具有診斷功能的開關量輸出模塊的製作方法
2023-05-23 05:32:46 2
專利名稱：具有診斷功能的開關量輸出模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關量輸出模塊。
背景技術：
目前，大量電子器件的使用在簡化操作、提升性能的同時，卻帶來了新的問題。由於電子器件均有可能發生失效，而且每種器件失效概率不同，失效模式各異，在設備由大量電子器件構成的情況下，失效概率會有所提升。這就使得任何一個電子器件發生如斷路、短路等失效時都有可能導致系統失效，並進一步對電子設備自身、工作人員及環境造成傷害。要解決器件失效引起的系統問題的根本點就是使得設備本身故障概率降低，並且在故障發生時不會引起更嚴重的事故。該機制的實現需要從器件失效特性著手，引入診斷 機制，使得設備具備故障自診斷和故障警示功能，並且在此基礎上實現設備本質安全的特性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種具有診斷功能的開關量輸出模塊，其能夠檢測出開關量輸出通道在工作時的工作狀態，判斷開關量輸出通道是否發生了故障。本發明所採用的技術方案是一種具有診斷功能的開關量輸出模塊，包括微處理器和至少一個開關量輸出通道；每一開關量輸出通道包括一場效應管，場效應管具有控制端、第一導通端和第二導通端；控制端與微處理器的輸出端連接，第一導通端與電源連接，第二導通端與該開關量輸出通道的輸出端子連接；其特點在於，該開關量輸出模塊還包括與至少一個開關量輸出通道對應的至少一個故障檢測電路；每一故障檢測電路包括第一檢測電路和第二檢測電路；第一檢測電路包括分壓電路、開關電路、第一開關管和第一電壓採樣電路；分壓電路的一端與場效應管的第一導通端連接，另一端與輸出端子連接；開關電路設置在分壓電路至輸出端子的連接路徑上，並可在微處理器的控制下實現分壓電路與輸出端子之間的導通和斷開；第一開關管具有控制端、第一導通端和第二導通端，第一開關管的控制端與分壓電路的分壓點連接，第一開關管的第一導通端與電源連接，第一開關管的第二導通端與第一電壓米樣電路的輸入端連接；第一電壓米樣電路的輸出端與微處理器的輸入端連接；第二檢測電路包括第一限流電路、第二開關管和第二電壓採樣電路;第一限流電路的一端與所述場效應管的第二導通端連接；第二開關管具有控制端、第一導通端和第二導通端，第二開關管的控制端與第一限流電路的另一端連接，第二開關管的第一導通端與電源連接，第二開關管的第二導通端與第二電壓採樣電路的輸入端連接，第二電壓採樣電路的輸出端與微處理器的輸入端連接。本發明通過故障檢測電路採集到的與開關量輸出通道的工作狀態有關的工作電壓，能夠檢測出開關量輸出通道在工作時的工作狀態，判斷開關量輸出通道是否發生了故障。通過設置在微處理器中的ROM診斷單元和RAM診斷單元，本發明還能對開關量輸出模塊的內存是否發生了故障進行診斷。此外，本發明還具有使用方便、抗幹擾能力強、安全性聞的優點。
圖I是本發明開關量輸出模塊的一個實施例的原理框圖。圖2是根據本發明一實施例的模塊電源子模塊的電路原理圖。圖3是根據本發明一實施例的通道電源子模塊的電路原理圖。圖4是根據本發明一實施例的開關量輸出通道和診斷電路的電路框圖。圖5是根據本發明一實施例的開關量輸出通道和診斷電路的電路原理圖。圖6是根據本發明一實施例的微處理器的原理框圖。
圖7示出了根據本發明一實施例的對應關係表。圖8是根據本發明一實施例的開關量輸出通道的診斷流程示意圖。圖9是根據本發明一實施例的內存診斷時序框圖。圖10是根據本發明一實施例的齊步法診斷步驟示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作出進一步描述。參考圖I。根據本發明一實施例的具有診斷功能的開關量輸出模塊，包括微處理器I、至少一個開關量輸出通道2、與至少一個開關量輸出通道2 對應的至少一個故障檢測電路3、CAN通信模塊4、外部存儲器5和電源模塊6。其中，微處理器I米用嵌入式微處理器晶片。在一具體實施例中，微處理器I米用NXP公司基於32位的ARM7處理器LPC2129。開關量輸出通道2的數量是根據具體的應用而選擇的，如8通道、16通道等等，此外為了簡便起見，圖中僅示出了一個開關量輸出通道作為示例。CAN通信模塊4包括一主CAN通信模塊41和一冗餘CAN通信模塊42，微處理器I可通過該主CAN通信模塊和冗餘CAN通信模塊連接至CAN總線，冗餘的CAN通信模塊實現了高速的冗餘CAN總線通信。外部存儲器5包括外部ROM和外部RAM，從而大大提升了數據及程序存儲空間。電源模塊6為微處理器I、開關量輸出通道2、故障檢測電路3、CAN通信模塊4和外部存儲器5提供穩定的電源，其包括通道電源子模塊61和模塊電源子模塊62兩部分。模塊電源子模塊62採用了 DC/DC隔離設計，保證了板上的處理電路供電的穩定性，可接收+30%和-25%的寬幅供電範圍。通道電源子模塊61採用非隔離的DC/DC電路，轉換效率高，發熱量低，並且能夠提供最大2A的電流。圖2是根據本發明一實施例的模塊電源子模塊62的電路原理圖。光電隔離DC/DC模塊U25使用COSEL公司的ZUS32405，它內部的濾波機制可以提供平滑的+5V電源，從而在電源進線端大幅度降低地線幹擾的強度。圖3中，並聯電容C12、C13和電解電容Cll能夠起到一定濾波作用。橋路晶片Dl保證了模塊電源輸入反接時不會導致錯誤。為了實現輸入電壓的限幅，電源輸入端的末端加入了熱敏電阻R384，以保證電壓瞬間高峰不會影響模塊電路正常工作。此外，使用熔斷器F33，其熔斷電流為1A，確保模塊自身短路時不會因為電流過大而燒壞外部電源,提升了模塊的本質安全特性。電源模塊的開關量OC輸出供電使用兩種模式，即統一電源供電和分離電源供電。前一個模式下使用同一個DC24V作為供電源；後一個模式下的模塊供電和開關量輸出供電採用兩個不同的DC24V，模塊內部通過總線隔離晶片實現隔離。圖3是根據本發明一實施例的通道電源子模塊的電路原理圖。圖中，U27為DC/DC轉換晶片，能夠實現單路2A電流輸出。P7、P8為四個跳線，完成分離電源和統一電源的切換。如圖4所示，每一開關量輸出通道2包括一場效應管21，場效應管21具有控制端、第一導通端和第二導通端。控制端與微處理器I的輸出端連接，第一導通端與通道電源子模塊61連接，第二導通端與該開關量輸出通道的輸出端子DOl連接，輸出端子DOl連接到用電設備7。每一故障檢測電路包括第一檢測電路、第二檢測電路和第三檢測電路。第一檢測電路包括分壓電路311、第一開關管312、第一電壓採樣電路313和開關電路314。分壓電路311的一端與場效應管21的第一導通端連接，另一端與輸出端子DOl連接。開關電路314設置在分壓電路311至輸出端子DOl的連接路徑上，並可在微處理器I的控制下實現分壓電路311與輸出端子DOl之間的導通和斷開。第一開關管312具有控制端、第一導通端和第二導通端，第一開關管313的控制端與分壓電路311的分壓點連接，第一導通端與通道電源子模塊61提供的24V電源連接，第二導通端與第一電壓採樣電路313的輸入端連接。第一電壓米樣電路313的輸出端與微處理器I的輸入端連接。第二檢測電路包括第一限流電路321、第二開關管322和第二電壓採樣電路323。第一限流電路321的一端與場效應管21的第二導通端連接。第二開關管322具有控制端、第一導通端和第二導通端，第二開關管322的控制端與第一限流電路321的另一端連接，第一導通端與通道電源子模塊61提供的24V電源連接，第二導通端與第二電壓採樣電路323的輸入端連接，第二電壓採樣電路323的輸出端與微處理器I的輸入端連接。 第三檢測電路包括第二限流電路331、第三開關管332和第三電壓採樣電路333。第二限流電路331的一端與場效應管21的第一導通端連接。第三開關管332具有控制端、第一導通端和第二導通端。第三開關管332的控制端與第二限流電路331的另一端連接，第一導通端與通道電源子模塊61提供的24V電源連接，第二導通端與第三電壓採樣電路333的輸入端連接。第三電壓採樣電路333的輸出端與微處理器I的輸入端連接。圖5示出了圖4的一個具體應用實例。其中，場效應管21為NMOS管Q5，NMOS管Q5的柵極為控制端，漏極為第一導通端，源極為第二導通端。在該NMOS管的漏極與柵極之間串聯有電阻R9。第一開關管312、第二開關管322和第三開關管332分別為PNP三極體Q3、PNP三極體Q7和PNP三極體Ql。各PNP三極體的基極為控制端，發射極為第一導通端，集電極為第二導通端。在第一開關管Q3的發射極至通道電源子模塊61提供的24V電源的連接路徑上設有保險絲Fl。第一電壓採樣電路313包括電阻R13和電阻R14，電阻R13的一端與第一開關管Q3的集電極連接，另一端與電阻R14的一端連接，電阻R14的另一端接地。電阻R13與電阻R14的公共節點為第一電壓採樣電路313的輸出端。第二電壓採樣電路323包括電阻R19和電阻R20，電阻R19的一端與第二開關管Q7的集電極連接，另一端與電阻R20的一端連接，電阻R20的另一端接地。電阻R19與電阻R20的公共節點為第二電壓採樣電路323的輸出端。第三電壓採樣電路333包括電阻R4和電阻R3，電阻R4的一端與第三開關管Ql的集電極連接，另一端與電阻R3的一端連接，電阻R3的另一端接地。電阻R4與電阻R3的公共節點為第三電壓採樣電路333的輸出端。分壓電路311包括電阻R7和電阻R11，電阻R7的一端與場效應管Q5的漏極連接，另一端與電阻Rll的一端連接，電阻Rll的另一端與開關電路314連接。電阻R7與電阻Rll的公共節點與第一開關管Q3的基極連接。在一個具體的實施例中，開關電路314為一繼電器，該繼電器的觸點串聯在分壓電路311至輸出端子DOl的連接路徑上。第一限流電路由電阻R17構成，第二限流電路由電阻Rl構成。如圖6所示，微處理器I包括開關電路控制單元11、輸出通道控制單元12、第一檢測信號比較單元13、第二檢測信號比較單元14、第三檢測信號比較單元15和通道故障診斷單元16。開關電路控制單元11用於在進行故障檢測時控制開關電路314導通和斷開各一次。輸出通道控制單元12用於控制場效應管21的工作。第一檢測信號比較單元13用於將第一電壓採樣電路313輸出的電壓信號與預設的第一電壓基準值進行比較，若大於該第一電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第一電壓基準值，則判斷該電壓信 號為低電平。第二檢測信號比較單元14用於將第二電壓採樣電路323輸出的電壓信號與預設的第二電壓基準值進行比較，若大於該第二電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第二電壓基準值，則判斷該電壓信號為低電平。第三檢測信號比較單元15用於將第三電壓採樣電路333輸出的電壓信號與預設的第三電壓基準值進行比較，若大於該第三電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第三電壓基準值，則判斷該電壓信號為低電平。通道故障診斷單元16用於將輸出通道控制單元12的輸出狀態、以及第一、第二和第三檢測信號比較單元的比較結果，與預先存儲的輸出通道控制單元工作狀態、第一、第二和第三檢測信號比較單元的比較結果與開關量輸出通道工作狀態的對應關係表進行比對，判斷是否發生了故障，並輸出故障診斷結果，該故障診斷結果可通過CAN通信模塊4傳輸到外部的報警設備。圖7不出了該對應關係表,表中，I代表高電平,O代表低電平。圖8不出了根據本發明一實施例的開關量輸出通道的診斷流程示意圖。結合圖5至圖8所示，微處理器I輸出的用於控制場效應管Q5的信號為OUTPUT+，用於控制開關電路314的信號為SWITCH+。第一、第二和第三電壓米樣電路313、323和333輸出給微處理器I的電壓信號分別為IIN1+、EIN+和SIN+。在每次進行通道的故障檢測時，輸出通道控制單元12保持OUTPUT+信號不便，開關電路控制單元11控制開關電路314導通(SWITCH+為I)和斷開(SWITCH+為O)各一次。第一、第二和第三檢測信號比較單元13、14和15將採集到的兩組IIN1+、EIN+和SIN+信號與基準電壓信號進行比較，並將比較結果發送給通道故障診斷單元16，然後再由通道故障診斷單元16與圖7中的表格進行比較。例如，當OUTPUT+為O時，通道故障診斷單元16獲得的信息為在SWITCH+為O時，IINl+, EIN+和SIN+的信號電平均為低電平，而在SWITCH+為I時，IIN1+、EIN+和SIN+的信號電平分別為1、0和0，就可以判斷通道中的場效應管Q5發生了短路故障。當外部用電設備7發生短路時，保險絲Fl會熔斷，第三開關管Ql導通，SIN+為高電平。圖7表格中的「/」表示信號可以是任意的電平。根據本發明一實施例的微處理器I還包括RAM診斷單元17和ROM診斷單元18。RAM診斷單元17和ROM診斷單元18可對微處理器I內部以及外部存儲器5的RAM和ROM進行診斷。RAM診斷單元17用於通過齊步法檢測RAM是否發生故障；R0M診斷單元18用於通過按字節的CRC校驗算法檢測ROM是否發生故障。圖9是根據本發明一實施例的內存診斷時序框圖。圖10是根據本發明一實施例的齊步法(Marching)診斷步驟示意圖。齊步法的過程描述為先將所有單元寫『0』，從首單元開始升序對每個單元先讀『0』再寫『1』，然後再從最後一個單元降序依次將各單元先讀『I』再寫『O』。圖中，按照(a)至(f)步驟順序執行。該方法不但診斷效率高，而且能夠達到中級診斷覆蓋率。若任何一次讀O或讀I操 作失敗，則說明該內存區產生錯誤，並產生一條失效報文。按字節的CRC校驗算法將程序存儲器中的代碼通過CRC校驗算法和按字節查表法結合，快速生成CRC校驗和，即存儲器的籤名。診斷時，ROM診斷單元運行同樣的除法，並將求出值與該籤名比較，有差異則產生一條失效報文，從而實現高效率和高診斷覆蓋率。
權利要求
1.一種具有診斷功能的開關量輸出模塊，包括微處理器和至少一個開關量輸出通道；每一所述的開關量輸出通道包括一場效應管，所述場效應管具有控制端、第一導通端和第二導通端；所述控制端與所述微處理器的輸出端連接，所述第一導通端與電源連接，所述第二導通端與該開關量輸出通道的輸出端子連接；其特徵在於，該開關量輸出模塊還包括與所述至少一個開關量輸出通道一一對應的至少一個故障檢測電路；每一所述故障檢測電路包括第一檢測電路和第二檢測電路； 所述第一檢測電路包括分壓電路、開關電路、第一開關管和第一電壓採樣電路；所述分壓電路的一端與場效應管的第一導通端連接，另一端與所述輸出端子連接；所述開關電路設置在分壓電路至所述輸出端子的連接路徑上，並可在所述微處理器的控制下實現分壓電路與輸出端子之間的導通和斷開；第一開關管具有控制端、第一導通端和第二導通端，第一開關管的控制端與分壓電路的分壓點連接，第一開關管的第一導通端與電源連接，第一開關管的第二導通端與第一電壓採樣電路的輸入端連接；第一電壓採樣電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接； 所述第二檢測電路包括第一限流電路、第二開關管和第二電壓採樣電路；第一限流電路的一端與所述場效應管的第二導通端連接；第二開關管具有控制端、第一導通端和第二導通端，第二開關管的控制端與所述第一限流電路的另一端連接，第二開關管的第一導通端與電源連接，第二開關管的第二導通端與第二電壓採樣電路的輸入端連接，第二電壓採樣電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接。
2.如權利要求I所述的開關量輸出模塊，其特徵在於， 所述的場效應管為NMOS管，該NMOS管的柵極為控制端，漏極為第一導通端，源極為第二導通端；在該NMOS管的漏極與柵極之間串聯有電阻R9 ； 所述的第一開關管和第二開關管均為PNP三極體；該PNP三極體的基極為控制端，發射極為第一導通端，集電極為第二導通端； 所述的第一電壓米樣電路包括電阻R13和電阻R14，電阻R13的一端與第一開關管的集電極連接，另一端與電阻R14的一端連接，電阻R14的另一端接地；電阻R13與電阻R14的公共節點為該第一電壓採樣電路的輸出端； 所述的第二電壓採樣電路包括電阻R19和電阻R20，電阻R19的一端與第二開關管的集電極連接，另一端與電阻R20的一端連接，電阻R20的另一端接地；電阻R19與電阻R20的公共節點為該第二電壓採樣電路的輸出端； 所述的第一限流電路由電阻R17構成。
3.如權利要求2所述的開關量輸出模塊，其特徵在於， 所述的分壓電路包括電阻R7和電阻R11，電阻R7的一端與所述場效應管的漏極連接，另一端與電阻Rll的一端連接，電阻Rll的另一端與所述開關電路連接；電阻R7與電阻Rll的公共節點與第一開關管的基極連接。
4.如權利要求3所述的開關量輸出模塊，其特徵在於，所述的開關電路為一繼電器，所述繼電器的觸點串聯在分壓電路至所述輸出端子的連接路徑上。
5.如權利要求I至4中任何一項所述的開關量輸出模塊,其特徵在於,還包括一第三檢測電路；所述的第三檢測電路包括第二限流電路、第三開關管和第三電壓採樣電路;第二限流電路的一端與場效應管的第一導通端連接；第三開關管具有控制端、第一導通端和第二導通端，第三開關管的控制端與所述第二限流電路的另一端連接，第三開關管的第一導通端與電源連接，第三開關管的第二導通端與第三電壓採樣電路的輸入端連接；第三電壓採樣電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接；在第一開關管的第一導通端至電源的連接路徑上設有保險絲。
6.如權利要求5所述的開關量輸出模塊，其特徵在於，所述的第三開關管為PNP三極體；該PNP三極體的基極為控制端，發射極為第一導通端，集電極為第二導通端； 所述的第三電壓採樣電路包括電阻R4和電阻R3，電阻R4的一端與第三開關管的集電極連接，另一端與電阻R3的一端連接，電阻R3的另一端接地；電阻R4與電阻R3的公共節點為該第三電壓米樣電路的輸出端； 所述的第二限流電路由電阻Rl構成。
7.如權利要求6所述的開關量輸出模塊，其特徵在於，所述的微處理器包括 輸出通道控制單元，用於控制所述場效應管的工作； 開關電路控制單元，用於在進行故障檢測時控制所述開關電路導通和斷開各一次； 第一檢測信號比較單元，用於將第一電壓採樣電路輸出的電壓信號與預設的第一電壓基準值進行比較，若大於該第一電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第一電壓基準值，則判斷該電壓信號為低電平； 第二檢測信號比較單元，用於將第二電壓採樣電路輸出的電壓信號與預設的第二電壓基準值進行比較，若大於該第二電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第二電壓基準值，則判斷該電壓信號為低電平； 第三檢測信號比較單元，用於將第三電壓採樣電路輸出的電壓信號與預設的第三電壓基準值進行比較，若大於該第三電壓基準值，則判斷該電壓信號為高電平，若小於等於該第三電壓基準值，則判斷該電壓信號為低電平； 通道故障診斷單元，用於將所述輸出通道控制單元的輸出狀態、以及第一、第二和第三檢測信號比較單元的比較結果，與預先存儲的輸出通道控制單元工作狀態、第一、第二和第三檢測信號比較單元的比較結果與開關量輸出通道工作狀態的對應關係表進行比對，判斷是否發生了故障，並輸出故障診斷結果。
8.如權利要求7所述的開關量輸出模塊，其特徵在於，所述的微處理器還包括 RAM診斷單元，用於通過齊步法檢測RAM是否發生故障； ROM診斷單元，用於通過按字節的CRC校驗算法檢測ROM是否發生故障。
9.如權利要求I所述的開關量輸出模塊，其特徵在於，包括一主CAN通信模塊和一冗餘CAN通信模塊，所述的微處理器通過該主CAN通信模塊和冗餘CAN通信模塊連接至CAN總線。
全文摘要
本發明公開了一種具有診斷功能的開關量輸出模塊，包括微處理器、至少一個開關量輸出通道、與至少一個開關量輸出通道一一對應的至少一個故障檢測電路。每一開關量輸出通道包括一場效應管，場效應管的控制端與微處理器的輸出端連接，第一導通端與電源連接，第二導通端與該開關量輸出通道的輸出端子連接。每一故障檢測電路包括第一檢測電路和第二檢測電路。第一檢測電路包括分壓電路、開關電路、第一開關管和第一電壓採樣電路。第二檢測電路包括第一限流電路、第二開關管和第二電壓採樣電路。第一和第二電壓採樣電路的輸出端與微處理器的輸入端連接。本發明能夠檢測出開關量輸出通道在工作時的工作狀態，判斷開關量輸出通道是否發生了故障。
文檔編號H03K17/082GK102970012SQ201210476429
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者張平, 吳帆, 孫聚川, 張益兵, 劉贇 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所