CN111103862A - 一种带自诊断的数字量采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带自诊断的数字量采集电路，包括：自诊断模块、采集控制模块、光耦信号采集模块和判断模块，通过电路自身模拟外设环境输入进行自诊断，实现了采样电路状态信息的反馈，可以及时得到采样电路的健康状态，当需要对采集通道进行自诊断时，只需要控制自诊断模块，产生自诊断检测电压，然后通过控制第二控制信号的通断，对比光耦输出信号的输出状态，即可确认采集通道的状态，本发明的电路结构与通道诊断逻辑相对简单，容易实现，硬件成本低。

Description

一种带自诊断的数字量采集电路

技术领域

本发明涉及信号技术领域，尤其涉及一种带自诊断的数字量采集电路。

背景技术

在轨道交通领域，各级系统需要对数字量信号进行采集，数字量信号的状态对整个系统的运行与安全具有重要影响，对这些数字量信号的采集与记录就显得尤为重要。在相关技术中，可能因控制电路或采集电路发生故障导致采集通道的失效，系统无法获取准确的数字量信号状态，造成采样数据的异常。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种带自诊断的数字量采集电路，通过比较控制信号的状态与光耦输出信号的状态，诊断采集通道是否正常。

为达到上述目的，本发明提供了一种带自诊断的数字量采集电路，包括：自诊断模块、采集控制模块、光耦信号采集模块和判断模块，其中，

所述自诊断模块用于接收第一控制信号，并根据所述第一控制信号，生成自诊断检测电压，并将所述自诊断检测电压输出至所述采集控制模块；

所述采集控制模块用于接收第二控制信号，并根据所述第二控制信号和所述自诊断检测电压，生成数字量输出信号，所述数字量输出信号输出至所述光耦信号采集模块；

所述光耦信号采集模块用于根据所述数字量输出信号，生成光耦输出信号，并将所述光耦输出信号输出至所述判断模块；

所述判断模块用于接收所述第二控制信号和所述光耦输出信号，并根据所述第二控制信号和所述光耦输出信号，判断所述数字量采集电路的采集通道是否正常。

本发明当需要对采集通道进行自诊断时，控制自诊断模块，产生自诊断检测电压，然后通过对比第二控制信号和光耦输出信号的状态，即可确认采集通道的状态，避免采集数据异常，本发明的电路结构与通道诊断逻辑相对简单，容易实现，硬件成本低。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的带自诊断的数字量采集电路的示意图;

图2是根据本发明实施例提供的自诊断模块的电路图；

图3是根据本发明实施例提供的采集控制模块的电路图；

图4是根据本发明实施例提供的光耦信号采集模块的电路图；

图5是根据本发明实施例提供的带自诊断的数字量采集电路的时序图1；

图6是根据本发明实施例提供的带自诊断的数字量采集电路的时序图2。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是根据本发明提供的带自诊断的数字量采集电路的示意图，在本实施例中，带自诊断的数字量采集电路100包括：自诊断模块101、采集控制模块102、光耦信号采集模块103和判断模块104，其中，

自诊断模块101用于接收第一控制信号CTRL1，并根据第一控制信号CTRL1，生成自诊断检测电压IOVCC_CONNECT，并将自诊断检测电压IOVCC_CONNECT输出至采集控制模块102；

采集控制模块102用于接收第二控制信号CTRL2，并根据第二控制信号CTRL2和自诊断检测电压IOVCC_CONNECT，生成数字量输出信号DI_A，数字量输出信号DI_A输出至光耦信号采集模块103；

光耦信号采集模块103用于根据数字量输出信号DI_A，生成光耦输出信号DECT_IO，并将光耦输出信号DECT_IO输出至判断模块104；

判断模块104用于接收第二控制信号CTRL2和光耦输出信号DECT_IO，并根据第二控制信号CTRL2和光耦输出信号DECT_IO，判断数字量采集电路的采集通道是否正常。

具体的，采集通道包括采集控制模块102和光耦信号采集模块103。

根据本发明的一实施例，如图2所示，自诊断模块101包括：第一电阻R1、第一三极管Q1、第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二三极管Q2、第四电阻R4、第一二极管D1。

其中，第一电阻R1一端接IOGND，另一端接第一三极管Q1的发射极，第一三极管Q1的基极接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端接第三电阻R3，第三电阻R3另一端接IOGND，第一三极管Q1基极还接有第一电容C1，第一电容C1的另一端接IOGND，第二电阻R2与第三电阻R3的公共端接有自诊断控制信号CTRL1，第一三极管Q1的集电极接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接第二三极管Q2的发射极，第二三极管Q2的发射极同时接电源IOVCC，第二三极管Q2的基极接第一三极管Q1的集电极，第二三极管Q2的集电极接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接自诊断检测电压IOVCC_CONNECT。

具体的，第一三极管Q1为NPN型三极管，第二三极管Q2为PNP型三极管。

根据本发明的一实施例，如图3所示，采集控制模块102包括：第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2、第二二极管D2、第三二极管D3。

其中，第五电阻R5的一端接第三三极管Q3的发射极，第五电阻R5的另一端接IOGND，第三三极管Q3的基极接第六电阻R6，第六电阻R6另一端接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端接IOGND，第三三极管Q3的基极还接第二电容C2，第二电容C2的另一端接IOGND，第六电阻R6和第七电阻R7的公共端接数字量采集控制信号CTRL2，第三三极管Q3的集电极接第八电阻R8，第八电阻R8的另一端接第四三极管Q4的发射极，第四三极管Q4的基极接第三三极管Q3的集电极，第四三极管Q4的集电极接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极接数字量输出信号DI_A，第四三极管Q4的发射极连接第三二极管D3的负极，第三二极管D3的正极接数字量输入信号DI，第四三极管Q4的发射极还连接自诊断检测电压IOVCC_CONNECT。

当采集数字量信号DI时，数字量信号DI依次通过所述第三二极管D3、第四三极管Q4和第二二极管D2并输出。

具体的，第三三极管Q3为NPN型三极管，第四三极管Q4为PNP型三极管。

根据本发明的一实施例，如图4所示，光耦信号采集模块103包括分压单元103b、光耦比较单元103a和输出单元103c。

其中，分压单元103b包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第三电容C3和第四电容C4，具体地，第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11依次串联，第九电阻R9另一端接数字量输出信号DI_A，第十一电阻R11另一端接地，第三电容C3与第十一电阻R11并联，第第十一电阻R11、第三电容C3和第十电阻R10的交汇点与第十二电阻R12一端相连，第十二电阻R12另一端与第四电容C4一端相连，第四电容C4另一端接IOGND，第十二电阻R12与第四电容C4相连一端连接光耦比较单元103a。

光耦比较单元103a包括：第一电压比较器A1、第二电压比较器A2、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第一光耦N1和第二光耦N2，其中，第一电压比较器A1和第二电压比较器A2的同向输入端与第十二电阻R12和第四电容C4的公共端连接，第一电压比较器A1的反向输入端接第一参考电压VREF_UP，第一电压比较器A1的同向输入端与输出端之间并联第十三电阻R13，第一电压比较器A1的输出端与第十四电阻R14一端相连，第十四电阻R14另一端接第一电压ISO_5V，同时第一电压比较器A1的输出端与第十五电阻R15一端相连，第十五电阻R15另一端与第一光耦N1中的二极管LED1的正极相连，二极管LED1的负极接IOGND，第一光耦N1中的三极管VT1的集电极接第二电压CH1_3.3V+，三极管VT1的发射极与输出单元103c相连，第二电压比较器A2的反向输入端接第二参考电压VREF_DOWN，第二电压比较器A2的同向输入端与输出端之间并联第十八电阻R18，第二电压比较器A2的输出端与第十九电阻R19一端相连，第十九电阻R19另一端接第一电压ISO_5V，同时第二电压比较器A2的输出端与第二十电阻R20一端相连，第二十电阻R20的另一端与第二光耦N2中的二极管LED2的正极相连，二极管LED2的负极接IOGND，第二光耦N2中的三极管VT2的集电极接第二电压CH1_3.3V+，三极管VT2的发射极与所述输出单元103c相连。

当然，光耦比较单元103a中还可只包括第一比较器A1、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、和第一光耦N1,连接方式如上所述，此处不再描述。

输出单元103c包括：第十六电阻R16，第十七电阻R17、第二十一电阻R21和第二十二电阻R22，其中，第十六电阻R16、第十七电阻R17分别与第一光耦N1的三极管的发射极相连，第十六电阻R16另一端输出第一光耦输出信号DECT1_IO，第十七电阻R17另一端接CH1_GND，第二十一电阻R21、第二十二电阻R22与第二光耦N2的三极管的发射极相连，第二十一电阻R21另一端输出第二光耦输出信号DECT2_IO，第二十二电阻R22另一端接CH1_GND。

当然，输出单元103c还可只包括第十六电阻R16和第十七电阻R17，具体连接方式如上所述，此处不再描述。

具体的，在本实施例中，判断模块103c包括MCU（Micro Controller Unit），MCU接收光耦信号DECT_IO和第二控制信号CTRL2。

如图5所示，本实施例中未进行自诊断时的数字量采集电路的时序图，当无需自诊断时，第一控制信号CTRL1为低电平0V，此时第一三极管Q1和第二三极管Q2处于截止状态，自诊断检测电压IOVCC_CONNECT为0V，当需要采集数字量信号时，第二控制信号CTRL2输出高电平。如果数字量输入信号DI输入为110V，则第三三极管Q3和第四三极管Q4处于导通状态，数字量输出信号DI_A为高电平，数字量输出信号DI_A经过第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11的分压后，在第一电压比较器A1与第二电压比较器A2的同向输入端输入为高电平。第一电压比较器A1和第二电压比较器A2分别与第一参考电压VREF_UP、第二参考电压VREF_DOWN进行比较，比较后分别在第一电压比较器A1和第二电压比较器A2的输出端输出高电平。此时，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2两端的电压大于其导通电压，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2处于导通状态，第一光耦N1中的三极管VT1和第二光耦N2中的三极管VT2也导通，发给MCU的第一光耦输出信号DECT1_IO和第二光耦输出信号DECT_IO为高电平3.3V；如果数字量输入信号DI输入0V，则第三三极管Q3处于截止状态，数字量输出信号DI_A为低电平0V，因此在第一电压比较器A1与第二电压比较器A2的同向输入端输入为低电平0V。第一电压比较器A1和第二电压比较器A2分别与第一参考电压VREF_UP、第二参考电压VREF_DOWN进行比较，比较后分别在第一电压比较器A1和第二电压比较器A2的输出端输出低电平0V。此时，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2两端的电压为0V，小于开启电压，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2不导通，第一光耦N1中的三极管VT1和第二光耦N2中的三极管VT2也不导通，发给MCU的第一光耦输出信号DECT1_IO和第二光耦输出信号DECT_IO为低电平0V。

如图5所示，本实施例中进行自诊断时的数字量采集电路的时序图，当需要进行自诊断时，第一控制信号CTRL1为高电平，此时第一三极管Q1和第二三极管Q2处于导通状态，自诊断检测电压IOVCC_CONNECT为高电平，此时，不论数字量输入信号DI是高电平还是低电平，第四三极管Q4的发射极处都是高电平110V。当第二控制信号CTRL2为高电平时，此时第三三极管Q3和第四三极管Q4处于导通状态，数字量输出信号DI_A为高电平，数字量输出信号DI_A经过第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11分压后，在第一比较器A1和第二比较器A2的同向输入端输入为高电平。第一电压比较器A1和第二电压比较器A2分别与第一参考电压VREF_UP和第二参考电压VREF_DOWN进行比较，比较后分别在第一电压比较器A1和第二电压比较器A2的输出端输出高电平，此时，第一光耦N1中的二极管LED1与第二光耦N2中的二极管LED2两端的电压大于其导通电压，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2处于导通状态，第一光耦N1中的三极管VT1和第二光耦N2中的三极管VT2也导通，发给MCU的第一光耦输出信号DECT1_IO和第二光耦输出信号DECT2_IO为高电平3.3V；当第二控制信号CTRL2为低电平时，此时第三三极管Q3和第四三极管Q4处于截止状态，数字量输出信号DI_A为低电平，数字量输出信号DI_A经过第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11分压后，在第一比较器A1和第二比较器A2的同向输入端输入为低电平。第一电压比较器A1和第二电压比较器A2分别与第一参考电压VREF_UP和第二参考电压VREF_DOWN进行比较，比较后分别在第一电压比较器A1和第二电压比较器A2的输出端输出低电平，此时，第一光耦N1中的二极管LED1与第二光耦N2中的二极管LED2两端的电压为低电平0V，第一光耦N1中的二极管LED1和第二光耦N2中的二极管LED2不导通，第一光耦N1中的三极管VT1和第二光耦N2中的三极管VT2也不导通，发给MCU的第一光耦输出信号DECT1_IO和第二光耦输出信号DECT2_IO为低电平0V。

综上所述，当需要进行自诊断时，首先通过第一控制信号CTRL1生成自诊断检测电压IOVCC_CONNECT，然后通过对控制第二控制信号CTRL2、第一光耦输出信号DECT1_IO、和第二光耦输出信号DECT2_IO的状态，判断采集通道是否正常，若第二控制信号CTRL2、第一光耦输出信号DECT1_IO和第二光耦输出信号DECT2_IO同为高电平或者同为低电平，则采集通道正常；否则，采集通道不正常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，包括：自诊断模块、采集控制模块、光耦信号采集模块和判断模块，其中，

所述自诊断模块用于接收第一控制信号，并根据所述第一控制信号，生成自诊断检测电压，并将所述自诊断检测电压输出至所述采集控制模块；

所述采集控制模块用于接收第二控制信号，并根据所述第二控制信号和所述自诊断检测电压，生成数字量输出信号，并将所述数字量输出信号输出至所述光耦信号采集模块；

所述光耦信号采集模块用于根据所述数字量输出信号，生成光耦输出信号，并将所述光耦输出信号输出至所述判断模块；

所述判断模块用于接收所述第二控制信号和所述光耦输出信号，并根据所述第二控制信号和所述光耦输出信号，判断所述数字量采集电路的采集通道是否正常。

2.如权利要求1所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述自诊断模块包括：第一三极管、第二三极管和第一二极管，所述第一三极管的基极接收第一控制信号，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的基极连接，所述第二三极管的发射极接电源，所述第二三极管的集电极接所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极输出自诊断检测电压。

3.如权利要求2所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述自诊断模块还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容，所述第一三极管的基极通过所述第二电阻接收第一控制信号，所述第一三极管的发射极通过所述第一电阻接地，所述第一电容和所述第三电阻串联之后并联在所述第二电阻的两端，所述第一电容和所述第三电阻串联的公共端接地，所述第一三极管的集电极通过所述第四电阻连接所述第二三极管的发射极。

4.如权利要求1所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述采集控制模块包括：第三三极管、第四三极管和第二二极管，所述第三三极管的基极接收第二控制信号，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管的集电极与所述第四三极管的基极连接，所述第四三极管的发射极接收所述自诊断检测电压，所述第四三极管的集电极接所述第二二极管的正极，所述第二二极管的负极输出数字量输出信号。

5.如权利要求4所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述采集控制模块还包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容，所述第三三极管的基极通过所述第六电阻接收所述第二控制信号，所述第三三极管的发射极通过所述第五电阻接地，所述第二电容和所述第七电阻串联之后并联在所述第六电阻的两端，所述第七电阻和第二电容串联的公共端接地，所述第三三极管的集电极通过所述第八电阻连接所述第四三极管的发射极。

6.如权利要求4所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述采集控制模块还包括第三二极管，所述第三二极管的正极采集数字量输入信号，负极接所述第四三极管的发射极。

7.如权利要求1所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述光耦信号采集模块包括：分压单元、光耦比较单元和输出单元，其中，

所述分压单元接收所述数字量输出信号，所述数字量输出信号经所述分压单元分压后输出至所述光耦比较单元，再经所述光耦比较单元处理后输出至所述输出单元，所述输出单元输出所述光耦输出信号。

8.如权利要求7所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述分压单元包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三电容和第四电容，所述第九电阻、第十电阻和第十一电阻依次串联，所述第三电容与第十一电阻并联，所述第九电阻另一端接收所述数字量输出信号，所述第十一电阻另一端接地，所述第十一电阻、第三电容和第十电阻的交汇点与第十二电阻一端相连，所述第十二电阻另一端与所述第四电容一端相连，第四电容另一端接地，所述第十二电阻与所述第四电容公共端连接所述光耦比较单元。

9.如权利要求8所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述光耦比较单元包括：第一电压比较器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第一光耦，其中，所述第一电压比较器的同向输入端与所述第十二电阻和所述第四电容公共端连接，所述第一电压比较器的反向输入端接第一参考电压，所述第一电压比较器的同向输入端与输出端之间并联所述第十三电阻，所述第一电压比较器的输出端与所述第十四电阻一端相连，所述第十四电阻另一端接第一电压，同时所述第一电压比较器的输出端与所述第十五电阻一端相连，所述第十五电阻另一端与所述第一光耦中的二极管的正极相连，所述第一光耦中的二极管的负极接地，所述第一光耦中的三极管的集电极接第二电压，第一光耦中的三极管的发射极与所述输出单元相连。

10.如权利要求9所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述输出单元包括：第十六电阻和第十七电阻，其中，所述第十六电阻一端和所述第十七电阻一端与所述第一光耦的三极管的发射极相连，所述第十六电阻另一端输出第一光耦输出信号，所述第十七电阻另一端接地。

11.如权利要求9所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述光耦比较单元还包括：第二电压比较器、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻和第二光耦，其中，所述第二电压比较器的同向输入端与所述第十二电阻和所述第四电容公共端连接，所述第二电压比较器的反向输入端接第二参考电压，所述第二电压比较器的同向输入端与输出端之间并联所述第十八电阻，所述第二电压比较器的输出端与所述第十九电阻一端相连，所述第十九电阻另一端接第一电压，同时所述第二电压比较器的输出端与所述第二十电阻一端相连，所述第二十电阻的另一端与所述第二光耦中的二极管正极相连，二极管负极接地，所述第二光耦中的三极管的集电极接第二电压，三极管的发射极与所述输出单元相连。

12.如权利要求11所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，所述输出单元还包括：第二十一电阻和第二十二电阻，其中，所述第二十一电阻、第二十二电阻与所述第二光耦的三极管的发射极相连，所述第二十一电阻另一端输出第二光耦输出信号，所述第二十二电阻另一端接地。

13.如权利要求1所述的带自诊断的数字量采集电路，其特征在于，进行自诊断时，若所述第二控制信号与所述光耦输出信号同为高电平或者同为低电平，则采集通道正常；否则，采集通道不正常。

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