CN111929609A - 一种用于数字输出通道的短路检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于数字输出通道的短路检测装置，包括电流采样模块，其串联在所述数字输出通道中，用于根据所述数字输出通道的输出电流输出相应的模拟电压信号；光耦隔离模块，其与所述电流采样模块连接，用于根据所述电流采样模块输出的模拟电压信号控制其内部光电耦合器的开合，从而输出相应的数字电平信号，所述数字电平信号用于表征所述数字输出通道是否发生外围短路故障。通过采用本发明的检测装置，能够对机车的数字输出电流信号进行实时采集并且反馈给控制电路，进而使控制电路能够做出短路故障判断并采取相应的保护措施。

Description

一种用于数字输出通道的短路检测装置

技术领域

本发明涉及短路检测技术领域，尤其涉及一种用于数字输出通道的短路检测装置。

背景技术

目前，内燃机车数字输出多采用负端输出的方式对电磁阀或者中间继电器线圈进行驱动，所述负端输出的正常电流通常小于3A。但是，当机车线路出现故障或者电磁阀、线圈发生故障时，该电流会因为线路阻值变小而变大，从而导致数字输出通道烧损，进而导致机车控制信号故障(持续导通或者持续断开)。

由于现有的内燃机车控制装置无法检测数字输出线路电流以及故障位置，因此在故障发生后，数字输出通道依然会被持续驱动，进一步地因为过流而造成输出器件损坏，典型的损坏包括烧损印制板、背板以及外部线路。又由于相关器件损坏，控制装置只能通过外部信号的反馈来判断驱动信号异常。然而，由于可能的故障点较多，如线路断开、线路短接、单板故障、背板中线故障等，控制装置无法直接判断故障点。因此，故障原因较难查明，容易导致故障连续发生，甚至造成机车机破。

现有的过流保护技术多采用保险管或者电流传感器的方式。采用保险管的方式可以及时地断开输出电路，但是需要增加反馈电路才能够闭环地报出过流故障，而且后续还需要更换保险管，增加了器件成本与维护成本。采用电流传感器的方式则需要将输出值进行AD采集处理后，再与既定的阈值电压进行比较才能够输出反馈结果，其电路设计比较复杂而且反馈电路有一定的延时。这两种方式对器件的要求较高，成本较高，而且控制比较复杂。

因此，亟需一种能够简单可靠低成本地对内燃机车数字输出故障进行检测和判断的装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种新型的用于数字输出通道的短路检测装置。采用本发明的短路检测装置，能够对机车的数字输出电流信号进行实时采集并且反馈给控制电路，使得控制电路能够判断具体故障点，进而采取相应的保护措施。

本发明提供一种用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，包括：

电流采样模块，其串联在所述数字输出通道中，用于根据所述数字输出通道的输出电流输出相应的模拟电压信号；

光耦隔离模块，其与所述电流采样模块连接，用于根据所述电流采样模块输出的模拟电压信号控制其内部光电耦合器的开合，从而输出数字电平信号，所述数字电平信号用于表征所述数字输出通道是否发生外围短路故障。

根据本发明的实施例，上述短路检测装置还包括阻容滤波模块，其与所述光耦隔离模块连接，用于对所述光耦隔离模块输出的数字电平信号进行滤波，以滤除该数字电平信号中的干扰信号。

根据本发明的实施例，上述短路检测装置还包括控制模块，其与所述光耦隔离模块连接，用于根据所述光耦隔离模块反馈的数字电平信号判断所述数字输出通道是否发生外围短路故障，从而进行故障应对处理。

根据本发明的实施例，当判断所述数字输出通道发生外围短路故障时，所述控制模块决定是否对数字输出通道采取延时判断或再次开通或锁死保护的措施。

根据本发明的实施例，所述光耦隔离模块包括限流电阻和所述光电耦合器，其中所述电流采样模块的输出端与由所述限流电阻和所述光电耦合器的输入侧组成的串联组合进行并联。

根据本发明的实施例，所述限流电阻的阻值的最大值要使得在出现外围短路故障时所述光电耦合器处于导通状态，所述限流电阻的阻值的最小值要使得在没有出现外围短路故障时所述光电耦合器处于关断状态。

根据本发明的实施例，所述阻容滤波模块包括上拉电阻和滤波电容，其中所述滤波电容与所述光电耦合器的输出侧并联，所述上拉电阻与由所述滤波电容与所述光电耦合器的输出侧组成的并联组合进行串联。

根据本发明的实施例，根据滤波要求设置所述上拉电阻的阻值的最大值，所述上拉电阻的阻值的最小值要能够确保所述光耦隔离模块不被烧毁。

根据本发明的实施例，所述电流采样模块包括电流采样电阻。

根据本发明的实施例，所述电流采样电阻是锰铜丝、康铜丝或者无感贴片电阻。

与现有技术相比，本发明具有如下优点或有益效果：

1)检测故障，本发明的短路检测装置，通过采样电阻和光电耦合器，能够实时检测是否发生短路故障；

2)指示故障点，本发明采用的短路检测装置，通过反馈信号给处理器的控制模块，能够直接判断故障点；

3)降低成本，本发明采用的短路检测装置，基于简单的阻容元件以及光电耦合元件等器件构成，不含数字处理电路或者保险管等高成本元件，能够有效地控制成本；

4)降低延时，本发明采用的短路检测装置，基于简单的阻容元件以及光电耦合元件等器件构成，不含数字电路或者保险管等具有延时或者时间惯性的元件，能够有效地缩短延时；

5)控制简单，本发明采用的短路检测装置，基于简单的阻容元件以及光电耦合元件等器件构成，无需时钟信号，能够简化控制过程；

6)维护简单，本发明采用的短路检测装置，基于简单的阻容元件以及光电耦合元件等器件构成，能够简化维护程序。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：

图1示出了本发明实施例一的短路检测装置的组成示意图；

图2示出了本发明实施例二的短路检测装置的电路示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

其中，附图标记为：

电流采样模块10、光耦隔离模块20、阻容滤波模块30和控制模块40；

电流采样电阻R77、限流电阻R80、光电耦合器VI1、滤波电容C34和上拉电阻R81。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图以及实施例来详细说明本发明的实施方案，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例一

图1示出了本发明实施例一的短路检测装置的模块示意图。由图1可知，本实施例的短路检测装置主要包括：电流采样模块10、光耦隔离模块20、阻容滤波模块30以及控制模块40。

电流采样模块10串联在数字输出通道中，用于根据数字输出通道的输出电流输出相应的模拟电压信号。

光耦隔离模块20与电流采样模块10连接，用于根据电流采样模块10输出的模拟电压信号控制其内部光电耦合器的开合，从而输出相应的数字电平信号，数字电平信号用于表征数字输出通道是否发生外围短路故障。

阻容滤波模块30与光耦隔离模块20连接，用于滤除光耦隔离模块20输出的数字电平信号中的干扰信号，进而增加电路的可靠性。

控制模块40与阻容滤波模块30连接，用于根据阻容滤波模块30反馈的滤波后的数字电平信号判断数字输出通道是否发生外围短路，从而进行故障应对处理。

本实施例一的短路检测装置的工作流程为：

电流采样模块10采集数字输出通道的输出电流信号，并将输出电流信号转换为相应的模拟电压信号，然后将此模拟电压信号输出给光耦隔离模块20；光耦隔离模块20通过电-光-电的转换作用，将电流采样模块10输出的模拟电压信号转换为数字电平信号，然后将此数字电平信号通过阻容滤波模块30滤波后输出给控制模块40；控制模块40根据滤波后的数字电平信号判断数字输出通道是否发生外围短路故障，并且当判断发生发生外围短路故障时采取相应的应对措施，例如，采取延时判断，或再次开通，或锁死保护的措施。

上述实施例仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，本发明的短路检测装置电流也可以仅包括电流采样模块10和光耦隔离模块20，又或者仅包括电流采样模块10、光耦隔离模块20和控制模块40。

实施例二

图2示出了本发明实施例二的短路检测装置的电路结构图。该实施例实际上是图1所示短路检测装置的一种具体电路实现形式。

在此实施例中，电流采样模块10主要由一个电流采样电阻R77构成。光耦隔离模块20主要由一个限流电阻R80和一个光电耦合器VI1构成。阻容滤波模块30主要由一个上拉电阻R81和滤波电容C34构成。控制模块40主要由一个微处理器(图中未示出)构成。其中：

电流采样电阻R77串联在数字输出通道OUT1中；光电耦合器VI1的输入侧的一端1通过串联限流电阻R80与电流采样电阻R77的一端连接，光电耦合器VI1的输入侧的另一端2与电流采样电阻R77的另一端连接，从而与电流采样电阻R77形成并联连接；光电耦合器VI1的输出侧的两端3和4分别与滤波电容C34的两端连接，从而与滤波电容C34形成并联连接，同时光电耦合器VI1的输出侧的一端3接地，光电耦合器VI1的输出侧的另一端4通过串联上拉电阻R81来与例如3.3V的直流电源VDD33连接；其中，光电耦合器VI1的输出侧的另一端4作为反馈信号的输出端，输出反馈信号O1_back。

电流采样电阻R77可以选用锰铜丝、康铜丝或者是贴片式的无感采样电阻。当数字输出通道中有电流流过时，电流流经电流采样电阻R77，使得电流采样电阻R77的两端产生压降，即模拟电压信号U。模拟电压信号U的值可以通过欧姆定律U＝IR计算。在正常情况下，由于电流采样电阻R77的电阻值很小，即使将电流采样电阻R77串联在数字输出通道的相关电路中也不会在电路中产生太大的电压降，因此不会对数字输出通道的性能产生太大的影响。

限流电阻R80是光电耦合器VI1的辅助元件，主要用于分压限流，避免模拟电压信号直接加到光电耦合器VI1的输入端而对光电耦合器造成损坏，从而保证整个检测装置的可靠运行。限流电阻R80的选取有最大值和最小值，其最大值要确保在发生短路故障时光电耦合器VI1可以导通；其最小值要使得在没有发生短路故障时光电耦合器VI1处于关断状态，从而使得反馈信号O1_back在正常情况下保持高电平。

通过上拉电阻R81能够对滤波电容C34进行充电，使滤波电容C34的两端在正常情况下始终有电压存在，能够保证反馈信号O1_back在正常情况下始终保持高电平。上拉电阻R81的选取也有最大值和最小值，上拉电阻R81的最大值要确保滤波电容C34能够及时地充电，从而保证滤波电容C34的滤波效果，上拉电阻R81的最小值要保证在光电耦合器VI1导通时，流经光电耦合器VI1的电流小于该器件的额定值，从而保证光电耦合器VI1不会损坏。

光电耦合器VI1能够通过光的形式传播输入侧和输出侧的信号，将输入侧的高压模拟信号(模拟电压信号)转换为输出侧的低压数字信号(数字电平信号)，同时完成输入侧高电压和输出侧低电压的隔离，避免电压信号的相互影响，达到既保证信号正常传递又隔离高压电路和低压电路的效果。

在具体应用时，数字输出通道OUT1输出的电流信号既可以是MOSFET输出的电流信号，也可以是继电器输出的电流信号。在数字输出通道OUT1中串联一个电流采样电阻R77后，直接接单板的输出通道OUT1。在正常情况下，数字输出通道OUT1输出的电流值较小(例如3A以下)，并不会影响光电耦合器VI1的工作状态。但是当数字输出通道OUT1的外围发生短路故障时，巨大的短路电流Ir(例如10A以上)流经电流采样电阻R77，会在电流采样电阻R77的两端产生一个较大的电压压降Ur(Ur＝Ir*R77)，该电压Ur足以改变并联在电流采样电阻R77两端的光电耦合器VI1的工作状态，使其输出侧处于弱导通状态。当光电耦合器VI1的输出侧3和4弱导通之后，滤波电容C34会因为弱导通而放电，从而使滤波电容C34的电压减小，进而使反馈信号O1_back的电位发生下降。当反馈信号O1_back的电位下降到一定程度时，如，数字逻辑电路能判断出其发生了电平变化的程度时，判断数字输出通道OUT1的外围电路发生了短路故障，需要由控制电路(即控制模块40)采取故障应对措施。其中，在没有发生短路故障时，若出现短时间过流或者存在毛刺信号干扰的情况，由于滤波电容C34有滤波效果，反馈信号O1_back的电位还没有下降到足够低，因此并不会被错误地判定为发生了短路故障，增加电路检测判断的抗干扰性和可靠性。

此外，控制模块40可以是CPLD、FPGA、DSP或者其他单板微处理器，用于根据反馈信号O1_back判断数字输出通道OUT1是否发生外围短路。在本实施例中,当反馈信号O1_back为低电平0时，表示已经发生短路，控制模块40需要采取下一步应对措施，根据需求进行灵活处理：例如进行延时判断，进行再次开通，进行锁死保护等。

反馈信号O1_back可以输送至单板处理器的IO引脚、缓冲器或者斯密特触发器，从而完成上述判断以及处理过程。反馈信号O1_back的定义及结果分析可以如下表所示。

表2反馈信号O1_back的定义及结果分析

针对短路故障，单板处理器可以将故障通道及时关断，并将故障信息反馈给车辆控制装置，从而帮助工作人员及时定位故障点。

以上实施例仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例，还可以存在许多变形。例如，隔离反馈单元可以是光电耦合器VI1也可以是变压器和三极管等开关器件的组合；反馈电压信号可以从滤波电容C34的一侧或者另一侧引出；反馈信号可以是高电平也可以是低电平。凡是本领域的普通技术人员能以本发明公开的内容直接导出或是联想到的所有变形均应被认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，包括：

电流采样模块，其串联在所述数字输出通道中，用于根据所述数字输出通道的输出电流输出相应的模拟电压信号；

光耦隔离模块，其与所述电流采样模块连接，用于根据所述电流采样模块输出的模拟电压信号控制其内部光电耦合器的开合，从而输出数字电平信号，所述数字电平信号用于表征所述数字输出通道是否发生外围短路故障。

2.根据权利要求1所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，还包括阻容滤波模块，其与所述光耦隔离模块连接，用于对所述光耦隔离模块输出的数字电平信号进行滤波，以滤除该数字电平信号中的干扰信号。

3.根据权利要求2所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，还包括控制模块，其与所述阻容滤波模块连接，用于根据所述阻容滤波模块反馈的经过滤波的数字电平信号判断所述数字输出通道是否发生外围短路故障，从而进行故障应对处理。

4.根据权利要求3所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，当判断所述数字输出通道发生外围短路故障时，所述控制模块决定是否对数字输出通道采取延时判断或再次开通或锁死保护的措施。

5.根据权利要求1所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，所述光耦隔离模块包括限流电阻和所述光电耦合器，其中所述电流采样模块的输出端与由所述限流电阻和所述光电耦合器的输入侧组成的串联组合进行并联。

6.根据权利要求5所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，所述限流电阻的阻值的最大值要使得在出现外围短路故障时所述光电耦合器处于导通状态，所述限流电阻的阻值的最小值要使得在没有出现外围短路故障时所述光电耦合器处于关断状态。

7.根据权利要求5所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，所述阻容滤波模块包括上拉电阻和滤波电容，其中所述滤波电容与所述光电耦合器的输出侧并联，所述上拉电阻与由所述滤波电容与所述光电耦合器的输出侧组成的并联组合进行串联。

8.根据权利要求7所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，根据滤波要求设置所述上拉电阻的阻值的最大值，所述限流电阻的阻值的最小值要能够确保所述光电耦合器不被烧毁。

9.根据权利要求1所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，所述电流采样模块包括电流采样电阻。

10.根据权利要求9所述的用于数字输出通道的短路检测装置，其特征在于，所述电流采样电阻是锰铜丝、康铜丝或者无感贴片电阻。

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