多功能输入输出通道电路研究

摘要：在现代工业企业中，设备的自动化程度越来越高，自动控制系统已十分常见。而自动控制系统主要通道类型有数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四种。目前单个模块仅能支持一种通道类型，现场需要更改通道类型时必须更换模块，使用不够灵活。本设计提供了一种单个模块支持现场四种通道类型的解决方案，通过软件配置确定通道类型，极大提高了现场施工和布线的灵活性。

关键词：数字量输入；数字量输出；模拟量输入；模拟量输出；故障检测

1引言

现有的工业控制领域存在一些设备分布分散但通道类型多样的项目，在单个模块仅支持一种通道类型的情况下，项目工程设计阶段比较繁琐，必须依靠各个区域的需求配置不同类型的模块，造成整个项目模块配置组合多样，项目调试施工非常复杂。碰见需要点数少通道类型多的区域时，必须使用多个模块才可满足需求，但是单个模块部分通道存在闲置情况。如果单个模块每个通道能支持4种通道类型，项目设计和施工会更加简单，确定需要采集或控制点数量即可，根据通道数量配置模块，解决原有方案配置组合多样和部分通道闲置浪费的问题。还有一些大型项目施工后有更换通道类型的需求，在单一模块只能支持一种通道类型的情况下，必须通过调整布线才能适应现场需要，对于大型项目来说调整布线施工难度很大，采用该原理设计的模块只需要更改软件配置即可解决问题。

2设计方案

本设计提出了一种新型多功能输入输出通道电路，可支持数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四种类型，根据实际需要，通过软件配置为需要的通道类型。电路支持信号类型如表1所示。该设计的系统总体框图如图1所示，电路通过闭合或关断电路的开关状态，实现需要的功能。数字量输入和模拟量输入功能主要通过ADC采集实现，数字量输出功能主要通过关断和闭合高边开关实现，模拟量输出功能主要通过DAC和电压或电流输出驱动器实现。

2.1数字量输入电路

通道配置为数字量输入功能时，电路开关状态如表2所示。通过闭合K4开关，关断K1、K2、K3开关，不使能电压或电流输出驱动器输出，使电路中数字量输入相关电路工作，其他功能相关电路关闭，ADC采集C点电压值确定输入信号是高电平还是低电平。

2.2数字量输出电路

通道配置为数字量输出功能时，电路开关状态如表3所示。通过闭合K1、K4开关，关断K2、K3开关，不使能电压或电流输出驱动器输出，使电路中数字量输出相关电路工作，其他功能相关电路关闭，根据需要控制高边开关闭合或关闭，实现需要的数字量输出，高边开关可以选择带热保护的器件，实现负载短路保护。通过ADC采集C点电压，输出高时可以检测输出环路是否有短路故障。高边MOS开关输出串联二极管目的是防止数字量输出通道关闭时高边开关漏电流影响其他通道工作状态。

2.3模拟量输入电路

通道配置为电压型模拟量输入功能时，电路开关状态如表4所示。通过闭合K2开关，关断K1、K3、K4开关，不使能电压或电流输出驱动器输出，使电路中电压模拟量输入相关电路工作其他功能相关电路关闭，ADC采集A点电压确定输入信号值。通道配置为电流型模拟量输入功能时，电路开关状态如表5所示。通过闭合K3开关，关断K1、K2、K4开关，不使能电压或电流输出驱动器输出，使电路中电流模拟量输入相关电路工作其他功能相关电路关闭，ADC采集B点电压确定输入信号值。

2.4模拟量输出电路

通道配置为模拟量输出功能时，电路开关状态如表6所示。通过使能电压或电流输出驱动器输出，关闭K1、K2、K3、K4开关，使电路中模拟量输出相关电路工作其他功能相关电路关闭，根据需要控制电压或电流驱动器工作在电流还是电压状态，实现输出电压或电流功能，输出电流电压值通过控制DAC输出实现。

3实际应用

为了满足地铁、水处理、电厂等应用场景需求，以及满足高端装备、复杂机器、生产线等的控制要求，北京和利时智能技术有限公司自主设计研发了8通道的多功能输入输出模块，模块每个通道均支持数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四种功能。模块具有高精密、高灵活、高可靠的特点。在实际使用过程中，用户可通过组态软件将通道配置为需要的功能。模块由CPU板和I/O板组成，两个板子通过板间连接器进行通信。CPU板主要负责和系统侧的主控制器进行通信，接收并解析主控制器下发的信息，并通过SPI总线和I/O板进行通信，控制多通道输入输出电路输出数字量或模拟量信号，控制执行机构完成需要的动作，或者将多通道输入输出电路采集到的现场仪表的数字量或模拟量信号上传给控制器。模块I/O板主要负责通道的信号采集或输出，原理框图如图2所示，I/O板主要由多通道输入输出电路、通道防护、隔离器件、电源转换电路、电源诊断电路组成。多通道输入和输出电路负责信号的采集和输出。通道防护的作用是进行EMC防护，保证模块满足工业设备的防护要求。隔离器件的作用是将负责与控制器通信的系统侧和通道电路的现场侧进行电气隔离，保证现场侧的异常不影响系统正常工作。电源转换电路是通过非隔离芯片将现场侧的输入电压转换为通道电路正常工作需要的电压。电源诊断电路是保证电源异常时CPU板可以控制通道侧电路进入安全状态，并将故障上报主控制器，再通知使用者进行检查维修。8通道的多功能输入输出模块的数字量输入功能支持漏型输入，输入电压24V，查询电流8mA，15~30V是ON，0~5V是OFF，单通道采集时间是1ms。数字量输出功能支持MOS型源型输出，输出电压24V，最大输出电流0.3A（阻性负载），通道关闭时漏电流小于1mA。模拟量输入功能支持电流和电压型，电流输入范围0~25mA，对应码值是0~65535；电压输入范围0~10V，对应码值是0~65535，单通道采集时间1ms，精度是0.2%，稳定度0.1%，温漂50ppm。模拟量输出功能支持电流和电压型，电流输出范围0~22mA，对应码值是0~65535；电压输出范围0~10V，对应码值是0~65535，精度是0.2%，稳定度0.1%，温漂50ppm。模块工作环境温度范围-20~70℃，可应用在环境恶劣的场合。模块通道连接如图3所示。

4展望

本文介绍了一种新型多功能输入输出通道电路在工控行业的典型应用，旨在实现行业内控制系统具备更灵活的数据采集和输出功能，与此同时，该新型电路已在公司LK项目中成功应用，进一步提高了国产控制技术自动化水平的效率，加速推动中国实现工业控制的数字化、信息化和智能化的可持续性发展，并助力实现国家智能制造以及工业4.0的愿景。

作者：孙任贵 王辉 王建民 单位：北京和利时智能技术有限公司