一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路

技术领域

本申请涉及工业自动化控制的领域，尤其是涉及一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路。

背景技术

工业光总线控制系统主要面向流程行业中超大型项目的应用需求，可以适用于DCS和SCADA的应用场合。

集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。分散控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。

DCS系统在工业自动化控制领域使用非常广泛。随着在工业自动化控制领域的现场控制设备越来越繁杂，DCS系统需要设计的模块种类也越来越多。DCS系统中的模块一般按照外部接入信号类型来定义模块类型，一般可分为8路模拟量输入模块、16路模拟量输入模块、8路模拟量输出模块、16路模拟量输出模块、16路数字量输入模块、32路数字量输入模块、16路数字量输出模块、32路数字量输出模块。

而实际应用现场的一套设备往往只有十几个仪器仪表，而这些仪器仪表又有数字量输入(DI)、数字量输出(DO)、模拟量输入(AI)和模拟量输出(AO)的信号需要接入到DCS中。

参照附图1，现有的模拟量输入(AI)模块包括MCU、电源(Power)、ADC以及通道部分；四线制模拟量设备接线时，需要接B端和D端，四线制模拟量设备的输出电流先经过B端，再经过采样电阻，最后从D端回流到自身内部；二线制模拟量设备接线时，需要接A端和B端，二线制模拟量设备的供电时由模块提供，故电流由A端流出，再经过外部设备，接着经过B端，然后经过采样电阻，最后回流到模块内部。

参照图2，现有的模拟量输出(AO)模块包括MCU、电源(Power)、DAC、通道部分，设备接线时，需要接B端和D端。模拟量电流信号经过由B端流出，再经过外部设备，接着经过D端，最后回流到模块内部。

参照图3，现有的数字量输入(DI)模块包括MCU、电源(Power)、通道部分，外部设备主要有湿接点接法和干接点接法的设备，湿接点接法的设备接线时，需要接C端和D端。设备自身内部有一个电源，输出电流先经过C端，再经过模块内部的检测电路，最后从D端回流到自身内部。干接点接法的设备接线时，需要接A端和C端。模块需要向外部设备提供一个激励电流，激励电流由A端流出，再经过外部设备，接着经过C端，然后经过检测电路，最后回流到模块内部。

参照图4，现有的数字量输出(DO)模块包括MCU、电源(Power)、通道部分，设备接线时，需要接C端和D端。外部设备需要模块提供电源或者激励电流时，电流先经过控制输出电路，再经过C端，接着流过外部设备，然后经过D端，最后回流到模块内部。

在这种情况下，往往需要4～6个模块才能满足实际的功能需要，而多数模块只用到了2～4通道，对于硬件资源的浪费及其严重。同时由于模块功能不同，导致外部接入信号的端子较多，每个接入信号的端子定义也各不相同，导致接线方式也较为复杂，因此有待改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请提供了一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路，旨在解决上述问题。

一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路，包括：

通道模块，用于连接外部设备；

A/D转换器，用于采集通道模块的电压；

MCU，用于读取A/D转换器转换好的数据、向D/A转换器写入数据；

D/A转换器，用于将MCU写入的数据转换为模拟电压；

电源，用于给A/D转换器、D/A转换器以及MCU供电；

所述通道模块均包括控制输出电路、电压转电流电路、电流转电压电路以及两个接线端子，两个所述接线端子分别为C端和D端，所述C端和D端均与电流转电压电路连接，MCU与控制输出电路连接，控制输出电路与电源连接，所述控制输出电路和电压转电流电路均与电流转电压电路连接，所述D/A转换器与电压转电流电路连接，所述电流转电压电路与A/D转换器连接。

可选的，所述通道模块还包括保护电路，所述C端和D端与保护电路连接。

可选的，所述通道模块还包括开关S1以及两个连接触点，所述连接触点包括触点一以及触点二，所述触点一与MCU连接，所述触点二与电源连接，所述开关S1设置于保护电路和电流转电压电路之间。

可选的，所述通道模块设有16个。

可选的，所述通道模块设有32个。

本申请还提供一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路的接线方法，具体如下：

当外部设备为四线制模拟量输入的设备时，将通道模块内部的开关S1闭合在触点一上，通道模块启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，四线制设备的电流方向由C端流入到整体模块内，再经过电流转电压电路，最后经过D端回流到外部设备；

当外部设备为模拟量输出的设备时，通道内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用电压转电流电路，关闭电流转电压电路和控制输出电路，模拟量输出设备由模块的电源供电，故电流方向经过电压转电流电路，再经过C端流出，接着经过外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

当外部设备为数字量湿接点的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，外部设备的输出信号由设备内部的电源自身提供，电流经过C端输入到模块内部，再经过电流转电压电路，最后经过D端回流到外部设备；

当外部设备为数字量干接点的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用电流转电压电路和电压转电流电路，关闭控制输出电路，外部设备的输出信号需要模块提供一个激励电流，激励电流由电压转电流电路提供，电流经过电压转电流电路从C端输出到外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

当外部设备为数字量输出的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用控制输出电路，关闭电流转电压电路和电压转电流电路，数字量输出设备由模块的电源供电，故电流方向经过控制输出电路，再经过C端流出，接着经过外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

当外部设备为二线制模拟量输入的设备时，通道模块内部的开关S1闭合在触点二上，通道启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，二线制设备由模块的电源供电，故电流方向由D端流出，再经过外部设备，接着经过C端回流到整体模块内部。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、解决模块类型繁杂的情况，提高模块的通用性，降低整体的硬件成本，从而节约生产成本，降低管理成本和维护成本高。

2、解决接线端子多和接线复杂的问题，将4个接线端子A、B、C、D减少到2个接线端子C、D，方便接线，省时省力。

附图说明

图1是现有技术中模拟量输入设备与模块连接的结构框图。

图2是现有技术中模拟量输出设备与模块连接的结构框图。

图3是现有技术中数字量输入设备与模块连接的结构框图。

图4是现有技术中数字量输出设备与模块连接的结构框图。

图5是本申请实施例的结构框图。

图6是本申请实施例中四线制模拟量输入设备接线方式的结构框图。

图7是本申请实施例中模拟量输出设备接线方式的结构框图。

图8是本申请实施例中数字量湿接点输入设备接线方式的结构框图。

图9是本申请实施例中数字量干接点输入设备接线方式的结构框图。

图10是本申请实施例中数字量输出设备接线方式的结构框图。

图11是本申请实施例中二线制模拟量输入设备接线方式的结构框图。

图12是本申请实施例中保护电路的电路图。

图13是本申请实施例中控制输出电路的电路图。

图14是本申请实施例中电压转电流电路的电路图。

图15是本申请实施例中电流转电压电路的电路图。

图16是本申请实施例中开关S1的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施方式，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请实施例公开一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路。参照图5，包括通道模块、A/D转换器、MCU、D/A转换器以及电源。通道模块用于连接外部设备，A/D转换器用于采集通道模块的电压；MCU用于读取A/D转换器转换好的数据、向D/A转换器写入数据；D/A转换器，用于将MCU写入的数据转换为模拟电压；电源用于给A/D转换器、D/A转换器以及MCU供电。通道模块均包括控制输出电路、电压转电流电路、保护电路、电流转电压电路以及两个接线端子，两个接线端子分别为C端和D端，C端和D端均与电流转电压电路连接，MCU与控制输出电路连接，控制输出电路与电源连接，控制输出电路和电压转电流电路均与电流转电压电路连接，D/A转换器与电压转电流电路连接，电流转电压电路与A/D转换器连接，保护电路与C端和D端连接。优选的，通道模块可以根据实际需要设为16个或32个。

参照图5，通道模块还包括开关S1以及两个连接触点，连接触点包括触点一以及触点二，触点一与MCU连接，触点二与电源连接，开关S1设置于保护电路和电流转电压电路之间。人们能够根据接入的外部设备类型，调整开关S1，使得开关S1与其中一个连接触点接触，从而使得通道模块能够适配不同的外部设备。

本申请还提供一种用于工业光总线控制系统的前置I/O信号调理电路的接线方法，具体如下：

参照图5和图6，当外部设备为四线制模拟量输入的设备时，将通道模块内部的开关S1闭合在触点一上，通道模块启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，四线制设备的电流方向由C端流入到整体模块内，再经过电流转电压电路，最后经过D端回流到外部设备；

参照图5和图7，当外部设备为模拟量输出的设备时，通道内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用电压转电流电路，关闭电流转电压电路和控制输出电路，模拟量输出设备由模块的电源供电，故电流方向经过电压转电流电路，再经过C端流出，接着经过外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

参照图5和图8，当外部设备为数字量湿接点的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，外部设备的输出信号由设备内部的电源自身提供，电流经过C端输入到模块内部，再经过电流转电压电路，最后经过D端回流到外部设备；

参照图5和图9，当外部设备为数字量干接点的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用电流转电压电路和电压转电流电路，关闭控制输出电路，外部设备的输出信号需要模块提供一个激励电流，激励电流由电压转电流电路提供，电流经过电压转电流电路从C端输出到外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

参照图5和图10，当外部设备为数字量输出的设备时，通道模块内部的开关S1需要闭合在触点一上，通道模块启用控制输出电路，关闭电流转电压电路和电压转电流电路，数字量输出设备由模块的电源供电，故电流方向经过控制输出电路，再经过C端流出，接着经过外部设备，最后经过D端回流到整体模块内部；

参照图5和图11，当外部设备为二线制模拟量输入的设备时，通道模块内部的开关S1闭合在触点二上，通道启用电流转电压电路，关闭电压转电流电路和控制输出电路，二线制设备由模块的电源供电，故电流方向由D端流出，再经过外部设备，接着经过C端回流到整体模块内部。

参照图12，保护电路包括二极管DZ1和电容C1，二极管DZ1的一端与C端连接、另一端与D端连接，电容C1的一端与C端连接、另一端与D端连接。保护电路用于保护内部其他电路不受到损坏。当外部输入电压过高时，二极管DZ1可以起到防护作用。

参照图13，控制输出电路包括电阻R1、电阻R3、电阻R5、场效应管Q2以及三极管Q3。电阻R1的一端与电源连接、另一端与电阻R3连接，场效应管Q2的漏极与C端连接、源极与电源连接、栅极与电阻R3连接。电阻R5的一端与MCU的CH DO端口连接、另一端与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极接地。控制输出电路为数字量输出，用来控制外部的数字量输出设备，主要用来控制外部设备的得电和失电。当CH DO端口为高电平时，C端输出模块中的电源，当CH DO端口为低电平时，C端输出的电压为0。

参照图14，电压转电流电路包括芯片U2、电阻R2、运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻RJ1、电阻RJ2、电阻RJ3、电阻R4、三极管Q1以及三极管Q4。电阻R2的一端与芯片U2的5脚连接、另一端与运算放大器U1A的正输入端连接，运算放大器U1A的负输入端与三极管Q4的发射极连接、输出端与三极管Q4的基极连接。三极管Q4的集电极与电阻RJ2的第一端连接，电阻RJ2的第二端与电源连接。电阻RJ3的一端接地、另一端与三极管Q4的发射极连接。运算放大器U1B的正输入端与三极管Q4的集电极连接、负输入端与电阻RJ1的第一端连接、输出端与电阻R4的第一端连接。电阻R4的第二端与三极管Q1的基极连接。三极管Q1的集电极与C端连接、发射极与电阻RJ1的第一端连接。电阻RJ1的第二端与电源连接。

参照图15，电流转电压电路包括芯片U4、场效应管Q6、电阻R7、电阻R8以及电阻R9，电阻R7一端与C端连接、另一端与芯片U4的4脚连接，电阻R8的一端与C端连接、另一端与场效应管Q6的漏极连接，电阻R9与MCU的CH AI端口连接、另一端与场效应管Q6的栅极连接，芯片U4的5脚与场效应管Q6的源极连接。

参照图16，开关S1的电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、场效应管Q7、三极管Q8以及场效应管Q9。电阻R12一端与MCU的CH VCC端口连接、另一端与三极管Q8的基极连接。三极管Q8的集电极与电阻R11的第一端连接，三极管Q8的发射极接地。电阻R11的第二端与场效应管Q7的栅极连接，电阻R10的一端与电源连接、另一端与电阻R11的第二端连接。场效应管Q7的漏极与D端连接、源极与电源连接。场效应管Q9的漏极与D端连接、源极接地。电阻R13的一端与MCU的CH GND端口连接、另一端与场效应管Q9的栅极连接。

电流转电压电路主要用于采集4--20mA的模拟信号。

当需要采集四线制的4～20mA时，需要先将CH AI端口置为高电平，以使得Q6完全导通；同时需要将开关S1电路中的CH GND端口置为高电平，CH VCC端口置为低电平，其目的是使得D端口与电路的GND连接，最终使得外部设备的电流可以流入到电阻R8上。U4通过采集R8电阻两端的电压，即可得到输入的电流值。

当需要采集二线制的4～20mA时，需要先将端口CH AI置为高电平，以使得Q6完全导通；同时需要将开关S1电路中的CH GND端口置为低电平，CH VCC端口置为高电平，其目的为使得D端可以输出一个模块中电源的电压，该电压用于给外部设备供电，外部设备得电后可以输出模拟信号电流，最终设备输出的电流流入电阻R8上。U4通过采集电阻R8两端的电压，即可得到输入的电流值。

当输入信号为数字量湿接点时，需要先将CH AI端口置为低电平，以使得Q6断开；同时需要将开关S1电路中的CH GND端口置为高电平，CH VCC端口置为高电平，其目的是使得D端与电路的GND连接，那么U4可以直接检测C端和D端的电压变化情况，当C端和D端输入的电压大于一定数值时，即认为输入的DI信号为闭合状态，当C端和D端输入的电压小于一定数值时，即认为输入的DI信号为断开状态。

当输入信号为数字量干接点时，需要先将CH AI端口置为低电平，以使得Q6断开；同时需要将开关S1电路中的CH GND端口置为高电平，CH VCC端口置为高电平，其目的是使得D端与电路的GND连接；再利用电压转电流电路输出一个小电流，当C端和D端接入一个干接点时，如果干接点闭合，那么U4检测的电压一定较小，那么可以认为此时输入的DI信号为闭合状态；如果干接点断开，那么U4检测的电压一定较大，那么可以认为此时输入的DI信号为断开状态。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。