CN111398794B - 数字量输入信号检测电路及电梯控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种数字量输入信号检测电路及电梯控制器，所述检测电路包括控制单元、预处理单元以及至少一个检测单元；每一所述检测单元的原边包括第一端子和第二端子，所述检测单元的副边包括第三端子，且所述检测单元在所述第一端子和第二端子之间的电压差达到预设值时通过所述第三端子输出预设电平；所述第一端子构成待检测的数字量输入信号的输入端；所述预处理单元的输出端连接到所述第二端子，并向所述第二端子输出第一预设脉冲信号；所述控制单元包括与所述第三端子连接的信号输入端，且所述控制单元在所述第三端子的信号与第一预设脉冲信号同步时确认所述待检测的数字量输入信号有效。本发明实施例可实现单通道满足SIL认证要求。

Description

数字量输入信号检测电路及电梯控制器
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，更具体地说，涉及一种数字量输入信号检测电路及电梯控制器。
背景技术
为实现电梯的安全功能，需检测电梯相关电气安全装置的状态，这些电气安全装置的状态以DI(Digital Input，数字量输入)的形式在电路板上被检测。《电气制造与安装安全规范》国家标准(GB7588.1-201X)规定了电梯电气安全装置需满足的最低安全完整性等级(Safety Integrity Level，SIL)要求，电梯控制器中用于检测安全装置状态的DI电路作为电梯电气安全装置的一部分，也需要满足相关SIL等级要求。
对于不同SIL等级，需按照IEC-61508(电气与电子部件相关标准)标准中给出的方法进行认证。IEC-61508标准规定了电气安全装置需满足的安全失效分数(SFF)、平均故障概率(PHD)、平均故障频率(PHF)的计算方法，不可诊断的危险失效(λdu)是计算SFF、PHD、PHF的重要参数，λdu越小，SFF、PHD、PHF越大，也越容易满足SIL等级要求。另外，相同的SIL等级要求，通道数越多，要求的SFF、PHD、PHF可越小，进而λdu可越大，电路实现上也越容易满足。
目前，为了满足一定的电梯安全功能SIL认证等级的要求，对电气安全装置状态的DI检测电路通常采用双通道检测，从而在较大λdu的情况下，也能满足安全功能SIL等级要求。
然而，双通道的电气安全装置状态的DI检测电路，仅通过在增加电路通道数的情况下，达到冗余的效果，从而更容易满足SIL等级要求，但其实质并没有减小λdu，相应的SFF、PHD、PHF也并未增大。
对于电梯功能实现来说，只需一路DI检测就可实现功能，双通道的DI检测方式，在无检测电路故障的情况下，存在一路浪费的情况，相对于单通道，检测电路成本上增加一倍，相关电路板的体积也增加一倍。
发明内容
本发明实施例针对上述为满足SIL等级要求而采用多通道，并导致检测电路成本上升、电路体积增加的问题，提供一种数字量输入信号检测电路及电梯控制器。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种数字量输入信号检测电路，包括控制单元、预处理单元以及至少一个检测单元；每一所述检测单元的原边包括第一端子和第二端子，所述检测单元的副边包括第三端子，且所述检测单元在所述第一端子和第二端子之间的电压差达到预设值时通过所述第三端子输出预设电平；所述第一端子构成待检测的数字量输入信号的输入端；所述预处理单元的输出端连接到所述第二端子，并向所述第二端子输出第一预设脉冲信号；所述控制单元包括与所述第三端子连接的信号输入端，且所述控制单元在所述第三端子的信号与所述第一预设脉冲信号同步时确定所述待检测的数字量输入信号有效。
优选地，所述控制单元包括与所述预处理单元的输入端连接的第一信号输出端，所述预处理单元将所述第一信号输出端的信号隔离输出为第一预设脉冲信号，所述第一信号输出端的信号与所述第一预设脉冲信号同步。
优选地，所述预处理单元包括第一光耦，所述第一光耦的原边包括第一发光二极管，且所述第一发光二极管的阳极连接到第一供电电源，所述第一发光二极管的阴极连接到所述第一信号输出端。
优选地，所述第一光耦的副边包括光敏元件，所述光敏元件的第一端脚连接到第二供电电源，且所述光敏元件的第二端脚经由第一分压电阻和第二分压电阻连接参考地；
所述预处理单元包括放大三极管，所述放大三极管的集电极经由限流电阻与第二供电电源连接，且所述放大三极管的集电极与所述限流电阻的连接点构成所述预处理单元的输出端；所述放大三极管的发射极接地，且所述放大三极管的基极连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻的连接点。
优选地，所述控制单元还包括第二信号输出端，且所述第二信号输出端的信号与所述第一信号输出端的信号的频率相同、相位相反；所述第二信号输出端连接到所述第一光耦的光敏元件的第二端脚。
优选地，所述数字量输入信号检测电路包括N个检测单元，所述N为大于或等于1的整数，且所述N个检测单元的第一端子分别连接N个待检测的数字量输入信号的输入端，所述N个检测单元的第二端子分别与所述预处理单元的输出端连接；
所述放大三极管的集电极电流的极限值大于或等于所述N个检测单元的原边电流之和。
优选地，所述检测单元包括第二光耦，所述第二光耦的原边包括第二发光二极管。
优选地，所述待检测的数字量输入信号为高电平有效信号，所述第一端子由所述第二发光二极管的阳极构成，所述第二端子由所述第二发光二极管的阴极构成。
优选地，所述待检测的数字量输入信号为低电平有效信号，所述第一端子由所述第二发光二极管的阴极构成，所述第二端子由所述第二发光二极管的阳极构成。
本发明还提供一种电梯控制器，包括电路板，且所述电路板包括如上所述的数字量输入信号检测电路。
实施本发明的数字量输入信号检测电路及电梯控制器具有以下有益效果：由检测单元根据第一预设脉冲信号将待检测的数字量输入信号进行转换，从而确定待检测的数字量输入信号是否有效，可使得检测电路的危险失效率λdu为0，进而增大SFF、PHD、PHF的值，实现单通道满足SIL认证要求。相对于双通道光耦隔离DI检测电路，本发明实施例的检测电路可大大降低成本，同时使得相应的电路部的体积也大大减小，有利于电梯控制器进一步小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的数字量输入信号检测电路的示意图；
图2是本发明第一实施例提供的数字量输入信号检测电路中的预处理单元和检测单元的电路拓扑图；
图3是本发明第一实施例提供的数字量输入信号检测电路中的预处理单元和检测单元中各个信号的波形图；
图4是本发明第二实施例提供的数字量输入信号检测电路中的预处理单元和检测单元的电路拓扑图；
图5是本发明第二实施例提供的数字量输入信号检测电路中的预处理单元和检测单元中各个信号的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，是本发明实施例提供的数字量输入信号检测电路的示意图，该数字量输入信号检测电路可用于对各类数字量信号进行检测，从而提高数字量信号检测的准确性，例如，该检测电路可应用于电梯系统，并对电梯中各个电气安全装置(例如安全开关)输出的数字量输入(DI)信号进行检测。
本实施例的数字量输入信号检测电路包括预处理单元11、至少一个检测单元12以及控制单元13。上述控制单元13可由一微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)构成，其可生成脉冲信号、执行信号比较等逻辑处理。检测单元12的数量可根据需要检测的数字量输入信号的数量确定，每一检测单元12的原边包括第一端子和第二端子，检测单元12的副边包括第三端子，且检测单元12在第一端子和第二端子之间的电压差达到预设值时通过第三端子输出预设电平，上述第一端子构成待检测的数字量输入信号的输入端，上述第一端子、第二端子和第三端子具体可以为电子元件或模块的引脚。预处理单元11的输出端连接到检测单元12的第二端子，并向第二端子输出第一预设脉冲信号(例如频率为1KHZ，占空比50％的脉冲波)。控制单元13包括与检测单元12的第三端子连接的信号输入端，且该控制单元13在第三端子的信号与第一预设脉冲信号同步(频率相同、相位相同或相反)时确认待检测的数字量输入信号有效。
在上述数字量输入信号检测电路中，当待检测的数字量输入信号为有效电平时，检测单元12的副边得到的电平被控制单元13识别，即控制单元13识别到该信号和第一预设脉冲信号同步同频率时，确认待检测的数字量输入信号为有效信号(例如高电平或低电平)。
当数字量输入信号检测电路本身因器件失效发生故障或者是待检测的数字量输入信号本身为非有效状态信号，控制单元13检测到的信号是持续的固定电平，或周期和第一预设脉冲信号不相同，由此控制单元13确认存在故障，并发出相应设备不能运行的命令。例如当待检测的数字量输入信号由电梯中的电气安全装置产生，则该电气安全装置本身的状态是无效的，电梯控制板不允许电梯运行。
上述数字量输入信号检测电路，由检测单元12根据第一预设脉冲信号将待检测的数字量输入信号进行转换，并将检测单元12转换后的数字量输入信号与第一预设脉冲信号进行对比，从而确定待检测的数字量输入信号是否有效，可使得检测电路的危险失效率λdu为0，进而增大SFF、PHD、PHF的值，实现单通道满足SIL认证要求。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，上述第一预设脉冲信号PLUSE_BJT可由预处理单元11根据一个固定频率的脉冲型方波信号PLUSE_MCU生成，且脉冲型方波信号PLUSE_MCU可由控制单元13生成。此时，控制单元13包括与预处理单元11的输入端连接的第一信号输出端，预处理单元11将控制单元13的第一信号输出端的信号(即脉冲型方波信号PLUSE_MCU)隔离输出为第一预设脉冲信号PLUSE_BJT。结合图3所示，上述第一信号输出端的信号PLUSE_MCU与第一预设脉冲信号PLUSE_BJT同步。当然，在实际应用中，脉冲型方波信号PLUSE_MCU也可来自其他电路或装置，且该脉冲型方波信号PLUSE_MCU同时输入到控制单元13。
具体地，上述预处理单元11包括第一光耦U1，该第一光耦U1的原边包括第一发光二极管，且该第一发光二极管的阳极连接到第一供电电源POWER1、阴极连接到第一信号输出端，即通过第一发光二极管的阴极接收控制单元13的第一信号输出端的信号输出的脉冲型方波信号PLUSE_MCU。
上述第一光耦U1的副边包括光敏元件，该光敏元件的第一端脚连接到第二供电电源POWER2，且该光敏元件的第二端脚经由第一分压电阻R7和第二分压电阻R8连接参考地GND2。预处理单元11包括放大三极管Q1，且该放大三极管Q1的集电极经由限流电阻R9与第二供电电源POWER2连接、发射极接地、基极连接到第一分压电阻R7和第二分压电阻R8的连接点，且放大三极管Q1的集电极与限流电阻R9的连接点构成预处理单元11的输出端。
考虑到光耦的电流传输比及光耦寿命，第一光耦U1的副边电流不允许过大(一般设置在10mA以下)，放大三极管Q1可实现电流信号放大，从而满足后续的检测单元12的工作电流需求。当需要检测的数字量输入信号的路数较多时，流过放大三极管Q1的集电极电流越大，需根据数字量输入信号的路数选择合适的放大三极管Q1，以满足检测单元12的电流要求。
特别地，为提高放大三极管Q1的电流放大比例，控制单元13还可包括第二信号输出端，且该第二信号输出端的信号PLUSE_OPT与第一信号输出端的信号PLUSE_MCU的频率相同、相位相反，如图3所示；上述控制单元13的第二信号输出端连接到第一光耦U1的光敏元件的第二端脚。
当数字量输入信号检测电路用于同时对多个待检测的数字量信号进行检测时，数字量输入信号检测电路包括N个检测单元12(N为大于或等于1的整数)，且该N个检测单元12的第一端子分别连接N个待检测的数字量输入信号的输入端，N个检测单元12的第二端子分别与预处理单元11的输出端连接，即N个检测单元12的第二端子分别接入第一预设脉冲信号PLUSE_BJT。此时，放大三极管Q1的集电极电流的极限值大于或等于N个检测单元12的原边电流之和。
在本发明的另一实施例中，数字量输入信号检测电路用于同时对两个待检测的数字量信号DI1、DI2进行检测，且上述待检测的数字量输入信号DI1、DI2为高电平有效信号。两个检测单元12分别包括第二光耦U2、U3，且每一第二光耦U2、U3的原边分别包括第二发光二极管。检测单元12的第一端子由第二发光二极管的阳极构成，第二端子由第二发光二极管的阴极构成，即两个第二光耦U2、U3的第二发光二极管的阳极分别连接待检测的数字量输入信号DI1、DI2，两个第二光耦U2、U3的第二发光二极管的阴极分别接入第一预设脉冲信号PLUSE_BJT。
以下以第二光耦U2的信号为例说明。结合图3所示，当待检测的数字量输入信号DI1有效时，第二光耦U2的副边的输出信号DI1_MCU为与第一预设脉冲信号PLUSE_BJT、控制单元13的第一信号输出端输出的信号PLUSE_MCU同步(即同频同相)，此时控制单元13确认待检测的数字量输入信号DI1有效；当待检测的数字量输入信号DI1无效时，第二光耦U2的副边的输出信号DI1_MCU为持续的高或低电平信号，此时控制单元13确认待检测的数字量输入信号DI1无效。即在任意器件发生短路、断路、参数漂移时，DI1_MCU为持续的高电平，控制单元13检测到此信号，则确认有故障，这样，检测电路本身就不存在危险失效的情况，即λdu为0，进而增大SFF、PHD、PHF的值，进而单通道满足SIL认证等级要求。
如图4所示，当待检测的数字量输入信号DI3、DI4为低电平有效信号时，两个检测单元12分别包括第二光耦U4、U5。两个检测单元12的第一端子分别由第二光耦U4、U5的第二发光二极管的阴极构成，检测单元12的第二端子由第二光耦U4、U5的第二发光二极管的阳极构成，即待检测的数字量输入信号DI3、DI4分别接入第二光耦U4、U5的第二发光二极管的阴极，第一预设脉冲信号PLUSE_BJT分别接入第二光耦U4、U5的第二发光二极管的阳极。
结合图5所示，当待检测的数字量输入信号DI3为低电平信号时，第二光耦U4的副边输出信号DI3_MCU为方波信号，当任意器件发生短路、断路、参数漂移时，第二光耦U4的副边输出信号为DI3_MCU为持续的高或低电平信号，此时控制单元13确认待检测的数字量输入信号DI3无效。
本发明还提供一种电梯控制器，该电梯控制器用于控制电梯运行，且该电梯控制器包括电路板，且该电路板包括如上所述的数字量输入信号检测电路，该电路板还连接到电梯的电气安全装置的检测回路，并通过数字量输入信号检测电路上述电气安全装置的检测回路产生的数字量信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数字量输入信号检测电路，其特征在于，包括控制单元、预处理单元以及至少一个检测单元；每一所述检测单元的原边包括第一端子和第二端子，所述检测单元的副边包括第三端子，且所述检测单元在所述第一端子和第二端子之间的电压差达到预设值时通过所述第三端子输出预设电平；所述第一端子构成待检测的数字量输入信号的输入端；所述预处理单元的输出端连接到所述第二端子，并向所述第二端子输出第一预设脉冲信号；所述控制单元包括与所述第三端子连接的信号输入端，且所述控制单元在所述第三端子的信号与所述第一预设脉冲信号同步时确定所述待检测的数字量输入信号有效。
2.根据权利要求1所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述控制单元包括与所述预处理单元的输入端连接的第一信号输出端，所述预处理单元将所述第一信号输出端的信号隔离输出为第一预设脉冲信号，所述第一信号输出端的信号与所述第一预设脉冲信号同步。
3.根据权利要求2所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述预处理单元包括第一光耦，所述第一光耦的原边包括第一发光二极管，且所述第一发光二极管的阳极连接到第一供电电源，所述第一发光二极管的阴极连接到所述第一信号输出端。
4.根据权利要求3所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述第一光耦的副边包括光敏元件，所述光敏元件的第一端脚连接到第二供电电源，且所述光敏元件的第二端脚经由第一分压电阻和第二分压电阻连接参考地；
所述预处理单元包括放大三极管，所述放大三极管的集电极经由限流电阻与第二供电电源连接，且所述放大三极管的集电极与所述限流电阻的连接点构成所述预处理单元的输出端；所述放大三极管的发射极接地，且所述放大三极管的基极连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻的连接点。
5.根据权利要求4所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述控制单元还包括第二信号输出端，且所述第二信号输出端的信号与所述第一信号输出端的信号的频率相同、相位相反；所述第二信号输出端连接到所述第一光耦的光敏元件的第二端脚。
6.根据权利要求5所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述数字量输入信号检测电路包括N个检测单元，所述N为大于或等于1的整数，且所述N个检测单元的第一端子分别连接N个待检测的数字量输入信号的输入端，所述N个检测单元的第二端子分别与所述预处理单元的输出端连接；
所述放大三极管的集电极电流的极限值大于或等于所述N个检测单元的原边电流之和。
7.根据权利要求1所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述检测单元包括第二光耦，所述第二光耦的原边包括第二发光二极管。
8.根据权利要求7所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述待检测的数字量输入信号为高电平有效信号，所述第一端子由所述第二发光二极管的阳极构成，所述第二端子由所述第二发光二极管的阴极构成。
9.根据权利要求7所述的数字量输入信号检测电路，其特征在于，所述待检测的数字量输入信号为低电平有效信号，所述第一端子由所述第二发光二极管的阴极构成，所述第二端子由所述第二发光二极管的阳极构成。
10.一种电梯控制器，其特征在于，包括电路板，且所述电路板包括如权利要求1-9中任一项所述的数字量输入信号检测电路。
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