CN112394209B - 一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统 - Google Patents

Abstract

一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，包括物理隔离开关组、信号处理模块A和信号处理模块B，物理隔离开关组分别和信号处理模块A、B连接；物理隔离开关组由余度切换信号和切换确认信号进行控制；模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块A进行模拟信号处理；信号处理模块B作为从模块监控信号处理模块A工作，当信号处理模块B检测到模拟信号处理A模块存在故障或工作不正常时，信号处理模块B输出地模拟信号到物理隔离开关组，同时切换确认信号输入地确认信号到物理隔离开关组，物理隔离开关组切换线路，使得外部模拟信号输入到信号处理模块B进行模拟信号处理，从而达到微小模拟信号的切换保护和自锁的目的。

Description

一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统

技术领域

本发明涉及余度切换领域，特别涉及一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统。

背景技术

对于工业控制和测量系统来说，为了保证系统的可靠测量和控制，通常要进行双余度系统设计，主要包括双通道热备份余度和主从余度两种构架。

双通道热备份余度的定义为：测量系统中两个通道的测量电路独立工作，同时运行，共同采集或分时采集外部的模拟信号，然后两个通道的测量系统同时进行模拟信号处理和解算，仅通过相应的余度切换逻辑让其中任意通道的测量系统进行唯一的结果输出；主从余度架构余度的定义为：测量系统运行后首先由一个通道的测量电路进行外部模拟信号的采集和解算，同时由该通道的测量系统进行结果输出，另一通道测量系统不进行外部模拟信号的采集和结果输出，仅运行相应的监控逻辑和程序，监控当前通道的工作状态。

可以看出，双通道热本分余度测量系统主要用于数字模拟信号或部分模拟信号的采集，可以双通道同时采集和解算，若某一通道故障，可以直接切换另一通道进行结果输出，无需对模拟信号的输入端进行切换。而主从余度测量系统中，一般需要将外部模拟信号的输入端进行切换，只有当主通道故障后，才切换到备份通道进行工作，同时将模拟信号同步切换，模拟信号由主通道切换到备份通道进行输入。

对于相对特殊的电容模拟信号，目前的测量技术是不支持双通道系统同时进行测量，故一般采用主从余度逻辑。在目前的工业应用中，通常采用模拟开关对模拟信号进行选通的控制，从而达到模拟信号余度切换的目的。但现有的模拟信号切换方法存在如下的问题和缺陷：

由于模拟开关本身是基于CMOS的门电路，其导通和关闭不是真正意义上的物理通断，通常其模拟信号对地有漏电流存在，或者模拟信号在导通的过程中存在CMOS门电路的接触等效电阻，这些都是影响模拟信号准确测量的关键因素。

在主从余度系统中，由于模拟开关必须要将其切换电路分别设置在两个通道，且通过各自通道的控制模拟信号或其他类似仲裁系统给出的控制模拟信号进行模拟信号的选通，没办法保证在控制逻辑出问题的时候，其模拟信号的选通唯一性：即可能出现模拟信号同时选通或者同时不选通的情况，造成测量系统错误，这就需要余度切换的隔离方法。

在主从余度系统中，由于外部控制模拟信号或其他仲裁系统给出的逻辑总由可能失效，即可能存在主从来回切换的问题，直接导致测量系统的不稳定，这就需要余度切换的自锁方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，在余度切换系统中增加了自锁定和隔离功能，在主从余度逻辑系统中，即便控制切换的逻辑电平模拟信号出现问题，也能保证任意时刻只选通一路模拟信号到主通道中进行切换和采集，同时从硬件上将切换状态进行锁定，杜绝主从状态的来回切换，直到系统重启，解决了上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，包括受余度切换信号控制的物理隔离开关组、信号处理模块A和信号处理模块B，所述物理隔离开关组分别和信号处理模块A、信号处理模块B连接；所述物理隔离开关组由余度切换信号和切换确认信号进行控制；

模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块A进行模拟信号处理；信号处理模块B作为从模块监控信号处理模块A工作，当信号处理模块B检测到模拟信号处理A模块存在故障或工作不正常时，信号处理模块B输出地模拟信号到物理隔离开关组，同时切换确认信号输入地确认信号到物理隔离开关组，物理隔离开关组切换线路，使得外部模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块B进行模拟信号处理；此时若切换确认信号为开，则物理隔离开关组内部的自锁光耦已经导通并工作，并一直保持该状态，只有在作为备份工作的信号处理模块B从监控状态转换为工作状态时，才能触发模拟信号从A通道切换到B通道，在信号处理模块B在其他所有状态时，将模拟信号锁定到A通道，除非系统整体下电后恢复到初始切换状态。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述余度切换信号是由信号处理模块B发出的开控制模拟信号，在信号处理模块B不工作、不存在或不上电的时候，开控制模拟信号对物理隔离开关组为开状态。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述开控制模拟信号输入到信号处理模块A进行模拟信号处理。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述物理隔离开关组包括若干个一一对应的自锁光耦和隔离开关，所述每个模拟信号都连接到一个独立的隔离开关，所有的隔离开关另一端分别均连接到信号处理模块A和信号处理模块B，所述每个自锁光耦一端共同连接到切换确认信号，每个自锁光耦另一端独立连接到一个隔离开关。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述自锁光耦包括三个光耦，切换控制信号通过电阻R4后接到前级光耦U2的阳极，前级光耦U2的集电极连接到输出光耦U1的阳极，前级光耦U2的阴极、发射极接地，前级光耦U2的基极接电源；

输出光耦U1的阳极还通过电阻R2连接到电源，输出光耦U1的阴极和自锁定光耦U3的集电极连接到一起共同连接到切换确认信号，输出光耦U1的集电极接电源，输出光耦U1的发射极通过电阻R3后连接到自锁定光耦U3的阳极，输出光耦U1的发射极通过电容C2连接到电源；

所述自锁定光耦U3的阴极通过电阻R1后和自锁定光耦U3的发射极共地；

以输出光耦U1的发射极作为输出信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，在余度切换系统中增加了自锁定和隔离功能，在主从余度逻辑系统中，即便控制切换的逻辑电平模拟信号出现问题，也能保证任意时刻只选通一路模拟信号到主通道中进行切换和采集，同时从硬件上将切换状态进行锁定，杜绝主从状态的来回切换，直到系统重启，保证在控制逻辑出问题的时候，其模拟信号的选通唯一性；

2.本发明所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，在余度切换系统中增加了自锁定和隔离功能，在主从余度逻辑系统中，即便控制切换的逻辑电平模拟信号出现问题，也能保证任意时刻只选通一路模拟信号到主通道中进行切换和采集，同时从硬件上将切换状态进行锁定，杜绝主从状态的来回切换，直到系统重启，保证了主从来回切换时，测量系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的原理示意框图；

图2是本发明的物理隔离开关组电路示意图；

图3是本发明的自锁光耦电路示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图3对本发明作详细说明。

实施例1：

一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，如图1，包括受余度切换信号控制的物理隔离开关组、信号处理模块A和信号处理模块B，所述物理隔离开关组分别和信号处理模块A、信号处理模块B连接；所述物理隔离开关组由余度切换信号和切换确认信号进行控制；

模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块A进行模拟信号处理；信号处理模块B作为从模块监控信号处理模块A工作，当信号处理模块B检测到模拟信号处理A模块存在故障或工作不正常时，信号处理模块B输出地模拟信号到物理隔离开关组，同时切换确认信号输入地确认信号到物理隔离开关组，物理隔离开关组切换线路，使得外部模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块B进行模拟信号处理；此时若切换确认信号为开，则物理隔离开关组内部的自锁光耦已经导通并工作，并一直保持该状态，只有在作为备份工作的信号处理模块B从监控状态转换为工作状态时，才能触发模拟信号从A通道切换到B通道，在信号处理模块B在其他所有状态时，将模拟信号锁定到A通道，除非系统整体下电后恢复到初始切换状态。从而达到微小模拟信号的切换保护和自锁的目的。

工作原理：本实施例所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，在余度切换系统中增加了自锁定和隔离功能，在主从余度逻辑系统中，即便控制切换的逻辑电平模拟信号出现问题，也能保证任意时刻只选通一路模拟信号到主通道中进行切换和采集，同时从硬件上将切换状态进行锁定，杜绝主从状态的来回切换，直到系统重启，保证了主从来回切换时，测量系统的稳定性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，所述余度切换信号是由信号处理模块B发出的开控制模拟信号，在信号处理模块B不工作、不存在或不上电的时候，开控制模拟信号对物理隔离开关组为开状态。所述开控制模拟信号输入到信号处理模块A进行模拟信号处理。

所述物理隔离开关组包括若干个一一对应的自锁光耦和隔离开关，所述每个模拟信号都连接到一个独立的隔离开关，所有的隔离开关另一端分别均连接到信号处理模块A和信号处理模块B，所述每个自锁光耦一端共同连接到切换确认信号，每个自锁光耦另一端独立连接到一个隔离开关。

所述自锁光耦包括三个光耦，切换控制信号通过电阻R4后接到前级光耦U2的阳极，前级光耦U2的集电极连接到输出光耦U1的阳极，前级光耦U2的阴极、发射极接地，前级光耦U2的基极接电源；

输出光耦U1的阳极还通过电阻R2连接到电源，输出光耦U1的阴极和自锁定光耦U3的集电极连接到一起共同连接到切换确认信号，输出光耦U1的集电极接电源，输出光耦U1的发射极通过电阻R3后连接到自锁定光耦U3的阳极，输出光耦U1的发射极通过电容C2连接到电源；

所述自锁定光耦U3的阴极通过电阻R1后和自锁定光耦U3的发射极共地；

以输出光耦U1的发射极作为输出信号。

工作原理：在图2中，该电路以一路模拟信号为例，主要由切换自锁光电耦合器组合、三极管驱动电路、小功率模拟信号继电器等组成的物理隔离开关组。其中由电阻R1和R2组成的电阻作为光电耦合器件的门限电压调整，R1和R2之和越大，其切换控制信号的开启电压越大，按照本发明中设置的5V/开类型的控制模拟信号，若光耦的输入导通电流若为10mA，其R1和R2的电阻可设置在250欧姆，R1和C1组成的RC滤波用于切换控制信号的防抖动。

如图2所示，由D3三极管和R3组成的开关驱动电路决定继电器内部线圈的通电与否。当5V的切换电平模拟信号从光耦输入，光耦导通，VDD电源连接一个上拉电阻同三极管的基级连接，让三极管工作在饱和导通区，使得三极管开启导通，后端继电器内部线圈通电。

如图2所示，后端继电器D2在线圈的两端跨界一个V1二极管，用于瞬时通电导通的电流涌动，保护继电器本身。继电器D2在线圈不通电的情况下，其模拟信号1常导通到模拟信号1通道A，模拟信号2常导通到模拟信号2通道A，即为切换锁定状态。当继电器线圈在三极管的驱动下通电，模拟信号1导通到模拟信号1通道B，模拟信号2导通到模拟信号2通道B，实现模拟信号的切换。

如图3所示，该自锁光耦由3个通用光电耦合器通过一定的逻辑电路组合而成。其中，电阻R4为电流调节电阻，用于微调“切换控制信号”输入的电流，保证前级光耦U2的安全可靠工作。U1为输出光耦，U3为自锁定光耦，U1光耦的导通与否由U2光耦的输出模拟信号和“切换确认信号”控制，U3的导通由U1光耦的输出信号控制，组合后形成一个自锁逻辑实现光耦模拟信号的导通自锁。

如图3所示，以导通一路模拟信号的自锁控制流程为例，在模拟信号通道未切换时，电阻R4左端上通过“切换控制信号”传递5V电压，使得前级光耦U2光耦导通，其U2的5脚和4脚导通，5脚为低电平，U1光耦为截止状态，故从U1的4脚输出到后端三极管的状态为开路，三极管无法导通，结合图2所示，其后端D2继电器不吸合，为初始不导通状态。若上位机执行导通切换指令，“切换控制信号”为“地”信号，同时“切换确认信号”为"地"信号，系统供电端通过R2限流电阻经过U1的发光二极管到“地”回路，U1导通，U1的4脚输出为系统供电电平，使得后端三极管导通，继电器吸合，执行模拟信号的切换。此时，自锁光耦U3的1脚上的系统供电电压通过R3和R1回路到“地”，U3导通，U3的5脚和4脚导通，从而使得即使“切换确认信号”为“开：U1的2脚同样近似为“地”，U1恒导通，此时U2的导通状态已经无法控制U1，即“切换控制信号”可为“地”或“电源电压”，对U1的导通无影响，即对后级继电器模拟信号切换的状态无影响，后级继电器锁定到模拟信号切换状态，完成自锁功能。需要注意的是，C2电容需根据光耦的输入输出传输比确认释放电流，保证在U1初始导通的时间要能够使得U3光耦可靠导通，同“切换确认信号”配合，完成自锁切换功能。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，包括受余度切换信号控制的物理隔离开关组、信号处理模块A和信号处理模块B，其特征在于：所述物理隔离开关组分别和信号处理模块A、信号处理模块B连接；所述物理隔离开关组由余度切换信号和切换确认信号进行控制；

模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块A进行模拟信号处理；信号处理模块B作为从模块监控信号处理模块A工作，当信号处理模块B检测到模拟信号处理A模块存在故障或工作不正常时，信号处理模块B输出地模拟信号到物理隔离开关组，同时切换确认信号输入地确认信号到物理隔离开关组，物理隔离开关组切换线路，使得外部模拟信号通过物理隔离开关组输入到信号处理模块B进行模拟信号处理；此时若切换确认信号为开，则物理隔离开关组内部的自锁光耦已经导通并工作，并一直保持该状态，只有在作为备份工作的信号处理模块B从监控状态转换为工作状态时，才能触发模拟信号从A通道切换到B通道，在信号处理模块B在其他所有状态时，将模拟信号锁定到A通道，除非系统整体下电后恢复到初始切换状态；

所述物理隔离开关组包括若干个一一对应的自锁光耦和隔离开关，每个所述模拟信号都连接到一个独立的隔离开关，所有的隔离开关另一端分别均连接到信号处理模块A和信号处理模块B，每个所述自锁光耦一端共同连接到切换确认信号，每个自锁光耦另一端独立连接到一个隔离开关。

2.根据权利要求1所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，其特征在于：所述余度切换信号是由信号处理模块B发出的开控制模拟信号，在信号处理模块B不工作、不存在或不上电的时候，开控制模拟信号对物理隔离开关组为开状态。

3.根据权利要求2所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，其特征在于：所述开控制模拟信号输入到信号处理模块A进行模拟信号处理。

4.根据权利要求1所述的一种带自锁保护的模拟信号余度切换系统，其特征在于：所述自锁光耦包括三个光耦，切换控制信号通过电阻R4后接到前级光耦U2的阳极，前级光耦U2的集电极连接到输出光耦U1的阳极，前级光耦U2的阴极、发射极接地，前级光耦U2的基极接电源；

输出光耦U1的阳极还通过电阻R2连接到电源，输出光耦U1的阴极和自锁定光耦U3的集电极连接到一起共同连接到切换确认信号，输出光耦U1的集电极接电源，输出光耦U1的发射极通过电阻R3后连接到自锁定光耦U3的阳极，输出光耦U1的发射极通过电容C2连接到电源；

所述自锁定光耦U3的阴极通过电阻R1后和自锁定光耦U3的发射极共地；

以输出光耦U1的发射极作为输出信号。