一种数字量信号驱动装置的制作方法

1.本技术实施例涉及信息处理领域，尤指一种数字量信号驱动装置。


背景技术：

2.在铁路信号、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)、分布式控制系统(distributed control system，dcs)、电力、汽车等领域，普遍存在数字量输出的需求，用于驱动终端执行机构或状态指示等；不同领域、不同负载的输出电压和电流各异，输出通道数也不同，有的产品需求多达几十路输出。如，在铁路通信信号领域，常用的数字量输出为dc24v或dc110v，汽车领域数字量输出为dc12v，其他工控领域，一般输出电压为dc24v，均有多路输出的需求。
3.相关技术中，数字量输出电路是通过逻辑部分发出控制指令，功率部分使用继电器或功率半导体器件进行电压、电流放大后输出额定的功率信号驱动负载。采用上述结构存在着硬件成本过高的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述任一技术问题，本技术实施例提供了一种数字量信号驱动装置。
5.为了达到本技术实施例目的，本技术实施例提供了一种数字量信号驱动装置，包括：电源适配模块、do控制器和逻辑控制模块，其中：
6.所述电源适配模块，包括：
7.输入端，与外部交流电电源相连；
8.输出电压可调电源转换电路，将交流电转换成不同电压大小的直流电；
9.输出端，为所述do控制器供电；
10.所述do控制器，与所述电源适配模块相连，通过spi总线与所述逻辑控制模块相连，根据所述逻辑控制模块发送的控制命令，输出数字量信号；
11.所述逻辑控制模块，与上位机相连，接收上位机发送的控制命令，根据所述控制命令，驱动所述电源适配模块输出所述do控制器所需的直流电，并控制所述do控制器输出数字量信号。
12.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
13.采用spi总线式控制模式替代一对一的硬件连接，在大规模多路情况下明显降低pcb面积和主控器件gpio端口占用数量，降低硬件成本；另外，采用多组电源转换模块进行不同电压大小的转换，能够满足不同的电压需求。
14.另外，可以在do控制器设置多通道的数字量信号的输出方式，方便后续扩展；通过设置故障检测器可以实现对数字量信号的安全检测，提高信号的安全性。
15.本技术实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例而了解。本技术实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
16.附图用来提供对本技术实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术实施例的实施例一起用于解释本技术实施例的技术方案，并不构成对本技术实施例技术方案的限制。
17.图1为本技术实施例提供的数字量信号驱动装置的结构图；
18.图2为图1所示装置的另一结构图；
19.图3为本技术实施例提供的do控制器中每条do通道的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本技术实施例的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
21.在实现本技术过程中，对相关技术进行了技术分析，发现相关技术存在如下问题，包括：
22.1、多数实现方案为分立器件搭建，在几十路需求下占用pcb面积大、浪费大量主控器件的通用型输入/输出(general
‑
purpose input/output，gpio)接口；
23.2、不具备短路、过流、输出断线等故障诊断功能；
24.3、各路输出相互耦合，在有高功率输出需求的情况下无法并联增加容量；
25.4、各路输出为定电压，无法不同领域的通用电压等级；
26.5、部分实现方案使用电磁继电器做电平、功率变换，含有机械结构，响应速率慢、体积庞大；
27.6、部分实现方案使用光继电器做电平、功率变换，成本高、存在光衰效应、耐电冲击特性。
28.基于上述分析，本技术实施例提供如下解决方案，包括；
29.图1为本技术实施例提供的数字量信号驱动装置的结构图。如图1所示，图1所示装置包括电源适配模块、do控制器和逻辑控制模块，其中：
30.所述电源适配模块，包括：
31.输入端，与外部交流电电源相连；
32.输出电压可调电源转换电路，将交流电转换成不同电压大小的直流电；
33.输出端，为所述do控制器供电；
34.所述do控制器，与所述电源适配模块相连，通过spi总线与所述逻辑控制模块相连，根据所述逻辑控制模块发送的控制命令，输出数字量信号；
35.所述逻辑控制模块，与上位机相连，接收上位机发送的控制命令，根据所述控制命令，驱动所述电源适配模块输出所述do控制器所需的直流电，并控制所述do控制器输出数字量信号。
36.本技术实施例提供的装置，采用spi总线式控制模式替代一对一的硬件连接，在大规模多路情况下明显降低pcb面积和主控器件gpio端口占用数量，降低硬件成本；另外，采用多组电源转换模块进行不同电压大小的转换，能够满足不同的电压需求。
37.在一个示例性实施例中，所述电源适配模块包括：
38.所述do控制器包括n个通道，所述do控制器输入端通过spi总线与逻辑控制模块相连；
39.所述电源适配模块的输出端为1个，输出端输出的直流电为所述do控制器供电；
40.所述逻辑控制模块，与上位机相连，控制所述电源适配模块输出所述do控制器所需的直流电，并控制所述do控制器中的第i个通道输出数字量信号；
41.其中，i小于等于n，i和n均正整数。
42.在上述示例性实施例中，电压适配模块用于向do控制模块提供其输出所需的不同等级电压，通过接收逻辑处理模块的电压选择命令，将输入的ac220v电源转换为不同等级的直流电压输出，如各行业常用的dc12v/24v/48v/72v/110v等，以适配不同类型的负载需求；
43.为实现可调输出电压的目的，电源适配模块有2种方法实现:
44.方法一是可使用多路固定输出型电源转换器，通过选择器件及控制命令选择其中的一路进行输出；即使用多路电源转换器、继电器、开关等分立元器件构建；
45.方法二是可使用单路连续可调型电源转换器，通过控制命令直接输出所需电压。即，使用成本可编程ac/dc电源转换器实现，如tdk
‑
lambda公司的z 系列cvcc可编程直流电源。
46.电压适配模块可使用不同的方式与逻辑处理模块连接，如可使用uart接口以通信方式接收控制命令，反馈输出电压、电流值；也可通过gpio选择的方式接收电压选择命令，并以模拟量方式反馈输出电压、电流值；
47.do控制器采用多通道进行信号输出，方便后续扩展。
48.图2为图1所示装置的另一结构图。如图2所示，一方面，逻辑控制模块经上位机通信总线接收并解析来自上位机的控制信号，包括输出通道选择、输出电压选择、输出状态等；还用于经上位机通信总线上报处理好的各路输出信号诊断信息，包括输出状态、短路、过流、断线等诊断信息；另一方面，通过4线spi接口向do驱动模块发送控制命令，使其以规定的状态输出各通道，并读取各路输出信号诊断信息；
49.其中，逻辑控制模块可灵活选用不同类型的控制器件实现，包括arm、dsp、powerpc等不同内核的mcu器件，或cpld、fpga等可编程逻辑器件；其中，上位机通信总线可使用常规的工业通信接口，包括但不限于以太网、rs232、rs422/rs485、can、profibus等。
50.在一个示例性实施例中，所述do控制器包括do驱动器和故障检测电路，其中：
51.所述do驱动器接收所述逻辑控制模块的控制命令，并接收所述故障检测器的输出结果，根据控制命令和输出结果进行故障诊断运算后控制所在通道的数字量输出状态。
52.所述故障检测器的输入为所述数字量输出状态，输出为故障检测结果。
53.在上述示例性实施例中，do控制器包括n路输出通道，其中每路输出通道均通过4线spi总线与逻辑控制模块连接，接收来自逻辑控制模块的控制命令，输出相应的do通道状态；同时，每条通道还接收来自故障诊断器的各路故障诊断反馈信息，上报给逻辑控制模块；
54.故障诊断器的输入为do驱动器的各路do信号，进行信号检测，并将故障诊断信息反馈给do驱动器。
55.通过设置故障检测器，可以实现对do信号的故障检测，提高信号的安全性。
56.在一个示例性实施例中，所述do控制器包括处理器、与逻辑计算单元和受控开关；其中：
57.所述do控制器包括协议处理器、逻辑与门和受控开关，其中：
58.所述协议处理器，通过spi总线与逻辑控制模块通信，接收控制命令并反馈故障诊断结果；
59.所述协议处理器，通过控制线和多条状态线与所述逻辑与门相连，通过所述控制线向逻辑与门发送输出使能控制命令；通过所述状态线中的至少一条连接所述故障检测器，接收故障诊断结果；
60.所述逻辑与门，对来自所述控制线和所述状态线的信号进行与计算，得到输出逻辑计算结果，驱动所述受控开关输出相应的数字量状态；
61.所述受控开关，在所述逻辑与门计算结果为1时，为导通状态，反之为关断状态。
62.在一个示例性实施例中，所述故障检测器包括一条或多条检测电路，其中每条检测电路的输入为所述受控开关的输出端，每条检测电路的输出与所述协议处理器和所述逻辑与门相连，其中每条检测支路设置有不同的检测器件对数字量信号输出结果进行检测。
63.在一个示例性实施例中，所述检测器件包括短路检测器、过流检测器和断路检测器中的至少一个。
64.图3为本技术实施例提供的do控制器中每条do通道的结构示意图。如图3所示，在协议处理器和逻辑与门之间定义四条信号线，一条为控制线，用于对受控开关输出控制命令；其他三条分别连接短路检测器、过流检测器、断路检测器的输出，用于实现故障检测控制及状态上报。
65.在实际应用中，短路检测器、过流检测器和断路检测器分别可可使用多种方案实现，如可用比较器、基准源、检流电阻等分立器件构建电路实现；也可使用集成型do驱动器件实现，如nxp公司的mc3387x，maxim公司的max1491x等器件。
66.在一个示例性实施例中，所述受控开关为可控导通器件。
67.该可控导通器件可以为mos管、三极管、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)、可控硅、集成型do驱动器等。
68.综上所述，为了解决上述既有技术存在的缺陷，数字量输出驱动装置，可应用于上述多个技术领域控制系统，作为数字量输出接口使用。该装置具有如下优势，包括：
69.1、无机械部件，响应速率快，开启、关断响应速率小于1ms；
70.2、采用spi总线式控制模式替代一对一的硬件连接，在大规模多路情况下明显降低pcb面积和主控器件gpio端口占用数量，降低成本；
71.3、具有短路、过流、输出断线等故障诊断功能；
72.4、各路输出可并联增加容量，可灵活应对高功率输出需求；
73.5、各路输出为可控电压，可适配不同领域的通用电压等级；
74.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字量信号处理器或微处理器执行的软件，或者
被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。