CN113741290A - 一种i/o实时监控电路及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种I/O实时监控电路，其包括电源、电流镜电路以及I/V转换电路，其中，电流镜电路包括电流输入单元和电流输出单元，组合按键为多个按键或开关的并联结构，每个按键或开关对应的支路上串接一检测电阻，电流输入单元、电源以及组合按键串联构成第一回路，电源、I/V转换电路以及电流输出单元构成第二回路，I/V转换电路的输出端作为ADC检测端口。本发明可以实现检测多个按键(开关)同时接通的情况。

Description

一种I/O实时监控电路及监控方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种I/O实时监控电路及监控方法。

背景技术

现有的使用多通道信号混合输入，常常通过继电器进行主备切换，并使用MCU的PWM信号控制电子开关对继电器的主备切换进行控制，这种方式下，容易在MCU出现故障时，PWM信号可能还是正常输出，所以，这种情况下，无法知晓MCU的状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种I/O实时监控电路及监控方法，其通过软件生成脉冲信号，可监控主通道信号是否正常的同时，还可以监控MCU的状态，实现最低成本下的有效监控。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例第一方面公开了一种I/O实时监控电路，用于监控MCU的工作状态，所述I/O实时监控电路包括调理电路、开关电路、继电器电路以及辅助电源，所述调理电路的输入端连接至MCU的GPIO端口，所述调理电路的输出端连接至开关电路的控制端，所述继电器电路包括线圈、常开触点和常闭触点，所述线圈的第一端连接至辅助电源，所述线圈的第二端连接至开关电路的输入端，所述开关电路的输出端接地，所述常开触点和常闭触点分别连接至主通道信号和备用通道信号，所述MCU的GPIO端口通过MCU内部定时器输出脉冲信号，所述脉冲信号经由所述调理电路形成驱动信号，以驱动所述开关电路工作在第一状态，在所述第一状态下，所述常开触点与继电器电路的公共触点连接。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述调理电路包括检波电路和积分电路，所述检波电路的输入端连接至所述MCU的GPIO端口，所述积分电路的输入端和输出端分别连接至检波电路的输出端以及所述控制端。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述检波电路包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的阴极和二极管D2的阳极均连接至所述MCU的GPIO端口，所述二极管D1的阳极接地，所述二极管D2的阴极连接至所述积分电路的输入端。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述积分电路包括电容C2和电阻R2，所述电阻R2的两端分别连接至所述二极管D2的阴极以及所述控制端，所述电容C2的一端连接至所述二极管D2的阴极和电阻R2之间，所述电容C2的另一端接地。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述调理电路还包括隔直电路，所述隔直电路包括电容C1，所述电容C1的一端连接至所述MCU的GPIO端口，所述电容C1的另一端连接至所述检波电路的输入端。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述调理电路还包括限流电路，所述限流电路包括电阻R1，所述电阻R1连接至电容C1和所述MCU的GPIO端口之间。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述I/O实时监控电路还包括续流二极管，所述续流二极管的阳极和阴极分别连接至所述线圈的第二端和第一端。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述继电器包括第一继电器电路和第二继电器电路，所述第二继电器电路为一个或多个，所述第一继电器电路的公共触点连接至主音箱，所述第二继电器电路的公共触点连接至对应的副音箱，所述副音箱的数量与第二继电器电路的数量相匹配。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述开关电路为NPN三极管，所述NPN三极管的基极、集电极以及发射极分别对应开关电路的控制端、输入端和输出端。

本发明实施例第二方面公开了采用本发明实施例第一方面所述的I/O实时监控电路实现MCU的监控方法，其包括以下步骤：

启动所述MCU，使得所述MCU的GPIO端口通过MCU内部定时器输出脉冲信号；

通过所述调理电路接收所述脉冲信号，并对所述脉冲信号进行调理，形成驱动信号，以驱动所述开关电路工作在第一状态，此时，所述常开触点与继电器电路的公共触点连接，主通道信号输出至公共触点；

当备用通道信号输出至公共触点时，判断所述开关电路工作在第二状态，此时，确定所述MCU的状态为故障；

所述第一状态为开关状态，所述第二状态为截至状态。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过MCU的GPIO端口利用MCU内部的定时器输出脉冲信号，进而驱动开关电路处于第一状态，使得继电器侧的主通道信号处于工作状态，可监控主通道信号是否正常，并在主通道信号未输出的情况下，可进一步判断MCU处于故障状态，从而实现在最低成本下对MCU以及主通道信号的有效监控。

附图说明

图1为本发明实施例的I/O实时监控电路的电路原理图；

图2为第一继电器电路的公共触点的连接电路原理图；

图3为第二继电器电路的公共触点的连接电路原理图；

图4为变压器与备用通道信号的连接电路原理图；

图5为继电器电路的常闭触点与变压器的连接电路原理图；

图6为MCU实时监控方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。除特殊说明的之外，本实施例中所采用到的材料及设备均可从市场购得。实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解对本申请的限制。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

请参照图1所示，一种I/O实时监控电路，其主要包括调理电路、开关电路、以及继电器电路，其中，继电器电路主要用于主备通道信号的切换，调理电路的输入端连接至MCU的GPIO端口(CONT1端)，调理电路的输出端连接至开关电路的控制端，继电器电路的线圈的第一端和第二端分别连接至辅助电源以及开关电路的输入端，开关电路的输出端接地，继电器电路的常开触点与主通道信号连接，继电器电路的常闭触点与其他信号(例如备用通道信号)连接。

当MCU的GPIO输出一定频率的脉冲信号后，经由调理电路的调理，形成驱动信号，来驱动开关电路工作在第一状态，该第一状态为饱和截至状态，即开关电路处于饱和和截至的循环交替状态。当开关电路工作在第一状态的饱和状态时，开关电路的输入端和输出端连通，辅助电源通过继电器线圈(继电器电路的线圈)和开关电路后接地，形成回路，使得继电器线圈励磁，继电器电路的常开触点与公共触点连接，主通道信号输出；当开关电路工作在第一状态的截至状态时且在截至状态的持续时间小于继电器线圈的最小释放时间时，则虽然开关电路处于截至状态，但是继电器电路来不及断开常开触点和公共触点的连接，开关电路就会处于饱和状态，使得继电器电路的常开触点和公共触点的不间断连接，从而在一定程度上，可以降低电路的功耗。

在发明实施例中，作为一种示例，主通道信号可以是实时音频信号，例如会议等中通过拾音设备获取的音频信号、通过广播发送的音频信号等，当然，主通道信号也可以是存储的音频信号，例如听力考试等中的音频播放信号。公共触点可以是连接的音箱，以接收主通道信号或备用通道信号。备用通道信号可以是定压备份音频信号，一般是在主通道信号出现故障时，例如电源故障或者主通道信号的信号源故障等，则切换到备用通道信号上，使得事先存储的外部定压信号例如定压音频信号输出。

在本发明较佳的实施例中，继电器电路可以有多个，例如包括一个第一继电器电路(由继电器K1构成)和一个或多个第二继电器电路(由继电器K2构成)，其中，第一继电器电路和第二继电器电路的线圈的两端(第一端和第二端)均分别连接至辅助电源和开关电路的输入端，第一继电器电路的常开触点连接的备用通道信号(称为第一备用通道信号)以及第二继电器电路的常开触点连接的备用通道信号(称为第二备用通道信号)可以是相同的信号源，也可以是不同的信号源，对于不通的第二备用通道信号亦是如此。例如，请参照图4和图5所示，本发明第一备用通道信号和第二备用通道信号使用相同的信号源，均为事先存储的外部定压信号，例如备份的外部定压音频信号，外部定压信号经由变压器做升压或降压变换后，连接至第一继电器电路的常开触点(继电器K1的AMP+和AMP-)和第二继电器电路的常开触点(继电器K2的AMP+和AMP-)。

第一继电器电路的常闭触点连接的主通道信号(称为第一主通道信号)以及第二继电器电路的常开触点连接的主通道信号(称为第二主通道信号)可以是相同的信号源，也可以是不同的信号源，对于不通的第二主通道信号亦是如此。例如，请参照图1所示，示出了不同主通道信号的情形，第一主通道信号为SPEAK1+和SPEAK1-，第二主通道信号为SPEAK2+和SPEAK2-。

请参照图2和3所示，第一继电器电路的公共触点(也即是第一继电器电路的输出端SPK1+和SPK1-)连接至主音箱，使用主音箱来接收第一主通道信号或第一备用通道信号；第二继电器电路的公共触点(也即是第二继电器电路的输出端SPK2+和SPK2-)连接至副音箱，使用副音箱来接收第二主通道信号或第二备用通道信号，可以理解的是，当存在多个第二继电器电路时，则对应配置有相同数量的副音箱。

继电器电路的线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势，当线圈电流消失时，该感应电动势就会在电路中产生反向电压，当反向电压高于开关电路的反向击穿电压时，就会将开关电路击穿，造成开关电路的损坏，因此，可以通过续流二极管将线圈产生的感应电动势释放掉，续流二极管反向并接于继电器电路的线圈的两端，即续流二极管的阴极连接到线圈的第一端，续流二极管的阳极连接到线圈的第二端，当存在多个继电器电路时，请参照图1所示，续流二极管(D3)的阴极连接至所有继电器电路的线圈的第一端(辅助电源侧)，续流二极管(D3)的阳极连接至所有继电器电路的线圈的第二端(开关电路的输入端侧)。

请参照图1所示，调理电路主要包括检波电路和积分电路，其中，检波电路主要用于对输入信号进行检波，形成脉动的直流。检波电路包括二极管D1和二极管D2，其中，二极管D1的阴极和二极管D2的阳极均连接至所述MCU的GPIO端口，所述二极管D1的阳极接地，所述二极管D2的阴极连接至所述积分电路的输入端。利用二极管的单向导电性对输入信号进行检波，可以为开关电路提供稳定的静态工作点。

积分电路使用RC延时电路，其包括电容C2和电阻R2，所述电阻R2的两端分别连接至所述二极管D2的阴极以及所述控制端，所述电容C2的一端连接至所述二极管D2的阴极和电阻R2之间，所述电容C2的另一端接地。RC延时电路为开关电路提供稳定的基极电压，当MCU的GPIO端口输出正脉冲时，为RC延时电路充电，反之，RC延时电路放电，使得开关电路在第一状态下驱动继电器电路。第一状态为开(饱和)关(截至)状态。

在本发明较佳的实施例中，MCU的GPIO端口输出的脉冲信号是通过MCU内部定时器输出一定频率的脉冲信号，例如方波信号等，从而驱动开关电路处于第一状态。

在MCU的GPIO端口和检波电路之间，还可以设置限流电路或/和隔直电路。请参照图1所示，限流电路可以采用限流电阻R1实现，限流电阻R1的一端连接到MCU的GPIO端口，限流电阻R1的另一端通过隔直电路连接到检波电路的输入端，用于在MCU出现故障或MCU的GPIO端口输出大信号时，通过限流电阻有效吸收一部分能量，有效保护后级电路。隔直电路可以采用耦合电容C1实现，耦合电容C1的一端连接至限流电阻R1的另一端，耦合电容C1的另一端连接至二极管D1的阴极和二极管D2的阳极之间，可以利用电容的隔直流通交流、通高频阻低频特性，将MCU的GPIO端口通过内部的定时器，按照预设的时间T进行翻转后的初始信号(通过软件和定时器的结合实现脉冲信号的调制)中的直流信号和低频交流信号进行滤除，形成一个固有频率的脉冲信号。

开关电路可以使用三极管、MOS管以及可控硅等，例如，请参照图1所示，在本发明实施例中，示出了使用NPN三极管Q1构成开关电路的结构，其中，NPN三极管Q1的基极、集电极以及发射极分别构成开关电路的控制端、输入端和输出端。

实施例二

实施例二公开了一种MCU的实时监控方法，请参照图6所示，其包括以下步骤：

S110、启动所述MCU，使得所述MCU的GPIO端口通过MCU内部定时器输出脉冲信号。

MCU正常情况下，当其被启动后，其目标GPIO端口(目标GPIO端口是指与开关电路相连接的GPIO端口)输出一定频率的脉冲信号，脉冲信号的频率和定时器以及预设的占空比相关。

S120、通过所述调理电路接收所述脉冲信号，并对所述脉冲信号进行调理，形成驱动信号，以驱动所述开关电路工作在第一状态，此时，所述常开触点与继电器电路的公共触点连接，主通道信号输出到公共触点。

调理电路对MCU的GPIO端口输出的脉冲信号进行隔直、检波以及积分后，形成驱动信号，驱动开关电路工作在饱和与截至的交替工作状态，在截至状态时间小于继电器电路的线圈最小释放时间时，则继电器电路没有足够的时间完成断开常开触点的动作，从而使得继电器电路的常开触点始终与公共触点连接。可以理解的是，第一状态下，驱动信号中的截至状态时间通过定时器对MCU的GPIO端口产生的高低电平进行翻转(通过定时器调整高电平即正脉冲与低电平即负脉冲的持续时间，在正脉冲下，开关电路处于饱和状态，在负脉冲下，开关电路处于截止状态)时确定，从而可以保证截至状态时间小于继电器电路的线圈最小释放时间。

S130、当备用通道信号输入时，判断所述开关电路工作在第二状态，此时，确定所述MCU的状态为故障。

当主通道信号未输出，意味着常开触点与公共触点断开，而常闭触点与公共触点连接，此时，公共触点接收备用通道信号。这种情况下，可以确定开关电路工作在截止状态，继电器电路的线圈失磁，则MCU不能正常输出预设的脉冲信号，从而判定MCU出现故障。MCU的故障类型可以是死机或程序溢出等。

当MCU出现故障后，可以将故障上报至服务器，上报方式可以是手动完成，也可以是自动完成，示例性地，对继电器电路的公共触点端信号进行监测，根据监测信号判断MCU是否出现故障。

最后应说明的是：上述实施方式仅为本发明的优选实施例方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种I/O实时监控电路，用于监控MCU的工作状态，其特征在于，所述I/O实时监控电路包括调理电路、开关电路、继电器电路以及辅助电源，所述调理电路的输入端连接至MCU的GPIO端口，所述调理电路的输出端连接至开关电路的控制端，所述继电器电路包括线圈、常开触点和常闭触点，所述线圈的第一端连接至辅助电源，所述线圈的第二端连接至开关电路的输入端，所述开关电路的输出端接地，所述常开触点和常闭触点分别连接至主通道信号和备用通道信号，所述MCU的GPIO端口通过MCU内部定时器输出脉冲信号，所述脉冲信号经由所述调理电路形成驱动信号，以驱动所述开关电路工作在第一状态，在所述第一状态下，所述常开触点与继电器电路的公共触点连接。

2.根据权利要求1所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述调理电路包括检波电路和积分电路，所述检波电路的输入端连接至所述MCU的GPIO端口，所述积分电路的输入端和输出端分别连接至检波电路的输出端以及所述控制端。

3.根据权利要求2所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述检波电路包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的阴极和二极管D2的阳极均连接至所述MCU的GPIO端口，所述二极管D1的阳极接地，所述二极管D2的阴极连接至所述积分电路的输入端。

4.根据权利要求3所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述积分电路包括电容C2和电阻R2，所述电阻R2的两端分别连接至所述二极管D2的阴极以及所述控制端，所述电容C2的一端连接至所述二极管D2的阴极和电阻R2之间，所述电容C2的另一端接地。

5.根据权利要求2-4任一项所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述调理电路还包括隔直电路，所述隔直电路包括电容C1，所述电容C1的一端连接至所述MCU的GPIO端口，所述电容C1的另一端连接至所述检波电路的输入端。

6.根据权利要求5所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述调理电路还包括限流电路，所述限流电路包括电阻R1，所述电阻R1连接至电容C1和所述MCU的GPIO端口之间。

7.根据权利要求1-4任一项所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述I/O实时监控电路还包括续流二极管，所述续流二极管的阳极和阴极分别连接至所述线圈的第二端和第一端。

8.根据权利要求1-4任一项所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述继电器包括第一继电器电路和第二继电器电路，所述第二继电器电路为一个或多个，所述第一继电器电路的公共触点连接至主音箱，所述第二继电器电路的公共触点连接至对应的副音箱，所述副音箱的数量与第二继电器电路的数量相匹配。

9.根据权利要求1-4任一项所述的I/O实时监控电路，其特征在于，所述开关电路为NPN三极管，所述NPN三极管的基极、集电极以及发射极分别对应开关电路的控制端、输入端和输出端。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的I/O实时监控电路实现MCU的监控方法，其特征在于，其包括以下步骤：

启动所述MCU，使得所述MCU的GPIO端口通过MCU内部定时器输出脉冲信号；

通过所述调理电路接收所述脉冲信号，并对所述脉冲信号进行调理，形成驱动信号，以驱动所述开关电路工作在第一状态，此时，所述常开触点与继电器电路的公共触点连接，主通道信号输出至公共触点；

当备用通道信号输出至公共触点时，判断所述开关电路工作在第二状态，此时，确定所述MCU的状态为故障；

所述第一状态为开关状态，所述第二状态为截至状态。

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