数字量输入采集系统技术方案

本公开提供了一种数字量输入采集系统。该数字量输入采集系统包括：隔离传输和信号变换电路，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和运算放大器，其中第一光电耦合器和第二光电耦合器基本上相同并且第一光电耦合器和第二光电耦合器的发光器串联，运算放大器的第一输入端从仪表单元接收输入电压，第二输入端与第二光电耦合器的受光器相连，并且输出端与第一光电耦合器的发光器相连；以及微控制单元，与隔离传输和信号变换电路耦接以从第一光电耦合器的受光器接收模拟输出电压，对模拟输出电压进行模数转换以产生数字输出电压，并且基于数字输出电压的大小确定仪表单元是处于通电状态、断电状态还是断线状态。断电状态还是断线状态。断电状态还是断线状态。

【技术实现步骤摘要】
数字量输入采集系统


[0001]本公开涉及工业自动控制领域，更具体而言，涉及一种数字量输入采集系统。

技术介绍

[0002]数字量输入采集系统广泛应用于自动控制领域，它主要用来检测工业现场的阀门、开关等确认信号，或者通过对信号的联锁进行工业现场的控制。数字量输入采集系统的核心思想是将现场的数据输入干触点信号或者电平型触点信号通过光电耦合器的隔离转换成单片机可以识别的TTL（Transistor
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Transistor Logic，晶体管
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晶体管逻辑）高低电平，并以此检测现场数据输入信号的ON、OFF状态。
[0003]光电耦合器（optical coupler，OC）也称为光电隔离器，简称光耦。光电耦合器通常由发光器和受光器两部分组成，发光器和受光器位于同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光器接收电信号输入，将其转换为光信号，受光器接收该光信号，并再次将该光信号转换为电信号输出，从而完成电—光—电的转换，以起到输入输出隔离的作用。由于光电耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。常见的发光器包括发光二极管，受光器包括光敏二极管、光敏三极管等。
[0004]图1示出了根据现有技术的一种数字量输入采集系统的示意图。如图1中所示，当仪表与电源导通，处于通电状态（ON）时，光电耦合器输出端的电压为正，而当仪表与电源断开，处于断电状态（OFF）时，光电耦合器输出端的电压为零。通过这种方式，可以根据光电耦合器的输出端电压来确定仪表是处于通电状态还是断电状态。
[0005]然而，上述数字量输入采集系统并不能区分光电耦合器输出端电压为零是由于仪表OFF状态引起的还是仪表与光电耦合器之间的信号通道断线引起的。此外，在接入不同仪表时，由于光电耦合器的输入输出电压不同，使得需要修改软件算法或者硬件电路（例如使用和改变分压电路等）来适合相应的仪表。此外，在系统中的器件发生漂移时，该数字量输入采集系统也可能存在不可用的问题。
[0006]信号通道断线是最常见的故障之一，有必要对此类故障进行诊断。一种解决方案是使用线性光电耦合器能够传输模拟量的特点，将仪器侧的通电、断电、断线三种状态通过不同的模拟量表示和传输，从而在线性光电耦合器的输出端根据不同阈值来判断不同状态。然而，线性光电耦合器成本较高，不适合大规模的工业应用。另一种解决方案是在仪表侧增加模数转换（ADC）单元来采集现场侧的通电、断电、断线信号。然而，这种方式也同样存在着电路复杂、价格昂贵的问题。同时，这些解决方案也都不能解决对不同仪表的适用性和器件漂移的问题。

技术实现思路

[0007]针对上述问题中的至少一个，本公开提供了一种新的数字量输入采集系统，其通过使用两个基本上相同的光电耦合器来分别用于信号隔离和负反馈，使得在仪表处于通
电、断电和断线的不同状态时，输出端能够输出不同的电压值以识别仪表的不同状态。
[0008]在本公开的一方面，提供一种数字量输入采集系统。该数字量输入采集系统包括：隔离传输和信号变换电路，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和运算放大器，其中所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器基本上相同并且所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的发光器串联，所述运算放大器的第一输入端从仪表单元接收输入电压，第二输入端与所述第二光电耦合器的受光器相连，并且输出端与所述第一光电耦合器的发光器相连；以及微控制单元，与所述隔离传输和信号变换电路耦接以从所述第一光电耦合器的受光器接收模拟输出电压，对所述模拟输出电压进行模数转换以产生数字输出电压，并且基于所述数字输出电压的大小确定所述仪表单元是处于通电状态、断电状态还是断线状态。
[0009]在一些实施例中，所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器处于同一封装中。
[0010]在一些实施例中，所述微控制单元被配置为：确定所述数字输出电压是否基本上等于第一电压阈值或第二电压阈值或者为零，其中所述第二电压阈值低于所述第一电压阈值；如果确定所述数字输出电压基本上等于所述第一电压阈值，确定所述仪表单元处于通电状态； 如果确定所述数字输出电压基本上等于所述第二电压阈值，确定所述仪表单元处于断电状态；以及如果确定所述数字输出电压为零，确定所述仪表单元处于断线状态。
[0011]在一些实施例中，在所述仪表单元接入所述数字量输入采集系统时，控制所述仪表单元通电，并且所述微控制单元将所述仪表单元通电时的数字输出电压确定为所述第一电压阈值；以及控制所述仪表单元断电，并且所述微控制单元将所述仪表单元断电时的数字输出电压确定为所述第二电压阈值。
[0012]在一些实施例中，所述数字量输入采集系统还包括：触发单元，被配置为在所述仪表单元接入所述数字量输入采集系统时，向所述微控制单元发送触发信号以触发所述微控制单元确定所述第一电压阈值和所述第二电压阈值。
[0013]在一些实施例中，所述数字量输入采集系统还包括：采集单元，所述采集单元包括第一电阻和第二电阻，其中所述第一电阻连接所述仪表单元和所述运算放大器的第一输入端，所述第二电阻连接所述运算放大器的第一输入端和地。
[0014]在一些实施例中，所述数字量输入采集系统还包括：自激励单元，被配置为在所述微控制单元确定所述仪表单元处于断电状态或断线状态时，产生与通电状态的输入电压基本相同的正向电脉冲以输入给所述运算放大器的第一输入端，并且所述微控制单元还被配置为：确定响应于所述正向电脉冲而产生的数字输出电压是否指示所述仪表单元仍处于断电状态或断线状态；以及如果确定所述仪表单元仍处于断电状态或断线状态，确定所述数字量输入采集系统故障。
[0015]在一些实施例中，所述数字量输入采集系统还包括：自激励单元，被配置为向所述运算放大器的第一输入端输入预定电压，并且所述微控制单元还被配置为：确定响应于所述预定电压而产生的数字输出电压是否发生变化；以及如果确定响应于所述预定电压而产生的数字输出电压发生变化，确定所述数字输出电压的变化率，并且基于所述变化率更新所述第一电压阈值和所述第二电压阈值。
[0016]在一些实施例中，所述仪表单元包括：具有开关的仪表和与所述仪表并联的第三电阻；以及电源，所述电源的正极与所述仪表和所述第三电阻串联，负极接地。
[0017]利用本公开的实施例，通过使用两个基本上相同的光电耦合器来分别用于信号变换和负反馈，使得在仪表处于通电、断电和断线的不同状态时，输出端能够输出不同的电压值以识别仪表的不同状态。该方案可以适用于各种不同的仪表，能够通过阈值自适应功能来在仪表接入时自适应地为其确定相应的电压阈值，而无需修改软件算法或者更改硬件。此外，本公开重用了现有的具有模数转换功能的微控制单元，无需在现场侧增加专用的模数转换电路或者使用昂贵的线性光电耦合器，从而降低了成本。此外，在本公开的一些实施例中，能够利用自激励单元有效识别数字量输入采集系统自身故障，并且可以自动执行传输比校准，以解决器件参数漂移导致的无法使用的问题本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字量输入采集系统，包括：隔离传输和信号变换电路，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器和运算放大器，其中所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器基本上相同并且所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的发光器串联，所述运算放大器的第一输入端从仪表单元接收输入电压，第二输入端与所述第二光电耦合器的受光器相连，并且输出端与所述第一光电耦合器的发光器相连；以及微控制单元，与所述隔离传输和信号变换电路耦接以从所述第一光电耦合器的受光器接收模拟输出电压，对所述模拟输出电压进行模数转换以产生数字输出电压，并且基于所述数字输出电压的大小确定所述仪表单元是处于通电状态、断电状态还是断线状态。2.根据权利要求1所述的数字量输入采集系统，其中所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器处于同一封装中。3.根据权利要求1所述的数字量输入采集系统，其中所述微控制单元被配置为：确定所述数字输出电压是否基本上等于第一电压阈值或第二电压阈值或者为零，其中所述第二电压阈值低于所述第一电压阈值；如果确定所述数字输出电压基本上等于所述第一电压阈值，确定所述仪表单元处于通电状态；如果确定所述数字输出电压基本上等于所述第二电压阈值，确定所述仪表单元处于断电状态；以及如果确定所述数字输出电压为零，确定所述仪表单元处于断线状态。4.根据权利要求3所述的数字量输入采集系统，其中在所述仪表单元接入所述数字量输入采集系统时，控制所述仪表单元通电，并且所述微控制单元将所述仪表单元通电时的数字输出电压确定为所述第一电压阈值；以及控制所述仪表单元断电，并且所述微控制单元将所述仪表单元断电时的数字输出电压确定为所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：解群眺，陈建飞，袁启平，徐向文，焦婷婷，
申请(专利权)人：浙江国利信安科技有限公司，
类型：发明
国别省市：