一種可診斷的多類型信號采集模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特點是，包括：電源子模塊、綜合輸出通道控制子模塊、信號采集處理子模塊、通訊監(jiān)測子模塊、和外部斷線及短路診斷子模塊；綜合輸出通道控制子模塊的綜合供電輸出控制單元與輸出診斷單元電連接，其輸出端輸出24V、0V或12V電壓到外部器件；信號采集處理子模塊的雙路比較采集單元分別采集外部器件輸出的模擬量和開關(guān)量；FPGA處理單元輸入端與晶振診斷單元和輸出診斷單元的輸出端電連接，其輸出端與綜合供電輸出控制單元電連接，并分別與通訊監(jiān)測子模塊、外部斷線及短路診斷子模塊以及雙路比較采集單元雙向電連接；外部斷線及短路診斷子模塊并與雙路比較采集單元的輸出端電連接。具有多類型信號采集、內(nèi)部診斷、增強電路安全性的優(yōu)點。
【專利說明】一種可診斷的多類型信號采集模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶機艙自動化技術(shù)，尤其涉及一種可診斷的多類型信號采集模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代船舶發(fā)展至今，船舶監(jiān)測模塊的功能都已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟和全面的程度。對于種類和數(shù)量越來越多的傳感器信號，需要更多的采集通道來實現(xiàn)船舶內(nèi)的全面監(jiān)測。
[0003]常用的控制信號類型包括開關(guān)量輸入(無源觸點)、控制執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)量輸出(0-24V)、以及4-20mA傳感器電流信號等。在實船應(yīng)用中，這三種類型信號的采集板卡都需要有備件，但是，現(xiàn)有的板卡由于生產(chǎn)廠商的不同，往往型號是不統(tǒng)一的。如果三種板卡可以實現(xiàn)硬件統(tǒng)一，則可以節(jié)省備件數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。為了避免配置錯誤而可能引起的硬件損壞，需要比單功能模塊有更完善的保護電路和自診斷電路的采集模塊。因此，設(shè)計多種功能的硬件統(tǒng)一的采集模塊對于使用者來說是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題而提供的一種可診斷的多類型信號采集模塊，該模塊對外采用CAN總線通信，除具有可同時對多類型信號進行采集的功能以夕卜，還具有內(nèi)部診斷功能，增強了電路的安全性和可診斷性，從而可減少由于型號采集不全面而產(chǎn)生的對船舶自身、工作人員及周邊設(shè)備和環(huán)境造成傷害。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特點是，包括:電源子模塊、綜合輸出通道控制子模塊、信號采集處理子模塊、外部斷線及短路診斷子模塊以及通訊監(jiān)測子模塊；所述的電源子模塊包括一隔離電源和一非隔離電源；所述的隔離電源用于提供所述的通訊監(jiān)測子模塊的工作電源；所述的非隔離電源用于提供其他子模塊的工作電源；所述的綜合輸出通道控制子模塊包括綜合供電輸出控制單元和輸出診斷單元；所述的綜合供電輸出控制單元的輸出端與所述的輸出診斷單元的輸入端電連接，該綜合供電輸出控制單元并切換輸出24V、0V或12V電壓到外部器件；所述的信號采集處理子模塊包括一雙路比較采集單元、一 FPGA處理單元、以及一晶振診斷單元；其中:所述的雙路比較采集單元分別采集外部器件輸出的模擬量和開關(guān)量信息，該雙路比較采集單元與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的晶振診斷單元的輸出端和所述綜合輸出通道控制子模塊的輸出診斷單元的輸出端分別與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接；所述FPGA處理單元的輸出端與所述的綜合輸出通道控制子模塊的綜合供電輸出控制單元的輸入端電連接；所述的通訊監(jiān)測子模塊與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的外部斷線及短路診斷子模塊的輸入端與所述的信息采集處理子模塊的雙路比較采集單元的輸出端電連接；該外部斷線及短路診斷子模塊并與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的信息采集子模塊內(nèi)的雙路比較采集單元采集外部器件輸入的開關(guān)量或模擬量，輸出到FPGA處理單元；所述的FPGA處理單元根據(jù)雙路比較采集單元采集的信息和輸出診斷單元輸出的判斷輸出電壓是否與預(yù)期一致的信息進行比較處理，控制所述的綜合輸出通道控制子模塊切換輸出電壓24V、12V或OV ;同時對外部斷線及短路的情況進行診斷；所有診斷信息及采集數(shù)據(jù)通過電隔離的通訊監(jiān)測子模塊與其他模塊進行數(shù)據(jù)交換。
[0006]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的綜合輸出通道控制子模塊中，所述的綜合供電輸出控制單兀包括:一切換電路、一 OC輸出驅(qū)動電路、一雙MOS管控制電路、一分壓電路；所述的輸出診斷單元包括一 D/A轉(zhuǎn)換電路、一運算放大電路、以及一比較器；其中:所述的切換電路的輸出端分別與所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸入端和所述的雙MOS管控制電路的輸入端電連接；所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸出端和所述的雙MOS管控制電路的輸出端分別與所述的分壓電路的輸入端電連接，該分壓電路的輸出端與比較器的輸入端電連接；所述的分壓電路并輸出DC12V或DC24V電壓；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述的運算放大器電路的輸入端電連接，該運算放大器電路的輸出端與比較器的輸入端電連接；所述的比較器的輸出端與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接。
[0007]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的綜合供電輸出控制單元中，所述的切換電路由兩個多通道邊沿鎖存器構(gòu)成，其中一所述的多通道邊沿鎖存器的輸出端與所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸入端電連接；另一所述的多通道邊沿鎖存器的輸出端與所述的雙MOS管控制電路的輸入端電連接。
[0008]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的綜合供電輸出控制單元中，還包括一防止反向電壓沖擊的電壓保護電路，所述的電壓變化電路由第一二極管、第二二極管、以及第三二極管構(gòu)成，其中:所述的第一二極管連接在所述OC輸出驅(qū)動電路的輸出端與DC12V或DC24V電壓輸出之間；所述的第二二極管連接在所述的雙MOS管控制電路的輸出端與所述的分壓電路的輸入端之間；所述的第三二極管連接在所述的分壓電路的輸出端與DC12V或DC24V電壓輸出之間。
[0009]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的采集處理子模塊中的所述雙路比較采集單元包括一取樣電路、兩路信號采集電路、以及一采樣芯片診斷電路；所述的采樣芯片診斷電路包括有源晶振、輸出驅(qū)動器、以及計數(shù)器；所述的有源晶振分別輸出晶振信號到兩路信號采集電路和輸出驅(qū)動器，所述的輸出驅(qū)動器的輸出端與所述的計數(shù)器電連接；所述的取樣電路獲取傳感器的模擬量和外部開關(guān)的開關(guān)量，輸出到兩路信號采集電路；所述的兩路信號采集電路分別將信號輸出到FPGA處理單元。
[0010]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的FPGA處理單元包括一分頻輸出子單元、一復(fù)位子單元、一串行通信子單元、一時鐘處理子單元、一 SPI處理子單元、一時鐘監(jiān)測子單元以及一 I/O子單元；其中:所述的分頻輸出子單元和時鐘處理子單元的輸入端分別與外部的晶振輸入單元的輸出端電連接；所述的復(fù)位子單元的輸入端與所述的通信監(jiān)測處理子模塊的輸出端電連接；所述的串行通信子單元與所述的通信監(jiān)測處理子模塊雙向電連接；所述的SPI處理子單元與所述的雙路比較采集單元雙向電連接；所述的時鐘監(jiān)測子單元的輸入端與所述的時鐘診斷電連接；所述的I/o子單元分別與所述的綜合輸出通道控制子模塊和外部斷線及短路診斷子模塊雙向電連接。
[0011]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的通訊監(jiān)測子模塊包括CPU、CAN通信電路、復(fù)位電路、外部RAM和ROM、以及晶振；所述的CAN通信電路、復(fù)位電路、外部RAM和ROM、以及晶振分別與CPU雙向電連接；所述的CPU并與FPGA處理單元雙向電連接，串行通信。
[0012]上述一種可診斷的多類型信號采集模塊，其中，所述的外部斷線及短路診斷子模塊包括:一電壓值比較電路、一可控的O?5V電壓源；所述的O?5V電壓源的輸出端與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接，所述的雙路比較采集電路的輸出端與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接；所述的電壓值比較電路與所述的FPGA處理單元雙向電連接。
[0013]由于本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，其產(chǎn)生的技術(shù)效果是明顯的:
1、本模塊還具有自診斷及外部斷線短路診斷功能。其中自診斷包括對外輸出電源的自診斷、采集單元自診斷和外部斷線及短路診斷。診斷結(jié)果都匯總到FPGA芯片中進行存儲。增強了電路的安全性和可診斷性，從而可減少由于型號采集不全面而產(chǎn)生的對船舶自身、工作人員及周邊設(shè)備和環(huán)境造成傷害；
2、本模塊具有開關(guān)量采集、4-20mA模擬量采集和開關(guān)量輸出3種工作模式，可以更好的滿足船舶系統(tǒng)的多種類信號采集需求，將系統(tǒng)資源優(yōu)化；
3、依賴于模塊內(nèi)部的電隔離方式，可以安全可靠的將模塊通訊部分與其他功能電隔離，減少了外部設(shè)備對船舶系統(tǒng)的電氣影響，電隔離在整個系統(tǒng)安全性上是非常重要的環(huán)節(jié)，可以為人員安全，系統(tǒng)安全提供基本的保證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的總體電方框圖。
[0015]圖2是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的綜合供電輸出控制單元的電方框圖。
[0016]圖3是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的雙路采集比較單元的電方框圖。
[0017]圖4是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的FPGA處理單元的電方框圖。
[0018]圖5是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的通訊監(jiān)測子模塊的電方框圖。
[0019]圖6是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的外部斷線及短路診斷子模塊的電方框圖。
[0020]圖7是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的電源子模塊的一種實施例的電原理圖。
[0021]圖8是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的綜合輸出通道控制子模塊的一種實施例的電原理圖。
[0022]圖9是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的采集處理子模塊的一種實施例的電原理圖。
[0023]圖10是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的取樣電路的一種實施例的的
原理圖。
[0024]圖11是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的外部斷線及短路診斷子模塊的一種實施例的電原理圖。
[0025]圖12是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的簡單的工作原理示意圖?！揪唧w實施方式】[0026]本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊，包括:電源子模塊1、綜合輸出通道控制子模塊2、信號采集處理子模塊3、外部斷線及短路診斷子模塊4以及通訊監(jiān)測子模塊5 ；
所述的電源子模塊I包括一隔離電源11和一非隔離電源12 ;所述的隔離電源用于提供所述的通訊監(jiān)測子模塊的工作電源；所述的非隔離電源用于提供其他子模塊的工作電源。
[0027]所述的綜合輸出通道控制子模塊2包括綜合供電輸出控制單元21和輸出診斷單元22;所述綜合供電輸出控制單元的輸出端并與所述的輸出診斷單元的輸入端電連接，該綜合供電輸出控制單元并切換輸出24V、0V或12V電壓到外部器件，所述的外部器件例如包括執(zhí)行機構(gòu)6、4-20mA傳感器7、以及外部開關(guān)8，其中:該綜合供電輸出控制單元輸出OV或24V電源到執(zhí)行機構(gòu)，輸出24V電源到4-20mA傳感器，還輸出12V電源到外部開關(guān)。
[0028]所述的信號采集處理子模塊3包括一雙路比較采集單元31、一 FPGA處理單元32、以及一晶振診斷單元33 ;其中:所述的雙路比較采集單元分別采集外部器件輸出的模擬量和開關(guān)量信息，該雙路比較采集單元與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的晶振診斷單元的輸出端與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接，該FPGA處理單元的輸出端還與所述的綜合輸出通道控制子模塊的綜合供電輸出控制單元的輸入端電連接。所述的通訊監(jiān)測子模塊與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的外部斷線及短路診斷子模塊的輸入端與所述的信息采集處理子模塊的雙路比較采集單元的輸出端電連接；該外部斷線及短路診斷子模塊并與所述的FPGA處理單元雙向電連接。
[0029]本發(fā)明所述的多信號類型采集包括關(guān)量輸入采集(無源觸點方式)、模擬量輸入采集(4-20mA)和開關(guān)量輸出(24V輸出))。
[0030]所述的信息采集子模塊內(nèi)的雙路比較采集單元采集外部器件輸入的開關(guān)量或模擬量，輸出到FPGA處理單元；所述的FPGA處理單元根據(jù)雙路比較采集單元采集的信息和輸出診斷單元輸出的判斷輸出電壓是否與預(yù)期一致的信息進行處理，控制所述的綜合輸出通道控制子模塊切換輸出電壓24V、12V或OV ;同時對外部斷線及短路的情況進行診斷；所有診斷信息及采集數(shù)據(jù)通過電隔離的通訊監(jiān)測子模塊與其他模塊進行數(shù)據(jù)交換。
[0031]請參閱圖2。本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的綜合輸出通道控制子模塊中，所述的綜合供電輸出控制單元22包括:一切換電路221、一 OC輸出驅(qū)動電路223、一雙MOS管控制電路224、一分壓電路225 ;所述的輸出診斷單元21包括一 D/A轉(zhuǎn)換電路211、一運算放大電路212、以及一比較器213 ;其中:所述的切換電路221包括兩多通道邊沿鎖存器2211、2212，其中一所述的多通道邊沿鎖存器2211的輸出端與所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸入端電連接，另一所述的多通道邊沿鎖存，2212的輸出端與所述的雙MOS管控制電路的輸入端電連接；所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸出端和所述的雙MOS管控制電路的輸出端分別與所述的分壓電路的輸入端電連接，該分壓電路的輸出端與比較器電連接；所述的分壓電路并輸出DC12V或DC24V電壓；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的是輸出端與所述的運算放大器電路的輸入端電連接，該運算放大器電路的輸出端與比較器的輸入端電連接；所述的比較器的輸出端與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接。
[0032]為防止電源的反沖，本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的所述的綜合供電輸出控制單元中，還包括一防止反向電壓沖擊的電壓保護電路226，所述的電壓變化電路226由第一二極管2261、第二二極管2262、以及第三二極管2263構(gòu)成，其中:所述的第一二極管連接在所述OC輸出驅(qū)動電路的輸出端與DC12V或DC24V電壓輸出之間；所述的第二二極管連接在所述的雙MOS管控制電路的輸出端與所述的分壓電路的輸入端之間；所述的第三二極管連接在所述的分壓電路與DC12V或DC24V電壓輸出之間。
[0033]該綜合輸出通道控制子模塊具有輸出24V、12V或不輸出電壓(OV)三種狀態(tài)，根據(jù)要求實現(xiàn)輸出切換。由于24V和12V之間有二極管保護，防止了配置錯誤時器件損壞。對任意一種輸出電壓可以回采，經(jīng)過分壓后與預(yù)設(shè)的基準電壓進行比較，比較的結(jié)果由FPGA接收判斷，因為電壓基準源是可控的，因此可以通過改變基準源輸出電壓值確定當前綜合輸出通道控制子模塊輸出電壓的大小，檢測到的輸出電壓范圍，可用來判斷當前對外供電和預(yù)期是否一致。該電路為系統(tǒng)提供了輸出供電的內(nèi)部自診斷功能。
[0034]請參閱圖3。本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊中，所述的采集處理子模塊3的雙路比較采集單元33包括一取樣電路331、兩路信號采集電路332、333、以及一采樣芯片診斷電路334 ;所述的采樣芯片診斷電路334包括有源晶振3341、輸出驅(qū)動器3342、以及計數(shù)器3343。所述的有源晶振分別輸出晶振信號到兩路信號采集電路和輸出驅(qū)動器，所述的輸出驅(qū)動器的輸出端與所述的計數(shù)器電連接；所述的取樣電路獲取傳感器的模擬量和外部開關(guān)的開關(guān)量，輸出到兩路信號采集電路；所述的兩路信號采集電路分別將信號輸出到FPGA處理單元。雙路比較采集單元將采集的電壓、開關(guān)量輸入和模擬量輸入轉(zhuǎn)化為合適量程的電壓值，并同時采集兩次后進行比較。
[0035]雙路比較采集單元的晶振診斷電路采用看門狗原理，晶振經(jīng)過計數(shù)器連到FPGA芯片的I/o 口，由FPGA芯片負責監(jiān)控晶振的工作狀態(tài)。
[0036]請參閱圖4，圖4是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的FPGA處理單元的電方框圖。本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊中，所述的FPGA處理單元31包括一分頻輸出子單元311、一復(fù)位子單元312、一串行通信子單元313、一時鐘處理子單元314、一SPI處理子單元315、一時鐘監(jiān)測子單元316以及一 I/O子單元317 ;其中:
所述的分頻輸出子單元311和時鐘處理子單元314的輸入端分別與外部的晶振輸入單元310的輸出端電連接；
所述的復(fù)位子單元312的輸入端與所述的通信監(jiān)測處理子模塊5的輸出端電連接；
所述的串行通信子單元313與所述的通信監(jiān)測處理子模塊5雙向電連接；
所述的SPI處理子單元315與所述的雙路比較采集單元33雙向電連接；
所述的時鐘監(jiān)測子單元的輸入端與所述的時鐘診斷電連接；
所述的I/O子單元317分別與所述的綜合輸出通道控制子模塊和外部斷線及短路診斷子模塊4雙向電連接。
[0037]FPGA作為采集處理器，與外部信號雙路比較采集單元通過SPI通信，接收外部輸入值后計算并存儲。為保證FPGA正?？煽窟\行，F(xiàn)PGA模塊可自帶晶振診斷及復(fù)位電路。
[0038]請參閱圖5，圖5是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的通訊監(jiān)測子模塊的電方框圖。本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊中，所述的通訊監(jiān)測子模塊5包括CPU51、CAN通信電路52、復(fù)位電路53、外部RAM和R0M54、以及晶振55 ;所述的CAN通信電路、復(fù)位電路、外部RAM和ROM、以及晶振分別與CPU雙向電連接；所述的CPU與FPGA處理單元雙向電連接，串行通信。該通訊監(jiān)測子模塊負責建立內(nèi)部到外部通信的橋路，將FPGA的采集數(shù)據(jù)及診斷數(shù)據(jù)進行監(jiān)測及對外發(fā)送。同時該模塊還可以單獨對模塊FPGA的狀態(tài)進行監(jiān)測并復(fù)位；該模塊到FPGA的通信采用隔離的串行總線通訊，采用隔離的CAN收發(fā)器對外通信。
[0039]請參閱圖6，圖6是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的外部輸入診斷子模塊的電方框圖。本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊中，所述的外部斷線及短路診斷子模塊4包括:一電壓值比較電路、一可控的O?5V電壓源；所述的O?5V電壓源的輸出端與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接，所述的雙路比較采集電路輸出的采集信號與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接，分別與OV到5V電壓源比較輸出比較結(jié)果1，與開關(guān)量輸入或者傳感器信號比較輸出比較結(jié)果2。該電壓值比較電路輸出的兩路比較輸出信號到FPGA處理單元，由FPGA處理單元通過比較器輸出結(jié)果對外部斷線及短路狀態(tài)進行診斷。
[0040]該外部輸入診斷子模塊主要針對輸入信號斷線和短路兩種常見故障進行診斷。外部輸入信號斷線和短路采用兩種模式進行比對檢測，一種模式是通過兩個獨立通道采集的值進行比對，另一種模式是通過電路加載比較器。相對于只從采集值判斷的方式，增加了以比較器輸出值為主的判斷通路，在雙路比較采集單元出現(xiàn)異常的情況下可以通過比較器的值輔助FPGA處理單元判斷模塊采集通道的狀態(tài)。
[0041]請參閱圖7，圖7是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的電源子模塊的一種實施例的電原理圖。本發(fā)明的電源子模塊包括隔離電源電路61和非隔離電源電路62。其中:
隔離電源電路61為通訊檢測子模塊供電，以提高對外通信的穩(wěn)定性和CPU對外的抗干擾性。圖中U53 (型號例如MGFS1524S05)是COSEL的公司光電隔離DC/DC模塊，它前端輸入范圍9-36V，后端輸出穩(wěn)定的+5V電源，模塊輸入和輸出端并聯(lián)的電容C85、電容C88和電容C86是穩(wěn)壓和濾波用。該+5V為CPU電路和CAN通信模塊供電。
[0042]CPU供電電路采用了 DC/DC隔離設(shè)計，保證了主處理電路供電的穩(wěn)定性，可接收+30%和-25%的寬幅供電范圍。該模塊自帶過壓過流保護功能。
[0043]其他部分電路采用非隔離的DC/DC電路，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱量低，能夠提供最大2A的電流。輸入端加入2.5A保險絲，為后端電路提供過流保護。
[0044]非隔離電源電路62為除通訊檢測子模塊外的其他電路供電。圖中Fl是保險絲，保護后端電路。D34和D35組合用以抑制浪涌。由于該24V對外開關(guān)量輸出供電和模擬量輸入的傳感器供電，因此加入大功率雙二極管U57，防止反向電壓灌入系統(tǒng)24V?？煽仉妷涸葱酒琔56和U60由FPGA控制對外輸出24V (24V通過電源芯片LM317轉(zhuǎn)換12V輸出)，可實現(xiàn)24V和12V輸出的切換?！芭c”邏輯門芯片U63，增加了 FPGA芯片的I/O信號的抗合成性，增加了可靠性安全性。非隔離DC-DC芯片U62是將24V轉(zhuǎn)5V的非隔離電源模塊，電源轉(zhuǎn)換芯片LMl 117-3.3是將5V轉(zhuǎn)3.3V，為除CPU部分的其他集成電路供電。
[0045]請參閱圖8，圖8是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的綜合輸出通道控制子模塊的一種實施例的電原理圖。本發(fā)明的綜合輸出通道控制子模塊可對外分別提供24V和12V，并且可以通過比較起回采輸出電壓診斷當前本板對外供電是否正常。包括綜合供電輸出控制單元和輸出診斷單元。所述的綜合供電輸出控制單元包括兩多通道邊沿鎖存器71、72、一 OC輸出驅(qū)動電路73、一 N&P雙MOS管控制電路74、一分壓電路75 ;所述的輸出診斷單元包括一 D/A轉(zhuǎn)換電路76、一運算放大電路77、以及一比較器78。圖中:D邊沿觸發(fā)器U44和U47是多通道邊沿鎖存器，例如采用8通道上升沿D觸發(fā)器，以I通道為例說明，邊沿D觸發(fā)器U44的3腳和邊沿D觸發(fā)器U47的3腳是同一個I/O輸入，由于D觸發(fā)器需要CLK跳變觸發(fā)，因此這里分別用了 FPGA輸出的兩路時鐘信號GL_CLK1和GL_CLK32分別控制邊沿D觸發(fā)器U44和邊沿D觸發(fā)器U47的輸出。當時鐘信號GL_CLK1上升沿跳變時，邊沿D觸發(fā)器U44的2腳輸出狀態(tài)鎖存在當前3腳輸入的狀態(tài)。當時鐘信號GL_CLK3上升沿跳變時，邊沿D觸發(fā)器U47的2腳輸出狀態(tài)鎖存在當前3腳輸入的狀態(tài)，這樣邊沿D觸發(fā)器U44和U47的輸出可以在使用同一個I/O輸入的情況下，得到不同的輸出。作為16路輸出的模塊，節(jié)省了大量I/O 口資源，并且還能夠在I/O失效的狀態(tài)下，鎖存前一個正常狀態(tài)，為電路自診斷和復(fù)位提供了可靠的保障。OC驅(qū)動芯片U12型號是BTS4880R，該芯片的作用是將I/O信號轉(zhuǎn)變?yōu)?4V供電輸出，驅(qū)動能力每通道達到500mA，經(jīng)過二極管D2對外輸出24V, 二極管Dl和D2用來防止外部異常電壓灌入電路造成損壞。
[0046]輸出診斷單元的工作原理如下，多通道邊沿鎖存器的U47將I/O信號送入到N&P雙MOS管U37，由U37轉(zhuǎn)換為12V輸出，經(jīng)過二極管D18和三極管Ql對外供電12V，二極管D18防止24V灌入12V，三極管Ql為BAV90，12V從2腳輸入3腳輸出，同樣經(jīng)過二極管D2，由二極管Dl和D2防止外部異常電壓灌入電路造成損壞。電阻R113和R136組成的分壓電阻，分壓比例為2/3，小于70%。因此當輸出為24V時進入比較器的回采電壓為24V的2/3，在比較器輸入端0.7VCC (0.7x24V=16.8V)的可接受電壓范圍內(nèi)。比較器負端接基準源，該基準源由FPGA通過SPI總線控制AD5313輸出電壓，再經(jīng)過運算放大器放大電壓(放大比例為R169和R172的比值)，可以為回采電壓提供任意合適的基準電壓。比較器輸出為5V的I/O信號，將回采電壓和預(yù)設(shè)的基準源的比較結(jié)果以邏輯信號的方式送回到FPGA的I/O輸入口。
[0047]請參閱圖9和圖10，圖9是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的雙路比較采集單元的一種實施例的電原理圖，圖10是取樣電路的的原理圖。圖中，Ql為有源晶振，因為給兩塊AD采集芯片U84和U85使用，由BufferU5 (MC74VHC1G50)增加驅(qū)動能力輸入到AD采集芯片U84和U85。集成芯片U7是計數(shù)器，將時鐘的上升沿跳變進行計數(shù)，由3號腳輸出進入FPGA作為雙路比較采集單元的時鐘診斷?；鶞试葱酒琔6輸入到AD采集芯片U84和U85為其提供2.5V基準源；輸入采集I輸入到電阻R387和電容C206完成第一階RC濾波，再輸入到電阻R386和電容C205完成第二階RC濾波，再輸入到AD采集芯片U84，由采集芯片將輸出結(jié)果通過SPI通訊送入FPGA芯片。輸出采集2輸入到電阻R389和電容C210完成第一階RC濾波，再輸入到電阻R388和電容C209完成第二階RC濾波，再輸入到AD采集芯片U85，由采集芯片將輸出結(jié)果通過SPI通訊送入FPGA芯片。采集結(jié)果由FPGA獲取后進行比較，當兩個值比較后超出一定范圍，則丟棄此次采樣數(shù)據(jù)。
[0048]請參閱圖10和圖11，圖11是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的外部斷線及短路診斷子模塊的一種實施例的電原理圖。由FPGA控制的DA輸出芯片U79(AD5391)是一塊16通道的電壓輸出芯片，可以根據(jù)通信數(shù)據(jù)改變每個通道輸出的電壓值，滿足了本模塊16通道的需求。以其中一個通道為例，當電壓源芯片U79輸出5V電壓時，VOUTO為5V，由電路分析可得，在電阻R231、電阻R221和電阻R223組成的取樣電路上，若外部輸入B端為4-20mA電流，則三極管處于開狀態(tài)，比較器U69A輸出低電平，AD采樣值大于0.4V ;若外部短路，則輸入B端電壓為24V (傳感器供電24V)，此時三極管處于斷開狀態(tài)，比較器U69A輸出高電平；若外部斷線，則輸入B端無信號，比較器U69A輸出低電平，AD采樣值為O。當外部輸入B端為開關(guān)量輸入時，正常情況下，AD米樣值不為O,并且比較器U69A輸出低電平；斷線和短路需要在外部無源觸點并聯(lián)串聯(lián)合適電阻，當斷線時，AD采樣值為O，比較器輸出低電平；當短路時AD采樣值為O，比較器U69A輸出高電平。
[0049]以上通過通訊監(jiān)測子模塊的隔離串行通信總線(232/485)和FPGA通信，從而將多類型信號采集功能和通信功能隔離，通信模塊處理器將FPGA的所有采集數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)匯總處理，通過隔離CAN總線對外發(fā)送。對外和對內(nèi)的隔離使得通信模塊的可靠性更高。另外通信模塊處理器還具有對FPGA的復(fù)位、處理來自CAN總線的模塊配置參數(shù)并配置FPGA處理器。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶配置和需求，將多種信號采集功能混合或單一的在一個模塊內(nèi)使用，依靠模塊內(nèi)部診斷和外部斷線、短路診斷，保證了使用時的安全性和可靠性。
[0050]請參閱圖12，圖12是本發(fā)明一種可診斷的多類型信號采集模塊的簡單的工作原理示意圖。本發(fā)明可以根據(jù)用戶需求變換模塊信號采集類型，綜合輸出控制單元根據(jù)用戶配置改變對外輸出電壓，可以選擇輸出24V、12V或0V，分別為不同的外部執(zhí)行器供電。以下分別說明:當輸出24V作為開關(guān)量輸出的供電時，通過對一多通道邊沿鎖存器D邊沿觸發(fā)器U44發(fā)送控制命令，由D邊沿觸發(fā)器U44輸出對OC輸出控制芯片U12進行控制使其對應(yīng)通道輸出24V或OV的切換控制外部執(zhí)行器的狀態(tài)；當輸出24V做為4-20mA傳感器供電時，夕卜部傳感器將4-20mA電流信號送入模塊的取樣電路，取樣電路取得的值送入雙路比較采集單元，雙路比較采集單元將采集到的值通過SPI通訊傳輸給FPGA芯片，由FPGA芯片處理比較結(jié)果并計算外部傳感器數(shù)值。通過另一多通道邊沿鎖存器D邊沿觸發(fā)器U47發(fā)送控制命令，輸出對N&P雙MOS管U37控制輸出12V或0V，當輸出12V做為外部開關(guān)電源時，將開關(guān)后端送回模塊的取樣電路，取樣結(jié)果送入雙路比較采集單元，雙路比較采集單元將采集到的值通過SPI通訊傳輸給FPGA芯片，由FPGA芯片處理比較結(jié)果并判斷開關(guān)狀態(tài)。FPGA芯片將各種信息通過隔離通訊方式發(fā)送到通訊監(jiān)測單元，由其統(tǒng)一對外進行通訊。以上12或24V只可以同時存在一種，由FPGA對多通道邊沿鎖存器U44和U47發(fā)送控制命令。
[0051]本模塊還具有自診斷及外部斷線短路診斷功能。其中自診斷包括對外輸出電源的自診斷、采集單元自診斷和外部斷線及短路診斷。診斷結(jié)果都匯總到FPGA芯片中進行存儲。增強了電路的安全性和可診斷性，從而可減少由于型號采集不全面而產(chǎn)生的對船舶自身、工作人員及周邊設(shè)備和環(huán)境造成傷害。
【權(quán)利要求】
1.一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，包括:電源子模塊、綜合輸出通道控制子模塊、信號采集處理子模塊、外部斷線及短路診斷子模塊以及通訊監(jiān)測子模塊； 所述的電源子模塊包括一隔離電源和一非隔離電源；所述的隔離電源用于提供所述的通訊監(jiān)測子模塊的工作電源；所述的非隔離電源用于提供其他子模塊的工作電源； 所述的綜合輸出通道控制子模塊包括綜合供電輸出控制單元和輸出診斷單元；所述的綜合供電輸出控制單元的輸出端與所述的輸出診斷單元的輸入端電連接，該綜合供電輸出控制單元并切換輸出24V、0V或12V電壓到外部器件； 所述的信號采集處理子模塊包括一雙路比較采集單元、一 FPGA處理單元、以及一晶振診斷單元；其中:所述的雙路比較采集單元分別采集外部器件輸出的模擬量和開關(guān)量信息,該雙路比較采集單元與所述的FPGA處理單元雙向電連接；所述的晶振診斷單元的輸出端和所述綜合輸出通道控制子模塊的輸出診斷單元的輸出端分別與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接；所述FPGA處理單元的輸出端與所述的綜合輸出通道控制子模塊的綜合供電輸出控制單元的輸入端電連接； 所述的通訊監(jiān)測子模塊與所述的FPGA處理單元雙向電連接； 所述的外部斷線及短路診斷子模塊的輸入端與所述的信息采集處理子模塊的雙路比較采集單元的輸出端電連接；該外部斷線及短路診斷子模塊并與所述的FPGA處理單元雙向電連接； 所述的信息采集子模塊內(nèi)的雙路比較采集單元采集外部器件輸入的開關(guān)量或模擬量，輸出到FPGA處理單元；所述的FPGA處理單元根據(jù)雙路比較采集單元采集的信息和輸出診斷單元輸出的判斷輸出電壓是否與預(yù)期一致的信息進行比較處理，控制所述的綜合輸出通道控制子模塊切換輸出電壓24V、12V或OV ;同時對外部斷線及短路的情況進行診斷；所有診斷信息及采集數(shù)據(jù)通過電隔離的通訊監(jiān)測子模塊與其他模塊進行數(shù)據(jù)交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的綜合輸出通道控制子模塊中，所述的綜合供電輸出控制單元包括:一切換電路、一 OC輸出驅(qū)動電路、一雙MOS管控制電路、一分壓電路；所述的輸出診斷單兀包括一 D/A轉(zhuǎn)換電路、一運算放大電路、以及一比較器； 其中: 所述的切換電路的輸出端分別與所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸入端和所述的雙MOS管控制電路的輸入端電連接； 所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸出端和所述的雙MOS管控制電路的輸出端分別與所述的分壓電路的輸入端電連接，該分壓電路的輸出端與比較器的輸入端電連接；所述的分壓電路并輸出DC12V或DC24V電壓； 所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述的運算放大器電路的輸入端電連接，該運算放大器電路的輸出端與比較器的輸入端電連接；所述的比較器的輸出端與所述的FPGA處理單元的輸入端電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的綜合供電輸出控制單元中，所述的切換電路由兩個多通道邊沿鎖存器構(gòu)成，其中一所述的多通道邊沿鎖存器的輸出端與所述的OC輸出驅(qū)動電路的輸入端電連接；另一所述的多通道邊沿鎖存器的輸出端與所述的雙MOS管控制電路的輸入端電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的綜合供電輸出控制單元中，還包括一防止反向電壓沖擊的電壓保護電路，所述的電壓變化電路由第一二極管、第二二極管、以及第三二極管構(gòu)成，其中:所述的第一二極管連接在所述OC輸出驅(qū)動電路的輸出端與DC12V或DC24V電壓輸出之間；所述的第二二極管連接在所述的雙MOS管控制電路的輸出端與所述的分壓電路的輸入端之間；所述的第三二極管連接在所述的分壓電路的輸出端與DC12V或DC24V電壓輸出之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的采集處理子模塊中的所述雙路比較采集單元包括一取樣電路、兩路信號采集電路、以及一采樣芯片診斷電路；所述的采樣芯片診斷電路包括有源晶振、輸出驅(qū)動器、以及計數(shù)器；所述的有源晶振分別輸出晶振信號到兩路信號采集電路和輸出驅(qū)動器，所述的輸出驅(qū)動器的輸出端與所述的計數(shù)器電連接；所述的取樣電路獲取傳感器的模擬量和外部開關(guān)的開關(guān)量，輸出到兩路信號采集電路；所述的兩路信號采集電路分別將信號輸出到FPGA處理單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的FPGA處理單元包括一分頻輸出子單元、一復(fù)位子單元、一串行通信子單元、一時鐘處理子單元、一 SPI處理子單元、一時鐘監(jiān)測子單元以及一 I/O子單元；其中: 所述的分頻輸出子單元和時鐘處理子單元的輸入端分別與外部的晶振輸入單元的輸出端電連接； 所述的復(fù)位子單元的輸入端與所述的通信監(jiān)測處理子模塊的輸出端電連接； 所述的串行通信子單元與所述的通信監(jiān)測處理子模塊雙向電連接； 所述的SPI處理子單元與所述的雙路比較采集單元雙向電連接； 所述的時鐘監(jiān)測子單元的輸入端與所述的時鐘診`斷電連接； 所述的I/O子單元分別與所述的綜合輸出通道控制子模塊和外部斷線及短路診斷子模塊雙向電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的通訊監(jiān)測子模塊包括CPU、CAN通信電路、復(fù)位電路、外部RAM和ROM、以及晶振；所述的CAN通信電路、復(fù)位電路、外部RAM和ROM、以及晶振分別與CPU雙向電連接；所述的CPU并與FPGA處理單元雙向電連接，串行通信。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可診斷的多類型信號采集模塊，其特征在于，所述的外部斷線及短路診斷子模塊包括:一電壓值比較電路、一可控的O~5V電壓源；所述的O~5V電壓源的輸出端與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接，所述的雙路比較采集電路的輸出端與所述的電壓值比較電路的輸入端電連接；所述的電壓值比較電路與所述的FPGA處理單元雙向電連接。
【文檔編號】G05B19/042GK103728907SQ201410024473
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】張平, 吳帆, 莊浩然, 宋杰, 孫聚川, 張益兵, 陳嘉雄, 陳俊瑀 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所