CN2674562Y - 数字量输入、输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数字量输入、输出电路，该电路由限流整流电路、光耦隔离电路、阻容滤波网络、三态门驱动芯片、I2C接口扩展芯片、反相器、TTL逻辑电路、驱动阵列、地址拨码开关及两组发光二极管一组继电器组成，通过16芯插座的数据总线与主控制器相连，其输入端通过接线端子接现场各阀门的开关状态输入信号以及其它开关量状态输入信号，输出端通过接线端子与现场阀门、开关等设备相联，将主控制器传来的控制信息数据转换为相应的控制信号对现场阀门、开关进行控制，通过地址拨码开关的设置可进行电路的扩展，最多可扩展连接八组电路，得到32个数字量输入点和32个数字量输出点，通过光耦隔离，可以抵抗现场信号的干扰。

Description

数字量输入、输出电路

技术领域

本实用新型涉及一种输入、输出电路，特别是指一种工业过程自动化控制终端设备对现场数字信号的数字量输入、输出电路，适用于石化、给排水、电力、冶金等领域的工业过程自动化控制终端设备数字输入信号的采集、数字信号的输出。

背景技术

目前，在我国应用于工业过程自动化领域控制设备中的数字信号量采集、数字信号输出电路，由于电路设计简单、没有采取隔离设计，而采集现场又存在信号干扰大的特点，故输入、输出信号失真、测量数据不准确，给控制系统的整体控制造成极大影响。其可扩展能力差，不能满足现场采集信号点的增加的需要。

发明内容

本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种数字量输入、输出电路，其输入端通过接线端子接现场各阀门的开关状态输入信号以及其它开关量状态输入信号，在输入端采用光耦隔离技术，可以抵抗现场信号的干扰。输出端通过接线端子与现场阀门、开关等设备相联，将主控制器传来的控制信息数据转换为相应的控制信号对现场阀门、开关进行控制；通过地址拨码开关的设置可进行电路的扩展，最多可扩展连接八组电路，得到32个数字量输入点和32个数字量输出点。

本实用新型的目的可以通过以下措施来达到：

一种数字量输入、输出电路，该电路由限流整流电路、光耦隔离电路、阻容滤波网络、三态门驱动芯片、I²C接口扩展芯片、反相器、TTL逻辑电路、驱动阵列、地址拨码开关及两组发光二极管一组继电器组成，通过16芯插座的数据总线与主控制器相连，

数字量输入、输出电路的元器件连接如下：

数数字量输入、输出电路可分为数字量输入电路和数字量输出电路两部分，

字量输入电路：有四路输入信号，分别通过各自的负载电阻R9和由R5、CR1、R1组成的分压整流电路接入光耦芯片U2的管脚1、3、5、7，光耦芯片的管腿2、4、6、8接电源地，管腿9、11、13、15接入信号地，光耦芯片的管腿10、12、14、16分别通过由C2、R3、C1阻容滤波电路后接入各自三态门驱动芯片U4的控制端及，光耦芯片的管腿10、12、14、16分别通过上拉电阻R2接电源VCC，三态门驱动芯片U4的输入端接信号地，三态门驱动芯片U4的输出端分别接I²C接口扩展芯片U5的管腿4、5、6、7和反相器U3的管腿11、13、15、17，I²C接口扩展芯片U5的管腿1、2、3分别接入下拉电阻R4与拨码开关U8的6、5、4端相连，U5的管腿14、15接入数据总线P1-12、P1-14端将输入的四路数据量传到主控制器，U5的管腿8接信号地，管腿15接电源VCC，反相器U3的管腿9、7、5、3通过分压电阻R15同发光二极管LED L1、L2、L3、L4到信号地；

数字量输出电路：I²C接口扩展芯片U6 PCF8574A的管脚3、2、1分别接入下拉电阻R19与拨码开关3、2、1相连，其管腿14、15接入数据总线P1-12、P1-14端，I²C接口扩展芯片U6 PCF8574A的管腿9、10、11、12与反相器U374HC240AP的管腿8、6、4、2相连，管腿16接电源VCC，管腿8接信号地，反相器U3 74HC240AP四个管腿18、16、14、12接U1的管腿5、6、7、8及分别通过分压电阻R16连接发光二极管L5、L6、L7、L8到U3的管腿19和，其U3的管腿19通过非门逻辑电路U7F、U7E、U7C的输出端，其输入端短接后接非门逻辑电路U7D的输出端，其输入端接数据总线与主控器相连，其U3的管腿1接非门逻辑电路U7B输出端，其输入端拨码开关U8的11、12、13、14、15、16和非门逻辑电路U7A的输出端，其U7A的输入端接数据总线，同时反相器U3 74HC240AP的管腿12、14、16、18接入驱动阵列芯片U1的管腿8、7、6、5，驱动阵列芯片U1的管腿11、12、13、14通过继电器K1、K2、K3、K4接电源VCC，驱动阵列芯片U1的管腿9接信号地，管腿10接电源VCC。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

数字量输入、输出电路可以对交流、直流型电平信号进行测量，同时还可以用于各种控制仪表的指示灯、电机开关、阀门等的控制；通过光耦隔离，可以抵抗现场信号的干扰；主控制器的数据总线通过数字量输入、输出电路上的与门逻辑电路对发光二极管进行使能控制，从而可达到节能的作用。还可根据现场要求，设置电路地址，易于电路的扩展。该电路安装方便快捷，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统总线。输入电压超过额定电压的150％也不会损坏电路。由于本实用新型采用的都是工业级元器件，可适应的温度范围为-40℃～70℃，能够在较恶劣的环境下工作。

附图说明

图1.数字量输入、输出电路的电原理图。

具体实施方式

下面结合图1数字量输入、输出电路的电原理图，对本实用新型说明如下。

数字量输入、输出电路由限流整流电路、光耦隔离电路、阻容滤波网络、三态门驱动芯片、数据总线(I²C)接口扩展芯片、反相器、TTL逻辑电路、地址拨码开关及一组发光二极管组成。通过16芯插座的数据总线与主控制器相连。

数字量输入、输出电路的四路输入信号，分别通过各自并联的输入信号负载电阻R9和由电阻R5、二极管CR1、电阻R1组成的分压整流电路后，接入光耦芯片U2 PC846，通过阻容滤波电路后接入三态门驱动芯片U474125的控制端，其输入端接数字地，输出端分别接入I²C总线接口扩展芯片U5 PCF8574P和反相器U3 74HC240AP的输入端，I²C总线接口扩展芯片U5 PCF8574P的管腿1、2、3分别接入下拉电阻R4与拨码开关U8的6、5、4相连；其U5管腿14(SCL串行时钟端)、15(SDA串行数据端)接数据总线，其16腿接Vcc电源端、扩展芯片U5 PCF8574P的管腿8接数据地，具管腿8、16并联电容C10。当输入端输入的信号为高电平时，该信号使光耦导通，后端即受控端电路导通，输出低电平信号，信号通过阻容滤波电路控制三态门，使三态门导通，则三态门的输出端由高电平转为低电平，与I²C接口扩展芯片相连的输入端电平也被拉低，I²C接口扩展芯片将八个输入端口的信号进行收集转换成串行数据，通过数据总线将串行数据传给主控制器。I²C总线接口扩展芯片U5 PCF8574P的管腿1、2、3分别接入下拉电阻R4与拨码开关U8的6、5、4相连，接入拨码开关U8的作用就是控制扩展芯片的地址位，从而决定了这个电路在总线中的地址，从而实现电路的扩展；数字输出电路也通过16芯插座与数据总线相连，主控器通过数据总线P1-14端将串行数据通过U6 PCF8574A I²C接口扩展输出芯片SDA数据端输入，经I²C接口扩展输出芯片将串行数据转换为四位并行信号，当信号输出端为低时，通过反相器后输出信号置高，这时通过可使接入的发光二极管工作，同时可通过接入的驱动阵列控制继电器的吸合，从而完成外部相关的控制动作；当信号输出端为高时，通过反相器后输出信号置低，这时发光二极管不工作相应的继电器断开。控制器通过数据总线P1-15接入非门电路，当输入信号为高时，通过非门电路输出为高，从而控制发光二极管不工作；当输入信号为低时，通过非门电路输出为低，从而控制发光二极管工作。控制器通过数据总线P1-16接入两非门复位电路，当复位信号为低时，通过非门电路，输出信号为高，从而通过拨码开关U8与I²C接口扩展输出芯片将该模块在总线中的地址传送到主控制器，同时通过另一非门电路接入反相器U3的1G、2G管腿控制反相器的工作状态。此电路上设计的这个非门逻辑电路，由7414芯片加一个电容、电阻组成，一端同数据总线相连，另一端分别与反相器的1G、2G管腿相连，使控制器可以控制发光二极管的使能和地址复位作用，当数据总线的P1-15、P1-16均为低时，发光二极管才能工作，从而可达到节能的效果。通过拨码开关的地址选择来决定总线中的地址实现电路的扩展，最多可扩展到八个电路。得到32个数字量输入点和32个数字量输出点。

该用于自动化控制设备的数字量输入输出电路，已制成模块，本厂编号和名称为E103数字量输入、输出模块，该模块采用B型盒，其尺寸为(长)118mm×(宽)108mm×(高)44mm，安装在7.5mm×35mm的DIN导轨上，连接到系统I/OBUS总线上。

数字量输入/输出电路将4路数字量输入和4路数字量输出添加到5000系列I/O系统中。I/O总线上可安装8块E103电路，得到32个数字量输入点和32个数字量输出点。数字量输入部分带有光耦隔离，隔离电压为1500VAC。外部接线很简单，四路输入共享公共地，也就是说四路信号的地在电路内部是彼此短路的。输入的信号可以是直流或者交流型电平信号。每路输入通过限流电阻调节输入电压范围。这些电阻可以改变来适应非标准的输入信号。数字量输入满足4路数字量输入；输入电压24V(交流或直流)；与主控制通过I²C总线通讯；继电器数字量输出可在系统中被设定为常开或常闭状态。通常用于控制仪表的指示灯、继电器、电机开关及其他ON/OFF驱动器。继电器输出特别适用于电流较大或要求非标准电流和电压的应用。该电路上的发光二极管显示每一路输入或输出端口的状态。SmartWIRE、SCADAPack或TeleSAFE Micro16控制器可以控制这些LED。

E103提供了4路数字量输入点和4路继电器数字输出点。数字量输入点可以向控制器提供AC或DC输入。其电压范围在出厂时被设置。当用DC输入时应特别注意信号的极性。继电器数字量输出电在出厂时被设置为常开触点，每个点之间是隔离的。模块使用接线端子与外围电路连接，推荐使用22～12AWG的标准电线。

现以ECHO抽油机控制器为例，对E103数字量输入、输出电路在本产品的控制过程及作用进行阐述。ECHO抽油机控制器是一种应用于油田自动化的远程控制装置。其主要目的是在油田抽油井现场实现对抽油机的控制，具有检测、控制、报警、通讯等功能。它是由主控模块、模拟量输入模块、数字量输入、输出模块(E103)、信号调理模块、串口扩展模块、电源电路及电台、显示屏、继电器、端子等组成。

E103数字量输入、输出模块共有4路数字量输入和4路数字量输出，第一路数字输入量(DI0)：DI0-通过门控天关与电源地相接，DI0+接24V+电源；数字输出量的一端(DO0+至DO3+)接电源电路提供的24V电源，另一端(DO0-至DO3-)接中间继电器(J1-J4)的线圈，线圈的另一端接电源地。控制器在工作时，E101、E103不断采集输入的模拟和数字信号，经数据总线传到E001。E001对数据进行处理和计算，生成各种量值的可读数据和示功图、电流图、运行时间的历史数据。同时，E001将采集数据与设定参数进行比较，根据比较结果产生相应的输出控制信号传给E103输出，经中间继电器控制抽油机的运行状态。

现场应用表明，E103数字量输入、输出模块具有抗干扰能力强、可靠性高、兼容性好、应用灵活、操作方便等特点，且能够适应恶劣的现场环境。

Claims (1)

1.一种数字量输入、输出电路，其特征在于：该电路由限流整流电路、光耦隔离电路、阻容滤波网络、三态门驱动芯片、I2C接口扩展芯片、反相器、TTL逻辑电路、驱动阵列、地址拨码开关及两组发光二极管一组继电器组成，通过16芯插座的数据总线与主控制器相连，数字量输入、输出电路的元器件连接如下：

数数字量输入、输出电路可分为数字量输入电路和数字量输出电路两部分，

字量输入电路：有四路输入信号，分别通过各自的负载电阻R9和由R5、CR1、R1组成的分压整流电路接入光耦芯片U2的管脚1、3、5、7，光耦芯片的管腿2、4、6、8接电源地，管腿9、11、13、15接入信号地，光耦芯片的管腿10、12、14、16分别通过由C2、R3、C1阻容滤波电路后接入各自三态门驱动芯片U4的控制端及，光耦芯片的管腿10、12、14、16分别通过上拉电阻R2接电源VCC，三态门驱动芯片U4的输入端接信号地，三态门驱动芯片U4的输出端分别接I2C接口扩展芯片U5的管腿4、5、6、7和反相器U3的管腿11、13、15、17，I2C接口扩展芯片U5的管腿1、2、3分别接入下拉电阻R4与拨码开关U8的6、5、4端相连，U5的管腿14、15接入数据总线P1-12、P1-14端将输入的四路数据量传到主控制器，U5的管腿8接信号地，管腿15接电源VCC，反相器U3的管腿9、7、5、3通过分压电阻R15同发光二极管LED L1、L2、L3、L4到信号地；

数字量输出电路：I²C接口扩展芯片U6 PCF8574A的管脚3、2、1分别接入下拉电阻R19与拨码开关3、2、1相连，其管腿14、15接入数据总线P1-12、P1-14端，I²C接口扩展芯片U6 PCF8574A的管腿9、10、11、12与反相器U374HC240AP的管腿8、6、4、2相连，管腿16接电源VCC，管腿8接信号地，反相器U3 74HC240AP四个管腿18、16、14、12接U1的管腿5、6、7、8及分别通过分压电阻R16连接发光二极管L5、L6、L7、L8到U3的管腿19和，其U3的管腿19通过非门逻辑电路U7F、U7E、U7C的输出端，其输入端短接后接非门逻辑电路U7D的输出端，其输入端接数据总线与主控器相连，其U3的管腿1接非门逻辑电路U7B输出端，其输入端拨码开关U8的11、12、13、14、15、16和非门逻辑电路U7A的输出端，其U7A的输入端接数据总线，同时反相器U3 74HC240AP的管腿12、14、16、18接入驱动阵列芯片U1的管腿8、7、6、5，驱动阵列芯片U1的管腿11、12、13、14通过继电器K1、K2、K3、K4接电源VCC，驱动阵列芯片U1的管腿9接信号地，管腿10接电源VCC。