CN106501714A - 一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，包含有，基准参考电压源模块，其用以提供至少两个基准参考电压信号且各基准参考电压信号均不相同；被测开关，其具有至少两个档位，每一档位均对应有各自的一基准参考电压信号，基准参考电压信号经被测开关中处于被选中状态的档位转换成对应的开关电压信号；电压检测模块，其用以采集开关电压信号并将其转换成对应的检测电压信号；以及，微控制器模块，其用以比较检测电压信号与基准参考电压信号，以判断被测开关处于被选中状态的档位的状态及故障诊断。在提供开关所处档位状态的同时，亦可进行开关的故障诊断，为开关维护提供依据。

Description

一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路及方法，该检测电路及检测方法适用于多种开关，通过对开关接通回路的取样电压进行检测，在提供开关的开、关状态的同时，亦可进行开关的故障诊断，为开关维护提供依据。

背景技术

在飞机驾驶舱中，飞行员通过安装在控制板组件上的各类开关来控制飞机系统，完成飞行任务。这些开关的种类包括带指示灯的按压开关、按压开关、扳动开关、旋转开关等。一般地，这些开关都采用多通道的结构形式，即当开关处于某个档位时，所有开关通道同时动作的，可以向飞机系统提供多路冗余的开关信号，以策安全。

飞机系统中所采用的开关信号传输方式主要有两种形式，即硬线形式和数字形式。硬线形式是指直接使用电缆线将开关和飞机系统相连，由开关直接向飞机系统提供开关状态；数字形式是指通过集成在控制板组件中的微控制器采集开关引脚电平，再根据开关引脚电平编码，形成数字化开关状态后，再经飞机的总线网络传输至飞机系统，飞机系统解码后，才能最终获得开关状态。硬线形式用于高安全性要求的飞机功能系统，如飞控系统等；而数字形式主要用于一般要求的飞机功能系统，如环控系统、照明系统等。

目前，数字化开关状态检测方式是在开关引脚上预设的逻辑电平，通过微控制器对预设电平的检测，来判断开关的通/断状态。这种方式的局限性在于仅能区分出的“有效的”和“无效的”两类状态，而无法对“无效的”状态做出进一步的故障诊断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中数字化开关状态无法对“无效的”状态做出进一步的故障诊断的问题，提供一种新型的具有故障诊断功能的数字化开关检测电路。

为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，包含有，

基准参考电压源模块，其用以提供至少两个基准参考电压信号且各基准参考电压信号幅值均不相同；

被测开关，其具有至少两个档位，每一档位均对应于各自的一基准参考电压信号，基准参考电压信号经被测开关转换成与开关档位对应的开关电压信号，优选地，被测开关的类型为下述之一：按键开关、二位/三位/多位扳动/旋转开关、按压开关/带指示灯的按压开关；

电压检测模块，其用以采集开关电压信号并将其转换成对应的检测电压信号；以及，

微控制器模块，其用以比较检测电压信号与基准参考电压信号，以判断被测开关处于被选中状态的档位的状态及故障诊断。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路的优选方案，每一基准参考电压信号均对应有一基准电压源及一保护二极管，基准电压源输出端接二极管的正极，二极管的负极用以输出基准参考电压信号；被测开关具有至少两个档位端及一公共端，档位端接对应的二极管的负极，公共端用以输出开关电压信号。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路的优选方案，电压检测模块包含有通道选择器、第一电阻、第二电阻、差分放大器，通道选择器用以选择多路开关电压信号中的一路进行检测，通道选择器的输入端连接多路被检开关的输出端，其输出端连接第一电阻第一端，其控制端连接微控制器模块的控制端，并接受微控制器的输出控制；第一电阻和第二电阻组成分压电路，由通道选择器输出的开关电压信号经第一电阻、第二电阻分压，在第一电阻上形成适合微控制器检测的电压信号后，送入差分放大器处理；差分放大器的输入端用以输入经第一、第二电阻分压后的电压信号，差分放大器的输出端用以等幅输出待检测的电压信号，差分放大器的同相输入端与通道选择器的输出端及第一电阻的第一端相连接，其反向输入端与第一电阻的第二端和第二电阻的第一端相连接，差分放大器为单电源供电，正电源端接电源VCC，负电源端及第二电阻的第二端均接地。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路的优选方案，第一电阻系由第一分电阻及第二分电阻并联而成，第二电阻系由第三分电阻及第四分电阻并联而成。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路的优选方案，被测开关的数量为多个，电压检测模块还具有通道选择器。

本发明还提供了一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，包含有以下步骤，

步骤S1，提供权利要求1至5中任意一项的检测电路；以及，

步骤S2，确定各基准参考电压信号的大小是否与预设值相同。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法的优选方案，还包含有，步骤S3，确定被测开关中处于被选中状态的档位是否存在接触不良故障：若检测电压信号为零电位，则表示开关出现接触不良故障。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法的优选方案，还包含有，步骤S4，确定被测开关是否存在档位短接故障：依次选中各档位，若任意两个检测电压信号相同，则表示被测开关存在档位短接故障。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法的优选方案，还包含有，步骤S5，确定被测开关中处于被选中状态的档位是否存在导通电阻增大的情况：若检测电压信号比正常的阈值偏小，则表示处于被选中状态的档位存在导通电阻增大的情况。

作为一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法的优选方案，所述检测电路为权利要求4所述的，还包含有，

步骤S6，确定第一电阻及第二电阻的故障。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：能够对数字化开关 “无效的”状态做出进一步的故障诊断。

附图说明

图1为本发明技术方案的原理框图。

图2为本发明的实施方案的原理电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参见图1和2，图1中所示的是一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路的原理框图，图2中所示的是一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路实施方案的原理电路示意图。

1.微控制器模块：模块内的微控制器的IO口可以通过输出高低电平来控制电压采样模块的开关电压信号输入；模块内的数模转换器用于将来自电压采样模块的输出电压转换为数字量，从而实现开关状态的数字化检测。

2.电压检测模块：模块内的通道选择器由微控制器模块的IO输出口控制端A、控制端B、控制端C和使能端进行控制，用以选择一路开关电压信号输入到后续电路；模块内的电阻R1和R2构成的分压电路，将通道选择器输出的一路开关电压信号在电阻R1上形成的分压输入到差分放大器的输入端； 差分放大器将滤除电阻R1上电压中的扰动成分，再将电压信号输入至微控制器模块。

3.被检开关：如图2所示，该实施方案可以检测八个开关的状态。这些开关可以是单刀双掷开关、单刀三掷开关、单刀四掷开关等形式。这些开关的公共端连接到电压检测模块的输入端，而档位端连接到基准参考电压源模块。

4.基准参考电压源模块：模块内设置的基准参考电压源数目根据具体应用确定。本实施方案中，由于被检开关的最大档位数为四档，所以基准参考电压源的数目也为四个，即V1、V2、V3、V4。其中，V1连接所有被检开关的档位1，V2连接所有被检开关的档位2，V3连接所有被检开关的档位3，V4连接所有被检开关的档位4。

5.通讯模块：微控制器检出故障时，通过通讯模块可以及时地上报故障信息。

图2仅为实施方案的原理电路示意。在实际应用中，该方案的实施还需要配合使用一些分立元器件，如差分放大器或通道选择器芯片电源引脚至地连接的去耦电容、通道选择器输入端至地应用TVS管保护，基准参考电压源到开关档位端的保护二极管等，这些分立元器件应结合实际而进行应用。

数字化开关的检测方法如下（以图2中开关2的检测为例）：

1.微控制器模块通过使能端输出高电平使能电压检测模块中的通道选择器；

2.微控制器模块通过控制端A、控制端B、控制端C选中电压检测模块中的通道选择器的输入通道4；

3.基准参考电压源模块提供的参考电压V2信号通过开关2的档位2端和公共端施加到电压检测模块中的通道选择器的输入通道4上；

4.参考电压V2信号通过电压检测模块中的通道选择器的输入通道4，传输到通道选择器的输出1端，形成电压Va信号；

5.电压Va信号经分压电阻R1、R2分压，在电阻R1上的分压经差分放大器，在差分放大器输出端形成电压Vb信号，电压Vb信号将传输至微控制器模块内的模数转换器；

6.微控制器模块内的模数转换器将来自电压检测模块的电压Vb信号进行模数转换，从而获得与参考电压V2信号对应的、开关2档位2的数字化状态值。

7.开关2的其他档位的数字化状态检测方法与上述检测方法相同，只是档位1的数字化状态值与参考电压V1信号对应，而档位3的数字化状态值与参考电压V3信号对应。

数字化开关的故障诊断方法如下：

1.基准参考电压源模块内参考电压的监测

因为本发明所提供的检测方法基于对开关档位对应的不同的参考电压检测，所以在进行开关状态检测之前，微控制器应先确定预设的开关档位对应的参考电压是否正常。对本发明所提供的检测方法而言，可以应用与附图2所示相同的电压检测模块对基准参考电压源提供的开关档位参考电压进行检测，确认预设参考电压无故障后，在利用与参考电压对应的各个开关档位状态进行检测。而且在每次进行开关状态检测前，都应先对开关档位对应的参考电压进行检测。

2.开关档位接触不良故障：

开关档位接触不良现象是指开关的公共端悬空，没有和任一档位发生接触。对于一般的电平检测方法，只能将这种故障发生时的开关状态标识为无效。而对于本发明所提供的检测方法，可以准确识别出被检开关是否发生接触不良故障，并可以与其他开关无效状态区分。

以图2中开关2的检测为例，当开关2出现档位接触不良故障，即开关2的公共端与其档位1、档位2、档位3均不接触时，电压检测模块的通道选择器输出1端的电压将被电阻R1和R2下拉到地，此时，电压检测模块的差分放大器的输出Vb将为零电位，对应的微控制器模块内模数转换器的数字化状态值也将为0，所以，微控制器可以判断出开关2发生了档位接触不良的故障。

3．开关档位端短接故障

当开关发生机械损伤，造成邻近的档位端短接故障时，一般的电平检测方法，只能将这种故障发生时的开关状态标识为无效。而对于本发明所提供的检测方法，可以识别出被检开关是否发生档位端短接故障，并可以与其他开关故障状态区分。

以图2中开关2的检测为例，假设参考电压检测点位于二极管负极，参考电压V2大于参考电压V1，开关2的档位2和档位1发生短接故障。此时，二极管D2导通，而D1截至，微控制器模块检测参考电压V1和V2时，都将得到与参考电压V2相应的检测结果，因为预设的参考电压V1小于V2，所以微控制器可以判断某个开关的档位1和档位2发生短接故障，再结合开关状态检测的历史记录，微控制器就可以判断出是哪一个开关发生了档位短接故障。

开关档位端短接故障是很严重的故障，对如附图2所示的本发明的实施方案而言，微控制器将丧失所有被检开关对应于发生短接故障的档位检测能力。此种情况下，实施方案只能通过冗余设计来保障开关检测能力。

4.开关导通电阻增大

在使用过程中，开关会受使用环境的影响，其导通电阻一般会逐渐增大。本发明所提供的检测电路和检测方法可以有效检测开关导通电阻的变化趋势，可以提前进行开关维护，更换有故障风险的开关。

以图2中开关2的检测为例，当开关2处于档位2时的导通电阻R增大到可与R1、R2比较，且不可忽略时，势必使电压信号Va偏离正常的范围，从而微控制器通过检测电压信号Vb即可判断出其检测值比正常的阈值偏小。这样结合微控制器对参考电压检测的结果等，微控制器可以判断出开关2档位2的导通电阻增大，有故障风险，即通过通讯模块上报故障信息，提示及时更换。

5.分压电阻故障

分压电阻R1、R2的设置决定了微控制器内预设的、对应于电压信号Vb的阈值，因而当R1、R2变化或故障时，微控制器将作出错误的判断结果。

在如图2所示的本发明的实施方式中，检测电路可以使用四个电阻两两并联后再串联的形式构成分压电阻R1、R2。这样当四个电阻中的一个电阻发生故障时，微控制器通过预设的电压信号Vb阈值，判断出分压电阻发生故障，再通过通讯模块上报故障信息，提示及时更换。

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，其特征在于，包含有，

基准参考电压源模块，其用以提供至少两个基准参考电压信号且各基准参考电压信号幅值均不相同；

被测开关，其具有至少两个档位，每一档位均对应有各自的一基准参考电压信号，基准参考电压信号经被测开关中处于被选中状态的档位转换成对应的开关电压信号，优选地，被测开关的类型为下述之一：按键开关、二位/三位/多位扳动/旋转开关、按压开关/带指示灯的按压开关；

电压检测模块，其用以采集开关电压信号并将其转换成对应的检测电压信号；以及，

微控制器模块，其用以比较检测电压信号与基准参考电压信号，以判断被测开关处于被选中状态的档位的状态及故障诊断。

2.根据权利要求1所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，其特征在于，每一基准参考电压信号均对应有一基准电压提供端及一保护二极管，基准电压提供端接保护二极管的正极，保护二极管的负极用以输出基准参考电压信号；被测开关具有至少两个档位端及一公共端，档位端接对应的保护二极管的负极，当被测开关的开关本体连接于其中一档位端及公共端，公共端用以输出开关电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，其特征在于，电压检测模块包含有通道选择器、第一电阻、第二电阻、差分放大器，通道选择器用以选择多路开关电压信号中的一路进行检测，通道选择器的输入端连接多路被检开关的输出端，其输出端连接第一电阻第一端，其控制端连接微控制器模块的控制端，并接受微控制器的输出控制；第一电阻和第二电阻组成分压电路，由通道选择器输出的开关电压信号经第一电阻、第二电阻分压，在第一电阻上形成适合微控制器检测的电压信号后，送入差分放大器处理；差分放大器的输入端用以输入经第一、第二电阻分压后的电压信号，差分放大器的输出端用以等幅输出待检测的电压信号，差分放大器的同相输入端与通道选择器的输出端及第一电阻的第一端相连接，其反向输入端与第一电阻的第二端和第二电阻的第一端相连接，差分放大器为单电源供电，正电源端接电源VCC负电源端及第二电阻的第二端均接地。

4.根据权利要求3所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，其特征在于，第一电阻系由第一分电阻及第二分电阻并联而成，第二电阻系由第三分电阻及第四分电阻并联而成。

5.根据权利要求1所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测电路，其特征在于，被测开关的数量且与通道选择器的通道数目相匹配。

6.一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，其特征在于，包含有以下步骤，

步骤S1，提供权利要求1至5中任意一项的检测电路；以及，

步骤S2，确定各基准参考电压信号的大小是否与预设值相同。

7.根据权利要求6所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，其特征在于，还包含有，

步骤S3，确定被测开关中处于被选中状态的档位是否存在接触不良故障：若检测电压信号为零电位，则表示开关出现接触不良故障。

8.根据权利要求6或7所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，其特征在于，还包含有，

步骤S4，确定被测开关是否存在档位短接故障：开关处于不同档位时，对应的开关状态电压信号始终相同，则表示被测开关存在档位短接故障。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，其特征在于，还包含有，

步骤S5，确定被测开关档位在接通时是否存在导通电阻增大的情况：若检测电压信号比正常的开关档位判定阈值显著偏小且大于零电位，则表示该开关档位存在导通电阻增大的情况。

10.根据权利要求6所述的一种具有故障诊断功能的数字化开关检测方法，其特征在于，所述检测电路为权利要求4所述的，还包含有，

步骤S6，确定第一电阻及第二电阻的故障。