一种可诊断的多类型信号采集模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可诊断的多类型信号采集模块，其特点是，包括：电源子模块、综合输出通道控制子模块、信号采集处理子模块、通讯监测子模块、和外部断线及短路诊断子模块；综合输出通道控制子模块的综合供电输出控制单元与输出诊断单元电连接，其输出端输出24V、0V或12V电压到外部器件；信号采集处理子模块的双路比较采集单元分别采集外部器件输出的模拟量和开关量；FPGA处理单元输入端与晶振诊断单元和输出诊断单元的输出端电连接，其输出端与综合供电输出控制单元电连接，并分别与通讯监测子模块、外部断线及短路诊断子模块以及双路比较采集单元双向电连接；外部断线及短路诊断子模块并与双路比较采集单元的输出端电连接。具有多类型信号采集、内部诊断、增强电路安全性的优点。
【专利说明】一种可诊断的多类型信号采集模块
【技术领域】
[0001]本发明属于船舶机舱自动化技术，尤其涉及一种可诊断的多类型信号采集模块。
【背景技术】
[0002]现代船舶发展至今，船舶监测模块的功能都已经发展到了比较成熟和全面的程度。对于种类和数量越来越多的传感器信号，需要更多的采集通道来实现船舶内的全面监测。
[0003]常用的控制信号类型包括开关量输入(无源触点)、控制执行机构的开关量输出(0-24V)、以及4-20mA传感器电流信号等。在实船应用中，这三种类型信号的采集板卡都需要有备件，但是，现有的板卡由于生产厂商的不同，往往型号是不统一的。如果三种板卡可以实现硬件统一，则可以节省备件数量，降低生产成本。为了避免配置错误而可能引起的硬件损坏，需要比单功能模块有更完善的保护电路和自诊断电路的采集模块。因此，设计多种功能的硬件统一的采集模块对于使用者来说是非常必要的。
【发明内容】
[0004]本发明是为了克服现有技术存在的上述问题而提供的一种可诊断的多类型信号采集模块，该模块对外采用CAN总线通信，除具有可同时对多类型信号进行采集的功能以夕卜，还具有内部诊断功能，增强了电路的安全性和可诊断性，从而可减少由于型号采集不全面而产生的对船舶自身、工作人员及周边设备和环境造成伤害。
[0005]本发明采取的技术方案是:一种可诊断的多类型信号采集模块，其特点是，包括:电源子模块、综合输出通道控制子模块、信号采集处理子模块、外部断线及短路诊断子模块以及通讯监测子模块；所述的电源子模块包括一隔离电源和一非隔离电源；所述的隔离电源用于提供所述的通讯监测子模块的工作电源；所述的非隔离电源用于提供其他子模块的工作电源；所述的综合输出通道控制子模块包括综合供电输出控制单元和输出诊断单元；所述的综合供电输出控制单元的输出端与所述的输出诊断单元的输入端电连接，该综合供电输出控制单元并切换输出24V、0V或12V电压到外部器件；所述的信号采集处理子模块包括一双路比较采集单元、一 FPGA处理单元、以及一晶振诊断单元；其中:所述的双路比较采集单元分别采集外部器件输出的模拟量和开关量信息，该双路比较采集单元与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的晶振诊断单元的输出端和所述综合输出通道控制子模块的输出诊断单元的输出端分别与所述的FPGA处理单元的输入端电连接；所述FPGA处理单元的输出端与所述的综合输出通道控制子模块的综合供电输出控制单元的输入端电连接；所述的通讯监测子模块与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的外部断线及短路诊断子模块的输入端与所述的信息采集处理子模块的双路比较采集单元的输出端电连接；该外部断线及短路诊断子模块并与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的信息采集子模块内的双路比较采集单元采集外部器件输入的开关量或模拟量，输出到FPGA处理单元；所述的FPGA处理单元根据双路比较采集单元采集的信息和输出诊断单元输出的判断输出电压是否与预期一致的信息进行比较处理，控制所述的综合输出通道控制子模块切换输出电压24V、12V或OV ;同时对外部断线及短路的情况进行诊断；所有诊断信息及采集数据通过电隔离的通讯监测子模块与其他模块进行数据交换。
[0006]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的综合输出通道控制子模块中，所述的综合供电输出控制单兀包括:一切换电路、一 OC输出驱动电路、一双MOS管控制电路、一分压电路；所述的输出诊断单元包括一 D/A转换电路、一运算放大电路、以及一比较器；其中:所述的切换电路的输出端分别与所述的OC输出驱动电路的输入端和所述的双MOS管控制电路的输入端电连接；所述的OC输出驱动电路的输出端和所述的双MOS管控制电路的输出端分别与所述的分压电路的输入端电连接，该分压电路的输出端与比较器的输入端电连接；所述的分压电路并输出DC12V或DC24V电压；所述的D/A转换电路的输出端与所述的运算放大器电路的输入端电连接，该运算放大器电路的输出端与比较器的输入端电连接；所述的比较器的输出端与所述的FPGA处理单元的输入端电连接。
[0007]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的综合供电输出控制单元中，所述的切换电路由两个多通道边沿锁存器构成，其中一所述的多通道边沿锁存器的输出端与所述的OC输出驱动电路的输入端电连接；另一所述的多通道边沿锁存器的输出端与所述的双MOS管控制电路的输入端电连接。
[0008]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的综合供电输出控制单元中，还包括一防止反向电压冲击的电压保护电路，所述的电压变化电路由第一二极管、第二二极管、以及第三二极管构成，其中:所述的第一二极管连接在所述OC输出驱动电路的输出端与DC12V或DC24V电压输出之间；所述的第二二极管连接在所述的双MOS管控制电路的输出端与所述的分压电路的输入端之间；所述的第三二极管连接在所述的分压电路的输出端与DC12V或DC24V电压输出之间。
[0009]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的采集处理子模块中的所述双路比较采集单元包括一取样电路、两路信号采集电路、以及一采样芯片诊断电路；所述的采样芯片诊断电路包括有源晶振、输出驱动器、以及计数器；所述的有源晶振分别输出晶振信号到两路信号采集电路和输出驱动器，所述的输出驱动器的输出端与所述的计数器电连接；所述的取样电路获取传感器的模拟量和外部开关的开关量，输出到两路信号采集电路；所述的两路信号采集电路分别将信号输出到FPGA处理单元。
[0010]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的FPGA处理单元包括一分频输出子单元、一复位子单元、一串行通信子单元、一时钟处理子单元、一 SPI处理子单元、一时钟监测子单元以及一 I/O子单元；其中:所述的分频输出子单元和时钟处理子单元的输入端分别与外部的晶振输入单元的输出端电连接；所述的复位子单元的输入端与所述的通信监测处理子模块的输出端电连接；所述的串行通信子单元与所述的通信监测处理子模块双向电连接；所述的SPI处理子单元与所述的双路比较采集单元双向电连接；所述的时钟监测子单元的输入端与所述的时钟诊断电连接；所述的I/o子单元分别与所述的综合输出通道控制子模块和外部断线及短路诊断子模块双向电连接。
[0011]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的通讯监测子模块包括CPU、CAN通信电路、复位电路、外部RAM和ROM、以及晶振；所述的CAN通信电路、复位电路、外部RAM和ROM、以及晶振分别与CPU双向电连接；所述的CPU并与FPGA处理单元双向电连接，串行通信。
[0012]上述一种可诊断的多类型信号采集模块，其中，所述的外部断线及短路诊断子模块包括:一电压值比较电路、一可控的O?5V电压源；所述的O?5V电压源的输出端与所述的电压值比较电路的输入端电连接，所述的双路比较采集电路的输出端与所述的电压值比较电路的输入端电连接；所述的电压值比较电路与所述的FPGA处理单元双向电连接。
[0013]由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的:
1、本模块还具有自诊断及外部断线短路诊断功能。其中自诊断包括对外输出电源的自诊断、采集单元自诊断和外部断线及短路诊断。诊断结果都汇总到FPGA芯片中进行存储。增强了电路的安全性和可诊断性，从而可减少由于型号采集不全面而产生的对船舶自身、工作人员及周边设备和环境造成伤害；
2、本模块具有开关量采集、4-20mA模拟量采集和开关量输出3种工作模式，可以更好的满足船舶系统的多种类信号采集需求，将系统资源优化；
3、依赖于模块内部的电隔离方式，可以安全可靠的将模块通讯部分与其他功能电隔离，减少了外部设备对船舶系统的电气影响，电隔离在整个系统安全性上是非常重要的环节，可以为人员安全，系统安全提供基本的保证。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的总体电方框图。
[0015]图2是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的综合供电输出控制单元的电方框图。
[0016]图3是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的双路采集比较单元的电方框图。
[0017]图4是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的FPGA处理单元的电方框图。
[0018]图5是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的通讯监测子模块的电方框图。
[0019]图6是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的外部断线及短路诊断子模块的电方框图。
[0020]图7是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的电源子模块的一种实施例的电原理图。
[0021]图8是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的综合输出通道控制子模块的一种实施例的电原理图。
[0022]图9是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的采集处理子模块的一种实施例的电原理图。
[0023]图10是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的取样电路的一种实施例的的
原理图。
[0024]图11是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的外部断线及短路诊断子模块的一种实施例的电原理图。
[0025]图12是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的简单的工作原理示意图。【具体实施方式】[0026]本发明一种可诊断的多类型信号采集模块，包括:电源子模块1、综合输出通道控制子模块2、信号采集处理子模块3、外部断线及短路诊断子模块4以及通讯监测子模块5 ；
所述的电源子模块I包括一隔离电源11和一非隔离电源12 ;所述的隔离电源用于提供所述的通讯监测子模块的工作电源；所述的非隔离电源用于提供其他子模块的工作电源。
[0027]所述的综合输出通道控制子模块2包括综合供电输出控制单元21和输出诊断单元22;所述综合供电输出控制单元的输出端并与所述的输出诊断单元的输入端电连接，该综合供电输出控制单元并切换输出24V、0V或12V电压到外部器件，所述的外部器件例如包括执行机构6、4-20mA传感器7、以及外部开关8，其中:该综合供电输出控制单元输出OV或24V电源到执行机构，输出24V电源到4-20mA传感器，还输出12V电源到外部开关。
[0028]所述的信号采集处理子模块3包括一双路比较采集单元31、一 FPGA处理单元32、以及一晶振诊断单元33 ;其中:所述的双路比较采集单元分别采集外部器件输出的模拟量和开关量信息，该双路比较采集单元与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的晶振诊断单元的输出端与所述的FPGA处理单元的输入端电连接，该FPGA处理单元的输出端还与所述的综合输出通道控制子模块的综合供电输出控制单元的输入端电连接。所述的通讯监测子模块与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的外部断线及短路诊断子模块的输入端与所述的信息采集处理子模块的双路比较采集单元的输出端电连接；该外部断线及短路诊断子模块并与所述的FPGA处理单元双向电连接。
[0029]本发明所述的多信号类型采集包括关量输入采集(无源触点方式)、模拟量输入采集(4-20mA)和开关量输出(24V输出))。
[0030]所述的信息采集子模块内的双路比较采集单元采集外部器件输入的开关量或模拟量，输出到FPGA处理单元；所述的FPGA处理单元根据双路比较采集单元采集的信息和输出诊断单元输出的判断输出电压是否与预期一致的信息进行处理，控制所述的综合输出通道控制子模块切换输出电压24V、12V或OV ;同时对外部断线及短路的情况进行诊断；所有诊断信息及采集数据通过电隔离的通讯监测子模块与其他模块进行数据交换。
[0031]请参阅图2。本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的综合输出通道控制子模块中，所述的综合供电输出控制单元22包括:一切换电路221、一 OC输出驱动电路223、一双MOS管控制电路224、一分压电路225 ;所述的输出诊断单元21包括一 D/A转换电路211、一运算放大电路212、以及一比较器213 ;其中:所述的切换电路221包括两多通道边沿锁存器2211、2212，其中一所述的多通道边沿锁存器2211的输出端与所述的OC输出驱动电路的输入端电连接，另一所述的多通道边沿锁存，2212的输出端与所述的双MOS管控制电路的输入端电连接；所述的OC输出驱动电路的输出端和所述的双MOS管控制电路的输出端分别与所述的分压电路的输入端电连接，该分压电路的输出端与比较器电连接；所述的分压电路并输出DC12V或DC24V电压；所述的D/A转换电路的是输出端与所述的运算放大器电路的输入端电连接，该运算放大器电路的输出端与比较器的输入端电连接；所述的比较器的输出端与所述的FPGA处理单元的输入端电连接。
[0032]为防止电源的反冲，本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的所述的综合供电输出控制单元中，还包括一防止反向电压冲击的电压保护电路226，所述的电压变化电路226由第一二极管2261、第二二极管2262、以及第三二极管2263构成，其中:所述的第一二极管连接在所述OC输出驱动电路的输出端与DC12V或DC24V电压输出之间；所述的第二二极管连接在所述的双MOS管控制电路的输出端与所述的分压电路的输入端之间；所述的第三二极管连接在所述的分压电路与DC12V或DC24V电压输出之间。
[0033]该综合输出通道控制子模块具有输出24V、12V或不输出电压(OV)三种状态，根据要求实现输出切换。由于24V和12V之间有二极管保护，防止了配置错误时器件损坏。对任意一种输出电压可以回采，经过分压后与预设的基准电压进行比较，比较的结果由FPGA接收判断，因为电压基准源是可控的，因此可以通过改变基准源输出电压值确定当前综合输出通道控制子模块输出电压的大小，检测到的输出电压范围，可用来判断当前对外供电和预期是否一致。该电路为系统提供了输出供电的内部自诊断功能。
[0034]请参阅图3。本发明一种可诊断的多类型信号采集模块中，所述的采集处理子模块3的双路比较采集单元33包括一取样电路331、两路信号采集电路332、333、以及一采样芯片诊断电路334 ;所述的采样芯片诊断电路334包括有源晶振3341、输出驱动器3342、以及计数器3343。所述的有源晶振分别输出晶振信号到两路信号采集电路和输出驱动器，所述的输出驱动器的输出端与所述的计数器电连接；所述的取样电路获取传感器的模拟量和外部开关的开关量，输出到两路信号采集电路；所述的两路信号采集电路分别将信号输出到FPGA处理单元。双路比较采集单元将采集的电压、开关量输入和模拟量输入转化为合适量程的电压值，并同时采集两次后进行比较。
[0035]双路比较采集单元的晶振诊断电路采用看门狗原理，晶振经过计数器连到FPGA芯片的I/o 口，由FPGA芯片负责监控晶振的工作状态。
[0036]请参阅图4，图4是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的FPGA处理单元的电方框图。本发明一种可诊断的多类型信号采集模块中，所述的FPGA处理单元31包括一分频输出子单元311、一复位子单元312、一串行通信子单元313、一时钟处理子单元314、一SPI处理子单元315、一时钟监测子单元316以及一 I/O子单元317 ;其中:
所述的分频输出子单元311和时钟处理子单元314的输入端分别与外部的晶振输入单元310的输出端电连接；
所述的复位子单元312的输入端与所述的通信监测处理子模块5的输出端电连接；
所述的串行通信子单元313与所述的通信监测处理子模块5双向电连接；
所述的SPI处理子单元315与所述的双路比较采集单元33双向电连接；
所述的时钟监测子单元的输入端与所述的时钟诊断电连接；
所述的I/O子单元317分别与所述的综合输出通道控制子模块和外部断线及短路诊断子模块4双向电连接。
[0037]FPGA作为采集处理器，与外部信号双路比较采集单元通过SPI通信，接收外部输入值后计算并存储。为保证FPGA正常可靠运行，FPGA模块可自带晶振诊断及复位电路。
[0038]请参阅图5，图5是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的通讯监测子模块的电方框图。本发明一种可诊断的多类型信号采集模块中，所述的通讯监测子模块5包括CPU51、CAN通信电路52、复位电路53、外部RAM和R0M54、以及晶振55 ;所述的CAN通信电路、复位电路、外部RAM和ROM、以及晶振分别与CPU双向电连接；所述的CPU与FPGA处理单元双向电连接，串行通信。该通讯监测子模块负责建立内部到外部通信的桥路，将FPGA的采集数据及诊断数据进行监测及对外发送。同时该模块还可以单独对模块FPGA的状态进行监测并复位；该模块到FPGA的通信采用隔离的串行总线通讯，采用隔离的CAN收发器对外通信。
[0039]请参阅图6，图6是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的外部输入诊断子模块的电方框图。本发明一种可诊断的多类型信号采集模块中，所述的外部断线及短路诊断子模块4包括:一电压值比较电路、一可控的O?5V电压源；所述的O?5V电压源的输出端与所述的电压值比较电路的输入端电连接，所述的双路比较采集电路输出的采集信号与所述的电压值比较电路的输入端电连接，分别与OV到5V电压源比较输出比较结果1，与开关量输入或者传感器信号比较输出比较结果2。该电压值比较电路输出的两路比较输出信号到FPGA处理单元，由FPGA处理单元通过比较器输出结果对外部断线及短路状态进行诊断。
[0040]该外部输入诊断子模块主要针对输入信号断线和短路两种常见故障进行诊断。外部输入信号断线和短路采用两种模式进行比对检测，一种模式是通过两个独立通道采集的值进行比对，另一种模式是通过电路加载比较器。相对于只从采集值判断的方式，增加了以比较器输出值为主的判断通路，在双路比较采集单元出现异常的情况下可以通过比较器的值辅助FPGA处理单元判断模块采集通道的状态。
[0041]请参阅图7，图7是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的电源子模块的一种实施例的电原理图。本发明的电源子模块包括隔离电源电路61和非隔离电源电路62。其中:
隔离电源电路61为通讯检测子模块供电，以提高对外通信的稳定性和CPU对外的抗干扰性。图中U53 (型号例如MGFS1524S05)是COSEL的公司光电隔离DC/DC模块，它前端输入范围9-36V，后端输出稳定的+5V电源，模块输入和输出端并联的电容C85、电容C88和电容C86是稳压和滤波用。该+5V为CPU电路和CAN通信模块供电。
[0042]CPU供电电路采用了 DC/DC隔离设计，保证了主处理电路供电的稳定性，可接收+30%和-25%的宽幅供电范围。该模块自带过压过流保护功能。
[0043]其他部分电路采用非隔离的DC/DC电路，转换效率高，发热量低，能够提供最大2A的电流。输入端加入2.5A保险丝，为后端电路提供过流保护。
[0044]非隔离电源电路62为除通讯检测子模块外的其他电路供电。图中Fl是保险丝，保护后端电路。D34和D35组合用以抑制浪涌。由于该24V对外开关量输出供电和模拟量输入的传感器供电，因此加入大功率双二极管U57，防止反向电压灌入系统24V。可控电压源芯片U56和U60由FPGA控制对外输出24V (24V通过电源芯片LM317转换12V输出)，可实现24V和12V输出的切换。“与”逻辑门芯片U63，增加了 FPGA芯片的I/O信号的抗合成性，增加了可靠性安全性。非隔离DC-DC芯片U62是将24V转5V的非隔离电源模块，电源转换芯片LMl 117-3.3是将5V转3.3V，为除CPU部分的其他集成电路供电。
[0045]请参阅图8，图8是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的综合输出通道控制子模块的一种实施例的电原理图。本发明的综合输出通道控制子模块可对外分别提供24V和12V，并且可以通过比较起回采输出电压诊断当前本板对外供电是否正常。包括综合供电输出控制单元和输出诊断单元。所述的综合供电输出控制单元包括两多通道边沿锁存器71、72、一 OC输出驱动电路73、一 N&P双MOS管控制电路74、一分压电路75 ;所述的输出诊断单元包括一 D/A转换电路76、一运算放大电路77、以及一比较器78。图中:D边沿触发器U44和U47是多通道边沿锁存器，例如采用8通道上升沿D触发器，以I通道为例说明，边沿D触发器U44的3脚和边沿D触发器U47的3脚是同一个I/O输入，由于D触发器需要CLK跳变触发，因此这里分别用了 FPGA输出的两路时钟信号GL_CLK1和GL_CLK32分别控制边沿D触发器U44和边沿D触发器U47的输出。当时钟信号GL_CLK1上升沿跳变时，边沿D触发器U44的2脚输出状态锁存在当前3脚输入的状态。当时钟信号GL_CLK3上升沿跳变时，边沿D触发器U47的2脚输出状态锁存在当前3脚输入的状态，这样边沿D触发器U44和U47的输出可以在使用同一个I/O输入的情况下，得到不同的输出。作为16路输出的模块，节省了大量I/O 口资源，并且还能够在I/O失效的状态下，锁存前一个正常状态，为电路自诊断和复位提供了可靠的保障。OC驱动芯片U12型号是BTS4880R，该芯片的作用是将I/O信号转变为24V供电输出，驱动能力每通道达到500mA，经过二极管D2对外输出24V, 二极管Dl和D2用来防止外部异常电压灌入电路造成损坏。
[0046]输出诊断单元的工作原理如下，多通道边沿锁存器的U47将I/O信号送入到N&P双MOS管U37，由U37转换为12V输出，经过二极管D18和三极管Ql对外供电12V，二极管D18防止24V灌入12V，三极管Ql为BAV90，12V从2脚输入3脚输出，同样经过二极管D2，由二极管Dl和D2防止外部异常电压灌入电路造成损坏。电阻R113和R136组成的分压电阻，分压比例为2/3，小于70%。因此当输出为24V时进入比较器的回采电压为24V的2/3，在比较器输入端0.7VCC (0.7x24V=16.8V)的可接受电压范围内。比较器负端接基准源，该基准源由FPGA通过SPI总线控制AD5313输出电压，再经过运算放大器放大电压(放大比例为R169和R172的比值)，可以为回采电压提供任意合适的基准电压。比较器输出为5V的I/O信号，将回采电压和预设的基准源的比较结果以逻辑信号的方式送回到FPGA的I/O输入口。
[0047]请参阅图9和图10，图9是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的双路比较采集单元的一种实施例的电原理图，图10是取样电路的的原理图。图中，Ql为有源晶振，因为给两块AD采集芯片U84和U85使用，由BufferU5 (MC74VHC1G50)增加驱动能力输入到AD采集芯片U84和U85。集成芯片U7是计数器，将时钟的上升沿跳变进行计数，由3号脚输出进入FPGA作为双路比较采集单元的时钟诊断。基准源芯片U6输入到AD采集芯片U84和U85为其提供2.5V基准源；输入采集I输入到电阻R387和电容C206完成第一阶RC滤波，再输入到电阻R386和电容C205完成第二阶RC滤波，再输入到AD采集芯片U84，由采集芯片将输出结果通过SPI通讯送入FPGA芯片。输出采集2输入到电阻R389和电容C210完成第一阶RC滤波，再输入到电阻R388和电容C209完成第二阶RC滤波，再输入到AD采集芯片U85，由采集芯片将输出结果通过SPI通讯送入FPGA芯片。采集结果由FPGA获取后进行比较，当两个值比较后超出一定范围，则丢弃此次采样数据。
[0048]请参阅图10和图11，图11是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的外部断线及短路诊断子模块的一种实施例的电原理图。由FPGA控制的DA输出芯片U79(AD5391)是一块16通道的电压输出芯片，可以根据通信数据改变每个通道输出的电压值，满足了本模块16通道的需求。以其中一个通道为例，当电压源芯片U79输出5V电压时，VOUTO为5V，由电路分析可得，在电阻R231、电阻R221和电阻R223组成的取样电路上，若外部输入B端为4-20mA电流，则三极管处于开状态，比较器U69A输出低电平，AD采样值大于0.4V ;若外部短路，则输入B端电压为24V (传感器供电24V)，此时三极管处于断开状态，比较器U69A输出高电平；若外部断线，则输入B端无信号，比较器U69A输出低电平，AD采样值为O。当外部输入B端为开关量输入时，正常情况下，AD米样值不为O,并且比较器U69A输出低电平；断线和短路需要在外部无源触点并联串联合适电阻，当断线时，AD采样值为O，比较器输出低电平；当短路时AD采样值为O，比较器U69A输出高电平。
[0049]以上通过通讯监测子模块的隔离串行通信总线(232/485)和FPGA通信，从而将多类型信号采集功能和通信功能隔离，通信模块处理器将FPGA的所有采集数据和诊断数据汇总处理，通过隔离CAN总线对外发送。对外和对内的隔离使得通信模块的可靠性更高。另外通信模块处理器还具有对FPGA的复位、处理来自CAN总线的模块配置参数并配置FPGA处理器。在此基础上，根据用户配置和需求，将多种信号采集功能混合或单一的在一个模块内使用，依靠模块内部诊断和外部断线、短路诊断，保证了使用时的安全性和可靠性。
[0050]请参阅图12，图12是本发明一种可诊断的多类型信号采集模块的简单的工作原理示意图。本发明可以根据用户需求变换模块信号采集类型，综合输出控制单元根据用户配置改变对外输出电压，可以选择输出24V、12V或0V，分别为不同的外部执行器供电。以下分别说明:当输出24V作为开关量输出的供电时，通过对一多通道边沿锁存器D边沿触发器U44发送控制命令，由D边沿触发器U44输出对OC输出控制芯片U12进行控制使其对应通道输出24V或OV的切换控制外部执行器的状态；当输出24V做为4-20mA传感器供电时，夕卜部传感器将4-20mA电流信号送入模块的取样电路，取样电路取得的值送入双路比较采集单元，双路比较采集单元将采集到的值通过SPI通讯传输给FPGA芯片，由FPGA芯片处理比较结果并计算外部传感器数值。通过另一多通道边沿锁存器D边沿触发器U47发送控制命令，输出对N&P双MOS管U37控制输出12V或0V，当输出12V做为外部开关电源时，将开关后端送回模块的取样电路，取样结果送入双路比较采集单元，双路比较采集单元将采集到的值通过SPI通讯传输给FPGA芯片，由FPGA芯片处理比较结果并判断开关状态。FPGA芯片将各种信息通过隔离通讯方式发送到通讯监测单元，由其统一对外进行通讯。以上12或24V只可以同时存在一种，由FPGA对多通道边沿锁存器U44和U47发送控制命令。
[0051]本模块还具有自诊断及外部断线短路诊断功能。其中自诊断包括对外输出电源的自诊断、采集单元自诊断和外部断线及短路诊断。诊断结果都汇总到FPGA芯片中进行存储。增强了电路的安全性和可诊断性，从而可减少由于型号采集不全面而产生的对船舶自身、工作人员及周边设备和环境造成伤害。
【权利要求】
1.一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，包括:电源子模块、综合输出通道控制子模块、信号采集处理子模块、外部断线及短路诊断子模块以及通讯监测子模块； 所述的电源子模块包括一隔离电源和一非隔离电源；所述的隔离电源用于提供所述的通讯监测子模块的工作电源；所述的非隔离电源用于提供其他子模块的工作电源； 所述的综合输出通道控制子模块包括综合供电输出控制单元和输出诊断单元；所述的综合供电输出控制单元的输出端与所述的输出诊断单元的输入端电连接，该综合供电输出控制单元并切换输出24V、0V或12V电压到外部器件； 所述的信号采集处理子模块包括一双路比较采集单元、一 FPGA处理单元、以及一晶振诊断单元；其中:所述的双路比较采集单元分别采集外部器件输出的模拟量和开关量信息,该双路比较采集单元与所述的FPGA处理单元双向电连接；所述的晶振诊断单元的输出端和所述综合输出通道控制子模块的输出诊断单元的输出端分别与所述的FPGA处理单元的输入端电连接；所述FPGA处理单元的输出端与所述的综合输出通道控制子模块的综合供电输出控制单元的输入端电连接； 所述的通讯监测子模块与所述的FPGA处理单元双向电连接； 所述的外部断线及短路诊断子模块的输入端与所述的信息采集处理子模块的双路比较采集单元的输出端电连接；该外部断线及短路诊断子模块并与所述的FPGA处理单元双向电连接； 所述的信息采集子模块内的双路比较采集单元采集外部器件输入的开关量或模拟量，输出到FPGA处理单元；所述的FPGA处理单元根据双路比较采集单元采集的信息和输出诊断单元输出的判断输出电压是否与预期一致的信息进行比较处理，控制所述的综合输出通道控制子模块切换输出电压24V、12V或OV ;同时对外部断线及短路的情况进行诊断；所有诊断信息及采集数据通过电隔离的通讯监测子模块与其他模块进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的综合输出通道控制子模块中，所述的综合供电输出控制单元包括:一切换电路、一 OC输出驱动电路、一双MOS管控制电路、一分压电路；所述的输出诊断单兀包括一 D/A转换电路、一运算放大电路、以及一比较器； 其中: 所述的切换电路的输出端分别与所述的OC输出驱动电路的输入端和所述的双MOS管控制电路的输入端电连接； 所述的OC输出驱动电路的输出端和所述的双MOS管控制电路的输出端分别与所述的分压电路的输入端电连接，该分压电路的输出端与比较器的输入端电连接；所述的分压电路并输出DC12V或DC24V电压； 所述的D/A转换电路的输出端与所述的运算放大器电路的输入端电连接，该运算放大器电路的输出端与比较器的输入端电连接；所述的比较器的输出端与所述的FPGA处理单元的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的综合供电输出控制单元中，所述的切换电路由两个多通道边沿锁存器构成，其中一所述的多通道边沿锁存器的输出端与所述的OC输出驱动电路的输入端电连接；另一所述的多通道边沿锁存器的输出端与所述的双MOS管控制电路的输入端电连接。
4.根据权利要求2所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的综合供电输出控制单元中，还包括一防止反向电压冲击的电压保护电路，所述的电压变化电路由第一二极管、第二二极管、以及第三二极管构成，其中:所述的第一二极管连接在所述OC输出驱动电路的输出端与DC12V或DC24V电压输出之间；所述的第二二极管连接在所述的双MOS管控制电路的输出端与所述的分压电路的输入端之间；所述的第三二极管连接在所述的分压电路的输出端与DC12V或DC24V电压输出之间。
5.根据权利要求1所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的采集处理子模块中的所述双路比较采集单元包括一取样电路、两路信号采集电路、以及一采样芯片诊断电路；所述的采样芯片诊断电路包括有源晶振、输出驱动器、以及计数器；所述的有源晶振分别输出晶振信号到两路信号采集电路和输出驱动器，所述的输出驱动器的输出端与所述的计数器电连接；所述的取样电路获取传感器的模拟量和外部开关的开关量，输出到两路信号采集电路；所述的两路信号采集电路分别将信号输出到FPGA处理单元。
6.根据权利要求1或5所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的FPGA处理单元包括一分频输出子单元、一复位子单元、一串行通信子单元、一时钟处理子单元、一 SPI处理子单元、一时钟监测子单元以及一 I/O子单元；其中: 所述的分频输出子单元和时钟处理子单元的输入端分别与外部的晶振输入单元的输出端电连接； 所述的复位子单元的输入端与所述的通信监测处理子模块的输出端电连接； 所述的串行通信子单元与所述的通信监测处理子模块双向电连接； 所述的SPI处理子单元与所述的双路比较采集单元双向电连接； 所述的时钟监测子单元的输入端与所述的时钟诊`断电连接； 所述的I/O子单元分别与所述的综合输出通道控制子模块和外部断线及短路诊断子模块双向电连接。
7.根据权利要求1所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的通讯监测子模块包括CPU、CAN通信电路、复位电路、外部RAM和ROM、以及晶振；所述的CAN通信电路、复位电路、外部RAM和ROM、以及晶振分别与CPU双向电连接；所述的CPU并与FPGA处理单元双向电连接，串行通信。
8.根据权利要求1所述的一种可诊断的多类型信号采集模块，其特征在于，所述的外部断线及短路诊断子模块包括:一电压值比较电路、一可控的O~5V电压源；所述的O~5V电压源的输出端与所述的电压值比较电路的输入端电连接，所述的双路比较采集电路的输出端与所述的电压值比较电路的输入端电连接；所述的电压值比较电路与所述的FPGA处理单元双向电连接。
【文档编号】G05B19/042GK103728907SQ201410024473
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】张平, 吴帆, 庄浩然, 宋杰, 孙聚川, 张益兵, 陈嘉雄, 陈俊瑀 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所