CN109471012B - 通用输入电路中输入信号检测电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用输入电路中输入信号检测电路和方法，包括激励电流产生电路、无源干节点信号检测电路，无源干节点信号检测电路包括高端取样电路和单限比较器，激励电流产生电路输出激励电流经所述高端取样电路到第一多路复用器的输入端，第一多路复用器的输出端连接第一端子，第二端子接地，无源干节点信号接入第一端子和第二端子之间，高端取样电路输出取样信号到所述所述单限比较器的第一输入端，单限比较器的第二输入端接收参考值，单限比较器的输出端连接控制模块，控制模块根据单限比较单元的输出信号判断无源干节点信号的状态。本发明对无源干节点信号的检测不需要数模转换和模数转换，具有很强的实时性，且成本低廉，性能稳定。

Description

通用输入电路中输入信号检测电路和方法

技术领域

本发明涉及工业自动化和智能楼宇领域，更具体的说，涉及一种通用输入电路中输入信号检测电路和方法。

背景技术

在工业自动化以及智能楼宇领域中，往往需要处理纷繁复杂的各种输入信号，例如：0～10V的电压信号，4～20mA的电流信号，PT1000、Cu50等热电阻信号，开关状态的无源DI(数字输入)干节点信号等等。为了适用现场种类繁多的输入信号，具有多通道可编程的通用输入电路应运而生。

现有通用输入模块中，输入信号检测电路一般是将电压、电流信号通过相关电路输入到ADC(模拟信号转数字信号)芯片中进行采集，再利用控制模块得到输入信号的具体数值；而对于热电阻和干节点等非电量信号，则是控制模块利用内部的DAC(数字信号转模拟信号)芯片并通过相关电路产生测试电流，该电流流经热电阻或干节点后，形成电压信号，将电压信号通过相关电路输入到ADC芯片中进行采集，并利用控制模块得到输入信号的具体数值或状态。

如图1所示，输入信号是电流信号时，电子开关SW闭合，利用I/V转换电路，将电流信号转化为电压信号。当输入信号为热电阻或干节点信号时，DAC输出的电压信号经过信号变换电路后变成了对电源的电压信号，然后经过V/I转换电路形成测试电流。该电流经过第一多路复用器(MUP1)、反向二极管D1、限流电阻R1、端子A，流经被检测信号后，回到端子B(系统地)形成回路，将热电阻或干节点信号信号转化为保证端子A和B的压差的电压信号。电压信号可以直接输入检测。电压信号经过TVS管、滤波限幅电路、第一多路复用器(MUP2)、PGA电路、信号调理电路，进入ADC中。经过ADC转换为相应的码值输入到控制模块中。控制模块将该码值与校准码值进行比较即可知晓当前输入信号的数值或状态。

但模拟信号(电压、电流、热电阻)的变化是相对缓慢的，而数字信号(无源干节点)往往对实时性有要求。现有技术中存在ADC和DAC，对于无源DI干节点信号的检测存在实时性不强的缺点，而且成本偏高，电路复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种对无源干节点信号的检测具有很强实时性的通用输入电路中输入信号检测电路和方法，用于解决现有技术存在的无源干节点信号的检测存在实时性不强，成本偏高，电路复杂的技术问题。

本发明提供了一种通用输入电路中输入信号检测电路，包括激励电流产生电路、无源干节点信号检测电路，所述无源干节点信号检测电路包括高端取样电路和单限比较器，所述激励电流产生电路输出激励电流经所述高端取样电路到第一多路复用器的输入端，所述第一多路复用器的输出端连接第一端子，第二端子接地，所述无源干节点信号接入所述第一端子和所述第二端子之间，所述高端取样电路输出取样信号到所述所述单限比较器的输入端，所述单限比较器的输出端连接控制模块，所述控制模块根据单限比较单元的输出信号判断无源干节点信号的状态。

可选的，当所述高端取样电路输出的取样信号大于参考值时，所述单限比较器输出电平翻转，所述无源干节点信号为闭合状态；当所述取样信号小于参考值时，所述单限比较器输出电平不变，所述无源干节点信号为断开状态。

可选的，所述无源干节点信号检测电路还包括仪表放大电路，所述仪表放大电路的输入端接收所述高端取样电路输出的取样信号，所述仪表放大电路的输出端连接所述单限比较器。

可选的，所述无源干节点信号检测电路还包括整形输出电路，所述整形输出电路的输入端连接所述单限比较器的输出端，所述整形输出电路的输出端连接所述控制模块。

可选的，所述输入信号检测电路还包括可编程增益放大器、信号调理电路和模数转换电路，所述第一端子连接第二多路复用器的输入端，所述第二多路复用器的输出端连接所述可编程增益放大器的输入端，所述可编程增益放大器的输出端连接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接所述控制模块。

可选的，所述输入信号检测电路还包括电流电压转换电路，所述电流电压转换电路的一端接地，另一端经开关连接到所述第一端子。

可选的，输入信号为热电阻信号和无源干节点信号时，所述激励电流产生电路输出的激励电流不同。

可选的，所述高端取样电路包括取样电阻，所述仪表放大电路包括两个电压跟随器和差分放大电路，所述电压跟随器的输入端分别连接所述取样电阻的两端，所述电压跟随器的输出端均连接所述差分放大电路，所述差分放大电路的输出端连接单限比较器。

本发明还提供了一种通用输入电路中输入信号检测方法，包括以上任意一项所述的通用输入电路中输入信号检测电路，包括以下步骤：

产生激励电流，所述激励电流经过高端取样电路流入所述无源干节点输入信号；

所述高端取样电路输出取样信号，根据所述取样信号和参考值判断所述无源干节点信号的状态。

可选的，当所述取样信号大于参考值时，所述无源干节点信号为闭合状态；当所述取样信号小于参考值时，所述无源干节点信号为断开状态时。

与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明利用高端取样电路获取激励电流流经无源干节点信号的取样信号，根据取样信号和参考值，判断无源干节点信号的状态，所述的激励电流利用简单的电路即可产生，无需进行DAC转换。本发明对无源干节点信号的检测不需要DAC输出电路和ADC采集转换电路，具有很强实时性，且成本低廉，电路简单，性能稳定。

附图说明

图1为现有技术通用输入电路中输入信号检测电路的结构示意图；

图2为本发明通用输入电路中输入信号检测电路实施例一的结构示意图。

图3为本发明通用输入电路中输入信号检测电路具体电路的部分示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种通用输入电路中输入信号检测电路，包括激励电流产生电路、无源干节点信号检测电路，所述无源干节点信号检测电路包括高端取样电路和单限比较器，所述激励电流产生电路输出激励电流经所述高端取样电路到第一多路复用器的输入端，所述第一多路复用器的输出端连接第一端子，第二端子接地，所述无源干节点信号接入所述第一端子和所述第二端子之间，所述高端取样电路输出取样信号到所述所述单限比较器的输入端，所述单限比较器的输出端连接控制模块，所述控制模块根据单限比较单元的输出信号判断无源干节点信号的状态。

当所述高端取样电路输出的取样信号大于参考值时，所述单限比较器输出电平翻转，所述无源干节点信号为闭合状态；当所述取样信号小于参考值时，所述单限比较器输出电平不变，所述无源干节点信号为断开状态。

所述无源干节点信号检测电路还包括仪表放大电路和整形输出电路，所述仪表放大电路的输入端接收所述高端取样电路输出的取样信号，所述仪表放大电路的输出端连接所述单限比较器。所述整形输出电路的输入端连接所述单限比较器的输出端，所述整形输出电路的输出端连接所述控制模块。

所述输入信号检测电路还包括可编程增益放大器、信号调理电路和模数转换电路，所述第一端子连接第二多路复用器的输入端，所述第二多路复用器的输出端连接所述可编程增益放大器的输入端，所述可编程增益放大器的输出端连接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接所述控制模块。所述输入信号检测电路还包括电流电压转换电路，所述电流电压转换电路的一端接地，另一端经开关连接到所述第一端子。

如图2所述，示意了本发明通用输入电路中输入信号检测电路实施例一的结构示意图。本发明所述通用输入电路中输入信号检测电路包括激励电流产生电路和无源干节点信号检测电路，所述无源干节点信号检测电路包括高端采样电路、仪表放大电路、单限比较器、整形输出电路，所述所述激励电流产生电路输出激励电流经所述高端取样电路到第一多路复用器MUP1的输入端，所述第一多路复用器MUP1的输出端经过二极管D1连接第一端子A，第二端子B接地，所述无源干节点信号接入所述第一端子A和所述第二端子B之间，所述高端取样电路输出取样信号给所述仪表放大电路，所述仪表放大电路的输出端连接所述单限比较器的第一输入端，所述单限比较器的第二输入端接收参考值，所述单线比较器的输出端连接所述整形输出电路，所述整形输出电路的输出端连接控制模块，所述所述控制模块MCU根据整形输出电路的输出信号判断无源干节点信号的状态。

通过激励电流产生电路产生的激励电流为测试电流，该电流流经被测的无源干节点信号，然后通过高端采样电路、仪表放大电路、单限比较器、整形输出电路判断无源DI(干节点)的状态。当干节点的状态是闭合时，激励电流和被检测的无源干节点信号回路中有电流，高端采样信号不为零，经过仪表放大后，所述取样信号大于参考值，使单限比较器输出电平翻转，该信号经过整形输出电路输入到控制模块中。而当干节点的状态是断开状态时，高端取样信号为零，单限比较器输出不变。因此，控制模块可以根据检测到的电平判断当前无源干节点信号的状态是闭合还是断开。

上述过程中的仪表放大电路和整形输出电路在有的实施例中可以省去。

所述通用输入电路中输入信号检测电路还包括PGA(可编程增益放大器)、信号调理电路和模数转换电路(ADC)，所述第一端子A连接第二多路复用器MUP2的输入端，所述第二多路复用器MUP2的输出端连接所述可编程增益放大器PGA的输入端，所述可编程增益放大器(PGA)的输出端连接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端连接所述模数转换电路(ADC)的输入端，所述模数转换电路(ADC)的输出端连接所述控制模块。

所述通用输入电路中输入信号检测电路还包括电流电压转换电路(I/V)，所述电流电压转换电路(I/V)的一端接地，另一端经开关连接到所述第一端子A。

优选的，所述第一端子A经过滤波限幅电路连接第二多路复用器MUP2。

优选的，所述第一段子A连接有瞬变电压抑制抑制二极管(TVS管)，所述TVS管的另一端接地。

本发明基于通用输入电路，在本发明的输入信号检测电路中，当输入信号为电压信号、电流信号、热电阻信号和无源干节点输入信号时，均可以进行检测，其具体检测如下：

当输入的是电压信号时，被测信号经过TVS管、滤波限幅电路、多路复用器(MUP2)、PGA电路、信号调理电路，进入ADC中。经过ADC转换为相应的码值输入到控制模块中。控制模块将该码值与校准码值进行比较即可知晓当前输入电压信号的大小。

当输入的是电流信号时，电子开关SW闭合，被测信号经过I/V转换电路，变成电压信号。该信号经过TVS管、滤波限幅电路、多路复用器(MUP1)、PGA电路、信号调理电路，进入ADC中。经过ADC转换为相应的码值输入到控制模块中。控制模块将该码值与校准码值进行比较即可知晓当前输入电流信号的大小。

当输入的是热电阻信号时，激励电流产生电路产生的激励电流作为测试电流。该测试电流经过多路复用器(MUP1)、反向二极管D1、限流电阻R1、端子A，流经热电阻后，回到端子B(系统地)形成回路。同时，热电阻两端的电压信号经过经过TVS管、滤波限幅电路、多路复用器(MUP1)、PGA电路、信号调理电路，进入ADC中。经过ADC转换为相应的码值输入到控制模块中。控制模块将该码值与校准码值进行比较即可知晓当前输入热电阻信号的大小。

当输入的是无源DI(干节点)信号时，激励电流产生电路产生的激励电流作为测试电流。此时，如干节点处于闭合状态，则该电流经过多路复用器(MUP1)、反向二极管D1、限流电阻R1、端子A，流经被测信号后，回到端子B(系统地)形成回路，此时高端取样的取样信号不为零，所述高端取样电路输出的取样信号大于参考值，所述单限比较器输出电平翻转。当无源干节点处于闭合状态，上述回路无法形成，此时高端取样信号的取样信号为零，所述取样信号小于参考值，所述单限比较器输出电平不变。而单限比较器输出经整形输出电路输入到控制模块，控制模块根据整形输出模块的电平高低判断当前无源干节点信号的状态是闭合还是断开。本实施例中的控制模块为单片机。

图3给出了本发明通用输入电路中输入信号检测电路具体电路的部分示意图。其分别给出了激励电流产生电路、高端采样电路、仪表放大电路、单限比较器、整形输出电路的具体电路图。

热电阻测试和干节点检测都用到激励电流产生电路产生的激励电流，但两者值的大小是不同的。考虑到热电阻(RTD)本身发热而影响测试精度的原因，实际测试时，其激励电流的值都比较小，一般是在0.25mA～1mA之间，此次取0.5mA。而无源干节点测试时，考虑到抗干扰的能力以及整体功耗的原因，一般激励电流在5mA左右。所以，激励电流电路需根据需要产生0.5mA和5mA的电流。

所述激励电流产生电路包括同向放大器和所述晶体管Q1，所述运算放达器U3的第一输入端分别经第一电阻连接电压VREF和经第二电阻连接所述晶体管Q1的第一端，所述运算放达器U3的第二输入端经第四电阻连接到电压VCC，且其第二输入端经第三电阻接地。其输出端连接所述晶体管Q1的控制端，所述其连接关系如图3所示，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值均相同为R。所述晶体管Q1的第一端连接电阻RS1的一端，所述电阻RS1的另一端经过并联结构连接到电压VCC，所述并联结构由开关SW1和电阻RS2组成。

根据运算放大器虚短虚断的特性可知，图中：

则有：Vs＝Vcc-V_REF

当电子开关SW1断开时，流过电阻Rs1和Rs2的电流Is1为：

因VREF、Rs1、Rs2都是恒定的值，故电流Is1的值也恒定，输出的激励电流接近Is1也可以保持恒定。

同样，当电子开关SW1闭合时，流过电阻Rs1的电流Is2为：

同理，在此情况下输出的激励电流也接近Is2，并保持恒定。

通过调整基准电压VREF、电阻Rs1、Rs2的值，就可以得到需要的0.5mA和5mA的激励电流了。测试热电阻信号时，电子开关SW1断开，激励电流产生电路产生0.5mA的激励电流将电阻信号转换为端子A和B的电压信号；而当测试无源干节点信号时，激励电流产生电路产生的5mA的激励电流同样可以将开关信号转换为高端取样电路取样的电压信号。

在实际应用中，激励电流值需进行校准，且其值的大小与最终测试值相关性不大。因此，此处的电流值对于精度和稳定性要求不高，电路中的器件使用通用型的即可。

所述高端取样电路包括取样电阻Rsense，所述仪表放大电路包括两个电压跟随器和差分放大电路，所述两个电压跟随器的输入端分别连接所述取样电阻的两端，所述电压跟随器的输出端均连接所述差分放大电路。

所述差分放大电路连接所述单限比较器的第一输入端，所述单限比较器的第二输入端接收参考值。所述单线比较器的输出端连接所述整形输出电路，所述整形输出电路为斯密特反相器。整形输出电路输出信号Vo到控制模块。

在有的实施例中，所述整形输出电路为使用三极管电路组成的反相器，进一步降低了成本。

激励电流流经高端取样电阻后产生压降，运放U1将该压降采集输出到差分放大电路中，经过放大后的信号与参考值进行比较。比较信号经过整形电路后输出到控制器中。图3中，高端取样电阻Rsense取值为51Ω，电阻R1＝R3；R2＝R4，则放大系数k＝R1/R2。k的取值为15。

如当前通道组态为电压或者是电流信号输入时，则高端取样电阻中无电流流过，因此无压降产生，故而仪表放大电路输出零电平，经过比较后输出低电平，整形后输出高电平。即Vo＝1。

如当前通道组态为热电阻信号输入时，激励电流为0.5mA，高端取样电阻的压降为0.5mA*51Ω＝25.5mV，放大后的电压为25.5mV*15＝0.38V，该电压低于基准电压。故经过比较后输出低电平，整形后输出高电平。即Vo＝1。

如当前通道组态为干节点输入时，激励电流为5mA。当干节点是处于闭合状态时，高端取样电阻的压降为5mA*51Ω＝255mV，放大后的电压为255mV*15＝3.83V，该电压高于基准电压。故经过比较后输出高电平，整形后输出低电平。即Vo＝0；当干节点是处于端口状态时，高端取样电阻无电流流过，故而没有压降产生，因此整形后输出高电平。即Vo＝1。

因此，只有当前通道组态为干节点输入，且此时干节点是闭合状态时，整形后输出的信号Vo才会是低电平。其他情况下都是输出高电平。故而，只有在当前通道组态为DI输入时，根据整形后输出的信号Vo的电平，即可判断干节点输入的状态(闭合还是断开)。

因无源干节点检测与热电阻测试的激励电流共用同一回路。图3中的电压跟随器U1是用于隔离和阻抗匹配的。若去掉，则漏电流会比较大，影响热电阻的测试精度。

本发明的优点是成本低，响应速度快，性能稳定，无需复杂的转换电路，使用的电阻和运放都是通用器件，价格低廉，易采购易替换。对无源干节点信号的检测，不需要DAC输出电路和ADC采集转换电路，而采用分立器件加运放的方式，延时可以控制在微妙级别。相比于传统电路的毫秒级甚至是秒级别的延时来说，其延时可以忽略不计。本发明的参数余量很大，即便是采用普通的器件，也可以保证电路稳定运行。因此，可靠性很高。

本发明在取样电阻上流过的激励电流的电压进行取样，经过相关电路判别出干节点的输入状态。这与热电阻是什么形式无关，两线制、三线制、四线制都适合，比较小的热电阻(如PT100)或者较大的热电阻(如PT1000)等都适合。

此外，本方案中仪表放大电路可以使用仪表放大器来替换。只需要使用一个SOP8封装的仪表放大器加一个电阻即可替代本方案中6个器件。节省的PCB面积在50％以上，且印制板布线简单的多，对于PCB空间比较紧张的场合比较合适。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通用输入电路中输入信号检测电路，包括：激励电流产生电路和无源干节点信号检测电路，所述无源干节点信号检测电路包括高端取样电路、仪表放大电路和单限比较器，所述激励电流产生电路输出激励电流经所述高端取样电路到第一多路复用器的输入端，所述第一多路复用器的输出端连接第一端子，所述无源干节点信号接入所述第一端子和第二端子之间，所述第二端子接地，所述仪表放大电路的输入端接收所述高端取样电路输出的取样信号，所述仪表放大电路的输出端连接所述单限比较器的第一输入端；所述单限比较器的第二输入端接收参考值，所述单限比较器的输出端连接控制模块，所述控制模块根据单限比较单元的输出信号判断无源干节点信号的状态；

输入信号为热电阻信号和无源干节点信号时，所述激励电流产生电路输出的激励电流不同；

所述高端取样电路包括取样电阻，所述仪表放大电路包括两个电压跟随器和差分放大电路，所述两个电压跟随器的正向输入端分别连接所述取样电阻的两端，所述两个电压跟随器的输出端分别连接所述差分放大电路的正向和反向输入端，所述差分放大电路的输出端连接单限比较器；

所述激励电流产生电路包括同向运算放大器和晶体管Q1，所述同向运算放大器的反向输入端分别经第一电阻连接电压VREF和经第二电阻连接所述晶体管Q1的集电极，所述同向运算放大器的正向输入端经第四电阻连接到电压VCC以及经第三电阻接地，所述同向运算放大器输出端连接所述晶体管Q1的基极，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值均相同，所述晶体管Q1的集电极连接电阻RS1的一端，所述电阻RS1的另一端经过并联结构连接到电压VCC，所述并联结构由开关SW1和电阻RS2并联组成，所述晶体管Q1的发射极连接所述取样电阻。

2.根据权利要求1所述的通用输入电路中输入信号检测电路，其特征在于：当所述高端取样电路输出的取样信号大于参考值时，所述单限比较器输出电平翻转，所述无源干节点信号为闭合状态；当所述取样信号小于参考值时，所述单限比较器输出电平不变，所述无源干节点信号为断开状态。

3.根据权利要求1所述的通用输入电路中输入信号检测电路，其特征在于：所述无源干节点信号检测电路还包括整形输出电路，所述整形输出电路的输入端连接所述单限比较器的输出端，所述整形输出电路的输出端连接所述控制模块。

4.根据权利要求1所述的通用输入电路中输入信号检测电路，其特征在于：还包括可编程增益放大器、信号调理电路和模数转换电路，所述第一端子连接第二多路复用器的输入端，所述第二多路复用器的输出端连接所述可编程增益放大器的输入端，所述可编程增益放大器的输出端连接所述信号调理电路的输入端，所述信号调理电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接所述控制模块。

5.根据权利要求4所述的通用输入电路中输入信号检测电路，其特征在于：还包括电流电压转换电路，所述电流电压转换电路的一端接地，另一端经开关连接到所述第一端子。

6.一种通用输入电路中输入信号检测方法，基于权利要求1-5任意一项所述的通用输入电路中输入信号检测电路，其特征在于，包括：

产生激励电流，所述激励电流经过高端取样电路流入所述无源干节点输入信号；

所述高端取样电路输出取样信号，根据所述取样信号和参考值判断所述无源干节点信号的状态；

输入信号为热电阻信号和无源干节点信号时，所述激励电流产生电路输出的激励电流不同；

所述高端取样电路包括取样电阻，所述仪表放大电路包括两个电压跟随器和差分放大电路，所述两个电压跟随器的正向输入端分别连接所述取样电阻的两端，所述两个电压跟随器的输出端分别连接所述差分放大电路的正向和反向输入端，所述差分放大电路的输出端连接单限比较器。

7.根据权利要求6所述的通用输入电路中输入信号检测方法，其特征在于：当所述取样信号大于参考值时，所述无源干节点信号为闭合状态；当所述取样信号小于参考值时，所述无源干节点信号为断开状态时。

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