模拟量输入范文

2024-05-06

模拟量输入范文(精选6篇)

模拟量输入 第1篇

数据采集与输出控制模块是计算机监控系统直接跟被监控对象关联的不可或缺的输入输出(I/O)模块,学习和研究这些模块对计算机监控系统的辅助开发、测试与教学以及软件产业的发展等都具有重要意义。I/O模块一般配置有RS-232接口,本文采用Visual Basic 2010 Express Edition开发工具仿真一个具有2路模拟量输入和2路开关量输出的数据采集和输出控制模块(下文简称仿真模块),采用RS-232接口与主控设备通信。在工程实践中,使用RS-485总线的案例较多,这可以通过接口转换模块将RS-485转换为RS-232接口,从而扩展仿真模块的应用范围。本文给出了仿真模块的硬件模型、可视化软件模型,设计了操作仿真模块的通信协议,并研究了基于.NET框架的串行通信的关键技术。最后,利用通用多功能计算机监控系统测试软件对仿真模块进行了严格的测试,并给出了应用实例。

1 硬件模型

仿真模块的硬件模型如图1所示,各接线端子的说明见表1所示。指示灯Power是电源指示灯,该指示灯点亮表示RS-232接口已经打开,仿真模块处于工作状态;指示灯Rx点亮表示仿真模块正在接收数据,指示灯Tx点亮表示仿真模块正在发送数据。两个输出开关通过RS-232接口接受主控机控制,当某输出开关闭合时,形成一个电源回路,加热灯工作,其下对应的温度传感器将检测到温度升高;反之,温度下降。

在实际的工程项目中,所要监控的物理量通过传感器转换成电信号,电信号经过变送器转换成合适范围的电信号后,由A/D转换器转换成数值。仿真模块采集的2路模拟量输入为温度值,范围为20~100℃,对应一个字节范围0~255。因而,主控程序需要将接收到的字节转换为对应的温度值。温度的变化见赋值语句(1)所示,其中,T表示温度;k为系数,只有两个取值,当k为1(输出开关闭合)时,温度增加,当k为-1(输出开关打开)时,温度降低,但是,在0~255的范围内变化;step是一个节拍需要调整的幅度。多长时间温度变化,可以通过定时器进行设置,本仿真模块取2秒,即某输出开关闭合时,每过2秒对应的温度增加一个step的幅度,最大到255为止;反之,降低一个step的幅度,最小到0为止。

2 可视化软件模型

仿真模块的软件界面的可视化模型如图2所示。模块表示区用来模拟实际的模块,主要用图1作为背景,并添加动态可视化效果。当输出开关闭合时,在一对输出端子之间绘制一根红线,形成一个有源电路回路,同时对应的加热灯亮;反之,隐藏连接输出端子之间的红线,电路断开,加热灯灭。每个传感器旁边放置一个文本框,用来以16进制形式显示传感器的数值,该数值需要经过变换才能表示实际温度;再放置一个箭头,如果温度上升,就用红色向上箭头表示,如果温度下降,就用蓝色向下箭头表示。如果对应的加热灯亮,则文本框中的数据上升,同时显示红色箭头;反之,数据下降,显示蓝色箭头。仿真模块设置数据接收和发送指示灯,显示数据收发的状态。

功能按钮区设置系统设置按钮和关闭程序按钮。系统设置主要完成RS-232接口的端口号和波特率等参数,以及操作仿真模块的通信协议,包括仿真模块的地址码、校验码、结尾码、传感器一个节拍变化的幅度以及所需要的时间等。

协议描述区显示本仿真模块适用的通信协议,包括协议的格式及其具体的含义。

数据接收区显示接收到的主控程序发送的原始数据包,以字节形式显示;数据响应区则为仿真模块发送的对应的响应数据包,也是以字节形式显示。

利用此可视化模型设计的软件界面,使用方便,动态效果好,仿真模块的开关状态、温度数据、数据收发状态以及传输的数据均一目了然。与实物模块相比,不需要电源和物理连线,也不需要信号发生器与万用表来产生模拟信号和测量开关状态,对于通信协议,也不需翻阅手册,但是,数据通信与处理却和实物模块具有相同的效果。

3 通信协议的设计

通信协议如图3所示(从仿真模块的软件界面截取)。相同类型的模块一般采用相同的前导字符,EOT是一个特殊的ASCII字符(0x04),常被用作控制字符,这里的仿真模块采用EOT作为前导字符。

计算机所连接的I/O模块比较多,CPU为了与所连接的设备相互沟通,必须给设备设置一个编号,从而使CPU可以通过每个设备独一无二的编号与该设备作沟通,这个设备就是地址,用ID表示,地址占用一个字节。

功能码主要包括读功能码(用RD表示)和写功能码(用WT表示)。RD用字符“R”(0x52)表示,WT用字符“W”(0x57)表示。由于该仿真模块的状态较少,所以,不需要设置仿真模块读写的内部数据地址。

BCC(Block Check Code)为数据块校验码,一般有Xor、Add、CRC、CheckSum几种。Xor与Add分别是异或与累加和,占一个字节的长度;CRC与CheckSum分别是循环冗余校验码与TCP/IP协议簇中所使用的累加求补校验码,分别占两个字节。本仿真模块提供这4种数据块校验方式,当然,校验码是可选的。

不少模块以回车CR(0x0d)作为结尾标志EM(End Message),而TCP/IP协议簇(如HTTP,POP3等)较多地采用CRLF(0x0d0a)作为结尾标志,本仿真模块提供这两种结尾标志,同样,结尾标志也是可选的。

用1表示开关闭合,用0表示开关打开。本仿真模块有2个开关量输出DO(Digital Output),因而,可以用1个字节表示其状态(图3最后一行),其中,“×”表示该位未使用。

根据以上设计与分析可知,读取仿真模块状态的命令协议(Read),其中,ID的范围为1至255,可由程序进行设置,这样,一台主控设备可以连接多达255个仿真模块。BCC和EM的种类也可以根据需要由程序进行设置(下同)。

仿真模块的读响应协议(Reply),其中,“STX”(Start of message,0x02)表示开始对主控机进行响应,“DT1”表示第一个传感器的温度,“DT2”表示第二个传感器的温度,“DO”表示两个输出开关的状态。BCC根据采用的校验码的种类进行计算,整个协议自动生成并向主控机发出响应。对于主控机发送的错误数据包,均给予忽略,不作响应。

写命令协议(Write),对于写入的1个字节的数据,只有最后两位有效。这里,写命令不设置响应报文。

4 串行通信数据的处理技术

无论是串行通信还是网络通信,都不能保证其数据传输平稳流畅,即数据有间断性[4]。应该根据模块的具体通信性能,将一定时间内的不连续的数据合并成一个完整的数据包,进行校验分析。将属于一个数据包的不连续的数据分开,或将不属于一个数据包的数据合并处理都是错误的,这是由于软件处理不当所造成的严重的通信故障。实际的数据流示例如图4所示。受控机的软件一般采用低级语言编写,这可以通过设置循环次数来收集数据,如果在设置的最大的时间片内没有新的数据到达,则当前数据为一个数据包,作为整体进行处理。在主控机端则可以简单地通过定时器来实现。对于串行通信,等待的时间片由字节数来计算,并考虑波特率和具体的串口类型。一个完整的数据包接收到以后,首先需要对数据包进行检查,包括前导字符、地址、校验码与结尾标志等,正确方可进行处理,否则,丢弃该数据包。

在微软公司的.NET框架中,通过SerialPort组件对象(假设为comPort)进行串口操作,发送数据使用Write方法,接收数据使用Read方法。但是,comPort与可视化界面运行于不同的线程,因而,接收到的数据不能直接放置到图2的数据接收区进行显示,这可以通过声明代理(Delegate)来实现。为了解决数据的组装问题,可在comPort的DataReceived事件中触发调用代理线程,在此线程中通过ReadDataDelay函数接收所有数据。ReadDataDelay函数有两个参数,第一个为comPort,第二个为延迟时间,以毫秒为计算单位,对于9600的波特率,一般将延迟时间设置为50毫秒,即凡是间隔不超过50毫秒的数据,都统一当做一个数据包进行处理。在实际的工程项目中,为了确保通信灵敏可靠,需要针对设备的实际状况调整此参数。本串行通信数据接收方法简捷可靠,在文献[5]中得到了充分的体现。

5 仿真模块的测试

仿真模块采用通用多功能计算机监控系统测试软件进行测试[5]。该测试软件基于RS-232接口,既可以充当主控机用来测试受控机,又能充当受控机用来测试主控机,而且,可以根据用户选择自动生成通信协议或对通信协议进行校验。测试软件和仿真模块软件位于同一台计算机上,两者通过一根RS-232交叉数据线进行连接,可参考图5所示的模型。对于仿真模块的地址与状态的变化,软件均能根据校验的种类准确计算其校验码。对于模拟量输入与开关量输出均能够成功检测,对于输出开关量均能够准确控制,数据与仿真模块的软件界面一致。经过连续24小时的测试,串行通信的数据包均校验正确。

6 仿真模块的应用

仿真模块主要用于单机仿真开发与计算机监控的教学,其应用模型如图5所示,运行于PC机上的主控程序和仿真模块中的受控程序都以同一台具有两个RS-232接口的计算机为载体,两个接口之间利用交叉数据线相连。这里,用虚线框表示这是一台整体计算机。

当被监控设备本身配备RS-232接口,并且,该设备比较庞大或昂贵时,可以截取其通信协议,注入仿真模块,从而,进行主控程序的仿真开发,所以,图5也是一个单机仿真开发模型。PC机上可以设计相应的主控界面,用来显示仿真模块的模拟量输入并控制输出状态。主控程序可以使用可视化软件工具,也可使用Turbo C 2.0语言。由于高校扩招,实习单位难以联系,而该软件只需要额外配置一根RS-232交叉数据线,就可以非常直观地操练相关的编程语言,实践计算机接口,并为学习TCP/IP协议打下基础,可以培养学生的一技之长,增加其就业机会。

7 结语

计算机监控系统广泛应用于众多领域,研究计算机监控系统的仿真开发技术及其教学可以节省开发与教学成本,因而,具有重要意义。通过一台具有两个RS-232接口的PC机和一根相应的交叉数据线,利用自行开发的仿真模块,即可进行计算机监控系统的单机仿真开发与教学。

本文设计了该仿真模块的硬件模型、可视化软件模型和操作仿真模块的通信协议,研究了串行通信数据的处理技术,并用简捷的方法实现了.NET环境下数据的灵敏可靠的接收技术,然后,对该仿真模块进行了严格的测试,并给出了应用实例。如果对仿真模块的功能进行扩充,并调整相应的界面,则可以更广泛地用于仿真开发与教学工作。

摘要:计算机监控系统广泛应用于众多领域,数据采集与输出控制模块是计算机监控系统直接跟被监控对象关联的不可或缺的输入输出模块,学习和研究这些模块对计算机监控系统的开发、测试与教学等都具有重要意义。本文设计了一个基于RS-232接口的支持模拟量输入与开关量输出的仿真模块,给出了仿真模块的硬件模型、可视化软件模型,设计了操作仿真模块的通信协议,并研究了基于.NET框架的串行通信的关键技术。最后,利用通用多功能计算机监控系统测试软件对仿真模块进行了严格的测试,并给出了应用实例。

关键词:I/O模块,协议,串行通信,仿真

参考文献

[1]Li,Ruixian.Implementation of serial communication based on MOXA multiport serial boards in VC++[C].3rd Inter-national Conference on Information and Computing,Zibo,2010,v2,p230-232.

[2]Jing Shaohong,Li Xiaolu.Design of host computer moni-toring configuration software based on C#[C].International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,Changsha,2010,v1,p1000-1003.

[3]Su,Shiping;Liu,Guiying;Luo,Xi.A new power qual-ity monitoring and management system based on embedded computer technique[C].Proceedings-International Confer-ence on Intelligent Computation Technology and Automa-tion,Nanjing,2008,p1635-1640.

[4]马玉春,宋瀚涛.串行通信协议的研究及应用[J].计算机应用研究,2004,21(4):228-229+232.

模拟输入 第2篇

模拟输入

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模拟量输入在I/A系统的应用 第3篇

当代化工生产控制系统利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制。整个系统都是基于对生产过程的集中监视, 将装置运行的温度, 压力, 流量, 液位等数据反映到主控室, 这就需要控制系统将各种类型模拟量输入信号测量, 处理, 转换后准确、及时地呈现在操作站上。

1 系统简介

中原大化集团煤化工甲醇项目DCS控制系统采用美国FOXBORO公司的I/A系统。I/A系统最大的特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开放型标准设计。硬件品种少, 可靠性高, 组态灵活。模拟量输入一线控制器已经具有包括自整定 (EXACT) 和多变量自整定 (EX-ACT MV) 在内的复杂计算能力, 模拟量输入组件全部为变压器耦合隔离和光电隔离, 一对一转换, 过流保护, 不用保险丝, 提高系统运行时间。各类模拟量输入卡件都有自诊断程序, 可进行报警打印, CRT报警显示, 有故障的卡件红灯显示, 无需人工判断。所有组件都可带点更换。

2 测量原理

现场模拟量仪表的测量原理种类很多, 按进入主控系统的信号类型来分类, 可分为4-20mA (0-20mA) 电流, 电阻, 微电压, 0-5V电压等。不同类型的输入信号对应不同的FBM卡件。电流信号常用的有FBM201, FBM205 (可冗余, 4AI/4AO) , FBM211, FBM216 (可冗余, 支持HART通讯) , 热电偶信号使用FBM202, 热电阻信号使用FBM203。在对卡件进行组态时选用不同的ECB类型, FBM201、FBM202、FBM203、FBM211组态类型为ECB1, FBM205、FBM216组态类型为ECB2。FBM216卡件的每个通道还需用ECB1类型组态后才能激活使用。

2.1 电流信号

FTA底板接线方式分为供电 (24V) 和不供电两种。在FTA板内通过250Ω的负载将电流信号转换为电压信号, 再由电压信号转为数字信号后通讯至CPU, 在进行A/D转换时需要在组态选择转换方式, 通常都选用SCI3, 既4-20mA线性转换成12800-64000码。

2.2 电阻信号

对于现场来的热电阻接线, 可以选择直接接入FBM203卡件底板。底板上有Ax, bx, Cx三个端子, 对于不同的热电阻接法也各不相同。常用的铂电阻在FBM进行A/D转换时使用SCI43进行修正。

二线制热电阻, I-接Ax, I+接Bx, 将Ax, Bx短接, 这种接法无法消除线阻带来的误差, 根据电缆的长度会导致显示温度会有不同程度的偏高, 一般在20度左右, 可根据现场实际温度在DCS内部减去这个温差, 对其进行人为修正。三线制热电阻, I-接Ax, I+接Bx, Ic接Cx, 这种接线方式可通过对I-、Ic间电阻的测量, 消除线电阻带来的误差, 无需后期的人为修正, 精度较高。四线制热电阻, I-接Ax, I+接Bx, Ic接Cx, 将另一根I+也接入Cx, 这种接线方式可以更加精确的消除线电阻带来的误差, 是精度最高的测量方式。

热电阻也可以通过MTL5074安全栅转换为电流后接入FBM。需要对安全栅内部进行设置位号, 量程, 热阻类型, 输入, 输出等。其中非常重要的一项是对开路或者故障时的设置, 可以选择保持输出或者输出跑最大及最小, 要结合工艺流程, 以安全为首要目的, 以不会热阻故障导致触发连锁为出发点进行设置。

2.3 微电压信号

微电压信号一般都是不带变送器的热电偶信号, 可以选择直接接入FBM202卡件底板。卡件内部提供3线100欧泊RTD作为冷端参考温度补偿。常用的K型热电偶在FBM进行A/D转换时使用SCI24进行修正。

热电偶也可以通过MTL5074安全栅转换为电流后接入FBM。安全栅需要进行冷端补偿设置, 其他参考上述热电阻。

2.4 处理问题思路

遇到模拟量输入故障, 先看是单点故障还是多点同时故障, 如果是多个AI点同时故障, 则需迅速判断是否为系统故障。查看硬地址, 是否在同一个卡件上, 查看故障点趋势是否在同一时间突然阶跃变化, 或是直接开路, 若有以上现象则可首先判断为卡件故障。

若为单点故障, 先找到AI点的接线位置, 按类型对其检查, 检查前要将所要将检查点手动, 切除相关连锁并告知工艺人员。处理时首先查看接线是否有松动, 脱落。

(1) 电流信号, 测量回路电压, 万用表串入回路测量电流。电压、电流均正常或均不正常怀疑是通道问题或系统问题。电压正常, 电流不正常则怀疑为现场仪表故障或线路故障。

(2) 热电阻信号, 以三线制铂电阻为例, 分别测量三线间的电阻, 正常情况下I-与Ic间线阻在10欧左右, I+与I-, I+与Ic之间电阻相差不多, 减去线阻后以100Ω为0℃, 电阻每增加 (减少) 38Ω则现场测温点温度升高 (降低) 100℃, 粗略计算电阻值是否在正常范围内。

(3) 热电偶信号, 以K型热电偶为例, 首先测量热偶电阻, 正常情况应只有十几欧的线阻, 测量器毫伏值, 以0mV为20℃ (室温) , 电势每增加 (减少) 4mV则现场测温点温度升高 (降低) 100℃, 粗略计算毫伏值是否在正常范围内。

(4) 带安全栅的信号, 安全栅前的接线如上述检查, 若检查无问题而安全栅输出电流不正常则为安全栅问题。

3 典型事故

1) 2014年5月22日5:20气化1#, 2#, 3#煤管线压力13PI0101, 13PI0201, 13PI0301突然由4MPA升至6MPA, 因为此压力参与煤流量计算, 导致3条管线煤流量各自下降了0.3kg/s, 然后又缓慢恢复至原流量, 此时的煤流量实际已经增加了。因为三个压力点在同一个卡件上, 又是瞬间大幅增加, 所以首先怀疑是卡件原因。查看同一卡件上的其他AI点, 发现在同一时间点均有大幅增加。系统报警中没有任何报警信息, 卡件没有出现故障提示。在机柜间拔下主卡后, 系统切换至备卡, AI点指示均回复正常, 重新插上主卡, 将备卡拔掉, 系统切回主卡后指示依旧正常, 重新插上备卡。

2) 空分装置流量表FI01414A指示开路, 从机柜间检查发现该仪表为底板供电24V, 测量其回路无电流, 电压非常小, 判断是通道故障, 更换通道后测量电流、电压均正常, 上位指示恢复正常。

3) 现场增加honeywell仪表, 挂手操器后无法建立通讯, 检查发现所加安全栅为MTL5042, 实际供电输出电压只有18V, 更换为MTL5041后实测输出电压为22V, 现场重新用手操器建立通讯正常。

4) DCS的AI卡底板有I+、I-、Ip三个端子, 如现场表需要24V供电接Ip, I-端子。如现场仪表有独立的供电, 只是输出的4-20mA电流, 或者供电仪表有安全栅供电, 则需要接I+、I-端子 (不供电) 。接线时需要先判断现场仪表电流类型再选择接线端子, 防止接错供电方式而造成仪表故障。

5) 6号站新加K1302信号均为现场电缆直接接入安全栅去FBM, 没有经过中间端子柜。现场电缆为单根铜芯线, 硬度比较高, 与软线相比接入安全栅后, 安全栅接线端子更吃劲, 且当开车期间某个点出现问题时不敢去检查, 生怕会碰到附近的接线或安全栅引起误动作。如果在正常生产中某个点出现故障, 在处理过程中将会造成极大的隐患。

4 预判建议

1) 将重要的AI点分开卡件。此前也做分卡的工作, 但出现过的故障还是提醒我们工作做得不够细致, 作为重中之重的四条烧嘴管线, 必须要做到不同管线的测量点不能进同一个卡件。以前关注点更多是放在了进入连锁的点, 现在应该吸取经验教训, 重新进行排查, 特别是对参与重要运算的, 例如压差, 稳压补偿, 煤流量, 氧流量等所有的AI点都要进行细致排查。

2) 熟悉并合理的使用安全栅。例如, 同样作为常用的电流输入转换的安全栅, MTL5041只能测量一路有源信号, 输出电压高;MTL5042既可以测量有源信号又能测量无源信号, 但输出电压低;MTL5043则可以一入两出的测量有源信号且输出电压较高, 但工作电流明显高于其他两个。可以根据实际情况及作用的不同, 合理的分配使用不同型号的安全栅。

3) 对于重要位置仪表, 如气化炉压力, 汽包液位等仪表, 增加仪表测量点数量, 以防止仪表在装置正常生产中发生故障且无法更换而影响装置的正常运行。

4) 增加中间端子柜将现场电缆硬线转为软线后接入安全栅, 减少安全栅端子的受力, 既保证了安全栅接线的牢固性, 又方便以后查线。

5 结束语

航空离散量输入处理机理及设计实现 第4篇

在机弹载领域,计算机需要通过采集离散量信号来识别大量的位置、阀门状态、指示灯状态等信息。 但是,机弹载领域的离散量一般使用28 V信号, 这类信号不能直接被计算机所识别,必须通过一定的接口电路转换成计算机所能识别的TTL或CMOS信号[1]。 随着电子元器件、 集成电路以及计算机的发展, 离散量信号的接口电路由简单到复杂,可靠性逐步提高,集成度逐步增加,功能逐步完善。

1 离散量输入信号处理电路的功能

在机弹载领域, 离散量输入信号一般为高压、 大电流信号, 机弹载计算机无法直接进行采集, 需要将离散量输入信号进行降压、隔离、滤波等相关处理后,才能由计算机CPU获取、采集。 一般离散量输入信号处理电路实现以下功能:

( 1 ) 隔离及雷电防护功能, 离散量输入信号不能对后端采集计算机造成电气损坏。

( 2 ) 电平转换功能, 将高压、 大电流的离散量输入信号转换为可被后端计算机识别的标准TTL或CMOS信号。

( 3 ) 滤波, 消抖功能。 经过处理, 离散量输入信号转化为稳定的状态信号,才可保证后端计算机采集的准确性。

( 4 ) 与计算机主机接口的对接功能。 处理转换后, 离散量输入信号应与计算机总线灵活对接,方便处理器的采集。

( 5 ) BIT测试能力。 离散量输入信号处理电路需要具有自测试能力, 保证CPU对接口处理电路状态的可控性和可信性。

2 离散量输入信号处理电路的基本原理

用于机弹载领域的离散量输入主要分为28 V/开、地/开以及15 V/地等, 前两种在机弹载设备上是主流离散量输入类型,后一种只用在飞控等对可靠性和电压稳定度要求很高的设备上。 本文主要对前两种离散量处理的接口电路进行介绍,15 V/地离散量输入的处理方法和前两种在原理上相同。

离散量输入接口电路不论是分立器件搭建的电路还是集成电路的单芯片电路,其电路的基本原理和组成相同,主要包括雷电防护电路、分压滤波电路、转换隔离电路、 总线驱动电路、 译码逻辑电路以及激励产生电路等,其框架原理图见图1。

3 当前离散量输入信号处理电路的设计与实现方式

目前,主流的离散量输入接口电路的处理方法仍是基于分立元器件搭建电路,分为隔离型和非隔离型两种。前者是通过光耦附加分立器件搭建电路进行处理,实现输入信号与内部处理电路的电气隔离( 输入信号和处理电路不 “共地”);而非隔离型则经过了三代发展,从早期的分立器件搭建, 到之后的通过比较器和分立器件组合, 再到现在的完全单片化集成电路[5]。 目前两种电路在机载电子设备中根据不同应用情况仍在使用。

3 . 1 隔离型离散量输入接口处理

隔离型离散量输入接口电路见图2, 通过分立器件电阻电容等形成分压限流电路拓扑,配合光耦以及缓冲驱动电路实现离散量两种状态到TTL信号的转换。 这种接口电路的优点是可以实现离散量信号与内部电路的电气隔离[2]; 缺点是没有集成芯片可用, 都是通过光耦和分立电阻电容等器件搭建电路, 体积、 重量和成本较高, 另外光耦导通时的电流范围很大, 参数受温度影响很大, 加之外部电源一般使用机上28 V, 导致电路参数设计时比较困难;针对28 V/开、28 V/地、地/开三种离散量类型必须设计不同的电路拓扑和参数分别调试,工作量比较大。

3 . 2 非隔离型离散量输入接口处理

非隔离型离散量输入接口电路分为分立阻容器件实现的输入接口电路和基于比较器的输入接口电路两种。

3 . 2 . 1 分立器件实现的离散量输入接口处理

基于分立元器件实现的离散量输入接口电路如图3所示。 其原理为:通过两个电阻分压,当输入是高(18 V~32 V ) 时, D1 输入端电压大于2 . 0 V , 当输入为低( - 0 . 5 V ~1 V ) 时, D1 输入端电压小于0 . 4 V , 通过D1 转换输出高低的TTL电平,R3 输出端直接连接计算机内部数据总线。C1 与R1、R2 构成低通滤波。 正常工作时,R2 下端接地,当进行BIT测试时,通过开关控制接-15 V。 这种电路的优点是设计简单,价格便宜。 缺点是所用电阻电容等分立器件较多, 特别是路数较多时, 器件占用的印制板面积、体积很大,电路可靠性低;更改阈值时要通过更换分压电阻进行,比较繁琐;输出的数据都是并行总线,方式单一;不同类型的信号要设计不同的电路拓扑和参数;做BIT时是同时加载激励源,容易出现相互干扰。

3 . 2 . 2 基于比较器实现的离散量输入接口处理

基于比较器的离散量输入接口电路如图4 所示。 其原理为: 输入信号通过R1、R2 两个电阻分压后加在比较器的同相端, 固定参考电压Vref通过R3、R4 两个电阻分压设置阈值, 该阈值电压加在比较器的反相端,比较器通过比较两个输入端的电压输出高低电平的TTL信号, 输出信号直接接计算机内部数据总线, 离散量输入信号端的电容与电阻构成低通滤波,这种电路形式比单纯的电阻分压模式要复杂一些,但优点是阈值可以精确设置, 同一种类型的所有电路用一个阈值, 因此调整阈值时, 只需要调整阈值设置的两个电阻即可[4]。 同样的, 当路数较多时, 需要的元器件也比较多, 占用板面积、体积、重量都较大。

3 . 3 集成电路实现离散量的输入接口处理

目前,最新的离散量接口电路处理方式是单片式集成电路, 国外的DDC公司、DEI公司和Holt公司都有相应的系列产品供用户选择。 DDC公司最先基于比较器原理研制了32 路(型号DD-03201)和96 路(型号DD-03296)单片离散量处理芯片,广泛应用于机载设备的离散量接口处理领域[3]。 由于许多场合并不需要32 路或96 路这么多的离散量接口电路, 之后,DEI公司和Holt公司研制了6 路和8 路的单片离散量处理芯片, 原理基本相同,但是功能逐步完善,性能逐步提高,特别是近年来接口设计要求的雷电防护功能也集成在了芯片内,可以大大节省资源, 这种芯片内置的雷电防护等级可以达到DO - 160G中规定的三级水平。 由于芯片仅仅集成了6或8 路,路数较少,芯片封装较小,使用起来更加灵活方便,费用也比较低廉。

4 基于HKA03201 芯片的离散量输入接口电路

近年来,随着集成电路设计技术的发展及自主知识产权的需求,国内的元器件研制单位也竞相研制此类复杂的接口电路,其中西安翔腾公司以国内机载电子设备中离散量输入通用处理方式作为需求已经成功研制了基于比较器原理的32 路(HKA03201)和8 路(HKA1217)离散量接口芯片。 两者在原理和功能上基本相同,这里以HKA03201 为例介绍该类芯片。

传统的离散量输入处理方式是根据不同离散量的电气特性设计专用处理电路, 这种处理方式专一固定,对于多路同类型离散量输入处理时显得笨重,且大量占用板面积。 不利于机载电子设备的高度集成化及小型化需求,HKA03201 以其高度集成化及小型化可以解决分立元器件搭建电路带来的集成化和小型化问题。

HKA03201 芯片作为自主知识产权的国产芯片避免了国外同类型芯片的断档、 禁运风险, 保障了国产机载电子设备的正常生产。

HKA03201 是一款将离散量信号转换为TTL电平的数字接口集成电路。 电路集成32 路离散量处理通道,且每一通道均支持28 V/开、28 V/地、 地/开三种离散量输入形式。 电路包含自检测、数据抖动延时屏蔽、冗余和错误校验, 隔离等功能, 提高了数据可靠性, 同时由于小型化,在功耗、成本和面积重量上具有一定优势[1]。 HKA03201芯片功能框图如图5 所示。

HKA03201 芯片具有以下特点:

( 1 ) 2 路离散量输入比较单元, 可完成分压后的离散量信号与外部基准比较。

(2 ) 双时钟冗余为两路内部振荡器, 优先选用主OSC ,在主时钟出错的情况下自动切换至从OSC。

( 3 ) 自检测部分在电路上电时会自动执行, 并将检测结果存储至自检结果寄存器中,自检测也可以在工作状态由控制器以指令形式发出。 自检测有0′s/1′s mode和1 ′ s / 0 ′ s mode两种形式。

(4 ) 离散量输入抖动屏蔽用于屏蔽离散量信号输入的抖动。 采用延时采样输入信号的方式,屏蔽高频抖动,同时可配置的抖动时间,可以满足不同离散量抖动时间的要求。

另外,HKA03201 还具有一些特色功能,主要包括:

( 1 ) 支持28 V / 开、 28 V / 地、 地/ 开三种离散量输入形式,通过软件配置实现同一管脚对三种离散量接口的支持;

( 2 ) 提供串行接口和异步并行接口, 实现与主机接口的灵活对接;

(3) 可配置为条件中断模式, 减少对主机工作的打断,大大降低主机负担,使主机专注于应用任务;

( 4 ) 宽温度工作范围- 55 ℃ ~ 125 ℃ , 能够在恶劣条件下使用;

( 5 ) 输入16 位时可配置为双倍冗余模式, 可以很容易的用于双余度计算机场合;

( 6 ) 可配置防抖动时间, 这是该款芯片不同于国外同类芯片的最大特色,当离散量输入信号由继电器提供时,继电器的触点抖动会导致信号不稳,HKA03201 能根据不同的继电器触点抖动的最大稳定时间自动将抖动屏蔽掉, 芯片输出的信号是稳定后的信号, 这个功能是国外芯片没有的;

( 7 ) 可配置外部参考电平;

(8)离散量输入端口最大耐压50 V , 完全符合GJB181A飞机供电特性的标准规定,接口电路不需要再做过压防护处理;

( 9 ) 离散量输入端口瞬态间接雷电防护水平为3 级,对于3 级以下的雷电不需要做雷电防护处理。

基于HKA03201 芯片的离散量输入处理电路工作原理为: 被采集的离散量信号通过RC滤波后, 经过分压限幅送入HKA03201 芯片处理后, 通过局部总线或者SPI串行总线将采集信息发送到处理器模块。 离散量输入处理芯片HKA03201 原理实现框图如图6 所示。

对于地/开信号,可以设置Vref= 0 . 3 V , Vref_danger= 0 V , 自检阈值电压Vref_HI= 0 . 4 V , Vref_LO= 0 . 2 V , 其中Vref、 Vref_HI、Vref_LI是通过输入电压分压得到; 同理对于28 V/开、28 V/地来说, 可设置Vref= 1 . 4 V , Vref_danger= 0 V , 自检阈值电压Vref_HI=1.5 V,Vref_LI=1.3 V。

离散量芯片采集完成后,CPU可通过局部总线或串行SPI总线采用寻址方式读取离散量信息, 采用局部总线读取时, 芯片支持最高6 位的地址空间, 每个地址对应16 位离散量,采用串行SPI总线时最大速率支持10 M。

基于HKA03201 芯片实现的离散量输入处理电路支持上电自测试与工作中测试两种测试,上电自测试在加电后自动进行, 并存储测试接口到内部寄存器中, 主机可通过错误信息寄存器中的自检出错位进行判断。 工作中维护检测在工作状态下由CPU以指令信息发出, 有0/1 自检测和1/0 自检测两种, 以输入端口基准电压上下100 m V作为自检阈值,+ 100 m V定义为HI电平,- 100 m V定义为LI电平,自检过程中不允许访问内部寄存器, 只能访问外部寄存器。

5 系统应用

某型号飞机机载计算机的通用I/O模块基板上要求外部输入轮载、 阀门等供给9 路地/开离散量及用于状态指示的16 路28 V/地离散量及8 路28 V/开开关指示离散量, 离散量输入经过前端处理后, 直接挂接在CPU的并行局部总线上, CPU通过局部总线访问外部接口数据,根据读取的外部离散量信号状态判断执行相应的操作。

首先根据实际应用情况分析, 外部输入有3 种类型离散量状态: 地/开、28 V/开、28 V/地共计33 路的离散量,采用传统分离元器件搭建电路,共需3 种共计29 套离散量处理电路, 板面积占用量非常大, 无法在一个基板上实现, 经分析评估后采用2 片HKA03201 实现离散量电路处理可以解决布板面积不够的问题。

HKA03201 芯片上具有2 个参考电压, 即DIN [ 0 : 15 ]具有同一参考电压,DIN[16:31]具有同一参考电压,根据此情况系统外部输入的3 种离散量划分为:28 V/开和28 V / 地使用1 片HKA03201, 地/开使用另一片HKA03201,具体设计框图如图7 所示。

设计中, 对于28 V/开、28 V/地离散量处理,VREFA =VREFB = 1 . 4 V ; VREFA_charge = VREFB_charge = 0 , 供电电源可通过DA芯片由CPU进行灵活配置; 同理, 处理地/开离散量时,VREFA = 0 . 3 V , VREFA_charge = 0 。

通过对以上国产HKA03201 芯片的应用, 对比传统离散量处理电路,可归纳出机载航电系统使用集成电路处理离散量信号的优点,主要有以下几方面:

( 1 ) 统一了接口规范, 简化了电路设计, 提高了系统的抗干扰能力,完善了系统的保护。

(2) 完善、可靠和智能化的BIT功能为实现系统的PHM提供了物理基础和实现手段。

( 3 ) 减少了元器件的种类和数量, 大幅度减轻系统的重量、体积和功耗,大大提高了系统的可靠性。

(4) 降低离散量处理在计算机中所占用的软硬件资源的比例,使计算机回归计算控制的 “本职”。

( 5 ) 提高了整个系统的技术水平, 实现了离散量信号处理技术的跨代发展,达到了国际先进水平。

6 结束语

从离散量输入接口电路的发展轨迹来看, 其经历了分立器件搭建、 分立器件与比较器组合以及单片集成电路三个阶段的发展。 各阶段优缺点见表1。 以单片集成电路为代表的离散量输入接口电路必将成为未来发展的方向,其特点是硬件功能软件化,电路设计集成化,通过应用集成电路,可提高设计人员电路设计的效率和能力。

参考文献

[1]魏婷.一种新型的离散量接口电路的设计[J].计算机技术与发展,2015,3(25):167-170.

[2]王锐.飞控系统控制信息自动采集处理模块与自测试设计[J].应用光学,2013,2(34):225-229.

[3]董妍,杨菊平.基于TMS320C6415的飞控计算机接口模块设计[J].计算机技术与发展,2014,6(24):59-62.

[4]鍭丽敏,景德胜,许少尉,等.基于DSP_FPGA的弹载综合计算机设计与实现[J].电子技术,2013(7):43-45.

模拟量输入 第5篇

面对日趋复杂的未来机载系统, 离散量信号处理量不断增大,信号带宽急剧增高,功能日趋复杂,现有的离散量处理方案已无法满足系统对离散量信号切换速率、小型化、 可靠性等诸多方面的要求[1], 同时现有离散量方案的防护性要求使得系统进行小型化改进困难,因此迫切需要一种革命性的手段,能够系统解决传统方案在体积、 重量、 功耗、 灵活性等方面的缺陷, 更能够适应未来高性能机载电子系统对高带宽、高可靠离散量信号综合处理和环境应力防护等指标的要求[2]。 深入研究各种离散量信号转换及处理技术方案和产品特点,结合离散量信号的电气特点和环境特点, 综合、 抽取各种应用模式和需求特点,研究设计了一款具有自主知识产权的离散量信号接口芯片。

1 离散量信号接口芯片架构

设计一款离散量接口芯片,首先要满足离散量接口的主要功能,即把航空机载系统中的众多离散量转换成TTL电平输出[3]。 芯片架构如图1 所示, 支持28 V / 开、28 V / 地和地/ 开三种离散量输入形式。 为保证转换的可靠性及准确性, 内部产生主从时钟信号, 设计有上电自检功能、 防抖动功能、 端口快速泄放功能, 并支持DMA模式、 冗余模式及众多的报错模式, 可通过外部地址去查询错误信息。 为提高芯片的兼容性, 设计支持SPI读取和异步读取两种主机接口通信方式。

2 离散量信号接口芯片核心单元

2 . 1 离散量采集单元

离散量采集单元为离散量信号接口芯片核心电路,内部包括32 个相同的采集单元, 每个单元内部包括离散量采集端口、自检控制单元、离散量处理比较器单元、端口残余电荷快速泄放单元。 支持三种离散量输入形式:28 V/地,28 V/开,地/开。 外部配置参考电平,以适应不同航空电平的改变,使芯片应用具有更大的灵活性和更强的适应系统能力。 端口最高耐压可达50 V,防止离散量输入端口浪涌电压的冲击,增加芯片的可靠性。

通过电阻阵列把离散量转换成较低电平, 送入离散量处理比较器单元,不同类型的离散量匹配不同的基准电压, 该基准电压外部可配置, 以适应不同电压的航空电平。

由于外部寄生电容的存在,在上次离散量采集过后,端口必然会留下残余电荷。 如果该电荷不能够被快速泄放, 将会对下次离散量的采集转换产生致命的影响[4],并出现错误的转换状态, 造成严重的后果, 所以必须增加端口残余电荷快速泄放功能。 该功能可以使在离散量采集结束的瞬间, 迅速把残余电荷泄放掉, 保证下次离散量的正常采集。

自检控制单元是端口的关键控制部分, 它决定了芯片是出于自检状态还是正常的离散量采集状态。

离散量处理比较器单元是一个常见的比较器, 由于离散量均是低频信号, 所以比较器不需要较快的速度,只要求比较器具有高可靠性即可。 该比较器在上电瞬间, 被power on信号关断输出, 保证芯片在整个上电过程中处于一种正常的工作状态。

2 . 2 上电自检单元

为了保证每个离散量采集单元模块采集与输出的正确性,提高芯片的可靠性,设计了芯片上电自检单元,验证芯片内部模块的工作状态正常与否, 可以覆盖时钟、比较器和数字逻辑等模块。

自检模块由数字电路实现如图2 所示。 上电后, 芯片内部发出 “0/1” 自检指令, 数字模块发出自检使能信号(test_en=1) ,并封锁离散量输入端口,启动内部自检信号激励, 自检完成后发出完成指示test_ok, 自检结束并把32 路端口自检结果保存到寄存器中,如有端口错误,自检会报错,但并不影响其他端口正常工作。

2 . 3 防抖动单元

继电器和开关在传输信号切换时有弹跳特性, 因此需要延时输出信号来屏蔽掉这样的弹跳信号。 采用可编程的采样速率来屏蔽bounce信号。 此模块设定三个采样周期为一大周期, 每个大周期输出信号bounce、data和DMA_interupt 。

所设计抖动屏蔽模块的工作流程如图3 所示。 以一路离散量输入信号为例, 首先判断是否工作于DMA模式, 若无, 则设置初始值i=0。 输入信号分成bounce监测、数据采样和DMA模式三条支路完成任务。

( 1 ) bounce监测。 监测第0 个窗口, 在窗口时间内检测dis CH_01 是否发生bounce, 是则bounce0 =1, 否则bounce0 = 0 , 将结果写入寄存器Breg < 2 : 0 > 第0 位。 存储完毕后,判断此时的i值是否为2。 至此,bounce监测的第一个周期结束;

( 2 ) 数据采样。 与bounce监测同时进行。 bounce监测窗口b0 的前沿做为采样信号s0, 采集的数据ss0 写入Sreg < 2 : 0 > 的第0 位, 存储完毕后判断i值是否为2 。 至此数据采样第一个周期结束;

( 3 ) 由于0 ≠ 2 , 执行i = i + 1 操作, 赋值i = 1 , 重新执行1 和2 的操作, bounce窗口变为b1 , 采样信号变更为s1 ,结果写入相应的寄存器的第1 位;

( 4 ) 由于1 ≠ 2 , 因此执行i = i + 1 操作, 赋值i = 2 , 重新执行1 和2 的操作,bounce窗口变为b2, 采样信号变更为s2,结果写入相应寄存器的第2 位;

( 5 ) 执行上述步骤后, 2 = 2 , i = 2 的判断为真, 检测Breg < 2 : 0 > 中2 至0 位的存储结果, 若有1 位为1 , 则输出bounce为 “1”, 否则为 “0”, 输出结果写入寄存器( ADDRESS = 00 000X , BOUNCE CH_01 位) ; 若存储结果顺序为001 或000,则将Sreg<2:0> 中相同的两个数据任意一个做为输出结果data写入寄存器(ADDRESS=01 101X,DATA CH_01 位) , 然后赋值i = 0 , 回到步骤1 ; 否则不写入寄存器, 将i的初始值重新设置为 “0”, 回到步骤1,重新开始操作。

当配置成DMA模式后,只要dis信号发生上升沿或者下降沿跳变后则输出一个脉冲中断,否则为 “0”,结果写入寄存器(ADDRESS=11 0110,DMA_interupt CH_01 位)。

2 . 4 Fault处理单元

由于离散量的信源存在机械操作, 容易产生伪状态,受离散时间采样的限制,无法及时甄别错误,在采用光耦或比较器等分立器件搭建的系统方案中,很难及时发现错误的状态转换,因此可信度较差。

针对传统方案中不校验离散量状态正确性的缺陷,本项目在进行离散量转换和处理中,对可能的错误模式拟采用实时监控和故障隔离机制,将转换错误按严重程度区分为 “ 软错误” 与 “ 硬错误”, 其中 “ 硬错误” 属于严重错误, 危害飞行安全, 错误直接以中断的形式给出;“ 软错误” 属于偶然性、 低风险的错误, 该类错误的状态和地址信息会及时上报,便于主机应变处理。

通过冗余报错、 时钟报错、 数据传输报错和自检报错的系列错误隔离方法提高离散量转换的可信度,而且该故障隔离电路提供优先级不同的错误机制,提高了故障的定位效率。

3 片内闪电间接雷防护

在航空系统应用中要求器件具有较好的防护性能,可应用于恶劣环境中。该模块与离散量信号的机械电气部分直接连接,受到高电压和大电流的影响,离散量输入端口耐压超过600 V,同时考虑到雷电敏感度试验中浪涌电流及间接雷效应的冲击,在I/O保护上,创新性地设计了芯片内部的抗雷击保护电路结构,如图4和图5所示,电路的主体为SCR保护结构,包括反接的对地高压二极管、寄生的SCR结构、限流电阻Rs以及耐压保护结构。利用SCR结构形成正反馈机制,加速电流泄放,更好地保护离散量端口,与此同时,版图设计中采取隔离技术约束高压和输入电荷的影响。该离散量信号接口芯片为国内首个进行RTCA DO-160F间接雷击试验并达到level 3级别的芯片产品。

4 物理实现

根据各个模块电路的版图, 对其进行布局规划, 包括单元电路的摆放位置和端口的排列顺序摆放位置。 根据规划将各个模块连接构建整体版图,各个模块之间连线采用metal1 和metal2 敏感节点, 参考节点采用metal3,并避免与时钟、数据的纵向交叉,metal4 采用电源、 地交叉布线的方式隔离噪声, 最后对电源和地进行布线,将所有电源线连接构成一个回路,所有地线连接构成一个回路[5]。

项目采用CMOS工艺对所设计芯片进行了流片,封装后的尺寸为14.6 mm×14.6 mm, 对芯片样片进行了功能测试。 测试表明芯片功能正常, 实现了设计目标,在处理32 路离散量输入时仅耗费6 m A@5 V的功耗。

5 结论

本文深入研究各种离散量信号转换及处理技术方案和产品特点, 结合离散量信号的电气特点和环境特点,综合、抽取各种应用模式和需求特点。 核心电路中采用端口有源泄放、SCR结构端口防护电路和错误隔离等关键设计增强数据可信度,已流片验证。 相对于国外同类型的离散量输入转换芯片,设计中创新性地增加了抖动屏蔽机制, 有更广的自检覆盖范围, 内部设计SPI输出接口可节约连接主机的端口资源。 芯片重量和体积缩小到传统电路的5‰,功耗仅为传统电路的7‰,有效解决了航空机载系统离散量采集过程的小型化、 集成化可靠性的问题。

参考文献

[1]魏婷.一种新型离散量接口电路的设计[J].计算机技术与发展,2015,25(3):167-170.

[2]徐忠锦.一种简单可靠离散量信号电路的设计和实现[J].电子设计工程,2013,21(5):130-133.

[3]田心宇,张小林,吴海涛,等.机载计算机BIT设计技术及策略研究[J].计算机测量与控制,2011,19(9):2064-2066.

[4]周德新,崔海青,谢晓敏.机载电子设备故障诊断专家系统设计与实现[J].现代电子技术,2010,33(24):80-82.

模拟量输入 第6篇

在基于微机或PLC控制的电梯系统中,门锁电气安全触点常采用机械式开关构成触点输入回路,通过开关的闭合或断开,以电平的形式反映门的状态。然而这些机械式开关触点的通断可能不是一次性完成的,存在着触点的抖动所引起的干扰问题,会使输出信号波形出现振荡。显然,这样的波形输入逻辑混乱,会造成控制系统错误的判断,导致安全隐患的发生。本文通过电梯门锁系统开关量输入的可靠性分析,分别介绍RC延时电路、RS触发器、专用集成电路这3种硬件电路措施和2种软元件方法进行抖动干扰处理。

1 开关量输入的可靠性分析

图1(a)所示为电梯门锁系统,图1(b)为等效的门锁触点电路及示波器测量电路,图1(c)所示为开关触点闭合时电路的输出电压波形。根据对不同类型的开关在闭合或断开时的测量,开关抖动过程的特点是:开关在闭合或断开的过程中都会出现无规律抖动,即使同一开关在使用中其抖动输出波形也是不同的;抖动要延迟一段时间Td,一般为毫秒级,典型值为10ms左右,有的开关可达15ms以上。

通过以上分析可以看出,机械式触点闭合或断开或在闭合后由于外力的的作用时伴有机械抖动,会使输出信号波形出现振荡。若将该信号输入到电梯的微控制器中,会造成错误的判断而使系统控制混乱,如人为故意碰动层门或其它外力作用使门锁触点抖动,微控制器可能会误判为层门被打开或未关闭而立即控制电梯停止运行,造成乘客被困。开关量的输入干扰是电梯门锁系统中客观存在的问题,为了清除由于触点的机械抖动而产生的振荡信号,即消除Td时间段内的抖动干扰,以下采用硬件电路措施或软件方法抑制消除抖动干扰,提高电梯运行的可靠性。

2 抖动干扰的处理

2.1 硬件措施

硬件法是通过电路对抖动干扰脉冲进行抑制或整形,为微控制器提供“干净”的开关信号。可采用较简单的电路来实现,比较典型的电路有RC延时电路、RS触发器及开关去抖动集成电路。

2.1.1 RC延时电路

RC延时电路是利用RC的延迟作用来控制对振荡脉冲的响应。图2为抑制开关SW抖动干扰的RC电路。其原理是利用电容上的电压不能突变,从而使A点的电位不会随触点闭合或断开时的抖动而急剧变化,于是消除了抖动干扰。图中R2的作用是在开关闭合时增加A点电位的下降延时,以确保有一定的抗干扰时间,消除抖动的影响,同时限制电容C的放电电流,保护开关触点;非门的作用是对RC电路的输出进行整形。为了有效消除抖动干扰,同时使电路能够正常工作,元件R1、R2和C的数值必须合适。一般当TB≤10ms时,C取2.2~4.7μF,R2为1~2kΩ,R2为10kΩ。当TB>10ms时,可增大R2或C值(一般增大C值)。

2.1.2 RS触发器

图3所示为RS触发器消除抖动干扰影响的电路。图中的G1与G2构成RS触发器,其抗干扰过程:当开关SW处于“2”时,G1输出为低电平,G2输出为高电平;当SW由“2”切换至“1”时,“2”点断开瞬间,“1”点尚未合上,触发器输入R端和S端均为高电平,根据表1可知,G1与G2输出保持不变;这时由于开关触点的抖动,SW又接上“2”点,“1”点断开,即R端为高电平,S端为低电平,触发器的输出状态仍未改变。因此,SW断开“2”点时的抖动对输出没有影响。同理可分析SW接至“1”点的情况。

由以上分析可以看出RS触发器的作用是将开关SW动作时的抖动多脉冲输入变换为单脉冲输出,触点抖动对触发器的状态没有影响,从而消除了抖动干扰。应用该电路时应考虑信号线间的窜扰:由于开关SW安装在层门和轿门处,并通过较长的信号线与控制器相连,由于断开的开关触点处于高阻态,任何脉冲干扰很容易通过容性或感性方式耦合到连接线上,而使RS触发器误触发。为了消除这种干扰,在RS触发器的2个输入端与地之间各并接1个小电容。

2.1.3 开关去抖动集成电路

采用RC延时电路和RS触发器能有效地消除抖动干扰,但电路中需要多个元器件,当输入回路较多时,控制器的体积大,成本增加。为解决多输入回路问题,可采用具有开关去抖和ESD、过压保护功能的集成电路MAX6816/MAX6817/MAX6818。图4为MAX6818的典型应用电路和输入输出波形图。图中IN1~IN8为输入端,与开关触点连接,OUT1~OUT8为输出端,与微控制器的I/O口连接。

2.2 软元件措施

软件法的基本原理是:通过软件延时Td,避开开关的抖动过程后,读取输入信号的状态。只要掌握Td的大小,就能有效地消除抖动干扰。PLC内部具有丰富的软元件,如定时器、计数器、辅助继电器等,利用它们经过适当的设计程序,可以屏蔽输入元件的误信号,防止输出元件的误动作,提高系统的抗干扰能力。

2.2.1 定时器法

如图5所示利用PLC内部定时器,屏蔽输入端可能出现的“抖动”干扰信号。在该梯形图中,通过设定定时器To延时tDP,屏蔽掉该时间内可能发生的干扰信号。在实际使用时定时时间的长短可根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定,这样可保证触点确实稳定闭合或断开。

2.2.2 计数器和辅助继电器法

如图6所示,消除输入元件触点“抖动”干扰的方法是利用PLC内部计数器经适当编程来实现。M8012为特殊辅助继电器,产生0.1s的时钟脉冲,设定计数器的计数值x次,则x×0.1s为延时时间tDP,当tDP≥td时,屏蔽该时间内可能的干扰信号。实际应用时计数器的计数次数x可在调试时根据干扰情况修改。

3 结束语

电梯门锁是防坠落和防剪切的一个重要安全部件,其开关量的输入干扰是机械式门锁系统中客观存在的问题,门锁安全触点除了加强自身的机械可靠性之外,还应考虑信号处理的可靠性,从而有效杜绝安全隐患,提高电梯运行的安全性。

参考文献

[1]翁绍捷.开关量采样的干扰与抗干扰电路设计[J].机电工程技术,2002,5

[2]吴小洪.PLC软元件在电气系统可靠性设计中的应用[J].电工技术杂志,1999,2

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