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(duì)現(xiàn)場(chǎng)到dcs系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)，如溫度、壓力限位開(kāi)關(guān)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、備妥信號(hào)、故障信號(hào)、就地/遠(yuǎn)程切換信號(hào)等重要信號(hào)輸入會(huì)專門設(shè)計(jì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行采集，然后將采集來(lái)的信號(hào)上送給控制站進(jìn)行處理。由于核電站的特性，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)對(duì)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(guó)內(nèi)外針對(duì)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(guò)光耦或者光繼等隔離器件來(lái)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(guò)三個(gè)電阻串聯(lián)，其中一個(gè)電阻與光耦的前級(jí)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(jí)輸入端并聯(lián)的電阻分壓會(huì)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(jí)的三極管輸出電路也會(huì)導(dǎo)通，從而采集到相應(yīng)的高電平或低電平(跟后級(jí)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(shì)是可設(shè)置相應(yīng)的打開(kāi)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(chǎng)不可預(yù)測(cè)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(jí)輸入損壞等等。那么一旦出現(xiàn)這些問(wèn)題也就意味著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)已不能獲取，也無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做出相應(yīng)的控制，這些問(wèn)題對(duì)于核電安全級(jí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wèn)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(hào)來(lái)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(jí)dcs系統(tǒng)，包括光耦信號(hào)采集電路和光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路；

所述的光耦信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)輸入的負(fù)極連接并接地，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)輸入的正負(fù)極之間并聯(lián)一個(gè)tvs管用來(lái)防止過(guò)壓；

所述的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(guò)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(guò)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)輸入時(shí)，一路信號(hào)供給處理fpga通道進(jìn)行處理，同時(shí)另一路信號(hào)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(guò)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(guò)第九電阻和第十電阻與3.3v識(shí)別電壓連接。

當(dāng)無(wú)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過(guò)第十電阻上拉到3.3v的高電平“1”；

若現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(guò)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(kāi)，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過(guò)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(wú)動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，則處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號(hào)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(kāi)后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(guò)1v，則第七電阻上分的電壓為2.3v左右，足以打開(kāi)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(hào)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(wú)法導(dǎo)通，從而后級(jí)電路也無(wú)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(guò)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(shuō)明電路在失電狀態(tài)時(shí)處理fpga通道無(wú)問(wèn)題；若沒(méi)有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問(wèn)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(wú)動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，則處理fpga從第一三極管的集電極讀回的fp_din_01信號(hào)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(kāi)后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(hào)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(wú)法導(dǎo)通，從而后級(jí)電路也無(wú)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(guò)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(wú)問(wèn)題；若沒(méi)有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問(wèn)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(guò)利用模塊自身模擬外設(shè)環(huán)境輸入來(lái)對(duì)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(hào)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(shuō)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(duì)本發(fā)明所述的作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(jí)dcs系統(tǒng)，包括光耦信號(hào)采集電路和光繼電器動(dòng)態(tài)診斷電路；

所述的光耦信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)di_01輸入的負(fù)極連接并接地，在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)di_01輸入的正負(fù)極之間并聯(lián)一個(gè)tvs管用來(lái)防止過(guò)壓；

所述的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(guò)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(guò)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)di_01輸入時(shí)，一路信號(hào)供給處理fpga通道進(jìn)行處理，同時(shí)另一路信號(hào)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(guò)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(guò)第九電阻r9和第十電阻r10與3.3v識(shí)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(lái)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(cè)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(guò)。

當(dāng)無(wú)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(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過(guò)第十電阻r10上拉到3.3v的高電平“1”；若現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(guò)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(kāi)，此時(shí)回讀到處理fpga的邏輯是通過(guò)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(wú)動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，則處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號(hào)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(kāi)后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(guò)1v，則第七電阻r7上分的電壓為2.3v左右，足以打開(kāi)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(hào)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(wú)法導(dǎo)通，從而后級(jí)電路也無(wú)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(guò)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(shuō)明電路在失電狀態(tài)時(shí)處理fpga通道無(wú)問(wèn)題；若沒(méi)有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問(wèn)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(wú)動(dòng)作，其2管腳常高，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)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(kāi)，則處理fpga從第一三極管q1的集電極讀回的fp_din_01信號(hào)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(kāi)后面的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(hào)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(wú)法導(dǎo)通，從而后級(jí)電路也無(wú)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(guò)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(wú)問(wèn)題；若沒(méi)有收到相應(yīng)的方波，則認(rèn)為處理fpga通道有問(wèn)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(guò)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(guò)2ma的電流，也即是r2上至少要流過(guò)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(jiàn)，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(guò)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(kāi)。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。可得外最大截止電壓u＝ur2+r11+ur7＝9.986v。