一种功能安全型数字量输入采集电路及其采集、诊断方法
技术领域
本发明涉及一种功能安全型数字量输入采集电路及其采集、诊断方法，属于电气控制技术领域。
背景技术
随着工程机械行业中轮式起重机、高空作业平台等特种车辆对功能安全要求不断提高，普通的工程机械控制器已经不能满足工程机械电气系统功能安全设计和认证的要求，功能安全型控制器将取代普通控制器，来完成普通控制器的基本功能以外，还要完成功能安全相关的功能。
数字量输入采集模块在控制器中的应用相当广泛，目前工程机械用的普通控制器数字量输入采集模块，只能够完成基本的输入采集功能，缺少电路的安全性及故障诊断的能力，当数字量采集模块的电路出现故障时，控制器无法识别此故障，并造成信号采集错误，给工程机械作业带来安全隐患。因而迫切需要提供一种1oo2架构的安全型数字量输入采集电路。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种功能安全型数字量输入采集电路及其采集、诊断方法，以解决现有技术中数字量输入采集电路故障保护能力不足、无故障检测能力的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种功能安全型数字量输入采集电路，包括数字量输入接口、上拉控制电路、信号输入电路、数字量采集MCU电路，数字量输入接口分别通过上拉控制电路和信号输入电路与数字量采集MCU电路电性连接；信号输入电路包括彼此并联且互为反向的数字量输入采集冗余正向通道和数字量输入采集冗余反向通道。
进一步地，数字量输入采集冗余正向通道或/和数字量输入采集冗余反向通道包括彼此串联的单向开关电路、分压限流电路，数字量输入采集冗余正向通道还串联有正向施密特触发器，数字量输入采集冗余反向通道还串联有反向施密特触发器。
进一步地，数字量输入采集冗余正向通道或/和数字量输入采集冗余反向通道还串联有滤波电路、限流电路、过压保护电路中的至少任一项。
进一步地，所述上拉控制电路采用具有反馈电路的上拉参考电压控制电路，所述上拉参考电压控制电路还通过反馈电路与数字量采集MCU电路电性连接。
为达到上述目的，本发明还提供了一种功能安全型数字量输入采集电路的采集方法包括如下步骤：
基于预设定的采集方式，通过数字量输入采集冗余正向通道提取由数字量输入接口输入的外部信号，获取外部信号的正向变换信号；
通过数字量输入采集冗余反向通道提取由数字量输入接口输入的外部信号，获取外部信号的反向变换信号；
将正向变换信号和反向变换信号分别与预设阈值进行比对，判定正向变换信号和反向变换信号的电平状态，所判定的电平状态为低电平或高电平；
如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相反，提取正向变换信号的电平状态作为外部信号的电平状态。
进一步地，所述采集方式包括所输入外部信号高电平有效、所输入外部信号低电平有效。
进一步地，所述采集方式的设定方法，包括：
数字量采集MCU电路向上拉控制电路发送高电平或低电平的控制信号；
如果控制信号为高电平，上拉控制电路响应于高电平控制信号而打开，对应所输入外部信号低电平有效的采集方式；
如果控制信号为低电平，上拉控制电路响应于低电平控制信号而关闭，对应所输入外部信号高电平有效的采集方式。
为达到上述目的，本发明还提供了一种功能安全型数字量输入采集电路的诊断方法，包括如下步骤：
通过数字量输入采集冗余正向通道提取由数字量输入接口输入的外部信号，获取外部信号的正向变换信号；
通过数字量输入采集冗余反向通道提取由数字量输入接口输入的外部信号，获取外部信号的反向变换信号；
将正向变换信号和反向变换信号分别与预设阈值进行比对，判定正向变换信号和反向变换信号的电平状态；
如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相同，判定数字量输入采集冗余正向通道或/和数字量输入采集冗余反向通道发生故障。
进一步地，还包括：
向上拉参考电压控制电路发送控制信号，通过反馈电路提取上拉参考电压控制电路的反馈信号，控制信号和反馈信号的电平状态包括高电平、低电平；
如果反馈信号与控制信号的电平状态不同，判定上拉参考电压控制电路发生故障。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：设计具有反馈电路的上拉参考电压控制电路，数字量采集MCU电路通过上拉参考电压控制电路设定采集方式，通过彼此并联且互为反向的数字量输入采集冗余正向通道和数字量输入采集冗余反向通道提取外部信号的正向变换信号和反向变换信号，当正向变换信号与反向变换信号的电平状态相反时，提取正向变换信号的电平状态作为外部信号的电平状态。当正向变换信号与反向变换信号的电平状态相同时，可判定信号输入电路发生故障。同时可对向上拉参考电压控制电路的控制信号和由反馈电路提取的反馈信号进行比对，如果控制信号与反馈信号的电平状态相反，可判定上拉参考电压控制电路发生故障。具体而言，本发明采集电路及其采集、诊断方法具备如下有益效果：
(1)符合1oo2架构，可以直接应用功能安全型可编程逻辑控制器设计；
(2)具有故障自诊断能力，可以实现单一通道故障情况下的功能安全；
(3)引入上拉控制和反馈电路，兼容高有效和低有效输入模式，同时将上拉电路状态反馈到MCU，实现故障检测，提高电路的可靠性；
(4)两个互为反向的输入通道，连接到一个主控芯片MCU的两个独立的输入模块，即可实现冗余设计的目的，也解决了传统方案中使用两个MCU的带来的电路复杂和成本高的问题；
(5)引入两级限流保护和过压保护，解决了已有解决方案中出现故障时易造成电路损坏的问题，提升了故障保护能力。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提及的现有技术方案一所提供的一种普通控制器数字量采集电路；
图2是本发明具体实施方式提及的现有技术方案二所提供的一种安全型控制器数字量采集电路；
图3是本发明采集电路实施例的电路框图；
图4是本发明采集电路实施例的电路原理图。
图中：100、数字量输入接口；200、上拉参考电压控制电路；300、数字量输入采集冗余正向通道；301、第一单向开关电路；302、第一分压限流电路；303、第一滤波电路；304、第一限流电路；305、第一过压保护电路；306、正向施密特触发器；400、数字量输入采集冗余反向通道；401、第二单向开关电路；402、第二分压限流电路；403、第二滤波电路；404、第二限流电路；405、第二过压保护电路；406、反向施密特触发器；500、数字量采集MCU电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
现有技术中，进行数字量采集通常采用普通控制器数字量采集电路和安全型控制器数字量采集电路。为使本领域及相关技术领域人员更加准确地理解本发明技术内容，这里先就相关专有名词解释如下：
(1)数字量输入模块：简称DI模块，通常是用来采集高低逻辑电平，如开关的接通和断开；
(2)1oo2架构：一种包含两个并列通道的冗余表决电路结构，任何一个都能执行安全功能。在不影响安全功能执行的前提下，它能容许一个通道发生失效。只有当两个通道都发生危险失效时才会导致安全功能的失效；
(3)MCU：微控制单元或者单片机，指的是多种IO接口集成在一起的芯片，包括GPIO、ADC接口、CPU、SDRAM内存单元、FLASH存储单元等，可通过设计不同的程序代码达到不同的运行控制效果，现有控制器都是在MCU的基础上加入外部电路进行设计；
(4)施密特触发器：对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为低；当输入电压低于负向阈值电压，输出为高；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位时所对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化；
(5)钳位二极管：二极管钳位电路是指利用二极管正向导通压降相对稳定，且数值较小(有时可近似为零)的特点，来限制电路中某点的电位，将变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。
如图1所示，是本发明具体实施方式提及的现有技术方案一所提供的一种普通控制器数字量采集电路，具有一条数字量采集电路通道，包括分压限流电路(R1、R2)、滤波电路(R1、C1)、过电压钳位保护电路(D1、D2)、信号输入接口(DI)、信号采集芯片MCU，其工作原理如下：
(1)分压限流电路(R1、R2)将接口(DI)的输入电压进行降压和电流限制后，输入到MCU的通用输入/输出端口(General-purpose input/output，GPIO)进行高低逻辑电平采集；
(2)滤波电路(R1、C1)用于滤除输入电压信号上叠加的高频干扰信号，防止高频干扰信号造成高低逻辑电平采集结果发生错误；
(3)电压钳位保护电路(D1、D2)，当输入电压经过分压限流电路(R1、R2)后，电压值超过电路的供电电压(Volt Current Condenser，VCC)时，输入到GPIO上的电压VGPIO被钳位到VCC+0.7V；电压值低于电线接地端电压(Ground，GND)时，输入到GPIO上的电压VGPIO被钳位到GND－0.7V。从而起到MCU输入电压的钳位作用，防止因为电压超过限制造成MCU损坏；
(4)当DI端口无电压输入时，通过MCU芯片内部上下拉电路开启和关断，给定VGPIO的参考电压值。当上拉电路打开并且下拉电路关闭时，VGPIO被拉高到VCC，此时DI端口可以用于低电平有效输入。当上拉电路关闭并且下拉电路打开时，VGPIO被拉低到GND，此时DI端口可以用于高电平有效输入；
(5)数字量输入采集和结果判定：通过MCU读取GPIO端口电压进行数字量输入信号的采集和结果判定，具体如下：
VGPIO＝[R2/(R1+R2)]*VDI，
当VGPIO＜－0.3～0.8V时，判定DI输入为低电平；
当VGPIO＞2～VCC+0.3V时，判定DI输入为高电平。
该技术方案存在如下不足：
1)无故障检测能力，故障时会出现错误判断
当R1断路时，MCU始终判断DI为低电平输入；
当R2、C1、D2中任一项短路时，MCU始终判断DI为低电平输入；
当D1短路时，MCU始终判断DI为高电平输入。
2)故障保护能力不足，单一故障时就会出现电路损坏
当R1短路时，D1和/或MCU会因为DI输入电压高于VCC+0.7V电压时损坏；
当R1短路时，D2和/或MCU会因为DI输入电压低于GND－0.7V电压时损坏。
如图2所示，是本发明具体实施方式提及的现有技术方案二所提供的一种安全型控制器数字量采集电路，具有两条独立的数字量采集电路通道，每条数字量采集电路通道的电路组成和工作原理，与前述现有技术方案一中数字量采集电路通道的工作原理相同，具体如下：
(1)MCU1和MCU2同步采集DI1和DI2的输入电压值，将采集结果通过MCU1和MCU2之间的通讯接口进行采集结果比较，实现1oo2的冗余结构数字量输入采集电路设计。
(2)数字量输入采集结果判定：
设定VGPIO1为输入到MCU1的GPIO上的电压，设定VGPIO2为输入到MCU2的GPIO上的电压，
当VGPIO1和VGPIO2都为低电平时，该安全型控制器判断为低电平；
当VGPIO1和VGPIO2都为高电平时，该安全型控制器判断为高电平；
当VGPIO1和VGPIO2任意一个为高电平，同时另外一个为低电平时，该安全型控制器判断为故障状态，输出故障报警，安全型控制器自动进入安全工作状态。
该技术方案存在如下不足：
1)故障保护能力不足，单一故障时就会出现电路损坏，与方案一中的第2条缺点相同；
2)需要使用两个处理器芯片(MCU1、MCU2)，电路设计复杂，电路板体积大、成本高；
3)两个处理器(MCU1、MCU2)之间通讯需要包含同步信号，保证同一时刻采集的DI输入信号，才能进行冗余比较，检测周期相对较长；
4)两路独立的输入端口(DI1、DI2)设计，要求外部输入的信号的部件也要独立，外部部件增多，增加系统成本。
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明具体实施方式提供了一种功能安全型数字量输入采集电路，如图3所示，是本发明实施例提供的一种功能安全型数字量输入采集电路框图，包括数字量输入接口100、上拉控制电路、信号输入电路、数字量采集MCU电路500，数字量输入接口100分别通过上拉控制电路和信号输入电路与数字量采集MCU电路500电性连接。所述上拉控制电路为具有反馈电路的上拉参考电压控制电路200，上拉参考电压控制电路200除了与数字量采集MCU电路500的GPIO1引脚电性连接外，还通过反馈电路与数字量采集MCU电路500的GPIO2引脚电性连接。
本实施例中，外部信号通过外部数字量输入接口100输入，外部信号分为高电平、低电平和悬空三种电平状态。数字量采集MCU电路500可通过GPIO1引脚向上拉参考电压控制电路200发送高电平或低电平的控制信号，当控制信号为高电平时，上拉参考电压控制电路200被打开，此时进入外部信号低电平有效的采集模式，上拉参考电压控制电路200对输入的外部信号进行上拉控制；当控制信号为低电平时，上拉参考电压控制电路200被关闭，此时进入外部信号高电平有效的采集模式，上拉参考电压控制电路200不对输入的外部信号进行上拉控制。数字量采集MCU电路500向上拉参考电压控制电路200发送控制信号后，还通过反馈电路提取上拉参考电压控制电路200的反馈信号，以检测其是否为正确的采集模式。
信号输入电路采用冗余设计，一共分为两个通道，该两个通道彼此并联且互为反向，即数字量输入采集冗余正向通道300和数字量输入采集冗余反向通道400。本实施例中，数字量输入采集冗余正向通道300包括彼此串联的第一单向开关电路301、第一分压限流电路302、第一滤波电路303、第一限流电路304、第一过压保护电路305、正向施密特触发器306，数字量输入采集冗余反向通道400包括彼此串联的第二单向开关电路401、第二分压限流电路402、第二滤波电路403、第二限流电路404、第二过压保护电路405、反向施密特触发器406。外部信号经数字量输入采集冗余正向通道300降压滤波，获取外部信号的正向变换信号，接入数字量采集MCU电路500的GPIO3引脚；外部信号经数字量输入采集冗余反向通道400降压滤波，获取外部信号的反向变换信号，接入数字量采集MCU电路500的GPIO4引脚。正向变换信号与外部信号的高低电平状态相同，反向变换信号与外部信号的高低电平状态相反。最后，由数字量采集MCU电路500对正向变换信号和反向变换信号的高低电平状态进行判断，判断方法即将正向变换信号和反向变换信号分别与预设阈值进行比对，进而得出判定结果，具体可参照前述现有技术方案一所提供的一种普通控制器数字量采集电路对数字量输入采集和结果判定方法。如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态正好相反，则提取正向变换信号的电平状态作为外部信号的电平状态，即数字量输入的电平信号状态；如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相同，则判定数字量输入采集冗余正向通道300或数字量输入采集冗余反向通道400发生故障。
更具体地，如图4所示，是本发明采集电路实施例的电路原理图，详情如下：
数字量输入接口100：即图4中的J1；
上拉参考电压控制电路200：包含R101、R102、R103、R104、R105、R106、Q101、Q102、D101、C101，其中R105、R106、C101与GPIO2引脚的连接电路构成反馈电路。上拉参考电压控制电路200对输入的外部信号进行上拉控制的原理如下：当数字量采集MCU电路500通过其GPIO1引脚向上拉参考电压控制电路200输出高电平控制信号时，Q101导通接地，上拉电源电压经过R102、R103分压后，控制Q102导通，此时由J1输入的外部信号通过Q102、R104、D101被上拉到VCC。当GPIO1引脚输出的控制信号为低电平时，Q101截止关闭，Q102控制端通过R103上拉到VCC，控制Q102截止关闭，此时输入端J1上拉被关闭，上拉电压为0V。上拉状态反馈原理如下：上拉电源电压通过R105、R106、C101分压滤波后反馈给数字量采集MCU电路500的输入端GPIO2，当上拉控制打开时，GPIO2引脚接收的反馈信号应为高电平状态，此时上拉参考电压控制电路200工作正常，否则说明其发生故障；当上拉控制关闭时，GPIO2引脚接收的反馈信号应为低电平状态，此时上拉参考电压控制电路200工作正常，否则说明其发生故障。
冗余设计的信号输入电路，包括数字量输入采集冗余正向通道300、数字量输入采集冗余反向通道400，其中，
包括数字量输入采集冗余正向通道300包含D201、R201、R202、R203、C201、D202、K203；数字量输入采集冗余反向通道400包含D301、R301、R302、C301、R303、D302、K303。具体如下：
D201、D301为单向导通器件，各自对应第一单向开关电路301和第二单向开关电路401，由J1输入的外部信号可以正常通过，同时形成两个通道的隔离，起到故障保护的作用，当任何一通道出现故障时，不会对另一通道造成影响；
R201、R203或R301、R303起到限制输入电流的作用，防止因输入电流过大烧坏数字量采集MCU电路500，R201、R203对应第一限流电路304。其中，R301、R303对应第二限流电路404；
R201、R202或R301、R302起到降低输入电压的作用，防止输入电压过大烧坏数字量采集MCU电路500。其中，R201、R202对应第一分压限流电路302，R301、R302对应第二分压限流电路402；
R201、C201或R301、C301起到滤波的作用，可以滤除输入的高频干扰信号。其中，R201、C201对应第一滤波电路303，R301、C301对应第二滤波电路403；
D202或D302起到过压保护的作用，当输入电压大于VCC1或VCC2和小于GND时，输入到数字量采集MCU电路500的GPIO3或GPIO4的电压被钳位到VCC1+0.7V或VCC2+0.7V或GND－0.7V。其中，D202对应第一过压保护电路305，D302对应第二过压保护电路405；
K203、K303为施密特触发器，K203输出与输入信号的电平状态相同，K303输出与输入信号的电平状态相反，用于外部信号的冗余比较和故障判断。其中，K203对应正向施密特触发器306，K303对应反向施密特触发器406。
数字量采集MCU电路500：用于对上拉参考电压控制电路200进行控制，根据其反馈信号诊断其是否发生故障，对数字量输入进行检测以及诊断信号输入电路是否发生故障。本实施例中，数字量采集MCU电路500型号为TMS570LS3137，两个数字量输入通道必须连接数字量采集MCU电路500内部独立的输入模块，即分别接入GPIO3和GPIO4引脚，单个输入模块发生故障时，不会造成互相影响。数字量采集MCU电路500对于外部信号的处理控制和判定结果，具体如表1所示：
表1：本发明数字量采集电路控制和结果判断
基于前述的本发明采集电路，本发明具体实施方式还提供了一种功能安全型数字量输入采集电路的采集方法，包括如下步骤：
步骤一，基于预设定的采集方式，数字量采集MCU电路500通过数字量输入采集冗余正向通道300提取由数字量输入接口100输入的外部信号，获取外部信号的正向变换信号；通过数字量输入采集冗余反向通道400提取由数字量输入接口100输入的外部信号，获取外部信号的反向变换信号。前述采集方式包括所输入外部信号高电平有效和所输入外部信号低电平有效两种，其设定方法如下：
数字量采集MCU电路500向上拉参考电压控制电路200发送高电平或低电平的控制信号；
如果该控制信号为高电平，上拉参考电压控制电路200响应于高电平控制信号而打开，对输入的外部信号进行上拉控制，此时对应所输入外部信号低电平有效的采集方式，在该采集方式下，由低电平的外部信号转化的正向变换信号仍为低电平状态，由悬空或高电平的外部信号转化的正向变换信号均为高电平状态；
如果该控制信号为低电平，上拉参考电压控制电路200响应于低电平控制信号而关闭，不对输入的外部信号进行上拉控制，即对应所输入外部信号高电平有效的采集方式，在该采集方式下，由高电平的外部信号转化的正向变换信号仍为高电平状态，由悬空或低电平的外部信号转化的正向变换信号均为低电平状态。
步骤二，数字量采集MCU电路500将正向变换信号和反向变换信号分别与预设阈值进行比对，判定正向变换信号和反向变换信号的电平状态为低电平或高电平。如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相反，说明信号输入电路工作正常，提取正向变换信号的电平状态作为外部信号的电平状态。
基于前述的本发明采集电路，本发明具体实施方式还提供了一种功能安全型数字量输入采集电路的诊断方法，包括如下步骤：
步骤一，数字量采集MCU电路500向上拉参考电压控制电路200发送高电平或低电平控制信号以设定采集方式，同时通过反馈电路提取上拉参考电压控制电路200的反馈信号。基于设定的采集方式，数字量采集MCU电路500通过数字量输入采集冗余正向通道300提取由数字量输入接口100输入的外部信号，获取外部信号的正向变换信号；通过数字量输入采集冗余反向通道400提取由数字量输入接口100输入的外部信号，获取外部信号的反向变换信号。
步骤二，数字量采集MCU电路500将反馈信号与控制信号进行比对，如果反馈信号与控制信号的电平状态不同，判定上拉参考电压控制电路200发生故障；如果相同，则判定上拉参考电压控制电路200工作正常。
步骤三，数字量采集MCU电路500将正向变换信号和反向变换信号分别与预设阈值进行比对，判定正向变换信号和反向变换信号的电平状态。如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相同，判定数字量输入采集冗余正向通道300或/和数字量输入采集冗余反向通道400发生故障。如果正向变换信号与反向变换信号的电平状态相反，则可判定信号输入电路工作正常。
综上所述，本发明具体实施方式提供了一种功能安全型数字量输入采集电路及其采集、诊断方法，基于本发明采集电路能够实现数字量输入采集和采集电路诊断功能。具体而言，相对于现有技术具有如下技术效果：
(1)本发明采集电路符合1oo2架构，达到ISO 61508SIL2和EN 13849PLd等级，已经通过德国TUV南德意志集团公司功能安全认证，可以直接应用功能安全型可编程逻辑控制器设计；
(2)本发明电路具有故障自诊断能力，可以实现单一通道故障情况下的功能安全；
(3)本发明引入上拉控制和反馈电路，通过软件配置，兼容高有效和低有效输入模式，同时将上拉电路状态反馈到MCU，实现故障检测，提高电路的可靠性；
(4)两个互为反向的输入通道，连接到一个主控芯片MCU的两个独立的输入模块，即可实现冗余设计的目的，也解决了传统方案中使用两个MCU的带来的电路复杂和成本高的问题；
(5)本发明电路中引入两级限流保护和过压保护，解决了已有解决方案中出现故障时容易造成电路损坏的问题，提升了故障保护的能力，防止单一故障造成电路永久性损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
