CN212872833U - 多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置 - Google Patents

Abstract

多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其结构设计简单合理，可实现多功能电力仪表开关量输入端口的故障检测，可确保仪表测量参数的准确性，其包括控制器MCU、开关量输入端口、电源电路模块，外部设备通过开关量输入端口与控制器MCU连接，外部设备与开关量输入端口一端之间并联电阻R01，电阻R01与开关量输入端口之间通过导线连接，开关量输入端口另一端通过信号采集连接电路与控制器MCU连接，控制器MCU通过通讯电路与上位机连接，信号采集连接电路与信号采集辅助电源电路连接，通讯电路与通讯电源电路连接，信号采集连接电路用于将外部设备的无源开关量信号及导线的故障信号传递给控制器MCU。

Description

多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置

技术领域

本实用新型涉及电力仪表技术领域，具体为一种用于多功能电力仪表开关量输入端口故障检测的电路装置。

背景技术

多功能电力仪表是一种具有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲变送输出等多功能智能仪表，可广泛应用于各行业供配电场所、能源管理、自动化以及智能化网络监控等系统中。目前常用的多功能电力仪表主要包括显示屏、RS-485通讯接口、控制系统、开关量输入端口等，液晶显示屏用于显示测量参数、RS-485通讯用于与上位机通讯，控制系统用于对仪表的各个元件的控制，其中，外部设备通过开关量输入端口与控制系统连接，开关量输入端口与控制系统通过导线连接，但是在进行外部设备及仪表安装时，开关量输入端口与外部设备之间的导线极易因工作人员接线错误或外部因素影响出现短路或者断路的问题，从而导致仪表及上位机接收到的测量数据不准确或测量数据无法及时更新的问题出现，例如，当发生短路时，即使开关量输入端没有信号输入，仪表的显示屏及上位机可能仍会显示有信号输入，当发生断路时，即使有信号输入，仪表的显示屏和上位机可能会仍显示没有信号输入，若工作人员未及时发现短路或断路故障问题，则极易导致获取的数据信息错误的问题出现，严重影响工作人员对仪表信息的准确判断。

发明内容

针对现有技术中存在的多功能电力仪表缺少开关量输入端口故障信号检测装置，当开关量输入端口产生短路或断路问题时，易导致仪表的测量参数不准确，影响工作人员对仪表信息的准确判断的问题，本实用新型提供了一种多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其结构设计简单合理，可实现多功能电力仪表开关量输入端口的故障检测，可确保仪表测量参数的准确性。

一种多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其包括控制器MCU、开关量输入端口、电源电路模块，外部设备通过所述开关量输入端口与所述控制器MCU连接，其特征在于，所述外部设备与所述开关量输入端口的一端之间并联电阻R01，所述电阻R01与所述开关量输入端口之间通过导线连接，所述开关量输入端口的另一端通过信号采集连接电路与所述控制器MCU连接，所述控制器MCU通过通讯电路与上位机连接，所述信号采集连接电路与信号采集辅助电源电路连接，所述通讯电路与通讯电源电路连接，所述信号采集辅助电源电路、通讯电源电路分别用于给所述信号采集连接电路、通讯电路供电，所述信号采集连接电路用于将外部设备的无源开关量信号及所述导线的故障信号传递给所述控制器MCU。

其进一步特征在于，所述控制器MCU型号为STM32F103VET6，所述信号采集连接电路包括三极管Q101、Q102、Q103，所述三极管Q101的基极分别连接电阻R202的一端、电容C103的一端，所述电阻R202的另一端分别连接电阻R10、R101的一端、电容C102的一端、稳压二极管V4的阴极，所述电阻R10的另一端分别连接电阻R201、R11的一端、电压源DC24V，所述电阻R201的另一端分别连接所述三极管Q102的基极、电容C104的一端、三极管Q101的集电极，所述三极管Q101的发射极接地，所述三极管Q102的集电极分别连接电阻R21的一端、所述控制器MCU的P17管脚，所述电阻R21的另一端连接所述电压源VCC，所述电容C104的另一端接地，所述电容C102、C103的另一端接地，所述稳压二极管V4的阳极分别连接电阻R22的一端、所述三极管Q103的基极、电阻R22的一端，所述三极管Q103的发射极、电阻R22的另一端接地，所述三极管Q103的集电极分别连接所述电阻R11的另一端、电压源DC24V、控制器MCU的P16管脚，所述电阻R101的另一端分别连接稳压二极管V6的阴极、电容C101的一端、电阻R01的一端、外部设备的X1端口，所述稳压二极管V6的阳极分别连接电容C101的一端、稳压二极管V6的阴极、电阻R102的一端、外部设备的X2端口、所述电阻R01的另一端，所述电阻R102的另一端接地；

所述信号采集辅助电源电路包括整流器U16，所述整流器U16的型号为RY3750，所述整流器U16的5管脚分别连接电感L1、电阻R11的一端、电容C515的一端、有源电容C705的正极、电压源VCC，所述整流器U16的4管脚分别连接所述电阻R11的另一端、电容C804的一端，所述整流器U16的1管脚分别连接所述电感L1的另一端、二极管D501的阳极，所述二极管D501的阴极分别连接电阻R8的一端、电容C 1、C516的一端、有源电容C707的正极、电压源DC24V，所述整流器U16的3管脚分别连接所述电阻R8的另一端、电阻R9的一端、所述电容C1的另一端，所述有源电容C705的负极、电容C515、C804、整流器U16的2管脚、电阻R9的另一端、电容C516的另一端、有源电容C707的另一端接地；

所述通讯电源电路包括隔离电源模块U4，所述隔离电源模块U4的2管脚分别连接有源电容C601的正极、电容C106的一端、电压源VCC，所述隔离电源模块U4的4管脚分别连接有源电容C207的正极、电容C107的一端、电压源VCC1，所述隔离电源模块U4的1管脚、电容C106的另一端、有源电容C601的负极接地，所述隔离电源模块U4的3管脚分别连接有源电容C207的负极、电容C107的另一端接地，所述隔离电源模块U4的型号为13D-05S05NCNL；

所述通讯电路为485通讯电路，所述485通讯电路包括通讯芯片U11，所述通讯芯片U11的型号为HAX485，所述通讯芯片U11的1管脚连接电阻R35的一端，所述电阻R35的另一端连接光电耦合器G101的3端口，所述光电耦合器G101的1端口连接所述电压源VCC1，所述光电耦合器G101的6端口连接电压源VCC，所述光电耦合器G101的5端口分别连接电阻R301的一端、所述控制器MCU的RXD管脚，所述电阻R301的另一端连接电压源+3V3，所述光电耦合器G101的4管脚接地，所述通讯芯片U11的2、3管脚分别连接电阻R304的一端、三极管Q201的集电极，所述电阻R304的另一端接地，所述三极管Q201的发射极连接所述电压源VCC1，所述三极管Q201的基极连接电阻R303的一端，所述电阻R303的另一端分别连接电阻R302的一端、光电耦合器G102的5端口，所述光电耦合器G102的6管脚分别连接所述电阻R302的另一端、电压源VCC1，所述光电耦合器G102的4端口接地，所述光电耦合器G102的1端口连接所述电压源+3V3，所述光电耦合器G102的3端口连接电阻R36的一端，所述电阻R36的另一端连接所述控制器MCU的P10管脚，所述电阻R304的另一端接地，所述通讯芯片U11的4管脚分别连接电阻R305的一端、光电耦合器G103的5管脚，所述光电耦合器G103的6管脚连接所述电压源VCC1，所述电压源VCC1的4管脚接地，所述光电耦合器G103的1管脚连接所述电压源+3V3，所述光电耦合器G103的3管脚连接电阻R37的一端，所述电阻R37的另一端连接所述控制器MCU的TXD管脚，所述控制器MCU的8管脚连接所述电压源VCC1，所述通讯芯片U11的6管脚连接电阻R205的一端，所述通讯芯片U11的7管脚连接电阻R206的一端，所述通讯芯片U11的5管脚接地，所述电阻R206、R205的另一端连接所述上位机。

将本发明应用于多功能仪表的开关量输入端口的故障检测，外部设备与开关量输入端口之间连接有电阻R01，电阻R01起到分压的作用，电阻R01与开关量输入端口之间通过导线连接，当此处的导线发生短路或断路故障时，该导线的短路或断路故障信号通过信号采集连接电路中的三极管Q101、Q102、Q103的导通、截止状况传递，并通过信号采集连接电路输出的电平信号反应出来，通过控制器MCU的P16、P17管脚实时采集开关量输入端口通过信号采集连接电路传送的电平信号信息，当导线发生短路或断路故障时，信号采集连接电路与控制器MCU连接的P16管脚输出低电平，P17管脚输出高电平，控制器MCU接收该故障信号并将其通过通讯电路传递给上位机，即将多功能仪表的开关量输入端口处的短路或断路故障信息传递给上位机处的监控人员，从而实现了多功能电力仪表开关量输入端口的故障的实时检测，避免了因监测人员未及时发现开关量输入端口的故障信息而导致的仪表或上位机上显示的测量参数错误的问题出现；本故障检测装置与多功能仪表封装在同一壳体中，结构设计简单合理，集成化程度高，其无需对多功能仪表连接额外的故障检测设备，也无需工作人员使用额外的故障检测设备对开关量输入端口进行检测，使故障检测操作简单快捷。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明的外部设备与信号采集连接电路连接的电路原理图；

图3为本发明的通讯电路的电路原理图；

图4为本发明的信号采集辅助电源电路的电路原理图；

图5为本发明的通讯电源电路的电路原理图；

图6为本发明的控制器MCU的部分管脚的接口原理图。

具体实施方式

见图1至图5，一种多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其包括控制器MCU、开关量输入端口1、电源电路模块，外部设备2通过开关量输入端口1与控制器MCU连接，外部设备2与开关量输入端口1的一端之间并联电阻R01，电阻R01与开关量输入端口1之间通过导线3连接，开关量输入端口1的另一端通过信号采集连接电路4与控制器MCU连接，控制器MCU通过通讯电路5与上位机6连接，信号采集连接电路4与信号采集辅助电源电路7连接，通讯电路5与通讯电源电路8连接，信号采集辅助电源电路7、通讯电源电路8分别用于给信号采集连接电路4、通讯电路5供电，信号采集连接电路4用于将外部设备2的无源开关量信号及导线的故障信号传递给控制器MCU。

信号采集连接电路4包括三极管Q101、Q102、Q103，三极管Q101的基极分别连接电阻R202的一端、电容C103的一端，电阻R202的另一端分别连接电阻R10、R101的一端、电容C102的一端、稳压二极管V4的阴极，电阻R10的另一端分别连接电阻R201、R11的一端、电压源DC24V，电阻R201的另一端分别连接三极管Q102的基极、电容C104的一端、三极管Q101的集电极，三极管Q101的发射极接地，三极管Q102的集电极分别连接电阻R21的一端、控制器MCU的P17管脚，电阻R21的另一端连接电压源VCC，电容C104的另一端接地，电容C102、C103的另一端接地，稳压二极管V4的阳极分别连接电阻R22的一端、三极管Q103的基极、电阻R22的一端，三极管Q103的发射极、电阻R22的另一端接地，三极管Q103的集电极分别连接电阻R11的另一端、电压源DC24V、控制器MCU的P16管脚，电阻R101的另一端分别连接稳压二极管V6的阴极、电容C101的一端、电阻R01的一端、外部设备的X1端口，稳压二极管V6的阳极分别连接电容C101的一端、稳压二极管V6的阴极、电阻R102的一端、外部设备的X2端口、电阻R01的另一端，电阻R102的另一端接地；

信号采集辅助电源电路7包括整流器U16，整流器U16的5管脚分别连接电感L1、电阻R11的一端、电容C515的一端、有源电容C705的正极、电压源VCC，整流器U16的4管脚分别连接电阻R11的另一端、电容C804的一端，整流器U16的1管脚分别连接电感L1的另一端、二极管D501的阳极，二极管D501的阴极分别连接电阻R8的一端、电容C 1、C516的一端、有源电容C707的正极、电压源DC24V，整流器U16的3管脚分别连接电阻R8的另一端、电阻R9的一端、电容C1的另一端，有源电容C705的负极、电容C515、C804、整流器U16的2管脚、电阻R9的另一端、电容C516的另一端、有源电容C707的另一端接地；

通讯电源电路8包括隔离电源模块U4，隔离电源模块U4的2管脚分别连接有源电容C601的正极、电容C106的一端、电压源VCC，隔离电源模块U4的4管脚分别连接有源电容C207的正极、电容C107的一端、电压源VCC1，隔离电源模块U4的1管脚、电容C106的另一端、有源电容C601的负极接地，隔离电源模块U4的3管脚分别连接有源电容C207的负极、电容C107的另一端接地，隔离电源模块U4的型号为13D-05S05NCNL；

通讯电路5为485通讯电路，485通讯电路包括通讯芯片U11，通讯芯片U11的1管脚连接电阻R35的一端，电阻R35的另一端连接光电耦合器G101的3端口，光电耦合器G101的1端口连接电压源VCC1，光电耦合器G101的6端口连接电压源VCC，光电耦合器G101的5端口分别连接电阻R301的一端、控制器MCU的RXD管脚，电阻R301的另一端连接电压源+3V3，光电耦合器G101的4管脚接地，通讯芯片U11的2、3管脚分别连接电阻R304的一端、三极管Q201的集电极，电阻R304的另一端接地，三极管Q201的发射极连接电压源VCC1，三极管Q201的基极连接电阻R303的一端，电阻R303的另一端分别连接电阻R302的一端、光电耦合器G102的5端口，光电耦合器G102的6管脚分别连接电阻R302的另一端、电压源VCC1，光电耦合器G102的4端口接地，光电耦合器G102的1端口连接电压源+3V3，光电耦合器G102的3端口连接电阻R36的一端，电阻R36的另一端连接控制器MCU的P10管脚，电阻R304的另一端接地，通讯芯片U11的4管脚分别连接电阻R305的一端、光电耦合器G103的5管脚，光电耦合器G103的6管脚连接电压源VCC1，电压源VCC1的4管脚接地，光电耦合器G103的1管脚连接电压源+3V3，光电耦合器G103的3管脚连接电阻R37的一端，电阻R37的另一端连接控制器MCU的TXD管脚，控制器MCU的8管脚连接电压源VCC1，通讯芯片U11的6管脚连接电阻R205的一端，通讯芯片U11的7管脚连接电阻R206的一端，通讯芯片U11的5管脚接地，电阻R206、R205的另一端连接上位机，控制器MCU的型号为：STM32F103VET6。

其具体工作原理如下所述：将本发明应用于多功能仪表的开关量输入端口1的故障检测，外部设备2与开关量输入端口1之间连接有电阻R01，电阻R01起到分压的作用，电阻R01与开关量输入端口1之间通过导线3连接，当此处的导线3发生短路或断路故障时，该导线3的短路或短路故障通过信号采集连接电路4中的三极管Q101、Q102、Q103的导通、截止状况进行传递，并通过信号采集连接电路4与控制器MCU连接的P16、P17管脚的电平信号反应出来，具体的如表1所示，表1为外部设备无信号反馈和导线正常、导线短路或断路故障、外部设备有反馈信号时的控制器MCU的P16、P17管脚的电平信号状况：

表1：外部设备无反馈和导线正常、导线短路或断路故障、外部设备有反馈信号时的控制器MCU的P16、P17管脚的电平信号状况

如表1所示：（1）当外部设备2处无反馈信号发出且导线无短路或断路故障时，外部设备2首先并联电阻R01，然后通过导线3与信号采集连接电路4连接，信号采集连接电路4没有收到外部设备2处的反馈信号且导线无短路或断路故障的正常信号通过P16、P17管脚传递给控制器MCU，此时三极管Q101处于导通状态，三极管Q102、Q103均处于截止状态，控制器MCU的P16管脚、P17管脚均为高电平，此时控制器MCU接收到的信号为正常信号，上位机6处无故障信号输出；（2）当导线3发生短路或断路故障时，三极管Q101截止，三极管Q102导通，三极管Q103截止，控制器MCU的P16管脚为低电平，P17管脚为高电平，表明此时信号采集连接电路有导线短路或断路故障，故障信号通过P16、P17管脚传递给控制器MCU，控制器MCU将该故障信号通过其TXD管脚、RXD管脚、P10管脚传递给485通讯电路5，并通过通讯电路5将故障信号传递给上位机6，监控人员通过上位机上的显示器即可看到故障提示信息，及时维修，从而避免了多功能仪表读数误显示导致的获取的测量参数信息不准确的问题出现；（3）当外部设备发出信号反馈时，表明此时外部设备正常启动，三极管Q101导通，三极管Q102截止，三极管Q103导通，控制器MCU的P16管脚为高电平，P17管脚为低电平，此时外部设备2处于正常启动状态，外部设备2发出反馈信号，说明导线3未发生短路或断路故障状况，因此此时信号采集连接电路4接收到的是正常信号，并通过P16、P17管脚将外部设备启动信息传递给控制器MCU，控制器MCU将该信息通过其TXD管脚、RXD管脚、P10管脚传递给485通讯电路5，并通过通讯电路5传递给上位机6；

信号采集连接电路4中的电容C101、C102、C104可有效滤除外部干扰对电平信号的影响，稳压二极管V4、V6确保了电压信号的稳定性，信号采集辅助电源电路7用于给信号采集连接电路4供电，其通过整流器U16将较低的直流电压升压，将VCC电压源升压至电压源DC24V为信号采集连接电路4供电；通讯电源电路8通过隔离电源模块U4将电源分为电压源VCC、VCC1，以便为485通讯电路提供稳定的直流电压源，隔离485通讯电路中的三个光电耦合器G10、G102、G103具有输入、输出间的光电隔离的作用，可进一步降低外部干扰，同时可避免本装置中的其它电子元件受到干扰，确保了上位机接收到的故障信号信息的准确性。

Claims (5)

1.多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其包括控制器MCU、开关量输入端口、电源电路模块，外部设备通过所述开关量输入端口与所述控制器MCU连接，其特征在于，所述外部设备与所述开关量输入端口的一端之间并联电阻R01，所述电阻R01与所述开关量输入端口之间通过导线连接，所述开关量输入端口的另一端通过信号采集连接电路与所述控制器MCU连接，所述控制器MCU通过通讯电路与上位机连接，所述信号采集连接电路与信号采集辅助电源电路连接，所述通讯电路与通讯电源电路连接，所述信号采集辅助电源电路、通讯电源电路分别用于给所述信号采集连接电路、通讯电路供电，所述信号采集连接电路用于将外部设备的无源开关量信号及所述导线的故障信号传递给所述控制器MCU。

2.根据权利要求1所述的多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其特征在于，所述控制器MCU型号为STM32F103VET6，所述信号采集连接电路包括三极管Q101、Q102、Q103，所述三极管Q101的基极分别连接电阻R202的一端、电容C103的一端，所述电阻R202的另一端分别连接电阻R10、R101的一端、电容C102的一端、稳压二极管V4的阴极，所述电阻R10的另一端分别连接电阻R201、R11的一端、电压源DC24V，所述电阻R201的另一端分别连接所述三极管Q102的基极、电容C104的一端、三极管Q101的集电极，所述三极管Q101的发射极接地，所述三极管Q102的集电极分别连接电阻R21的一端、所述控制器MCU的P17管脚，所述电阻R21的另一端连接电压源VCC，所述电容C104的另一端接地，所述电容C102、C103的另一端接地，所述稳压二极管V4的阳极分别连接电阻R22的一端、所述三极管Q103的基极、电阻R22的一端，所述三极管Q103的发射极、电阻R22的另一端接地，所述三极管Q103的集电极分别连接电阻R11的另一端、电压源DC24V、控制器MCU的P16管脚，所述电阻R101的另一端分别连接稳压二极管V6的阴极、电容C101的一端、电阻R01的一端、外部设备的X1端口，所述稳压二极管V6的阳极分别连接电容C101的一端、稳压二极管V6的阴极、电阻R102的一端、外部设备的X2端口、所述电阻R01的另一端，所述电阻R102的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其特征在于，所述信号采集辅助电源电路包括整流器U16，所述整流器U16的型号为RY3750，所述整流器U16的5管脚分别连接电感L1、电阻R11的一端、电容C515的一端、有源电容C705的正极、电压源VCC，所述整流器U16的4管脚分别连接所述电阻R11的另一端、电容C804的一端，所述整流器U16的1管脚分别连接所述电感L1的另一端、二极管D501的阳极，所述二极管D501的阴极分别连接电阻R8的一端、电容C 1、C516的一端、有源电容C707的正极、电压源DC24V，所述整流器U16的3管脚分别连接所述电阻R8的另一端、电阻R9的一端、所述电容C1的另一端，所述有源电容C705的负极、电容C515、C804、整流器U16的2管脚、电阻R9的另一端、电容C516的另一端、有源电容C707的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其特征在于，所述通讯电源电路包括隔离电源模块U4，所述隔离电源模块U4的2管脚分别连接有源电容C601的正极、电容C106的一端、电压源VCC，所述隔离电源模块U4的4管脚分别连接有源电容C207的正极、电容C107的一端、电压源VCC1，所述隔离电源模块U4的1管脚、电容C106的另一端、有源电容C601的负极接地，所述隔离电源模块U4的3管脚分别连接有源电容C207的负极、电容C107的另一端接地，所述隔离电源模块U4的型号为13D-05S05NCNL。

5.根据权利要求4所述的多功能仪表开关量输入端口故障检测电路装置，其特征在于，所述通讯电路为485通讯电路，所述485通讯电路包括通讯芯片U11，所述通讯芯片U11的型号为HAX485，所述通讯芯片U11的1管脚连接电阻R35的一端，所述电阻R35的另一端连接光电耦合器G101的3端口，所述光电耦合器G101的1端口连接所述电压源VCC1，所述光电耦合器G101的6端口连接电压源VCC，所述光电耦合器G101的5端口分别连接电阻R301的一端、所述控制器MCU的RXD管脚，所述电阻R301的另一端连接电压源+3V3，所述光电耦合器G101的4管脚接地，所述通讯芯片U11的2、3管脚分别连接电阻R304的一端、三极管Q201的集电极，所述电阻R304的另一端接地，所述三极管Q201的发射极连接所述电压源VCC1，所述三极管Q201的基极连接电阻R303的一端，所述电阻R303的另一端分别连接电阻R302的一端、光电耦合器G102的5端口，所述光电耦合器G102的6管脚分别连接所述电阻R302的另一端、电压源VCC1，所述光电耦合器G102的4端口接地，所述光电耦合器G102的1端口连接所述电压源+3V3，所述光电耦合器G102的3端口连接电阻R36的一端，所述电阻R36的另一端连接所述控制器MCU的P10管脚，所述电阻R304的另一端接地，所述通讯芯片U11的4管脚分别连接电阻R305的一端、光电耦合器G103的5管脚，所述光电耦合器G103的6管脚连接所述电压源VCC1，所述电压源VCC1的4管脚接地，所述光电耦合器G103的1管脚连接所述电压源+3V3，所述光电耦合器G103的3管脚连接电阻R37的一端，所述电阻R37的另一端连接所述控制器MCU的TXD管脚，所述控制器MCU的8管脚连接所述电压源VCC1，所述通讯芯片U11的6管脚连接电阻R205的一端，所述通讯芯片U11的7管脚连接电阻R206的一端，所述通讯芯片U11的5管脚接地，所述电阻R206、R205的另一端连接所述上位机。

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