本發(fā)明屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，具體涉及一種具有動(dòng)態(tài)診斷故障能力的數(shù)字量采集電路。

背景技術(shù)：

在工業(yè)控制領(lǐng)域，核電dcs系統(tǒng)是其一個(gè)重要的分支。核電dcs系統(tǒng)針對現(xiàn)場到dcs系統(tǒng)的數(shù)字信號，如溫度、壓力限位開關(guān)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、備妥信號、故障信號、就地/遠(yuǎn)程切換信號等重要信號輸入會專門設(shè)計(jì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行采集，然后將采集來的信號上送給控制站進(jìn)行處理。由于核電站的特性，現(xiàn)場信號對于dcs系統(tǒng)需進(jìn)行隔離，保證在某一部分特殊損壞的情況下，不影響整個(gè)主控制站安全運(yùn)行。目前國內(nèi)外針對dcs系統(tǒng)數(shù)字量輸入使用最多且較為穩(wěn)定的方案是通過光耦或者光繼等隔離器件來實(shí)現(xiàn)的。其原理有兩種，本文講述的采用的是其中一種，通過三個(gè)電阻串聯(lián)，其中一個(gè)電阻與光耦的前級二極管并聯(lián)，另兩個(gè)作分壓使用，當(dāng)外施加了查詢電壓后，與光耦二極管的前級輸入端并聯(lián)的電阻分壓會瞬間增大，增大到足以將光耦的二極管導(dǎo)通時(shí)，光耦后級的三極管輸出電路也會導(dǎo)通，從而采集到相應(yīng)的高電平或低電平(跟后級上下拉相關(guān))；若不足以導(dǎo)通，則采集一個(gè)相應(yīng)相反的狀態(tài)。這種方法的較另一種方法的優(yōu)勢是可設(shè)置相應(yīng)的打開關(guān)斷閾值，缺點(diǎn)是功耗相較于另一種較高。

但是上述采用的方案有可能因現(xiàn)場不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)或事件導(dǎo)致其采集的通道失效，如采集電路的電阻虛焊或者光耦的前級輸入損壞等等。那么一旦出現(xiàn)這些問題也就意味著現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量輸入狀態(tài)已不能獲取，也無法對現(xiàn)場做出相應(yīng)的控制，這些問題對于核電安全級系統(tǒng)來說是不可接受的。工業(yè)上有采用靜態(tài)相反狀態(tài)診斷，其原理是將輸入端的查詢電壓取反后用另一通道的光耦采集，以判斷當(dāng)前光耦通道好壞。但是仍不能避免若兩通道光耦同時(shí)損壞系統(tǒng)并不能判斷的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)階段核電dcs數(shù)字量輸入采集電路的完全診斷問題，本發(fā)明提供一種具有動(dòng)態(tài)診斷故障能力的數(shù)字量采集電路，其使用動(dòng)態(tài)回讀信號來實(shí)現(xiàn)更全面的通道自診斷。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有動(dòng)態(tài)診斷故障能力的數(shù)字量采集電路，該電路應(yīng)用于核電安全級dcs系統(tǒng)，包括光耦信號采集電路和光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路；

所述的光耦信號采集電路包含兩路通道，其中一路為處理fpga通道與處理fpga連接，該通道包括第二電阻、第七電阻和第四電阻以及光耦中的第四二極管和第一三極管；另一路為診斷fpga通道與診斷fpga連接，該通道包括第三電阻、第八電阻和第五電阻以及光耦中的第五二極管和第二三極管；

所述的光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路包括第一光繼電器和第二光繼電器，其中第一光繼電器內(nèi)第二二極管的正極連接管腳1，負(fù)極連接管腳2，兩個(gè)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源極連在一起，漏極分別與管腳3和管腳4連接；第二光繼電器內(nèi)第三二極管的正極連接管腳1，負(fù)極連接管腳2，兩個(gè)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源極連在一起，漏極分別與管腳3和管腳4連接；

其中，上述的第二電阻和第三電阻并聯(lián)后的一端與現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入的正極連接，另一端與第七電阻和第八電阻并聯(lián)后的一端連接，第七電阻和第八電阻并聯(lián)后的另一端與第四電阻和第五電阻并聯(lián)后的一端連接，第四電阻和第五電阻并聯(lián)后的另一端與現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入的負(fù)極連接并接地，在現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入的正負(fù)極之間并聯(lián)一個(gè)tvs管用來防止過壓；

所述的現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入的正極同時(shí)與第一二極管的負(fù)極相連，第一二極管的正極接在第一光繼電器的3管腳，第一光繼電器的4管腳接24v查詢電壓，第一光繼電器的2管腳連接診斷fpga，1管腳通過第一電阻接3.3v上拉電源；

所述的第二光繼電器與第七電阻并聯(lián)，第二光繼電器的2管腳連接診斷fpga，1管腳通過第六電阻接3.3v上拉電源；

所述的光耦內(nèi)部含有第四二極管、第五二極管、第一三極管和第二三極管；第四二極管和第五二極管的正極接在第七電阻和第八電阻并聯(lián)后的一端，負(fù)極接在第七電阻和第八電阻并聯(lián)后的另一端；第一三極管和第二三極管的發(fā)射極均接地，第一三極管的集電極連接處理fpga，第二三極管的集電極連接診斷fpga；

當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入時(shí)，一路信號供給處理fpga通道進(jìn)行處理，同時(shí)另一路信號供給診斷fpga通道進(jìn)行診斷，以保證當(dāng)處理fpga通道不能正常工作時(shí)，及時(shí)將本模塊的狀況上報(bào)；在診斷過程中，處理fpga通道與診斷fpga通道的動(dòng)態(tài)診斷方式相同。

所述的第一三極管的集電極和第二三極管的集電極分別通過第九電阻和第十電阻與3.3v識別電壓連接。

當(dāng)無動(dòng)態(tài)診斷時(shí)，即第一光繼電器和第二光繼電器的2管腳輸入都為高，二者的二極管均不導(dǎo)通，若現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入為0v，則加在第二電阻、第七電阻和第四電阻之間的電壓為0v，此時(shí)光耦的第四二極管分壓分到0v，小于其導(dǎo)通電壓1.08v，則第四二極管不導(dǎo)通，則光耦的第一三極管也打不開，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過第十電阻上拉到3.3v的高電平“1”；

若現(xiàn)場數(shù)字量信號輸入為24v，則加在第二電阻、第七電阻和第四電阻之間的電壓為24v，此時(shí)光耦的第四二極管通過分壓分到2.4v左右的電壓，大于其導(dǎo)通電壓1.08v，此時(shí)第四二極管導(dǎo)通，則光耦的第一三極管也因此打開，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過光耦下拉到地的低電平“0”。

當(dāng)失電自診斷時(shí)，即第二光繼電器無動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號為低電平時(shí)，電阻上分配的電壓為0v，光耦的第四二極管打不開，則處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號則為高電平；若此時(shí)將第一光繼電器的2管腳輸入為低，則第二二極管導(dǎo)通，從而打開后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，使第一光繼電器的3管腳和4管腳聯(lián)通，此時(shí)在第一二極管、第二電阻、第七電阻和第四電阻之間的電壓為24v，第一二極管的壓降不超過1v，則第七電阻上分的電壓為2.3v左右，足以打開光耦的第四二極管，使光耦的處理fpga通道得到一個(gè)24v查詢電壓，使得處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號變成低電平；當(dāng)?shù)谝还饫^電器的2管腳輸入為高時(shí)，則第二二極管無法導(dǎo)通，從而后級電路也無法導(dǎo)通，相當(dāng)于回到?jīng)]有診斷的未得電狀態(tài)；

因此，在外面輸入電壓為0v時(shí)，處理fpga讀到光耦的輸出為高電平，在第一光繼電器的2管腳加一個(gè)低電平的方波，通過電路進(jìn)行傳遞，若處理fpga能從第一三極管的集電極讀回一個(gè)相應(yīng)的低電平方波，則認(rèn)為診斷成功，說明電路在失電狀態(tài)時(shí)處理fpga通道無問題；若沒有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問題，并及時(shí)上送診斷狀態(tài)讓dcs系統(tǒng)控制站的控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

當(dāng)?shù)秒娮栽\斷時(shí)，即第一光繼電器無動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號為24v時(shí)，第七電阻上分配的電壓為2.4v，光耦的第四二極管被打開，則處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號為低電平；此時(shí)若將第二光繼電器的2管腳輸入為低，則第三二極管導(dǎo)通，從而打開后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，使第二光繼電器的3管腳和4管腳聯(lián)通，將第七電阻短路，使得光耦的第四二極管兩端電壓為0v，則第四二極管關(guān)閉，從而光耦處理fpga通道得到一個(gè)0v的查詢電壓，使得處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號變成高電平；若將第二光繼電器的2管腳輸入為高，則第三二極管無法導(dǎo)通，從而后級電路也無法導(dǎo)通，相當(dāng)于回到?jīng)]有診斷的得電狀態(tài)；

因此，在外面輸入電壓為24v時(shí)，處理fpga讀到光耦的輸出為低電平，在第二光繼電器的2管腳側(cè)加一個(gè)低電平的方波，通過電路進(jìn)行傳遞，若處理fpga可以從第一三極管的集電極讀回一個(gè)相應(yīng)的高電平方波，則認(rèn)為診斷成功，電路在得電狀態(tài)下處理fpga通道無問題；若沒有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問題，并及時(shí)上送診斷狀態(tài)讓dcs系統(tǒng)控制站的控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

以上所述的所有fpga均可由arm或mcu替代。

本發(fā)明的顯著效果在于：

本發(fā)明通過利用模塊自身模擬外設(shè)環(huán)境輸入來對通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷，從而更大范圍的覆蓋了當(dāng)前電路的故障率；本發(fā)明的硬件電路不僅能判斷數(shù)字量信號采集的電路是否采集有故障，而且能實(shí)時(shí)將狀態(tài)信息上送。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種具有動(dòng)態(tài)診斷故障能力的數(shù)字量采集電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，所述的數(shù)字量采集電路應(yīng)用于核電安全級dcs系統(tǒng)，包括光耦信號采集電路和光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路；

所述的光耦信號采集電路應(yīng)用于雙fpga架構(gòu)系統(tǒng)，其中的一路通道連接處理fpga，該通道包括第二電阻r2、第七電阻r7和第四電阻r4以及光耦oa1中的第四二極管d4和第一三極管q1；另一路通道連接診斷fpga，該通道包括第三電阻r3、第八電阻r8和第五電阻r5以及光耦oa1中的第五二極管d5和第二三極管q2；

所述的光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路包括第一光繼電器ka1和第二光繼電器ka2，其中第一光繼電器ka1內(nèi)第二二極管d2的正極連接管腳1，負(fù)極連接管腳2，兩個(gè)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源極連在一起，漏極分別與管腳3和管腳4連接；第二光繼電器ka2內(nèi)第三二極管d3的正極連接管腳1，負(fù)極連接管腳2，兩個(gè)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的源極連在一起，漏極分別與管腳3和管腳4連接；

其中，上述的第二電阻r2和第三電阻r3并聯(lián)后的一端與現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入的正極連接，另一端與第七電阻r7和第八電阻r8并聯(lián)后的一端連接，第七電阻r7和第八電阻r8并聯(lián)后的另一端與第四電阻r4和第五電阻r5并聯(lián)后的一端連接，第四電阻r4和第五電阻r5并聯(lián)后的另一端與現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入的負(fù)極連接并接地，在現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入的正負(fù)極之間并聯(lián)一個(gè)tvs管用來防止過壓；

所述的現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入的正極同時(shí)與第一二極管d1的負(fù)極相連，第一二極管d1的正極接在第一光繼電器ka1的3管腳，第一光繼電器ka1的4管腳接24v查詢電壓，第一光繼電器ka1的2管腳連接診斷fpga，1管腳通過第一電阻r1接3.3v上拉電源；

所述的第二光繼電器ka2與第七電阻r7并聯(lián)，第二光繼電器ka2的2管腳連接診斷fpga，1管腳通過第六電阻r6接3.3v上拉電源；

所述的光耦oa1內(nèi)部含有第四二極管d4、第五二極管d5、第一三極管q1和第二三極管q2；第四二極管d4和第五二極管d5的正極接在第七電阻r7和第八電阻r8并聯(lián)后的一端，負(fù)極接在第七電阻r7和第八電阻r8并聯(lián)后的另一端；第一三極管q1和第二三極管q2的發(fā)射極均接地，第一三極管q1的集電極連接處理fpga，第二三極管q2的集電極連接診斷fpga；

當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入時(shí)，一路信號供給處理fpga通道進(jìn)行處理，同時(shí)另一路信號供給診斷fpga通道進(jìn)行診斷，以保證當(dāng)處理fpga通道不能正常工作時(shí)，及時(shí)將本模塊的狀況上報(bào)；在診斷過程中，處理fpga通道與診斷fpga通道的動(dòng)態(tài)診斷方式相同。

所述的第一三極管q1的集電極和第二三極管q2的集電極分別通過第九電阻r9和第十電阻r10與3.3v識別電壓連接。

本發(fā)明的故障診斷是根據(jù)能否收到讀回來的方波進(jìn)行判斷的，只有fpga先從光耦輸出端讀到通道是在得電或者失電狀態(tài)下，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷測試，并能讀回去相應(yīng)的高低電平脈沖，那么才認(rèn)為診斷通過。

當(dāng)無動(dòng)態(tài)診斷時(shí)，即第一光繼電器ka1和第二光繼電器ka2的2管腳輸入都為高，二者的二極管均不導(dǎo)通，若現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入為0v，則加在第二電阻r2、第七電阻r7和第四電阻r4之間的電壓為0v，此時(shí)光耦oa1的第四二極管d4分壓分到0v，小于其導(dǎo)通電壓1.08v，則第四二極管d4不導(dǎo)通，則光耦oa1的第一三極管q1也打不開，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過第十電阻r10上拉到3.3v的高電平“1”；若現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01輸入為24v，則加在第二電阻r2、第七電阻r7和第四電阻r4之間的電壓為24v，此時(shí)光耦oa1的第四二極管d4通過分壓分到2.4v左右的電壓，大于其導(dǎo)通電壓1.08v，此時(shí)第四二極管d4導(dǎo)通，則光耦oa1的第一三極管q1也因此打開，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過光耦oa1下拉到地的低電平“0”。

當(dāng)失電自診斷時(shí)，即第二光繼電器ka2無動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01為低電平時(shí)，電阻r7上分配的電壓為0v，光耦oa1的第四二極管d4打不開，則處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號則為高電平；若此時(shí)將第一光繼電器ka1的2管腳輸入為低，則第二二極管d2導(dǎo)通，從而打開后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，使第一光繼電器ka1的3管腳和4管腳聯(lián)通，此時(shí)在第一二極管d1、第二電阻r2、第七電阻r7和第四電阻r4之間的電壓為24v，第一二極管d1的壓降不超過1v，則第七電阻r7上分的電壓為2.3v左右，足以打開光耦oa1的第四二極管d4，使光耦oa1的處理fpga通道得到一個(gè)24v查詢電壓，使得處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號變成低電平；當(dāng)?shù)谝还饫^電器ka1的2管腳輸入為高時(shí)，則第二二極管d2無法導(dǎo)通，從而后級電路也無法導(dǎo)通，相當(dāng)于回到?jīng)]有診斷的未得電狀態(tài)；

因此，在外面輸入電壓為0v時(shí)，處理fpga讀到光耦oa1的輸出為高電平，在第一光繼電器ka1的2管腳加一個(gè)低電平的方波，通過電路進(jìn)行傳遞，若處理fpga能從第一三極管q1的集電極讀回一個(gè)相應(yīng)的低電平方波，則認(rèn)為診斷成功，說明電路在失電狀態(tài)時(shí)處理fpga通道無問題；若沒有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問題，并及時(shí)上送診斷狀態(tài)讓dcs系統(tǒng)控制站的控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

當(dāng)?shù)秒娮栽\斷時(shí)，即第一光繼電器ka1無動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)字量信號di_01為24v時(shí)，第七電阻r7上分配的電壓為2.4v，光耦oa1的第四二極管d4被打開，則處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號為低電平；此時(shí)若將第二光繼電器ka2的2管腳輸入為低，則第三二極管d3導(dǎo)通，從而打開后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，使第二光繼電器ka2的3管腳和4管腳聯(lián)通，將第七電阻r7短路，使得光耦oa1的第四二極管d4兩端電壓為0v，則第四二極管d4關(guān)閉，從而光耦oa1處理fpga通道得到一個(gè)0v的查詢電壓，使得處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號變成高電平；若將第二光繼電器ka2的2管腳輸入為高，則第三二極管d3無法導(dǎo)通，從而后級電路也無法導(dǎo)通，相當(dāng)于回到?jīng)]有診斷的得電狀態(tài)；

因此，在外面輸入電壓為24v時(shí)，處理fpga讀到光耦oa1的輸出為低電平，在第二光繼電器ka2的2管腳側(cè)加一個(gè)低電平的方波，通過電路進(jìn)行傳遞，若處理fpga可以從第一三極管q1的集電極讀回一個(gè)相應(yīng)的高電平方波，則認(rèn)為診斷成功，電路在得電狀態(tài)下處理fpga通道無問題；若沒有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問題，并及時(shí)上送診斷狀態(tài)讓dcs系統(tǒng)控制站的控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

以上所述的fpga均可由arm或mcu替代。

根據(jù)上述情況，那么r2、r7和r11三個(gè)電阻和光耦oa1就能決定輸入查詢電壓的有效范圍。當(dāng)外查詢電壓為24v時(shí)，r7瞬間分壓2.4v大于光耦導(dǎo)通電壓，光耦導(dǎo)通，其壓降為恒壓降1.08v，因此r7上的電壓就從2.4v逐漸降到1.08v。若讓其保持導(dǎo)通狀態(tài)的話需讓光耦的二極管通過至少1ma的電流。此時(shí)流經(jīng)r7上的電流為ir7＝ur7/r7，已知ur7恒為1.08v，r7為536ω，那么r7上至少要流過2ma的電流，也即是r2上至少要流過3ma的電流。當(dāng)查詢電壓為24v時(shí)，因?yàn)楣怦疃O管導(dǎo)通后r7上分恒壓1.08v，那么r2和r11公分壓22.92v，那么流經(jīng)r2的電流為5.185ma左右，此電流也即為查詢電流。此時(shí)r7上分的電流為2ma，光耦二極管上流經(jīng)3.185a左右的電流。由此可見，此電路良好導(dǎo)通的必要條件是流經(jīng)光耦二極管的電流為1ma。此時(shí)r2和r11上都流過3ma的電流。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)外加查詢電壓則至少要為14.34v，電路方能良好導(dǎo)通。那么其截至條件則是光耦二極管上分不到1.08v電壓不足使其打開。r7上分的電壓為1.08v時(shí)，r2和r11分壓則為ur2+r11＝(r2+r7+r11)·ur7/r7-ur7?？傻猛庾畲蠼刂闺妷簎＝ur2+r11+ur7＝9.986v。