CN108170046A - 一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置 - Google Patents

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陈英博
王冬
胡义武
韩冥生
付磊
黎兴民
詹钟
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/21—Pc I-O input output
    • G05B2219/21001—Analog input

Abstract

本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置。本发明使用带GPIO功能的ADC，减少MCU与通道的通信线数量，降低电路设计的复杂度；使用集成芯片。开发简单，设计难度低，减小PCB尺寸，降低经济成本；增加诊断电路，提高电路运行的可靠性；能够采集负电压电流信号，拓宽设备的使用范围。

Description

一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置。
背景技术
随着工业化进程的发展，工业自动化程度也越来越高，往往需要将模拟信号转换成数字信号进行传输、储存，从而有利于对所控对象进行监视、控制，因此模拟量输入模块使用越来越普及。在模拟信号变化中，有些模拟信号会过零，即有正负性，有些模拟信号在变化过程中则不会过零，那些过零的模拟变化信号被称为双极性信号，不过零的信号被称为单极性信号。模拟量输入有单极性和双极性两种方式，而不管是单极性模拟量输入还是双极性模拟量输入，在对输入信号进行采集时通常需要利用模数转换器(Analog-to-Digital Converter，简称：ADC)将现场模拟量数据转换成数字量，而ADC的基准电源范围为1V-5V的电压，所以进入到ADC芯片之前，不管是单极性信号还是双极性信号都必须转换变为1V-5V内。另外在现场使用过程中经常遇到由于现场环境不太好，传输信号线上耦合了干扰信号，当干扰信号比较大时，会导致信号检测不准，同时影响整个板卡其他功能电路。同时常规的模拟量输入采集模块一般只能通过量程的极限来判断是否开路和短路，而没有自诊断功能，即所述模拟量输入模块无法判断当前采集电路是否存在正常工作，这对工业现场的控制可靠性产生一定的隐患。
因此本发明致力于通过设计一种隔离型双极性模拟量自诊断输入方法，以简化模拟量输入模块的设计难度，拓宽模块的输入范围，提高模块的抗干扰能力，保证安全可靠。
发明内容
本发明目的为针对目前现有模拟量输出装置产品在可靠性要求方面无法满足核安全级仪控系统要求，设计一种高精度模拟量输出自诊断冗余切换方法，以保证DCS中模拟量输出的精准控制和长期可靠安全运行。
实现本发明目的的技术方案：
一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，包括电源信号隔离电路、诊断切换电路、电压抬升电路、电压电流采集电路、微控制单元、模数转换器；
(1)电源信号隔离电路核心为一个集成芯片，支持电压隔离转换及信号隔离，提供通道电路的供电，并建立微控制单元与模数转换器的隔离通信；
(2)诊断切换电路是单刀双掷型模拟开关，由模数转换器的GPIO信号控制，是在电压电流信号及电压诊断信号之间进行切换的电路；
(3)电压电流采集电路将电压电流信号经过分压变成模数转换器的基准范围内的电压信号，并由ADC芯片采集的电路；
电压电流信号输入为正负信号，经过电压电流采集电路变成差分信号，范围为-REF/2到REF/2，差值模为0到REF/2的电压值；REF是模数转换器的基准电压；
(4)经过电压抬升电路将电压范围抬升到0-2*REF范围；
(5)模数转换器和微控制单元
电路上电后，电源及通信隔离电路给电压电流采集电路供电，模数转换器、诊断切换电路的双路开关得电，处于工作状态；
双路开关得电后处于常闭电压电流信号采集侧状态，电压电流信号经电压电流采集电路采集处理后进入模数转换器；
微控制单元经过电源及通道隔离与模数转换器数据交互；
微控制单元配置模数转换器为双极性采集，控制诊断切换电路的GPIO保持默认输出，同时控制模数转换器开始信号采集，将电压电流信号转换为数字量；
现场采集的电压电流信号到达系统设定的时间后，微控制单元改变模数转换器的GPIO输出电平，将诊断切换电路的双路开关切换到电压诊断信号侧；
模数转换器采集电压诊断信号，将采集到的数字量传给微控制单元；
微控制单元将电压诊断信号实际值与采集值进行对比，判断通道的好坏；
之后再将诊断切换电路的双路开关切换到电压电流信号采集侧。
进一步的，如上所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，所述模数转换器芯片有GPIO引脚。
进一步的，如上所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，电压电流信号连接到诊断切换电路的常闭引脚，电压诊断信号连接到诊断切换电路的常开引脚。
进一步的，如上所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，电压诊断信号是以下信号之一：电源提供的单一电压值，由微控制单元控制通过隔离芯片控制的DAC多点输出信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)使用带GPIO功能的ADC，减少MCU与通道的通信线数量，降低电路设计的复杂度。
(2)使用集成芯片。开发简单，设计难度低，减小PCB尺寸，降低经济成本。
(3)增加诊断电路，提高电路运行的可靠性。
(4)能够采集负电压电流信号，拓宽设备的使用范围。
(5)增加电源及信号隔离，能够减小采集电路与处理电路间的相互影响，获得良好的抑制噪声效果，使设备符合电磁兼容的要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入方法。
图中：1电源信号隔离电路、2诊断切换电路、3电压抬升电路、4电压电流采集电路、5微控制单元、6模数转换器、7电压电流信号，8电压诊断信号，9微控制单元，10电源，11通信信号。
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中的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明是通过如下技术方案实现的：
如图1所示，一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，包括电源信号隔离电路、诊断切换电路、电压抬升电路、电压电流采集电路、微控制单元、模数转换器；
(1)电源信号隔离电路核心为一个集成芯片，支持电压隔离转换及信号隔离，提供通道电路的供电，并建立微控制单元与模数转换器的隔离通信；
(2)诊断切换电路是单刀双掷型模拟开关，由模数转换器的GPIO信号控制，是在电压电流信号及电压诊断信号之间进行切换的电路；
(3)电压电流采集电路将电压电流信号经过分压变成模数转换器的基准范围内的电压信号，并由ADC芯片采集的电路；
电压电流信号输入为正负信号，经过电压电流采集电路变成差分信号，范围为-REF/2到REF/2，差值模为0到REF/2的电压值；REF是模数转换器的基准电压；
(4)经过电压抬升电路将电压范围抬升到0-2*REF范围；
(5)模数转换器和微控制单元
电压电流信号连接到诊断切换电路的常闭引脚，电压诊断信号连接到诊断切换电路的常开引脚。
电路上电后，电源及通信隔离电路给电压电流采集电路供电，模数转换器、诊断切换电路的双路开关得电，处于工作状态；
双路开关得电后处于常闭电压电流信号采集侧状态，电压电流信号经电压电流采集电路采集处理后进入模数转换器；
微控制单元经过电源及通道隔离与模数转换器数据交互；
微控制单元配置模数转换器为双极性采集，控制诊断切换电路的GPIO保持默认输出，同时控制模数转换器开始信号采集，将电压电流信号转换为数字量；
模数转换器芯片有GPIO引脚。现场采集的电压电流信号到达系统设定的时间后，微控制单元改变模数转换器的GPIO输出电平，将诊断切换电路的双路开关切换到电压诊断信号侧；
电压诊断信号是以下信号之一：电源提供的单一电压值，由微控制单元控制通过隔离芯片控制的DAC多点输出信号。模数转换器采集电压诊断信号，将采集到的数字量传给微控制单元；
微控制单元将电压诊断信号实际值与采集值进行对比，判断通道的好坏；
之后再将诊断切换电路的双路开关切换到电压电流信号采集侧。

Claims (4)

1.一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，其特征在于，包括电源信号隔离电路、诊断切换电路、电压抬升电路、电压电流采集电路、微控制单元、模数转换器；
(1)电源信号隔离电路核心为一个集成芯片，支持电压隔离转换及信号隔离，提供通道电路的供电，并建立微控制单元与模数转换器的隔离通信；
(2)诊断切换电路是单刀双掷型模拟开关，由模数转换器的GPIO信号控制，是在电压电流信号及电压诊断信号之间进行切换的电路；
(3)电压电流采集电路将电压电流信号经过分压变成模数转换器的基准范围内的电压信号，并由ADC芯片采集的电路；
电压电流信号输入为正负信号，经过电压电流采集电路变成差分信号，范围为-REF/2到REF/2，差值模为0到REF/2的电压值；REF是模数转换器的基准电压；
(4)经过电压抬升电路将电压范围抬升到0-2*REF范围；
(5)模数转换器和微控制单元
电路上电后，电源及通信隔离电路给电压电流采集电路供电，模数转换器、诊断切换电路的双路开关得电，处于工作状态；
双路开关得电后处于常闭电压电流信号采集侧状态，电压电流信号经电压电流采集电路采集处理后进入模数转换器；
微控制单元经过电源及通道隔离与模数转换器数据交互；
微控制单元配置模数转换器为双极性采集，控制诊断切换电路的GPIO保持默认输出，同时控制模数转换器开始信号采集，将电压电流信号转换为数字量；
现场采集的电压电流信号到达系统设定的时间后，微控制单元改变模数转换器的GPIO输出电平，将诊断切换电路的双路开关切换到电压诊断信号侧；
模数转换器采集电压诊断信号，将采集到的数字量传给微控制单元；
微控制单元将电压诊断信号实际值与采集值进行对比，判断通道的好坏；
之后再将诊断切换电路的双路开关切换到电压电流信号采集侧。
2.根据权利要求1所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，其特征在于：所述模数转换器芯片有GPIO引脚。
3.根据权利要求2所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，其特征在于：电压电流信号连接到诊断切换电路的常闭引脚，电压诊断信号连接到诊断切换电路的常开引脚。
4.根据权利要求3所述的一种隔离型双极性模拟量自诊断输入装置，其特征在于：电压诊断信号是以下信号之一：电源提供的单一电压值，由微控制单元控制通过隔离芯片控制的DAC多点输出信号。
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