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专利名称：一种高安全性数字量信号采集电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号采集电路，具体涉及一种工业控制系统上的数字量信号采集电路。
背景技术：
数据采集，是指从传感器或其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程，其中数字量信号采集电路能够在不影响前级信号输出状态下，对前级信号进行采集、捕捉，然后进行一定的处理(主要是去抖动处理)，然后将处理完毕的信号传递给处理器。常见数字信号采集电路如图I所示，其数字量信号采集电路主要原理为当输入端(In)输入有效信号(通常为24V或者48V)时，通过电阻Rl限流、然后通过R2对流过光耦ICl的 电流进行适当分流控制，当流过光耦ICl内部发光二极管的电流达到一定值时，触发后级三极管导通，则Out与地信号短接，输出给后级低电平信号。而当In没有输入有效信号或者信号不够高时，则经过电阻R1、电阻R2限流和分流控制后，流过光耦ICl内部发光二极管的电流不足以触发后级的三极管导通，则Out端相当于串联一个电阻R3和V+相连，因此输出给后级的电压约等于V+ (这里通常假设后级输入阻抗足够高)。通过该设计可以看到前级输入In的变化直接影响后级Out的输出，因而起到了数字量信号采集的作用，由于采用了光耦器件，即光耦ICl内部的发光二极管通过光信号触发后级三极管导通，因而具有良好的隔离耐压作用，Out端的电信号不会对In端电信号造成影响，In端的大电压电流信号也不会流入Out端，造成对Out端的损害。上述电路设计简单可靠，成本较低，因而在工业控制领域的数字量信号采集技术中大量使用，具有很高的使用价值。但是当应用于对可靠性，安全性有更高要求的特定领域时(例如核电站控制领域)，该电路则往往无法满足系统要求。这是因为在日常使用中，电路或者器件均存在各种模式的失效情况。例如当出现焊接工艺导致光耦ICl与电阻Rl连接引脚出现虚焊、光耦ICl前端短接等等现象时，这些失效模式导致的后果是使实际采集到的信号In与电路输出信号Out就不一致，且用户在实际使用时很难及时发现此问题。这种情况在核电站控制领域或者其他安全等级要求较高的工业控制领域是无法接受的。此外，现有的数字量信号采集电路故障诊断覆盖率不够，另外，反向耐压保护能力不足，其部分电路的反向耐压和防护能力完全依靠光耦自身的防护能力，而光耦方向防护能力偏弱，常规光耦二极管反向耐压最大为8V (这里参考M0CD213器件参数)，无法满足应用要求。

发明内容
为解决现有技术中数字量信号采集电路安全性低的问题，本发明提供一种高安全性数字量信号采集电路，具体方案如下一种高安全性数字量信号采集电路，包括采集数字信号的冗余采集电路U1，专属的自检测电路以及对应的冗余信号处理逻辑，其特征在于
一.采用了冗余采集电路方案(Ul和U2)对数字量信号进行采集，有效提高采集电路可靠性；二.采用了专属的自检测电路(U3)，该电路针对特定应用，能够覆盖完整的自检测项；三，采集电路防护部分(Ul和U2前端反向二极管Dl和D2以及大功率电阻Rl)，有效防反压、过压情况发生。，冗余采集方案采用同向冗余设计使用完全相同的两路采集电路同时对一路输入信号进行采集，并通过同向逻辑比对，当采集信号相同时，采集正常，信号有效；反之则采集异常，采集信号无效。为对数字量信号采集电路自身进行故障检测所述处理器与采集电路Ul和冗余采集电路U2之间连接有通道自检电路U3，通道自检电路U3通过将采集电路Ul和冗余采集 电路U2的正负极直接导通，并根据导通后采集电路Ul和冗余采集电路U2输出信号是否一致，来判断采集电路Ul和冗余采集电路U2是否有故障。优选的所述采集电路Ul和冗余采集电路U2连接关系如下光耦ICl内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在光耦ICl 二极管正负极之间并联有电阻R5和反向连接的二极管Dl ;光耦ICl内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_A，C极接地；光耦IC2内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在在光耦IC2 二极管之间并联有电阻R6和反向连接的二极管D2 ;光耦IC2内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_B，C极接地；二极管D1、D2的正负极相互连接，且负极与现场DI+之间串联有电阻R1，其中光耦ICl和光耦IC2内三极管的E极分别串联电阻R3和电阻R2后与外部电源V+连接。优选的所述通道自检电路U3的电路连接关系如下^MOS内二极管的正极串联电阻R4后与外部电源V+连接，负极与处理器连接并接收开关信号DI_ST，光MOS内触发开关的两个输出端分别与光耦ICl和光耦IC2内二极管的正极和负极连接。本发明实现了数字量信号采集的冗余采集和仲裁机制，利用双路光耦同时采集同一路信号，有效提高了信号采集的可靠性，处理器通过仲裁机制能够确认当前电路的运行状态；本发明增加低电平信号模拟输入电路，通过该电路能够模拟前级信号输入低电平时的状态，然后通过采集电路回读来比对确认采集电路的可靠性；本发明可同时作为定期试验的数字量信号输入装置，本发明还具有防反接功能，能够防止因反向接入而引起的通道损坏；本发明对数字量信号采集电路的性能与成本上做了优化和折中，既实现了高可靠性的采集功能，同时还通过冗余采集来保证单次采集的可靠性；并在常规采集信号为高(24V或者48V)，关键信号为低电平或者下降沿的现场应用下满足了高诊断覆盖率的要求。本发明通过最简单的方式实现了通道自检测功能，从而达到了成本优化的效果。


图I现有技术中数字信号采集电路连接示意图；图2本发明的数字量信号采集电路连接示意图。
具体实施例方式如图2所示，本发明涉及的高安全性数字量信号采集电路，包括采集数字信号的采集电路Ul，与采集电路Ul连接对采集信号进行处理的处理器，处理器还连接有与采集电路Ul并联的同时采集数字信号的冗余采集电路U2，处理器根据采集电路Ul和冗余采集电路U2的采集信号是否一致来判断当前采集过程是否正常。本发明通过采集电路Ul和冗余采集电路U2进行常规采集，在正常采集时，处理器通过同时采集的采集信号DI_A和采集信号DI_B可以识别到前级的输入电平为高电平还是低电平，由于采用了冗余采集方式，可以知晓当采集电路处于正常工作状态时，输出的采集信号DI_A和采集信号DI_B的信号一定是一致的，即同时接收的采集信号DI_A和采集信号DI_B同时为高电平或低电平，表示当前采集的信号没有问题；当接收的采集信号DI_A和采集信号DI_B出现两者不一致的情况时，则表明当前采集电路存在异常，进而可以采取相应措施，达到提高可靠性采集的要求。为了在不工作状态下对采集电路Ul和冗余采集电路U2进行检测，本发明在处理器与采集电路Ul和冗余采集电路U2之间连接有通道自检电路U3，通道自检电路U3通过将采集电路Ul和冗余采集电路U2的正负极直接导通，并根据导通后采集电路Ul和冗余采集电路U2输出信号是否一致，来判断采集电路Ul和冗余采集电路U2是否有故障。处理器向通道自检电路U3发出检测信号，通道自检电路U3接到信号后将采集电路Ul和冗余采集电 路U2的接入端直接短接，处理器根据采集电路Ul和冗余采集电路U2输出的采集信号DI_A和采集信号DI_B是否一致，判断两者是否出现故障。本发明的电路连接关系如下采集电路Ul中光耦ICl内二极管的正极与现场DI+连接负极与现场DI-连接，光耦ICl 二极管正负极之间并联有电阻R5和反向连接的二极管Dl ；;光耦ICl内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_A，C极接地；冗余采集电路U2中光耦IC2内二极管的正极与现场DI+连接负极与现场DI-连接，光耦IC2 二极管正负极之间并联有电阻R6反向连接的二极管D2 ;光耦IC2内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_B，C极接地；二极管D1、D2的正负极相互连接，且负极与现场DI+之间串联有电阻R1，其中光耦ICl和光耦IC2内三极管的E极分别串联电阻R3和电阻R2后与外部电源V+连接；通道自检电路U3的光MOS内二极管的正极串联电阻R4后与外部电源V+连接，负极与处理器连接并接收开关信号DI_ST，光MOS内触发开关的两个输出端分别与光耦ICl和光耦IC2内二极管的正极和负极连接。当现场DI+接入+24V电压，现场DI-端接入GND时，通过适当分压，电压会触发采集电路Ul和冗余采集电路U2内部的光耦ICl、光耦IC2的发光二极管开启，开启后发光二极管会触发光耦ICl和光耦IC2内部后级的三极管导通，由于光耦ICl和光耦IC2内部三极管导通，则实际等效为其E极均与接地GND短接，此时通过处理器采集到的采集信号DI_A和采集信号DI_B均为低电平信号(GND);当现场DI+与现场DI-均接入现场GND时，光耦ICl与光耦IC2的前级发光二极管无法正常工作，因此后级三极管断开，此时等效于两者的E极分别通过电阻R2和电阻R3接入进外部电源(V+);此时处理器采集到的采集信号DI_A和采集信号DI_B均为高电平信号(V+)。在上述常规采集外，通道自检电路U3的中二极管的负极接收通道自检测开关信号DI_ST，处理器控制发出开关信号DI_ST有效(本电路为低有效)时，光MOS内部发光二极管开始工作发光，从而触发后级触发开关导通，这直接等效于将采集电路Ul和冗余采集电路U2的现场DI+与现场DI-导通。由于现场DI+与现场DI-不在存在压差，光耦ICl与光耦IC2的发光二极管工作状态等效于现场DI+与现场DI-均接入现场GND的效果，处理器采集到的采集信号DI_A和采集信号DI_B输出均为高电平信号(V+);这样通过引入的光MOS电路等效于对采集电路Ul和冗余采集电路U2模拟输入低电平信号。本发明的数字量信号采集电路主要应用背景为现场常规接入24V或者48V高电平信号，即现场DI+与现场24V或者48V以及控制端相连，现场DI-与现场GND相连，当现场出现关键变化时为现场DI+从24V/48V变为GND，该变化与数字量信号采集电路中通道自检电路U3实现的功能完全等效，因此通过通道自检电路U3能够完整模拟出现场关键信号的给入情况，从而提高整个通道电路的故障诊断率(仅靠冗余采集是无法模拟现场真实信号给入情况的)。当现场将现场DI+与现场DI-误接反时，即现场DI+接入GND而现场DI-接入24V/48V，常规情况下是不允许的，但本数字量信号采集电路依然可以在不损坏任何电路情况下进行有效防护。此时由于数字量信号采集电路引入了二极管Dl和二极管D2，现场 DI-端接入24V/48V直接导通了上述两个二极管，然后通过电路Rl回流至现场DI+ ;而电阻Rl则起到了整体限流的作用，该作用与正常工作中电阻Rl起到的作用是一致的，因而不会对现场以及采集装置的电路造成任何影响。本发明只需要两个光耦和一个光MOS管即可实现数字量信号采集电路的故障检测和保护，降低了成本。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
权利要求
1.一种高安全性数字量信号采集电路，包括采集数字信号的采集电路U1，与采集电路Ul连接对采集信号进行处理的处理器，其特征在于，所述处理器还连接有与采集电路Ul并联的同时采集数字信号的冗余采集电路U2，所述处理器根据采集电路Ul和冗余采集电路U2的采集信号是否一致来判断当前采集过程是否正常。
2.如权利要求I所述的一种高安全性数字量信号采集电路，其特征在于，所述处理器与采集电路Ul和冗余采集电路U2之间连接有通道自检电路U3，通道自检电路U3通过将采集电路Ul和冗余采集电路U2的正负极直接导通，并根据导通后采集电路Ul和冗余采集电路U2输出信号是否一致，来判断采集电路Ul和冗余采集电路U2是否有故障。
3.如权利要求2所述的一种高安全性数字量信号采集电路，其特征在于，所述采集电路Ul和冗余采集电路U2连接关系如下光耦ICl内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在光耦ICl 二极管正负极之间并联有电阻R5和反向连接的二极管Dl ;光耦ICl内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_A，C极接地；光耦IC2内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在在光耦IC2 二极管之间并联有电阻R6和反向 连接的二极管D2 ;光耦IC2内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_B，C极接地；二极管D1、D2的正负极相互连接，且负极与现场DI+之间串联有电阻R1，其中光耦ICl和光耦IC2内三极管的E极分别串联电阻R3和电阻R2后与外部电源V+连接。
4.如权利要求3所述的一种高安全性数字量信号采集电路，其特征在于，所述通道自检电路U3的电路连接关系如下光MOS内二极管的正极串联电阻R4后与外部电源V+连接，负极与处理器连接并接收开关信号DI_ST，光MOS内触发开关的两个输出端分别与光耦ICl和光耦IC2内二极管的正极和负极连接。
全文摘要
本发明公开一种高安全性数字量信号采集电路，包括采集数字信号的采集电路U1，与采集电路U1连接对采集信号进行处理的处理器，所述处理器还连接有与采集电路U1并联的同时采集数字信号的冗余采集电路U2，所述处理器根据采集电路U1和冗余采集电路U2的采集信号是否一致来判断当前采集过程是否正常。本发明实现了数字量信号的冗余采集和仲裁机制，利用双路光耦同时采集同一路信号，通过冗余采集来保证单次采集的可靠性；并在常规采集信号为高(24V)，关键信号为低电平或者下降沿的现场应用下满足了高诊断覆盖率的要求。本发明通过最简单的方式实现了通道自检测功能，从而达到了成本优化的效果。
文档编号G01R31/28GK102970029SQ201210438689
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者伍希, 张春雷, 马洪杰, 陈银杰, 周飞, 赵云飞 申请人:北京广利核系统工程有限公司, 中国广东核电集团有限公司