一種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路的制作方法
【專利摘要】一種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其體積小、成本低、冗余性好、可用性強、非常適合中小規(guī)模功能安全控制系統(tǒng)方案。其包括輸入電路部分和診斷電路部分；輸入電路部分為1OO1架構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量信號的采集，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入電路部分包括采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(A1)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)；診斷電路部分包括電阻診斷電路和DAC診斷電路，電阻診斷電路復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對輸入電路部分的失效診斷；DAC診斷電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)，并復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換結(jié)果的診斷，以及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路、模擬開關(guān)電路、儀表放大電路的失效診斷。
【專利說明】
_種_取_加診斷的功能安全模擬量輸入電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)控制的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路。
【背景技術(shù)】
[0002]目前針對功能安全模擬量輸入電路的設(shè)計結(jié)合IEC61508，為實現(xiàn)高診斷覆蓋率，需求如下:
[0003]1、需診斷直流故障模型、漂移和振蕩故障。
[0004]2、輸入比較或表決。
[0005]3、測試圖診斷方式。
[0006]4、輸入短路、斷路、超上限和超下限診斷。
[0007]5、輸入線纜采用屏蔽線纜。
[0008]現(xiàn)在市面上的功能安全模擬量輸入電路多為2003架構(gòu)，產(chǎn)品雖然可以滿足功能安全要求，但2003的架構(gòu)成本高，體積大，在一些對成本約束較高、安裝空間比較小的應(yīng)用場合不適用。而本發(fā)明提出的設(shè)計具有體積小、成本低、冗余性好、可用性強等優(yōu)點。非常適合中小規(guī)模功能安全控制系統(tǒng)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其體積小、成本低、冗余性好、可用性強、非常適合中小規(guī)模功能安全控制系統(tǒng)方案。
[0010]解決上述問題的技術(shù)方案是:這種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其包括輸入電路部分和診斷電路部分;輸入電路部分為1001架構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量信號的米集，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入電路部分包括采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4);診斷電路部分包括電阻診斷電路和DAC診斷電路，電阻診斷電路復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對輸入電路部分的失效診斷;DAC診斷電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)，并復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)的轉(zhuǎn)換結(jié)果的診斷，以及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)的失效診斷。
[0011 ]本發(fā)明通過輸入電路部分和診斷電路部分，可實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量4-20mA電流的實時采集，通過診斷電路可實時診斷輸入電路故障和元器件失效，可實時診斷現(xiàn)場通道的短路或斷路故障，1001D( —取一加診斷)的架構(gòu)設(shè)計，滿足功能安全要求，降低產(chǎn)品成本，體積小、成本低、冗余性好、可用性強、非常適合中小規(guī)模功能安全控制系統(tǒng)方案。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路的電路方框圖。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，這種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其包括輸入電路部分和診斷電路部分;輸入電路部分為1001架構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量信號的采集，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入電路部分包括采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4);診斷電路部分包括電阻診斷電路和DAC診斷電路，電阻診斷電路復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對輸入電路部分的失效診斷；DAC診斷電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)，并復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)的轉(zhuǎn)換結(jié)果的診斷，以及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(AI)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)的失效診斷。
[0015]本發(fā)明通過輸入電路部分和診斷電路部分，可實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量4_20mA電流的實時采集，通過診斷電路可實時診斷輸入電路故障和元器件失效，可實時診斷現(xiàn)場通道的短路或斷路故障，1001D( —取一加診斷)的架構(gòu)設(shè)計，滿足功能安全要求，降低產(chǎn)品成本，體積小、成本低、冗余性好、可用性強、非常適合中小規(guī)模功能安全控制系統(tǒng)方案。
[0016]另外，如圖2所示，采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)包括:第一、第三和第四瞬態(tài)抑制二極管，第一保險絲，第一熱敏電阻，第二電阻，第三和第四精密電阻，第二齊納二極管，瞬態(tài)抑制二極管實現(xiàn)通道的EMC防護，保險絲實現(xiàn)通道的過流防護，齊納二極管實現(xiàn)通道的過壓防護。
[0017]另外，如圖2所示，模擬開關(guān)電路(A2)包括:第一模擬開關(guān)(Ul)，第二電容(C2)，第四電容(C4)，第八電容(CS)，第五電阻(R5)，第六電阻(R6)，第九電阻(R9)，第十電阻(RlO)和第i^一電阻(R11)。
[0018]另外，如圖2所示，儀表放大電路(A3)包括:第二儀表放大器芯片(U2)，第一雙串聯(lián)肖特基二極管(Ql)，第五電容(C5)，第六電容(C6)，第七電容(C7)，第七電阻(R7)和第八電阻(R8)。
[0019]另外，如圖2所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)包括:第三模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(U3)，第四基準(zhǔn)源芯片(U4)，第三電容(C3)，第九電容(C9)，第十電容(C10)，第^^一電容(Cll)，第十三電容(C13)，第十二電阻(R12)，第一磁珠(LI)。
[0020]另外，如圖2所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)包括:第五數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(U5)，第六基準(zhǔn)源芯片(U6)，第十三電阻(R13)，第十四電阻(R14)，第十五電阻(R15)，第二磁珠(L2)，第十二電容(C12)，第十四電容(C14)，第十五電容(C15)和第十六電容(C16)。
[0021]以下更詳細(xì)地說明本發(fā)明的具體實施例。
[0022]如圖2所示，采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)將現(xiàn)場電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并實現(xiàn)通道的EMC防護，包括第一保險絲Fl，第一瞬態(tài)抑制二極管Dl，第三瞬態(tài)抑制二極管D3，第四瞬態(tài)抑制二極管D4，第二齊納二極管D2，第一電容Cl，第一熱敏電阻Rl，第二電阻R2，第三精密電阻R3和第四精密電阻RLFl串聯(lián)在通道入口處，實現(xiàn)通道過流防護;Dl、D3和D4實現(xiàn)通道靜電和浪涌防護，其中DI和D3為共模防護，D4為差模防護;Cl實現(xiàn)射頻防護;D2并聯(lián)在采樣電阻兩端，對后續(xù)電路實現(xiàn)過壓保護;Rl為電路保護熱敏電阻，串聯(lián)在Fl后端的通道中，限定通道電流值，實現(xiàn)過流保護，并且在通道過壓時進行限流;R2為分壓電阻，在通道過壓時提供過壓保護;1?3和1?4為采集電阻，將現(xiàn)場電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號(^1、1?1、1?2、1?和1?4串聯(lián)后并聯(lián)在通道信號輸入端和地之間，從通道信號輸入端到地的串聯(lián)方向依次為:F1、R1、R2、R3、R4，其中R4上端電壓為輸入電壓，R3上端電壓為電阻診斷電路診斷電壓。
[0023]如圖2所示，模擬開關(guān)電路(A2)切換通道為采集輸入、電阻診斷輸入還是DAC診斷輸入，包括第一模擬開關(guān)Ul，第二電容C2，第四電容C4，第八電容C8，第五電阻R5，第六電阻R6，第九電阻R9，第十電阻RlO和第^^一電阻RlUUl的第一管腳I接正電源，第十三管腳13接負(fù)電源，第九管腳9和第十六管腳16接地，第十管腳10、第十一管腳11和第十二管腳12懸空，第二管腳2串聯(lián)R5后接Al電路的診斷電壓，第三管腳3接第五管腳5，第四管腳4串聯(lián)R6后接(Al)電路的輸入電壓，第七管腳7接DAC電路(A5)的輸出電壓，第六管腳6通過C2去耦接儀表放大電路(A3)，第八管腳8通過Rll下拉到地接處理器I/O管腳，第十五管腳15通過RlO下拉到地接處理器I/O管腳，第十四管腳14通過R9下拉到地;C4和CS分別為負(fù)電源和正電源的去耦電容。
[0024]如圖2所示，儀表放大電路(A3)調(diào)理通道阻抗、鉗位ADC芯片前輸入電壓，包括第二儀表放大器芯片U2，第一雙串聯(lián)肖特基二極管Ql，第五電容C5，第六電容C6，第七電容C7，第七電阻R7和第八電阻R8W2的第一管腳I和第六管腳6接地，第二管腳2和第三管腳3懸空，第八管腳8接正電源，第五管腳5接負(fù)電源，第四管腳4接(A2)電路輸出，第七管腳7接R7—端；Ql的第一管腳I接地，第二管腳2接正電源，第三管腳3接R7另一端;R7和R8串聯(lián)在U2的輸出端和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)輸入端之間，R7與R8連接端接Ql的管腳3，R7另一端接U2的管腳7，R8另一端通過C5濾波后接(A4)電路輸入端;C6和C7分別為負(fù)電源和正電源的去耦電容。
[0025]如圖2所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)將通道模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，包括第三模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U3，第四基準(zhǔn)源芯片U4，第三電容C3，第九電容C9，第十電容ClO，第^^一電容Cll，第十三電容C13，第十二電阻R12，第一磁珠LI。1]3的第一管腳I為第一采集通道輸入端，接(A3)電路輸出端，第二管腳2-第八管腳8為第二 -第八采集通道輸入端，懸空;U3的第九管腳9接ClO—端，ClO另一端接地;U3的第十管腳10接基準(zhǔn)源;U3第^^一管腳11接處理器SPI接口片選管腳;U3的第十二管腳12接處理器SPI接口時鐘管腳;U3的第十三管腳13接處理器SPI接口主入從出管腳;U3的第十四管腳14接處理器SPI接口主出從入管腳;U3的第十五管腳15接地;U3的第十六管腳16接電源。U4的第一管腳I和第二管腳2接地;U4的第一管腳I和第二管腳2接地;第三管腳3接第四管腳4，管腳3和管腳4連接后接LI 一端，LI另一端接基準(zhǔn)源輸入電源;U4的第五管腳5接第六管腳6，管腳5和管腳6連接后接R12—端，R12另一端接基準(zhǔn)源輸出。C3、C9、C11和C13為電源去耦電容。
[0026]如圖2所示，DAC電路(A5)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，完成DAC診斷信號輸出，包括第五數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U5，第六基準(zhǔn)源芯片U6，第十三電阻R13，第十四電阻R14，第十五電阻R15，第二磁珠L2，第十二電容C12，第十四電容C14，第十五電容C15和第十六電容C16W5的第一管腳I通過R13下拉到地，第二管腳2接處理器SPI接口片選管腳，第三管腳3串聯(lián)R14后接A2電路Ul的管腳7，第五管腳5、第六管腳6、第七管腳7、第九管腳9、第十管腳10、第十一管腳11、第十二管腳12和第十三管腳13懸空，第八管腳8接基準(zhǔn)源，第十四管腳14接地，第十五管腳15接處理器SPI接口的主出從入管腳，第十六管腳16接處理器SPI接口的時鐘管腳。U6的第一管腳I和第二管腳2接地;第三管腳3接第四管腳4，管腳3和管腳4連接后接L2—端，L2另一端接基準(zhǔn)源輸入電源;U6的第五管腳5接第六管腳6，管腳5和管腳6連接后接Rl 5—端，R15另一端接基準(zhǔn)源輸出。C12、C14、C15和C16為電源去耦電容。
[0027]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:其包括輸入電路部分和診斷電路部分;輸入電路部分為1001架構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量信號的采集，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入電路部分包括采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4);診斷電路部分包括電阻診斷電路和DAC診斷電路，電阻診斷電路復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對輸入電路部分的失效診斷；DAC診斷電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)，并復(fù)用輸入電路部分，實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)的轉(zhuǎn)換結(jié)果的診斷，以及采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(AI)、模擬開關(guān)電路(A2)、儀表放大電路(A3)的失效診斷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:采樣電阻網(wǎng)絡(luò)電路(Al)包括:第一、第三和第四瞬態(tài)抑制二極管，第一保險絲，第一熱敏電阻，第二電阻，第三和第四精密電阻，第二齊納二極管，瞬態(tài)抑制二極管實現(xiàn)通道的EMC防護，保險絲實現(xiàn)通道的過流防護，齊納二極管實現(xiàn)通道的過壓防護。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:模擬開關(guān)電路(A2)包括:第一模擬開關(guān)(Ul)，第二電容(C2)，第四電容(C4)，第八電容(CS)，第五電阻(R5)，第六電阻(R6)，第九電阻(R9)，第十電阻(RlO)和第十一電阻(R11)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:儀表放大電路(A3)包括:第二儀表放大器芯片(U2)，第一雙串聯(lián)肖特基二極管(Ql)，第五電容(C5)，第六電容(C6)，第七電容(C7)，第七電阻(R7)和第八電阻(R8)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A4)包括:第三模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(U3)，第四基準(zhǔn)源芯片(U4)，第三電容(C3)，第九電容(C9)，第十電容(ClO)，第^^一電容(Cll)，第十三電容(C13)，第十二電阻(R12)，第一磁珠(Ll)06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一取一加診斷的功能安全模擬量輸入電路，其特征在于:數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(A5)包括:第五數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(U5)，第六基準(zhǔn)源芯片(U6)，第十三電阻(R13)，第十四電阻(R14)，第十五電阻(R15)，第二磁珠(L2)，第十二電容(C12)，第十四電容(C14)，第十五電容(C15)和第十六電容(C16)。
【文檔編號】G05B19/042GK106020074SQ201610630665
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月4日
【發(fā)明人】俞凌, 盧銘, 徐化東
【申請人】北京安控科技股份有限公司