專利名稱：數(shù)字量輸入、輸出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種輸入、輸出電路，特別是指一種工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制終端設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字信號(hào)的數(shù)字量輸入、輸出電路，適用于石化、給排水、電力、冶金等領(lǐng)域的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制終端設(shè)備數(shù)字輸入信號(hào)的采集、數(shù)字信號(hào)的輸出。
背景技術(shù)：
目前，在我國(guó)應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域控制設(shè)備中的數(shù)字信號(hào)量采集、數(shù)字信號(hào)輸出電路，由于電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、沒(méi)有采取隔離設(shè)計(jì)，而采集現(xiàn)場(chǎng)又存在信號(hào)干擾大的特點(diǎn)，故輸入、輸出信號(hào)失真、測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，給控制系統(tǒng)的整體控制造成極大影響。其可擴(kuò)展能力差，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)點(diǎn)的增加的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種數(shù)字量輸入、輸出電路，其輸入端通過(guò)接線端子接現(xiàn)場(chǎng)各閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入信號(hào)以及其它開(kāi)關(guān)量狀態(tài)輸入信號(hào)，在輸入端采用光耦隔離技術(shù)，可以抵抗現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的干擾。輸出端通過(guò)接線端子與現(xiàn)場(chǎng)閥門、開(kāi)關(guān)等設(shè)備相聯(lián)，將主控制器傳來(lái)的控制信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門、開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制；通過(guò)地址撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置可進(jìn)行電路的擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展連接八組電路，得到32個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和32個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到一種數(shù)字量輸入、輸出電路，該電路由限流整流電路、光耦隔離電路、阻容濾波網(wǎng)絡(luò)、三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片、I2C接口擴(kuò)展芯片、反相器、TTL邏輯電路、驅(qū)動(dòng)陣列、地址撥碼開(kāi)關(guān)及兩組發(fā)光二極管一組繼電器組成，通過(guò)16芯插座的數(shù)據(jù)總線與主控制器相連，數(shù)字量輸入、輸出電路的元器件連接如下數(shù)數(shù)字量輸入、輸出電路可分為數(shù)字量輸入電路和數(shù)字量輸出電路兩部分，字量輸入電路有四路輸入信號(hào)，分別通過(guò)各自的負(fù)載電阻R9和由R5、CR1、R1組成的分壓整流電路接入光耦芯片U2的管腳1、3、5、7，光耦芯片的管腿2、4、6、8接電源地，管腿9、11、13、15接入信號(hào)地，光耦芯片的管腿10、12、14、16分別通過(guò)由C2、R3、C1阻容濾波電路后接入各自三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的控制端及，光耦芯片的管腿10、12、14、16分別通過(guò)上拉電阻R2接電源VCC，三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的輸入端接信號(hào)地，三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的輸出端分別接I2C接口擴(kuò)展芯片U5的管腿4、5、6、7和反相器U3的管腿11、13、15、17，I2C接口擴(kuò)展芯片U5的管腿1、2、3分別接入下拉電阻R4與撥碼開(kāi)關(guān)U8的6、5、4端相連，U5的管腿14、15接入數(shù)據(jù)總線P1-12、P1-14端將輸入的四路數(shù)據(jù)量傳到主控制器，U5的管腿8接信號(hào)地，管腿15接電源VCC，反相器U3的管腿9、7、5、3通過(guò)分壓電阻R15同發(fā)光二極管LED L1、L2、L3、L4到信號(hào)地；數(shù)字量輸出電路I2C接口擴(kuò)展芯片U6 PCF8574A的管腳3、2、1分別接入下拉電阻R19與撥碼開(kāi)關(guān)3、2、1相連，其管腿14、15接入數(shù)據(jù)總線P1-12、P1-14端，I2C接口擴(kuò)展芯片U6 PCF8574A的管腿9、10、11、12與反相器U374HC240AP的管腿8、6、4、2相連，管腿16接電源VCC，管腿8接信號(hào)地，反相器U3 74HC240AP四個(gè)管腿18、16、14、12接U1的管腿5、6、7、8及分別通過(guò)分壓電阻R16連接發(fā)光二極管L5、L6、L7、L8到U3的管腿19和，其U3的管腿19通過(guò)非門邏輯電路U7F、U7E、U7C的輸出端，其輸入端短接后接非門邏輯電路U7D的輸出端，其輸入端接數(shù)據(jù)總線與主控器相連，其U3的管腿1接非門邏輯電路U7B輸出端，其輸入端撥碼開(kāi)關(guān)U8的11、12、13、14、15、16和非門邏輯電路U7A的輸出端，其U7A的輸入端接數(shù)據(jù)總線，同時(shí)反相器U3 74HC240AP的管腿12、14、16、18接入驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿8、7、6、5，驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿11、12、13、14通過(guò)繼電器K1、K2、K3、K4接電源VCC，驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿9接信號(hào)地，管腿10接電源VCC。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)數(shù)字量輸入、輸出電路可以對(duì)交流、直流型電平信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還可以用于各種控制儀表的指示燈、電機(jī)開(kāi)關(guān)、閥門等的控制；通過(guò)光耦隔離，可以抵抗現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的干擾；主控制器的數(shù)據(jù)總線通過(guò)數(shù)字量輸入、輸出電路上的與門邏輯電路對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行使能控制，從而可達(dá)到節(jié)能的作用。還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，設(shè)置電路地址，易于電路的擴(kuò)展。該電路安裝方便快捷，安裝在7.5mm×35mm的DIN導(dǎo)軌上，連接到系統(tǒng)總線。輸入電壓超過(guò)額定電壓的150％也不會(huì)損壞電路。由于本實(shí)用新型采用的都是工業(yè)級(jí)元器件，可適應(yīng)的溫度范圍為-40℃～70℃，能夠在較惡劣的環(huán)境下工作。


圖1.數(shù)字量輸入、輸出電路的電原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1數(shù)字量輸入、輸出電路的電原理圖，對(duì)本實(shí)用新型說(shuō)明如下。
數(shù)字量輸入、輸出電路由限流整流電路、光耦隔離電路、阻容濾波網(wǎng)絡(luò)、三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片、數(shù)據(jù)總線(I2C)接口擴(kuò)展芯片、反相器、TTL邏輯電路、地址撥碼開(kāi)關(guān)及一組發(fā)光二極管組成。通過(guò)16芯插座的數(shù)據(jù)總線與主控制器相連。
數(shù)字量輸入、輸出電路的四路輸入信號(hào)，分別通過(guò)各自并聯(lián)的輸入信號(hào)負(fù)載電阻R9和由電阻R5、二極管CR1、電阻R1組成的分壓整流電路后，接入光耦芯片U2 PC846，通過(guò)阻容濾波電路后接入三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U474125的控制端，其輸入端接數(shù)字地，輸出端分別接入I2C總線接口擴(kuò)展芯片U5 PCF8574P和反相器U3 74HC240AP的輸入端，I2C總線接口擴(kuò)展芯片U5 PCF8574P的管腿1、2、3分別接入下拉電阻R4與撥碼開(kāi)關(guān)U8的6、5、4相連；其U5管腿14(SCL串行時(shí)鐘端)、15(SDA串行數(shù)據(jù)端)接數(shù)據(jù)總線，其16腿接Vcc電源端、擴(kuò)展芯片U5 PCF8574P的管腿8接數(shù)據(jù)地，具管腿8、16并聯(lián)電容C10。當(dāng)輸入端輸入的信號(hào)為高電平時(shí)，該信號(hào)使光耦導(dǎo)通，后端即受控端電路導(dǎo)通，輸出低電平信號(hào)，信號(hào)通過(guò)阻容濾波電路控制三態(tài)門，使三態(tài)門導(dǎo)通，則三態(tài)門的輸出端由高電平轉(zhuǎn)為低電平，與I2C接口擴(kuò)展芯片相連的輸入端電平也被拉低，I2C接口擴(kuò)展芯片將八個(gè)輸入端口的信號(hào)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線將串行數(shù)據(jù)傳給主控制器。I2C總線接口擴(kuò)展芯片U5 PCF8574P的管腿1、2、3分別接入下拉電阻R4與撥碼開(kāi)關(guān)U8的6、5、4相連，接入撥碼開(kāi)關(guān)U8的作用就是控制擴(kuò)展芯片的地址位，從而決定了這個(gè)電路在總線中的地址，從而實(shí)現(xiàn)電路的擴(kuò)展；數(shù)字輸出電路也通過(guò)16芯插座與數(shù)據(jù)總線相連，主控器通過(guò)數(shù)據(jù)總線P1-14端將串行數(shù)據(jù)通過(guò)U6 PCF8574A I2C接口擴(kuò)展輸出芯片SDA數(shù)據(jù)端輸入，經(jīng)I2C接口擴(kuò)展輸出芯片將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四位并行信號(hào)，當(dāng)信號(hào)輸出端為低時(shí)，通過(guò)反相器后輸出信號(hào)置高，這時(shí)通過(guò)可使接入的發(fā)光二極管工作，同時(shí)可通過(guò)接入的驅(qū)動(dòng)陣列控制繼電器的吸合，從而完成外部相關(guān)的控制動(dòng)作；當(dāng)信號(hào)輸出端為高時(shí)，通過(guò)反相器后輸出信號(hào)置低，這時(shí)發(fā)光二極管不工作相應(yīng)的繼電器斷開(kāi)?？刂破魍ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)總線P1-15接入非門電路，當(dāng)輸入信號(hào)為高時(shí)，通過(guò)非門電路輸出為高，從而控制發(fā)光二極管不工作；當(dāng)輸入信號(hào)為低時(shí)，通過(guò)非門電路輸出為低，從而控制發(fā)光二極管工作。控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線P1-16接入兩非門復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低時(shí)，通過(guò)非門電路，輸出信號(hào)為高，從而通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)U8與I2C接口擴(kuò)展輸出芯片將該模塊在總線中的地址傳送到主控制器，同時(shí)通過(guò)另一非門電路接入反相器U3的1G、2G管腿控制反相器的工作狀態(tài)。此電路上設(shè)計(jì)的這個(gè)非門邏輯電路，由7414芯片加一個(gè)電容、電阻組成，一端同數(shù)據(jù)總線相連，另一端分別與反相器的1G、2G管腿相連，使控制器可以控制發(fā)光二極管的使能和地址復(fù)位作用，當(dāng)數(shù)據(jù)總線的P1-15、P1-16均為低時(shí)，發(fā)光二極管才能工作，從而可達(dá)到節(jié)能的效果。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的地址選擇來(lái)決定總線中的地址實(shí)現(xiàn)電路的擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展到八個(gè)電路。得到32個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和32個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。
該用于自動(dòng)化控制設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出電路，已制成模塊，本廠編號(hào)和名稱為E103數(shù)字量輸入、輸出模塊，該模塊采用B型盒，其尺寸為(長(zhǎng))118mm×(寬)108mm×(高)44mm，安裝在7.5mm×35mm的DIN導(dǎo)軌上，連接到系統(tǒng)I/OBUS總線上。
數(shù)字量輸入/輸出電路將4路數(shù)字量輸入和4路數(shù)字量輸出添加到5000系列I/O系統(tǒng)中。I/O總線上可安裝8塊E103電路，得到32個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和32個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。數(shù)字量輸入部分帶有光耦隔離，隔離電壓為1500VAC。外部接線很簡(jiǎn)單，四路輸入共享公共地，也就是說(shuō)四路信號(hào)的地在電路內(nèi)部是彼此短路的。輸入的信號(hào)可以是直流或者交流型電平信號(hào)。每路輸入通過(guò)限流電阻調(diào)節(jié)輸入電壓范圍。這些電阻可以改變來(lái)適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)。數(shù)字量輸入滿足4路數(shù)字量輸入；輸入電壓24V(交流或直流)；與主控制通過(guò)I2C總線通訊；繼電器數(shù)字量輸出可在系統(tǒng)中被設(shè)定為常開(kāi)或常閉狀態(tài)。通常用于控制儀表的指示燈、繼電器、電機(jī)開(kāi)關(guān)及其他ON/OFF驅(qū)動(dòng)器。繼電器輸出特別適用于電流較大或要求非標(biāo)準(zhǔn)電流和電壓的應(yīng)用。該電路上的發(fā)光二極管顯示每一路輸入或輸出端口的狀態(tài)。SmartWIRE、SCADAPack或TeleSAFE Micro16控制器可以控制這些LED。
E103提供了4路數(shù)字量輸入點(diǎn)和4路繼電器數(shù)字輸出點(diǎn)。數(shù)字量輸入點(diǎn)可以向控制器提供AC或DC輸入。其電壓范圍在出廠時(shí)被設(shè)置。當(dāng)用DC輸入時(shí)應(yīng)特別注意信號(hào)的極性。繼電器數(shù)字量輸出電在出廠時(shí)被設(shè)置為常開(kāi)觸點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間是隔離的。模塊使用接線端子與外圍電路連接，推薦使用22～12AWG的標(biāo)準(zhǔn)電線。
現(xiàn)以ECHO抽油機(jī)控制器為例，對(duì)E103數(shù)字量輸入、輸出電路在本產(chǎn)品的控制過(guò)程及作用進(jìn)行闡述。ECHO抽油機(jī)控制器是一種應(yīng)用于油田自動(dòng)化的遠(yuǎn)程控制裝置。其主要目的是在油田抽油井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的控制，具有檢測(cè)、控制、報(bào)警、通訊等功能。它是由主控模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入、輸出模塊(E103)、信號(hào)調(diào)理模塊、串口擴(kuò)展模塊、電源電路及電臺(tái)、顯示屏、繼電器、端子等組成。
E103數(shù)字量輸入、輸出模塊共有4路數(shù)字量輸入和4路數(shù)字量輸出，第一路數(shù)字輸入量(DI0)DI0-通過(guò)門控天關(guān)與電源地相接，DI0+接24V+電源；數(shù)字輸出量的一端(DO0+至DO3+)接電源電路提供的24V電源，另一端(DO0-至DO3-)接中間繼電器(J1-J4)的線圈，線圈的另一端接電源地?？刂破髟诠ぷ鲿r(shí)，E101、E103不斷采集輸入的模擬和數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳到E001。E001對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，生成各種量值的可讀數(shù)據(jù)和示功圖、電流圖、運(yùn)行時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，E001將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的輸出控制信號(hào)傳給E103輸出，經(jīng)中間繼電器控制抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，E103數(shù)字量輸入、輸出模塊具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、兼容性好、應(yīng)用靈活、操作方便等特點(diǎn)，且能夠適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字量輸入、輸出電路，其特征在于該電路由限流整流電路、光耦隔離電路、阻容濾波網(wǎng)絡(luò)、三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片、I2C接口擴(kuò)展芯片、反相器、TTL邏輯電路、驅(qū)動(dòng)陣列、地址撥碼開(kāi)關(guān)及兩組發(fā)光二極管一組繼電器組成，通過(guò)16芯插座的數(shù)據(jù)總線與主控制器相連，數(shù)字量輸入、輸出電路的元器件連接如下數(shù)數(shù)字量輸入、輸出電路可分為數(shù)字量輸入電路和數(shù)字量輸出電路兩部分，字量輸入電路有四路輸入信號(hào)，分別通過(guò)各自的負(fù)載電阻R9和由R5、CR1、R1組成的分壓整流電路接入光耦芯片U2的管腳1、3、5、7，光耦芯片的管腿2、4、6、8接電源地，管腿9、11、13、15接入信號(hào)地，光耦芯片的管腿10、12、14、16分別通過(guò)由C2、R3、C1阻容濾波電路后接入各自三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的控制端及，光耦芯片的管腿10、12、14、16分別通過(guò)上拉電阻R2接電源VCC，三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的輸入端接信號(hào)地，三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片U4的輸出端分別接I2C接口擴(kuò)展芯片U5的管腿4、5、6、7和反相器U3的管腿11、13、15、17，I2C接口擴(kuò)展芯片U5的管腿1、2、3分別接入下拉電阻R4與撥碼開(kāi)關(guān)U8的6、5、4端相連，U5的管腿14、15接入數(shù)據(jù)總線P1-12、P1-14端將輸入的四路數(shù)據(jù)量傳到主控制器，U5的管腿8接信號(hào)地，管腿15接電源VCC，反相器U3的管腿9、7、5、3通過(guò)分壓電阻R15同發(fā)光二極管LED L1、L2、L3、L4到信號(hào)地；數(shù)字量輸出電路I2C接口擴(kuò)展芯片U6 PCF8574A的管腳3、2、1分別接入下拉電阻R19與撥碼開(kāi)關(guān)3、2、1相連，其管腿14、15接入數(shù)據(jù)總線P1-12、P1-14端，I2C接口擴(kuò)展芯片U6 PCF8574A的管腿9、10、11、12與反相器U374HC240AP的管腿8、6、4、2相連，管腿16接電源VCC，管腿8接信號(hào)地，反相器U3 74HC240AP四個(gè)管腿18、16、14、12接U1的管腿5、6、7、8及分別通過(guò)分壓電阻R16連接發(fā)光二極管L5、L6、L7、L8到U3的管腿19和，其U3的管腿19通過(guò)非門邏輯電路U7F、U7E、U7C的輸出端，其輸入端短接后接非門邏輯電路U7D的輸出端，其輸入端接數(shù)據(jù)總線與主控器相連，其U3的管腿1接非門邏輯電路U7B輸出端，其輸入端撥碼開(kāi)關(guān)U8的11、12、13、14、15、16和非門邏輯電路U7A的輸出端，其U7A的輸入端接數(shù)據(jù)總線，同時(shí)反相器U3 74HC240AP的管腿12、14、16、18接入驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿8、7、6、5，驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿11、12、13、14通過(guò)繼電器K1、K2、K3、K4接電源VCC，驅(qū)動(dòng)陣列芯片U1的管腿9接信號(hào)地，管腿10接電源VCC。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字量輸入、輸出電路，該電路由限流整流電路、光耦隔離電路、阻容濾波網(wǎng)絡(luò)、三態(tài)門驅(qū)動(dòng)芯片、I2C接口擴(kuò)展芯片、反相器、TTL邏輯電路、驅(qū)動(dòng)陣列、地址撥碼開(kāi)關(guān)及兩組發(fā)光二極管一組繼電器組成，通過(guò)16芯插座的數(shù)據(jù)總線與主控制器相連，其輸入端通過(guò)接線端子接現(xiàn)場(chǎng)各閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入信號(hào)以及其它開(kāi)關(guān)量狀態(tài)輸入信號(hào)，輸出端通過(guò)接線端子與現(xiàn)場(chǎng)閥門、開(kāi)關(guān)等設(shè)備相聯(lián)，將主控制器傳來(lái)的控制信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門、開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)地址撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置可進(jìn)行電路的擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展連接八組電路，得到32個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和32個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，通過(guò)光耦隔離，可以抵抗現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的干擾。
文檔編號(hào)G08C13/00GK2674562SQ03236069
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者俞凌, 莊貴林 申請(qǐng)人:北京安控科技發(fā)展有限公司