CN210724748U - 一种安全型数字接口复用电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种安全型数字接口复用电路，通过设置输入输出扩展模块、电平输入检测电路、开漏输出接口电路及高边开关与保护模块，使得复用端口即可用作输入端口也可用作输出端口，当用作输入端口时，电平输入检测电路输出与复用端口相应的电平信号至输入输出扩展模块的第一信号端，当用作输出端口时，开漏输出接口电路根据输入输出扩展模块第二信号端的电平信号控制复用端口的开关状态，从而可以满足同一路端口输入输出功能硬件兼容，高边开关与保护模块用以对安全型数字接口复用电路的输入电源提供过流及过压保护，相比传统的独立接口电路或者全隔离电路，本申请提供的方案可以实现IO端口数量灵活扩展，达到负载灵活配置，成本更低。

Description

一种安全型数字接口复用电路

技术领域

本实用新型涉及接口复用技术领域，具体而言，涉及一种安全型数字接口复用电路。

背景技术

在现有机器人产品中，数字输入输出接口都是独立分开设计的，存在以下几个明显的缺点；例如接口资源浪费、尺寸大占用机器人接口体积、不适合小型机器人面板应用等。为了适应不同市场应用需求，一般的设计提供的输入输出端口数量繁多，比如常见的输入8路，输出8路，共16个端口；或者更多例如16输入16输出共32路接口，造成硬件成本上升，当客户只需要输入(或输出)接口更多时，就造成输出(或输入)接口资源的严重浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种安全型数字接口复用电路，以实现将输入端口和输出端口复用，节省端口资源的目的。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供了一种安全型数字接口复用电路，所述安全型数字接口复用电路包括：输入输出扩展模块、电平输入检测电路、开漏输出接口电路及复用端口；

所述输入输出扩展模块包括通信端口、第一信号端及第二信号端，所述通信端口用以与微控制器通信连接；所述输入输出扩展模块用以根据所述微控制器的指令将第一信号端接收的信号传输至微控制器或者控制第二信号端输出预设定的电平信号；

所述电平输入检测电路包括第一输入端及第一输出端，所述第一输入端与所述复用端口电连接，所述第一输出端与所述第一信号端电连接；

所述电平输入检测电路用于当所述复用端口用作输入端口时，输出与所述复用端口相应的电平信号至所述第一信号端；

所述开漏输出接口电路包括第二输入端及第二输出端，所述第二输入端与所述第二信号端电连接，所述第二输出端与所述复用端口电连接；

所述开漏输出接口电路用于当所述复用端口用作输出端口时，根据所述第二信号端的电平信号控制所述复用端口的状态。

进一步地，所述电平输入检测电路还包括光耦U1、限流电阻R3及上拉电阻R5；

所述光耦U1包括发光侧二极管及光敏三极管，所述发光侧二极管的阳极通过限流电阻R3与输入电源电连接，所述发光侧二极管的阴极与所述第一输入端电连接；

所述光敏三极管的发射极接地，所述光敏三极管的集电极通过上拉电阻R5与一直流电源VCC电连接；所述第一输出端形成于所述光敏三极管的集电极与所述上拉电阻R5之间。

进一步地，所述电平输入检测电路还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极与所述发光侧二极管的阴极电连接，所述二极管D2的阴极与所述第一输入端电连接。

进一步地，所述开漏输出接口电路还包括驱动电路及MOS管；

所述驱动电路的输入端与所述第二输入端电连接，所述驱动电路的输出端与所述MOS管的栅极电连接，所述MOS管的漏极与所述第二输出端电连接，所述MOS管的源极接地；

所述驱动电路用于根据所述第二输入端接收的信号控制所述MOS管的通断状态，从而通过所述第二输出端控制所述复用端口的状态。

进一步地，安全型数字接口复用电路还包括保护电路，所述保护电路的第一端与所述第二输出端电连接，所述保护电路的第二端与所述复用端口电连接，所述保护电路用于当所述复用端口的电流大于安全阈值时断开，以防止电路损坏。

进一步地，所述保护电路为自恢复保险丝。

进一步地，所述安全型数字接口复用电路还包括端口滤波电路，所述端口滤波电路的第一端与所述复用端口电连接，所述端口滤波电路的第二端接地，所述端口滤波电路用于滤除所述复用端口的干扰信号。

进一步地，所述通信端口通过串行总线与所述微控制器通信连接。

进一步地，所述安全型数字接口复用电路还包括状态显示电路，所述状态显示电路包括电阻R4及发光二极管LED1，所述电阻R4及所述发光二极管LED1串联于所述输入电源及复用端口之间，所述发光二极管LED1用于当所述复用端口接入低电平或输出MOS管导通状态时点亮。

进一步地，所述安全型数字接口复用电路还包括高边开关与保护模块，所述高边开关与保护模块与所述微控制器、所述电平输入检测电路、开漏输出接口电路均电连接，所述高边开关与保护模块还与输入电源电连接，所述高边开关与保护模块用以对所述安全型数字接口复用电路的输入电源提供过流及过压保护。

相对现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种安全型数字接口复用电路，通过设置输入输出扩展模块、电平输入检测电路、开漏输出接口电路及高边开关与保护模块，使得复用端口即可用作输入端口也可用作输出端口，当用作输入端口时，电平输入检测电路输出与所述复用端口相应的电平信号至输入输出扩展模块的第一信号端，当用作输出端口时，开漏输出接口电路根据输入输出扩展模块第二信号端的电平信号控制复用端口的状态，从而可以满足同一路端口输入输出功能硬件兼容，软件可配置的效果，通过输入输出扩展模块与微控制器总线连接，支持IO端口数量灵活扩展，达到负载灵活配置，同时设置了高边开关与保护模块，为整个硬件接口电路提供更高的安全性，整个接口电路系统，硬件结构紧凑，软件功能灵活，安全可靠，相比传统的独立接口电路或者全隔离电路成本更低，具有很大的优势。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型所提供的一种安全型数字接口复用电路的示意图。

图2示出了本实用新型提供的输入输出扩展模块的示意图。

图3示出了本实用新型提供的部分安全型数字接口复用电路的电路示意图。

图4示出了本实用新型提供的高边开关与保护模块的示意图。

图标：10-安全型数字接口复用电路；110-输入输出扩展模块；120-电平输入检测电路；130-开漏输出接口电路；140-保护电路；150-端口滤波电路；160-状态显示电路；170-高边开关与保护模块；20-微控制器；IO3-通信端口；IO1-第一信号端；IO2-第二信号端；DI1-第一输入端；DI2-第一输出端；DO1-第二输入端；DO2-第二输出端；DIOx-复用端口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

为了改善现有的产品端口资源存在浪费的问题，本实用新型提供了一种安全型数字接口复用电路，参阅图1，安全型数字接口复用电路10包括：输入输出扩展模块110、电平输入检测电路120、开漏输出接口电路130及复用端口DIOx。

输入输出扩展模块110包括通信端口IO3、第一信号端IO1及第二信号端IO2，其中，通信端口IO3用以与微控制器20通信连接，以接收微控制器20的控制指令或者向微控制器20传输信号(如输入信号等)。例如，若将第一信号端IO1配置为信号输入端口，则输入输出扩展模块110用以根据微控制器20的指令将第一信号端IO1接收的信号传输至微控制器20；若将第二信号端IO2配置为输出端口，则输入输出扩展模块110用于控制第二信号端IO2输出预设定的电平信号；该预设定的电平信号可以由输入输出扩展模块110根据微控制器20的指令生成。

电平输入检测电路120用于检测输入信号的电平信号，并将该电平信号传输至第一信号端IO1。电平输入检测电路120包括第一输入端DI1及第一输出端DI2，其中，第一输入端DI1与复用端口DIOx电连接，用于检测复用端口DIOx接入的电平信号，第一输出端DI2与第一信号端IO1电连接，用于将检测的电平信号传输至第一信号端IO1。当复用端口DIOx用作输入端口时，电平输入检测电路120用于输出与复用端口DIOx相应的电平信号至第一信号端IO1；例如，复用端口DIOx输入低电平信号，则电平输入检测电路120向第一信号端IO1传输低电平信号，若复用端口DIOx输入高电平信号，则电平输入检测电路120向第一信号端IO1传输高电平信号。

开漏输出接口电路130用于根据输入输出扩展模块110第二信号端IO2的电平信号控制复用端口DIOx的状态。于本实施例中，当复用端口DIOx用作输出端口时，其输出类型为开漏输出，负载的一端接电源，另一端与复用端口DIOx电连接，复用端口DIOx不输出电压，低电平时接地，负载中有电流，回路导通；高电平时不接地负载中无电流，回路不导通。

开漏输出接口电路130包括第二输入端DO1及第二输出端DO2，其中第二输入端DO1与第二信号端IO2电连接，用于接收第二信号端IO2的电平信号，第二输出端DO2与复用端口DIOx电连接；用于输出相应的开关状态至复用端口DIOx。当复用端口DIOx用作输出端口时，开漏输出接口电路130用于根据第二信号端IO2的电平信号控制复用端口DIOx的开关状态。

本实用新型提供的安全型数字接口复用电路10，通过设置输入输出扩展模块110，输入输出扩展模块110分别通过电平输入检测电路120、开漏输出接口电路130与复用端口DIOx连接，通过对输入输出扩展模块110的端口进行配置，可以满足复用端口DIOx既用作输入端口又用作输出端口，硬件结构紧凑，软件功能灵活，安全可靠，相比传统的独立接口电路或者全隔离电路成本更低，节省了端口资源，具有很大的优势。

参阅图2，图2示出了输入输出扩展模块110与微控制器20连接的示意图。于本实施例中，输入输出扩展模块110通过总线与微控制器20连接，例如可以通过I2C总线，可灵活配置输入输出扩展模块110每个接口的IO功能。

微控制器20通过I2C控制输入输出扩展模块110的接口输入/输出功能，而当某个接口作为输入功能时，电平发生切换会触发INTN信号输出给微控制器20，这样可避免了实时查询端口输入状态，提高系统时钟资源效率。同时支持灵活扩展，相比微控制器20直接用IO口控制而言，支持的端口数量更多，成本更低。

微控制器20(Microcontroller Unit，MCU)可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件、单片机等。

下面对电平输入检测电路120及开漏输出接口电路130进行详细介绍。参阅图3，电平输入检测电路120包括第一输入端DI1、第一输出端DI2、光耦U1、限流电阻R3、上拉电阻R5。光耦U1可以实现电气隔离，防止复用端口DIOx接入的信号损坏电路。光耦U1包括发光侧二极管及光敏三极管，当发光侧二极管通电发光时，光敏三极管产生电流导通，当发光侧二极管不发光时，光敏三极管关断。

发光侧二极管的阳极通过限流电阻R3与输入电压(于本实施例中，输入电压为24V电源)电连接，发光侧二极管的阴极与第一输入端DI1电连接，也即与复用端口DIOx电连接。光敏三极管的发射极接地，光敏三极管的集电极通过上拉电阻R5与一直流电源VCC电连接；第一输出端DI2形成于光敏三极管的集电极与上拉电阻R5之间，第一输出端DI2与第一信号端IO1电连接。

由于光耦U1发光侧二极管的阳极接24V电源，阴极与复用端口DIOx电连接，当复用端口DIOx默认悬空或接高电平时，发光侧二极管内没有电流，光敏三极管不导通，此时第一输出端DI2通过上拉电阻与24V电源电连接，第一输出端DI2保持高电平状态，即输入输出扩展模块110的第一信号端IO1保持高电平状态。

当复用端口DIOx接低电平或接地时，即第一输入端DI1接低电平，24V电源通过电阻R3到地，此时光耦发光侧二极管内有电流，发光侧二极管发光，光敏三极管内有电流导通，形成回路，第一输出端DI2导通为低电平。

在一种可能的实施方式中，电平输入检测电路120还包括二极管D2，二极管D2的阳极与发光侧二极管的阴极电连接，二极管D2的阴极与第一输入端DI1电连接。利用二极管D2的单端导通条件防止复用端口DIOx电压过高造成损坏，R5为上拉电阻，R3为限流电阻。

继续参阅图3，开漏输出接口电路130包括第二输入端DO1、第二输出端DO2、驱动电路及MOS管。于本实施例中，当复用端口DIOx用作输出端口时，输出信号为开漏输出，即开漏输出接口电路130输出MOS管导通状态或MOS管关断状态，从而控制复用端口DIOx的开关状态。

其中，驱动电路用于根据第二输入端DO1的信号驱动MOS管导通或关断，驱动电路的输入端与第二输入端DO1电连接，用于获取第二输入端DO1的电平信号，例如高电平或低电平。驱动电路的输出端与MOS管的G极电连接，用以根据第二输入端DO1的电平信号控制MOS管导通或关断。MOS管的D极与第二输出端DO2电连接，MOS管的S极接地。

驱动电路用于根据第二输入端DO1接收的信号控制MOS管的通断状态，从而通过第二输出端DO2控制复用端口DIOx的开关状态。例如，当第二信号端IO2输出高电平时，即第二输入端DO1接收高电平，驱动电路为高电平，MOS管导通，复用端口DIOx外接负载，负载的正极接+24V电源(高电平)，负极接MOS管的漏极导通到地，此时MOS管导通，负载能够运行。

当第二信号端IO2输出低电平时，及第二输入端DO1接收低电平，驱动电路为低电平，MOS管不导通，此时MOS管的漏极和源极不导通，第二输出端DO2没有电流，也即复用端口DIOx没有电流，负载无法运行。

于本实施例中，参阅图3，驱动电路可以由电阻R1、电阻R2和放大器U2组成。

为了防止流过复用端口DIOx的电流过大，于本实施例中，安全型数字接口复用电路10还包括保护电路140。保护电路140用于当复用端口DIOx电流过大时断开，以防止电路或端口损坏。

于本实施例中，保护电路140可以为自恢复保险丝F1。保护电路140的第一端与第二输出端DO2电连接，保护电路140的第二端与复用端口DIOx电连接，当复用端口DIOx的电流大于安全阈值时自恢复保险丝F1断开，防止电路损坏，当复用端口DIOx的电流下降至安全阈值以下时，自恢复保险丝恢复导通，电路可以恢复运行。

在一种可能的实施方式中，安全型数字接口复用电路10还包括状态显示电路160，状态显示电路160用于当复用端口DIOx(默认悬空或高电平)接入低电平或者复用端口DIOx输出MOS管导通时指示。

例如，状态显示电路160包括电阻R4及发光二极管LED1，电阻R4及发光二极管LED1串联于24V电源及复用端口DIOx之间，当复用端口DIOx接入低电平时，电阻R4及发光二极管LED1内有电流，发光二极管LED1点亮；当复用端口DIOx输出MOS管导通时，电阻R4及发光二极管LED1内有电流，发光二极管LED1点亮。通过设置状态显示电路160，可以指示复用接口的工作状态。

在一种可能的实施方式中，安全型数字接口复用电路10还包括端口滤波电路150，端口滤波电路150的第一端与复用端口DIOx电连接，端口滤波电路150的第二端接地，设置滤波电路可以减少工业环境中的信号干扰，提高信号稳定性。于本实施例中，端口滤波电路150包括电容C1。

安全型数字接口复用电路10还包括高边开关与保护模块170，所述高边开关与保护模块170与所述微控制器20、所述电平输入检测电路120、开漏输出接口电路均电连接，所述高边开关与保护模块170还与输入电源电连接，所述高边开关与保护模块170用以对安全型数字接口复用电路10的输入电源提供过流及过压保护。参阅图4，图4示出了高边开关与保护模块170的示意图。高边开关与保护模块170为输入电源输出提供过流、过压、短路等保护功能，于本实施例中，输入电源为24V直流电源，高边开关与保护模块170包括高边MOSFET及其驱动电路、钳位电路、输出电流配置电路和电流反馈电路。24V输入电源VIN输入给MOSFET的漏级，由ON/OFF通过驱动电路控制高边MOSFET的通断输出+24V电压给安全型数字接口复用电路供电，并且引出给客户使用，输出限流阈值可有RCL电阻设置。逻辑功能电路可设置成模拟电压输出，通过计算可实时监测+24V电源的负载情况。

高边开关与保护模块170为安全型数字接口复用电路提供安全可靠的+24V电源，高边MOSFET开关受微控制器控制，默认情况下开启+24V，IFB引脚送入MCU通过AD转换可实时监控当前负载情况，当负载大于软件配置阈值时，关闭24V输出，此为软关断。同时硬件电路上支持RCL设置硬关断，当负载突变或者短路时超过硬件阈值，及时关闭MOSFET，保证电源系统可靠运行，且不会对内部逻辑电压造成影响。

综上所述，本申请提供了一种安全型数字接口复用电路，通过设置输入输出扩展模块、电平输入检测电路、开漏输出接口电路，使得复用端口即可用作输入端口也可用作输出端口，当用作输入端口时，电平输入检测电路输出与所述复用端口相应的电平信号至输入输出扩展模块的第一信号端，当用作输出端口时，开漏输出接口电路根据输入输出扩展模块第二信号端的电平信号控制复用端口的开关状态，从而可以满足同一路端口输入输出功能硬件兼容，软件可配置的效果，通过输入输出扩展模块与微控制器总线连接，支持IO端口数量灵活扩展，达到负载灵活配置，同时设置了高边开关与保护模块，为整个硬件接口电路提供更高的安全性，整个接口电路系统，硬件结构紧凑，软件功能灵活，安全可靠，相比传统的独立接口电路或者全隔离电路成本更低，具有很大的优势。

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 (10)

1.一种安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述安全型数字接口复用电路包括：输入输出扩展模块、电平输入检测电路、开漏输出接口电路及复用端口；

所述输入输出扩展模块包括通信端口、第一信号端及第二信号端，所述通信端口用以与微控制器通信连接；所述输入输出扩展模块用以根据所述微控制器的指令将第一信号端接收的信号传输至微控制器或者控制第二信号端输出预设定的电平信号；

所述电平输入检测电路包括第一输入端及第一输出端，所述第一输入端与所述复用端口电连接，所述第一输出端与所述第一信号端电连接；

所述电平输入检测电路用于当所述复用端口用作输入端口时，输出与所述复用端口相应的电平信号至所述第一信号端；

所述开漏输出接口电路包括第二输入端及第二输出端，所述第二输入端与所述第二信号端电连接，所述第二输出端与所述复用端口电连接；

所述开漏输出接口电路用于当所述复用端口用作输出端口时，根据所述第二信号端的电平信号控制所述复用端口的状态。

2.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述电平输入检测电路还包括光耦U1、限流电阻R3及上拉电阻R5；

所述光耦U1包括发光侧二极管及光敏三极管，所述发光侧二极管的阳极通过限流电阻R3与输入电源电连接，所述发光侧二极管的阴极与所述第一输入端电连接；

所述光敏三极管的发射极接地，所述光敏三极管的集电极通过上拉电阻R5与一直流电源VCC电连接；所述第一输出端形成于所述光敏三极管的集电极与所述上拉电阻R5之间。

3.根据权利要求2所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述电平输入检测电路还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极与所述发光侧二极管的阴极电连接，所述二极管D2的阴极与所述第一输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述开漏输出接口电路还包括驱动电路及MOS管；

所述驱动电路的输入端与所述第二输入端电连接，所述驱动电路的输出端与所述MOS管的栅极电连接，所述MOS管的漏极与所述第二输出端电连接，所述MOS管的源极接地；

所述驱动电路用于根据所述第二输入端接收的信号控制所述MOS管的通断状态，从而通过所述第二输出端控制所述复用端口的状态。

5.根据权利要求4所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，安全型数字接口复用电路还包括保护电路，所述保护电路的第一端与所述第二输出端电连接，所述保护电路的第二端与所述复用端口电连接，所述保护电路用于当所述复用端口的电流大于安全阈值时断开，以防止电路损坏。

6.根据权利要求5所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述保护电路为自恢复保险丝。

7.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述安全型数字接口复用电路还包括端口滤波电路，所述端口滤波电路的第一端与所述复用端口电连接，所述端口滤波电路的第二端接地，所述端口滤波电路用于滤除所述复用端口的干扰信号。

8.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述通信端口通过串行总线与所述微控制器通信连接。

9.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述安全型数字接口复用电路还包括状态显示电路，所述状态显示电路包括电阻R4及发光二极管LED1，所述电阻R4及所述发光二极管LED1串联于输入电源及复用端口之间，所述发光二极管LED1用于当所述复用端口接入低电平或输出MOS管导通状态时点亮。

10.根据权利要求1所述的安全型数字接口复用电路，其特征在于，所述安全型数字接口复用电路还包括高边开关与保护模块，所述高边开关与保护模块与所述微控制器、所述电平输入检测电路、开漏输出接口电路均电连接，所述高边开关与保护模块还与输入电源电连接，所述高边开关与保护模块用以对所述安全型数字接口复用电路的输入电源提供过流及过压保护。

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