CN204272074U - 开关量输入电路及具有其的水质监测采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关量输入电路及具有其的水质监测采集装置，该开关量输入电路包括至少一路开关量输入端，每路开关量输入端均经并联设置的第一支路和第二支路连接至信号调理单元；信号调理单元的输出端连接控制器；其中，第一支路包括电流电压转换单元及耦合切换单元；第二支路包括有源无源切换单元；信号调理单元用于对接收的信号进行差分放大处理并将处理后的信号传递给控制器以供控制器采集。通过将开关量输入端经第一支路、第二支路连接至信号调理单元，能够兼容无源开关量信号、有源电流开关量信号、有源电压开关量信号的采集，采集的开关量信号的范围较大。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关量信号采集领域，特别地，涉及一种开关量输入电路。此外，本实用新型还涉及一种包括上述开关量输入电路的水质监测采集装置。
背景技术
现有的开关量分为有源开关量和无源开关量，其中，无源开关量是指无电信号的通与断，比如继电器触点的通与断等，有源开关量又可分为电压开关量，比如0-5V、-10～10V；电流开关量，比如0-20mA。水质监测站内的自动化监测设备较多，空间较大，布线也较远，数采仪需对多种开关量信号进行采集以获取全面的水质监测信息，其中，数采仪在对电压开关量信号进行采集时，开关量信号的驱动电流不能太大，否则会使其有很大的衰减从而造成开关量信号失真导致误采。且监测站内的电磁干扰较大，要求开关量输入电路有一定的抗电磁干扰能力，同时，要求数采仪能对电流开关量和无源开关量信号进行采集。
申请号为CN 200910181797.1的专利文献公开了一种开关量输入电路，该文献采用采用光耦进行信号隔离与电平转换，在一定程度上提高了抗干扰能力，但开关量信号必须输入至光耦初级，且要求驱动电流较大，才能使光耦正常工作，这种设计对于距离远、线损较大、驱动能力弱的电压开关量信号的采集失效。
申请号为CN 201210587422.5的专利文献公开了一种开关量输入电路及控制器，该文献采用运放作为比较器，能对高电压开关量信号进行电平转换，改变Uth电压值，即可设置开关信号的阀值。申请号为CN 201320572986.0的专利文献公开了开关量输入与输出扩展模块，通过二极管D1的单向导电性进行电平转换。当输入为0时，D1正极强制拉到低电平，输出为低电平；当输入为高电平时，D1截止，输出为高电平。这两篇文献都采用比较器或二极管来进行电平转换，外部的电压开关量信号直接接到了开关量信号输入端，且必须共地，这就会大大增加外部的电磁干扰对内部电路的影响，从而导致电路的工作不稳定性。
现有的开关量输入电路都不能兼容有源开关量和无源开关量的采集，采集的信号范围有限，且采集信号防外部电磁干扰的能力较弱。
实用新型内容
本实用新型提供了一种开关量输入电路及具有其的水质监测采集装置，以解决现有的开关量输入电路采集信号范围有限的技术问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种开关量输入电路，包括至少一路用于导入开关量信号的开关量输入端，每路开关量输入端均经并联设置的第一支路和第二支路连接至信号调理单元；信号调理单元的输出端连接控制器；其中，
第一支路包括：
电流电压转换单元，用于将开关量信号中的有源电流开关量信号转换为有源电压开关量信号；
耦合切换单元，用于将开关量信号中的有源电压开关量信号或者电流电压转换单元生成的有源电压开关量信号输出至信号调理单元；
第二支路包括：
有源无源切换单元，用于将开关量信号中的无源开关量信号输出至信号调理单元；
信号调理单元，用于对接收的信号进行差分放大处理并将处理后的信号传递给控制器以供控制器采集。
进一步地，电流电压转换单元，包括串接的限流电阻和切换开关。
进一步地，耦合切换单元包括光电耦合器，光电耦合器的控制端与控制器的输出端连接，以受控制器的输出信号控制；光电耦合器的输出端与信号调理单元的输入端连接。
进一步地，开关量输入端为多路，多路开关量输入端分别经相应的第一支路、第二支路连接至信号调理单元；
光电耦合器的控制端分别连接至控制器的输出端以受控制器的输出信号控制。
进一步地，信号调理单元包括运算放大器，运算放大器的同相输入端设有接地的分压电阻、输出端与反相输入端之间设有反馈电阻，运算放大器的输出端经分压电路连接至控制器。
进一步地，运算放大器采用正负双电源供电式运算放大器。
进一步地，运算放大器的同相输入端与反相输入端之间串接有双向抑制二极管。
根据本实用新型的另一方面，还提供了一种水质监测采集装置，包括上述的开关量输入电路。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型开关量输入电路通过将开关量输入端经第一支路、第二支路连接至信号调理单元，且第一支路上设置电流电压转换单元和耦合切换单元，第二支路上设置有源无源切换单元，能够兼容无源开关量信号、有源电流开关量信号、有源电压开关量信号的采集，采集的开关量信号的范围较大。
本实用新型水质监测采集装置，通过采用上述的开关量输入电路，可以满足水质监测过程中多种开关量信号的实时采集，集成度高。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型优选实施例开关量输入电路的结构示意图；
图2是本实用新型优选实施例中电流电压转换单元、耦合切换单元和有源无源切换单元的电路示意图；
图3是本实用新型优选实施例中信号调理单元的结构示意图。
附图标记说明：
10、开关量输入端；21、电流电压转换单元；22、耦合切换单元；
23、有源无源切换单元；30、信号调理单元；40、控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本实用新型的优选实施例提供一种开关量输入电路，包括至少一路用于导入开关量信号的开关量输入端10，每路开关量输入端10均经并联设置的第一支路和第二支路连接至信号调理单元30；信号调理单元30的输出端连接控制器40；其中，
第一支路包括：
电流电压转换单元21，用于将开关量信号中的有源电流开关量信号转换为有源电压开关量信号；
耦合切换单元22，用于将开关量信号中的有源电压开关量信号或者电流电压转换单元21生成的有源电压开关量信号输出至信号调理单元30；
第二支路包括：
有源无源切换单元23，用于将开关量信号中的无源开关量信号输出至信号调理单元30；
信号调理单元30，用于对接收的信号进行差分放大处理并将处理后的信号传递给控制器40以供控制器40采集。
在实际应用中，若某开关量输入端10输入为无源开关量信号，则有源无源切换单元23将接入内部的电压信号导出给信号调理单元30后进行采集；若开关量输入端10输入为有源电压开关量信号时，直接经耦合切换单元22输出给信号调理单元30后进行采集；若某开关量输入端10输入为有源电流开关量信号时，则电流电压转换单元21接入，将电流信号转换成电压信号再送耦合切换单元22输出给信号调理单元30后进行采集。本实施例中，耦合切换单元22作为模拟切换器件受控制器40控制，在任何时刻，多路通道中只有一路接通至信号调理电路30，进行差分放大后送控制器40采样。
本实施例开关量输入电路，可以满足多种开关量信号的实时采集，包括对无源开关量信号、有源电流开关量信号、有源电压开关量信号的采集，采集的开关量信号的范围较大。
本实施例中，可选地，耦合切换单元22采用光电耦合器，光电耦合器的控制端与控制器40的输出端连接，以受控制器40的输出信号控制；光电耦合器的输出端与信号调理单元30的输入端连接。优选地，开关量输入端10为多路，多路开关量输入端10分别经相应的第一支路、第二支路连接至信号调理单元30；多路光电耦合器的控制端分别连接至控制器40的输出端以受控制器40的输出信号控制。本实施例通过采用多路开关量输入端10，可以扩展开关量输入电路的采集通道，实现多通道开关量信号的采集，其中，多路光电耦合器受控制器的驱动信号轮回循环导通，以在任何时刻，多路通道中只有一路接通至信号调理电路30，进行差分放大后送控制器40采样。
可选地，本实施例中，电流电压转换单元21，包括串接的限流电阻和切换开关，通过控制切换开关的导通与否以实现电流电压转换单元21接入的控制，从而实现对有源电流开关量信号进行电流电压转换。
在具体实施例中，电流电压转换单元21、耦合切换单元22和有源无源切换单元23的电路示意图如图2所示：
若一通道为无源开关量输入时，将开关S1断开，开关S2闭合，输入电路的电压信号接入。当该通道无源开关量断开为0时，“INPUT1+”端为Vcc,“INPUT1-”端为0，通过光耦U1切换后送至信号调理单元输入端的电压为Vcc；当该通道无源开关量闭合为1时，“INPUT1+”端和“INPUT1-”端都为0，通过光耦U1切换后送至信号调理单元输入端的电压为0V。
若一通道为有源电流开关量输入时，将开关S1闭合，开关S2断开，输入电路的电流流过电阻R4转换为电压，直接通过光耦切换后送信号调理单元。
若一通道为有源电压开关量输入时，将开关S1、S2断开，电压直接通过光耦切换后送信号调理单元。
控制器通过轮循输出“CTRL_1”、“CTRL_2”端的高低电平使三极管Q1、Q2的轮循导通，通过控制作为模拟开关的光耦通电与否来实现多通道开关量信号的轮循切换。轮流使开关量输入端信号接入至信号调理单元进行电平转换。使用光耦来对多路开关量信号进行切换也保证了多路开关量信号的独立性，使得不会相互进行干扰。
可选地，参照图3，本实施例中，信号调理单元30包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端设有接地的分压电阻R15、输出端与反相输入端之间设有反馈电阻R11，运算放大器的输出端经分压电路连接至控制器40。优选地，运算放大器U3输出的差分放大信号经R14、R16分压后送控制器40进行电压采样。根据应用场合，运算放大器U3可选差模共模电压耐压较高的运放，一般保护电压可达±500V，R12、R13也可适当选较大电阻，这样可增强信号调理差分电路的抗外部干扰和保护能力。通过选择R11、R12、R13、R15阻值可改变信号调理差分放大电路的放大倍数。运算放大器U3采用正负双电源供电式运算放大器，这样就允许外部电压开关量信号可以是反向电压，通过R14、R16分压后的VADC端电压为负压，控制器对VADC端负压采样即可。优选地，运算放大器U3的同相输入端与反相输入端之间串接有双向抑制二极管D1,以保护运算放大器U3不受外部过高电压损坏。
本实施例通过对外部无源开关量进行电信号的接入，对外部有源电流信号转换为电压信号，对外部有源直流电压信号进行光耦隔离、轮循切换后进行差分放大处理，最后送控制器采样，可实现对多通道、高压、弱驱动能力、正负极性、干扰较大开关量信号进行采集。
根据本实用新型的另一方面，还提供了一种水质监测采集装置，包括上述实施例的开关量输入电路。通过采用上述实施例的开关量输入电路，可以满足水质监测过程中多种开关量信号的实时采集，集成度高。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种开关量输入电路，其特征在于，包括至少一路用于导入开关量信号的开关量输入端(10)，每路所述开关量输入端(10)均经并联设置的第一支路和第二支路连接至信号调理单元(30)；所述信号调理单元(30)的输出端连接控制器(40)；其中，
所述第一支路包括：
电流电压转换单元(21)，用于将所述开关量信号中的有源电流开关量信号转换为有源电压开关量信号；
耦合切换单元(22)，用于将所述开关量信号中的有源电压开关量信号或者所述电流电压转换单元(21)生成的有源电压开关量信号输出至所述信号调理单元(30)；
所述第二支路包括：
有源无源切换单元(23)，用于将所述开关量信号中的无源开关量信号输出至所述信号调理单元(30)；
所述信号调理单元(30)，用于对接收的信号进行差分放大处理并将处理后的信号传递给所述控制器(40)以供所述控制器(40)采集。
2.根据权利要求1所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述电流电压转换单元(21)，包括串接的限流电阻和切换开关。
3.根据权利要求2所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述耦合切换单元(22)包括光电耦合器，所述光电耦合器的控制端与所述控制器(40)的输出端连接，以受所述控制器(40)的输出信号控制；所述光电耦合器的输出端与所述信号调理单元(30)的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述开关量输入端(10)为多路，多路所述开关量输入端(10)分别经相应的所述第一支路、所述第二支路连接至所述信号调理单元(30)；
所述光电耦合器的控制端分别连接至所述控制器(40)的输出端以受所述控制器(40)的输出信号控制。
5.根据权利要求1至4任一所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述信号调理单元(30)包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端设有接地的分压电阻、输出端与反相输入端之间设有反馈电阻，所述运算放大器的输出端经分压电路连接至所述控制器(40)。
6.根据权利要求5所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述运算放大器采用正负双电源供电式运算放大器。
7.根据权利要求6所述的开关量输入电路，其特征在于，
所述运算放大器的所述同相输入端与所述反相输入端之间串接有双向抑制二极管。
8.一种水质监测采集装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一所述的开关量输入电路。
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