[发明专利]一种高安全性数字量信号采集电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号采集电路，具体涉及一种工业控制系统上的数字量信号采集电路。

背景技术

数据采集，是指从传感器或其它待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程，其中数字量信号采集电路能够在不影响前级信号输出状态下，对前级信号进行采集、捕捉，然后进行一定的处理（主要是去抖动处理），然后将处理完毕的信号传递给处理器。常见数字信号采集电路如图1所示，其数字量信号采集电路主要原理为：当输入端（In）输入有效信号（通常为24V或者48V）时，通过电阻R1限流、然后通过R2对流过光耦IC1的电流进行适当分流控制，当流过光耦IC1内部发光二极管的电流达到一定值时，触发后级三极管导通，则Out与地信号短接，输出给后级低电平信号。而当In没有输入有效信号或者信号不够高时，则经过电阻R1、电阻R2限流和分流控制后，流过光耦IC1内部发光二极管的电流不足以触发后级的三极管导通，则Out端相当于串联一个电阻R3和V+相连，因此输出给后级的电压约等于V+（这里通常假设后级输入阻抗足够高）。通过该设计可以看到前级输入In的变化直接影响后级Out的输出，因而起到了数字量信号采集的作用，由于采用了光耦器件，即光耦IC1内部的发光二极管通过光信号触发后级三极管导通，因而具有良好的隔离耐压作用，Out端的电信号不会对In端电信号造成影响，In端的大电压电流信号也不会流入Out端，造成对Out端的损害。上述电路设计简单可靠，成本较低，因而在工业控制领域的数字量信号采集技术中大量使用，具有很高的使用价值。

但是当应用于对可靠性，安全性有更高要求的特定领域时（例如核电站控制领域），该电路则往往无法满足系统要求。这是因为在日常使用中，电路或者器件均存在各种模式的失效情况。例如：当出现焊接工艺导致光耦IC1与电阻R1连接引脚出现虚焊、光耦IC1前端短接等等现象时，这些失效模式导致的后果是使实际采集到的信号In与电路输出信号Out就不一致，且用户在实际使用时很难及时发现此问题。这种情况在核电站控制领域或者其他安全等级要求较高的工业控制领域是无法接受的。

此外，现有的数字量信号采集电路故障诊断覆盖率不够，另外，反向耐压保护能力不足，其部分电路的反向耐压和防护能力完全依靠光耦自身的防护能力，而光耦方向防护能力偏弱，常规光耦二极管反向耐压最大为8V（这里参考MOCD213器件参数），无法满足应用要求。

发明内容

为解决现有技术中数字量信号采集电路安全性低的问题，本发明提供一种高安全性数字量信号采集电路，具体方案如下：一种高安全性数字量信号采集电路，包括采集数字信号的冗余采集电路U1，专属的自检测电路以及对应的冗余信号处理逻辑，其特征在于：一.采用了冗余采集电路方案(U1和U2)对数字量信号进行采集，有效提高采集电路可靠性；二.采用了专属的自检测电路（U3），该电路针对特定应用，能够覆盖完整的自检测项；三，采集电路防护部分(U1和U2前端反向二极管D1和D2以及大功率电阻R1)，有效防反压、过压情况发生。，

冗余采集方案采用同向冗余设计：使用完全相同的两路采集电路同时对一路输入信号进行采集，并通过同向逻辑比对，当采集信号相同时，采集正常，信号有效；反之则采集异常，采集信号无效。

为对数字量信号采集电路自身进行故障检测：所述处理器与采集电路U1和冗余采集电路U2之间连接有通道自检电路U3，通道自检电路U3通过将采集电路U1和冗余采集电路U2的正负极直接导通，并根据导通后采集电路U1和冗余采集电路U2输出信号是否一致，来判断采集电路U1和冗余采集电路U2是否有故障。

优选的：所述采集电路U1和冗余采集电路U2连接关系如下：光耦IC1内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在光耦IC1二极管正负极之间并联有电阻R5和反向连接的二极管D1；光耦IC1内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_A，C极接地；光耦IC2内二极管的正极与现场DI+连接，负极与现场DI-连接，在在光耦IC2二极管之间并联有电阻R6和反向连接的二极管D2；光耦IC2内三极管的E极与处理器连接并输出采集信号DI_B，C极接地；二极管D1、D2的正负极相互连接，且负极与现场DI+之间串联有电阻R1，其中光耦IC1和光耦IC2内三极管的E极分别串联电阻R3和电阻R2后与外部电源V+连接。