CN113054965B - 一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，其包括光耦电路模块、低电平有效通路模块、高电平有效通路模块、滤波消抖模块、瞬态抑制模块和接线端子；光耦电路模块连接至低电平有效通路模块、高电平有效通路模块与低电平有效通路模块并联后共同连接至滤波消抖模块、滤波消抖模块连接至瞬态抑制模块、然后通过接线端子连接至外部高电平有效开关或者低电平有效开关。不论针对的是高电平有效开关还是低电平有效开关，本检测电路都可辨别开关处于闭合还是悬空状态，并且强弱电压隔离，满足车辆通用化和模块化设计需求。

Description

一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路
技术领域
本发明涉及模拟电路技术及电平信号检测技术领域，特别涉及一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路。
背景技术
重型车辆具有定制化、产量少和改型快的特点，各零部件厂商间并无统一标准，导致开关量信号有些为高电平有效，有些为低电平有效。其次，整车厂在安装按钮或外部开关时，有些接入电源，有些搭铁接入公共地，同样致使开关信号有些为高电平有效，有些为低电平有效。这些开关量电平的不同给硬件电路设计和程序编写带来困难，所以，需要一种可以区分高或低电平有效开关闭合和悬空状态的通用检测电路以满足当前通用车辆控制器对开关量状态检测的要求。
目前，为了解决同一电路不能兼容检测外部开关的高有效电平、低有效电平和悬空状态的问题，已有相关专利提出了解决方案，例如：
1、申请号为2012103387591，名称为“一种开关状态检测电路”的专利中，为了区分高低电平和悬空状态，增加一路高低电平周期性翻转电路，从而在开关状态检测的单片机I/O口输入端分别呈现电源电压、电源地和高低电平翻转信号的三种信号。但高低电平周期性翻转电路需要通过电阻连接至每个开关状态检测的单片机I/O口，不仅增加了布线难度，还占用了一个单片机I/O口资源；开关状态检测的单片机I/O口的扫描周期需要比高低电平周期性翻转电路的翻转周期快，才能区分输入端信号是高低翻转电平、高电平还是低电平，导致程序编写复杂。
2、申请号为2018105454615，名称为“一种可检测输入端口悬空和高低电平的电路”的中国专利中，将开关悬空状态上拉到介于电源电压和电源地之间的模拟电压值，利用单片机ADC口周期采样端口电压，从而区分开关接电源、开关接地和开关悬空三种状态。但该方法占用了单片机非常重要的ADC资源，且不能应用到无ADC的单片机上，同时增加了编程难度。
3、申请号为2012104409297，名称为“一种3状态控制信号输入IO电路”的中国专利中，在将开关悬空状态上拉到介于电源电压和电源地之间的模拟电压值的基础上，利用两个比较器将模拟量转换成数字IO电平信号。高电平输入对应两个比较器的输出为11，低电平输入对应两个比较器的输出为00，悬空输入对应两个比较器的输出为01，从而需要两个单片机IO口才能区分三种开关输入状态。因此，该方法不适用于开关量输入较多的场合，且比较器一般比较大，增大PCB面积。
综上，目前已有的方法仍存在电路复杂、耗费单片机资源和外部输入未隔离的不足，所以，亟需一个带隔离的IO口就能区分高有效开关或低有效开关闭合状态和悬空状态的通用电路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中检测开关悬空状态电路过于复杂和无高或低电平有效开关均适用的闭合和悬空状态检测电路的问题，提供一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，进而解决重型车辆行业通用控制器设计中不同电平开关的状态检测难题。
本发明一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，包括光耦电路模块、低电平有效通路模块、高电平有效通路模块、滤波消抖模块、瞬态抑制模块和接线端子；
所述光耦电路模块包括光耦、第二电阻、偏置电阻和第一电阻，所述光耦由发光二极管和光敏三极管组成，所述发光二极管与偏置电阻并联，发光二极管的阳极与第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端连接电源，发光二极管的阴极与偏置电阻连接后构成光耦电路模块的输出端；光敏三极管的集电极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端连接控制单元电源，光敏三极管的集电极还用于连接控制单元的IO口，光敏三极管的发射极与隔离地连接；
所述低电平有效通路模块包含二极管，二极管的阳极为低电平有效通路模块的输入端，二极管的阴极为低电平有效通路模块的输出端；
所述高电平有效通路模块包含NPN型晶体管、NPN型晶体管基极分压电路、NPN型晶体管发射极分压电路和PNP型晶体管；所述NPN型晶体管基极分压电路由第五电阻和第六电阻组成，第五电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端和NPN型晶体管的基极连接，第六电阻的第二端与公共地连接；所述NPN型晶体管发射极分压电路包括第七电阻、第八电阻和第二电容，NPN型晶体管发射极与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端与电源连接，NPN型晶体管发射极还与第八电阻的第一端连接，第八电阻的另一端与公共地连接，第二电容与第八电阻并联；NPN型晶体管的集电极与PNP型晶体管的基极连接，PNP型晶体管的发射极与光耦电路模块的输出端连接，PNP型晶体管的集电极与公共地连接；
所述滤波消抖模块包括第三电阻、第四电阻和第一电容，第三电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第三电阻的第二端与第四电阻的第一端连接，第三电阻的第二端还与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与公共地连接，第四电阻的第二端与接线端子连接，所述接线端子用于连接外部开关；
所述瞬态抑制模块为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管的输入端与第四电阻的第二端连接，瞬态抑制二极管的输出端与公共地连接。
当与接线端子连接的外部开关在悬空状态或接线端子未连接外部开关时，从电源出发的电流经过第二电阻，再主要经过偏置电阻，再经过低电平有效通路模块，再经过高电平有效通路模块的NPN型晶体管基极分压电路后回到公共地，经过发光二极管的电流不能使光耦导通；在第一电阻的上拉作用下，到控制单元IO口的电平为高电平；
当接线端子与低电平有效开关连接，且低电平有效开关处于闭合的状态，NPN型晶体管的基极与发射极间的电压差不能使其导通，从电源出发的电流经过第二电阻，再主要经过发光二极管，经过低电平有效通路模块，经过滤波消抖模块，经过接线端子，经过外部低电平有效开关回到公共地，高电平有效通路模块将失效；经过发光二极管的电流使光耦导通，在光敏三极管的下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平；
当接线端子与高电平有效开关连接，且高电平有效开关处于闭合的状态，低电平有效通路模块中二极管的阴极电压大于阳极电压，低电平有效通路模块失效；第一路电流从电源出发，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管发射极分压电路回流到公共地，得到NPN型晶体管发射极电压；第二路电流从电源出发，经过高电平有效开关，经过接线端子，经过滤波消抖模块，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管基极分压电路回流到公共地，NPN型晶体管的基极与发射极间的电压差使其导通；第三路电流从NPN型晶体管基极分压电路出发，经过NPN型晶体管的基极，经过NPN型晶体管的发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时NPN型晶体管处于放大区；第四路电流从电源出发，经过第二电阻，再主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管基极，再经过NPN型晶体管集电极，再经过NPN型晶体管发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时PNP型晶体管处于放大区；第五路电流从电源出发，主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管集电极回到公共地；经过发光二极管的电流使光耦导通，在光耦的光敏三极管下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平。
进一步，所述电源电压为+26±4V，所述第一电阻为4700欧姆或者10000欧姆；所述第二电阻为4000欧姆，所述偏置电阻为1000欧姆，所述发光二极管的钳位电压为1V，所述滤波消抖模块的截止频率小于1kHz，第三电阻和第四电阻的阻值小于100欧姆；
所述高电平有效通路模块中的NPN型晶体管基极分压电路的分压值与NPN型晶体管发射极分压电路的分压值的差值范围在外部开关悬空状态下为0V-0.5V，在开关闭合状态下大于0.7V；在外部高电平有效开关闭合状态时，高电平有效通路模块中的NPN型晶体管处于放大区；NPN型晶体管基极分压电路与NPN型晶体管发射极分压电路在外部开关为悬空状态或未接外部开关时的漏电流分别为1mA。
本发明的有益效果：
本发明一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，当接线端子未连接外部开关或外部开关在悬空状态时，到控制单元IO口的电平为高电平；无论接线端子连接的外部开关为高电平有效开关还是低电平有效开关，当外部开关在闭合状态时，到控制单元IO口的电平为低电平。因此不论针对的是高电平有效开关还是低电平有效开关，本检测电路都可辨别开关处于闭合还是悬空状态，并且强弱电压隔离，满足车辆通用化和模块化设计需求。
附图说明
图1为本发明一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路图。
图2为本发明检测电路的电路参数配置图。
图3为本发明检测电路在外部开关处于悬空状态时的电流流向图。
图4为本发明检测电路在连接的低电平有效开关闭合状态时的电流流向图。
图5为本发明检测电路在连接的高电平有效开关闭合状态时的电流流向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例中一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路1，其包括光耦电路模块11、低电平有效通路模块13、高电平有效通路模块12、滤波消抖模块14、瞬态抑制模块16和接线端子15。
所述光耦电路模块包括光耦、第二电阻R2、偏置电阻Rb和第一电阻R1，所述光耦由发光二极管和光敏三极管组成，所述发光二极管与偏置电阻并联，发光二极管的阳极与第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端连接电源，发光二极管的阴极与偏置电阻连接后构成光耦电路模块的输出端；光敏三极管的集电极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端连接控制单元电源，光敏三极管的集电极还用于连接控制单元的IO口，光敏三极管的发射极与隔离地连接。
所述低电平有效通路模块包含二极管D1，二极管的阳极为低电平有效通路模块的输入端，二极管的阴极为低电平有效通路模块的输出端。
所述高电平有效通路模块包含NPN型晶体管Q1、NPN型晶体管基极分压电路、NPN型晶体管发射极分压电路和PNP型晶体管Q2。所述NPN型晶体管基极分压电路由第五电阻R5和第六电阻R6组成，第五电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端和NPN型晶体管的基极连接，第六电阻的第二端与公共地连接。所述NPN型晶体管发射极分压电路包括第七电阻R7、第八电阻R8和第二电容C2，NPN型晶体管发射极与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端与电源连接，NPN型晶体管发射极还与第八电阻的第一端连接，第八电阻的另一端与公共地连接，第二电容与第八电阻并联。NPN型晶体管的集电极与PNP型晶体管的基极连接，PNP型晶体管的发射极与光耦电路模块的输出端连接，PNP型晶体管的集电极与公共地连接。
所述滤波消抖模块包括第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1，第三电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第三电阻的第二端与第四电阻的第一端连接，第三电阻的第二端还与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与公共地连接，第四电阻的第二端与接线端子连接，所述接线端子用于连接外部开关。
所述瞬态抑制模块为瞬态抑制二极管T1，其作用为吸收外部开关的瞬态电压冲击。瞬态抑制二极管的输入端与第四电阻的第二端连接，瞬态抑制二极管的输出端与公共地连接。
本实施例中，所述接线端子15连接的外部开关可以为高电平有效开关，也可以为低电平有效开关。
本实施例中，电源电压为+26±4V，控制单元电源电压为+3.3V。配置光耦为PS2501，第一电阻R1为4700欧姆或者10000欧姆；配置第二电阻R2为4000欧姆，第二电阻R2的作用是限制流过光耦的发光二极管的电流小于10mA；配置发光二极管的偏置电阻Rb为1000欧姆，此偏置电阻Rb的作用是当外部开关处于悬空状态时，让发光二极管流过很少的电流，保证光耦不导通；当光耦导通时，由于发光二极管的钳位电压为1V，所以流过发光二极管的偏置电阻的电流恒为1mA，即外部开关处于闭合状态时，偏置电阻不会过多分流发光二极管的导通电流，从而提高电路的稳定性和可靠性。
由于一般开关抖动时间大约为5ms-10ms，配置滤波消抖模块14的截止频率小于1kHz，配置第三电阻R3和第四电阻R4的阻值为60欧姆，第一电容C1的值为3uF。
本实施例中NPN型晶体管Q1的型号为MMBT5551，PNP型晶体管Q2的型号为MMBT5401。低电平有效通路模块13中的二极管的型号为1N4148，瞬态抑制模块16中的瞬态抑制二极管的型号为SMBJ30CA。
为了区分外部开关为悬空状态还是闭合状态，配置高电平有效通路模块12中的NPN型晶体管Q1基极分压电路的分压值与NPN型晶体管Q1发射极分压电路的分压值的差值范围在悬空状态下为0V-0.5V，在开关闭合状态下大于0.7V，即保证在外部开关为悬空状态时，高电平有效通路模块12中的NPN型晶体管Q1处于截止区；在外部高电平有效开关为闭合状态时，高电平有效通路模块12中的NPN型晶体管Q1处于放大区。为了降低电路的漏电流，配置NPN型晶体管Q1基极分压电路与NPN型晶体管Q1发射极分压电路在外部开关为悬空状态或未接外部开关时的漏电流分别为1mA，所以，配置第五电阻R5的阻值为15000欧姆和第六电阻R6的阻值为4000欧姆；配置第七电阻R7的阻值为20000欧姆、第八电阻R8的阻值为4000欧姆和第二电容C2的阻值为0.1uF。
下面结合说明书附图3、4和5，说明高或低电平有效开关在悬空状态和闭合状态下的电流流向。
情况1：当与接线端子连接的外部开关在悬空状态或接线端子未连接外部开关时，电流的主要流向如说明书附图3中细虚线所示，从电源+26±4V出发的电流经过第二电阻R2，再主要经过偏置电阻Rb，再经过低电平有效通路模块，再经过高电平有效通路模块的NPN型晶体管基极分压电路后回到公共地。由于此情况下，电流漏电流大约为1mA，只有非常少的电流流过发光二极管，因此经过发光二极管的电流不能使光耦导通。所以，在第一电阻R1的上拉作用下，到控制单元IO口的电平为高电平。
情况2：当接线端子与低电平有效开关连接，且低电平有效开关处于闭合的状态，NPN型晶体管的基极与发射极间的电压差不能使其导通，电流的主要流向如说明书附图4中粗虚线所示，电流从电源出发经过第二电阻，再主要经过发光二极管，再经过低电平有效通路模块，再经过滤波消抖模块，再经过接线端子，再经过外部低电平有效开关回到公共地；由于绝大部分电流经滤波消抖模块和低电平有效开关回流到地，所以高电平有效通路模块失效；经过发光二极管的电流使光耦导通，在光敏三极管的下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平。
情况3：当接线端子与高电平有效开关连接，且高电平有效开关处于闭合的状态，低电平有效通路模块中二极管的阴极电压大于阳极电压，低电平有效通路模块失效。如说明书附图5中虚线①所示，第一路电流从电源出发，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管发射极分压电路回流到公共地，得到NPN型晶体管发射极电压；如说明书附图5中虚线②所示，第二路电流从电源出发，经过高电平有效开关，经过接线端子，经过滤波消抖模块，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管基极分压电路回流到公共地；此时NPN型晶体管基极分压电路的分压值在电源电压+26±4V直接作用下将升高，致使NPN型晶体管的基极电压比发射极电压高0.7V，NPN型晶体管导通。在NPN型晶体管导通情况下，如说明书附图5中虚线③所示，第三路电流从NPN型晶体管基极分压电路出发，经过NPN型晶体管的基极，经过NPN型晶体管的发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时NPN型晶体管处于放大区。在NPN型晶体管Q1处于放大区状态，如说明书附图5中虚线④所示，第四路电流从电源出发，经过第二电阻，再主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管基极，再经过NPN型晶体管集电极，再经过NPN型晶体管发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时PNP型晶体管处于放大区。在PNP型晶体管处于放大区状态，经过两级放大后，流过PNP型晶体管Q2的电流被大幅放大。所以如说明书附图5中粗虚线⑤所示，第五路电流从电源出发，主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管集电极回到公共地。经过发光二极管的电流使光耦导通，在光耦的光敏三极管下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平。
所以，当接线端子未连接外部开关或外部开关在悬空状态时，到控制单元IO口的电平为高电平；无论接线端子连接的外部开关为高电平有效开关还是低电平有效开关，当外部开关在闭合状态时，到控制单元IO口的电平为低电平。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，其特征在于：包括光耦电路模块、低电平有效通路模块、高电平有效通路模块、滤波消抖模块、瞬态抑制模块和接线端子；
所述光耦电路模块包括光耦、第二电阻、偏置电阻和第一电阻，所述光耦由发光二极管和光敏三极管组成，所述发光二极管与偏置电阻并联，发光二极管的阳极与第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端连接电源，发光二极管的阴极与偏置电阻连接后构成光耦电路模块的输出端；光敏三极管的集电极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端连接控制单元电源，光敏三极管的集电极还用于连接控制单元的IO口，光敏三极管的发射极与隔离地连接；
所述低电平有效通路模块包含二极管，二极管的阳极为低电平有效通路模块的输入端，二极管的阴极为低电平有效通路模块的输出端；
所述高电平有效通路模块包含NPN型晶体管、NPN型晶体管基极分压电路、NPN型晶体管发射极分压电路和PNP型晶体管；所述NPN型晶体管基极分压电路由第五电阻和第六电阻组成，第五电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端和NPN型晶体管的基极连接，第六电阻的第二端与公共地连接；所述NPN型晶体管发射极分压电路包括第七电阻、第八电阻和第二电容，NPN型晶体管发射极与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端与电源连接，NPN型晶体管发射极还与第八电阻的第一端连接，第八电阻的另一端与公共地连接，第二电容与第八电阻并联；NPN型晶体管的集电极与PNP型晶体管的基极连接，PNP型晶体管的发射极与光耦电路模块的输出端连接，PNP型晶体管的集电极与公共地连接；
所述滤波消抖模块包括第三电阻、第四电阻和第一电容，第三电阻的第一端与低电平有效通路模块的输出端连接，第三电阻的第二端与第四电阻的第一端连接，第三电阻的第二端还与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与公共地连接，第四电阻的第二端与接线端子连接，所述接线端子用于连接外部开关；
所述瞬态抑制模块为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管的输入端与第四电阻的第二端连接，瞬态抑制二极管的输出端与公共地连接；
当与接线端子连接的外部开关在悬空状态或接线端子未连接外部开关时，从电源出发的电流经过第二电阻，再主要经过偏置电阻，再经过低电平有效通路模块，再经过高电平有效通路模块的NPN型晶体管基极分压电路后回到公共地，经过发光二极管的电流不能使光耦导通；在第一电阻的上拉作用下，到控制单元IO口的电平为高电平；
当接线端子与低电平有效开关连接，且低电平有效开关处于闭合的状态， NPN型晶体管的基极与发射极间的电压差不能使其导通，从电源出发的电流经过第二电阻，再主要经过发光二极管，再经过低电平有效通路模块，再经过滤波消抖模块，再经过接线端子，再经过外部低电平有效开关回到公共地，高电平有效通路模块将失效；经过发光二极管的电流使光耦导通，在光敏三极管的下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平；
当接线端子与高电平有效开关连接，且高电平有效开关处于闭合的状态，低电平有效通路模块中二极管的阴极电压大于阳极电压，低电平有效通路模块失效；第一路电流从电源出发，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管发射极分压电路回流到公共地，得到NPN型晶体管发射极电压；第二路电流从电源出发，经过高电平有效开关，经过接线端子，经过滤波消抖模块，经过高电平有效通路模块中的NPN型晶体管基极分压电路回流到公共地，NPN型晶体管的基极与发射极间的电压差使其导通；第三路电流从NPN型晶体管基极分压电路出发，经过NPN型晶体管的基极，经过NPN型晶体管的发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时NPN型晶体管处于放大区；第四路电流从电源出发，经过第二电阻，再主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管基极，再经过NPN型晶体管集电极，再经过NPN型晶体管发射极，经过第八电阻回流到公共地，此时PNP型晶体管处于放大区；第五路电流从电源出发，主要经过发光二极管，再经过PNP型晶体管发射极，再经过PNP型晶体管集电极回到公共地；经过发光二极管的电流使光耦导通，在光耦的光敏三极管下拉作用下，到控制单元IO口的电平为低电平。
2.根据权利要求1所述的车辆高低电平有效开关闭合和悬空状态的检测电路，其特征在于：
所述电源电压为+26±4V，控制单元电源电压为+3.3V；所述第一电阻为4700欧姆或者10000欧姆；所述第二电阻为4000欧姆，所述偏置电阻为1000欧姆，所述发光二极管的钳位电压为1V，所述滤波消抖模块的截止频率小于1kHz，第三电阻和第四电阻的阻值小于100欧姆；
所述高电平有效通路模块中的NPN型晶体管基极分压电路的分压值与NPN型晶体管发射极分压电路的分压值的差值范围在外部开关悬空状态下为0V - 0.5V，在开关闭合状态下大于0.7V；在外部高电平有效开关闭合状态时，高电平有效通路模块中的NPN型晶体管处于放大区；NPN型晶体管基极分压电路与NPN型晶体管发射极分压电路在外部开关为悬空状态或未接外部开关时的漏电流分别为1mA。
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