一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置的制作方法

本发明属于电信号模拟量传输技术领域，尤其涉及一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置。

背景技术：

目前，机器人等依赖伺服舵机系统运作的设备，需要使用大量的传感器以实时检测机器人的运动状态和工作情况。这些传感器通常是将检测到的扭力、压力或加速度等参数以电信号模拟量的形式输出反馈给控制系统，控制系统相应对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。由于不同的传感器输出的电信号模拟量有电流模拟量和电压模拟量之分，因此，传统的机器人系统中，通常同时设计有电压型模拟量输入电路和电流型模拟量输入电路，并设有分别与两种电路相适配的端子，即电压型模拟量输入端子和电流型模拟量输入端子。然而，上述的技术方案容易发生误接而导致机器人无法正常工作，即应用者容易将电流型模拟量输入电路与电压型模拟量输入端子误接，或者将电压型模拟量输入电路与电流型模拟量输入端子误接，从而导致无法实时检测机器人的运动状态和工作情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置，旨在解决传统的技术方案中存在的由于同时设计有电压型模拟量输入电路和电流型模拟量输入电路而导致的容易出现将电流型模拟量输入电路与电压型模拟量输入端子误接或者将电压型模拟量输入电路与电流型模拟量输入端子误接的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路，包括：

用于输入初始电信号模拟量的输入端口；

用于当所述初始电信号模拟量为电压型模拟量时输出第一控制信号或者当所述初始电信号模拟量为电流型模拟量时输出第二控制信号的控制模块；

与所述输入端口以及所述控制模块连接，用于根据所述第一控制信号对所述电压型模拟量进行信号处理，或者根据所述第二控制信号将所述电流型模拟量转换为预设电压型模拟量后再进行信号处理的第一信号处理模块；以及

与所述第一信号处理模块连接，用于对信号处理后的所述初始电信号模拟量进行运放处理，并输出优化电信号模拟量的第二信号处理模块。

本发明实施例的第二方面提供了一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制装置，包括上述的控制电路，还包括：

与所述第二信号处理模块连接，用于接收所述优化电信号模拟量后，对所述优化电信号模拟量进行模数转换的模数转换模块。

上述的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置，通过控制模块判断初始电信号模拟量的类型，当判断到所述初始电信号模拟量为电压型模拟量时，输出第一控制信号以控制第一信号处理模块对初始电信号模拟量进行相应处理；当判断到所述初始电信号模拟量为电流型模拟量时，输出第二控制信号以控制第一信号处理模块对所述电流型模拟量进行转换后再进行信号处理，从而使得类型为电压型模拟量或电流型模拟量均可通过共用的输入端口后，最终输出至第二信号处理模块进行运放处理。由此避免了出现误接的情况，解决了传统的电信号模拟量输入技术存在的由于同时设计有电压型模拟量输入电路和电流型模拟量输入电路而容易出现将电流型模拟量输入电路与电压型模拟量输入端子误接或者将电压型模拟量输入电路与电流型模拟量输入端子误接，最终导致电路无法正常工作的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路的模块结构示意图；

图2为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中第一信号处理模块的示例电路图；

图3为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中控制模块的示例电路图；

图4为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中第二信号处理模块的示例电路图；

图5为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路的示例电路图；

图6为本发明另一实施例提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制装置的模块结构示意图；

图7为图6所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制装置的示例电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置，通过控制模块判断初始电信号模拟量的类型，当判断出初始电信号模拟量为电压型模拟量时，输出第一控制信号以控制第一信号处理模块对初始电信号模拟量进行相应处理；当判断到初始电信号模拟量为电流型模拟量时，输出第二控制信号以控制第一信号处理模块对所述电流型模拟量进行转换后再进行信号处理，从而使类型为电压型模拟量或电流型模拟量的初始电信号模拟量均可通过共用的输入端口后，输出至同一第二信号处理模块进行运放处理，实现了节省设备内部面积以及电路板面积的效果，并且避免出现误接的情况。上述的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置可应用于机器人系统、电液压伺服舵机系统等涉及应用电压型、电流型模拟量输入信号的领域中。

请参阅图1，为本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路10，包括输入端口input、控制模块20、第一信号处理模块30以及第二信号处理模块40。

输入端口input用于输入初始电信号模拟量。其中，初始电信号模拟量包括电压型模拟量和电流型模拟量。

控制模块20用于接收初始电信号模拟量，并当初始电信号模拟量为电压型模拟量时输出第一控制信号或者当初始电信号模拟量为电流型模拟量时输出第二控制信号。在一可选实施例中，第一控制信号为低电平信号，第二控制信号为高电平信号。

第一信号处理模块30与控制模块20连接，用于根据第一控制信号对电压型模拟量进行信号处理，或者根据第二控制信号将电流型模拟量转换为预设电压型模拟量后再进行信号处理。上述的信号处理具体包括将输入的电压型模拟量或者预设电压型模拟量进行防瞬态干扰处理，即防止静电或雷击等原因引起的电压型模拟量的数值或者预设电压型模拟量的数值超出控制电路10可承受的范围，从而导致损坏电路中的元器件。

第二信号处理模块40与第一信号处理模块30连接，用于对信号处理后的初始电信号模拟量进行运放处理，并输出优化电信号模拟量。

请参阅图2，为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中第一信号处理模块的示例电路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，第一信号处理模块30包括开关单元301、电压转换单元302以及保护单元303。

其中，开关单元301用于根据第一控制信号或者第二控制信号选择连通方式。开关单元301内部存在不同的选通端，当开关单元接收到不同的控制信号时，可根据控制信号相应改变选通端的连接方式，从而影响电压转换单元302的工作状态。

在具体应用中，开关单元301包括第一继电器kr1和第二继电器kr2。此外，开关单元301也可采用直通模拟开关等其他开关元件。

第一继电器kr1的电源端连接直流电源(图2采用第一继电器kr1的端口“1”表示)、受控端(图2采用第一继电器kr1的端口“2”表示)连接控制模块20；第一继电器kr1的固定端(图2采用第一继电器kr1的端口“5”表示)连接输入端口input。第一继电器kr1的第一选通端(图2采用第一继电器kr1的端口“4”表示)连接第二继电器kr2，第一继电器kr1的第二选通端(图2采用第一继电器kr1的端口“3”表示)连接电压转换单元302的第一端。

第二继电器kr2的电源端连接直流电源(图2采用第二继电器kr2的端口“1”表示)、受控端(图2采用第二继电器kr2的端口“2”表示)连接控制模块20；第二继电器kr2的固定端(图2采用第二继电器kr2的端口“5”表示)连接第二信号处理模块40，第二继电器kr2的第一选通端(图2采用第二继电器kr2的端口“4”表示)连接第一继电器kr1的第一选通端，第二继电器kr2的第二选通端(图2采用第二继电器kr2的端口“3”表示)连接电压转换单元302的第一端。

其中，电压转换单元302与开关单元301连接，用于根据第一继电器kr1以及第二继电器kr2的连通方式进行电压变换。

在具体应用中，电压转换单元302采用第一电阻r5实现。第一电阻r5的第一端作为电压转换单元302的第一端，第一电阻r5的第二端接地。设计者可根据信号转换需求，选择设计不同的电压转换单元302，如根据实际需要设定第一电阻r5的阻值。

其中，保护单元303与开关单元301连接，用于对从开关单元301输出的信号进行防瞬态干扰处理。

在具体应用中，保护单元303包括：第一电感l1、第六电阻r3以及瞬态抑制二极管d5。

第一电感l1的第一端连接开关单元301，第一电感l1的第二端与第六电阻r3的第一端以及瞬态抑制二极管d5的第一端共接；第六电阻r3的第二端接第二信号处理模块40；瞬态抑制二极管d5的第二端接地。由于第一继电器kr1和第二继电器kr2是通过转换自身的第一选通端和第二选通端的闭合和断开进行工作的，因此容易在开关动作中产生瞬态干扰信号，从而影响控制电路10的正常工作，甚至毁损电路中的元器件，因此引入保护单元303对从开关单元301输出的信号进行防瞬态干扰处理，起到保护电路的作用。

请参阅图3，为图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中控制模块的示例电路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，控制模块20包括单片机u4、开关管q1、第一控制子单元201以及第二控制子单元202。

开关管q1的受控端连接单片机u4，开关管q1的输入端连接第一控制子单元201以及第二控制子单元202，开关管q1的输出端接地。第一控制子单元201的第一端和第二端分别连接第一继电器kr1的电源端和受控端。第二控制子单元202的第一端和第二端连分别接第二继电器kr2的电源端和受控端。

在具体应用中，第一控制子单元201包括第二电阻r6和第一二极管d1。第二电阻r6的第一端作为第一控制子单元201的第一端，第一二极管d1的阳极作为第一控制子单元201的第二端；第二电阻r6的第二端连接第一二极管d1的阴极，第一二极管d1的阳极连接开关管q1的输入端。

在具体应用中，第二控制子单元202包括第三电阻r7和第二二极管d2。第三电阻r7的第一端作为第二控制子单元202的第一端，第二二极管d2的阳极作为第二控制子单元202的第二端；第三电阻r7的第二端连接第二二极管d2的阴极，第二二极管d2的阳极连接开关管q1的输入端。

可选的，开关管q1采用npn三极管实现，npn三极管的基极、集电极以及发射极分别对应上述开关管q1的受控端、输入端以及输出端。在另一实施例中，也可采用pnp三极管或者mosfet功率管实现。

在一可选实施例中，为使控制模块20的运作更稳定，通常在单片机u4和开关管q1的受控端之间增设第八电阻r8、第九电阻r9以及第二电容c2，它们在电路中起滤波的作用，保护单片机u4不受高频信号的干扰。第八电阻r8的第一端、第二端分别连接单片机u4和第九电阻的第一端，第九电阻r9的第一端、第二电容c2的第一端以及开关管q1的受控端共接，第九电阻r9的第二端与第二电容c2的第二端以及开关管q1的输出端接地。

请参阅图4，图1所示的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路中第二信号处理模块的示例电路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，第二信号处理模块40包括：第一运算放大器u1、第二运算放大器u2、第四电阻r2以及第五电阻r4。

第一运算放大器u1的正相输入端连接第二继电器kr2的固定端，第一运算放大器u1的输出端连接第四电阻r2的第一端，第四电阻r2的第二端与第五电阻r4的第一端以及第二运算放大器u2的正相输入端共接，第五电阻r4的第二端接地；第二运算放大器u2的输出端输出优化电信号模拟量。可选的，第一运算放大器u1和第二运算放大器u2采用轨到轨运算放大器。

下面以图5为例，对本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路的具体工作过程进行详细分析：

大量的应用表明，通常系统的电压型模拟量的输入量程规格为：0～5v、0～10v、-10v～+10v等，而电流型模拟量的输入量程规格为：0～20ma、4～20ma等。若系统中输入的是0～10v的电压型模拟量(或0～20ma电流型模拟量)，经过图5所示的控制电路10后，输出的信号为0～3v或0～5v的优化电信号模拟量，输出的优化电信号模拟量的范围可由电路设计者按需要设定。

以输入0～10v(或0～20ma)的模拟量、将之转换为0～3v优化电信号模拟量为例进行分析，设定第一电阻r5的阻值为500ω、第四电阻r2的阻值为7kω、第五电阻r4的阻值为3kω。应当注意，第一电阻r5、第四电阻r2以及第五电阻r4的阻值可根据实际需要进行设定，并不局限于上述的500ω、7kω和3kω。

当控制电路10的输入端接收到0～10v的电压型模拟量时，单片机u4输出低电平信号，此时开关管q1不导通，第一继电器kr1的固定端连接第一继电器kr1第一选通端，第二继电器kr2的固定端连接第二继电器kr2的的第一选通端，并且第一继电器kr1的第一选通端连接第二继电器kr2的第一选通端，此种连接方式不引入电压转换单元302。此时，0v电压型模拟量输入控制电路10后，电压信号的转化关系为：

u＝0v*r4/(r2+r4)，

即输出的优化电信号模拟量为0v。

而10v电压型模拟量输入控制电路10后，电压信号的转化关系为：

u＝10v*r4/(r2+r4)，

即输出的优化电信号模拟量为3v。

依此类推0～10v的各个电压值的输入与输出的关系式为：

u＝uin*r4/(r2+r4)，

其中uin为输入的0～10v范围内的初始电信号模拟量(电压型模拟量)的电压值，得出0～10v的模拟量输入电压通过转换后得到0～3v的优化电信号模拟量，该优化电信号模拟量为电压型模拟量。

当控制电路10的输入端接收到0～20ma的电流型模拟量时，单片机u4输出高电平信号，此时开关管q1导通，第一继电器kr1的固定端连接第一继电器kr1第二选通端，第二继电器kr2的固定端连接第二继电器kr2的的第二选通端，并且第一继电器kr1的第二选通端连接第二继电器kr2的第二选通端，此种连接方式引入电压转换单元302，即引入第一电阻r5。此时，0ma电压型模拟量输入该电路后，其电流信号的转化关系为：

u＝0ma*500ω*r4/(r2+r4)＝0v，

即输出的优化电信号模拟量为0v。

而20ma电流型模拟量输入控制电路10后，其电流信号的转化关系为：

u＝20ma*500ω*r4/(r2+r4)＝3v，

即输出的优化电信号模拟量为3v。

依此类推0～20ma的各个电压值以关系：u＝iin*r5*r4/(r2+r4)，其中iin为输入的电流型模拟量的电流值，得出0～20ma的电流型模拟量输入通过转换后得到0～3v的优化电信号模拟量，该优化电信号模拟量为电压型模拟量。

请参阅图6和图7，为本发明的另一实施例提供给的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制装置的结构示意图以及示例电路图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

该控制装置包括上述的控制电路10，还包括与第二信号处理模块40连接，用于接收优化电信号模拟量后，对其进行模数转换的模数转换模块50。

模数转换模块50包括第七电阻r1、第一电容c1和模数转换子单元u3。第七电阻r1的第一端、第一电容c1的第一端以及模数转换子单元u3的输入端共接，第七电阻r1的第二端连接第二运算放大器u2的输出端，第一电容c1的第二端接地。第七电阻r1与第一电容c1构成一个下拉网络，将从第二信号处理模块40输出的优化电信号模拟量进行滤除高频干扰信号的处理后，输入至模数转换子单元u3。

在具体应用中，模数转换子单元u3为单片机、运动控制器、可编程逻辑控制器或人机界面接口等模拟数字转换部件。可以根据实际需求选择模数转换子单元u3的额定电压规格，如0～3v或0～5v。

本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制装置，根据输入的初始电信号模拟量属于电压型模拟量或电流型模拟量，控制第一信号处理模块30引入电压转换单元302与否。在一可选实施例中，判断输入的初始电信号模拟量的类型的具体过程是：在传感器进行校准时，模数转换模块接收到传感器输出的电信号，对该电信号进行分析后判断出该电信号属于电压型模拟量还是电流型模拟量，将判断结果储存并输出给控制模块，控制模块再相应发出不同的控制信号。具体是，如为电压型模拟量输入，则不引入电压转换单元302，直接将电压型模拟量通过第一信号处理电路的保护单元303和第二信号处理单元40，将电压型模拟量转换为模数转换模块50需要的电压值；如输入的初始电信号模拟量为电流型模拟量，则控制微型开关引入电压转换单元302，使得电流型模拟量转换为电压值，再将转换后得到的电压值通过第二信号处理模块40，最终转换为模数转换模块50需要的电压值；由此实现同一输入端可兼容输入电压型模拟量和电流型模拟量,无需同时设置电压型模拟量输入电路和电流型模拟量输入电路以及分别与两种电路相适配的端子，节省了设备内部面积和电路板面积，并且避免出现将电流型模拟量输入电路与电压型模拟量输入端子误接或将电压型模拟量输入电路与电流型模拟量输入端子误接的问题，另一方面也节省了整体的系统空间，提高了系统的集成度。

综上所述，本发明提供的一种兼容电压型和电流型模拟量输入的控制电路及装置，通过控制模块判断初始电信号模拟量的类型，当判断到所述初始电信号模拟量为电压型模拟量时，输出第一控制信号以控制第一信号处理模块对初始电信号模拟量进行相应处理；当判断到所述初始电信号模拟量为电流型模拟量时，输出第二控制信号以控制第一信号处理模块对所述电流型模拟量进行转换后再进行信号处理，从而使得类型为电压型模拟量或电流型模拟量均可通过共用的输入端口后，最终输出至第二信号处理模块进行运放处理。由此实现了节省设备内部面积以及电路板面积的效果，并且避免出现误接的情况，解决了传统的电信号模拟量输入技术存在同时设计有电压型模拟量输入电路和电流型模拟量输入电路，并设有分别与两种电路相适配的端子导致浪费设备内部面积和电路板面积，并且容易出现将电流型模拟量输入电路与电压型模拟量输入端子误接或者将电压型模拟量输入电路与电流型模拟量输入端子误接的问题。

在本文对各种器件、模块、电路描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

所述作为分离部件说明的单元、模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块、单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。