CN203965553U - 一种ad信号或开关信号的处理及其诊断电路 - Google Patents

Abstract

一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，属于电路故障诊断技术领域。通过在现有上拉电阻或下拉电阻AD信号或开关信号处理电路基础上添加包括增强型N-MOSFET管和电阻的相应的诊断电路，提供一种能够区分和诊断带上拉电阻或下拉电阻的AD信号或开关信号处理电路信号输入端的信号输入线路开路与短路的故障，实现对上述电路信号输入端的信号输入线路开路与短路两故障的快速区分和识别，实现了AD信号及开关信号处理电路故障检测诊断的自动化与智能化，使原本复杂的检测诊断过程变得方便快捷，降低了故障识别难度，方便故障的排除和修理，使原本需要人为测量分析的工作由机器代替，减少了劳动成本，提高了工作效率。

Description

一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路

技术领域

本实用新型涉及一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，尤其是对上拉电阻或下拉电阻信号处理电路中信号输入端的信号输入线路开路与短路故障自动检测分析的诊断电路，属于低压电路故障诊断的技术领域。 

背景技术

图1、图2是目前电路设计者采用的AD信号处理电路设计方案，设计者根据输入信号类型的不同而选择相应的AD信号处理电路。通常情况下，若传感器输出的是电阻型信号，则选择图1所示的上拉电阻AD信号处理电路；若传感器输出的是电压型信号，则选择图2所示的下拉电阻AD信号处理电路。上述两种AD信号处理电路应用于商用车控制系统中，虽然该电路简单经济，但商用车工作环境恶劣，信号输入端接插件长期暴露在空气中致使外壳部分逐渐老化破损、金属连接接点腐蚀，造成连接点与连接点之间的短路，或连接导线因磨损而断开形成开路。这些情况容易导致AD信号输入端的信号输入线路开路或短路到电源。 

本实用新型均以单片机ECU的工作电压VCC＝5V，参考电压上限值VRH＝5V、下限值VRL＝0V为例。在传感器工作正常，电路连接完好时，ECU对传感器的采样值会介于0-5V之间，故障的发生才会导致采样值为0V和5V，目前的AD信号处理电路并不能快速对故障原因做出判断，需要人为测量分析。 

以下是针对上拉电阻和下拉电阻这两种不同AD信号处理电路存在的弊端做出具体分析。 

如图1所示上拉电阻AD信号处理电路： 

故障一：传感器连接线路异常导致上拉信号输入端A的信号输入线路开路，由于信号处理电路中上拉电阻R1接通至VCC的原因，对于ECU而言，此时为满量程输入，此时AD采样值为5V； 

故障二：上拉信号输入端A的信号输入线路短路到外界24V供电电源，此时上拉信号输入端A的电压为24V，由于ECU内部钳位二极管的原因，ECU的AD口引脚电压在5.3V-5.6V范围内(视二极管正向压降而定)，超出参考电压值5V，此时AD采样值同样为5V。 

对于图1所示的AD信号处理电路，在传感器本身工作正常时，不能直接区分上述两种导致AD采样值为5V的故障。 

如图2所示下拉电阻AD信号处理电路： 

故障一：传感器连接线路异常导致下拉信号输入端C的信号输入线路开路，由于信号处理电路中下拉电阻R6接通至地GND，因此AD采样的值为0V； 

故障二：下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地，且电阻R6也接通至地GND，因此AD采样的值同样是0V。 

对于图2所示的AD信号处理电路，在传感器本身工作正常，有电压输出时，不能直接区分上述两种导致AD采样值为0的故障。 

对于常用向单片机输入信号的具有上拉电阻或下拉电阻的开关信号处理电路也存在上述的问题。 

中国专利公开号：CN102866319A，公开日：2013年01月09日，发明名称为：“基于单片机AD转换器的故障诊断电路”，包括单片机和电阻网络，该电阻网络由若干路分支电阻网络组成，每路分支电阻网络都设置有分压电阻和偏置电阻，该偏置电阻的一端都接地，另一端都与单片机的AD转换器一个输入端连接；电阻网络中若干路分支电阻网络输入端分别输入不同的故障信号，若干路分支电阻网络输出端都与单片机的AD转换器一个输入端连接；由于各分压电阻的阻值都不相同，因此当故障信号不同时输出的电压数值也不相同，从而根据单片机内部程序设定即可识别出是那一路或几路检测出故障，从而能够利用一个AD转换器的端口实现实时监控多个故障信号，实现AD转换器的充分利用，节约单片机I/O端口。 

该技术方案利用AD转换器对多个分支电阻网络所对应的多台设备的故障进行识别和检测，利用一个AD转换器的端口实现实时监控多个故障信号，由于无需扩展端口，因此节省成本。但如果该技术方案中的AD转换器出现前述图1和图2中所述的信号输入端的信号输入线路开路或短路到电源的故障时，该技术方案也不能快速地对故障原因做出判断，仍需要人为测量分析。 

发明内容

本实用新型的目的是针对现有AD信号或开关信号的处理电路不能对诊断信号输入端的信号输入线路开路与短路的故障做出判断的缺陷和不足，提供一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路。它能够诊断和识别AD信号或开关信号的信号输入端的信号输入线路开路与短路的故障，能够方便快捷的对电路中信号输入端的信号输入线路开路或短路到地的故障进行识别和判断，以降低故障识别难度、方便故障的排除和修理，以减少劳动成本。 

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其中的上拉电阻AD信号或开关信号处理电路包括上拉电阻和第二电阻，所述第二电阻的一端与上拉信号输入端相连接，另一端与上拉信号输出端相连接，上拉信号输出端与单片机的信号采集端相连接，所述的上拉信号输入端并联有上拉电阻，所述上拉电阻的另一端连接单片机的工作电源，所述上拉信号输出端上还并联有一包括增强型N-MOSFET管和第三电阻的诊断电路，所述增强型N-MOSFET管的漏极通过第三电阻并联在上拉信号输出端上，所述增强型N-MOSFET管的栅极与单片机的控制端相连接，所述增强型N-MOSFET管的源极接地。 

所述上拉电阻AD信号或开关信号处理电路还连接有第一电容和第二电容，其中所述第一电容的一端与上拉信号输入端连接，另一端接地；所述第二电容的一端与上拉信号输出端连接，另一端接地。 

当外界的电源电压为24V，单片机工作电源VCC的电压值为5V时，所述上拉电阻的电阻值根据上拉电流需要决定，电阻的阻值由单片机允许的灌电流决定，上拉电阻、第二电阻和第三电阻的电阻值满足以下两个不等式： 

R3/(R1+R2+R3)≤0.9  (1)； 

R3/(R2+R3)≥0.23  (2)； 

式中：R1为上拉电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值；R3为第三电阻的电阻值。 

一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其中的下拉电阻AD信号或开关信号处理电路包括下拉电阻和第五电阻,所述第五电阻的一端与下拉信号输入端相连接，另一端与下拉信号输出端相连接，下拉信号输出端与单片机的信号采集端相连接，所述的下拉信号输入端并联有下拉电阻，下拉电阻另一端接地,所述下拉信号输出端上还并联有一包括增强型N-MOSFET管和第四电阻的诊断电路，所述增强型N-MOSFET管的漏极通过第四电阻与单片机的工作电源相连接，所述增强型N-MOSFET管的栅极与单片机的控制端相连接，所述增强型N-MOSFET管的源极并联在下拉信号输出端上。 

所述下拉电阻AD信号或开关信号处理电路还连接有第三电容和第四电容，其中所述第一电容的一端与下拉信号输入端连接，另一端接地；所述第二电容的一端与下拉信号输出端连接，另一端接地。 

单片机工作电源VCC的电压值为5V，所述第四电阻的电阻值根据上拉电流需要决定，第五电阻的电阻值由单片机信号采集端允许的灌电流决定，所述第四电阻、第五电阻和下拉电阻的电阻值按以下公式确定： 

(R5+R6)/(R4+R5+R6)—R5/(R4+R5)≥0.1  (3)； 

式中：R4为第四电阻的电阻值；R5为第五电阻的电阻值；R6为下拉电阻的电阻值。 

所述第四电阻R4的电阻值等于

式中：R5为第五电阻的电阻值；R6为下拉电阻的电阻值。 

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是： 

1.通过在现有上拉电阻AD信号处理电路的基础上添加一具有下拉电阻和MOSFET管的AD信号诊断电路，当故障出现不能识别时，由单片机控制MOSFET管导通，使上拉电阻和下拉电阻间的电路形成有电流通过的通路，通过检测分析通路中电阻分压值的变化对信号输入线路开路与短路到外界24V电源的两种电路故障进行判断； 

2.通过在现有下拉电阻AD信号处理电路的基础上添加一具有上拉电阻、MOSFET管和单片机工作电源VCC的诊断电路，当故障出现不能识别时，由单片机控制MOSFET管导通，使下拉电阻和上拉电阻形成有电流通过的通路，通过检测分析通路中电阻分压值的变化对信号输入线路开路与短路到地的两种电路故障进行判断； 

3.本实用新型AD信号处理及其诊断电路也适用于输入信号为开关信号的开关信号处理电路的故障诊断，本电路具有通用性，应用范围广； 

4.本实用新型AD信号处理及其诊断电路结构简单，通过增加相应的诊断电路，使信号处理电路与诊断电路一起形成有电流流通的通路，再通过单片机自动检测通路中电阻分压值的变化，然后运用单片机的自动分析识别功能直接来判断故障成因；这一系列的检测分析通过单片机ECU控制电路完成，实现了AD信号及开关信号处理电路故障检测诊断的自动化与智能化，使原本复杂的检测诊断过程变得方便快捷，降低了故障识别难度，方便故障的排除和修理，使原本需要人为测量分析的工作由机器代替，减少了劳动成本，提高了工作效率。 

附图说明

图1是现有技术上拉电阻AD信号处理电路示意图； 

图2是现有技术下拉电阻AD信号处理电路示意图； 

图3是本实用新型上拉电阻AD信号处理及其诊断电路的电路图； 

图4是本实用新型下拉电阻AD信号处理及其诊断电路的电路图； 

图5是本实用新型上拉电阻开关信号处理及其诊断电路的电路图； 

图6是本实用新型下拉电阻开关信号处理及其诊断电路的电路图； 

图中：上拉信号输入端A，上拉信号输出端B，下拉信号输入端C，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，下拉信号输出端D，单片机ECU，接地GND，增强型N-MOSFET管，单片机工作电源VCC，上拉电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，下拉电阻R6，第一开关S1，第二开关S2。 

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施例对本实用新型做进一步的详细描述。 

参见图3，本实用新型的一种上拉电阻AD信号处理及其诊断电路，包括顺次连接的单片机工作电源VCC，上拉电阻R1，第二电阻R2，上拉信号输出端B，上拉信号输出端B的一条支线与单片机ECU的信号采集端相连接；所述上拉电阻R1和第二电阻R2之间线路的一支线连接上拉信号输入端A，另一支线通过第一电容C1接地GND；所述第二电阻R2与上拉信号输出端B之间线路的一支线通过第二电容C2接地GND，所述上拉信号输出端B的另一支线连接有诊断电路，该诊断电路包括增强型N-MOSFET管和第三电阻R3，其中的增强型N-MOSFET管漏极通过第三电阻R3连接至上拉信号输出端B，源极接地GND，栅极接单片机ECU的控制端。 

如图3所示：当外界的电源电压为24V，单片机工作电源VCC的电压值为5V时，若上拉信号输入端A输入的为正常的阻值信号，且该电路中其他线路及元件均正常，AD采样值在0～5V之间，即AD电路完全正常的时候，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V的低电平，使增强型N-MOSFET管处于断开状态；若测得的AD采样值为5V时，即该线路出现故障，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，此时该增强型N-MOSFET管导通，然后再通过对测得的AD采样值的比较来确定该AD信号处理电路出现了何种故障。在取得增强型N-MOSFET管导通后的采集值后，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V电压，使增强型N-MOSFET管断开，单片机ECU再通过对所测得的AD采样值与故障值进行对比分析得知电路故障的原因所在。所述的外界电源电压是指上拉信号输入端A或传感器短路到地时所搭接的电源电压。 

图3中，单片机工作电源VCC、上拉电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的具体取值应满足以下条件： 

①单片机工作电源VCC的取值等于单片机ECU的工作电压，一般为5V。 

②当单片机工作电源VCC＝5V时，上拉电阻R1的电阻值根据上拉电流需要决定，第二电阻R2的电阻值由单片机ECU允许的灌电流决定，此外，上拉电阻R1，第二电阻R2和第三电阻R3的阻值还满足以下两个不等式： 

R3/(R1+R2+R3)≤0.9  (1)； 

R3/(R2+R3)≥0.23  (2)； 

式中：R1为上拉电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值；R3为第三电阻的电阻值。 

根据本实用新型背景技术中对图1的分析可知，上拉电阻AD信号处理电路容易出现下列两种故障：第一种是外部传感器的信号输入线路开路导致信号上拉信号输入端A没有信号输入；另一种是传感器的信号输入线路短路到外界24V电源，导致上拉信号输入端A接入一相对较高的低压电源。 

取上拉电阻R1＝10K、第二电阻R2＝33K、第三电阻R3＝10K，单片机工作电源的电压值VCC＝5V，当AD采样值为5V时，上拉信号输入端A故障发生，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通，对上述两种故障进行分析判断如下： 

①上拉信号输入端A的信号输入线路开路时，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，控制增强型N-MOSFET管导通，第一电容C1、第二电容C2使连接于其上的导线相当于断路状态，此时的电路由单片机工作电源VCC、上拉电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、增强型N-MOSFET管和负极或者地GND形成通路， 

则上拉信号输出端B的电压V_B＝VCC*R3/(R1+R2+R3)＝5*10/(10+33+10)＝0.94V， 

即此时单片机ECU信号采集端的AD采样值为0.94V； 

将R1＝10K、R2＝33K、R3＝10K代入公式(1)进行检验， 

则有：R3/(R1+R2+R3)＝10/(10+33+10)＝0.19<0.9成立，由此可知：当单片机的工作电源VCC＝5V时，R1＝10K、R2＝33K、R3＝10K的取值符合公式(1)的要求。 

②上拉信号输入端A的信号输入线路短路到24V外界电源，则V_A＝24V，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通，第一电容C1、第二电容C2使连接于其上的导线相当于断路状态，此时的电路由24V、第二电阻R2、第三电阻R3、增强型N-MOSFET管和负极或者地GND形成通路， 

则上拉信号输出端B的电压V_B＝V_A*R3/(R2+R3)＝24*10/(33+10)＝5.58V， 

即此时上拉信号输出端B的电压高于5V参考电压，由于ECU内部钳位二极管的原因，此时单片机ECU信号采集端的AD采样值仍然为5V； 

将R1＝10K、R2＝33K、R3＝10K代入公式(2)进行检验， 

则有：R3/(R2+R3)＝10/(33+10)＝0.232>0.23成立，由此可知：当单片机的工作电源VCC＝5V时，R1＝10K、R2＝33K、R3＝10K的取值符合公式(2)的要求。 

综上所述，当上拉电阻AD信号处理电路的传感器信号输出正常，有故障发生导致单片机ECU信号采集端的AD采样值为5V时，通过对导通增强型N-MOSFET管后所测得的单片机ECU信号采集端的AD采样值的变化，即可区分和诊断上拉信号输入端A的信号输入线路是开路故障还是短路到外界24V电源的故障。 

参见图4，当外界的电源电压为24V，单片机工作电源VCC的电压值为5V时，下拉电阻AD信号处理及其诊断电路包括顺次连接的下拉信号输入端C，第五电阻R5，下拉信号输出端D，所述下拉信号输出端D的一条支线连接至单片机ECU的信号采集端，所述下拉信号输入端C的一条支线通过第三电容C3接地GND，所述下拉信号输入端C与第五电阻R5之间线路的一支线通过下拉电阻R6接地GND，所述下拉信号输出端D的一支线通过第四电容C4接地GND，所述另一支线连接有诊断电路，该诊断电路包括增强型N-MOSFET管和第四电阻R4，其中增强型N-MOSFET管的源极连接到下拉信号输出端D，漏极通过第四电阻R4连接单片机工作电源VCC，栅极接单片机ECU的控制端。所述的外界电源电压是指下拉信号输入端C或传感器短路到地时所搭接的电源电压。 

如图4所示：当下拉信号输入端C输入的为正常的电压信号，且该电路中其他线路及原件均正常，单片机ECU的信号采集端的AD采样值在0～5V之间，即AD电路完全正常，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V的低电平，保持增强型N-MOSFET管处于断开状态；当单片机ECU的信号采集端测得的AD采样值为0V时，即该线路出现故障，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，此时该增强型N-MOSFET管导通，然后再通过对单片机ECU的信号采集端所测得的AD采样值的比较来确定该AD信号处理电路出现了何种故障。在取得增强型N-MOSFET管导通后的采集值后，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V的低电平，使增强型N-MOSFET管断开，单片机ECU再通过对所测得的AD采样值与故障值进行对比分析得知电路故障的原因所在。 

图4中单片机工作电源VCC，第四电阻R4，第五电阻R5，下拉电阻R6的具体取值满足以下条件： 

①单片机工作电源VCC的取值等于ECU的工作电平，一般为5V。 

②当单片机工作电源VCC＝5V时，第四电阻R4的电阻值根据上拉电流需要决定，第五电阻R5的电阻值由ECU允许的灌电流决定，此外，第四电阻R4，第五电阻R5，下拉电阻R6的电阻值还满足以下不等式： 

(R5+R6)/(R4+R5+R6)—R5/(R4+R5)≥0.1  (3)； 

式中：R4为第四电阻的电阻值；R5为第五电阻的电阻值；R6为下拉电阻的电阻值。 

根据本实用新型背景技术中对图2的分析，此时电路存在两种故障，第一种是下拉信号输入端C的信号输入线路开路，另一种是下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地。 

取第四电阻R4＝10K、第五电阻R5＝33K、下拉电阻R6＝33K、单片机工作电源VCC＝5V，当AD采样值为0V时，下拉信号输入端C故障发生，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通时，对上述两种故障进行分析判断如下： 

①下拉信号输入端C的信号输入线路开路，V_D＝0V，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通，第三电容C3、第四电容C4使连接于其上的导线相当于断路状态，此时的电路由负极或地GND、下拉电阻R6、增强型N-MOSFET管、第四电阻R4和单片机工作电源VCC组成通路， 

则下拉信号输出端D的电压V_D＝VCC*(R5+R6)/(R4+R5+R6)＝5*(33+33)/(10+33+33)＝4.34V， 

即此时单片机ECU信号采集端的AD采样值为4.34V； 

②下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地，下拉信号输入端C的电压V_C＝0V，下拉信号输出端D的电压V_D＝0V，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通，第三电容C3、第四电容C4使连接于其上的导线相当于断路状态，此时的电路由负极或地GND、第五电阻R5、增强型N-MOSFET管、第四电阻R4和单片机工作电源VCC组成通路， 

则下拉信号输出端D的电压V_D＝VCC*R5/(R4+R5)＝5*33/(10+33)＝3.84V， 

即此时单片机ECU信号采集端的AD采样值为3.84V； 

将R4＝10K、R5＝33K、R6＝33K代入公式(3)进行检验，则有： 

(R5+R6)/(R4+R5+R6)—R5/(R4+R5)(33+33)/(10+33+33)-33/(10+33)＝0.15>0.1成立，由此可知R4＝10K、R5＝33K、R6＝33K的取值符合公式(3)的要求。 

综上所述，当下拉电阻AD信号处理电路的传感器信号输出正常，而单片机ECU信号采集端的AD采样值为0V时，即有故障发生导致单片机ECU信号采集端的AD采样值为0V时，通过对导通增强型N-MOSFET管后所测得的AD采样值与根据该电路计算确定的故障值作比较，即可区分诊断下拉信号输入端C的信号输入线路是开路故障还是短路到地的故障。 

图5为上拉电阻开关信号处理及其诊断电路的电路图，图5与图3的区别在于图5的上拉信号输入端A处设置有第一开关S1，该第一开关S1的另一端接地GND。 

该电路中，在增强型N-MOSFET管未导通的情况下，而所述单片机ECU信号采集端的采样值为5V时，则有如下两种情况不能直接通过采样值来进行分辨： 

一、第一开关S1正常断开时：由于开关信号处理电路中上拉电阻R1接通至单片机工作电源VCC的原因，对于ECU而言，此时的电压为单片机工作电源VCC的满量程输入，此时V_B＝5V，因此单片机ECU信号采集端的采样值为5V。此时第一开关S1正常断开，该电路正常。 

二、上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源时：由于开关信号处理电路中上拉电阻R1接通至24V外界电源的原因，对于ECU而言，此时的电压为24V外界电源的满量程输入，此时V_B＝24V，又由于单片机ECU内部钳位二极管的原因，该电压值超出参考电压值5V，因此单片机ECU信号采集端的采样值为5V。此时该电路短路外接一24V高电压，该电压值超出该电路的额定电压，属电路故障。此时第一开关S1不能闭合，闭合即可能导致保险丝烧断或其他危险。 

该上拉电阻开关信号处理及其诊断电路的工作原理为：当单片机ECU信号采集端的采样值为5V时，此时单片机ECU的控制端则给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通形成有电流流通的通路，在取得增强型N-MOSFET管导通后的采集值后，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V的低电平，使增强型N-MOSFET管断开，此时再通过对单片机ECU信号采集端的采样值进行对比分析，即可分辨是第一开关S1正常断开还是说上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源的情况。如果此时测得的结果表示是第一开关S1正常断开，该线路正常时，单片机ECU则可直接控制其他执行机构去执行特定功能；如果此时测得的结果表示是上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源，则该线路出现故障，此时需要先排除线路故障后再由单片机ECU控制其他执行机构去执行特定功能。 

以下取具体值VCC＝5V、R1＝10K、R2＝33K、R3＝10K，对该上拉电阻开关信号处理及其诊断电路的诊断原理进行分析： 

当采样值为5V时，不能直接分辨该电路是否存在故障，此时单片机ECU控制增强型N-MOSFET管导通形成通路，与图3同理，则有： 

①当第一开关S1正常断开时，由单片机工作电源VCC、上拉电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和增强型N-MOSFET管形成通路，上拉信号输出端B的电压V_B＝VCC*R3/(R1+R2+R3)＝5*10/(10+33+10)＝0.94V，即此时单片机ECU信号采集端的采样值为0.94V； 

②当上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源时，由24V外界电源、第二电阻R2、第三电阻R3和增强型N-MOSFET管形成通路，上拉信号输出端B的电压V_B＝V_A*R3/(R2+R3)＝24*10/(33+10)＝5.58V，即此时上拉信号输出端B的电压高于5V参考电压，由于单片机ECU内部钳位二极管的原因，此时单片机ECU信号采集端的采样值仍然为5V； 

由此，即可区分诊断上拉信号输入端A处第一开关S1是正常断开，还是上拉信号输入端A的信号输入线路短路到24V外界电源的情况。由于该原理与图3中完全相同，在此不做详细表述。 

图6为下拉电阻开关信号处理及其诊断电路的电路图，图6与图4的区别在于图6的下拉信号输入端C处设置有第二开关S2，该第二开关S2的另一端连接单片机工作电源VCC。 

该电路中，在增强型N-MOSFET管未导通的情况下，而所述单片机ECU信号采集端的采样值为0V时，有如下两种情况不能直接通过采样值来进行分辨： 

一、第二开关S2正常断开时：由于开关信号处理电路中下拉电阻R6接通至地GND，因此AD采样的值为0V。此时第二开关S2正常断开，该电路正常。 

二、下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地：此时电阻R6也接通至地GND，因此AD采样的值同样是0V。此情况属于电路故障，此时第二开关S2不能闭合，闭合即导致ECU内部的过流保护。 

该下拉电阻开关信号处理及其诊断电路的工作原理为：当单片机ECU信号采集端的采样值为0V时，此时单片机ECU的控制端则给增强型N-MOSFET管的栅极一个5V的高电平，使增强型N-MOSFET管导通形成有电流流通的通路，在取得增强型N-MOSFET管导通后的采集值后，单片机ECU的控制端给增强型N-MOSFET管的栅极一个0V的低电平，使增强型N-MOSFET管断开，此时再通过对单片机ECU信号采集端的采样值进行对比分析，即可分辨是第二开关S2是正常断开还是上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源的情况。如果此时测得的结果表示是第二开关S2正常断开，该线路正常时，单片机ECU则可直接控制其他执行机构去执行特定功能；如果此时测得的结果表示是上拉信号输入端A的信号输入线路短路至24V外界电源，则该线路出现故障，此时需要先排除线路故障后再由单片机ECU控制其他执行机构去执行特定功能。 

以下取具体值VCC＝5V、R4＝10K、R5＝33K、R6＝33K，对该下拉电阻开关信号处理及其诊断电路的诊断原理进行分析： 

当采样值为0V时，不能直接分辨该电路是否存在故障，此时单片机ECU控制增强型N-MOSFET管导通形成通路，与图4同理，则有： 

①当第二开关S2正常断开时，由负极或地GND、下拉电阻R6、第五电阻R5、增强型N-MOSFET管、第四电阻R4和单片机工作电源VCC组成通路，下拉信号输出端D的电压V_D＝VCC*(R5+R6)/(R4+R5+R6)＝5*(33+33)/(10+33+33)＝4.34V，即此时单片机ECU信号采集端的采样值为4.34V； 

②下拉信号输入端C短路到地时，由负极或地GND、第五电阻R5、增强型N-MOSFET管、第四电阻R4和单片机工作电源VCC组成通路，下拉信号输出端D的电压V_D＝VCC*R5/(R4+R5)＝5*33/(10+33)＝3.84V，即此时单片机ECU信号采集端的采样值为3.84V； 

由此，即可区分和诊断下拉信号输入端C处第二开关S2是正常断开，还是下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地的情况。由于该原理与图4中完全相同，在此不做详细表述。 

由图5和图6可以看出，图3和图4的电路可以分别运用于图5和图6的电路中，即上拉电阻AD信号的诊断电路和下拉电阻AD信号的诊断电路可以分别用于对上拉电阻开关信号处理电路和下拉电阻开关信号处理电路电路故障的诊断。 

现对下拉电阻AD信号处理及其诊断电路中的下拉信号输入端C的信号输入线路开路和下拉信号输入端C的信号输入线路短路到地GND的AD采样值进行对比分析： 

上述两种情况采样值的差值为：Δ＝VCC*(R5+R6)/(R4+R5+R6)-VCC*R5/(R4+R5)； 

当第五电阻R5、下拉电阻R6固定不变，第四电阻R4为大于0的变量时，有； 

AD采样值的差值Δ＝VCC*(R5+R6)/(R4+R5+R6)-VCC*R5/(R4+R5) 

＝VCC*{(R5+R6)/[R4+(R5+R6)]-R5/(R4+R5)}； 

则AD采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数 

Δ′＝VCC*{(R5+R6)/[R4+(R5+R6)]-R5/(R4+R5)}′ 

＝VCC*R6*[-(R4)²+R5*(R5+R6)]/[R4+(R5+R6)]²*(R4+R5)²； 

又因为第四电阻R4、第五电阻R5、下拉电阻R6、单片机工作电源VCC为大于0的常量，故当时，采样值的差值关于第四电阻R4的导数Δ′为0； 

所以当时，采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数Δ′>0，采样值的差值Δ随着第四电阻R4的增大而增大； 

当时，采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数Δ′<0，AD采样值的差值Δ随着第四电阻R4的增大而减小； 

还因为，AD采样值的差值Δ＝VCC*{-R4/(R4+R5+R6)+R4/(R4+R5)}恒大于0； 

所以，当第四电阻时，采样值的差值Δ取最大值，即此时信号输入端开路和信号输入端短路到地GND两种情况的AD采样值相差达到最大，此时两电路故障最易识别。 

此公式应用于具体例子中也实用，如： 

当第五电阻R5＝33K、下拉电阻R6＝33K，单片机工作电源VCC＝5V，第四电阻R4为变量时： 

AD采样值的差值Δ＝5*(33+33)/(R4+33+33)-5*33/(R4+33)； 

则AD采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数为： 

Δ′＝[5*66/(R4+43)-5*33/(R4+33)]′ 

＝5*33*[2178-(R4)²]/(R4+66)²*(R4+33)²； 

由此可知，Δ′可大于0亦可小于0； 

当第四电阻时，AD采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数Δ′恒大于0，则此时Δ随着R4的增大而增大； 

当第四电阻时，AD采样值的差值Δ关于第四电阻R4的导数Δ′恒小于0，则此时Δ随着R4的增大而减小； 

综上，当第五电阻R5＝33K、下拉电阻R6＝33K、单片机工作电源VCC＝5V取上述具体值时，算出采样值的差值Δ具有最大值又因为  $R4=\sqrt{R5*(R5+R6)}=\sqrt{33*(33+33)}=\sqrt{2178}$ 成立，得出与上述推理相同的结论。 

以上内容是结合具体实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认为本实用新型的具体实施只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，所做出的简单替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

Claims (7)

1.一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其中的上拉电阻AD信号或开关信号处理电路包括上拉电阻（R1）和第二电阻（R2）,所述第二电阻（R2）的一端与上拉信号输入端（A）相连接，另一端与上拉信号输出端（B）相连接，上拉信号输出端（B）与单片机（ECU）的信号采集端相连接，所述上拉信号输入端（A）并联有上拉电阻（R1），上拉电阻（R1）的另一端连接单片机（ECU）的工作电源（VCC），其特征在于：所述上拉信号输出端（B）上还并联有一包括增强型N-MOSFET管和第三电阻（R3）的诊断电路，所述增强型N-MOSFET管的漏极通过第三电阻（R3）并联在上拉信号输出端（B）上，所述增强型N-MOSFET管的栅极与单片机（ECU）的控制端相连接，所述增强型N-MOSFET管的源极接地（GND）。

2.根据权利要求1所述的一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其特征在于：所述上拉电阻AD信号或开关信号处理电路还连接有第一电容（C1）和第二电容（C2），其中所述第一电容（C1）的一端与上拉信号输入端（A）连接，另一端接地GND；所述第二电容（C2）的一端与上拉信号输出端（B）连接，另一端接地GND。

3.根据权利要求1所述的一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其特征在于：当外界的电源电压为24V，单片机工作电源VCC的电压值为5V时，所述上拉电阻（R1）的电阻值根据上拉电流需要决定，电阻（R2）的阻值由单片机（ECU）允许的灌电流决定，上拉电阻（R1）、第二电阻（R2）和第三电阻（R3）的电阻值满足以下两个不等式：

                          R3/(R1+R2+R3)≤0.9      （1）；

                            R3/(R2+R3)≥0.23      （2）；

式中：R1为上拉电阻的电阻值；R2为第二电阻的电阻值；R3为第三电阻的电阻值；VCC为单片机工作电源的电压值。

4.一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其中的下拉电阻AD信号或开关信号处理电路包括下拉电阻（R6）和第五电阻（R5）,所述第五电阻（R5）的一端与下拉信号输入端（C）相连接，另一端与下拉信号输出端（D）相连接，下拉信号输出端（D）与单片机（ECU）的信号采集端相连接，所述下拉信号输入端（C）并联有下拉电阻（R6），下拉电阻（R6）的另一端接地（GND）,其特征在于：所述下拉信号输出端（D）上还并联有一包括增强型N-MOSFET管和第四电阻（R4）的诊断电路，所述增强型N-MOSFET管的漏极通过第四电阻（R4）与单片机（ECU）的工作电源（VCC）相连接，所述增强型N-MOSFET管的栅极与单片机（ECU）的控制端相连接，所述增强型N-MOSFET管的源极并联在下拉信号输出端（D）上。

5.根据权利要求4所述的一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其特征在于：所述下拉电阻AD信号或开关信号处理电路还连接有第三电容（C3）和第四电容（C4），其中所述第三电容（C3）的一端与下拉信号输入端（C）连接，另一端接地GND；所述第四电容（C4）的一端与下拉信号输出端（D）连接，另一端接地GND。

6.根据权利要求4所述的一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其特征在于：单片机工作电源VCC的电压值为5V时，所述第四电阻（R4）的电阻值根据上拉电流需要决定，第五电阻（R5）的电阻值由单片机（ECU）信号采集端允许的灌电流决定，所述第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和下拉电阻（R6）的电阻值按以下公式确定：

        (R5+R6)/(R4+R5+R6)—R5/(R4+R5)≥0.1    （3）；

式中：R4为第四电阻的电阻值；R5为第五电阻的电阻值；R6为下拉电阻的电阻值；VCC为单片机工作电源的电压值。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种AD信号或开关信号的处理及其诊断电路，其特征在于：所述第四电阻（R4）的电阻值等于 ；

    式中：R5为第五电阻的电阻值；R6为下拉电阻的电阻值。