一种具有安全切换机制的AI/DI输入与AO/DO输出复用I/O模块及重组态方法与流程

本发明涉及工业自动化控制，具体涉及一种用于ai/di输入通道与ao/do输出通道复用、并通过安全切换机制实现在线重组态的复用i/o模块技术。

背景技术：

1、工业控制系统通常需要接收现场设备输出的模拟量信号和数字量信号，并向调节阀、继电器、电磁阀等执行设备输出模拟量控制信号或数字量控制信号。现有系统中，针对模拟量输入、数字量输入、模拟量输出和数字量输出，通常分别配置ai模块、di模块、ao模块和do模块，使不同类型的现场信号通过对应类型的i/o模块接入主控系统。该方式结构清楚，便于按照点位类型进行工程配置，但当项目现场点位类型发生变化，或者同一控制柜需要兼容多种现场信号时，往往需要重新选择模块类型、调整备件种类并改变端子接线关系。

2、为减少模块种类和柜内点位配置限制，现有技术中已经出现通用i/o模块、软件可配置i/o模块以及混合i/o模块等方案。该类方案通常通过切换模拟输入支路、数字输入支路、模拟输出支路或数字输出支路，使同一通道或者同一模块能够适配不同类型的现场信号；部分方案还能够通过采样结果、线路检测结果或组态参数判断通道工作状态，并将检测信息上传至主控系统。上述方案在一定程度上提高了i/o模块对现场信号类型的适配能力。

3、但是，在实际工业控制过程中，输入信号和输出信号的电气特性以及安全要求并不相同。部分复用方案主要解决输入侧信号识别或输入通道复用问题，输出侧仍需要独立配置模拟输出模块或数字输出模块；部分通用i/o方案虽然能够在多种i/o类型之间配置切换，但在输出通道由模拟输出支路切换至数字输出支路，或者由数字输出支路切换至模拟输出支路时，未充分限定当前支路与目标支路之间的互锁关系，容易出现两条输出支路切换边界不清、现场输出端状态不可预期的问题。

4、此外，通道在线重组态并非单纯更新组态寄存器即可完成。在线改变通道类型时，通常涉及开关器件断开与导通、量程网络切换、模数转换或数模转换启动、滤波参数更新、电源状态确认以及输出驱动稳定等过程。如果在上述过程完成前即使新配置生效，或者在配置失败时缺少保持安全状态和恢复原配置的处理机制，则可能导致现场信号端在重组态期间出现短暂误输出、错误采样或部分配置生效的情况，难以满足工业控制现场对输出安全状态和通道状态一致性的要求。

5、同时，不同信号类型对应的故障判据也存在差异。例如，在0-20ma模拟输入量程中，0ma可能属于合法输入值；在0-10v模拟输入量程中，0v也可能属于合法输入值，不能简单按照统一阈值判断为断线或短路。对于数字输入、模拟输出和数字输出，也需要结合当前组态类型、端子电压、回路电流、边沿状态和负载状态进行诊断。若诊断规则未与通道类型相对应，容易导致接线不一致、负载异常、供电异常等故障被误判或漏判。

6、另外，在背板热插拔、通信异常、现场电源欠压以及逻辑侧与现场侧隔离供电等工况下，复用i/o模块还需要使输出通道保持预设安全状态，并避免上电、拔出或通信中断过程中对现场执行设备产生误动作。现有部分模块虽然具备通道配置或线路检测能力，但未将输出安全状态、支路互锁、接线一致性检测、配置提交和失败回滚形成完整的在线重组态控制流程。

7、综上，现有技术中存在复用i/o模块在在线改变通道类型时缺少面向输出安全状态、支路互锁、接线一致性检测和失败回滚的安全重组态机制的缺陷。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在复用i/o模块在在线改变通道类型时缺少面向输出安全状态、支路互锁、接线一致性检测和失败回滚的安全重组态机制的缺陷，本发明提供的技术方案为：

2、一种具有安全切换机制的ai/di输入与ao/do输出复用i/o模块，包括复用输入通道、复用输出通道以及组态安全控制单元；

3、所述复用输入通道包括输入信号端、ai模拟输入支路、di数字输入支路和输入支路选择单元，所述输入支路选择单元分别与所述输入信号端、所述ai模拟输入支路、所述di数字输入支路和所述组态安全控制单元连接，使所述输入信号端在所述ai模拟输入支路和所述di数字输入支路之间择一接入；

4、所述复用输出通道包括输出信号端、ao模拟输出支路、do数字输出支路和输出互锁单元，所述ao模拟输出支路和所述do数字输出支路分别与所述输出信号端连接，所述输出互锁单元分别与所述ao模拟输出支路、所述do数字输出支路和所述组态安全控制单元连接，使所述ao模拟输出支路和所述do数字输出支路互斥导通；

5、所述组态安全控制单元包括有效组态寄存器、影子组态寄存器和安全状态机，所述有效组态寄存器分别与所述输入支路选择单元、所述ao模拟输出支路、所述do数字输出支路和所述输出互锁单元连接，所述影子组态寄存器与所述安全状态机连接，所述安全状态机分别与所述有效组态寄存器、所述影子组态寄存器和所述输出互锁单元连接，使待切换组态先写入所述影子组态寄存器，并在所述输出互锁单元约束下整体提交至所述有效组态寄存器。

6、进一步，在一个优选实施方式中，所述ai模拟输入支路包括依次连接的量程选择网络、信号调理电路和模数转换单元。

7、进一步，在一个优选实施方式中，所述di数字输入支路包括湿润电流源、阈值整形电路和边沿锁存电路，所述湿润电流源和所述阈值整形电路分别与所述输入信号端连接。

8、进一步，在一个优选实施方式中，所述ao模拟输出支路包括依次连接的数模转换单元、闭环恒流驱动单元和高阻断开单元。

9、进一步，在一个优选实施方式中，所述do数字输出支路包括驱动控制单元和低侧开关单元，所述低侧开关单元连接于所述输出信号端和公共端之间。

10、进一步，在一个优选实施方式中，所述输出互锁单元包括互斥使能电路，所述互斥使能电路分别与所述ao模拟输出支路和所述do数字输出支路连接。

11、一种重组态方法，应用于所述的模块，包括：

12、接收目标通道的重组态命令，将所述重组态命令对应的待切换组态写入所述影子组态寄存器，并保持所述有效组态寄存器中的当前组态；

13、当所述目标通道为复用输出通道时，使所述复用输出通道进入预设安全状态，并通过所述输出互锁单元限制ao模拟输出支路和do数字输出支路互斥导通；

14、断开所述目标通道的当前支路后，接入所述目标通道的目标支路；

15、在所述目标支路通过安全检查后，将所述影子组态寄存器中的待切换组态提交至所述有效组态寄存器；

16、在所述目标支路未通过安全检查时，不提交所述待切换组态，并使所述目标通道保持预设安全状态或恢复至所述当前组态。

17、计算机存储介质，用于存储计算机程序，当所述计算机程序被计算机读取时，所述计算机执行所述的方法。

18、计算机，包括处理器和存储介质，当所述处理器读取所述存储介质中存储的计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。

19、计算机程序产品，作为计算机程序，当所述计算机程序被执行时，实现所述的方法。

20、与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

21、输入信号端在物理端子层面限定为仅在ai模拟输入支路与di数字输入支路之间择一选通，输出信号端在物理端子层面限定为仅在ao模拟输出支路与do数字输出支路之间择一选通，使输入方向和输出方向不发生交叉混用，避免将任一端子泛化为四类i/o任意配置时造成的端子功能边界不清问题，从而使现场接线关系、支路切换对象和故障诊断对象更加明确。

22、多个复用输入通道与多个复用输出通道设置在同一复用i/o模块中，使模拟量输入、数字量输入、模拟量输出和数字量输出能够在同一模块内按通道进行配置，减少传统ai模块、di模块、ao模块和do模块分别配置时对模块种类和柜内点位的依赖，并使项目点位类型变化时能够通过通道重组态适配现场信号类型。

23、每个信号端设置限流阻抗、低电容箝位器件以及与通道功能相匹配的反接、过压和浪涌防护，使现场信号进入复用输入通道或复用输出通道前先受到端口级保护，降低现场接线异常、瞬态浪涌或误接高电平对后级量程网络、比较器、adc、dac和输出驱动器件造成损坏的风险。

24、ai模拟输入支路采用可切换量程网络、缓冲与低通滤波电路以及adc，量程网络根据目标模拟输入类型选择电流采样电阻或电压分压网络，未被选中的支路保持高阻，使同一输入信号端能够适配0/4-20ma电流信号和0-5v、0-10v电压信号，并避免未选中支路对当前模拟采样结果形成并联干扰。

25、ai模拟输入支路中的缓冲与低通滤波电路配合adc采样，使现场模拟信号在进入数字处理前经过阻抗匹配和噪声抑制处理，减少现场干扰、输入阻抗变化和量程切换对采样稳定性的影响，从而使通道在模拟输入模式下能够形成更稳定的采样数据。

26、di数字输入支路采用可控湿润电流源、限流与阈值整形电路以及边沿锁存电路，24v pnp输入模式下关闭内部湿润电流源，干接点模式下启用限流湿润电流源，使同一输入信号端能够分别适配有源开关量和无源触点输入，并避免将两类数字输入接线方式混同处理。

27、di数字输入支路中的比较器或施密特整形结构形成明确的开通阈值、关断阈值和滞回区间，配合防抖和边沿锁存处理，使触点抖动、输入电平缓慢变化或短脉冲输入能够被区分处理，减少数字输入状态误翻转和边沿事件漏检的问题。

28、输入支路选择单元执行先断后通控制，在ai支路与di支路切换时先关闭当前支路，再经过预定间隔启用目标支路，使两条输入支路不会在切换瞬间同时接入同一输入信号端，减少量程网络、湿润电流源和阈值整形电路之间相互影响造成的异常采样或误判。

29、接线一致性检测单元采集输入电压、回路电流和边沿特征，并将检测结果与当前已配置通道类型的允许窗口进行比对，使接近24v的稳定高电平不会被0-10v模拟输入模式直接接收，低于断线阈值的回路电流也能够在4-20ma模式下被识别为异常，从而在提交配置前发现接线类型与组态类型不一致的问题。

30、接线一致性检测结果仅用于禁止提交、生成质量码或报警，而不直接改变通道类型，使通道类型仍由组态确定，避免现有依赖信号特征自动识别的方案在现场信号异常、断线或干扰条件下误将ai通道切换为di通道，或者误将di通道切换为ai通道。

31、ao模拟输出支路采用dac、闭环恒流驱动、ao支路高阻断开单元和输出回读单元，dac输出作为电流设定值，闭环恒流驱动根据电流反馈调节功率器件，使输出信号端能够向现场负载提供4-20ma有源电流，并通过闭环反馈降低负载变化对模拟输出电流的影响。

32、ao支路在未选中时通过高压开关或背靠背mos保持高阻，使do数字输出支路工作期间ao支路不会向输出信号端回灌电流，避免模拟输出支路残余连接影响数字输出负载的通断状态。

33、do数字输出支路采用n沟道mos低侧驱动，现场负载连接在现场电源端与输出信号端之间，mos导通时将输出信号端拉向分组公共端，使同一输出信号端能够用于继电器、电磁阀等数字负载控制，并通过电流检测、续流箝位和过温保护适配感性负载的关断冲击和过流工况。

34、普通低电流模拟开关不串接在数字输出负载通路中，而是通过do mos关断、ao支路高阻断开和硬件互锁实现输出类型切换，使数字输出通路能够承受较大的现场负载电流，避免低电流模拟开关作为功率通路时出现导通能力不足或温升过大的问题。

35、硬件互锁单元接收ao_en与do_en控制信号，并通过组合逻辑、交叉互锁或专用驱动器保证两者不能同时有效，使ao模拟输出支路与do数字输出支路在硬件层面互斥导通，即使fpga或mcu出现软件失控、复位或控制信号异常，也能够将两条输出支路默认关闭，降低输出通道切换过程中的误导通风险。

36、输出回读单元监测输出电流、输出电压、限流状态和功率器件温度，使ao开路、ao合规电压不足、do短路、do过流和功率器件过温等异常能够结合输出设定值和实际输出状态进行判断，避免仅依靠控制命令推定输出状态而无法发现现场负载异常的问题。

37、有效组态寄存器用于驱动当前硬件，影子组态寄存器用于暂存待提交配置，新配置先写入影子组态寄存器而不立即改变有效配置，使参数校验、通道权限检查、输出安全化和目标支路准备能够在不影响当前有效组态的条件下完成，减少重组态命令错误或参数错误直接作用于现场端子的风险。

38、输出通道在重组态前先进入预设安全状态，do可先关断，ao可保持最后值或按设定斜率过渡至安全电流，使现场执行设备在通道类型改变前先脱离不确定输出状态，避免直接从当前输出模式切换到目标输出模式时产生突变动作。

39、当前支路关闭后，硬件互锁强制ao_en和do_en均为无效，再等待先断后通时间后启用目标支路，使当前输出支路完全退出导通状态后目标输出支路才被允许接入输出信号端，减少ao支路和do支路在切换边界同时导通造成的回灌、短路或现场负载误动作。

40、目标量程、滤波参数、电源状态和支路选择设置完成后，再等待与ai滤波、adc启动、ao环路和输出斜率相匹配的稳定时间，使目标支路在完成模拟环路稳定、数字采样稳定或输出驱动稳定后再进入后续检查，避免将支路刚接通时的瞬态电压、电流或不稳定采样结果误作为有效状态。

41、自检和接线一致性检查在提交前执行，通过输入电压、回路电流、输出负载和供电状态确认目标类型是否具备工作条件，使错误接线、供电欠压、负载异常或目标支路不稳定能够在新配置生效前被拦截，从而减少部分配置已经生效但现场端子无法安全工作的情况。

42、影子组态寄存器仅在全部预定检查通过后提交为有效组态寄存器，使一个通道或一组通道的新配置能够以整体形式生效，避免多个寄存器逐项更新过程中出现量程、诊断阈值、安全状态和支路选择不一致的中间状态。

43、检查失败时保持安全状态或恢复原配置，并锁存故障，使重组态失败不会形成部分新配置继续运行的状态，主控系统也能够通过故障锁存信息判断失败原因，从而提高在线重组态失败后的可追溯性和现场输出安全性。

44、模式相关诊断规则根据当前通道类型分别判断4-20ma断线、0-20ma超量程、0-10v过压、di电平异常、ao开路、do短路和现场电源欠压，使0ma或0v这类在部分量程中可能属于合法值的信号不会被统一误判为断线，减少不同信号类型共用单一故障阈值造成的误报警和漏报警。

45、快速硬件保护与周期诊断分层设置，do短路、严重过流和功率器件过温由硬件快速关断并锁存，周期诊断再读取adc、输出回读和供电监测值进行类型相关判断，使危及功率器件和现场负载的故障能够优先由硬件处理，而一般状态异常能够通过周期诊断形成质量码和事件上报。

46、adc和dac设置在现场侧通道组内，采样结果和输出控制数据通过数字隔离器传输至fpga或mcu，使高精度模拟量不需要通过线性光耦直接跨隔离传输，减少隔离器件非线性和温漂对模拟采样或模拟输出控制的影响。

47、多个通道按现场侧通道组划分，并设置分组现场电源端、分组公共端和现场电源监测，使输入采集、输出驱动、供电监测和保护动作能够在组内形成相对独立的管理边界，便于在某一通道组出现欠压、过流或接线异常时对相应通道组进行安全处理。

48、系统侧电源域与现场侧电源域通过数字隔离器传输控制、同步和诊断信号，使主控系统侧逻辑电路与现场端口电气环境之间形成隔离边界，降低现场侧浪涌、反接或负载故障对系统侧fpga、mcu和背板通信接口的影响。

49、高电流do负载由外部现场电源经分组保护直接供给，传感器供电从现场电源轨经每通道高侧开关输出，使功率负载供电和传感器供电能够分别受限流、反接、tvs、电压监测和独立关断控制约束，避免模块内部隔离电源承担全部输出负载功率而造成供电余量不足。

50、背板热插拔结构通过长电源针、热插拔控制器、电源良好与复位时序以及总线收发器高阻控制，使模块插入时先建立稳定电源再释放复位和通信，拔出时先使在位信号失效并令输出进入安全状态，再断开电源，从而减少插拔过程中上电误动作、总线争用和输出端不确定状态。

51、输入/输出fifo配合事件、质量码和诊断信息缓存，使采样数据、边沿事件和故障状态能够在总线短时阻塞时暂存，降低主控系统通信延迟对输入事件捕获和输出状态反馈连续性的影响。