一种开关量信号通道扩展系统和方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关量信号通道扩展系统和方法。

背景技术

电力电子控制系统中的开关量本质上等同一对触点，这一对触点之间有闭合或者断开这2个状态，闭合对应数字信号的1，断开对应数字信号的0，这一对触点传达的信息就是一个开关量信号。

开关量信号具体可以分为开关量输入信号和开关量输出信号。其中，开关量输入信号具体是现场设备的按钮状态、开关的分合状态、告警信号等信号的集合。开关量输出信号具体是电力电子控制平台发出的用于控制开关分合、风扇的启停、故障报警等信号的集合。电力电子控制系统的控制部分一般采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)与现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)结合的方式，DSP通过总线和FPGA通信，FPGA的I/O管脚可以输入或输出开关量信号，每一个I/O管脚对应一个开关量输入信号或开关量输出信号。目前常见的FPGA有上百个管脚，但除去和其他芯片的总线连接、外设连接、其它功能占用等，真正可以用的个I/O管脚数目较少，当电力电子系统中采集的状态量和发出的控制信号比较多的情况下，FPGA的I/O管脚数量则不够用。然而拥有上千个I/O管脚的FPGA则成本很高，且会造成部分管脚的浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术中管脚不够用和管脚浪费的缺点，本申请提供一种开关量信号通道扩展系统，包括FPGA、数据总线和多个转换模块，所述FPGA通过所述数据总线与所述多个转换模块中的每个转换模块连接；

所述FPGA的I/O管脚包括第一I/O管脚、第二I/O管脚和第三I/O管脚，所述第二I/O管脚的数量和所述第三I/O管脚的数量与所述转换模块的数量相等；

所述第一I/O管脚用于传输开关量输入信号和开关量输出信号，所述第二I/O管脚用于指示所述FPGA输入所述开关量输入信号或输出所述开关量输出信号时对应的转换模块导通，所述第三I/O管脚用于指示通过所述转换模块的所述开关量输入信号或所述开关量输出信号的方向。

所述第一I/O管脚的数量为m，所述第二I/O管脚和所述第三I/O管脚的数量均为n，所述FPGA输入的所述开关量输入信号或输出的所述开关量输出信号数量为mn。

所述转换模块为型号为SN74ALVC164245的芯片。

当所述FPGA输出所述开关量输出信号时，所述系统还包括锁存模块；

所述锁存模块的数目与所述转换模块数目相同，用于将所述转换模块转换后的开关量输出信号进行锁存。所述锁存模块为型号为SN74HC273N的芯片。

所述开关量输入信号来自于现场设备，所述现场设备与所述转换模块连接。

所述开关量输入信号来自于现场设备，所述现场设备与所述转换模块连接。

所述锁存模块与所述现场设备之间设有隔离模块；

所述隔离模块的数量与所述转换模块数量相同，用于实现所述扩展系统与所述现场设备之间的电气隔离。

所述隔离模块将来自于所述现场设备的第一电压等级的电压进行转换，得到第二电压等级的电压；

所述转换模块将所述第二电压等级的电压进行转换，得到第三电压等级的电压，并将所述第三电压等级的电压提供给所述FPGA。

所述转换模块将来自于所述FPGA的第三电压等级的电压进行转换，得到第二电压等级的电压；

所述隔离模块通过所述锁存模块接收所述第二电压等级的电压，并将所述第二电压等级的电压进行转换，得到第一电压等级的电压，之后将所述第一电压等级的电压提供给所述现场设备。

另一方面，本申请还提供了一种电力电子控制平台的开关量信号扩展方法，包括：

当所述FPGA输入开关量输入信号时，所述FPGA中多个第二I/O管脚中的其中一个第二I/O管脚和多个第三I/O管脚中的其中一个第三I/O管脚控制与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块导通，并控制所述转换模块将所述开关量输入信号进行转换，之后将转换后的开关量输入信号通过数据总线传输至所述FPGA的第一I/O管脚；

当所述FPGA输出开关量输出信号时，所述FPGA中多个第二I/O管脚中的其中一个第二I/O管脚和多个第三I/O管脚中的其中一个第三I/O管脚控制与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块导通，且所述FPGA的第一I/O管脚将所述开关量输出信号传输给与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块，之后通过所述转换模块将所述开关量输出信号进行转换，得到将转换后的开关量输出信号。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本申请提供的开关量信号通道扩展系统包括FPGA、数据总线和多个转换模块，FPGA通过数据总线与所述多个转换模块中的每个转换模块连接；FPGA的I/O管脚包括第一I/O管脚、第二I/O管脚和第三I/O管脚，第二I/O管脚的数量和所述第三I/O管脚的数量与所述转换模块的数量相等；第一I/O管脚用于传输开关量输入信号和开关量输出信号，第二I/O管脚用于指示FPGA输入所述开关量输入信号或输出所述开关量输出信号时对应的转换模块导通，第三I/O管脚用于指示通过所述转换模块的所述开关量输入信号或所述开关量输出信号的方向，通过FPGA中I/O管脚的分时复用实现开关量输入信号和开关量输出信号的传输，避免I/O管脚的浪费，并通过转换模块实现开关量信号通道的扩展。

本申请中的控制模块输出开关量输出信号时，通过锁存模块对开关量输出信号进行锁存，并将开关量输出信号持续传输给现场设备，当控制模块输出新的开关量输出信号时，锁存器更新开关量输出信号，并实现了更新后的开关量输出信号的保持。

本申请利用FPGA较少的端口提供了多个开关量信号通道，并且可根据实际需求，通过调整转换模块的个数实现开关量信号通道数量的扩展。

附图说明

图1是本申请实施例中开关量信号通道扩展系统结构图；

图2是本申请实施例中开关量信号通道扩展系统扩展48路开关量输入信号示意图；

图3是本申请实施例中开关量信号通道扩展系统与现场设备一种连接示意图；

图4是本申请实施例中开关量信号通道扩展系统扩展48路开关量输出信号示意图；

图5是本申请实施例中开关量信号通道扩展系统与现场设备另一种连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请实施例提供一种开关量信号通道扩展系统，如图1所示，包括FPGA、数据总线和多个转换模块(图1中为N个转换模块)，FPGA通过数据总线与多个转换模块中的每个转换模块连接；

FPGA的I/O管脚包括第一I/O管脚、第二I/O管脚(图1中的CS1-CS3)和第三I/O管脚(图1中的CS4-CS5)，第二I/O管脚的数量和所述第三I/O管脚的数量与所述转换模块的数量相等；

第一I/O管脚用于传输开关量输入信号和开关量输出信号，第二I/O管脚用于指示FPGA输入开关量输入信号或输出开关量输出信号时对应的转换模块导通，也就是说，第二I/O管脚用于控制转换模块导通或使转换模块呈现高阻态(即转换模块不导通)。第三I/O管脚用于指示通过转换模块的所述开关量输入信号或开关量输出信号的方向，也就是说，第三I/O管脚用于指示通过转换模块的开关量信号的传输方向是由FPGA通过转换模块传输到现场设备，还是由现场设备通过转换模块传输到FPGA，本申请实施例中，将由FPGA通过转换模块传输到现场设备的开关量信号叫做开关量输出信号，将由现场设备通过转换模块传输到FPGA的开关量信号叫做开关量输入信号。

本申请实施例中，由于第二I/O管脚用于指示FPGA输入开关量输入信号或输出开关量输出信号时对应的转换模块导通，第三I/O管脚用于指示通过转换模块的开关量输入信号或开关量输出信号的方向，所以第二I/O管脚的数目和第三I/O管脚的数目相等，设定第一I/O管脚的数量为m，第二I/O管脚和第三I/O管脚的数量均为n，于是满足，FPGA输入的开关量输入信号或输出的开关量输出信号数量为mn。举例来说，第一I/O管脚为16个，第二I/O管脚和第三I/O管脚均为3个，FPGA输入的开关量输入信号或输出的开关量输出信号数量为48个。

图2为开关量信号通道扩展系统扩展48路开关量输入信号示意图。如图2所示，转换模块可以包括第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块(第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块均采用型号为SN74ALVC164245的芯片)。FPGA的16个第一I/O管脚作为16位数据总线，通过16位数据总线实现开关量输入信号在FPGA与转换模块之间的传输(16个数据总线中的每个数据总线代表一个开关量输入信号通道)，也就是说，FPGA有16个与第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块连接的第一I/O管脚，而且，第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块共用这16个第一I/O管脚。同时，FPGA可以包括3个用于控制转换模块导通的第二I/O管脚，具体为图2中的CS1至CS3。FPGA可以包括3个用于控制通过转换模块的开关量信号的方向，具体为图2中的CS4至CS6，也就是说，第三I/O管脚用于控制开关量输入信号从转换模块到FPGA传输或控制开关量输出信号从FPGA到转换模块传输。通过CS1-CS3对应控制第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块导通或呈现高阻态，且通过CS4-CS6控制经过第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块的开关量信号的方向。例如，当CS1和CS4有效、CS2和CS5无效以及CS3和CS6无效时，第一转换模块导通，且第二转换模块且第三转换模块均呈高阻态，开关量输入信号从第一转换模块通过数据总线传输至FPGA的第一I/O管脚。再例如，当CS2和CS5有效、CS1和CS4无效以及CS3和CS6无效时，第二转换模块导通，且第一转换模块且第三转换模块均呈高阻态，开关量输入信号从第二转换模块通过数据总线传输至FPGA的第一I/O管脚。又例如，当CS3和CS6有效、CS1和CS4无效以及CS2和CS5无效时，第三转换模块导通，且第一转换模块且第二转换模块均呈高阻态，开关量输入信号从第三转换模块通过数据总线传输至FPGA的第一I/O管脚。

当FPGA输入开关量输入信号时，开关量输入信号来自于现场设备，在一种实施例中，现场设备与转换模块连接，现场设备将开关量输入信号传输给转换模块。

在另一种实施例中，转换模块与现场设备之间还设有隔离模块，隔离模块的数量与转换模块数量相同，用于实现扩展系统与所述现场设备之间的电气隔离。本申请实施例中开关量信号通道扩展系统与现场设备一种连接示意图如图3所示，如图3所示，转换模块通过隔离模块与现场设备通信，隔离模块可以为三个，分别为图3中的第一隔离模块、第二隔离模块和第三隔离模块，进一步来说，现场设备通过第一隔离模块与第一转换模块连接，现场设备通过第二隔离模块与第二转换模块连接，现场设备还通过第三隔离模块与第三转换模块连接。本申请实施例中，第一隔离模块、第二隔离模块和第三隔离模块均为光隔离器。

控制模块输入开关量输入信号时，隔离模块将来自于现场设备的第一电压等级的电压进行转换，得到第二电压等级的电压。在实际应用中，第一电压等级高于第二电压等级，本申请实施例中，第一电压等级的电压为24V，第二电压等级的电压为5V。

转换模块将第二电压等级的电压进行转换，得到第三电压等级的电压，并将第三电压等级的电压提供给控制模块。在实际应用中，第二电压等级高于第三电压等级，本申请实施例中，第三电压等级的电压为3.3V。

本申请上述实施例使用了FPGA的22个I/O管脚(包括16个第一I/O管脚、3个第二I/O管脚和3个第三I/O管脚)，扩展出48路开关量输入信号，节省了FPGA中大量的I/O管脚。且本申请上述实施例中每增加一个FPGA的第二I/O管脚或第三I/O管脚作为片选信号则可以再扩展出16路开关量输入信号，极大方便了后续扩展需求。

在另一种实施例中，当控制模块输出开关量输出信号时，本申请实施例提供的开关量信号通道扩展系统还包括与转换模块数量相同的锁存模块，锁存模块连接于转换模块与现场设备之间，用于将转换后的开关量输出信号进行锁存，并将转换后的开关量输出信号传输给现场设备。

图4为开关量信号通道扩展系统扩展48路开关量输出信号示意图。如图4所示，转换模块可以包括第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块(第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块均采用SN74ALVC164245芯片)，锁存模块包括第一锁存模块、第二锁存模块和第三锁存模块(第一锁存模块、第二锁存模块和第三锁存模块均采用SN74HC373N芯片)。FPGA的16个第一I/O管脚作为16位数据总线，通过16位数据总线实现开关量输出信号在FPGA与转换模块之间的传输(16个数据总线中的每个数据总线代表一个开关量输出信号通道)，也就是说，FPGA有16个与第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块连接的第一I/O管脚，而且，第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块共用这16个第一I/O管脚。同时，FPGA还有3个用于控制转换模块的第三I/O管脚，同时，FPGA可以包括3个用于控制转换模块导通的第二I/O管脚，具体为图4中的CS1至CS3，也就是说，第二I/O管脚用于控制转换模块导通或使转换模块呈现高阻态(即转换模块不导通)，FPGA可以包括3个用于控制通过转换模块的开关量信号的方向，具体为图4中的CS4至CS6，也就是说，第三I/O管脚用于控制开关量输入信号从转换模块到FPGA传输或控制开关量输出信号从FPGA到转换模块传输。通过CS1-CS3对应控制第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块导通或呈现高阻态，且通过CS4-CS6用于控制经过第一转换模块、第二转换模块和第三转换模块的开关量信号的方向。例如，通过FPGA控制CS4和CS1有效、CS5和CS2无效以及CS3和CS6无效时，第一转换模块导通，且第二转换模块且第三转换模块均呈高阻态，FPGA将开关量输出信号通过数据总线传输给第一转换模块，并通过第一锁存模块将开关量输出信号进行锁存，保持开关量输出信号并直至有新的开关量输出信号产生。再例如，通过FPGA控制CS2和CS5有效、CS4和CS1无效以及CS3和CS6无效时，第二转换模块导通，且第一转换模块且第三转换模块均呈高阻态，FPGA通过数据总线将开关量输出信号传输给第二转换模块，并通过第二锁存模块将开关量输出信号进行锁存，保持开关量输出信号并直至有新的开关量输出信号产生。又例如，通过FPGA控制CS3和CS6有效、CS1和CS4无效以及CS2和CS5无效时，第三转换模块导通，且第一转换模块且第二转换模块均呈高阻态，FPGA通过数据总线将开关量输出信号传输给第三转换模块，并通过第三锁存模块将开关量输出信号进行锁存，保持开关量输出信号并直至有新的开关量输出信号产生。

锁存模块与现场设备之间设有隔离模块；隔离模块的数量与转换模块数量相同，用于实现扩展系统与现场设备之间的电气隔离。本申请实施例中开关量信号通道扩展系统与现场设备一种连接示意图如图5所示，如图5所示，转换模块通过隔离模块与现场设备通信，隔离模块可以为三个，分别为图5中的第一隔离模块、第二隔离模块和第三隔离模块。进一步来说，图5中的第一转换模块通过第一隔离模块与现场设备连接，第二转换模块通过第二隔离模块与现场设备连接，且第三转换模块通过第三隔离模块与现场设备连接。本申请实施例中，第一隔离模块、第二隔离模块和第三隔离模块均为光隔离器。

FPGA输出开关量输出信号时，转换模块将来自于FPGA的第三电压等级的电压进行转换，得到第二电压等级的电压；在实际应用中，第二电压等级高于第三电压等级，本申请实施例中，第三电压等级的电压为3.3V，第二电压等级的电压为5V。

隔离模块通过锁存模块接收第二电压等级的电压，并将第二电压等级的电压进行转换，得到第一电压等级的电压，之后将第一电压等级的电压提供给现场设备。在实际应用中，第一电压等级高于第二电压等级。本申请实施例中，第一电压等级为24V。

本申请上述实施例使用了FPGA的22个I/O管脚(包括16个第一I/O管脚、3个第二I/O管脚(图1-图5中的CS1-CS3)和3个第三I/O管脚(图1-图5中的CS4-CS6))，扩展出48路开关量输出信号，节省了FPGA中大量的I/O管脚。且本申请上述实施例中每增加一个FPGA的第二I/O管脚或第三I/O管脚作为片选信号则可以再扩展出16路开关量输出信号，极大方便了后续扩展需求。

本申请实施例还提供一种电力电子控制平台的开关量信号扩展方法，包括：

当FPGA输入开关量输入信号时，FPGA中多个第二I/O管脚中的其中一个第二I/O管脚和多个第三I/O管脚中的其中一个第三I/O管脚控制与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块导通，并控制转换模块将开关量输入信号进行转换，之后将转换后的开关量输入信号通过数据总线传输至FPGA的第一I/O管脚。举例来说，当FPGA输入开关量输入信号时，FPGA中三个第二I/O管脚(图1-图5中的CS1-CS3)中的第一个第二I/O管脚(图1-图5中的CS1)和三个第三I/O管脚(图1-图5中的CS4-CS6)中的第一个第三I/O管脚(图1-图5中的CS4)控制与该第二I/O管脚(即CS1)和该第三I/O管脚(即CS4)连接的转换模块导通，并控制转换模块将开关量输入信号进行转换，之后将转换后的开关量输入信号通过数据总线传输至FPGA的第一I/O管脚。

当FPGA输出开关量输出信号时，FPGA中多个第二I/O管脚中的其中一个第二I/O管脚和多个第三I/O管脚中的其中一个第三I/O管脚控制与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块导通，且FPGA的第一I/O管脚将开关量输出信号传输给与该第二I/O管脚和该第三I/O管脚连接的转换模块，之后通过转换模块将开关量输出信号进行转换，得到将转换后的开关量输出信号。举例来说，当FPGA输出开关量输出信号时，FPGA中三个第二I/O管脚(图1-图5中的CS1-CS3)中的第一个第二I/O管脚(图1-图5中的CS1)和三个第三I/O管脚(图1-图5中的CS4-CS6)中的第一个第三I/O管脚(图1-图5中的CS4)控制与该第二I/O管脚(即CS1)和该第三I/O管脚(即CS4)连接的转换模块导通，且FPGA的第一I/O管脚将开关量输出信号传输给与该第二I/O管脚(即CS1)和该第三I/O管脚(即CS4)连接的转换模块，之后通过转换模块将开关量输出信号进行转换，得到将转换后的开关量输出信号。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。