CN111007819B - 一种复用ai通道和di通道的io模块 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种复用AI通道和DI通道的IO模块，当信号输入端输入模拟量电流信号或者数字量电压信号时，ADC芯片能够采集采样电阻上的电压信号，并对电压信号进行量化编码，得到数字编码；控制芯片进而根据数字编码所落入的码值范围，确定当前通道输入信号类型为AI或DI，并生成相应的通道数据帧以传输至DCS主控制器。可见，本申请将AI通道与DI通道集成为一种输入型IO模块，该IO模块既可以接入模拟量电流信号，又可以接入数字量电压信号，从而增加了系统硬件配置的灵活性，增强系统的可维护性，减少系统组建成本及维护管理成本。此外，本申请还提供了一种DCS系统，其技术效果与上述IO模块的技术效果相对应。

Description

一种复用AI通道和DI通道的IO模块
技术领域
本申请涉及数字电路技术领域，特别涉及一种复用AI通道和DI通道的IO模块及DCS系统。
背景技术
目前，DCS系统(Distributed Control System，分布式控制系统)的IO通道是以IO模块的形式接入系统，一个IO模块一般由8或16个同类型IO通道构成，如AI(Analog Input，模拟量输入)通道、DI(Digtial Input，数字量输入)通道、AO(Analog Out，模拟量输出)通道、DO(Digtial Out，数字量输出)。由于不同通道类型的IO模块不能相互替代，随着DCS系统规模越来越大，系统所容纳的IO通道也越来越多，需要的IO模块数量也越来越多，导致系统成本较高，且不便于DCS系统的组建或后期DCS维护管理。
可见，如何避免由于不同通道类型的IO模块不能相互替代，导致系统成本高且不便于维护的缺陷，是亟待本领域技术人员解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于DCS系统的复用AI通道和DI通道的IO模块，用以解决由于不同通道类型的IO模块不能相互替代，导致系统成本高且不便于维护的问题。其具体方案如下：
为解决上述问题，本申请提供了一种复用AI通道和DI通道的IO模块，包括：控制芯片、ADC芯片、采样电阻、稳压二极管、限流电阻；其中，所述限流电阻与信号输入端电连接；所述稳压二极管的负极与所述限流电阻电连接，所述稳压二极管的正极接地；所述采样电阻、所述ADC芯片均与所述稳压二极管并联；所述控制芯片一端与所述ADC芯片电连接，另一端接地；
当所述信号输入端输入模拟量电流信号或者数字量电压信号时，所述ADC芯片采集所述采样电阻上的电压信号，并对所述电压信号进行量化编码，得到数字编码；所述控制芯片用于根据所述数字编码所落入的码值范围，确定当前通道输入信号类型为AI或DI，并生成相应的通道数据帧以传输至DCS主控制器。
优选的，所述控制芯片用于：若所述数字编码落入第一码值范围或第二码值范围，则确定当前通道输入信号类型为DI；若所述数字编码落入第三码值范围，则确定当前通道输入信号类型为AI；
其中，所述第一码值范围为根据被击穿的稳压二极管的钳位电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第二码值范围为根据未被击穿的稳压二极管的电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第三码值范围为根据所述模拟量电流信号的电流值范围和所述ADC芯片的位数确定的。
优选的，所述ADC芯片的位数为13。
优选的，所述通道数据帧包括AI数据、DI数据和通道信号类型数据。
优选的，所述控制芯片用于：
若所述数字编码落入第一码值范围，则确定当前通道输入信号类型为DI，将高电平标志数据作为DI数据放入所述通道数据帧中，并将DI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中；
若所述数字编码落入第二码值范围内，则确定当前通道输入信号类型为DI，将低电平标志数据作为DI数据放入所述通道数据帧中，并将DI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中；
若所述数字编码落入第三码值范围内，则确定当前通道输入信号类型为AI，将所述数字编码对应的模拟量作为AI数据放入所述通道数据帧中，并将AI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中。
优选的，还包括：基准电压源，所述基准电压源与所述ADC芯片电连接。
优选的，所述基准电压源的基准电压为2.5V。
此外，本申请还提供了一种DCS系统，包括现场设备和DCS主控制器，还包括如上所述的复用AI通道和DI通道的IO模块；其中，所述IO模块用于采集所述现场设备的AI信号和/或DI信号，并将所述AI信号和/或DI信号传输至所述DCS主控制器。
本申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块，包括：控制芯片、ADC芯片、采样电阻、稳压二极管、限流电阻；其中，限流电阻与信号输入端电连接；稳压二极管的负极与限流电阻电连接，稳压二极管的正极接地；采样电阻、ADC芯片均与稳压二极管并联；控制芯片一端与ADC芯片电连接，另一端接地。当信号输入端输入模拟量电流信号或者数字量电压信号时，ADC芯片采集采样电阻上的电压信号，并对电压信号进行量化编码，得到数字编码；控制芯片根据数字编码所落入的码值范围，确定当前通道输入信号类型为AI或DI，并生成相应的通道数据帧以传输至DCS主控制器。
可见，本申请将AI通道与DI通道集成为一种输入型IO模块，该IO模块所有通道既可以接入模拟量电流信号，又可以接入数字量电压信号，从而增加了系统硬件配置的灵活性，增强系统的可维护性，减少系统组建成本及维护管理成本。
此外，本申请还提供了一种DCS系统，其技术效果与上述IO模块的技术效果相对应，这里不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为申请所提供的传统DCS系统架构示意图；
图2为本申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块实施例的结构示意图；
图3为本申请所提供的应用本申请的复用AI通道和DI通道的IO模块的DCS系统架构示意图；
图4为本申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块的AI通道实现方案示意图；
图5为本申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块的DI通道实现方案示意图；
图6为本申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块的通道数据帧结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在DCS系统中，IO模块往往作为DCS系统最基本的输入输出通道。在实际应用过程中，DCS系统通过输入型IO模块对现场设备信号进行采集，将采集数据上传至DCS主控制器经过IEC运算，最后通过输出型IO模块输出控制信号，参与现场工业生产控制。
目前，传统的DCS系统中的构成如图1所示，其中AI模块、DI模块作为DCS系统的输入通道，AO模块、DO模块作为DCS系统的输出通道。具体的，AI模块提供模拟量输入通道，将现场的模拟量电流信号采集并传送到DCS主控制器；DI模块提供数字量输入通道，将现场的数字量电压信号采集并传送到DCS主控制器。然后，DCS主控制器将采集到的AI数据和DI数据，根据用户控制逻辑进行IEC运算，最终将运算结果通过输出型IO模块(如AO模块和DO模块)输出到现场设备。
但是，输入型IO模块不能复用AI通道与DI通道，因此不能在同一个IO模块上同时实现AI通道与DI通道，导致增加系统成本及维护成本。
针对上述问题，本申请的核心是提供申请所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块及DCS系统，实现了在同一IO模块复用AI通道和DI通道的目的，增加了DCS系统IO模块的灵活性，降低了系统组建成本和维护成本。
下面对本申请提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块实施例进行介绍，参见图2，该IO模块包括两部分应用电路，第一部分是控制电路，第二部分是采集电路。如图2所示，本实施例中的控制电路主要包括控制芯片，采样电路则包括ADC芯片、采样电阻、稳压二极管、限流电阻，其中限流电阻与信号输入端电连接；稳压二极管的负极与所述限流电阻电连接，稳压二极管的正极接地；采样电阻、ADC芯片均与稳压二极管并联；控制芯片一端与ADC芯片电连接，另一端接地。
在实际应用过程中，当所述信号输入端输入模拟量电流信号或者数字量电压信号时，所述ADC芯片能够采集所述采样电阻上的电压信号，并对所述电压信号进行量化编码，得到数字编码；所述控制芯片进而根据所述数字编码所落入的码值范围，确定当前通道输入信号类型为AI或DI，并生成相应的通道数据帧以传输至DCS主控制器。
作为一种具体的实施方式，上述模拟量电流信号具体可以为4-20mA模拟量信号。在实际应用过程中，当4-20mA的模拟量信号接入IO模块后，利用由ADC芯片构成的采集电路对其进行4-20mA的信号转换。具体的，控制电路控制ADC芯片采集采样电阻的电压信号，ADC芯片根据电压信号进行量化编码，得到相应的数字编码，从而实现输入4-20mA模拟量信号的采集。
作为一种具体的实施方式，上述数字量电压信号具体可以为0V和24V的数字量信号。在实际应用过程中，当输入电压为0V时，ADC芯片采集到的电压信号为0V，ADC芯片根据0V电压信号进行量化编码，得到相应的数字编码；当输入电压为24V时，ADC芯片采集到的信号为稳压二级管的钳位电压值，ADC芯片根据24V电压信号进行量化编码，得到相应的数字编码。
本实施例中控制芯片用于实现对输入信号类型的识别，具体的，控制芯片用于实现以下过程：若数字编码落入第一码值范围或第二码值范围，则确定当前通道输入信号类型为DI；若数字编码落入第三码值范围，则确定当前通道输入信号类型为AI；其中，所述第一码值范围为根据被击穿的稳压二极管的钳位电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第二码值范围为根据未被击穿的稳压二极管的电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第三码值范围为根据所述模拟量电流信号的电流值范围和所述ADC芯片的位数确定的。特别说明的是，本实施例通过IO模块组件的灵活选用，保证稳压二极管的钳位电压值始终大于最大模拟量电流信号输入时的采样电阻两端的电压值。
对于IO模块中组件的选用，ADC芯片的选用可使用满足精度要求的各种ADC芯片，考虑输入阻抗限制，基准电压源应该选择尽量小的基准电压，配合相应的采样电阻，选取与ADC芯片输入基准对应的稳压二级管将采样电阻的压降钳位至ADC芯片安全输入电压范围内，根据模拟量输入阻抗要求选择合适功率和阻值限流电阻。
本实施例通过实现通用型输入型IO模块，使得DCS系统的输入型IO模块，由如图1所示的同时使用AI模块和DI模块，转换为如图3所示的只需要本实施例的复用AI通道和DI通道的IO模块。本实施例的IO模块同时上报AI数据与DI数据，并上报输入信号类型，主控制器根据通用型输入模块的通道信号类型判断当前输入通道接入的是模拟量输入信号或数字量输入信号，实现现场信号类型的检查，并可将采集数据作为系统的输入执行由用户所执行的逻辑运算，最终由DCS主控制器将运算结果输出到对应AO、DO输出类型IO模块。
综上，通常在DCS系统中当系统规模庞大现场控制点比较多，且输入信号种类较多时，需要配置多个模拟量输入和数字量输入IO模块来实现现场数据的采集，且模拟量信号需要接入AI模块的模拟量输入通道进行采集，数字量信号需要接入DI模块的数字量输入通道进行采集。本实施例所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块，能够实现利用同一个采集通道采集不同类型的输入信号，且各个通道无需配置，具体可实现4-20mA模拟量信号和24V数字量信号的输入采集，增加系统IO模块配置的灵活性和可维护性，减少系统组建成本及后期维护成本。
为更加详尽的介绍本实施例的IO模块，下面分别对AI通道的具体实现方案、DI通道的具体实现方案、控制芯片的具体实现方案进行说明。
根据上文所描述的电路结构，首先选取合适的元器件组成IO模块。此处假设：模拟量电流信号为4-20mA，数字量电压信号为0V和24V；采样精度为0.2％；选用13位单端输入ADC芯片，基准源选用2.5V基准；采样电阻选用100Ω，精度0.1％功率为1W；限流电阻选用400Ω，功率为2W。
1、AI通道的具体实现方案
如图4所示，当输入信号为4mA时，通道的输入阻抗为500Ω，4mA在限流电阻上的压降为1.6V，在采样电阻R1上的转换电压为400mV，ADC芯片采集到的电压为400mV，采集到模拟量信号输入为4mA。
当输入信号为20mA时，通道的输入阻抗为500Ω，20mA在限流电阻上的压降为8V，在采样电阻上的转换电压为2V，ADC芯片采集到的电压为2V，采集到模拟信号输入为20mA。
ADC芯片采用13位ADC，基准电压源选用2.5V基准电压，满量程电压为2V，最大码值为42/2.5*8192＝6553，因此量程代码范围为1310～6553。
2、DI通道的具体实现方案
如图5所示，当输入信号为0V时，通道的输入阻抗为500Ω，0V在限流电阻上的压降为0V，在采样电阻上的压降为0V，稳压管不动作，ADC芯片采集到的电压为0V，输入数字量信号为低电平。
当输入信号为24V时，通道的输入阻抗为500Ω，在限流电阻上的压降为19V，在采样电阻R1上的压降为2V，稳压管动作，ADC芯片采集到的电压为钳位电压值，即5V，输入数字量信号为高电平。
ADC采用13位ADC，采集高电平电压为2.5V，基准电压源选用2.5V基准电压，最大码值8192，低电平范围为0-400mV任意值，低电平阈值代码范围为0～1310，高电平范围2-5V任意值，高电平阈值代码范围为6553-8192。
3、控制芯片的具体实现方案
控制芯片的功能主要包括两部分，一是控制信号输入采集，二是判断输入信号类型，将数据封装到通道数据帧，等待与DCS主控制器进行数据交互。其中，通道数据帧的结构如图6所示，包括AI数据、DI数据和通道信号类型数据。
当数据采集完毕后，控制芯片处理数据采集结果，将每个通道的ADC采集码值放入模拟量通道，并通过ADC的码值判断当前通道输入信号类型。具体过程如下：如果ADC采集通道值为＜400mV，则数据帧内对应通道的数字量输入为0(低电平标志数据)，并在通道信号类型帧中标记当前通道输入信号为数字量输入信号；如果ADC采集通道值≥5V，则数据帧内对应通道的数字量输入为1(高电平标志数据)，并在通道信号类型帧中标记当前通道为数字量输入通道；如果ADC采集通道值≤2V，并且≥400mV则数据帧内对应通道的数字量输入为与采集码值对应的模拟量，并在通道信号类型帧中标记当前通道为模拟量输入通道。
通过ADC的码值判断当前通道信号类型的主要目的在于信号故障诊断，当模块当前通道在DCS系统配置为数字量输入通道或者模块量输入通道时，可通过模块返回的通道信号类型判断诊断现场信号是否与系统预期接入通道类型一致，当信号类型与系统配置通道类型一致时，表示现场信号正常，输入数据可信。当信号类型与系统配置通道类型不一致时，则表明现场输入信号故障，输入数据不可信，并产生报警。
本实施例所提供的一种复用AI通道和DI通道的IO模块，可实现AI、DI通道复用，可将AI通道与DI通道集成为一种输入型IO模块，因此，IO模块通道既可以接通AI 4-20mA模拟量信号，又可以接入DI 24V数字量信号，增加系统硬件配置的灵活性，增强系统的可维护性，减少系统组建成本及维护管理成本。
下面对本申请提供的一种DCS系统实施例进行介绍，该DCS系统包括现场设备和DCS主控制器，还包括如上文所述的复用AI通道和DI通道的IO模块；其中，所述IO模块用于采集所述现场设备的AI信号和/或DI信号，并将所述AI信号和/或DI信号传输至所述DCS主控制器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种复用AI通道和DI通道的IO模块，其特征在于，包括：控制芯片、ADC芯片、采样电阻、稳压二极管、限流电阻；其中，所述限流电阻与信号输入端电连接；所述稳压二极管的负极与所述限流电阻电连接，所述稳压二极管的正极接地；所述采样电阻、所述ADC芯片均与所述稳压二极管并联；所述控制芯片一端与所述ADC芯片电连接，另一端接地；
当所述信号输入端输入模拟量电流信号或者数字量电压信号时，所述ADC芯片采集所述采样电阻上的电压信号，并对所述电压信号进行量化编码，得到数字编码；所述控制芯片用于根据所述数字编码所落入的码值范围，确定当前通道输入信号类型为AI或DI，并生成相应的通道数据帧以传输至DCS主控制器。
2.如权利要求1所述的IO模块，其特征在于，所述控制芯片用于：若所述数字编码落入第一码值范围或第二码值范围，则确定当前通道输入信号类型为DI；若所述数字编码落入第三码值范围，则确定当前通道输入信号类型为AI；
其中，所述第一码值范围为根据被击穿的稳压二极管的钳位电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第二码值范围为根据未被击穿的稳压二极管的电压值和所述ADC芯片的位数确定的，所述第三码值范围为根据所述模拟量电流信号的电流值范围和所述ADC芯片的位数确定的。
3.如权利要求2所述的IO模块，其特征在于，所述ADC芯片的位数为13。
4.如权利要求2所述的IO模块，其特征在于，所述通道数据帧包括AI数据、DI数据和通道信号类型数据。
5.如权利要求4所述的IO模块，其特征在于，所述控制芯片用于：
若所述数字编码落入第一码值范围，则确定当前通道输入信号类型为DI，将高电平标志数据作为DI数据放入所述通道数据帧中，并将DI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中；
若所述数字编码落入第二码值范围内，则确定当前通道输入信号类型为DI，将低电平标志数据作为DI数据放入所述通道数据帧中，并将DI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中；
若所述数字编码落入第三码值范围内，则确定当前通道输入信号类型为AI，将所述数字编码对应的模拟量作为AI数据放入所述通道数据帧中，并将AI标志数据作为通道信号类型数据放入所述通道数据帧中。
6.如权利要求1所述的IO模块，其特征在于，还包括：基准电压源，所述基准电压源与所述ADC芯片电连接。
7.如权利要求6所述的IO模块，其特征在于，所述基准电压源的基准电压为2.5V。
8.一种DCS系统，其特征在于，包括现场设备和DCS主控制器，还包括如权利要求1-7任意一项所述的复用AI通道和DI通道的IO模块；其中，所述IO模块用于采集所述现场设备的AI信号和/或DI信号，并将所述AI信号和/或DI信号传输至所述DCS主控制器。
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