控制器信号输入电路的制作方法

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种控制器信号输入电路。


背景技术：

2.农业机械设备，也即农机，在农业生产中发挥着重要的作用。在农业机械设备中，信号采集输入电路可以将采集的输入信号输入到控制器，比如可编程控制器，控制器可以根据接收的信号控制农业机械设备的工作状态。
3.农业机械设备中的信号采集输入电路可以包括开关量输入电路、电压输入电路和电流输入电路三种类型的输入电路。目前，每个输入电路的输入端都是独立的，即就是每个输入电路对应一个独立的输入端，且只能使用各自的输入端接收信号，这样，如果只输入一种类型的信号，那么其余输入端就会闲置，造成资源的浪费。


技术实现要素：

4.本发明提供一种控制器信号输入电路，用以解决现有技术中农业机械设备的每一种信号输入电路都需要配备独立的输入端而容易造成资源浪费的问题。
5.本发明提供一种控制器信号输入电路，应用于农业机械设备，所述控制器信号输入电路包括一个信号输入端、通道选择电路模块和信号处理电路模块，所述信号处理电路模块包括开关量处理单元、模拟量处理单元、第一信号输出端和第二信号输出端；
6.所述信号输入端用于接收采集信号；
7.所述通道选择电路模块包括信号接收端、通道控制端、第一通道切换端和第二通道切换端，所述信号接收端与所述信号输入端连接，所述通道控制端用于与处理器连接，所述第一通道切换端与所述开关量处理单元连接，所述第二通道切换端与所述模拟量处理单元连接，所述通道选择电路模块基于所述通道控制端接收到的控制信号将所述采集信号发送至所述第一通道切换端或所述第二通道切换端；
8.所述开关量处理单元用于将所述第一通道切换端输入的所述采集信号调整为适配于所述农业机械设备的控制器的数字输入信号，并通过所述第一信号输出端将所述数字输入信号发送至所述控制器；
9.所述模拟量处理单元用于将所述第二通道切换端输入的所述采集信号调整为适配于所述控制器的模拟输入信号，并通过所述第二信号输出端将所述模拟输入信号发送至所述控制器。
10.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述通道选择电路模块还包括第一三极管、第二三极管和采样电阻；
11.所述第一三极管的发射极与所述信号输入端连接，基极与所述通道控制端连接，且集电极与所述第一通道切换端连接；
12.所述第二三极管的集电极分别与所述信号输入端和所述第二通道切换端连接，基极与所述通道控制端连接，且发射极通过所述采样电阻接地；
13.所述控制信号控制所述第一三极管导通且所述第二三极管截止时，所述采集信号通过所述第一通道切换端传输至所述开关量处理单元；所述控制信号控制所述第一三极管截止且所述第二三极管导通时，所述采集信号通过所述第二通道切换端传输至所述模拟量处理单元。
14.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述第一三极管为pnp型三极管，所述第二三极管为npn型三极管；
15.所述第一三极管在所述控制信号为高电平时截止，在所述控制信号为低电平时导通；
16.所述第二三极管在所述控制信号为高电平时导通，在所述控制信号为低电平时截止。
17.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述开关量处理单元包括第一滤波电路和放大器；
18.所述第一滤波电路包括第一滤波输入端和第一滤波输出端，所述第一滤波输入端与所述第一通道切换端连接，所述第一滤波输出端与所述放大器的同相输入端连接，所述第一滤波电路用于对所述第一通道切换端传输的所述采集信号进行幅度调整和滤波处理；
19.所述放大器的反相输入端用于与提供基准电压信号的基准电压源连接，所述放大器的输出端连接所述第一信号输出端，所述放大器用于将所述第一滤波输出端的信号与所述反相输入端的基准电压信号进行比较，通过第一输出端输出适配于所述控制器的数字输入信号。
20.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述模拟量处理单元包括第一信号处理电路、第二信号处理电路和模拟选择开关，所述模拟选择开关包括第一选择端、第二选择端和模拟输出端，所述模拟输出端与所述第二信号输出端连接；
21.所述第一信号处理电路包括第一输入端和第一输出端，所述第一输入端与所述第二通道切换端连接，所述第一输出端与所述第一选择端连接，所述第一信号处理电路用于对所述第一输入端输入的信号进行电流幅度调整和滤波处理，得到适配于所述控制器的模拟电流信号；
22.所述第二信号处理电路包括第二输入端和第二输出端，所述第二输入端与所述第二通道切换端连接，所述第二输出端与所述第二选择端连接，所述第二信号处理电路用于对所述第二输入端输入的信号进行电压幅度调整和滤波处理，得到适配于所述控制器的模拟电压信号；
23.所述模拟选择开关用于根据所述控制信号选择输出所述第一选择端或所述第二选择端的信号。
24.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述模拟量处理单元还包括全差分放大电路，所述全差分放大电路用于对所述模拟输出端输出的模拟信号进行差分放大处理之后通过所述第二信号输出端输入到所述控制器。
25.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述全差分放大电路采用轨到轨输入和输出运算放大器。
26.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述第一信号处理电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一滤波电容和第二滤波电容；
27.所述第一分压电阻的一端与所述第一输入端连接，另一端与所述第二分压电阻串联后接地且与所述第一输出端连接；
28.所述第一滤波电容的一端与所述第一输入端连接，另一端接地；
29.所述第二滤波电容的一端与所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的串联节点连接，另一端接地。
30.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，所述第二信号处理电路包括滤波电感、第三滤波电容、第三分压电阻、第四分压电阻和第四滤波电容；
31.所述滤波电感的一端与所述第二输入端连接，另一端与所述第三滤波电容串联后接地；
32.所述第三分压电阻的一端与所述滤波电感和所述第三滤波电容的串联节点连接，另一端与所述第四分压电阻串联后接地且与所述第二输出端连接；
33.所述第四滤波电容的一端与所述第三分压电阻和所述第四分压电阻的串联节点连接，另一端接地。
34.根据本发明提供的一种控制器信号输入电路，还包括静电阻抗器esd，所述信号输入端通过所述esd与地连接。
35.本发明提供的控制器信号输入电路，通过一个信号输入端接收采集信号并输入到通道选择电路模块，通道选择电路模块可以在处理器发送的控制信号的控制下为该采集信号选定信号处理通道，根据选定的信号通道进行开关量处理或模拟量处理，可以将开关量信号通过第一通道切换端输入到开关量处理单元，通过开关量处理单元调整为适配于控制器的数字输入信号，可以将模拟信号通过第二通道切换端输入到模拟量处理单元，通过模拟量处理单元调整为适配于控制器的模拟输入信号，使控制器能够根据接收到的信号控制农业机械设备的工作状态。由于可以通过一个信号输入端实现多种类型信号的采集和处理，节省了端口数量，减小了印制电路板(printed circuit board，pcb)的布板尺寸，进而节省了资源。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
37.图1是本发明提供的控制器信号输入电路的结构示意图之一；
38.图2是本发明提供的控制器信号输入电路的结构示意图之二；
39.图3是本发明提供的开关量处理单元的结构示意图；
40.图4是本发明提供的控制器信号输入电路的结构示意图之三；
41.图5是本发明提供的模拟量处理单元的结构示意图；
42.图6是本发明提供的控制器信号输入电路的结构示意图之四；
43.图7是本发明提供的控制器信号输入电路的结构示意图之五。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.农业机械设备中，可以采用不同模式的传感器检测信号，采集的信号可以包括开关量信号、模拟电流信号和模拟电压信号，通过采集输入电路可以将采集的信号输送到单片机控制器中，来控制农业机械设备的工作状态。相关技术中，每一种类型的传感器信号需要采集输入电路中独立的输入端口采集，即这三种类型的传感器信号需要三个输入端口才能完成采集，一个输入端口只能采集唯一的一种类型信号，这样，在使用过程中若都为一种类型的信号，比如都为开关量信号，那么其余的输入端口便无法使用，造成资源的浪费。
46.基于此，在本发明实施例中，设计了一种控制器信号输入电路，将相关技术中需要多个输入接口才能完成多种类型的信号采集集中到一个输入端口，通过一个信号输入端接收采集信号并输入到通道选择电路模块，通过通道选择电路模块为该采集信号选定信号处理通道，根据选定的信号处理通道对信号进行处理，可以将开关量信号通过第一通道切换端输入到开关量处理单元，通过开关量处理单元调整为适配于控制器的数字输入信号，将模拟信号通过第二通道切换端输入到模拟量处理单元，通过模拟量处理单元调整为适配于控制器的模拟输入信号，使控制器能够根据接收到的信号控制农业机械设备的工作状态。
47.下面结合图1-图7对本发明提供的控制器信号输入电路进行描述，该控制器信号输入电路可以应用于农业机械设备。
48.图1示意性示出了本发明实施例提供的控制器信号输入电路的结构示意图之一，参照图1所示，该控制器信号输入电路可以包括一个信号输入端in、通道选择电路模块11和信号处理电路模块12，信号处理电路模块12可以包括开关量处理单元121、模拟量处理单元122、第一信号输出端dout和第二信号输出端aout，第一信号输出端dout可以与控制器的数字输入通道连接，第二信号输出端aout可以与控制器的模拟量输入通道连接。
49.信号输入端in可以用于接收采集信号，比如传感器采集的开关量信号、模拟电流信号和模拟电压信号中的任意一种。
50.通道选择电路模块11可以包括信号接收端in1、通道控制端g、第一通道切换端a1和第二通道切换端a2；信号接收端in1与信号输入端in连接；通道控制端g用于与处理器连接，可以接收处理器的控制信号；第一通道切换端a1与开关量处理单元121连接，第二通道切换端a2与模拟量处理单元122连接；通道选择电路模块11可以基于通道控制端g接收到的控制信号将信号输入端in接收到的采集信号发送至第一通道切换端a1或第二通道切换端a2。比如，用户可以通过农业机械设备的操作手柄、按钮、触摸屏等人机交互装置控制与信号输入端in连接的传感器采集所需信号，得到采集信号并输入到信号输入端in；根据用户的该控制操作和传感器的信号类型，处理器可以向通道控制端g发出相应的控制信号，控制通道选择电路模块11将信号输入端in的采集信号输送至信号处理电路模块12中的开关量处理单元121或模拟量处理单元122进行处理，以得到适配于控制器的数字输入信号或模拟输入信号，比如传感器检测的是开关量信号，处理器可以发出控制信号控制通道选择电路模块11将采集信号发送至第一通道切换端a1，触发开关量处理单元121对该采集信号进行
处理。再比如，传感器检测的是模拟量信号，处理器可以向通道控制端g发出控制信号控制通道选择电路模块11将采集信号发送至第二通道切换端a2，触发模拟量处理单元122对该采集信号进行处理。
51.开关量处理单元121用于将第一通道切换端a1输入的采集信号调整为适配于农业机械设备的控制器的数字输入信号，并通过第一信号输出端dout将该数字输入信号发送至控制器。模拟量处理单元122用于将第二通道切换端a2输入的采集信号调整为适配于控制器的模拟输入信号，并通过第二信号输出端aout将模拟输入信号发送至控制器。控制器可以根据接收到的该数字输入信号或模拟输入信号来控制农业机械设备的工作状态。其中的控制器比如可以是可编程控制器。
52.本发明提供的控制器信号输入电路，一方面，可以通过一个信号输入端实现多种类型信号的采集和处理，节省了端口数量，减小了pcb板的布板尺寸和外形体积以及接口数量，节省了资源；另一方面，在相同数量的信号输入端情况下，有效提高了产品的通用性，可以适应各种不同型号的农业机械设备，大幅降低了农业机械设备的使用成本和控制成本。
53.基于图1对应实施例的控制器信号输入电路，图2示意性示出了本发明实施例提供的控制器信号输入电路的结构示意图之二，参照图2所示，该控制器信号输入电路的通道选择电路模块11还包括第一三极管q1、第二三极管q2和采样电阻r1。其中，第一三极管q1的发射极与信号输入端in连接，基极与通道控制端g连接，且集电极与第一通道切换端a1连接；第二三极管q2的集电极分别与信号输入端in和第二通道切换端a2连接，基极与通道控制端g连接，且发射极通过采样电阻r1接地。
54.通道控制端g可以接收处理器发送的控制信号，该控制信号控制第一三极管q1导通且第二三极管q2截止时，信号输入端in输入的采集信号通过第一通道切换端a1传输至开关量处理单元121；该控制信号控制第一三极管q1截止且第二三极管q2导通时，信号输入端in输入的采集信号通过第二通道切换端a2传输至模拟量处理单元122。
55.示例性的，第一三极管q1可以采用pnp型三极管，第二三极管q2可以采用npn型三极管。当通道控制端g的控制信号为高电平时，第一三极管q1截止，第二三极管q2导通，采集信号通过第二通道切换端a2传输至模拟量处理单元122；当通道控制端g的控制信号为低电平时，第一三极管q1导通，第二三极管q2截止，采集信号通过第一通道切换端a1传输至开关量处理单元121。
56.一种示例实施例中，图3示意性示出了本发明实施例提供的开关量处理单元121的结构示意图，参照图3所示，该开关量处理单元121可以包括第一滤波电路311和放大器312。其中，第一滤波电路311包括第一滤波输入端a1和第一滤波输出端b1，第一滤波输入端a1与第一通道切换端a1连接，第一滤波输出端b1与放大器312的同相输入端连接，该第一滤波电路311用于对第一通道切换端a1传输的采集信号进行幅度调整和滤波处理。
57.示例性的，第一滤波电路311可以是rc滤波电路。比如如图3所示，第一滤波电路311可以包括第一电阻r31、第二电阻r32、第三电阻r33、第五滤波电容c35和第六滤波电容c36。第一电阻r31和第二电阻r32串联后与第一滤波输出端b1连接；第三电阻r33和第六滤波电容c36并联后一端与第一滤波输出端b1连接，另一端接地；第五滤波电容c35的一端与第一电阻r31和第二电阻r32的串联节点连接，另一端接地。第一滤波电路311可以通过第一电阻r31、第二电阻r32和第三电阻r33的分压来调整第一滤波输入端a1输入信号的幅度。
58.其中，第一电阻r31、第二电阻r32和第三电阻r33可以对第一滤波输入端a1输入信号进行分压，通过分压调整第一滤波输入端a1输入信号的幅度，以能够适配于后端控制器的电压要求。通过设置第一电阻r31、第二电阻r32和第三电阻r33的阻值可以设置电路能够检测的开关量信号的范围，比如，需要采集0～36v的开关量信号，可以根据电路结构选择适配的分压电阻。
59.放大器312的反相输入端用于与基准电压源连接，该基准电压源可以提供基准电压信号，比如可以提供 1.65v的基准电压信号，放大器312的输出端连接第一信号输出端dout。该放大器312可以将第一滤波输出端b1的信号与反相输入端的基准电压信号进行比较，通过第一输出端dout输出适配于控制器的数字输入信号。
60.基于图1对应实施例的控制器信号输入电路，图4示意性示出了本发明实施例提供的控制器信号输入电路的结构示意图之三，参照图4所示，该控制器信号输入电路的模拟量处理单元122可以包括第一信号处理电路411、第二信号处理电路412和模拟选择开关413，模拟选择开关413可以包括第一选择端f1、第二选择端f2和模拟输出端f3，模拟输出端f3与第二信号输出端aout连接。
61.第一信号处理电路411包括第一输入端和第一输出端，第一输入端与第二通道切换端a2连接，第一输出端与第一选择端f1连接，第一信号处理电路411可以对第一输入端输入的信号进行电流幅度调整和滤波处理，得到适配于控制器的模拟电流信号；
62.第二信号处理电路412包括第二输入端和第二输出端，第二输入端与第二通道切换端a2连接，第二输出端与第二选择端f2连接，第二信号处理电路412可以对第二输入端输入的信号进行电压幅度调整和滤波处理，得到适配于控制器的模拟电压信号；
63.模拟选择开关413可以根据控制信号选择输出第一选择端f1或第二选择端f2的信号。例如，信号输入端in连接的是电流传感器，处理器可以根据用户的操作向通道控制端g发出相应的控制信号以控制通道选择电路模块11将信号输入端in的采集信号输送至第二通道切换端a2，处理器同时根据通道控制端g的控制信号向模拟选择开关413发出第一模拟开关控制信号，控制模拟选择开关413输出第一信号处理电路411的模拟电流信号。再比如，信号输入端in连接的是电压传感器，则可以通过通道控制端g控制通道选择电路模块11将信号输入端in的采集信号输送至第二通道切换端a2，同时根据通道控制端g的控制信号向模拟选择开关413发出第二模拟开关控制信号，控制模拟选择开关413输出第二信号处理电路412的模拟电压信号。示例性的，信号输入端in连接的传感器为开关量模式时，处理器可以向模拟选择开关413发出第三模拟开关控制信号控制模拟选择开关413同时关闭第一选择端f1和第二选择端f2的信号输出。
64.一种示例实施例中，图5示意性示出了本发明实施例提供的模拟量处理单元122的又一种结构示意图，参照图5所示，该模拟量处理单元122相比于图4还可以包括全差分放大电路511，该全差分放大电路511可以对模拟选择开关413的模拟输出端f3输出的模拟信号进行差分放大处理，并将处理后的信号通过第二信号输出端aout输入到控制器。通过在模拟选择开关413的模拟输出端f3连接全差分放大电路511，能够有效抑制共模干扰，而且可以保证信号输入端in在输入0ma或0v信号时电路仍能采集到电压降。
65.示例性的，全差分放大电路511可以采用轨到轨输入和输出运算放大器，其具有极低的失调电压和极低的输入偏置电流，比如失调电压最大仅65uv，输入偏置电流最大仅
1pa，额定温度范围比如可以保证在-40
°
至 125
°
的汽车级温度范围内。
66.基于图2和图4对应实施例的控制器信号输入电路，图6示意性示出了本发明实施例提供的控制器信号输入电路的结构示意图之四，参照图6所示，第一信号处理电路411可以包括第一分压电阻r61、第二分压电阻r62、第一滤波电容c61和第二滤波电容c62。其中，第一分压电阻r61的一端与第一信号处理电路411的第一输入端连接，另一端与第二分压电阻r62串联后接地且与第一输出端连接；第一滤波电容c61的一端与第一输入端连接，另一端接地；第二滤波电容c62的一端与第一分压电阻r61和第二分压电阻r62的串联节点连接，另一端接地。
67.第二信号处理电路412可以包括滤波电感l、第三滤波电容c63、第三分压电阻r63、第四分压电阻r64和第四滤波电容c64。其中，滤波电感l的一端与第二信号处理电路412的第二输入端连接，另一端与第三滤波电容c63串联后接地；第三分压电阻r63的一端与滤波电感l和第三滤波电容c63的串联节点连接，另一端与第四分压电阻r64串联后接地且与第二输出端连接；第四滤波电容c64的一端与第三分压电阻r63和第四分压电阻r64的串联节点连接，另一端接地。
68.根据图6所示的控制器信号输入电路，当需要通过信号输入端in采集开关量信号时，比如开关量电压信号，处理器向通道控制端g发送低电平信号，通过该低电平信号控制第一三极管q1导通且第二三极管q2截止，此时，信号输入端in的开关量信号通过第一通道切换端a1输入开关量处理单元121调整为适配于后端控制器电压要求的开关量信号(即数字输入信号)，然后通过第一信号输出端dout输入到控制器。
69.当信号输入端in输入的采集信号是模拟量信号时，可以通过控制第一三极管q1和第二三极管q2的通断及模拟选择开关412的切换进行模拟电流信号和模拟电压信号的切换。
70.对于模拟电流信号，处理器向通道控制端g发送高电平信号，同时控制模拟选择开关413选择将第一选择端f1的信号输出；此时，第一三极管q1截止且第二三极管q2导通，第二三极管q2导通后连通采样电阻r1，模拟电流信号经采样电阻r1采样后得到的信号通过第二通道切换端a2输入模拟量处理单元122，经第一信号处理电路411进行分压滤波处理后，被模拟选择开关413选通输入全差分放大电路511进行差分放大处理后通过第二信号输出端aout输入到控制器。其中，第一分压电阻r61和第二分压电阻r62可以对第二通道切换端a2传输的信号进行分压，通过分压调整信号幅度，以能够适配于后端控制器的电压要求。通过设置采样电阻r1、第一分压电阻r61和第二分压电阻r62的阻值可以设置电路能够检测的模拟电流信号的范围。比如，当需要采集0～30ma的电流时，第一分压电阻r61和第二分压电阻r62可以选择100k级的电阻，采样电阻r1采用200ω的电阻，这时电流几乎全部从并联的采样电阻r1流过。同时，第一滤波电容c61和第二滤波电容c62与分压电阻r61及r62组成rc滤波电路，能够提高电路的稳定性与抗干扰能力。
71.对于模拟电压信号，处理器向通道控制端g发送低电平信号，同时控制模拟选择开关413选择将第二选择端f2的信号输出；此时，第一三极管q1导通且第二三极管q2截止，采集的模拟电压信号通过第二通道切换端a2输入模拟量处理单元122，经第二信号处理电路412进行分压滤波处理后，被模拟选择开关413选通输入全差分放大电路511进行差分放大处理，然后通过第二信号输出端aout输入到控制器。其中，第三分压电阻r63和第四分压电
阻r64可以对第二通道切换端a2传输的信号进行分压，通过分压调整信号幅度，以能够适配于后端控制器的电压要求。通过设置第三分压电阻r63和第四分压电阻r64的阻值可以设置电路能够检测的模拟电压信号的范围。比如，当需要采集0～36v电压时，可以根据电路结构设置合适的分压电阻阻值。滤波电感l和第三滤波电容c63可以组成lc滤波电路，以及第四滤波电容c64可以与第三分压电阻r63和第四分压电阻r64组成rc滤波电路，通过滤波可以提高电路的稳定性与抗干扰能力。
72.基于图1对应实施例的控制器信号输入电路，图7示意性示出了本发明实施例提供的控制器信号输入电路的结构示意图之五，参照图7所示，该控制器信号输入电路在图1的基础上还增加了静电阻抗器(electro-static discharge，esd)，信号输入端in通过该esd与地连接。该esd作为保护器件可以防止外部干扰引起的电路损坏。
73.本发明实施例提供的控制器信号输入电路，仅用一个信号输入端即可满足开关量信号、模拟电压信号和模拟电流信号等多种模式信号的采集，减少了接插件端口的数量。一方面，能够在相同信号输入端口数量的情况下使产品的通用性至少提高3倍，可以适应各种不同型号的农业机械设备，通用性较好，极大地节省了使用成本；另一方面，能够有效降低pcb布板的尺寸，使功能最大化，极大地节省了物料资源；再者，使用一个电路板便可实现多种类型信号的采集，与传感器的适配性较好，可以满足几乎所有传感器信号的采集，用户使用更加方便；而且，各类型信号有专门的信号处理通道，抗干扰能力较强；同时，可以通过电路器件参数的设置提高可采集信号的范围，比如可以采集0～36v的开关量信号、0～36v的电压信号和0-30ma的电流信号。
74.以上描述的实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
75.需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。