CN109143838B - 一种水下专用双冗余切换电路 - Google Patents

一种水下专用双冗余切换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下专用双冗余切换电路，包括：用于接收信号的连接端子P2，用于接收MCU控制信号的连接端子P3，用于连接主设备的连接端子P4，用于连接从设备的连接端子P1，还包括光耦合器U1、三极管Q1、若干继电器和用于提供工作电源的电源端子，继电器包括信号输入公共端和用于输出信号输入公共端接收信号的常开端口、常闭端口，连接端子P2与信号输入公共端相连，常闭端口与连接端子P4或连接端子P1中的一个相连，常开端口与另一个相连。本发明可以实现多点切换，且只需占用一个IO口，可为设备节省成本和接口资源，一个控制信号可以控制多路信号同时切换，快速高效，同时可靠性好、适用性强。

Description

一种水下专用双冗余切换电路
技术领域
本发明涉及水下设备信号切换领域，具体的涉及一种水下专用双冗余切换电路。
背景技术
海底观测网络需要将观测平台放到海底，将设在海底的监测仪器联网，通过海底节点经由长距离光电复合缆连接到岸基站，在海底实现能源供应和信息提取的网络化，进行长期、连续、直接的观测。电能监控系统是海底观测网络的重要组成部分，电能监控系统一旦有内部故障，将影响整个网络的正常运行且维修费用很高。自身漏水、变压模块异常、外接负载设备异常、接口线缆异常等诸多情况都可能造成致命损坏，这要求电能监控系统实时监测、高速采集及远程调控的同时，还要有良好的稳定性和可靠性。因此电能监控系统通常采用冗余的方式，一旦主设备出现故障则立即切换到从设备。而如何快速稳定的从主设备切换到从设备，且使从设备继续执行主设备的采集监控任务是智能切换的重点。
现有技术中，多数采用MCU的I O口输出控制信号来选择主从设备，开关执行部分通常为MOS管，正常情况下，MCU输出控制信号，使主设备正常工作，MCU通过检测主设备的工作状态、电压、电流等信息来判断主设备是否处于正常工作状态，若主设备发生异常现象，则由MCU输出控制信号，使从设备进行工作，同时使主设备停止工作。
然而现有技术中，MCU的一个I O口控制一个开关，系统板卡越多，占用的I O口就越多，系统越大则电路越复杂，不能用于海底观测网络这种大型系统中，并且MCU内部结构较为复杂，当多个I O口控制多个开关时，有可能出现一部分信号已经切换，而另一部分没有切换的情况；还存在的问题是MOS管极易损坏，不具备可靠性；另外现有切换电路仅能实现MCU、主设备、从设备三者均在同一板上时可以使用，不能实现模块化设计，适用范围窄。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种只占用MCU一个I O口即可实现多个信号同时切换的、可靠性高、适用范围广的水下专用双冗余切换电路。
本发明采用的技术方案是：
一种水下专用双冗余切换电路，包括：用于接收信号的连接端子P2，用于接收MCU控制信号的连接端子P3，用于连接主设备的连接端子P4，用于连接从设备的连接端子P1，还包括光耦合器U1、三极管Q1、若干继电器和用于提供工作电源的电源端子，所述继电器包括多个信号输入公共端和用于输出信号输入公共端接收信号的常开端口、常闭端口，所述常开端口、常闭端口皆不少于两个，所述信号输入公共端分别与一个常开端口和一个常闭端口对应；
所述连接端子P2的信号输出端分别与若干继电器的常开端口信号输入公共端、常闭端口信号输入公共端相连，所述连接端子P3的输出端通过光耦合器U1与三极管Q1的控制端相连，所述三极管Q1的输出端分别与若干继电器的线圈负极相连，若干继电器的线圈正极皆与电源端子正极相连；
若干继电器的常闭端口与连接端子P4或连接端子P1中的一个相连，常开端口与另一个相连。
进一步的，所述任意继电器的一个常闭端口通过发光二极管D5接地，一个常开端口通过发光二极管D6接地，以用于显示切换状态。
进一步的，所述若干继电器的线圈正极与负极之间皆设置有二极管，所述二极管的正极与线圈负极相连，二极管的负极与线圈正极相连，以用于钳位线圈的负极电压。
进一步的，所述连接端子P4的电源输入端通过依次串联的电阻R2和发光二极管D4接地，所述连接端子P1的电源输入端通过依次串联的电阻R1和发光二极管D3接地，连接端子P4的电源输入端和连接端子P1的电源输入端通过依次串联的熔断器F2、熔断器F1相连。
进一步的，所述连接端子P3的负极输出端通过电阻R4与光耦合器U1的负极输入端相连，连接端子P3的正极输入端与光耦合器U1的正极输入端相连，光耦合器U1的正极输出端与电源端子相连，光耦合器U1的负极输出端通过电阻R5与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极接地。
进一步的，所述三极管Q1为NPN型三极管。
本发明的有益效果：
本发明通过MCU的控制信号控制光耦合器的截止和导通，光耦合器截止时三极管Q1的输出脚悬空，光耦合器导通时三极管Q1的输出脚导通，以此控制继电器线圈两端电压升降，从而使继电器的输出在常闭端口和常开端口之间切换，完成主设备到从设备的切换。本发明可以实现多点切换，且只需占用一个I O口，可为设备节省成本和接口资源，一个控制信号可以控制多路信号同时切换，快速高效；而且可以防止只有部分切换的可能，提高可靠性；可用于板上和板外，小型系统与大型系统，适用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；
图1为本发明双冗余切换电路的原理图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的一种水下专用双冗余切换电路，包括：用于接收信号的连接端子P2，用于接收MCU控制信号的连接端子P3，用于连接主设备的连接端子P4，用于连接从设备的连接端子P1，本实施例中连接端子皆采用连接器，还包括光耦合器U1、三极管Q1、若干继电器、用于提供24V工作电压的电源端子；优选的，三极管Q1为NPN型三极管，继电器为双开双闭继电器，继电器包括信号输入公共端和用于输出信号输入公共端接收信号的常开端口、常闭端口，常开端口、常闭端口皆不少于两个，信号输入公共端分别与一个常开端口和一个常闭端口对应；
本实施例中若干继电器包括四个同样的继电器CR1、继电器CR2、继电器CR3、继电器CR4；以继电器CR1为例，1脚与16脚为线圈的两端，继电器线圈正极的1脚接电源端子，其中D1、D2、D6、D7为二极管，分别置于每个继电器线圈两端，把16脚电压钳位在24V左右，使继电器线圈压降小于24V，13脚与4脚为信号输入公共端，11脚与9脚为13脚输入所对应的输出端，6脚与8脚为4脚输入所对应的输出端；11脚与6脚为常闭端子，8脚与9脚为常开端子，，继电器的输出特性为：
1、当线圈电压压降小于24V时，继电器内部连接常闭端口，11脚输出由13脚输入的信号，6脚输出由4脚输入的信号；
2、当线圈电压压降大于24V时，继电器内部连接常开端口，9脚输出由13脚输入的信号，8脚输出由4脚输入的信号。
如图1所示，继电器CR2、继电器CR3、继电器CR4的常闭端子6脚和11脚与连接器P4相连，用于连接主设备；继电器CR2、继电器CR3、继电器CR4的敞开段子8脚和9脚与连接器P1相连，用于连接从设备，显然常闭端子连接主设备，常开端子连接从设备只是本发明的一种实施方式，将常闭端子连接主设备，常开端子连接从设备也属于本发明的保护范围，继电器CR1的一个常开端口引脚9通过发光二极管D6接地，一个常闭端口引脚11通过发光二极管D5接地，用于作为工作指示灯显示切换状态，继电器的数量不做限定，每一个继电器可以进行两路信号的切换，本发明中继电器的数量不做限定，可以根据实际线路的数量增加或减少继电器。
其中，连接器P4的电源输入端通过依次串联的电阻R2和发光二极管D4接地，连接器P1的电源输入端通过依次串联的电阻R1和发光二极管D3接地，连接器P4的电源输入端和连接器P1的电源输入端通过依次串联的熔断器F2、熔断器F1相连。
其中，连接器P3的负极输出端通过电阻R4与光耦合器U1的负极输入端相连，连接器P3的正极输入端与光耦合器U1的正极输入端相连，光耦合器U1的正极输出端与电源端子相连，光耦合器U1的负极输出端通过电阻R5与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极接地。
本发明的工作流程为：
1、正常情况下，MCU输出控制信号，使U1光耦输入端二极管截止，光耦无输出，NPN三极管3脚悬空，则继电器16脚电压约为24V，线圈电压压降小于24V，P2连接器的信号经过继电器后，从各个继电器的11脚与6脚输出到主设备连接器P4，D5、D4工作指示灯亮；
2、在主设备出现故障时，MCU输出控制信号，使光耦U1导通，则U1的3脚输出高电平，从而控制NPN三极管导通，使NPN三极管的3脚为低，则继电器16脚电压约为24V，线圈压降约为24V，使继电器从常闭端打到常开端，P2连接器的信号经过继电器后，从各个继电器的9脚与8脚输出到从设备连接器P1，D6、D3工作指示灯亮。
为了提高适应性，本实施例将切换电路单独做为一个扩展板，根据实际使用情况对继电器及连接器的个数进行调整，可用在任意系统中，用于所有设备集中的板上时将连接器去掉，并将连接器上的信号直接引到主从设备中即可。
本发明通过MCU的控制信号控制光耦合器的截止和导通，光耦合器截止时三极管Q1的输出脚悬空，光耦合器导通时三极管Q1的输出脚导通，以此控制继电器线圈两端电压升降，从而使继电器的输出在常闭端口和常开端口之间切换，完成主设备到从设备的切换。
本发明可以实现多点切换，且只需占用一个I O口，可为设备节省成本和接口资源，一个控制信号可以控制多路信号同时切换，快速高效；而且可以防止只有部分切换的可能，提高可靠性；可用于板上和板外，小型系统与大型系统，适用性强。所有继电器的控制信号为同一个，当MCU发出控制信号信号时，继电器可快速进行主从切换，同时电路提供工作指示灯，方便了解切换状态。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下专用双冗余切换电路，其特征在于，包括：用于连接多路监控信号源的连接端子P2，所述连接端子P2上设置有多路信号端子，每路信号端子分别接入一路监控信号源，用于接收MCU控制信号的连接端子P3，用于连接主设备的连接端子P4，用于连接从设备的连接端子P1，还包括光耦合器U1、三极管Q1、多个与多路信号端子对应的继电器和用于提供工作电源的电源端子，所述继电器包括多个信号输入公共端和用于输出信号输入公共端接收信号的常开端口、常闭端口，所述常开端口、常闭端口皆不少于两个，所述信号输入公共端分别与一个常开端口和一个常闭端口对应；
每路所述信号端子分别与对应继电器的信号输入公共端相连，所述连接端子P3的输出端通过光耦合器U1与三极管Q1的控制端相连，所述三极管Q1的输出端分别与若干继电器的线圈负极相连，若干继电器的线圈正极皆与电源端子正极相连；
若干继电器的常闭端口与连接端子P4或连接端子P1中的一个相连，常开端口与另一个相连。
2.根据权利要求1所述的水下专用双冗余切换电路，其特征在于：所述若干继电器的线圈正极与负极之间皆设置有二极管，所述二极管的正极与线圈负极相连，二极管的负极与线圈正极相连，以用于钳位线圈的负极电压。
3.根据权利要求1所述的水下专用双冗余切换电路，其特征在于：所述连接端子P4的电源输入端通过依次串联的电阻R2和发光二极管D4接地，所述连接端子P1的电源输入端通过依次串联的电阻R1和发光二极管D3接地，连接端子P4的电源输入端和连接端子P1的电源输入端通过依次串联的熔断器F2、熔断器F1相连。
4.根据权利要求1所述的水下专用双冗余切换电路，其特征在于：所述连接端子P3的负极输出端通过电阻R4与光耦合器U1的负极输入端相连，连接端子P3的正极输入端与光耦合器U1的正极输入端相连，光耦合器U1的正极输出端与电源端子相连，光耦合器U1的负极输出端通过电阻R5与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极接地。
5.根据权利要求1所述的水下专用双冗余切换电路，其特征在于：所述三极管Q1为NPN型三极管。
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