CN111045361A - 程控npn_pnp切换输入电路和电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了程控NPN‑PNP切换输入电路和电路板，与现有技术相比，利用反相器的特性确保同一个常态时刻只有高边或低边导通，避免常态的共态导通，结合双向发光二极管双向导通的特性，可进一步简化电路结构，进一步减少IO口的占用率。

Description

程控NPN_PNP切换输入电路和电路板

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体涉及一种程控NPN_PNP切换输入电路和电路板。

背景技术

随着搬运机器人技术的大力发展和广泛应用，各种AGV外接设备得到广泛应用。大部分的AGV外接设备都设有数字输出端，且数字输出端分为NPN输出模式和PNP输出模式的，并且输出模式随着外接设备选型或升级而改变。这样，就给主控设备与AGV外接设备之间的连接带来麻烦，比如外接设备由原来NPN输出模式变成PNP输出模式，那么就会导致原先支持PNP输出的主控输入端不再适用。为解决以上问题，现有的主控设备通过AGV主控与外接设备之间增设继电器或增加I0口的方式解决，但是，增加继电器中转的方案会导致电路的器件成本高，且电路结构复杂、庞大，难以满足机器人电路设备的小型化、高密度化的要求。采用增加IO口的方式，就需要通过更换MCU，新增的MCU对应每个AGV外接设备增加了2个IO口，用软件错开，避免共态导通，通道数一多，占用IO口太多，且如果出现程序跑飞的情况，电路的各传输信号易出现错乱。

发明内容

本发明的第一个发明目的在于提供一种程控NPN_PNP切换输入电路，本发明的程控NPN_PNP切换输入电路可用于AGV外接设备与主控设备之间的数据传输中，其可降低I0口的占用率、简化电路结构，并可有效防止出现共态导通的现象。

为实现以上发明目的，本发明采取以下技术方案：

程控NPN-PNP切换输入电路，包括MCU和数据传输电路；所述MCU包括数据接收端口和程控切换端口，所述数据接收端口用于接收AGV外接设备的信号，所述程控切换端口用于输出高电平信号或低电平信号；所述数据传输电路包括光电传感输入回路和光电传感输出回路，所述光电传感输出回路与所述数据接收端口电连接，所述光电传感输入回路驱动光电传感输出回路向MCU传输AGV外接设备的信号；所述光电传感输入回路包括双向发光二极管、高边开关电路和低边开关电路，所述高边开关电路、低边开关电路均包括电平输入端、电平输出端和电源连接端，且两电平输入端均与MCU的程控切换端口电连接，两电平输出端均与发光二极管的一端电连接,所述发光二极管的另一端用于与AGV外接设备电连接，所述高边开关电路的电平输入端包括反相器，所述反相器的输入端与低边开关电路的电平输入端并联，所述高边开关的电源连接端用于与外部正极电源电连接，所述低边开关的电源连接端接地。

本发明的NPN-PNP切换输入电路，通过设置高边开关电路、低边开关电路，且高边开关电路、低边开关电路的电平输入端均与程控切换端口电连接，电平输出端均与双向发光二极管的同一端电连接，而双向发光二极管的另一端与AGV外接设备电连接，从而组成两组数据输入电路，第一数据输入电路由外部正极电源、高边开关电路、双向发光二极管、AGV外接设备依次串联形成，第二数据输入电路由AGV外接设备、双向发光二极管、低边开关电路依次串联形成。当AGV外接设备端口为NPN型时，MCU通过程控切换端口输出高电平，从而使低边开关导通、高边开关截止，从而使第二数据输入电路导通驱动光电传感输出回路向MCU发出信号；当AGV外接设备端口为PNP型时，MCU通过程控切换端口输出低电平，从而使高边开关导通、低边开关截止，从而使第一数据输入电路导通驱动光电传感输出回路向MCU发出信号。由于高边开关电路的输入端设有反相器，利用反相器的特性确保同一个常态时刻只有高边或低边导通，避免常态的共态导通，结合双向发光二极管双向导通的特性，可进一步简化电路结构，进一步减少IO口的占用率。与现有技术相比，本发明的NPN-PNP切换输入电路可有效简化电路结构、降低IO口占用率，且可防止电路出现共态导通的现象。需要说明的是，本发明所指的双向发光二极管为由两个发光二极管通过反向并接组合而成的二极管。

优选的，所述高边开关电路包括第一数字三极管，所述低边开关电路包括第二数字三极管，所述第一数字三极管包括PNP型三极管，所述第二数字三极管包括第二NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极与反相器的输出端电连接，所述PNP型三极管的发射极用于与高电平电源电连接，其集电极与双向发光二极管的另一端电连接，以此形成所述高边开关电路，所述第二NPN型三极管的基极与反相器的输入端并联，其发射极接地，集电极与PNP型三极管的集电极并联，以此形成所述低边开关电路。本方案中，PNP型三极管、第二NPN型三极管分别起高边开关、低边开关的作用由于本方案应用了数字三极管作为高边开关、低边开关，利用数字三极管内部组装电阻器的封装结构，可进一步简化高边开关电路、低边开关电路的电路结构。

为驱动上述PNP型三极管，所述高边开关电路包括下拉电阻，所述第一数字三极管包括第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的集电极与第一PNP型三极管的基极相连接，且所述第一NPN型三极管的基极与反相器的输出端电连接，从而其发射极接地，所述下拉电阻串联于第一NPN型三极管的发射极与地之间。本方案利用光电耦合器输入与输出电路间互相隔离，且电信号在传输时具有单向性的特性,提升数据传输电路的抗电磁波干扰能力。

优选的，所述光电传感电路包括光电耦合器，所述光电耦合器的输入端包括双向发光二极管，所述双向发光二极管的一端与AGV外接设备电连接以接入外部信号，所述光电耦合器的输出端与数据接收端口电连接以将外部信号传输到MCU。

优选的，所述光电耦合器的输出端为NPN型的光敏三极管，所述光敏三极管的集电极分别与外部电源、数据接收端口电连接，发射极接地。

优选的，所述光电传感输出回路包括上拉电阻，所述上拉电阻的输入端与外部正极电源电连接，所述上拉电阻的输出端与光敏三极管的集电极电连接。

优选的，包括述第一限流电阻和第二限流电阻，所述第一限流电阻串联于PNP型三极管的集电极与双向发光二极管之间，所述第二限流电阻串联于第二NPN型三极管的集电极与双向发光二极管之间。

优选的，还包括RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电容和第三限流电阻，所述第三限流电阻串接于光敏三极管的集电极与数据接收端口之间，所述滤波电容的输入端与光敏三极管的集电极并联，输出端与光敏三极管发射极并联。

优选的，所述数据传输电路设有4路，所述第二数字三极管为双NPN型三极管，所述每两路数据传输电路的低边开关电路共用一个第二数字三极管。

本发明的第二个发明目的在于提供一种电路板，所述电路板上设有上述方案的程控NPN-PNP切换输入电路。本发明的电路板由于应用了上述的程控NPN-PNP切换输入电路，因此具有上述电路的所有优点。

附图说明

图1是本发明的原理图1；

图2是本发明的原理图2；

图3是数据传输电路的电流走向图1；

图4是数据传输电路的电流走向图2；

图5是数据传输电路的整体电路布置图。

具体实施方式

以下根据附图，进一步的说明本发明的技术方案：

如图1-5所示，本发明的程控NPN-PNP切换输入电路，包括MCU和数据传输电路；所述MCU包括数据接收端口IO1和程控切换端口IO5，所述数据接收端口IO1用于接收AGV外接设备的信号，所述程控切换端口IO5用于输出高电平信号或低电平信号；所述数据传输电路包括光电传感输入回路和光电传感输出回路，所述光电传感输出回路与所述数据接收端口IO1电连接，所述光电传感输入回路驱动光电传感输出回路向MCU传输AGV外接设备的信号；所述光电传感输入回路包括双向发光二极管、高边开关电路和低边开关电路，所述高边开关电路、低边开关电路均包括电平输入端、电平输出端和电源连接端，且两电平输入端均与MCU的程控切换端口IO5电连接，两电平输出端均与发光二极管的一端电连接,所述发光二极管的另一端用于与AGV外接设备电连接，所述高边开关电路的电平输入端包括反相器U2A，所述反相器U2A的输入端与低边开关电路的电平输入端并联，所述高边开关的电源连接端用于与24V电源电连接，所述低边开关的电源连接端接地。

上述光电传感电路包括光电耦合器U3，所述光电耦合器U3的输入端包括双向发光二极管，所述双向发光二极管的一端与AGV外接设备电连接以接入外部信号，所述光电耦合器U3的输出端与数据接收端口IO1电连接以将外部信号传输到MCU；所述高边开关电路包括第一数字三极管Q1，所述低边开关电路包括第二数字三极管Q2，所述第一数字三极管Q1包括PNP型三极管，所述第二数字三极管Q2包括第二NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极与反相器U2A的输出端电连接，所述PNP型三极管的发射极用于与高电平电源电连接，其集电极与双向发光二极管的另一端电连接，以此形成所述高边开关电路，所述第二NPN型三极管的基极与反相器U2A的输入端并联，其发射极接地，集电极与PNP型三极管的集电极并联，以此形成所述低边开关电路。本方案中，PNP型三极管、第二NPN型三极管分别起高边开关、低边开关的作用，由于本方案应用了数字三极管作为高边开关、低边开关，利用数字三极管内部组装电阻器的封装结构，可进一步简化高边开关电路、低边开关电路的电路结构。

为驱动上述PNP型三极管，所述高边开关电路包括下拉电阻R3，所述第一数字三极管Q1包括第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的集电极与第一PNP型三极管的基极相连接，且所述第一NPN型三极管的基极与反相器U2A的输出端电连接，从而其发射极接地，所述下拉电阻R3串联于第一NPN型三极管的发射极与地之间。MCU还未工作的不确定状态时，由于下拉电阻R3将第一NPN三极管的发射极嵌于低电位，此时反相器U2A的输出端为高电平，高边开关电路导通，接入24V电源，使双向发光二极管与高边开关电路连接的一端为高电平，此时，AGV外接设备输出低电平可使数据传输电路导通，即支持NPN输出的AGV外接设备。

以下结合附图2、3说明光电传感输入回路的工作原理：

如图3所示，当AGV外接设备的输出端CD11为PNP模式时，AGV外接设备的输出端CD11输出高电平，此时，MCU通过程控切换端口IO5向数据传输电路输出高电平信号，由于第二NPN三极管的集电极、基极为高电平，程控切换端口IO5的电流经过第二NPN三极管流向大地，AGV外接设备的电流依次双向发光二极管、第二NPN三极管流向大地，因此，低边开关电路导通。

此时，高电平信号经过反相器U2A转变为低电平信号，因此，第一NPN三极管的基极为低电平，低边开关电路截止。

如图4所示，当AGV外接设备的输出端CD11为NPN模式时，AGV外接设备的输出端CD11输出低电平，此时，MCU通过程控切换端口IO5向数据传输电路输出低电平信号，低电平信号经过反相器U2A转变为高电平信号，程控切换端口IO5的电流经过第一NPN三极管流向大地，24V电源的电流依次经过PNP三极管、双向发光二极管流向外接设备，从而使高边开关电路导通；

此时，由于第二NPN三极管的集电极、基极为低电平，因此，低边开关电路截止。

上述光电耦合器U3的输出端为NPN型的光敏三极管，所述光敏三极管的集电极分别与外部电源、数据接收端口IO1电连接，发射极接地。

上述光电传感输出回路包括上拉电阻R1，所述上拉电阻R1的输入端与3.3V电源电连接，所述上拉电阻R1的输出端与光敏三极管的集电极电连接。

包括述第一限流电阻R5和第二限流电阻R6，所述第一限流电阻R5串联于PNP型三极管的集电极与双向发光二极管之间，所述第二限流电阻R6串联于第二NPN型三极管的集电极与双向发光二极管之间。

还包括RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电容(图上未示)和第三限流电阻R2，所述第三限流电阻R2串接于光敏三极管的集电极与数据接收端口IO1之间，所述滤波电容的输入端与光敏三极管的集电极并联，输出端与光敏三极管发射极并联。

上述数据传输电路设有4路，所述第二数字三极管Q2为双NPN型三极管，所述每两路数据传输电路的低边开关电路共用一个第二数字三极管Q2。

与现有技术相比，本发明的NPN-PNP切换输入电路由于高边开关电路的输入端设有反相器U2A，利用反相器U2A的特性确保同一个常态时刻只有高边或低边导通，防止电路出现共态导通的现象并可有效简化电路结构、节省I0口，结合双向发光二极管双向导通的特性，可进一步简化电路结构，进一步减少IO口的占用率。

本发明还公开了一种电路板，所述电路板上设有上述实施例的程控NPN-PNP切换输入电路。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于，包括：MCU和数据传输电路；

所述MCU包括数据接收端口和程控切换端口，所述数据接收端口用于接收AGV外接设备的信号，所述程控切换端口用于输出高电平信号或低电平信号；

所述数据传输电路包括光电传感输入回路和光电传感输出回路，所述光电传感输出回路与所述数据接收端口电连接，所述光电传感输入回路驱动所述光电传感输出回路向MCU传输AGV外接设备的信号；

所述光电传感输入回路包括双向发光二极管、高边开关电路和低边开关电路，所述高边开关电路、低边开关电路均包括电平输入端、电平输出端和电源连接端，且两电平输入端均与MCU的程控切换端口电连接，两电平输出端均与发光二极管的同一端电连接,所述发光二极管的另一端用于与AGV外接设备电连接，所述高边开关电路的电平输入端设有反相器，所述反相器的输入端与低边开关电路的电平输入端并联，所述高边开关的电源连接端用于与外部正极电源电连接，所述低边开关的电源连接端接地。

2.根据权利要求1所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：所述高边开关电路包括第一数字三极管，所述低边开关电路包括第二数字三极管，所述第一数字三极管包括PNP型三极管，所述第二数字三极管包括第二NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极与反相器的输出端电连接，所述PNP型三极管的发射极用于与外部正极电源电连接，其集电极与双向发光二极管的另一端电连接，以此形成所述高边开关电路，所述第二NPN型三极管的基极与反相器的输入端并联，其发射极接地，集电极与PNP型三极管的集电极并联，以此形成所述低边开关电路。

3.根据权利要求2所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：所述高边开关电路包括下拉电阻，所述第一数字三极管包括第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的集电极与第一PNP型三极管的基极相连接，且所述第一NPN型三极管的基极与反相器的输出端电连接，从而其发射极接地，所述下拉电阻串联于第一NPN型三极管的发射极与地之间。

4.根据权利要求1所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：还包括光电耦合器，所述光电耦合器的输入端为所述双向发光二极管，所述光电耦合器的输出端与数据接收端口电连接以将外部信号传输到MCU。

5.根据权利要求2或4所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：所述光电耦合器的输出端为NPN型的光敏三极管，所述光敏三极管的集电极分别与外部正极电源、数据接收端口电连接，发射极接地。

6.根据权利要求5所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：所述光电传感输出回路包括上拉电阻，所述上拉电阻的输入端与外部正极电源电连接，所述上拉电阻的输出端与光敏三极管的集电极电连接。

7.根据权利要求3所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：包括述第一限流电阻和第二限流电阻，所述第一限流电阻串联于PNP型三极管的集电极与双向发光二极管之间，所述第二限流电阻串联于第二NPN型三极管的集电极与双向发光二极管之间。

8.根据权利要求4所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：还包括RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电容和第三限流电阻，所述第三限流电阻串接于光敏三极管的集电极与数据接收端口之间，所述滤波电容的输入端与光敏三极管的集电极并联，输出端与光敏三极管发射极并联。

9.根据权利要求2所述的程控NPN-PNP切换输入电路，其特征在于：所述数据传输电路设有4路，所述第二数字三极管为双NPN型三极管，所述每两路数据传输电路的低边开关电路共用一个第二数字三极管。

10.电路板，其特征在于：所述电路板上设有根据权利要求1-9所述的程控NPN-PNP切换输入电路。

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