專利名稱：一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于開關(guān)電器控制技術(shù)領(lǐng)域，是自動化控制系統(tǒng)中的開關(guān)量輸出處理技術(shù)設(shè)備，涉及一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置。
背景技術(shù)：
隨著電器設(shè)備的自動化程度越來越高，控制系統(tǒng)需要控制的現(xiàn)場變量也越來越多，尤其是各種開關(guān)量的控制，一個點就需要占用控制器的一個輸出點，而硬件資源特別有限，在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，很多情況IO資源都不能滿足使用需求，如采用PLC控制也需添加大量的輸出模塊，增加機架進行擴展，增加硬件成本和要求較大的安裝空間，同時布線也十分復雜；總線的分布式模塊，控制接口不開放，同時要求控制器具備相應總線資源，使用不靈活，增加系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，很多情況下IO資源都不能滿足使用需求的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，包括直流降壓電路，直流降壓電路同時與控制接口電路、輸出信號處理電路、信號采集處理電路、級聯(lián)電路分別連接，級聯(lián)電路與信號采集處理電路、控制接口電路依次連接；另外，控制接口電路設(shè)置有信號輸入端，控制接口電路的兩個信號輸出端同時與輸出信號處理電路、信號采集處理電路分別連接，信號采集處理電路另設(shè)置有信號輸入端，輸出信號處理電路另設(shè)置有信號輸出端。本發(fā)明的有益效果是，基于移位芯片的串行機制的IO裝置，只占用控制器的6D0，IDI可以實現(xiàn)8D0、8DI的功能，同時可以通過級聯(lián)的方式擴充容量，成倍點數(shù)的控制，從而節(jié)約控制器的輸入輸出通道，同時遠程采集時布線簡潔，針對目前廣泛采用的控制系統(tǒng)需要用到的大量開關(guān)量輸入輸出時接線復雜，解決了 IO資源利用不充分的問題。采用本采集器可提高控制器的輸出端口使用效率，大幅減少輸出點數(shù)配置，節(jié)約控制器的有限的空間，對于分布式采集減少布線，提供低成本的解決方案；控制接口開放，對控制器無總線資源要求，使用靈活。


圖I是本發(fā)明移位式開關(guān)量輸入輸出裝置的整體電路框圖；圖2是本發(fā)明裝置中的控制接口電路3的原理圖；圖3是本發(fā)明裝置中的輸出信號處理電路2的原理圖；圖4是本發(fā)明裝置中的信號采集處理電路4的原理圖；圖5是本發(fā)明裝置中的級聯(lián)電路5的原理圖。圖中，I.直流降壓電路，2.輸出信號處理電路，3.控制接口電路，4.信號采集處理電路，5.級聯(lián)電路，另夕卜，0U1、0U2...0U9均是光電耦合器；R1、R2…R60均為電阻；Ul是總線驅(qū)動芯片、U2是串入并出的移位芯片、U3是并入串出的移位芯片；PWR是電源接入端子、SRCLR是輸入輸出寄存器清除控制端子、SI是輸驅(qū)動輸入信號端子、LCK是移位脈沖信號端子、SCK是鎖存信號端子、SEL是輸入輸出控制端子、紅f/ LD是輸入裝載/移位控制端子、SO是采集輸出端子；D0SER是級聯(lián)驅(qū)動輸出端子，DISER是級聯(lián)采集輸入端子；D01、D02...D08是驅(qū)動信號輸出端子，DII、DI2…DI8是采集信號輸入端子;沈1衛(wèi)是控制接口電路3與輸出信號處理電路2以及信號采集處理電路4的共同接點； SI、RCK0、SRCK0是控制接口電路3與輸出信號處理電路2的對應接點；Q7’、RCKI、SRCKI、SH /E5是控制接口電路3與信號采集處理電路4的對應接點；S0out、SIin分別為控制接口電路3和信號采集處理電路4與級聯(lián)電路5的接點。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明的以下實施例中選用了帶鎖存器的8bit的串入并出移位寄存器74LS595，還有帶鎖存器的8bit的串入并出移位寄存器74LS597。參照圖1，本發(fā)明的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置的結(jié)構(gòu)是，包括直流降壓電路1，直流降壓電路I同時與控制接口電路3、輸出信號處理電路2、信號采集處理電路4、級聯(lián)電路5分別連接，提供供電支持，級聯(lián)電路5與信號采集處理電路4、控制接口電路3依次連接；另外，控制接口電路3設(shè)置有信號輸入端，控制接口電路3的兩個信號輸出端同時與輸出信號處理電路2、信號采集處理電路4分別連接，信號采集處理電路4另設(shè)置有信號輸入端，輸出信號處理電路2另設(shè)置有信號輸出端。直流降壓電路I將實際工況的電壓降壓為邏輯器件需要的TTL電壓，將輸出接入到各個邏輯器件供電端。輸出信號處理電路2由帶鎖存器的Sbit的串入并出移位寄存器以及光電隔離電路、開關(guān)管驅(qū)動電路組成。控制接口電路3由光電耦合器、保護電阻、總線控制器組成。信號采集處理電路4由帶鎖存器的Sbit的并入串出移位寄存器以及光電隔離電路組成。級聯(lián)電路5由光電耦合器、限流電阻組成。信號采集處理電路4采用帶移位及所存寄存器的芯片(U3)，與輸出控制信號公用，實現(xiàn)單DI的多通道輸入功能。利用控制器的6D0和IDI通過控制接口電路3的總線驅(qū)動芯片(Ul)控制信號采集處理電路4和輸出信號處理電路2的工作，實現(xiàn)分時進行輸入輸出處理。輸出信號處理電路2與信號采集處理電路4采用的級聯(lián)引腳經(jīng)過光電耦合引出，具有較強的驅(qū)動能力，適合遠距離級聯(lián)。參照圖2，直流降壓電路I的結(jié)構(gòu)是，包括DC-DC，DC_DC的輸入端同時與24V電源及PWR端子分別連接，DC-DC的輸出端為5V電源，DC-DC設(shè)置有接地端。參照圖2，控制接口電路3的結(jié)構(gòu)是，由光電耦合器OUl (型號為TLP521-4)、0U2 (型號為TLP521-3)、0U3 (型號為TLP521-1)、一個總線驅(qū)動器Ul (型號為74LS125)以及多個限流電阻(Rl、R2…R16)組成，具體連接關(guān)系是光電耦合器OUl的輸入側(cè)輸入端分別串接SRCLR、SI、LCK、SCK信號輸入端子；光電率禹合器0U2的第一、第二輸入側(cè)輸入端同時串接SEL控制端子,光電稱合器0U2的第三輸入側(cè)輸入端串接而/LD控制端子；光電耦合器0U3的輸入側(cè)輸入端一路串接電阻R8后與24V電源連接，另一路直接串接SO采集輸出端子；光電耦合器0U1、0U2的輸入側(cè)輸出端分別串電阻(Rl、R2…R7)后與接地 端連接，光電耦合器0U3的輸入側(cè)輸出端直接與接地端連接；光電耦合器OUl輸出側(cè)輸入端分別串一電阻(R9、RIO、Rll、R12)后接至5V電源端；光電耦合器0U2輸出側(cè)的上、下路輸入端分別串一電阻(R13、R15)后接至5V電源端，光電耦合器0U2輸出側(cè)的中路輸入端直接接至5V電源端；光電耦合器0U3輸出側(cè)輸入端直接接至5V電源端；另外，光電耦合器OUl和電阻R9之間的接點與端子連接；光電耦合器OUl和電阻RlO之間的接點與SI端子連接；光電耦合器0U2和電阻R13之間的接點與Ul的C1、C3引腳連接；光電耦合器0U2和電阻R15之間的接點與SH/E5端子連接；光電I禹合器OUl的輸出側(cè)的兩個輸出端直接接地,第三個輸出端同時與Ul的Al、A2引腳分別連接，第四個輸出端同時與UI的A3、A4引腳連接；0U2輸出側(cè)的上、下路輸出端直接接地，0U2輸出側(cè)的中路輸出端串接電阻R14后同時與Ul的C2、C4引腳分別連接；光電耦合器0U3的輸出側(cè)輸出端串接電阻R16后與Q7’端子連接；總線驅(qū)動器Ul的VCC端與5V電源連接，Ul的GND端接地，Ul的Yl端與RCKO端子連接，Ul的Y2端與RCKI端子連接，Ul的Y3端與SRCKO端子連接，Ul的Y4端與SRCKI端子連接。控制信號以及輸入輸出裝置的串口輸入信號分別通過光電I禹合器(0U1, 0U2)隔離后，移位脈沖信號LCK接至總線驅(qū)動器Ul的Al(引腳2)、A2(引腳5);鎖存脈沖信號SCK接至總線驅(qū)動器Ul的A3 (引腳9)、A4 (引腳12);輸入輸出控制SEL分成兩路接入0U2的輸入側(cè)輸入端，其一路從其對應輸出側(cè)的輸端取信號反向輸出接至控制引腳Cl (引腳I)和C3(引腳10)，另一路從其對應的輸出側(cè)輸出端接至總線驅(qū)動芯片Ul的控制引腳C2(引腳
4)和C4(引腳13);輸入輸出移位寄存器的清除控制信號(SRCLR)反向接到輸出信號處理電路2和信號采集處理電路4的復位引腳，輸出串口信號(SI)及總線驅(qū)動器(U4)的輸出引腳Yl (引腳103)和Y3(引腳8)接到輸出信號處理電路2;輸入串口信號(SO)及總線驅(qū)動器(U4)的輸出引腳Y2(引腳6)和Y4(引腳11)接到信號采集處理電路4。光電耦合器0U1、0U2、0U3完成24V電源和5V電源的電氣隔離，同時對信號SRCLR、SI、SEL、^n,/LD進行取反操作，便于控制和滿足后續(xù)芯片的低電平驅(qū)動要求。參照圖3，輸出信號處理電路2的結(jié)構(gòu)是，包括帶鎖存器的Sbit的串入并出移位寄存器U2(型號為74LS595)、兩個光電耦合器(0U4和0U5，型號均為TLP521-4)、八個開關(guān)管(DU D2...D8，型號均為IRF3205)和多個限流電阻(R17、R18…R32)，各個元件具體連接關(guān)系是，移位寄存器U2的VCC引腳與5V電源連接，移位寄存器U2的獲、SDI、RCK、SRCK四個引腳分別對應連接至控制接口電路3的、SI、RCK0、SRCK0端口，移位寄存器U2的OE、GND兩個引腳均接地，移位寄存器U2的Q7’引腳與SOout端子連接；兩個光電耦合器0U4和0U5的共八個輸入側(cè)輸出端分別與U2的輸出口 Q0、Q1"-Q7對應連接，兩個光電稱合器0U4和0U5的共八個輸入側(cè)輸入端分別串聯(lián)一個電阻(R17、R18…R24)后均與5V電源連接；兩個光電耦合器0U4和0U5的共八個輸出側(cè)輸入端分別與24V電源連接，兩個光電耦合器0U4和0U5的共八個輸出側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻(R25、R26…R32)后分別與八個開關(guān)管Dl、D2…D8的G極一一對應連接，同時從每個開關(guān)管的G極分別串聯(lián)一個下拉電阻(R53、R54…R60)后接地；八個開關(guān)管(Dl、D2…D8)的源極均接地，八個開關(guān)管(D1、D2…D8)的漏極分別與驅(qū)動端子D00、D01...D07——對應連接。移位寄存器U2(型號為74LS595)為低電平時，光電耦合器(0U4、0U5)對應引腳導通，將高電平信號輸送到開關(guān)管，打開八個開關(guān)管，八個開關(guān)管均采用低壓側(cè)控制，實現(xiàn)驅(qū)動控制；開關(guān)管的下拉電阻起到分壓作用，保護開關(guān)管，同時又保證關(guān)斷可靠。參照圖4，信號采集處理電路4的結(jié)構(gòu)是，主要由帶鎖存器的Sbit的并入串出移位寄存器U3(型號為74LS597)、兩個光電耦合器(0U6和0U7，型號均為TLP521-4)和多個限流電阻R33、R34…R48組成，各個元件具體連接關(guān)系是，
兩個光電稱合器0U6和0U7的共八個輸入側(cè)輸入端與八個信號米集端DI0、DI1…DI7 對應連接，兩個光電I禹合器0U6和0U7的共八個輸入側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻(R33、R34…R40)后接地；兩個光電耦合器0U6和0U7的共八個輸出側(cè)輸入端分別與5V電源連接，兩個光電耦合器0U6和0U7的共八個輸出側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻(R4UR42-R48)后與移位寄存器U3的八個數(shù)據(jù)輸入口 A、B…H—一對應連接；移位寄存器U3的VCC與5V電源連接，移位寄存器U3的控制口 SCLR、RCK、SRCK、SH/D5、Q7’分別與控制接口電路3的接點、RCKI, SRCKI.SH/LD、Q7’ 一一對應連接；移位寄存器U3的GND接地；移位寄存器U3的SER端口與Siin端子連接。光電耦合器0U6、0U7完成電氣隔離，將信號送入U3的數(shù)據(jù)口，通過控制U3的SH/i萬將信號所存的信號裝載到移位寄存器，然后通過控制SRCKI的脈沖將移位寄存器中的數(shù)據(jù)通過Q7 ’送到控制接口電路3。參照圖5，級聯(lián)電路5的結(jié)構(gòu)是，由兩個光電耦合器(0U8和0U9)、多個限流電阻(R49、R50、R51、R52)組成，其中的光電I禹合器0U8和0U9的輸出側(cè)輸入端分別串聯(lián)一個電阻(R49、R50)后分別與5V電源連接，光電耦合器0U8和0U9的輸出側(cè)輸出端分別與控制接口電路3和信號采集處理電路4與級聯(lián)電路5的接點S0out、SIin對應連接，光電耦合器0U8的輸出側(cè)輸入端與24V電源連接，光電耦合器0U8的輸出側(cè)輸出端串聯(lián)一個電阻R51后與端子DOSER連接，光電耦合器0U9的輸出側(cè)輸入端串聯(lián)一個電阻R52后與端子DISER連接，光電耦合器0U9的輸出側(cè)輸出端直接接地。級聯(lián)電路5是將輸出信號處理電路2中的移位寄存器74LS595的串口輸出引腳Q7’(引腳9)和信號采集處理電路4中的移位寄存器74LS597的串口輸入引腳SER(引腳14)經(jīng)過光電耦合器(0U8和0U9)進行電氣隔離，便于與現(xiàn)場的24V電壓進行級聯(lián)。本發(fā)明的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，通過移位寄存器實現(xiàn)串口信號和并行信號的轉(zhuǎn)換。直流降壓電路將現(xiàn)場的電壓降壓為邏輯器件需要的TTL電平，將輸出接入到各個邏輯器件供電端；控制接口電路分別將控制信號連接到輸出信號處理電路和信號采集處理電路，信號采集處理電路的輸出送至控制接口電路返回至控制器；輸出信號處理電路的串口輸出以及輸入信號的串口輸入與級聯(lián)電路連接。
權(quán)利要求
1.一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于包括直流降壓電路(1)，直流降壓電路(I)同時與控制接口電路(3)、輸出信號處理電路(2)、信號采集處理電路(4)、級聯(lián)電路(5)分別連接，級聯(lián)電路(5)與信號采集處理電路(4)、控制接口電路(3)依次連接；另外，控制接口電路(3)設(shè)置有信號輸入端，控制接口電路(3)的兩個信號輸出端同時與輸出信號處理電路(2)、信號采集處理電路(4)分別連接，信號采集處理電路(4)另設(shè)置有信號輸入端，輸出信號處理電路(2)另設(shè)置有信號輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于所述的直流降壓電路(I)的結(jié)構(gòu)是，包括DC-DC，DC-DC的輸入端同時與24V電源及PWR端子分別連接，DC-DC的輸出端為5V電源，DC-DC設(shè)置有接地端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于所述的控制接口電路(3)的結(jié)構(gòu)是，由三個光電耦合器0U1、0U2、0U3、一個總線驅(qū)動器Ul以及多個限流電阻組成，具體連接關(guān)系是 光電耦合器OUl的輸入側(cè)輸入端分別串接SRCLR、SI、LCK、SCK信號輸入端子；光電耦合器0U2的第一、第二輸入側(cè)輸入端同時串接SEL控制端子,光電稱合器0U2的第三輸入側(cè)輸入端串接§1/LD控制端子；光電耦合器0U3的輸入側(cè)輸入端一路串接電阻R8后與24V電源連接，另一路直接串接SO采集輸出端子；光電耦合器0U1、0U2的輸入側(cè)輸出端分別串電阻后與接地端連接，光電耦合器0U3的輸入側(cè)輸出端直接與接地端連接； 光電I禹合器OUl輸出側(cè)輸入端分別串一電阻后接至5V電源端；光電I禹合器0U2輸出側(cè)的上、下路輸入端分別串一電阻后接至5V電源端，光電耦合器0U2輸出側(cè)的中路輸入端直接接至5V電源端；光電耦合器0U3輸出側(cè)輸入端直接接至5V電源端；另外，光電耦合器OUl和電阻R9之間的接點與端子連接；光電耦合器OUl和電阻RlO之間的接點與SI端子連接；光電耦合器0U2和電阻R13之間的接點與Ul的C1、C3引腳連接；光電耦合器0U2和電阻Rl5之間的接點與SH /15端子連接； 光電耦合器OUl的輸出側(cè)的兩個輸出端直接接地，第三個輸出端同時與Ul的A1、A2引腳分別連接，第四個輸出端同時與Ul的A3、A4引腳連接；0U2輸出側(cè)的上、下路輸出端直接接地，0U2輸出側(cè)的中路輸出端串接電阻R14后同時與Ul的C2、C4引腳分別連接； 光電耦合器0U3的輸出側(cè)輸出端串接電阻R16后與Q7’端子連接； 總線驅(qū)動器Ul的VCC端與5V電源連接，Ul的GND端接地，Ul的Yl端與RCKO端子連接，Ul的Y2端與RCKI端子連接，Ul的Y3端與SRCKO端子連接，Ul的Y4端與SRCKI端子連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于所述的輸出信號處理電路(2)的結(jié)構(gòu)是，包括帶鎖存器的8bit的串入并出移位寄存器U2、兩個光電耦合器0U4和0U5、八個開關(guān)管和多個限流電阻，各個元件具體連接關(guān)系是， 移位寄存器U2的VCC引腳與5V電源連接，移位寄存器U2的紀Ei、SDI、RCK、SRCK四個弓I腳分別對應連接至控制接口電路(3 )的奮I、SI、RCKO、SRCKO端口，移位寄存器U2的OE .GND兩個引腳均接地，移位寄存器U2的Q7’引腳與SOout端子連接； 兩個光電I禹合器0U4和0U5的共八個輸入側(cè)輸出端分別與U2的輸出口 Q0、Q1*“Q7 對應連接，兩個光電稱合器0U4和0U5的共八個輸入側(cè)輸入端分別串聯(lián)一個電阻后均與5V電源連接；兩個光電耦合器0U4和0U5的共八個輸出側(cè)輸入端分別與24V電源連接，兩個光電I禹合器0U4和0U5的共八個輸出側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻后分別與八個開關(guān)管D1、D2…D8的G極對應連接，同時從每個開關(guān)管的G極分別串聯(lián)一個下拉電阻后接地；八個開關(guān)管的源極均接地，八個開關(guān)管的漏極分別與驅(qū)動端子D00、D01" D07 —一對應連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于所述的信號采集處理電路(4)的結(jié)構(gòu)是，包括帶鎖存器的8bit的并入串出移位寄存器U3、兩個光電耦合器0U6和0U7、和多個限流電阻，各個元件具體 連接關(guān)系是， 兩個光電耦合器0U6和0U7的共八個輸入側(cè)輸入端與八個信號采集端DIO、DIl…DI7 對應連接，兩個光電I禹合器0U6和0U7的共八個輸入側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻后接地；兩個光電耦合器0U6和0U7的共八個輸出側(cè)輸入端分別與5V電源連接，兩個光電耦合器0U6和0U7的共八個輸出側(cè)輸出端分別串聯(lián)一個電阻后與移位寄存器U3的八個數(shù)據(jù)輸入口 A、B…H—一對應連接；移位寄存器U3的VCC與5V電源連接，移位寄存器U3的控制口 SCLR、RCK、SRCK、SH/E5、Q7’ 分別與控制接口電路(3)的接點記、RCKI、SRCKI,SH/E5、Q7’一一對應連接；移位寄存器U3的GND接地；移位寄存器U3的SER端口與Siin端子連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，其特征在于所述的級聯(lián)電路(5)的結(jié)構(gòu)是，包括兩個光電耦合器0U8和0U9， 其中的光電I禹合器0U8和0U9的輸出側(cè)輸入端分別串聯(lián)一個電阻后分別與5V電源連接，光電耦合器0U8和0U9的輸出側(cè)輸出端分別與控制接口電路(3)和信號采集處理電路(4)與級聯(lián)電路(5)的接點SOout、SIin對應連接，光電耦合器0U8的輸出側(cè)輸入端與24V電源連接，光電耦合器0U8的輸出側(cè)輸出端串聯(lián)一個電阻后與端子DOSER連接，光電耦合器0U9的輸出側(cè)輸入端串聯(lián)一個電阻后與端子DISER連接，光電耦合器0U9的輸出側(cè)輸出端直接接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移位式開關(guān)量輸入輸出裝置，包括直流降壓電路，直流降壓電路同時與控制接口電路、輸出信號處理電路、信號采集處理電路、級聯(lián)電路分別連接，級聯(lián)電路與信號采集處理電路、控制接口電路依次連接；控制接口電路設(shè)置有信號輸入端，控制接口電路的兩個信號輸出端同時與輸出信號處理電路、信號采集處理電路分別連接，信號采集處理電路另設(shè)置有信號輸入端，輸出信號處理電路另設(shè)置有信號輸出端。本發(fā)明的裝置，基于移位芯片的串行機制的IO裝置，只占用控制器的6DO，1DI可以實現(xiàn)8DO、8DI的功能，同時可以通過級聯(lián)的方式擴充容量，成倍點數(shù)的控制，從而節(jié)約控制器的輸入輸出通道，同時遠程采集時布線簡潔，使用靈活。
文檔編號G05B19/04GK102722111SQ20121019684
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者于興軍, 吳陽, 曹振興, 李慶福, 梁春平 申請人:寶雞石油機械有限責任公司