本實(shí)用新型涉及電路系統(tǒng)安全信號(hào)輸出技術(shù)，尤其涉及一種待檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的迅速發(fā)展，行車安全越來(lái)越得到人們的重視，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)行車安全尤為關(guān)鍵，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全要求極高，主要指導(dǎo)原則為故障-安全，即系統(tǒng)任何故障發(fā)生后不能導(dǎo)致危險(xiǎn)態(tài)輸出的出現(xiàn)或者信號(hào)升級(jí)，例如控制信號(hào)燈輸出的信號(hào)發(fā)生故障后不能將紅燈狀態(tài)升級(jí)為綠燈，應(yīng)該一直保持輸出為紅燈(安全側(cè))或者切斷驅(qū)動(dòng)電源使其滅燈(安全側(cè))，所以如果意圖輸出為安全側(cè)邏輯0，而通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)實(shí)際輸出狀態(tài)不為0(危險(xiǎn)側(cè))則可讓系統(tǒng)切斷輸出電源使得通道輸出導(dǎo)向安全側(cè)。

目前國(guó)內(nèi)主要有兩種控制輸出方式，一種為靜態(tài)電平輸出，即單純通過(guò)電平輸出直接控制外部繼電器，沒(méi)有任何檢測(cè)，對(duì)通道故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，另外一種為動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào)輸出，通過(guò)輸出一定的脈沖頻率對(duì)電路中的電容的通交流特性對(duì)繼電器進(jìn)行控制輸出，如果電容出現(xiàn)故障被擊穿可能引起危險(xiǎn)側(cè)輸出，同時(shí)如果斷路也不能被及時(shí)檢測(cè)。除此之外目前輸出電路對(duì)外界電磁干擾沒(méi)有做到足夠的防護(hù)，導(dǎo)致工程現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電路在雷擊過(guò)電壓等極端工況下?lián)p壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)用新型目的：為了滿足軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全輸出的要求，本實(shí)用新型提供一種帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路。

技術(shù)方案：一種帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路，包括驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路及節(jié)能控制電路，所述驅(qū)動(dòng)電路包括光電耦合器U1和MOS管，控制信號(hào)通過(guò)光電耦合器U1控制MOS管的通斷；所述保護(hù)電路為EMC防護(hù)電路；檢測(cè)電路包括光電耦合器U2和光電耦合器U3，光電耦合器U2的陽(yáng)極為檢測(cè)編碼輸入端，光電耦合器U2的陰極接內(nèi)部地，光電耦合器U3的集電極為回采編碼輸出端并接上拉電阻R7，光電耦合器U3的發(fā)射極接內(nèi)部地，光電耦合器U2與光電耦合器U3的連接處設(shè)有第一檢測(cè)點(diǎn)和第二檢測(cè)點(diǎn)，從第一檢測(cè)點(diǎn)引出第一導(dǎo)線連接驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，從第二檢測(cè)點(diǎn)引出第二導(dǎo)線通過(guò)二極管D2接保護(hù)電路的輸入端。

有益效果：相比較現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供的一種帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路，通過(guò)增加檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制輸出，其中檢測(cè)編碼輸入端與回采編碼輸出端的設(shè)計(jì)方便將輸入編碼與回采編碼進(jìn)行比較，從而進(jìn)行是否發(fā)生故障的判定；同時(shí)設(shè)計(jì)了EMC防護(hù)電路，解決了傳統(tǒng)單獨(dú)采用電平驅(qū)動(dòng)的不受控弊端，即通過(guò)智能處理器不斷檢測(cè)實(shí)際輸出狀態(tài)來(lái)保證輸出的正確性。檢測(cè)電路和外部驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離，安全隔離檢測(cè)回路接入輸出點(diǎn)外部，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際輸出狀態(tài)檢測(cè)。該電路元器件體積小、簡(jiǎn)單可靠、隔離度高、安全性高，可以對(duì)外實(shí)現(xiàn)安全輸出和檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型待檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路包括驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路及節(jié)能控制電路，控制信號(hào)CTL從驅(qū)動(dòng)電路輸入端輸入，檢測(cè)電路從驅(qū)動(dòng)電路輸出端采集信號(hào)，檢測(cè)電路輸入端用于輸入檢測(cè)編碼信號(hào)DR，檢測(cè)電路輸出端用于輸出回踩編碼輸出信號(hào)SNS，節(jié)能控制電路通過(guò)節(jié)能控制信號(hào)DRE對(duì)檢測(cè)電路進(jìn)行控制，保護(hù)電路采用EMC防護(hù)電路。

帶檢測(cè)功能的安全隔離輸出電路內(nèi)部電路和外部電路通過(guò)光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離，檢測(cè)電路和節(jié)能控制電路內(nèi)部由電源VCC供電，GND為內(nèi)部地，驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路采用外部提供的三個(gè)電壓等級(jí)實(shí)現(xiàn)，高電平V+、低電平V-及外部地Vgnd，高電平V+和低電平V-是以Vgnd為參照的。

如圖2所示，所述驅(qū)動(dòng)電路包括光電耦合器U1和MOS管，控制信號(hào)通過(guò)光電耦合器U1控制MOS管的通斷。所述保護(hù)電路為EMC防護(hù)電路；檢測(cè)電路包括光電耦合器U2和光電耦合器U3，光電耦合器U2的陽(yáng)極為檢測(cè)編碼輸入端，光電耦合器U2的陰極接內(nèi)部地，光電耦合器U3的集電極為回采編碼輸出端并接上拉電阻R7，光電耦合器U3的發(fā)射極接內(nèi)部地，光電耦合器U2與光電耦合器U3的連接處設(shè)有第一檢測(cè)點(diǎn)和第二檢測(cè)點(diǎn)，從第一檢測(cè)點(diǎn)引出第一導(dǎo)線連接驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，從第二檢測(cè)點(diǎn)引出第二導(dǎo)線通過(guò)二極管D2接保護(hù)電路的輸入端。

所述光電耦合器U2的集電極接光電耦合器U1的發(fā)射極，光電耦合器U2的發(fā)射極通過(guò)二極管D4和電阻R4連接光電耦合器U3的陽(yáng)極，第一檢測(cè)點(diǎn)與第二檢測(cè)點(diǎn)位于二極管D4和電阻R4中間，第一檢測(cè)點(diǎn)與第二檢測(cè)點(diǎn)在物理上分離開(kāi)。

所述節(jié)能控制電路包括光電耦合器U0，所述光電耦合器U0的集電極接光電耦合器U3的陰極，光電耦合器U0的發(fā)射極經(jīng)二極管D3接系統(tǒng)外部低電平，光電耦合器U0的陽(yáng)極為節(jié)能信號(hào)輸入端，光電耦合器U0的陰極接內(nèi)部地。

所述節(jié)能控制電路用于控制檢測(cè)電路工作，所述節(jié)能信號(hào)輸入端為高電平時(shí)檢測(cè)電路工作。CTL輸出高電平DRE輸出高電平則采集信號(hào)SNS和DR無(wú)關(guān)且恒為低電平，CTL輸出低電平且DRE信號(hào)高電平則SNS和DR信號(hào)呈反碼關(guān)系，例如DR輸入為101010101，則SNS采集到信號(hào)應(yīng)為010101010，如果DRE信號(hào)為低電平則采集信號(hào)SNS也和DR無(wú)關(guān)且恒為高電平。

所述保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、電阻R1及TVS二極管，二極管D2的正極接第二導(dǎo)線，二極管D2的負(fù)極通過(guò)保險(xiǎn)絲接電阻R1的一端和TVS二極管的負(fù)極，電阻R1的另一端接負(fù)載正極，TVS二極管的正極接負(fù)載負(fù)極以及光電耦合器U1的發(fā)射極。電阻R1為抗浪涌水泥繞線電阻。二極管D2防止電流反向作用，同時(shí)在負(fù)載的Vgnd和F2、R1之間接TVS管，實(shí)現(xiàn)一定的過(guò)流、過(guò)壓防護(hù)，EMC防護(hù)電路主要用于消除或者減輕外部干擾對(duì)檢測(cè)電路輸入的影響，可以增加系統(tǒng)的可用性和可靠性。

光電耦合器U1的陽(yáng)極接控制信號(hào)輸入端，陰極接內(nèi)部地，本實(shí)施例中的MOS管為P型增強(qiáng)型MOS管，光電耦合器U1的集電極通過(guò)電阻R3接MOS管的柵極，MOS管柵極和源級(jí)之間接電阻R2，電阻R2、R3阻值需呈一定比例關(guān)系，保證MOS管Q1能夠得到正常的偏置電壓。所述第一導(dǎo)線從二極管D4和電阻R4之間引出接MOS管的漏極，MOS管源級(jí)接外部高電平，光電耦合器U1的發(fā)射極接外部地。通過(guò)控制MOS管Q1的柵源偏置電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的導(dǎo)通或者截止控制，柵源偏置電壓通過(guò)R2和R3實(shí)現(xiàn)，并受控于光耦U1是否導(dǎo)通或者截止。智能處理器控制輸出信號(hào)CTL通過(guò)電阻R5輸入到光電耦合器U1中，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，光電耦合器U1導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)柵源偏置電壓，MOS管Q1因此導(dǎo)通。MOS管Q1的源極還通過(guò)壓敏電阻以及保險(xiǎn)絲連接到外部控制功率電源，Q1的漏極輸出經(jīng)過(guò)第一檢測(cè)點(diǎn)1、第二檢測(cè)點(diǎn)2后連接到EMC防護(hù)電路最后輸出到負(fù)載。

根據(jù)檢測(cè)頻率的大小，檢測(cè)電路中的光電耦合器U2和U3可選擇采用高速光電耦合器，滿足SNS和DR信號(hào)的響應(yīng)速度。

具體檢測(cè)過(guò)程如下：

1、控制信號(hào)輸出高電平，通過(guò)控制光電耦合器U1使功率MOS管Q1輸出24V電源，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載設(shè)備。

智能處理器輸出信號(hào)CTL為高電平(邏輯1)時(shí)，光電耦合器U1導(dǎo)通，外部電源V+通過(guò)電阻R2、R3、U1到Vgnd形成回路，Q1的柵源偏置電壓形成，Q1導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電源V+通過(guò)Q1輸出到圖2的第一檢測(cè)點(diǎn)1，經(jīng)過(guò)一段導(dǎo)線后到達(dá)第二檢測(cè)點(diǎn)2，形成輸出電壓Vo，Vo通過(guò)串聯(lián)二極管D2、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F2、電阻R1，最后對(duì)Vgnd并聯(lián)D1后輸出VoL到負(fù)載，形成輸出驅(qū)動(dòng)回路。

當(dāng)輸出回路導(dǎo)通后，在圖中第一檢測(cè)點(diǎn)位置電壓接近V+，即二極管D4的陰極為V+，光電耦合器U2的三極管集電極電壓為Vgnd，發(fā)射極電壓通過(guò)二極管D4連接到Vo，總是呈反向電壓，所以當(dāng)檢測(cè)編碼輸入端輸入DR信號(hào)后U2的集電極和發(fā)射極總是截止?fàn)顟B(tài)。同時(shí)U3中的二極管陽(yáng)極通過(guò)R4接到第二檢測(cè)點(diǎn)，電壓為V+，當(dāng)節(jié)能控制信號(hào)DRE輸出高電平時(shí)光電耦合器U0導(dǎo)通，第二檢測(cè)點(diǎn)電壓Vo、電阻R4、光電耦合器U3、光電耦合器U0、二極管D3到低電平V-形成通路，光電耦合器U3導(dǎo)通，SNS信號(hào)接地GND，恒為低電平，所以回采編碼輸出信號(hào)SNS和輸入檢測(cè)編碼信號(hào)DR沒(méi)有關(guān)系，則認(rèn)為系統(tǒng)輸出在危險(xiǎn)側(cè)。

例如當(dāng)DRE為高電平，CTL輸出為高電平，同時(shí)DR信號(hào)連續(xù)輸出1010100101等編碼，此時(shí)SNS檢測(cè)信號(hào)應(yīng)為0000000000，如果不為全0，則說(shuō)明電路故障或者暫時(shí)收到強(qiáng)干擾，可通過(guò)告警或者多次檢測(cè)斷定是否故障。

2、控制信號(hào)輸出低電平，通過(guò)控制光電耦合器U1使功率MOS管Q1輸出截止。

智能處理器輸出信號(hào)CTL為低電平(邏輯0)時(shí)，光電耦合器U1截止，外部電源V+不能通過(guò)電阻R2、R3、U1到Vgnd形成回路，Q1的柵源偏置電壓不成立，Q1保持截止，圖中第一檢測(cè)點(diǎn)1輸出浮空，輸出電壓Vo為浮空狀態(tài)，不能形成輸出驅(qū)動(dòng)回路。

此時(shí)在圖中第一檢測(cè)點(diǎn)1位置電壓浮空，光電耦合器U2的三極管集電極電壓為Vgnd，發(fā)射極通過(guò)D4順序連接到R4、U3、U0、D3，最后到V-，形成正向偏執(zhí)導(dǎo)通電壓，節(jié)能信號(hào)DRE輸出高電平，U0具備導(dǎo)通條件，當(dāng)DR為高電平邏輯1，則U2導(dǎo)通，U3導(dǎo)通，回采SNS電平拉低到GND為邏輯0；同樣當(dāng)DR為低電平邏輯0則U2截止，U3截止，回采SNS電平被拉高到VCC為邏輯1。

所以得出結(jié)論當(dāng)DRE輸出使能狀態(tài)下，CTL輸出高電平時(shí)，SNS信號(hào)總是接地GND，恒為低電平，所以回采編碼輸出信號(hào)SNS和輸入檢測(cè)編碼信號(hào)DR沒(méi)有必然聯(lián)系，當(dāng)CTL輸出低電平時(shí)，回采信號(hào)SNS和驅(qū)動(dòng)信號(hào)DR呈反碼關(guān)系。

例如當(dāng)DRE為高電平，CTL輸出為低電平，同時(shí)DR信號(hào)連續(xù)輸出1010100101等編碼，此時(shí)SNS檢測(cè)信號(hào)應(yīng)為0101011010。

智能處理器將通過(guò)檢測(cè)SNS信號(hào)來(lái)判斷輸出情況，若判斷的輸出與預(yù)期不符，表明通道輸出有故障，通知其他子系統(tǒng)切斷輸出驅(qū)動(dòng)電源V+，實(shí)現(xiàn)故障-安全。

3、智能處理器編碼長(zhǎng)度和檢測(cè)周期設(shè)定

智能處理器通過(guò)DR和SNS的關(guān)系判定本通道的輸出狀態(tài)，輸入檢測(cè)編碼信號(hào)DR的編碼長(zhǎng)度決定了采集的安全性，編碼越長(zhǎng)則安全性越高，如果DR為32位編碼，則出錯(cuò)的導(dǎo)向危險(xiǎn)側(cè)的概率為2^-32，采集周期和一次采集時(shí)長(zhǎng)則決定了通道的故障-安全響應(yīng)速度，可根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)所決定采集時(shí)長(zhǎng)和時(shí)間間隔，例如可設(shè)定20ms一個(gè)采集周期對(duì)輸出進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，一次完整編碼檢測(cè)耗時(shí)30ms，則故障檢測(cè)最大時(shí)間為20ms+30ms。

上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。