为分压电阻R2的阻值，V查询电源为查询电源的电压值。

进一步地，通道电路包括：分压电阻R1，一端与开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；分压电阻R2，一端与开关的第二端相连接，另外一端接地；双通道电源比较器U1，输入端与开关的第二端相连接，双通道电源比较器U1包括两个输出端，两个输出端分别与多路复用器的一个引脚相连接。

进一步地，开关量采集电路还包括：第一光耦，第一光耦的输入端与多路复用器的D端相连接，第一光耦的输出端与单片机相连接；第二光耦，第二光耦的输入端与单片机相连接，第二光耦的输出端与多路复用器的C1端相连接；第三光耦，第三光耦的输入端与单片机相连接，第三光耦的输出端与多路复用器的C1端相连接；第四光耦，第四光耦的输入端与单片机相连接，第四光耦的输出端与多路复用器的使能端相连接。

进一步地，第一光耦包括：发光二极管，发光二极管的负极与多路复用器的D端相连接，发光二极管的正极通过电阻R7连接到现场5V电源；三极管，三极管的集电极通过电阻R8连接到系统电源，三极管的发射极接地，并且三极管的集电极作为第一光耦的输出端连接单片机。

进一步地，双通道电源比较器U1包括：第一比较器U1A，第一比较器U1A的正向输入端与开关的第二端相连接，第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，第一比较器U1A的电源端与查询电源相连接；第二比较器U1B，第二比较器U1B的正向输入端与第一比较器U1A的反向输入端相连接，第二比较器U1B的反向输入端与第一比较器U1A的正向输入端相连接，其中，第一比较器U1A的输出端通过电阻R3连接多路复用器的一个引脚，第二比较器U1B的输出端通过玷辱R5连接多路复用器的另外一个引脚。

进一步地，开关包括多个子开关，通道电路包括多个通道子电路，每个通道子电路连接一个子开关，每个通道子电路输出的2路信号连接多路复用器的任意两个引脚。

在本发明实施例中，通过开关量采集电路，包括：开关；通道电路，与开关相连接，用于将开关的开关量转化为2路信号；多路复用器，与通道电路相连接，多路复用器的任意两个引脚分别接收2路信号；单片机，与多路复用器相连接，用于读取2路信号的输入值，并且将输入值与预设值进行比较，其中，在比较出输入值与预设值一致时，确定开关量正确；在比较出输入值与预设值不一致时，确定开关量错误，达到了既能采集开关量信号，又能对采集电路做诊断的目的，从而实现了提高信号采集电路工作可靠性的技术效果，进而解决了现有技术中的信号采集电路工作可靠性差的技术问题。本发明中还采用了多路复用器读取光耦的输出状态，扩展了单片机的I/O口，尤其适用于I/O资源不足的控制器。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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是根据现有技术的一种开关量采集电路的结构示意图；

图2是根据现有技术的另一种开关量采集电路的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的开关量采集电路的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的另一种可选的开关量采集电路的结构示意图；以及

图5是根据本发明实施例的又一种可选的开关量采集电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本实施例中的多路复用器可以是芯片U2，单片机可以是芯片U3，上述芯片U2仅以具有多路复用功能的芯片为例进行说明，芯片U3仅以普通单片机为例进行说明，以上均为实现开关量采集电路的功能为准，具体不做限定。

根据本发明实施例，提供了一种开关量采集电路，如图3所示，该开关量采集电路包括：开关；通道电路，与开关相连接，用于将开关的开关量转化为2路信号；多路复用器，与通道电路相连接，多路复用器的任意两个引脚分别接收2路信号；单片机，与多路复用器相连接，用于读取2路信号的输入值，并且将输入值与预设值进行比较，其中，在比较出输入值与预设值一致时，确定开关量正确；在比较出输入值与预设值不一致时，确定开关量错误。

这里需要说明的是，在工业控制系统中，开关量是指受控继电器的导通或断开所对应的值。在控制器发出指令前，需要获取当前受控对象的状态信息，即要获取开关量信号。若采用现有技术中的开关量采集电路来获取开关量信号，当光耦失效时，采集信号都不能正确反应开关的状态，这会导致控制器误动作，并且在对可靠性和安全性要求很高的功能安全产品中，可能会导致控制系统失去安全保护功能。为此，本实施例提供了一种开关量采集电路，能够同时实现开关量采集和电路诊断功能。具体地，结合图3所示，该开关量采集电路包括开关、通道电路、多路复用器和单片机，其中，每个通道电路为外接开关提供状态查询电源，并且把当前开关量状态转化为2路不同的信号，输出到多路复用器S1-Sn中的任意两个引脚。单片机通过控制ENB引脚使能多路复用器，通过控制C1-Cn引脚选择，读取多路复用器任意引脚的输入值。在单片机中比较输入值与预期值，如果每个通道的2路输入值均与预设值相同，则本次采集信号可信，否则认为采集电路出现故障。

由此可知，通过本实施例所提供的开关量采集电路既能采集开关量信号，又能对采集电路做诊断，进而有效提高了信号采集电路工作可靠性。同时，在本实施例中，采用多路复用器读取光耦的输出状态，扩展了单片机的I/O口，尤其适用于I/O资源不足的控制器，节省单片机的I/O资源。

可选地，在本实施例中，通道电路包括：分压电阻R1，一端与开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；分压电阻R2，一端与开关的第二端相连接，另外一端接地；双通道电源比较器U1，输入端与开关的第二端相连接；第一光耦，第一光耦的输入端与双通道电源比较器U1的一个输出端相连接，第一光耦的输出端与多路复用器的任意一个引脚相连接；第二光耦，第二光耦的输入端与双通道电源比较器U1的另一个输出端相连接，第二光耦的输出端与多路复用器的任意一个引脚相连接，其中，第二光耦的输出端和第一光耦的输出端连接多路复用器的不同引脚。

可选地，在本实施例中，双通道电源比较器U1包括：第一比较器U1A，第一比较器U1A的正向输入端与开关的第二端相连接，第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，第一比较器U1A的电源端与查询电源相连接；第二比较器U1B，第二比较器U1B的正向输入端与第一比较器U1A的反向输入端相连接，第二比较器U1B的反向输入端与第一比较器U1A的正向输入端相连接，其中，第一比较器U1A的输出端与第一光耦的输入端相连接，第二比较器U1B的输出端与第二光耦的输入端相连接。

可选地，在本实施例中，分压电阻R1、分压电阻R2和参考电压被设置为满足以下条件：UA1<Vref<UA2，其中，UA1为开关断开时的电压，UA2为开关闭合时的电压，Vref为参考电压。

可选地，在本实施例中，UA2满足以下关系：

其中，R1为分压电阻R1的阻值，R2为分压电阻R2的阻值，V查询电源为查询电源的电压值。

在本实施例中，开关量采集电路由V查询电源、开关、分压电阻R1和R2、双通道电压比较器U1、四通道多路复用器器U2、单片机U3和光耦构成。Vref是电压比较器的参考值。上述开关量采集电路的工作原理为：当开关断开时，没有电流流过电阻R2，此时A点电压为U_A1＝0V。当开关闭合时，忽略开关造成的压降，R1和R2对V查询电源分压，此时A点电压为合理设置R1、R2、Vref，使得UA1<Vref<UA2，这样当开关断开和闭合时2个光耦的输出状态不同。单片机通过多路复用器依次读取2个光耦的输出状态，并与预期值做比较，如果2路光耦输出的状态值均与预期值相同，则此次开关量采集信号可信，否则认为采集电路出现故障，本次采集信号不可信。

表1

开关状态	输出1	输出2	判断结果	采集数据是否可信
					开关断开	0	1	正常	可信
开关闭合	1	0	正常	可信
					开关断开或闭合	1	1	采集电路故障	不可信
开关断开或闭合	0	0	采集电路故障	不可信

可选地，如表1所示，可以通过开关状态以及两个光耦的输出状态确定采集数据是否可信，具体地，例如，在开关为断开状态时，一个光耦的输出状态为0，另一个光耦的输出状态为1，则可以确定采集的数据可信；在开关状态为闭合状态时，一个光耦的输出状态为0，另一个光耦的输出状态为1，则同样可以确定采集的数据可信；若两个光耦的输出状态相同，则不论开关的状态如何，都可以确定采集的数据并不可信。

可选地，在本实施例中，通道电路包括：分压电阻R1，一端与开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；分压电阻R2，一端与开关的第二端相连接，另外一端接地；双通道电源比较器U1，输入端与开关的第二端相连接，双通道电源比较器U1包括两个输出端，两个输出端分别与多路复用器的一个引脚相连接。

可选地，图4和图5是根据本发明实施例的可选的开关量采集电路的结构示意图，如图4或图5所示，在本实施例中，开关量采集电路还包括：第一光耦，第一光耦的输入端与多路复用器的D端相连接，第一光耦的输出端与单片机相连接；第二光耦，第二光耦的输入端与单片机相连接，第二光耦的输出端与多路复用器的C1端相连接；第三光耦，第三光耦的输入端与单片机相连接，第三光耦的输出端与多路复用器的C1端相连接；第四光耦，第四光耦的输入端与单片机相连接，第四光耦的输出端与多路复用器的使能端相连接。

可选地，在本实施例中，第一光耦包括：发光二极管，发光二极管的负极与多路复用器的D端相连接，发光二极管的正极通过电阻R7连接到现场5V电源；三极管，三极管的集电极通过电阻R8连接到系统电源，三极管的发射极接地，并且三极管的集电极作为第一光耦的输出端连接单片机。

可选地，在本实施例中，双通道电源比较器U1包括：第一比较器U1A，第一比较器U1A的正向输入端与开关的第二端相连接，第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，第一比较器U1A的电源端与查询电源相连接；第二比较器U1B，第二比较器U1B的正向输入端与第一比较器U1A的反向输入端相连接，第二比较器U1B的反向输入端与第一比较器U1A的正向输入端相连接，其中，第一比较器U1A的输出端通过电阻R3连接多路复用器的一个引脚，第二比较器U1B的输出端通过玷辱R5连接多路复用器的另外一个引脚。

在本实施例中，图5的方案与图4相比交换了多路复用器和光耦的位置。按图4的技术方案，现场侧只需要提供V查询电源即可，按图5的方案现场侧需要提供V查询电源和V现场5V电源，但是图5的技术方案相较图4的方案，在多通道采集时可以减少使用光耦的数量。实际操作过程中，每个通道开关量采集电路可按图4或图5所示技术方案实施；整个系统需要采集多路开关量信号时，可增加电压比较器的数目或选用多通道电压比较器；整个系统需要采集多路开关量信号时，可增加多路复用器的数目或选取多通道多路复用器。

可选地，在本实施例中，开关包括多个子开关，通道电路包括多个通道子电路，每个通道子电路连接一个子开关，每个通道子电路输出的2路信号连接多路复用器的任意两个引脚。

通过本实施例中的上述技术方案，可以实现通过开关量采集电路既能采集开关量信号，又能对采集电路做诊断，进而有效提高了信号采集电路工作可靠性。同时，在本实施例中，采用多路复用器读取光耦的输出状态，扩展了单片机的I/O口，尤其适用于I/O资源不足的控制器，节省单片机的I/O资源。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种开关量采集电路，其特征在于，包括：

开关；

通道电路，与所述开关相连接，用于将所述开关的开关量转化为2路信号；

多路复用器，与所述通道电路相连接，所述多路复用器的任意两个引脚分别接收所述2路信号；

单片机，与所述多路复用器相连接，用于读取所述2路信号的输入值，并且将所述输入值与预设值进行比较，

其中，在比较出所述输入值与所述预设值一致时，确定所述开关量正确；在比较出所述输入值与所述预设值不一致时，确定所述开关量错误。

2.根据权利要求1所述的开关量采集电路，其特征在于，所述通道电路包括：

分压电阻R1，一端与所述开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；

分压电阻R2，一端与所述开关的第二端相连接，另外一端接地；

双通道电源比较器U1，输入端与所述开关的第二端相连接；

第一光耦，所述第一光耦的输入端与所述双通道电源比较器U1的一个输出端相连接，所述第一光耦的输出端与所述多路复用器的任意一个引脚相连接；

第二光耦，所述第二光耦的输入端与所述双通道电源比较器U1的另一个输出端相连接，所述第二光耦的输出端与所述多路复用器的任意一个引脚相连接，

其中，所述第二光耦的输出端和所述第一光耦的输出端连接所述多路复用器的不同引脚。

3.根据权利要求2所述的开关量采集电路，其特征在于，所述双通道电源比较器U1包括：

第一比较器U1A，所述第一比较器U1A的正向输入端与所述开关的第二端相连接，所述第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，所述第一比较器U1A的电源端与所述查询电源相连接；

第二比较器U1B，所述第二比较器U1B的正向输入端与所述第一比较器U1A的反向输入端相连接，所述第二比较器U1B的反向输入端与所述第一比较器U1A的正向输入端相连接，

其中，第一比较器U1A的输出端与所述第一光耦的输入端相连接，所述第二比较器U1B的输出端与所述第二光耦的输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的开关量采集电路，其特征在于，所述分压电阻R1、所述分压电阻R2和所述参考电压被设置为满足以下条件：

U_A1<Vref<U_A2，

其中，U_A1为所述开关断开时的电压，U_A2为所述开关闭合时的电压，Vref为所述参考电压。

5.根据权利要求4所述的开关量采集电路，其特征在于，所述U_A2满足以下关系：

其中，R1为所述分压电阻R1的阻值，R2为所述分压电阻R2的阻值，V_查询电源为所述查询电源的电压值。

6.根据权利要求1所述的开关量采集电路，其特征在于，所述通道电路包括：

分压电阻R1，一端与所述开关的第一端相连接，另外一端连接查询电源；

分压电阻R2，一端与所述开关的第二端相连接，另外一端接地；

双通道电源比较器U1，输入端与所述开关的第二端相连接，所述双通道电源比较器U1包括两个输出端，所述两个输出端分别与所述多路复用器的一个引脚相连接。

7.根据权利要求6所述的开关量采集电路，其特征在于，所述开关量采集电路还包括：

第一光耦，所述第一光耦的输入端与所述多路复用器的D端相连接，所述第一光耦的输出端与所述单片机相连接；

第二光耦，所述第二光耦的输入端与所述单片机相连接，所述第二光耦的输出端与所述多路复用器的C1端相连接；

第三光耦，所述第三光耦的输入端与所述单片机相连接，所述第三光耦的输出端与所述多路复用器的C1端相连接；

第四光耦，所述第四光耦的输入端与所述单片机相连接，所述第四光耦的输出端与所述多路复用器的使能端相连接。

8.根据权利要求7所述的开关量采集电路，其特征在于，所述第一光耦包括：

发光二极管，所述发光二极管的负极与所述多路复用器的D端相连接，所述发光二极管的正极通过电阻R7连接到现场5V电源；

三极管，所述三极管的集电极通过电阻R8连接到系统电源，所述三极管的发射极接地，并且所述三极管的集电极作为所述第一光耦的输出端连接所述单片机。

9.根据权利要求6所述的开关量采集电路，其特征在于，所述双通道电源比较器U1包括：

第一比较器U1A，所述第一比较器U1A的正向输入端与所述开关的第二端相连接，所述第一比较器U1A的反向输入端输入参考电压，所述第一比较器U1A的电源端与所述查询电源相连接；

第二比较器U1B，所述第二比较器U1B的正向输入端与所述第一比较器U1A的反向输入端相连接，所述第二比较器U1B的反向输入端与所述第一比较器U1A的正向输入端相连接，

其中，第一比较器U1A的输出端通过电阻R3连接所述多路复用器的一个引脚，所述第二比较器U1B的输出端通过玷辱R5连接所述多路复用器的另外一个引脚。

10.根据权利要求1所述的开关量采集电路，其特征在于，

所述开关包括多个子开关，

所述通道电路包括多个通道子电路，

每个所述通道子电路连接一个所述子开关，每个所述通道子电路输出的2路信号连接所述多路复用器的任意两个引脚。