一种输入限流保护的模拟量输入系统

技术领域

本发明涉及DCS控制系统技术领域，尤其涉及一种输入限流保护的模拟量输入系统。

背景技术

现有DCS控制系统(Distributed Control System，分布式控制系统)中，模拟量电流(如4mA～20mA)输入系统常用于对生产现场及公用工程的执行机构进行数据采样，一般驱动电压为24V。由于执行机构短路损坏、工程人员短路误接或电压误接，会导致模拟量电流输入系统内部的压降较大，以至于大量的功率消耗在模拟量电流输入系统内部，造成器件损坏。当带有限流保护的系统，电流基本消耗在电流调整管上，如此不仅造成大量电能的浪费，而且使得模拟量电流输入系统的内部温度大幅度升高，大大缩短电子元器件寿命，使系统容易产生各种故障，降低了系统的可靠性。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种输入限流保护的模拟量输入系统，其解决了现有电流输入模块内部功耗高的问题技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种输入限流保护的模拟量输入系统，包括：

至少一个用于连接外部AI仪表并为外部AI仪表提供采集电流的通道电路以及与每一所述通道电路连接的采样控制电路；

其中，所述采样控制电路用于按照预先指定的控制周期采集任一所述通道电路的电压值，并根据所采集的电压值控制所述通道电路的开关。

优选地，每一所述通道电路包括：第一电路、第二电路、第三电路以及分别与所述第二电路和所述第三电路连接的控制开关电路；

所述控制开关电路还与所述采样控制电路连接，用于在所述采样控制电路的控制下关闭或者开启第二电路。

优选地，所述第一电路包括：第一接线端子以及第一二极管；

其中，所述第一二极管的负极与所述第一接线端子连接；所述第一二极管的正极与24伏电压连接；

所述第二电路包括：依次连接的第二接线端子、第二二极管、第一电阻、第一MOS管、第二电阻、第三电阻；

其中所述第二接线端子与所述第二二极管的正极连接；

其中所述第三电阻的一端与所述第二电阻连接，所述第三电阻的另一端接地；

所述第一MOS管的漏极与所述第一电阻连接；

所述第一MOS管的源极与所述第二电阻连接；

所述第一MOS管的栅极与所述控制开关电路连接；

所述第三电路包括：第三接线端子，其中所述第三接线端子接地；

所述控制开关电路包括：第二MOS管、第四电阻、第五电阻、第六电阻；

所述第二MOS管的漏极与所述第四电阻的一端连接；

所述第四电阻的另一端与预先设定的电压Vg连接；

所述第二MOS管的源极与所述第三电路的第三接线端子连接；

所述第二MOS管的栅极分别与所述第五电阻的一端以及第六电阻的一端连接；

所述第五电阻的另一端连接3.3伏电压；

所述第六电阻的另一端与所述采样控制电路连接。

优选地，所述采样控制电路包括：依次连接的数据采集单元、控制单元；

其中，所述数据采集单元用于采集任一所述通道电路的电压值，并将该通道电路的电压值发送至所述控制单元；

所述控制单元根据所述通道电路的电压值和预先设定值，向所述所述控制开关电路发出关闭或者开启的信号；

其中，若控制开关电路接收到关闭信号后，则打开第二MOS管，使得第一MOS管的栅极拉低，从而关断了第一MOS管；

若控制开关电路接收到开启信号后，则第二MOS管关闭，使得第一MOS管的栅极提高，从而开启了第一MOS管。

优选地，所述数据采集单元与所述第二电路中的第一连接接口连接；

所述第一连接接口在所述第二电阻和第三电阻之间。

优选地，每一所述通道电路还包括二阶低通滤波电路；

所述二阶低通滤波电路的一端与所述第二电路中的第一连接接口连接；

所述第一连接接口在所述第二电阻和第三电阻之间；

所述二阶低通滤波电路的另一端与所述数据采集单元连接。

优选地，每一所述通道电路还包括第四电路；

其中所述第四电路包括：第一电容和与其连接的HART电路；

其中，第一电容的一端与所述第二二极管的正极连接；

所述第一电容的另一端与所述HART电路输入端连接；

所述HART电路的输出端与所述采样控制电路的控制单元连接。

优选地，其中，与第四电阻连接的预先设定的电压Vg满足：

Vg＞24mA(R2+R3)+V

V

优选地，所述控制单元根据所述通道电路的电压值和预先设定值，向所述所述控制开关电路发出关闭或者开启的信号，具体包括：

控制单元判断所述通道电路的电压值是否大于预先设定值，得到判断结果；

所述判断结果为所述通道电路的电压值大于预先设定值，则控制单元在预先设定的导通周期TC之后，发出关闭的信号；并在发出关闭信号之后的预先设定时间段后，发出开启信号；

所述预先设定时间段为指定的控制周期减去导通周期TC后剩余的时间。

优选地，所述判断结果为所述通道电路的电压值小于等于预先设定值，则控制单元发出开启信号。

本发明的有益效果是：本发明的一种输入限流保护的模拟量输入系统，由于采用采样控制电路采集任一所述通道电路的电压值，并根据所采集的电压值控制所述通道电路的开关，相对于现有技术而言，其可以防止通道电路中MOS管过热损坏，保持通道电路在过流时发热较小，可靠性较高。

附图说明

图1为本发明的一种输入限流保护的模拟量输入系统示意图；

图2为本发明实施例中的一种输入限流保护的模拟量输入系统示意图；

图3为本发明实施例中的又一种输入限流保护的模拟量输入系统示意图；

图4为本发明实施例中的另一种输入限流保护的模拟量输入系统示意图；

图5为本发明实施例中的再一种输入限流保护的模拟量输入系统示意图；

附图标记说明

A：第一接线端子；

B：第二接线端子；

C：第三接线端子；

D1：第一二极管；

D2：第二二极管；

R1：第一电阻；

Q1：第一MOS管；

R2：第二电阻；

R3：第三电阻；

Q2：第二MOS管；

R4：第四电阻；

R5：第五电阻；

R6：第六电阻；

C1：第一电容；

R7：第七电阻；

R8：第八电阻；

C2：第二电容；

C3：第三电容。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1，本实施例提供一种输入限流保护的模拟量输入系统，包括：

至少一个用于连接外部AI仪表并为外部AI仪表提供采集电流的通道电路以及与每一所述通道电路连接的采样控制电路。

其中，所述采样控制电路用于按照预先指定的控制周期采集任一所述通道电路的电压值，并根据所采集的电压值控制所述通道电路的开关。

具体的，每一所述通道电路包括：第一电路、第二电路、第三电路以及分别与所述第二电路和所述第三电路连接的控制开关电路。

所述控制开关电路还与所述采样控制电路连接，用于在所述采样控制电路的控制下关闭或者开启第二电路。

参见图2，本实施例中所述第一电路包括：第一接线端子A以及第一二极管D1。

其中，所述第一二极管D1的负极与所述第一接线端子A连接；所述第一二极管D1的正极与24伏电压连接；

所述第二电路包括：依次连接的第二接线端子B、第二二极管D2、第一电阻R1、第一MOS管Q1、第二电阻R2、第三电阻R3；

其中所述第二接线端子B与所述第二二极管D2的正极连接；

其中所述第三电阻R3的一端与所述第二电阻R2连接，所述第三电阻R3的另一端接地；

所述第一MOS管Q1的漏极与所述第一电阻R1连接；

所述第一MOS管Q1的源极与所述第二电阻R2连接；

所述第一MOS管Q1的栅极与所述控制开关电路连接；

本实施例中，第一二极管D1、第二二极管D2二极管为防反接功能。当第一接线端子A和第二接线端子B接入正电压时，防止反向流入24V，第一二极管D1截止保护。当第二接线端子B和第三接线端子C接入负电压时，第二二极管D2反向截止，起到了保护电路的作用。

所述第三电路包括：第三接线端子C，其中所述第三接线端子接地；

所述控制开关电路包括：第二MOS管Q2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；

所述第二MOS管Q2的漏极与所述第四电阻R4的一端连接；

所述第四电阻R4的另一端与预先设定的电压Vg连接；

所述第二MOS管Q2的源极与所述第三电路的第三接线端子C连接；

所述第二MOS管Q2的栅极分别与所述第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接；

所述第五电阻R5的另一端连接3.3伏电压；

所述第六电阻R6的另一端与所述采样控制电路连接。

本实施例中控制开关电路中，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第二MOS管Q2为控制第一MOS管Q1开关的电路。当控制开关电路接收到控制单元的关闭信号后，则打开第二MOS管，使得第一MOS管的栅极拉低，从而关断第一MOS管；若控制开关电路接收到控制单元的开启信号后，则第二MOS管关闭，使得第一MOS管的栅极提高，从而开启第一MOS管。

第四电阻R4的作用是当刚上电，控制开关电路的电平不确定时，给与一个确定电平，使通道保持关闭。

本实施例中，每一所述通道电路都有3个接线端子(第一接线端子A、第二接线端子B、第三接线端子C)，当使用第一接线端子A和第二接线端子B时，连接的外部AI仪表可以是无源AI仪表。当使用第二接线端子B和第三接线端子C时，连接的外部AI仪表可以是有源AI仪表。

无源AI仪表：无源AI仪表是指没有内部信号源的仪表。它通常仅用于测量外部提供的模拟信号，并将其传输到接收设备。无源AI仪表依赖于外部信号源，例如4-20mA或0-10V信号，以进行测量和传输。此类仪表不能主动产生信号，仅能对外部信号进行测量和报告。有源AI仪表：有源AI仪表是指具有内部信号源的仪表。它们能够主动产生模拟信号，并将其传输到其他设备。有源AI仪表通常具有内置的电流或电压源，可以模拟或仿真特定的测量信号。这种仪表可以用于模拟测量或校准其他设备，以及进行诊断和测试。

本实施例中，第一MOS管Q1器件可以选择较小的封装，如SOT-23，SOT-23是一种非常常见的小型封装，特别适合于空间有限的应用。它具有三个引脚，可以容纳较小的MOS管器件，如低功耗MOS管，价格较低。而第二MOS管Q2只作为开关MOS，功率几乎没要求，可以选择更小的SOT363等。SOT363是一种非常小型的封装，通常用于低功率和小型电路应用。它具有六个引脚，适合于集成电路的小封装需求。

参见图2，本实施例中所述采样控制电路包括：依次连接的数据采集单元、控制单元；

在本实施例中，数据采集单元包括MUX和ADC。本实施例中的控制单元为MCU。

其中，所述数据采集单元用于采集任一所述通道电路的电压值，并将该通道电路的电压值发送至所述控制单元；

所述控制单元根据所述通道电路的电压值和预先设定值，向所述所述控制开关电路发出关闭或者开启的信号；

其中，若控制开关电路接收到关闭信号后，则打开第二MOS管，使得第一MOS管的栅极拉低，从而关断第一MOS管；

若控制开关电路接收到开启信号后，则第二MOS管关闭，使得第一MOS管的栅极提高，从而开启第一MOS管。

参见图2，本实施例中所述数据采集单元与所述第二电路中的第一连接接口连接；

所述第一连接接口在所述第二电阻和第三电阻之间。

参见图3，在另一种实施方式中，每一所述通道电路还包括二阶低通滤波电路。

所述二阶低通滤波电路的一端与所述第二电路中的第一连接接口连接。

所述第一连接接口在所述第二电阻和第三电阻之间。

所述二阶低通滤波电路的另一端与所述数据采集单元连接。

参见图3，本实施例中的二阶低通滤波电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2、第三电容C3，本实施例中，第七电阻R7的第一端与第一连接接口连接，第七电阻R7的第二端分别与第八电阻R8的第一端和第二电容C2的第一端连接；第八电阻R8的第二端分别与第三电容C3的第一端和数据采集单元连接；第二电容C2的第二端和第三电容C3的第二端均接地。

本实施例中的二阶低通滤波电路，其作用为作为外部AI仪表常规采样的数据进行滤波，使卡件输入信号稳定。又由于控制单元的响应速度不能过慢，需要选取一个合理的截止频率，如100Hz。而本实施例中的二阶低通滤波电路正好可以达到这个效果。

在本实施例的实际应用中，参见图4和图5，每一所述通道电路还包括第四电路；

其中所述第四电路包括：第一电容C1和与其连接的HART电路；其中，第一电容C1的一端与所述第二二极管的正极连接；所述第一电容C1的另一端与所述HART电路输入端连接；所述HART电路的输出端与所述采样控制电路的控制单元连接。

本实施例中的HART(Highway Addressable Remote Transducer)电路是一种用于工业自动化领域的通信协议。它在4-20mA模拟信号基础上增加了数字通信的能力，使得仪表和控制设备之间可以双向传输数据。在具体应用中，本实施例中的HART电路采集的数据传输给控制单元，然后控制单元可以对HART电路采集的数据进行处理然后传输给与该控制单元连接的上位机。

在本实施例中，其中，与第四电阻连接的预先设定的电压Vg满足：

Vg＞24mA(R2+R3)+V

V

Vg实际为第二MOS管的硬件限流电压，设通道电路的电流为I，则满足公式：I＝(Vg－V

其中，V

设I＝30mA，满足外部AI仪表0-24mA的需求。假设R1+R2+R3为250Ω，满足HART卡件的输入阻抗要求。

第一MOS管的开启电压V

举例说明，若R2+R3＝200Ω，如果V

Vg＝200*25/1000+2.5＝7.5V，此时Imax＝25mA。

又假如第一MOS管有V

在本实施例中，所述控制单元根据所述通道电路的电压值和预先设定值，向所述所述控制开关电路发出关闭或者开启的信号，具体包括：

控制单元判断所述通道电路的电压值是否大于预先设定值，得到判断结果；在本实施例中预先设定值为第三电阻R3所对应的电压值。

所述判断结果为所述通道电路的电压值大于预先设定值，则控制单元在预先设定的导通周期TC之后，发出关闭的信号；并在发出关闭信号之后的预先设定时间段后，发出开启信号。

在本实施例中导通周期TC为60ms，指定的控制周期为500ms。

所述预先设定时间段为指定的控制周期减去导通周期TC后剩余的时间。

所述判断结果为所述通道电路的电压值小于等于预先设定值，则控制单元发出开启信号。

本实施例中在每一个指定的控制周期内，根据所述通道电路的电压值和预先设定值，向所述所述控制开关电路发出关闭或者开启的信号，使得第二MOS管关闭或开启。如此反复循环，保持通道电路在过流时发热较小，可靠性较高。而在通道电流恢复正常时，通道保持开通，保证外部AI仪表正常运行。

本实施例的一种输入限流保护的模拟量输入系统，由于采用采样控制电路采集任一所述通道电路的电压值，并根据所采集的电压值控制所述通道电路的开关，相对于现有技术而言，其可以防止通道电路中MOS管过热损坏，保持通道电路在过流时发热较小，可靠性较高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。