CN111190047A - 一种电流采集诊断电路及其失效诊断方法 - Google Patents

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CN111190047A CN201910965193.7A CN201910965193A CN111190047A CN 111190047 A CN111190047 A CN 111190047A CN 201910965193 A CN201910965193 A CN 201910965193A CN 111190047 A CN111190047 A CN 111190047A
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Abstract

本发明提出一种电流采集诊断电路，包括电流信号输入端CH1、采样单元、信号放大单元和模拟信号数字信号转换器ADC，其特征是，所述信号放大单元包括若干并联的信号调理运算放大器，所述信号放大单元还并接有电流源，所述电流信号输入端CH1接有检测单元，检测单元接于模拟信号数字信号转换器ADC。还提出对此电路的失效诊断方法，包括对开关SW1、开关SW18和开关SW3进行失效诊断；对模拟信号数据信号转换器ADC、信号调理运放OP1和信号调理运放OP2进行失效诊断；对电源I1和开关SW17进行失效诊断；对采样电阻R1和采样电阻R9进行失效诊断。本发明具有较高的自我诊断功能，能够检测电流采集电路中所有器件的失效，诊断覆盖率高。

Description

一种电流采集诊断电路及其失效诊断方法
技术领域
本发明涉及电流采集技术领域，尤其是一种电流采集诊断电路及其失效诊断方法。
背景技术
工业现场的电流信号采集系统，是DCS、SIS等工业控制系统中最主要的一个输入组件其中电流信号采集电路会涉及器件失效，特别在失效保护的装置中、例如在自动化技术中，可靠的器件失效检测具有重要的作用。一方面必须确保过程的安全性，另一方面必须确保例如进行过程操作的人员的身体和生命的安全。
而目前现有的电流信号采集系统对电流信号采集电路的诊断覆盖率低、安全性低、可用性差，例如中国专利号为CN201510431715的ADC故障自动诊断方法， ADC采样参考地电压和2个独立的电压基准的电压，通过比较采样码值的方法来实现对ADC精度的检测。该专利的方法只能证明ADC采样参考地电压和2个独立的电压基准的电压准确，不能诊断ADC的线性度漂移等失效，例如寄存器位粘连, 导致的码值丢失，所以该方法的诊断是不完整的。此外，中国专利号为 CN201710495857的一种采样电阻漂移的诊断方法，通过串联构建第-采样电阻和第二采样电阻，获得两个采样电压，将两个采样电压输入诊断模块,进行门限比较获得结果。该专利只能证明两个电阻之间漂移偏差不超过精度，不能诊断电阻自身的漂移不超过精度。所以，该方法的诊断也是不完整的。
发明内容
本发明解决了现有技术中电流信号采集电路的诊断覆盖率低、安全性低、可用性差的问题，提出一种电流采集诊断电路及其失效诊断方法，通过电压扫描的方式来诊断ADC的每一个采样码值，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种电流采集诊断电路，包括电流信号输入端CH1、采样单元、信号放大单元和模拟信号数字信号转换器ADC，所述信号放大单元包括若干并联的信号调理运算放大器，所述信号放大单元并接有电流源，所述电流信号输入端CH1接有检测单元，检测单元接于模拟信号数字信号转换器ADC。
所述若干并联的信号调理运算放大器，包括并联的信号调理运放OP1和信号调理运放OP2，所述采集单元为采样电阻R9，所述电流源为基准电流源I1，所述检测单元为电阻R1，
采样电阻R9的一端接于信号调理运放OP1的信号输入端，采样电阻R9的另一端接地，信号调理运放OP1的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC 的电压输入端Vol1，所述信号调理运放OP1的信号输入端并联有信号调理运放 OP2和基准电流源I1，
所述电流信号输入端CH1通过开关SW3接于电阻R1的一端，电阻R1的一端还接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check1，电阻R1的另一端接地，开关SW3同时控制电阻R1和电压检测端Check1的通断，
所述采样电阻R9的一端还接于信号调理运放OP2的信号输入端，信号调理运放OP2的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol2，
所述信号调理运放OP1的信号输入端和信号调理运放OP2的信号输入端之间还接有开关SW18，
所述基准电流源I1通过开关SW17接于调理运放OP1的信号输入端。
当电流信号从电流信号输入端CH1输入时，开关SW18闭合，开关SW3断开，开关SW17断开，电流信号经过采样电阻R9后产生采样电压V1和采样电压V2，采样电压V1和采样电压V2经过信号调理运放OP1和信号调理运放OP2的处理和放大后输入模拟信号数字信号转换器ADC，模拟信号数字信号转换器ADC将采样电压V1和采样电压V2转化为数字信号，实现了对电流信号的采集。
作为优选，所述电流信号输入端CH1通过开关SW1和开关SW2与电流信号输入端CH2连接，电流信号输入端CH2和开关SW2之间并联有电阻R2，电流信号输入端CH2和电阻R2之间还设有开关SW4，电阻R2的一端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check2，电阻R2的另一端接地。
开关SW1和开关SW2负责对输入信号端进行切换选通，参照电流信号输入端 CH2的接入方式，本电流采样电路可接入多路电流信号输入端，实现多通道电流信号采集，选通的电流信号经过电阻R9产生采样电压V1和采样电压V2，采样电压V1和采样电压V2经过信号调理运放OP1和信号调理运放OP2的处理和放大后输入模拟信号数字信号转换器ADC，模拟信号数字信号转换器ADC将采样电压 V1和采样电压V2转化为数字信号，实现了对电流信号的采集。
作为优选，将所述基准电流源I1更换为基准电压源，本电路将用于电压的采集。
一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，采用上述的一种电流采集电路，包括以下诊断过程：
对开关进行失效诊断；
对信号调理运放OP1、信号调理运放OP2进行失效诊断和通过电压扫描的方式对模拟信号数据信号转换器ADC进行失效诊断；
对电源进行失效诊断；
利用基准电流动态描述的方式对采样电阻R1和采样电阻R9进行失效诊断。
通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度，通过电压扫描的方式来诊断模拟信号数字信号转换器ADC的每一个采样码值，对模拟信号数字信号转换器ADC采样功能进行完整的诊断，通过比较的方法，对信号调理云放 OP1和信号调理运放OP2失效进行诊断，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度。本发明具有较高的自我诊断功能，能够检测电流采集电路中所有器件的失效，诊断覆盖率高，诊断方法可行性高，同时电路简洁可靠，可以应用在简化电路，降低成本。
作为优选，所述对开关进行失效诊断包括对开关SW1、开关SW18和开关SW3 进行失效诊断，其过程包括正常采集诊断和自行诊断，
正常采集诊断：
S101:开关SW1闭合，开关SW3开路，开关SW17开路，开关SW18闭合；
S102:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S103:若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值为0，则开关SW1开路；
若电压检测端Check1的电压值不为0，则开关SW3短路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路；
自行诊断：
S201:开关SW1开，开关SW3闭合，开关SW17闭合，开关SW18闭合；
S202:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S203:若电压检测端Check1的电压值为0，则开关SW3开路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路；
作为优选，所述对信号调理运放OP1、信号调理运放OP2进行失效诊断和通过电压扫描的方式对模拟信号数据信号转换器ADC进行失效诊断，通过电压扫描的方式来诊断模拟信号数字信号转换器ADC的每一个采样码值，对模拟信号数字信号转换器ADC采样功能进行完整的诊断，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S303:若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0 开始到2n，每一个码值都能被正确采集到，则模拟信号数据信号转换器ADC工作正常，其中n是模拟信号数据信号转换器ADC的有效数据位数，
若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0开始到 2n，每一个码值都能被正确采集到，且码值单调变化，则信号调理运放OP1和信号调理运放OP2工作正常。
作为优选，所述对电源进行失效诊断包括对电源I1和开关SW17进行失效诊断，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S313:若模拟信号数据信号转换器ADC采样到的采样电压与所设定的标准电压存在偏差，则基准电流源I1和开关SW17失效。
作为优选，所述利用基准电流动态描述的方式对采样电阻R1和采样电阻R9 进行失效诊断，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻R9自身的漂移不超过精度，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S323:模拟信号数据信号转换器ADC对电压输入端Vol2和电压检测端 Check1进行采样，获得当前码值和检测电压；
S324:根据当前码值和设定的标准码值的比率，判断采样电阻R9的漂移，防止精度超标；
S325:若检测电压值大于设定的标准测试电压的1.5倍，则电阻R1失效。
本发明的有益效果如下：通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度，通过电压扫描的方式来诊断模拟信号数字信号转换器ADC的每一个采样码值，对模拟信号数字信号转换器ADC采样功能进行完整的诊断，通过比较的方法，对信号调理云放OP1和信号调理运放OP2失效进行诊断，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度。本发明具有较高的自我诊断功能，能够检测电流采集电路中所有器件的失效，诊断覆盖率高，诊断方法可行性高，同时电路简洁可靠，可以应用在简化电路，降低成本。
附图
图1是实施例的电路结构图。
具体实施方式
实施例：
本实施例提出一种电流采集诊断电路，参考图1，包括电流信号输入端CH1、采样单元、信号放大单元和模拟信号数字信号转换器ADC，信号放大单元包括若干并联的信号调理运算放大器，信号放大单元还并接有电流源，电流信号输入端CH1接有检测单元，检测单元接于模拟信号数字信号转换器ADC。
若干并联的信号调理运算放大器，包括并联的信号调理运放OP1和信号调理运放OP2，采集单元为采样电阻R9，电流源为基准电流源I1，检测单元为电阻 R1，
采样电阻R9的一端接于信号调理运放OP1的信号输入端，采样电阻R9的另一端接地，信号调理运放OP1的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC 的电压输入端Vol1，信号调理运放OP1的信号输入端并联有信号调理运放OP2 和基准电流源I1，
电流信号输入端CH1通过开关SW3接于电阻R1的一端，电阻R1的一端还接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check1，电阻R1的另一端接地，开关SW3同时控制电阻R1和电压检测端Check1的通断，
采样电阻R9的一端还接于信号调理运放OP2的信号输入端，信号调理运放 OP2的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol2，
信号调理运放OP1的信号输入端和信号调理运放OP2的信号输入端之间还接有开关SW18，
基准电流源I1通过开关SW17接于调理运放OP1的信号输入端。
电流信号输入端CH1通过开关SW1和开关SW2与电流信号输入端CH2连接，电流信号输入端CH2和开关SW2之间并联有电阻R2，电流信号输入端CH2和电阻R2之间还设有开关SW4，电阻R2的一端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check2，电阻R2的另一端接地。若将基准电流源I1更换为基准电压源，本电路将用于电压的采集。
当电流信号从电流信号输入端CH1输入时，开关SW18闭合，开关SW3断开，开关SW17断开，电流信号经过采样电阻R9后产生采样电压V1和采样电压V2，采样电压V1和采样电压V2经过信号调理运放OP1和信号调理运放OP2的处理和放大后输入模拟信号数字信号转换器ADC，模拟信号数字信号转换器ADC将采样电压V1和采样电压V2转化为数字信号，实现了对电流信号的采集。
开关SW1和开关SW2负责对输入信号端进行切换选通，参照电流信号输入端 CH2的接入方式，本电流采样电路可接入多路电流信号输入端，实现多通道电流信号采集，选通的电流信号经过电阻R9产生采样电压V1和采样电压V2，采样电压V1和采样电压V2经过信号调理运放OP1和信号调理运放OP2的处理和放大后输入模拟信号数字信号转换器ADC，模拟信号数字信号转换器ADC将采样电压 V1和采样电压V2转化为数字信号，实现了对电流信号的采集。
一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，采用上述电流采集电路，包括以下诊断过程：
对开关进行诊断包括对开关SW1、开关SW18和开关SW3进行失效诊断，其过程包括正常采集诊断和自行诊断，
正常采集诊断：
S101:开关SW1闭合，开关SW3开路，开关SW17开路，开关SW18闭合；
S102:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S103:若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值为0，则开关SW1开路；
若电压检测端Check1的电压值不为0，则开关SW3短路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路；
自行诊断：
S201:开关SW1开路，开关SW3闭合，开关SW17闭合，开关SW18闭合；
S202:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S203:若电压检测端Check1的电压值为0，则开关SW3开路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路；
对信号调理运放OP1、信号调理运放OP2进行失效诊断和通过电压扫描的方式对模拟信号数据信号转换器ADC进行失效诊断，通过电压扫描的方式来诊断模拟信号数字信号转换器ADC的每一个采样码值，对模拟信号数字信号转换器ADC 采样功能进行完整的诊断，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S303:若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0 开始到2n，每一个码值都能被正确采集到，则模拟信号数据信号转换器ADC工作正常，其中n是模拟信号数据信号转换器ADC的有效数据位数，
若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0开始到 2n，每一个码值都能被正确采集到，且码值单调变化，则信号调理运放OP1和信号调理运放OP2工作正常。
对对电源进行失效诊断包括电源I1和开关SW17进行失效诊断，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S313:若模拟信号数据信号转换器ADC采样到的采样电压与所设定的标准电压存在偏差，则基准电流源I1和开关SW17失效。
利用基准电流动态描述的方式对采样电阻R1和采样电阻R9进行失效诊断，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻R9自身的漂移不超过精度，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S323:模拟信号数据信号转换器ADC对电压输入端Vol2和电压检测端 Check1进行采样，获得当前码值和检测电压；
S324:根据当前码值和设定的标准码值的比率，判断采样电阻R9的漂移，防止精度超标；
S325:若检测电压值大于设定的标准测试电压的1.5倍，则电阻R1失效。
本发明的有益效果如下：通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度，通过电压扫描的方式来诊断模拟信号数字信号转换器ADC的每一个采样码值，对模拟信号数字信号转换器ADC采样功能进行完整的诊断，通过比较的方法，对信号调理云放OP1和信号调理运放OP2失效进行诊断，通过基准电流动态描述的方式诊断电阻自身的漂移不超过精度。本发明具有较高的自我诊断功能，能够检测电流采集电路中所有器件的失效，诊断覆盖率高，诊断方法可行性高，同时电路简洁可靠，可以应用在简化电路，降低成本。

Claims (10)

1.一种电流采集诊断电路，包括电流信号输入端CH1、采样单元、信号放大单元和模拟信号数字信号转换器ADC，其特征是，所述信号放大单元包括若干并联的信号调理运算放大器，所述信号放大单元并接有电流源，所述电流信号输入端CH1接有检测单元，检测单元接于模拟信号数字信号转换器ADC。
2.根据权利要求1所述的一种电流采集诊断电路，其特征是，所述若干并联的信号调理运算放大器，包括并联的信号调理运放OP1和信号调理运放OP2，所述采集单元为采样电阻R9，所述电流源为基准电流源I1，所述检测单元为电阻R1，
采样电阻R9的一端接于信号调理运放OP1的信号输入端，采样电阻R9的另一端接地，信号调理运放OP1的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1，所述信号调理运放OP1的信号输入端并联有信号调理运放OP2和基准电流源I1，
所述电流信号输入端CH1通过开关SW3接于电阻R1的一端，电阻R1的一端还接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check1，电阻R1的另一端接地，开关SW3同时控制电阻R1和电压检测端Check1的通断，
所述采样电阻R9的一端还接于信号调理运放OP2的信号输入端，信号调理运放OP2的信号输出端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol2，
所述信号调理运放OP1的信号输入端和信号调理运放OP2的信号输入端之间还接有开关SW18，
所述基准电流源I1通过开关SW17接于调理运放OP1的信号输入端。
3.根据权利要求2所述的一种电流采集诊断电路，其特征是，所述电流信号输入端CH1通过开关SW1和开关SW2与电流信号输入端CH2连接，电流信号输入端CH2和开关SW2之间并联有电阻R2，电流信号输入端CH2和电阻R2之间还设有开关SW4，电阻R2的一端接于模拟信号数字信号转换器ADC的电压检测端Check2，电阻R2的另一端接地。
4.根据权利要求2或3所述的一种电流采集诊断电路，其特征是，将所述基准电流源I1更换为基准电压源，本电路将用于电压的采集。
5.一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，采用权利要求3所述的一种电流采集诊断电路，其特征是，包括以下诊断过程：
对开关进行失效诊断；
对信号调理运放OP1、信号调理运放OP2进行失效诊断和通过电压扫描的方式对模拟信号数据信号转换器ADC进行失效诊断；
对电源失效诊断；
利用基准电流动态描述的方式对采样电阻R1和采样电阻R9进行失效诊断。
6.根据权利要求5所述的一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，其特征是，所述对开关进行失效诊断包括对开关SW1、开关SW18和开关SW3进行失效诊断，其过程包括正常采集诊断，
正常采集诊断：
S101:开关SW1闭合，SW3开路，SW17开路，SW18闭合；
S102:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S103:若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值为0，则开关SW1开路；
若电压检测端Check1的电压值不为0，则开关SW3短路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路；
S2自行诊断：
S201:开关SW1开，SW3闭合，SW17闭合，SW18闭合；
S202:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S203:若电压检测端Check1的电压值为0，则开关SW3开路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路。
7.根据权利要求5所述的一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，其特征是，所述对开关SW1、开关SW18和开关SW3进行失效诊断的过程包括自行诊断，
自行诊断：
S201:开关SW1开，SW3闭合，SW17闭合，SW18闭合；
S202:电流信号从电流信号输入端CH1流入并利用万用表检测模拟信号数字信号转换器ADC的电压输入端Vol1、电压输入端Vol2和电压检测端Check1的电压值；
S203:若电压检测端Check1的电压值为0，则开关SW3开路；
若电压输入端Vol1和电压输入端Vol2的电压值不同，则开关SW18开路。
8.根据权利要求5所述的一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，其特征是，所述对信号调理运放OP1、信号调理运放OP2进行失效诊断和通过电压扫描的方式对模拟信号数据信号转换器ADC进行失效诊断的过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S303:若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0开始到，每一个码值都能被正确采集到，则模拟信号数据信号转换器ADC工作正常，其中n是模拟信号数据信号转换器ADC的有效数据位数，
若模拟信号数据信号转换器ADC检测到采样电压对应的采样码值从0开始到，每一个码值都能被正确采集到，且码值单调变化，则信号调理运放OP1和信号调理运放OP2工作正常。
9.根据权利要求5所述的一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，其特征是，所述对电源失效诊断包括对电源I1和开关SW17进行失效诊断，其过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S313:若模拟信号数据信号转换器ADC采样到的采样电压与所设定的标准电压存在偏差，则基准电流源I1和开关SW17失效。
10.根据权利要求5所述的一种电流采集诊断电路的失效诊断方法，其特征是，所述利用基准电流动态描述的方式对采样电阻R1和采样电阻R9进行失效诊断的过程包括：
S301:开关SW1开路、开关SW3闭合、开关SW17闭合、开关SW18闭合；
S302:基准电流源I1按照从0mA到满量程电流的顺序输出缓慢变化的电流信号；
S323:模拟信号数据信号转换器ADC对电压输入端Vol2和电压检测端Check1进行采样，获得当前码值和检测电压；
S324:根据当前码值和设定的标准码值的比率，判断采样电阻R9的漂移，防止精度超标；
S325:若检测电压值大于设定的标准测试电压的1.5倍，则电阻R1失效。
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