開關量信號採集電路及顯示裝置的製作方法

2023-09-22 09:45:35

本實用新型涉及信號採集領域，尤其涉及一種開關量信號採集電路及顯示裝置。

背景技術：

信號採集是常規控制系統最重要的功能之一，系統只有對輸入的信號進行及時的採集和精確的處理，才能控制執行單元實現系統特定功能。而常見的輸入信號，主要是開關量、數字量和模擬量，其中開關量是指非連續性信號的採集和輸出。在強電領域中主要指開關觸點的接通和斷開，在數字電路中主要是「0」和「1」兩種狀態。

如圖1所示，是目前控制系統普遍採用的一種採集電路，該電路運用光電耦合器採集開關量信號。當開關量信號IN1為低電平時，發光二極體上有一定電流通過，從而發出光線，照射在受光器件上，受光器件接收光線後導通，產生電流從集電極輸出，從而實現了「電-光-電」的信號轉換。此時，傳送到MCU GPIO口的狀態為低電平。當開關量信號IN1為高電平或者高阻狀態時，發光二極體上沒有電流通過，受光器件不導通，由於集電極被上拉為高電平，因此MCU GPIO口的狀態為高電平。

在實際應用案例中，運用光電耦合器採集開關量信號的電路仍有以下缺點：

1、光電耦合器的可靠性不夠高，因為光電耦合器是通過「電-光-電」的形式耦合實現信號採集，如果光電耦合器本身封裝屏蔽有問題，那麼受光部分很容易受到外界幹擾，使得系統採集功能失效，特別是工作環境存在強光幹擾的情況下，電路的可靠性很難保證。

2、作為基本的信號採集單元，光電耦合器成本偏高，成本是產品設計重點權衡的因素之一，光電耦合器的價格遠比電阻電容高。

3、光電耦合器的體積較大，電路設計繁瑣。當產品外部需要採集的信號有幾十路時，如果採用分立的光電耦合器件，在PCB布局上，會佔據較大的面積，使得產品外觀設計不夠緊湊美觀，也無法滿足產品輕量化的要求。此外，圖1電路中光電耦合器需要兩種電源VCCH和VCCL獨立供電，PCB設計較為繁瑣，增加了電路的複雜性，降低了產品的可靠性。

4、光電耦合器件的傳輸延時較大，使信號採集不夠精確。為保證開關器件開通和關斷的精確性，必須使電路的結構參數或傳輸延時一致，但是常規設計難以實現這一點。

總之，採用光電耦合器進行開關量採集，雖然能夠實現一般的機電一體化系統的採集功能，但是其性能和可靠性還有較大的提升空間。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種開關量信號採集電路及顯示裝置，旨在解決現有技術中的信號採集電路由於使用光電耦合器導致可靠性低、成本高、體積大以及傳輸延時大的問題。

本實用新型是這樣實現的，本實用新型第一方面提供一種開關量信號採集電路，所述開關量信號採集電路包括開關量生成模塊、第一濾波模塊、信號轉換模塊、電源模塊以及控制模塊；

所述開關量生成模塊的輸出端連接所述第一濾波模塊的輸入端，所述第一濾波模塊的輸出端連接所述信號轉換模塊的第一輸入端，所述電源模塊的輸出端連接所述信號轉換模塊的第二輸入端和所述控制模塊的第一輸入端，所述信號轉換模塊的輸出端連接所述控制模塊的第二輸入端；

所述開關量生成模塊根據開關狀態生成開關量信號，並將所述開關量信號輸出給所述第一濾波模塊；

所述第一濾波模塊對所述開關量信號進行濾波處理，並將濾波後的開關量信號輸出給所述信號轉換模塊；

所述信號轉換模塊根據濾波後的開關量信號對所述電源模塊輸出的電壓進行分壓處理，將所述開關量信號轉換成電壓信號，並將所述電壓信號輸出給所述控制模塊；

所述控制模塊對所述電壓信號進行數模轉換以獲取當前開關狀態。

結合本實用新型第一方面，作為第一方面的第一種實施方式，所述信號轉換模塊包括第一分壓器件、第二分壓器件、防反器件以及防抖器件；

所述第一分壓器件的第一端和所述防反器件的第一端共接並構成所述信號轉換模塊的第一輸入端，所述防反器件的第二端、所述第二分壓器件的第一端以及所述防抖器件的第一端共接並構成所述信號轉換模塊的輸出端，所述第二分壓器件的第二端為所述信號轉換模塊的第二輸入端，所述第一分壓器件的第二端和所述防抖器件的第二端共接於地。

結合本實用新型第一方面的第一種實施方式，作為第一方面的第二種實施方式，所述防反器件為二極體，所述二極體的陰極為所述防反器件的第一端，所述二極體的陽極為所述防反器件的第二端。

結合本實用新型第一方面的第一種實施方式，作為第一方面的第三種實施方式，所述防抖器件為第三電容。

結合本實用新型第一方面的第一種實施方式，作為第一方面的第四種實施方式，所述開關量信號採集電路還包括第二濾波模塊，所述第二濾波模塊的輸入端連接所述信號轉換模塊的輸出端，所述第二濾波模塊的輸出端連接所述控制模塊的第二輸入端；

所述第二濾波模塊對所述電壓信號進行濾波後輸出給所述控制模塊。

結合本實用新型第一方面的第四種實施方式，作為第一方面的第五種實施方式，所述第二濾波模塊包括第五電阻和第四電容，所述第五電阻的第一端為所述第二濾波模塊的輸入端，所述第五電阻的第二端與所述第四電容的第一端共接並構成所述第二濾波模塊的輸出端，所述第四電容的第二端與所述防抖器件的第二端共接於地。

結合本實用新型第一方面，作為第一方面的第六種實施方式，所述開關量生成模塊包括駐車制動開關模塊，所述駐車制動開關模塊包括第六電阻、第七電阻以及第一開關，所述第六電阻的第一端為所述開關量生成模塊的輸出端，所述第六電阻的第二端連接所述第七電阻的第一端和所述第一開關的第一端，所述第七電阻的第二端和所述第一開關的第二端共接於地。

結合本實用新型第一方面的第六種實施方式，作為第一方面的第七種實施方式，所述開關量生成模塊還包括切換開關，所述切換開關的公共端為所述開關量生成模塊的輸出端，所述切換開關的切換端與電源連接、與地連接或者處於斷路狀態。

結合本實用新型第一方面，作為第一方面的第八種實施方式，所述第一濾波模塊包括第一電容、第二電容以及電感，所述第一電容的第一端、所述第二電容的第一端以及所述電感的第一端共接並構成所述第一濾波模塊的輸入端，所述第一電容的第二端和所述第二電容的第二端共接於地，所述電感的第二端為所述第一濾波模塊的輸出端。

本實用新型第二方面提供一種顯示裝置，所述顯示裝置包括第一方面及其第一種實施方式至第八種實施方式所述的開關量信號採集電路和儀表，所述控制模塊的輸出端連接所述儀表的第一輸入端，所述電源模塊的輸出端連接所述儀表的第二輸入端，所述控制模塊通過所述儀表顯示開關狀態。

本實用新型一種開關量信號採集電路，與現有技術相比，現有技術中的光電耦合電路只能區分兩種基本的開關狀態，本實用新型中開關量生成模塊實現採集多種開關狀態，通過設置第一濾波模塊對開關量信號進行濾波，增強了電路的抗幹擾能力，保證了產品的可靠性，通過設置信號轉換模塊和控制模塊實現對外部開關量信號的採集以及診斷功能，採集的範圍廣，診斷的能力強，輸入控制模塊的信息更加準確完整，當產品外部電路出現問題時，可通過控制模塊採集開關量信號的模數值，容易鎖定問題原因，為排除故障帶來了極大的方便。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現有技術提供的一種開關量信號採集電路的電路圖；

圖2是本實用新型一種實施例提供的一種開關量信號採集電路的結構示意圖；

圖3是本實用新型另一種實施例提供的一種開關量信號採集電路的結構示意圖；

圖4是本實用新型一種實施例提供的一種開關量信號採集電路的部分電路圖；

圖5是本實用新型一種實施例提供的一種開關量信號採集電路中的駐車制動開關模塊的電路圖；

圖6是本實用新型另一種實施例提供的一種顯示裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

為了說明本實用新型的技術方案，下面通過具體實施例來進行說明。

本實用新型實施例提供一種開關量信號採集電路10，如圖2所示，開關量信號採集電路10包括開關量生成模塊101、第一濾波模塊102、信號轉換模塊103、電源模塊105以及控制模塊104；

開關量生成模塊101的輸出端連接第一濾波模塊102的輸入端，第一濾波模塊102的輸出端連接信號轉換模塊103的第一輸入端，電源模塊105的輸出端連接信號轉換模塊103的第二輸入端和控制模塊104的第一輸入端，信號轉換模塊103的輸出端連接控制模塊104的第二輸入端；

開關量生成模塊101根據開關狀態生成開關量信號，並將開關量信號輸出給濾波模塊；

第一濾波模塊102對開關量信號進行濾波處理，並將濾波後的開關量信號輸出給信號轉換模塊103；

信號轉換模塊103根據濾波後的開關量信號對電源模塊105輸出的電壓進行分壓處理，將開關量信號轉換成電壓信號，並將電壓信號輸出給控制模塊104；

控制模塊104對電壓信號進行數模轉換以獲取當前開關狀態。

在本實用新型實施例中，開關量生成模塊101可以根據開關狀態生成不同的開關量信號，例如可以實現駐車制動、離合意圖、背光調節、制動液位、副駕駛安全帶、菜單切換按鈕等信號的輸出，開關量生成模塊101可以通過連接電源、與地連接、斷路或者通過設置開關接入不同阻值的電阻等等生成開關量信號。

在本實用新型實施例中，第一濾波模塊102用於對開關管量信號進行濾波，實現有效抑制外部幹擾，增強該電路的抗幹擾能力，第一濾波模塊102可以為電容、電阻或者磁珠等構成的濾波電路。

在本實用新型實施例中，信號轉換模塊103用於將外部輸入的開關狀態進行採集，通過其內部設置的電阻比例關係對電源進行分壓，得到與開關信號相對應的電壓值，信號轉換模塊103可以為電阻以及其他阻抗器件構成的分壓電路，以進行電壓採樣。

在本實用新型實施例中，控制模塊104對電壓信號進行模數轉換獲取電壓信號的數字值，考慮到採集電阻的精度和參考電壓的穩定性，及外部開關信號的抖動，控制模塊104設定一定範圍的數字值區間而不是一個確定的數字值，來判斷外部開關的狀態，從而增強採集電路的容錯能力。

需要說明的，外部開關狀態分別對應控制模塊104不同的數字值區間，因此，當外部開關狀態發生變化時，以上電路可以實時採集該變化狀態；當外部開關出現異常時，可通過數字值來查找故障原因，而且所診斷的狀態信息可以通過一定的通信方式傳輸給相關的人員。

本實用新型一種開關量信號採集電路，與現有技術相比，現有技術中的光電耦合電路只能區分兩種基本的開關狀態，本實用新型中開關量生成模塊實現採集多種開關狀態，通過設置第一濾波模塊對開關量信號進行濾波，增強了電路的抗幹擾能力，保證了產品的可靠性，通過設置信號轉換模塊和控制模塊實現對外部開關量信號的採集以及診斷功能，採集的範圍廣，診斷的能力強，輸入控制模塊的信息更加準確完整。當產品外部電路出現問題時，可通過控制模塊採集開關量信號的模數值，容易鎖定問題原因，為排除故障帶來了極大的方便，還可以將與開關量信號對應的模數值通過CAN總線、乙太網、WIFI模塊等方式傳輸給用戶，有利於提升產品的用戶體驗。

進一步的，作為本實用新型實施例中的另一種實施方式，如圖3所示，開關量信號採集電路10還包括第二濾波模塊106，第二濾波模塊106的輸入端連接信號轉換模塊103的輸出端，第二濾波模塊106的輸出端連接控制模塊104的第二輸入端；

第二濾波模塊106對電壓信號進行濾波後輸出給控制模塊104。

本實施方式中通過設置第二濾波模塊，對信號作進一步的濾波處理，其中的串聯電阻，還可以減少外部幹擾對MCU的影響，避免MCU損壞。

作為本實用新型實施例的一種實施方式，如圖4和圖5所示，以檢測駐車制動信號為例，下面通過具體的電路結構對本實用新型實施例進行具體說明：

對於開關量生成模塊101，具體的，開關量生成模塊101包括駐車制動開關模塊107，駐車制動開關模塊107包括第六電阻R6、第七電阻R7以及第一開關S1，第六電阻R6的第一端為開關量生成模塊101的輸出端，第六電阻R6的第二端連接第七電阻R7的第一端和第一開關S1的第一端，第七電阻R7的第二端和第一開關S1的第二端共接於地。

其中，駐車制動開關模塊107通過第一開關S1的閉合和斷開實現輸出兩種開關量信號。

開關量生成模塊101還包括切換開關，切換開關的公共端為開關量生成模塊101的輸出端，切換開關的切換端與電源連接、與地連接或者處於斷路狀態。

其中，切換開關通過切換不同的狀態實現輸出三種開關量信號。

對於第一濾波模塊102，具體的，第一濾波模塊102包括第一電容C1、第二電容C2以及電感，第一電容C1的第一端、第二電容C2的第一端以及電感的第一端共接並構成第一濾波模塊102的輸入端，第一電容C1的第二端和第二電容C2的第二端共接於地，電感的第二端為第一濾波模塊102的輸出端。

對於信號轉換模塊103，具體的，信號轉換模塊103包括第一分壓器件、第二分壓器件、防反器件以及防抖器件；

第一分壓器件的第一端和防反器件的第一端共接並構成信號轉換模塊103的第一輸入端，防反器件的第二端、第二分壓器件的第一端以及防抖器件的第一端共接並構成信號轉換模塊103的輸出端，第二分壓器件的第二端為信號轉換模塊103的第二輸入端，第一分壓器件的第二端和防抖器件的第二端共接於地。

串聯的二極體的作用是防止外部輸入高電壓信號，即防止電流流入診斷電路，影響後面的上拉電源。該電路使用一個電阻上拉到一個穩定的電源電壓，使採集更為準確，而並聯的電容，可以消除大部分外部開關信號的抖動。

優選的，防反器件為二極體D1，二極體D1的陰極為防反器件的第一端，二極體D1的陽極為防反器件的第二端。

優選的，防抖器件為第三電容C3，第一分壓器件為第三電阻R3，第二分壓器件為第四電阻R4。

對於第二濾波模塊106，具體的，第二濾波模塊106包括第五電阻R5和第四電容C4，第五電阻R5的第一端為第二濾波模塊106的輸入端，第五電阻R5的第二端與第四電容C4的第一端共接並構成第二濾波模塊106的輸出端，第四電容C4的第二端與防抖器件的第二端共接於地。

本實施方式的工作原理如下：設置電源模塊105的輸出電壓VCC為5V，第三電阻R3的阻值為180kΩ，第四電阻R4的阻值為68kΩ，第六電阻R6的阻值為20kΩ，第七電阻R7的阻值為100kΩ，那麼開關量生成模塊101輸出的五種狀態的模數診斷原理如下：

當開關量生成模塊101對電源12V短路時，由於二極體D1的防反作用，控制模塊104採集到的電壓約為5V，其中，二極體D1有效地防止外部12V竄電到電源5V。

當開關量生成模塊101對地短路時，此時第三電阻R3被短路，控制模塊104採集到的電壓約為二極體D1的正嚮導通壓降0.5V。

當開關量生成模塊101斷路時，第三電阻R3、二極體D1和第四電阻R4構成分壓電路，控制模塊104採集到的電壓約為3.766V。

當開關量生成模塊101中的第一開關S1閉合時，第七電阻R7被短路，第六電阻R6接入電路，控制模塊104採集到的電壓約為1.442V。

當開關量生成模塊101中的第一開關S1斷開時，第六電阻R6和第七電阻R7接入電路，控制模塊104採集到的電壓約為2.814V。

以上開關量採集電路可以針對外部輸入的五種狀態進行採集診斷，這五種狀態分別指的是輸入埠對電源短路、輸入埠對地短路、輸入埠斷路、開關閉合、開關斷開。每種狀態都會對應一個電壓值，如果控制模塊中A/D轉換器解析度為10位，即210＝1024，根據比例關係5V/1024＝U/AD，該電壓值根據比例關係可以得到一個確定的模數值，當然，考慮到採集電阻的精度和參考電壓的穩定性及外部開關信號的抖動，控制模塊設定一定範圍的AD區間而不是一個確定的AD值，來判斷外部開關的狀態，從而增強採集電路的容錯能力，保證AD診斷的有效性和準確性，從而實現駐車制動信號的採集和診斷功能。

本實用新型提出的電路結構中，具體的元器件參數可以根據外部信號種類和產品EMC性能要求選定，VCC可以是5V系統的電源，也可以是3.3V系統，但是VCC必須與所用MCU AD模塊的參考電源一致，最好經過π型濾波。其中，電阻R5需要選擇合適阻值，如果阻值太小，對MCU的保護作用很有限；如果阻值太大，當電阻R4上有一定電流流過時，會在電阻兩端產生一定的電壓降，從而影響採集的準確性。

需要說明的是，在PCB設計時，儀表外部的駐車制動開關電路和儀表內部採集電路第一電容C1、C2處需要共地，記為「PGND」，C3、C4處的地記為「GND」。注意「PGND」和「GND」並沒有連在一起，中間用共模電感連接，目的是進一步增強儀表電路的抗幹擾能力。

本實用新型開關量採集電路具有很強的抗幹擾能力，第一濾波模塊和第二濾波模塊中的電容磁珠組合、RC濾波和共模電感分地處理，增強了電路的抗幹擾能力，保證了產品的可靠性，信號採集模塊作為控制系統最重要的功能之一，是產品正常顯示相關參數和控制輸出的基礎，其可靠性至關重要。

本實用新型開關量採集電路具有一定的隔離作用，作為外部信號採集模塊，避免不了一些噪聲幹擾，甚至出現輸入埠對電源短路的情況，因此要求採集電路具有一定的抗幹擾能力和隔離作用，電路中串聯了二極體，可以有效防止外部電流倒灌進入內部電路，影響其他電路的正常工作。

本實用新型開關量採集電路，電路結構簡單，成本低，應用靈活。該電路採用基本的電阻、電容、二極體實現了複雜的診斷功能，具有明顯的成本優勢和功能優勢，由於該設計簡單可靠，實際應用時具有很好的靈活性，大大提高了設計的效率，提升了產品的市場競爭力。

本實用新型另一種實施例還提供一種顯示裝置100，如圖6所示，顯示裝置100包括上述的開關量信號採集電路10和儀表20，控制模塊104的輸出端連接儀表20的第一輸入端，電源模塊105的輸出端連接儀表20的第二輸入端，控制模塊104通過儀表20顯示開關狀態。

本實用新型一種顯示裝置，可以在儀表外部設置幾十路開關量信號電路，通過線束、連接器輸入到開關量信號採集電路，開關量信號採集電路包括對應的抗幹擾和隔離電路，並將所診斷的電壓值通過單片機A/D轉換器轉換成AD值，經過單片機的處理後，將開關狀態信息通過一定的方式傳輸到汽車儀表液晶屏上顯示。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本實用新型由所提交的權利要求書確定的專利保護範圍。