一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路及方法與流程
2023-04-28 10:13:16 2
本發明涉及一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路及方法，該檢測電路及檢測方法適用於多種開關，通過對開關接通迴路的取樣電壓進行檢測，在提供開關的開、關狀態的同時，亦可進行開關的故障診斷，為開關維護提供依據。
背景技術：
在飛機駕駛艙中，飛行員通過安裝在控制板組件上的各類開關來控制飛機系統，完成飛行任務。這些開關的種類包括帶指示燈的按壓開關、按壓開關、扳動開關、旋轉開關等。一般地，這些開關都採用多通道的結構形式，即當開關處於某個檔位時，所有開關通道同時動作的，可以向飛機系統提供多路冗餘的開關信號，以策安全。
飛機系統中所採用的開關信號傳輸方式主要有兩種形式，即硬線形式和數字形式。硬線形式是指直接使用電纜線將開關和飛機系統相連，由開關直接向飛機系統提供開關狀態；數字形式是指通過集成在控制板組件中的微控制器採集開關引腳電平，再根據開關引腳電平編碼，形成數位化開關狀態後，再經飛機的總線網絡傳輸至飛機系統，飛機系統解碼後，才能最終獲得開關狀態。硬線形式用於高安全性要求的飛機功能系統，如飛控系統等；而數字形式主要用於一般要求的飛機功能系統，如環控系統、照明系統等。
目前，數位化開關狀態檢測方式是在開關引腳上預設的邏輯電平，通過微控制器對預設電平的檢測，來判斷開關的通/斷狀態。這種方式的局限性在於僅能區分出的「有效的」和「無效的」兩類狀態，而無法對「無效的」狀態做出進一步的故障診斷。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中數位化開關狀態無法對「無效的」狀態做出進一步的故障診斷的問題，提供一種新型的具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路。
為了實現這一目的，本發明的技術方案如下：一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路，包含有，
基準參考電壓源模塊，其用以提供至少兩個基準參考電壓信號且各基準參考電壓信號幅值均不相同；
被測開關，其具有至少兩個檔位，每一檔位均對應於各自的一基準參考電壓信號，基準參考電壓信號經被測開關轉換成與開關檔位對應的開關電壓信號，優選地，被測開關的類型為下述之一：按鍵開關、二位/三位/多位扳動/旋轉開關、按壓開關/帶指示燈的按壓開關；
電壓檢測模塊，其用以採集開關電壓信號並將其轉換成對應的檢測電壓信號；以及，
微控制器模塊，其用以比較檢測電壓信號與基準參考電壓信號，以判斷被測開關處於被選中狀態的檔位的狀態及故障診斷。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路的優選方案，每一基準參考電壓信號均對應有一基準電壓源及一保護二極體，基準電壓源輸出端接二極體的正極，二極體的負極用以輸出基準參考電壓信號；被測開關具有至少兩個檔位端及一公共端，檔位端接對應的二極體的負極，公共端用以輸出開關電壓信號。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路的優選方案，電壓檢測模塊包含有通道選擇器、第一電阻、第二電阻、差分放大器，通道選擇器用以選擇多路開關電壓信號中的一路進行檢測，通道選擇器的輸入端連接多路被檢開關的輸出端，其輸出端連接第一電阻第一端，其控制端連接微控制器模塊的控制端，並接受微控制器的輸出控制；第一電阻和第二電阻組成分壓電路，由通道選擇器輸出的開關電壓信號經第一電阻、第二電阻分壓，在第一電阻上形成適合微控制器檢測的電壓信號後，送入差分放大器處理；差分放大器的輸入端用以輸入經第一、第二電阻分壓後的電壓信號，差分放大器的輸出端用以等幅輸出待檢測的電壓信號，差分放大器的同相輸入端與通道選擇器的輸出端及第一電阻的第一端相連接，其反向輸入端與第一電阻的第二端和第二電阻的第一端相連接，差分放大器為單電源供電，正電源端接電源VCC，負電源端及第二電阻的第二端均接地。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路的優選方案，第一電阻系由第一分電阻及第二分電阻並聯而成，第二電阻系由第三分電阻及第四分電阻並聯而成。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路的優選方案，被測開關的數量為多個，電壓檢測模塊還具有通道選擇器。
本發明還提供了一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測方法，包含有以下步驟，
步驟S1，提供權利要求1至5中任意一項的檢測電路；以及，
步驟S2，確定各基準參考電壓信號的大小是否與預設值相同。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測方法的優選方案，還包含有，步驟S3，確定被測開關中處於被選中狀態的檔位是否存在接觸不良故障：若檢測電壓信號為零電位，則表示開關出現接觸不良故障。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測方法的優選方案，還包含有，步驟S4，確定被測開關是否存在檔位短接故障：依次選中各檔位，若任意兩個檢測電壓信號相同，則表示被測開關存在檔位短接故障。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測方法的優選方案，還包含有，步驟S5，確定被測開關中處於被選中狀態的檔位是否存在導通電阻增大的情況：若檢測電壓信號比正常的閾值偏小，則表示處於被選中狀態的檔位存在導通電阻增大的情況。
作為一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測方法的優選方案，所述檢測電路為權利要求4所述的，還包含有，
步驟S6，確定第一電阻及第二電阻的故障。
與現有技術相比，本發明的優點至少在於：能夠對數位化開關 「無效的」狀態做出進一步的故障診斷。
附圖說明
圖1為本發明技術方案的原理框圖。
圖2為本發明的實施方案的原理電路示意圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施方式結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
請參見圖1和2，圖1中所示的是一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路的原理框圖，圖2中所示的是一種具有故障診斷功能的數位化開關檢測電路實施方案的原理電路示意圖。
1.微控制器模塊：模塊內的微控制器的IO口可以通過輸出高低電平來控制電壓採樣模塊的開關電壓信號輸入；模塊內的數模轉換器用於將來自電壓採樣模塊的輸出電壓轉換為數字量，從而實現開關狀態的數位化檢測。
2.電壓檢測模塊：模塊內的通道選擇器由微控制器模塊的IO輸出口控制端A、控制端B、控制端C和使能端進行控制，用以選擇一路開關電壓信號輸入到後續電路；模塊內的電阻R1和R2構成的分壓電路，將通道選擇器輸出的一路開關電壓信號在電阻R1上形成的分壓輸入到差分放大器的輸入端； 差分放大器將濾除電阻R1上電壓中的擾動成分，再將電壓信號輸入至微控制器模塊。
3.被檢開關：如圖2所示，該實施方案可以檢測八個開關的狀態。這些開關可以是單刀雙擲開關、單刀三擲開關、單刀四擲開關等形式。這些開關的公共端連接到電壓檢測模塊的輸入端，而檔位端連接到基準參考電壓源模塊。
4.基準參考電壓源模塊：模塊內設置的基準參考電壓源數目根據具體應用確定。本實施方案中，由於被檢開關的最大檔位數為四檔，所以基準參考電壓源的數目也為四個，即V1、V2、V3、V4。其中，V1連接所有被檢開關的檔位1，V2連接所有被檢開關的檔位2，V3連接所有被檢開關的檔位3，V4連接所有被檢開關的檔位4。
5.通訊模塊：微控制器檢出故障時，通過通訊模塊可以及時地上報故障信息。
圖2僅為實施方案的原理電路示意。在實際應用中，該方案的實施還需要配合使用一些分立元器件，如差分放大器或通道選擇器晶片電源引腳至地連接的去耦電容、通道選擇器輸入端至地應用TVS管保護，基準參考電壓源到開關檔位端的保護二極體等，這些分立元器件應結合實際而進行應用。
數位化開關的檢測方法如下（以圖2中開關2的檢測為例）：
1.微控制器模塊通過使能端輸出高電平使能電壓檢測模塊中的通道選擇器；
2.微控制器模塊通過控制端A、控制端B、控制端C選中電壓檢測模塊中的通道選擇器的輸入通道4；
3.基準參考電壓源模塊提供的參考電壓V2信號通過開關2的檔位2端和公共端施加到電壓檢測模塊中的通道選擇器的輸入通道4上；
4.參考電壓V2信號通過電壓檢測模塊中的通道選擇器的輸入通道4，傳輸到通道選擇器的輸出1端，形成電壓Va信號；
5.電壓Va信號經分壓電阻R1、R2分壓，在電阻R1上的分壓經差分放大器，在差分放大器輸出端形成電壓Vb信號，電壓Vb信號將傳輸至微控制器模塊內的模數轉換器；
6.微控制器模塊內的模數轉換器將來自電壓檢測模塊的電壓Vb信號進行模數轉換，從而獲得與參考電壓V2信號對應的、開關2檔位2的數位化狀態值。
7.開關2的其他檔位的數位化狀態檢測方法與上述檢測方法相同，只是檔位1的數位化狀態值與參考電壓V1信號對應，而檔位3的數位化狀態值與參考電壓V3信號對應。
數位化開關的故障診斷方法如下：
1.基準參考電壓源模塊內參考電壓的監測
因為本發明所提供的檢測方法基於對開關檔位對應的不同的參考電壓檢測，所以在進行開關狀態檢測之前，微控制器應先確定預設的開關檔位對應的參考電壓是否正常。對本發明所提供的檢測方法而言，可以應用與附圖2所示相同的電壓檢測模塊對基準參考電壓源提供的開關檔位參考電壓進行檢測，確認預設參考電壓無故障後，在利用與參考電壓對應的各個開關檔位狀態進行檢測。而且在每次進行開關狀態檢測前，都應先對開關檔位對應的參考電壓進行檢測。
2.開關檔位接觸不良故障：
開關檔位接觸不良現象是指開關的公共端懸空，沒有和任一檔位發生接觸。對於一般的電平檢測方法，只能將這種故障發生時的開關狀態標識為無效。而對於本發明所提供的檢測方法，可以準確識別出被檢開關是否發生接觸不良故障，並可以與其他開關無效狀態區分。
以圖2中開關2的檢測為例，當開關2出現檔位接觸不良故障，即開關2的公共端與其檔位1、檔位2、檔位3均不接觸時，電壓檢測模塊的通道選擇器輸出1端的電壓將被電阻R1和R2下拉到地，此時，電壓檢測模塊的差分放大器的輸出Vb將為零電位，對應的微控制器模塊內模數轉換器的數位化狀態值也將為0，所以，微控制器可以判斷出開關2發生了檔位接觸不良的故障。
3．開關檔位端短接故障
當開關發生機械損傷，造成鄰近的檔位端短接故障時，一般的電平檢測方法，只能將這種故障發生時的開關狀態標識為無效。而對於本發明所提供的檢測方法，可以識別出被檢開關是否發生檔位端短接故障，並可以與其他開關故障狀態區分。
以圖2中開關2的檢測為例，假設參考電壓檢測點位於二極體負極，參考電壓V2大於參考電壓V1，開關2的檔位2和檔位1發生短接故障。此時，二極體D2導通，而D1截至，微控制器模塊檢測參考電壓V1和V2時，都將得到與參考電壓V2相應的檢測結果，因為預設的參考電壓V1小於V2，所以微控制器可以判斷某個開關的檔位1和檔位2發生短接故障，再結合開關狀態檢測的歷史記錄，微控制器就可以判斷出是哪一個開關發生了檔位短接故障。
開關檔位端短接故障是很嚴重的故障，對如附圖2所示的本發明的實施方案而言，微控制器將喪失所有被檢開關對應於發生短接故障的檔位檢測能力。此種情況下，實施方案只能通過冗餘設計來保障開關檢測能力。
4.開關導通電阻增大
在使用過程中，開關會受使用環境的影響，其導通電阻一般會逐漸增大。本發明所提供的檢測電路和檢測方法可以有效檢測開關導通電阻的變化趨勢，可以提前進行開關維護，更換有故障風險的開關。
以圖2中開關2的檢測為例，當開關2處於檔位2時的導通電阻R增大到可與R1、R2比較，且不可忽略時，勢必使電壓信號Va偏離正常的範圍，從而微控制器通過檢測電壓信號Vb即可判斷出其檢測值比正常的閾值偏小。這樣結合微控制器對參考電壓檢測的結果等，微控制器可以判斷出開關2檔位2的導通電阻增大，有故障風險，即通過通訊模塊上報故障信息，提示及時更換。
5.分壓電阻故障
分壓電阻R1、R2的設置決定了微控制器內預設的、對應於電壓信號Vb的閾值，因而當R1、R2變化或故障時，微控制器將作出錯誤的判斷結果。
在如圖2所示的本發明的實施方式中，檢測電路可以使用四個電阻兩兩並聯後再串聯的形式構成分壓電阻R1、R2。這樣當四個電阻中的一個電阻發生故障時，微控制器通過預設的電壓信號Vb閾值，判斷出分壓電阻發生故障，再通過通訊模塊上報故障信息，提示及時更換。
以上僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。