CN106707847B - 一种混合输入信号量智能检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合输入信号量智能检测装置。通常的输入信号检测装置，一般仅能检测特定种类的输入信号。例如数字量信号采集电路或是模拟量信号检测电路。本发明中应用大规模可编程控制器FPGA控制的开关量输出电路，构建信号检测模式智能配置电路。通过FPGA控制，该配置电路可依据不同的被测信号源，实现信号检测电路的智能切换，进而识别不同信号源的逻辑。若被测信号源为数字量(开关量)，信号量检测电路将配置为数字量信号检测模式，完成开关信号的采集，并提供给FPGA进行逻辑判定。若被测信号为模拟量信号(直流电压信号)，信号量检测电路将配置为直流电压信号检测模式，将电压信号转换为数字信号，提供给FPGA进行逻辑判定。

Description

一种混合输入信号量智能检测装置
技术领域
本发明属于信号检测领域，特别是一种混合输入信号量智能检测装置。
背景技术
随着信号检测领域的快速发展，信号检测电路已基本趋于成熟。信号检测电路是将传感器的模拟信号或数字控制信号采集转换为简单的数字逻辑，并在控制系统进行广泛的使用。传统的信号检测电路仅针对单一的信号源进行检测和处理，一旦信号源进行变更，需要相应的更换检测电路或是更换检测通路。通常情况下，一套信号检测设备需要依据不同的系统信号源，进行相应的定制，信号检测电路不具备通用性和推广性。同时，由于定制检测电路无法重复利用，造成每一套定制的信号检测装置不但电路复杂、结构庞大，而且会造成不必要的资源浪费。
因此，目前急需一种混合输入信号量智能检测装置来有效提信号的检测效率和检测稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合输入信号量智能检测装置，该装置电路具备设计简单、参数可调、智能可靠、通用性高等优点，适用于复杂信号检测和控制系统中，利用通用的信号检测电路识别多种信号源，实现信号的快速智能检测。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种混合输入信号量智能检测装置，包括被测第一信号源、第二被测信号源、检测模式智能配置电路，信号量检测电路，FPGA信号采集及控制电路，开关量输出电路。所述第一被测信号源为被测系统中的开关量信号源，所述第二被测信号源为被测系统中的模拟量信号源，两种信号源由被测系统提供。所述检测模式智能配置电路通过智能开关配置，依据信号源的特性进行信号检测电路的选择。所述信号量检测电路将被测信号转换为通用的TTL电平信号，交由FPGA信号采集及控制电路进行采集处理。同时，FPGA信号采集及控制电路与开关量输出电路连接，可灵活控制开关量输出电路，提供六组可智能切换的继电器开关，提供给检测模式智能配置电路进行使用。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)相比现有的信号检测电路，本发明采用优化智能设计，电路参数配置更加灵活，可智能更改检测模式，具有广泛的应用前景。2)相比现有的信号检测电路，本发明的检测电路可针对各种信号源实施智能检测，具有较强的通用性，提高信号检测的质量和效率。3)信号检测电路在设计方面注重安全性和可靠性，并为后续检测其他信号，预留可扩展检测接口，提高本发明的可重用性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的混合输入信号量智能检测装置的原理框图。
图2为本发明的被测系统信号源电路图，其中图(a)为被测系统的开关量信号源，图(b)为被测系统的模拟量信号源。
图3为本发明的检测模式智能配置电路图，其中图(a)为检测模式智能配置电路整体连接图，图(b)为信号源为模拟量信号时的电路连接图，图(c)为信号源为开关量信号时的电路连接图。
图4为本发明的信号量检测电路图。
图5为本发明的FPGA信号采集及控制电路图。
图6为本发明的开关量输出电路图。
具体实施方式
本发明公开了一种混合输入信号量智能检测装置。该型检测装置可针对不同类型的信号源进行智能检测处理，而且无须更换频繁检测通路。仅需要使用装置上提供的智能模式切换开关，即可用通用的检测模式进行处理，达到殊途同归的目的。因此，经过优化的信号检测装置，提高了装置的可重用性。该装置可推广到信号检测和控制系统领域，作为一种通用的信号量检测装置，有效提信号的检测效率和检测稳定性。本发明的信号检测装置能够广泛应用于其他数字检测和控制系统领域。
本发明为一种混合输入信号量智能检测装置，结合图1，包括第一被测信号源1、第二被测信号源2、检测模式智能配置电路、信号量检测电路、FPGA信号采集及控制电路和开关量输出电路；所述第一被测信号源1、第二被测信号源2均与检测模式智能配置电路的两个输入端相连，检测模式智能配置电路的输出端与信号量检测电路、FPGA信号采集及控制电路、开关量输出电路依次连接，开关量输出电路的输出端同时与检测模式智能配置电路的第三输入端相连；
所述第一被测信号源1为被测系统中的开关量信号源，所述第二被测信号源2为被测系统中的模拟量信号源，2种信号源由被测系统提供。所述检测模式智能配置电路通过智能开关配置，依据信号源的特性进行信号检测电路的选择。所述信号量检测电路将被测信号转换为通用的TTL电平信号，交由FPGA信号采集及控制电路进行采集处理。同时，FPGA信号采集及控制电路与开关量输出电路连接，可灵活控制开关量输出电路。
结合图2，所述被测系统信号源电路包括第一被测信号源1和第二被测信号源2。
所述第一被测信号源1包括开关量信号源，开关量信号源一端连接检测装置输入正端IN+，开关量信号源的另一端连接检测装置的输入负端IN-。
所述第二被测信号源2包括模拟量信号源，模拟量信号源正极连接检测装置输入正端IN+，模拟量信号源的负极连接检测装置的输入负端IN-。
结合图3，所述检测模式智能配置电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1，隔离电源U1。检测装置输入正端IN+与第一开关K1一端连接，第一开关K1的另一端与信号电路输入正端IN_R+连接。检测装置输入负端IN-与第二开关K2一端连接，第二开关K2的另一端与信号电路输入负端IN_R-连接。隔离电源U1输出正极ISOVCC与第三开关K3一端连接，第三开关K3的另一端与信号电路输入正端IN_R+连接。检测装置输入正端IN+与第四开关K4一端连接，第四开关K4的另一端与隔离电源U1输出负极ISOGND连接。装置的电源信号VCC与第五开关K5一端连接，同时电源信号VCC与第一电容C1一端连接，第五开关K5的另一端与隔离电源U1的Vin相连。第一电容C1的另一端与装置的地信号GND连接，同时第一电容C1的另一端与第六开关K6的一端连接。第六开关K6的另一端与隔离电源U1的GND相连。隔离电源U1的Vout与第二电容C2的一端连接，同时隔离电源U1的Vout与第一电阻R1的一端连接，第二电容C2的另一端与隔离电源U1的ISOGND连接，同时第二电容C2的另一端与第一电阻R1的另一端连接。
结合图4，所述信号量检测电路包括光耦芯片U2、可调电阻Rt、第一二极管V1、第二电阻R2、第三电容C3、施密特触发器U3。信号电路输入正端IN_R+与可调电阻Rt一端连接，可调电阻Rt的另一端与第一二极管V1的一端连接，同时可调电阻Rt的另一端与第三电容C3的一端连接。第三电容C3的另一端与第一二极管V1的另一端连接，同时第三电容C3的另一端与信号电路输入负端IN_R-连接。第二电阻R2的一端与第三电容C3的一端连接，同时第二电阻R2的一端与光耦芯片U2的VF1+连接。第二电阻R2的另一端与第三电容C3的另一端连接，同时第二电阻R2的另一端与光耦芯片U2的VF1-连接。光耦芯片U2的VCC电源管脚与电源信号VCC连接，光耦芯片U2的GND管脚与地信号GND连接，光耦芯片U2的输出端VO1与施密特触发器U3的输入端IN1连接。施密特触发器U3的VCC1电源管脚与电源信号VCC连接，施密特触发器U3的GND1管脚与地信号GND连接，施密特触发器U3的输出端OUT1与信号端INfpga连接。
结合图5，所述FPGA信号采集及控制电路，包括FPGA芯片U4、配置芯片U5、时钟芯片U6、开关量输出电路T1-开关量输出电路T6、第一开关K1—第六开关K6。根据权利要求5所述，信号端INfpga与FPGA芯片U4的IO输入引脚GPIOin连接。FPGA芯片U4的IO输出引脚o1-o6依次与开关量输出电路T1-开关量输出电路T6的输入端J1-J6连接，开关量输出电路T1-开关量输出电路T6的输出端(OUT1A，OUT1B)-(OUT6A，OUT6B)依次与第一开关K1-第六开关K6的两端连接。
结合图6，所述开关量输出电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第四电容C4、第二三极管D2、第二二极管V2、电磁继电器U7、第一熔断器F1。根据权利要求6所述开关量输出电路T1的输入端J1与第三电阻R3的一端连接，同时开关量输出电路T1的输入端J1与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与地信号GND连接。第三电阻R3的另一端与第四电容C4的一端连接，同时第三电阻R3的另一端与第二三极管D2的基极1脚连接，第四电容C4的另一端与地信号GND连接。第二三极管D2的发射极2脚与地信号GND连接，第二三极管D2的集电极3脚与第二二极管V2的一端连接，同时第二三极管D2的集电极3脚与电磁继电器U7的2脚继电器控制负端J_IN-连接，第二二极管V2的另一端与电源信号VCC连接，同时第二二极管V2的另一端与电磁继电器U7的6脚继电器控制正端J_IN+连接。电磁继电器U7的3脚继电器输出正端与开关量输出的OUT1A连接，电磁继电器U7的8脚继电器输入负端J_IN-与第一熔断器F1的一端连接，第一熔断器F1的另一端与开关量输出的OUT1B连接。
本发明采用优化智能设计，电路参数配置更加灵活，可智能更改检测模式，具有广泛的应用前景。本发明的检测电路可针对各种信号源实施智能检测，具有较强的通用性，提高信号检测的质量和效率。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
结合图2，所述被测系统信号源电路包括两种类型的信号源，包括开关量信号源和模拟量信号源。所述开关量信号源Ks，相当于开关信号，当开关闭合时，输入正端IN+和输入负端IN-形成短路，该短路信号应被检测为逻辑“0”；当开关断开时，输入正端IN+和输入负端IN-形成断路，该断路信号应被检测为逻辑“1”。所述被测信号源2。所述模拟量信号源，相当于直流电压信号源。输出0-40V的模拟量信号，检测信号源可任意选定判别电压，例如当信号大于20V，检测为逻辑“1”，当信号小于“10V”,检测为逻辑“0”。也可以依据实际情况，选择不同的判别电压，智能检测电路可依据实际的信号源进行调整。
结合图3，所述检测模式智能配置电路包括第一开关K1-第六开关K6，六路开关由所述FPGA控制六路电磁继电器提供，信号VCC和GND为系统提供的5V和对应的GND，隔离电源U1选用B0505DC-DC 5V/5V隔离电源，所述第一电阻R1为隔离电源的匹配电阻。开关可智能闭合或断开，依据不同的开关通断，可选择不同的信号检测电路。若信号源为模拟量信号，第一开关K1和第二开关K2闭合，第三开关K3-第六开关K6断开，相当于将模拟量信号直接接入信号量检测电路，此时装置本身的隔离电源U1处于停用状态，信号检测电路将直接检测信号源提供的模拟信号。若信号源为开关量信号，第一开关K1断开，第二开关K2-第六开关K6闭合，装置本身的隔离电源U1启用，作为开关量信号的附加电路，使得机械的开关量信号智能转变为模拟信号。当被测信号Ks闭合，信号量检测电路输入电压为隔离电源U1输出的5V。当被测信号Ks断开，信号量检测电路无输入电压。
结合图4，所述信号量检测电路包括光耦芯片U2，选用规格为HCPL-0631，施密特触发器U3，选用SN74LVC14APWT。光耦芯片可实现信号的光电隔离转换，通过搭建的检测电路将模拟信号转换为标准的TTL电平信号，实现信号的检测转换。依据不同的模拟信号值，调整合适的可调电阻Rt参数，确保可调电阻Rt和第二电阻R2适当的进行分压，使得第二电阻R2的分压为1.2V。同时通过第二电阻R2和光耦芯片U2输入正端VF1+的分流，使得光耦输入一定的电流值，该电流值的大小作为光耦芯片的通断门限。当光耦芯片U2的输入正端VF1+的电流大于10mA，光耦导通，输出经过光耦内部反相器，输出IN_N信号为TTL低电平(0V)；反之，当光耦芯片U2的输入正端VF1+的电流小于5mA，光耦关断，输出经过光耦内部反相器，输出IN_N信号为TTL高电平(5V)。经过光耦处理的IN_N信号，再进入施密特触发器U3的IN1输入端，将信号再次反向并进行滤波，并且将5V的TTL电平转换为3.3V的TTL电平，以保证FPGA信号采集电路能够进行电平匹配。将最终的采集的信号INfpga输入到下一级电路。
结合图5和图6，所述FPGA信号采集及控制电路，包括FPGA芯片U4、配置芯片U5、时钟芯片U6、开关量输出电路T1-开关量输出电路T6。FPGA芯片U4选用可编程逻辑器件EP2C35F672I8N，其I/O管脚GPIOin作为信号采集输入接口，其I/O管脚O1-O6作为电磁继电器的控制信号。配置芯片U5选用EPCS16N，配置FPGA的EEPROM信息，时钟芯片U6选用NB3L553时钟分配器，为FPGA提供33MHZ的工作时钟。开关量输出电路T1-开关量输出电路T6使用电磁继电器作为核心器件，用于提供六组继电器开关。FPGA信号采集及控制电路一方面将检测的信号进行采集并处理，对于所述信号检测电路输出的3.3V TTL电平信号，FPGA将该信号识别为逻辑“1”，信号检测电路输出为0VTTL电平信号，FPGA将该信号识别为逻辑“0”，完成信号检测的最终逻辑判定工作，实现信号的智能检测。另一方面，FPGA作为控制器，控制开关量输出电路T1-T6的工作，进而保证开关的智能切换，实现信号检测模式智能配置。所述的开关量输出电路，FPGA输出的继电器控制信号J1经过第三电阻R3和第4电容C4构建的滤波网络，进入第二三极管D2进行驱动放大，继电器控制信号J1的电流被增强，进而转换为用于控制电磁继电器的信号。电磁继电器U7选用规格为2JT2-3，当继电器输入为5V，继电器开关(K1+和K1-之间)闭合，当继电器输入为0V，继电器开关断开。该继电器开关即所述的第一开关K1。所述的第一熔断器作为继电器开关的安全保险电路，确保在开关负载电压或电流较大时，保护电磁继电器U7不会受到冲击。
本发明的检测电路可针对各种信号源实施智能检测，具有较强的通用性，提高信号检测的质量和效率。

Claims (7)

1.一种混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，包括第一被测信号源(1)、第二被测信号源(2)、检测模式智能配置电路、信号量检测电路、FPGA信号采集及控制电路和开关量输出电路；所述第一被测信号源(1)、第二被测信号源(2)均与检测模式智能配置电路的两个输入端相连，检测模式智能配置电路的输出端与信号量检测电路、FPGA信号采集及控制电路、开关量输出电路依次连接，开关量输出电路的输出端同时与检测模式智能配置电路的第三输入端相连；
所述第一被测信号源(1)为被测系统中的开关量信号源，所述第二被测信号源(2)为被测系统中的模拟量信号源，上述两种信号源均由被测系统提供，所述检测模式智能配置电路通过智能开关配置，依据信号源的特性进行信号检测电路的选择；所述信号量检测电路将被测信号转换为通用的TTL电平信号，交由FPGA信号采集及控制电路进行采集处理；同时，FPGA信号采集及控制电路与开关量输出电路连接，用于控制开关量输出电路。
2.根据权利要求1所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述第一被测信号源(1)包括开关量信号源，该开关量信号源的一端连接检测装置输入正端IN+，开关量信号源的另一端连接检测装置的输入负端IN-。
3.根据权利要求1所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述第二被测信号源(2)，包括模拟量信号源，该模拟量信号源正极连接检测装置输入正端IN+，模拟量信号源的负极连接检测装置的输入负端IN-。
4.根据权利要求1所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述检测模式智能配置电路包括第一开关[K1]、第二开关[K2]、第三开关[K3]、第四开关[K4]、第五开关[K5]、第六开关[K6]、第一电容[C1]、第二电容[C2]、第一电阻[R1]和隔离电源[U1]；检测装置输入正端IN+与第一开关[K1]一端连接，第一开关[K1]的另一端与信号电路输入正端IN_R+连接，检测装置输入负端IN-与第二开关[K2]一端连接，第二开关[K2]的另一端与信号电路输入负端IN_R-连接；隔离电源[U1]输出正极ISOVCC与第三开关[K3]一端连接，第三开关[K3]的另一端与信号电路输入正端IN_R+连接，检测装置输入正端IN+与第四开关[K4]一端连接，第四开关[K4]的另一端与隔离电源[U1]输出负极ISOGND连接；装置的电源信号VCC与第五开关[K5]一端连接，同时电源信号VCC与第一电容[C1]一端连接，第五开关[K5]的另一端与隔离电源[U1]的Vin相连，第一电容[C1]的另一端与装置的地信号GND连接，同时第一电容[C1]的另一端与第六开关[K6]的一端连接，第六开关[K6]的另一端与隔离电源[U1]的GND相连，隔离电源[U1]的Vout与第二电容[C2]的一端连接，同时隔离电源[U1]的Vout与第一电阻[R1]的一端连接，第二电容[C2]的另一端与隔离电源[U1]的ISOGND连接，同时第二电容[C2]的另一端与第一电阻[R1]的另一端连接。
5.根据权利要求4所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述信号量检测电路包括光耦芯片[U2]、可调电阻[Rt]、第一二极管[V1]、第二电阻[R2]、第三电容[C3]、施密特触发器[U3]；所述信号电路输入正端IN_R+与可调电阻[Rt]一端连接，可调电阻[Rt]的另一端与第一二极管[V1]的一端连接，同时可调电阻[Rt]的另一端与第三电容[C3]的一端连接，第三电容[C3]的另一端与第一二极管[V1]的另一端连接，同时第三电容[C3]的另一端与信号电路输入负端IN_R-连接，第二电阻[R2]的一端与第三电容[C3]的一端连接，同时第二电阻[R2]的一端与光耦芯片[U2]的VF1+连接，第二电阻[R2]的另一端与第三电容[C3]的另一端连接，同时第二电阻[R2]的另一端与光耦芯片[U2]的VF1-连接，光耦芯片[U2]的VCC电源管脚与电源信号VCC连接，光耦芯片[U2]的GND管脚与地信号GND连接，光耦芯片[U2]的输出端VO1与施密特触发器[U3]的输入端IN1连接；施密特触发器[U3]的VCC1电源管脚与电源信号VCC连接，施密特触发器[U3]的GND1管脚与地信号GND连接，施密特触发器[U3]的输出端OUT1与信号端INfpga连接。
6.根据权利要求1所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述FPGA信号采集及控制电路包括FPGA芯片[U4]、配置芯片[U5]、时钟芯片[U6]、第一开关量输出电路[T1]、第二开关量输出电路[T2]、第三开关量输出电路[T3]、第四开关量输出电路[T4]、第五开关量输出电路[T5]、第六开关量输出电路[T6]、第一开关[K1]、第二开关[K2]、第三开关[K3]、第四开关[K4]、第五开关[K5]、第六开关[K6]；信号端INfpga与FPGA芯片[U4]的IO输入引脚GPIOin连接，FPGA芯片[U4]的IO输出引脚o1～o6依次与第一开关量输出电路[T1]～第六开关量输出电路[T6]的输入端J1～J6连接，第一开关量输出电路[T1]～第六开关量输出电路[T6]的输出端(OUT1A，OUT1B)～(OUT6A，OUT6B)依次与第一开关[K1]～第六开关[K6]的两端连接。
7.根据权利要求1所述的混合输入信号量智能检测装置，其特征在于，所述开关量输出电路包括第三电阻[R3]、第四电阻[R4]、第四电容[C4]、第二三极管[D2]、第二二极管[V2]、电磁继电器[U7]、第一熔断器[F1]，第一开关量输出电路[T1]的输入端J1与第三电阻[R3]的一端连接，同时第一开关量输出电路[T1]的输入端J1与第四电阻[R4]的一端连接，第四电阻[R4]的另一端与地信号GND连接；第三电阻[R3]的另一端与第四电容[C4]的一端连接，同时第三电阻[R3]的另一端与第二三极管[D2]的基极1脚连接，第四电容[C4]的另一端与地信号GND连接；第二三极管[D2]的发射极2脚与地信号GND连接，第二三极管[D2]的集电极3脚与第二二极管[V2]的一端连接，同时第二三极管[D2]的集电极3脚与电磁继电器[U7]的2脚继电器控制负端J_IN-连接，第二二极管[V2]的另一端与电源信号VCC连接，同时第二二极管[V2]的另一端与电磁继电器[U7]的6脚继电器控制正端J_IN+连接；电磁继电器[U7]的3脚继电器输出正端与开关量输出的OUT1A连接，电磁继电器[U7]的8脚继电器输入负端J_IN-与第一熔断器[F1]的一端连接，第一熔断器[F1]的另一端与开关量输出的OUT1B连接。
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