CN112834957B - 一种具有断线检测功能的信号转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种具有断线检测功能的信号转换装置，包括外部开关；与外部开关并联的跨接电阻；与外部开关和跨接电阻并联后的电路串联的第一信号输出线路；与第一信号输出线路并联的第二信号输出线路，其包括充电电阻；与充电电阻串联的充电电容；隔离式数字输入接收器，其与充电电容器并联，通过引脚与充电电阻串联，通过输入引脚与第一电阻串联后与从引脚接入的线路并联后与充点电阻串联；光敏晶体管的一端与隔离式数字输入接收器的接地引脚电连接，另一端与直流供电电源连接，光敏晶体管上输入有脉冲电压，基于第一信号输出线路的输出端和第二信号输出线路的输出端输出的电压情况确定通过外部开关连接的待检测线路的检测结果。

Description

一种具有断线检测功能的信号转换装置
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，特别涉及一种具有断线检测功能的信号转换装置。
背景技术
随着近年来自动化技术的应用发展，可编程逻辑控制器(PLC)可应用的环境越来越广泛。船舶主机遥控及安保系统作为主机控制的核心自动化系统，在控制的可靠性上具有较高的要求，因此其安保控制系统的输入、输出模块可能需要配备断线检测功能，以避免在传感器线路故障的情况下，系统遗失对传感器故障数据的监测，从而成为引发安全保护的漏洞，造成功能障碍和保护失效。
当前船舶主机遥控及安保系统的断线检测功能，主要基于其定制化硬件的特殊通道，通过FPGA接口模块的模拟量输入通道设计，完成外部信号的采集及断线状态的识别，此类硬件基本依赖进口，且应用场景和通道数量比较固定。
当前船用主机遥控安保系统所采用的硬件，基本被国外主流遥控配套厂家的自有硬件所垄断，可拓展优化的空间较小，且成本一般较为昂贵。另有部分控制器直接采用0-20mA模拟量电流输入模块作为断线检测模块应用，但由于对每种类型的外部输入需要单独计算特定的通断电阻，以使断线电流和信号电流均运行在0-20mA的范围内，导致系统设计效率较低，材料成本高且无法普遍应用。由于断线检测功能对船舶安保控制有及其重要的意义，而大部分主流逻辑控制的硬件产品无法直接满足信号和断线同步检测的功能，无法应用到该领域实现逻辑控制。
发明内容
本发明实施例提供了一种能够适用于大部分可编程控制器的开关量输入模块，能够弥补常规控制器断线检测功能的缺失的具有断线检测功能的信号转换装置。
本发明实施例提供的具有断线检测功能的信号转换装置，包括：
外部开关，其用以连接待检测线路；
跨接电阻，其与所述外部开关并联设置且所述跨接电阻的阻值处于预设阻值范围内；
第一信号输出线路，其与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；
第二信号输出线路，其与所述第一信号输出线路并联设置，包括：
充电电阻；
充电电容，其与所述充电电阻串联设置；
隔离式数字输入接收器，其与所述充电电容器并联，并通过引脚与所述充电电阻串联，且所述隔离式数字输入接收器通过输入引脚与第一电阻串联后与从所述引脚接入的线路并联后与所述充点电阻串联设置；
光敏晶体管，其一端与所述隔离式数字输入接收器的接地引脚电连接，另一端与直流供电电源连接，所述光敏晶体管上被输入有用以进行断线检测的脉冲电压，其中，所述供电电源与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；
其中，在所述外部开关连接待检测线路后，基于所述第一信号输出线路的输出端输出的电压情况和所述第二信号输出线路的输出端输出的电压情况确定所述待检测线路的检测结果。
在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于闭合状态，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出所述直流供电电源的电压；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端以与所述脉冲电压的脉冲周期输出所述脉冲电压的电压。
在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路未断路，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出的电压小于预设电压；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出所述充点电容放电时产生的电压。
在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路断路，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出的电压为零；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出的电压为零。
在本发明的一些实施例中，所述直流供电电源的电压为24V；
所述脉冲电压的电压为5V。
在本发明的一些实施例中，所述预设阻值范围为100kΩ～1MΩ；
所述预设电压100μV。
本发明实施例提供的具有断线检测功能的信号转换装置，具有以下优点：其能够实时检测无源触点开关、压力开关变送器、霍尔式接近开关的传感器线路状态，并向输出传感器及其断线检测状态的逻辑电平信号，从而实现对传感器及开关量输入的断线检测，且同时该断线检测输出方式适用于大部分可编程控制器的开关量输入模块，能够弥补常规控制器断线检测功能的缺失，拓展可编程逻辑控制器的应用场景和领域。本发明结构简单，仅包含电容、隔离式数字输入接收器、电阻、光耦、光敏晶体管等主流元件、器件较少，可选型号广泛且可靠性高，并能精准输出传感器信号和断线检测信号状态，也就是，采用经济型元件，降低功能实现成本，打破产业垄断。
附图说明
图1为本发明实施例的具有断线检测功能的信号转换装置的原理图；
图2为本发明实施例的具有断线检测功能的信号转换装置的输出状态为第一状态时的逻辑输出时序图；
图3为本发明实施例的具有断线检测功能的信号转换装置的输出状态为第二状态时的逻辑输出时序图；
图4为本发明实施例的具有断线检测功能的信号转换装置的输出状态为第三状态时的逻辑输出时序图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
在本说明书中可使用词组“在一种实施例中”、“在另一实施例中”、“在又一实施例中”、“在一实施例中”、“在一些实施例中”或“在其它实施例中”，均可指代根据本发明的相同或不同实施例中的一个或多个。
此后参照附图描述本发明的具体实施例；然而，应当理解，所发明的实施例仅仅是本发明的实施例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详尽描述以根据用户的历史的操作，判明真实的意图，避免不必要或多余的细节使得本发明模糊不清。因此，本发明的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样性地使用本发明。
本发明实施例提供了一种具有断线检测功能的信号转换装置，包括外部开关、跨接电阻、第一信号输出线路，第二信号输出线路，光敏晶体管和直流供电电源，具体地，所述外部开关用以连接待检测线路；所述跨接电阻与所述外部开关并联设置且所述跨接电阻的阻值处于预设阻值范围内；所述第一信号输出线路与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；所述第二信号输出线路与所述第一信号输出线路并联设置，包括有充电电阻，与所述充电电阻串联设置的充电电容以及隔离式数字输入接收器，所述隔离式数字输入接收器与所述充电电容器并联，并通过引脚与所述充电电阻串联，且所述隔离式数字输入接收器通过输入引脚与第一电阻串联后，与从所述引脚接入的线路并联后与所述充点电阻串联设置，同时，所述隔离式数字输入接收器具有精确电流限制，不需要现场侧电源，并可配置为拉电流或灌电流输入。；所述光敏晶体管的一端与所述隔离式数字输入接收器的接地引脚电连接，另一端与直流供电电源连接，所述光敏晶体管上被输入有用以进行断线检测的脉冲电压，其中，所述供电电源与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；其中，在所述外部开关连接待检测线路后，基于所述第一信号输出线路的输出端输出的电压情况和所述第二信号输出线路的输出端输出的电压情况确定所述待检测线路的检测结果。也就是，根据信号回路中的电流值情况，判断当前的待检测电路(如传感器线路)连通状态，并对断线检测的判断结果进行逻辑输出，输出为周期性波动(如5V/0V)电位信号(线路正常)、或0V信号常值(断线状态)；无源触点类信号跨接电阻，用以在触点断开的状态下保持最小通路电流。
具体地，在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于闭合状态，则，所述第一信号输出线路的输出端输出所述直流供电电源的电压；所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端以与所述脉冲电压的脉冲周期输出所述脉冲电压的电压。
在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路未断路，则，所述第一信号输出线路的输出端输出的电压小于预设电压；所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出所述充点电容放电时产生的电压。
在本发明的一些实施例中，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路断路，则，所述第一信号输出线路的输出端输出的电压为零；所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出的电压为零。
为了能够更好的对上述实施例进行说明，下面以示例进行说明，具体可参见图1所示，其中，RM为高阻值开关跨接电阻(能够适用于无源触点，阻值100kΩ～1MΩ，此实例中取值100kΩ)，RT为充电电阻，并与电阻RS共同作用为隔离式数字输入接收器的输入限流电阻，CH为充电电容，隔离式数字输入接收器采用ISO1212，光敏晶体管采用OPT1，同时，SOut为第一信号输出线路的信号输出端，SBreak为第二信号输出线路的信号输出端，PH为用以进行断线检测的脉冲输入信号，具体地，脉冲电压为5V脉冲，所述直流供电电源的电压为24V。
此时，该具有断线检测功能的信号转换装置的输出状态根据逻辑判断结果可分为以下三种状态：
第一种状态，所述外部开关处于闭合状态，则，输入至第一信号输出线路和第二信号输出线路的电压为高电平，具体可参见图2所示；
在这种状态下，输入电压接近于24V，并直接发送给信号输出SOut端，当断线检测脉冲PH为低电平时(0V)，ISO1212与负极的连接断开，输出SBreak为低电平；当脉冲PH恢复高电平时(5V)，ISO1212与地接通，输出SBreak恢复为高电平输出。
第二种状态，所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路未断路，则，输入至第一信号输出线路和第二信号输出线路的电压为低电平，具体可参见图3所示；
在这种状态下，输入电流IOff很小(具体可能处于10～100μA)，此时不足以驱动ISO1212，进而输出SOut接近于0V(也就是，设置所述预设电压100μV，当然，也可能更小)，SBreak为5V，当PH为低电平时，ISO1212与负极无法导通，没有电流流通，因此IOff将为电容CH充电至22V(由于外部负载RM无法充电至24V)，当PH恢复为高电平时，ISO1212与负极导通，电容CH放电，输出SBreak由于电容CH放电存在短时低电平，而后随电容放电结束恢复为低电平。
第三种状态，所述外部开关处于断开状态，且所述待检测电路断路，具体可参见图4所示，
在这种状态下，输入电流IOff为0，无法为电容CH充电，输出SOut接近于0V，亦为低电平，因此SBreak将不再有信号波动，从而判断为断线状态。
进而可见，以上三种运行状态，实现了传感器信号，断线状态的不同工况逻辑判断，并进行了清晰的逻辑输出，且逻辑功能输出为控制电路常用的电平信号，从而实现了信号到具有断线检测标志的逻辑信号的转换。
本发明上述实施例提供的具有断线检测功能的信号转换装置可实时周期性检测线路断线状态，同时保障信号采集不受断线识别的干扰。经过测试，应用本发明可精确检测不低于14.9V的数字量输入信号的断线状态。
故此可见，本发明上述实施例提供的具有断线检测功能的信号转换装置能够实时检测无源触点开关、压力开关变送器、霍尔式接近开关的传感器线路状态，并向输出传感器及其断线检测状态的逻辑电平信号，从而实现对传感器及开关量输入的断线检测，且同时该断线检测输出方式适用于大部分可编程逻辑控制器的数字量输入模块。本发明结构简单，仅包含电容、隔离式数字输入接收器、电阻、光耦、光敏晶体管等主流元件、器件较少，可选型号广泛且可靠性高，并能精准输出传感器信号和断线检测信号状态，也就是，采用经济型元件，降低功能实现成本，打破产业垄断。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，包括：
外部开关，其用以连接待检测线路；
跨接电阻，其与所述外部开关并联设置且所述跨接电阻的阻值处于预设阻值范围内；
第一信号输出线路，其与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；
第二信号输出线路，其与所述第一信号输出线路并联设置，包括：
充电电阻；
充电电容，其与所述充电电阻串联设置；
隔离式数字输入接收器，其与所述充电电容并联，并通过第一输入引脚与所述充电电阻串联，且所述隔离式数字输入接收器通过第二输入引脚与第一电阻串联后与从所述第一输入引脚接入的线路并联后，与所述充电电阻串联设置；
光敏晶体管，其一端与所述隔离式数字输入接收器的接地引脚电连接，另一端与直流供电电源连接，所述光敏晶体管上被输入有用以进行断线检测的脉冲电压，其中，所述供电电源与所述外部开关和所述跨接电阻并联后的电路串联设置；
其中，在所述外部开关连接待检测线路后，基于所述第一信号输出线路的输出端输出的电压情况和所述第二信号输出线路的输出端输出的电压情况确定所述待检测线路的检测结果。
2.根据权利要求1所述的具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，若所述外部开关处于闭合状态，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出所述直流供电电源的电压；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端以与所述脉冲电压的脉冲周期输出所述脉冲电压的电压。
3.根据权利要求1所述的具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测线路未断路，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出的电压小于预设电压；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出所述充电电容放电时产生的电压。
4.根据权利要求1所述的具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，若所述外部开关处于断开状态，且所述待检测线路断路，则，
所述第一信号输出线路的输出端输出的电压为零；
所述第二信号输出线路通过所述隔离式数字输入接收器的输出端输出的电压为零。
5.根据权利要求1所述的具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，
所述直流供电电源的电压为24V；
所述脉冲电压的电压为5V。
6.根据权利要求3所述的具有断线检测功能的信号转换装置，其特征在于，
所述预设阻值范围为100kΩ～1MΩ；
所述预设电压100μV。
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