一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡的制作方法

本发明涉及逻辑电路控制领域，尤其涉及一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡。

背景技术：

数字量输出板卡是lcu(logiccontrolunit逻辑控制单元)的重要组成部分，负责控制地铁车辆的接触器的通断。采用处理器stm32f107与背板集成的can(controllerareanetwork，控制器局域网)通信介质进行数据交换，生成的pwm(pulsewidthmodulation脉冲宽度调制)控制隔离电源电压的输出，通过对电源的控制从而控制mosfet(金属-氧化物半导体场效应管)的通断完成对外部设备的控制，其具有过流保护与短路保护。其稳定性关系到整个lcu的稳定性与可靠性，对地铁列车安全运行有着举足轻重的作用。

目前，地铁列车控制系统中主要通过驱动固态继电器或者机械式的继电器对地铁列车上的接触器控制，如图1所示为驱动固态继电器。u1为固态继电器，通过控制器的信号o1经过反相器u1f控制u1通断，f1为抑制u1过流的自恢复保险丝，输出接口out1为连接负载的输出线。同时当u1导通后，输出电压经过r4与dz2形成稳定的电流流过u2的1,2脚，使得u2的4，3脚通断，反馈的信号传递给控制器，从而判断u1的通断状态。然而如图1中，电路板级使用的机械式继电器与固态继电器的在高电压下的承受电流很小；多为1a～2a。同时固态继电器在电流大时，温度较高，其工作温度在-40-85摄氏度。其中固态继电器与机械式继电器外围无保护电路，且一旦发生短路即可损坏。而采用自恢复保险丝的方式在每次过流都会对其使用寿命降低。固态继电器的价格昂贵，且无法修复，而机械式继电器在长时间工作会出现触点氧化，形成断不开的情况。

目前还有使用mosfet替代继电器对列车上大型接触器进行控制，其原理如图2所示通过光耦u1驱动q1mosfet，并且根据mosfet的通断形成对电容c1的充放电，通过c1的充放电将u2的3,4脚导通，形成对mosfet的到导通与关断监控。并且在bat+与out2之间加负载，对于多通道的数字量输出单元形成共阴极的回路。然而对于外接的输出线形成固定的接线方式，不方便用户的使用的多样性，对于mosfet的保护电路单一，只是用保险丝进行过流保护，对于瞬时电流特别大的负载，保险丝所能承受的能量不足以满足此工况，同时输入端的要保持长时间供电

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽范围电压输出结构、对输出端的接线方式可以任意选用，同时支持共阳极与共阴极，并且具有短路保护与过流保护的工业现场控制的数字量输出板卡，其具体方案是：

一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡，包括

由多路构成的数字量输出电路、隔离电源电路、短路保护电路和过流检测电路；

数字量输出电路，接收具有一定频率的pwm和can交互数据，根据接收到的数据信号控制mosfet的导通与关断、输出数字量电压信息；

隔离电源电路，将数字量输出电路输出的固定频率的pwm与can协议控制器收到的数据进行数据处理、从而对变压器进行控制，将控制电压进行倍压处理获得隔离电压从而控制电压的输出；

短路保护电路，将隔离电源电路输出的分压电压与数字量输出电路内存储的电压阈值进行比较从而控制mosfet的导通与关断；

过流检测电路，接收检测电感的瞬态电流值、将电感瞬态的电流值转换成电压值，将该电压值进行比较判断输出高低电平信号。

进一步的，所述数字量输出电路包括处理芯片u1，所述处理芯片u1的输出引脚与mosfetq3相连接，所述mosfetq3与外部负载相连接用于控制负载的工作。

进一步的，所述隔离电源电路包括与门芯片u2，所述与门芯片u2的输入端用于接收can总线输出的pwm信号和高电平信号，所述与门芯片u2的输出端并联连接有三极管q1和三极管q2，所述三极管q1的发射极与电容c1相连接，所述电容c1与变压器t1相连接，所述变压器t1的输出端并联连接有二极管d1和电容c2，所述二极管d1与二极管d2并联连接，所述电容c2与电容c3并联连接。

所述短路保护电路包括二极管d5、第一电阻r7和第二电阻r9，，所述第一电阻r7和第二电阻r9并联连接，所述第一电阻r7的一端与二极管d5相连接，所述二极管d5与mosfetq3的漏极d端相连接；

所述过流检测电路包括电流传感器u3、检测电感t2、比较器u4和反相器u5，所述mosfetq3的源极s端与检测电感t2相连接，所述检测电感t2与电流传感器u3相连接，所述电流传感器u3的输出端与比较器u4相连接，所述比较器u4的输出端与反相器u5相连接。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡，该电路采用分立器件搭建电路、设计宽范围电压的数字量输出电路，增加输出电路的电流，同时解决数字量输出电路短路、过流保护的设计；提高了数字量输出电路的可靠性及稳定性，降低了待机的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中驱动固态继电器的电路原理图；

图2为背景技术中驱动驱动q1mosfet的电路原理图；

图3为本发明输出板卡的电路原理图；

图4为本发明输出板卡的具体电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图3和图4所示的一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡，具体包括由多路构成的数字量输出电路、隔离电源电路、短路保护电路和过流检测电路。

其中数字量输出电路采用的是通过驱动芯片ir21271接收到的数据控制mosfetq3的导通与关断，从而实现了宽范围电压的数字量输出，并且具备输出线路共阴与共阳的自主选择。

所述隔离电源电路采用的处理器发出的固定频率的pwm与can协议控制器收到的数据进行互与之后得到的数据，经过隔离变压器以及二极管与电容的倍压，从而实现隔离电压的输出控制驱动芯片的输出。

所述短路保护电路是基于在mosfet在导通时内阻值与流过的电流值的乘积在经过快恢复二极管进行分压后与芯片ir21271的保护阈值进行比较，超过设定阈值后，芯片ir21271将不再控制mosfet导通。由于过流比短路的电流上升斜率要慢，因此为了防止过流，会比短路的电流阈值要低很多，防止器件过流长时间工作在过热烧毁。因此所述的过流保护是基于板级电流传感器，通过采到的电流转化成电压后与比较器进行比较反馈到处理器，并且通过can协议控制器上传到背板的总线上。

如图4所示，处理芯片u1的1脚与4脚和8脚与5脚的电压为处理芯片的2脚的电压值为减去稳压管d4的电压值，与此同时u1的7脚输出高电平控制q3导通，q3的外部接线in+与out1串联负载，控制负载工作。当can总线交互的数据o1参考电平为低时，经过与门芯片u2，输出为低，隔离电源电压无法建立，q3处于断开的状态，处于低功耗的状态。

数字量输出电路如图4所示，处理器stm32f107发送固定频率的pwm波，当can总线的数据交互的数据o1(参考电平为高时)，两者经过与门芯片u2可以选用sn74hc08dr，但并不是唯一指定的芯片，输出与处理器发出pwm一致，经过电阻r2、在pwm为高时q1导通对c1充电，当pwm为低时，电容c1放电，形成正弦波。且幅值为变压器t1的4,6脚的正弦波在正半周时，二极管d1导通，d2截止，对电容c2充电，c2电压值为t1的4.6脚的正弦波在负半轴时，d1截止，d2导通对c3电容充电，c3的电压值为因此在电阻r4的两端t1+与t1-之间的电压值为形成隔离电源输出。

当can总线交互数据o1为高时，输出的负载短路或者线路接错，形成短路电流经过q3是其产生的压降与d5和r7、r9形成环路，x的电压值为q3的压降与二极管d5的压降之和。y值的电压在经过r7与r9的分压后，超过u1的6脚的阈值1.8v，芯片u1将锁住7脚输出，电平降为零，q3断开。当负载短路消除，当can总线交互数据由低为高时，u1解除短路锁存，工作恢复正常。

电流传感器u3achs-7122通过检测电感t2的电流变化，将电流值转化为电压值，由于u3的电流对应电压值100mv/a，在电流为零时u3的7脚电压为2.5v，电容c8，c11对输出进行滤波，输出电压值经过u4比较器lm193，与r14和r13的分压值进行比较，当输出电压值高于分压值，比较器输出高电平，经过反向器u5输出of1电平变为低，通过处理器上传到can总线上。而输出电压值低于分压值，比较器输出低，经过反向器of1输出高电平。

一种用于工业现场的宽范围数字量输出板卡，具体工作原理如下：

通过处理器发出的具有一定频率的pwm与can交互的数据o1经过与门芯片u2进行与操作，当o1为高电平时，与门芯片u2的8脚的输出与pwm保持一致，再经过三极管q1与三极管q2通过电容c1进行充放电，当pwm为高时，对电容c1充电，当pwm为低时，电容放电，形成正弦波。幅值为且幅值为变压器t1的4、6脚的正弦波在正半周时，二极管d1导通，二极管d2截止，对电容c2充电，c2电压值为变压器t1的4、6引脚的正弦波在负半轴时，二极管d1截止，二极管d2导通对电容c3电容充电，电容c3的电压值为因此在电阻r4的两端变压器t1+与变压器t1-之间的电压值为当o1为低电平时，t1+与t1-的电压为0。

通过t1+与t1-形成的电压给到处理芯片u1供电，1脚的电压经过d4在处理芯片u1的2脚同时产生电压，处理芯片u1的7脚在2脚产生电压后，输出高电平，控制mosfetq3导通，从而在in+与out1形成输出通路，使得负载工作。当o1为低电平时，mosfetq3不导通，在in+与out1形成输出断路，负载不工作。所述二极管d5与mosfetq3的漏极d端相连接，所述mosfetq3的源极s端与检测电感t2相连接。当o1为高，输出稳定pwm，同时负载短路时形成短路电流经过mosfetq3是其产生的压降与二极管d5和电阻r7、电阻r9形成环路，x的电压值为mosfetq3的压降与二极管d5的压降之和。y值的电压在经过电阻r7与电阻r9的分压后，超过处理芯片u1的6脚的阈值1.8v，处理芯片u1将锁住7脚输出，mosfetq3不导通，在in+与out1形成输出断路，负载不工作。当负载短路消除，当can总线交互数据由低为高时，u1解除短路锁存，mosfetq3导通，从而在in+与out1形成输出通路，使得负载工作。

当in+与out1形成通路，u3电流传感器achs-7122通过检测电感t2的电流变化，in+与out1形成通路产生的电流通过电流传感器u3转化的7脚输出电压值高于电阻r4与电阻r13的分压值，比较器输出高电平，为过流现象，经过反向器u5输出of1电平变为低，通过处理器上传到can总线上。而电流传感器u3的7脚输出电压值低于分压值，比较器输出低，经过反向器of1输出高电平，从而实现输入的信号o1与反馈的信号of1保持一致。

本发明公开的宽范围数字量输出板卡，通过隔离电源的形成产生通过对电源的控制从而对数字量输出的控制、从而降低了电路的功耗；短路保护与过流保护在电路中的应用提高了整个电路的应用的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。