Устройство удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией

Изобретение относится к импульсной, измерительной технике и автоматизации различных промышленных процессов, в том числе и на железнодорожном транспорте. В устройстве узлы ввода и вывода дискретных сигналов поканально объединены в узлы ввода-вывода дискретных сигналов, в качестве элемента гальванической изоляции используют импульсный трансформатор, включенный в схему преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Выход этого преобразователя служит входом/выходом устройства, а напряжение, пропорциональное току потребления преобразователя, через фильтр нижних частот поступает на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера и на его порт ввода. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении эксплуатационной надежности устройства, упрощении его использования и в снижении стоимости систем, в составе которых оно используется. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к импульсной, измерительной технике и автоматизации различных промышленных процессов, в том числе и на железнодорожном транспорте.

Известно устройство удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией ADAM-4055 серии ADAM-4000 фирмы Advantech (Тайвань) (www.advantech.com) и устройства удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией I-7044, I-7063А, I-7063В, I-7065А, I-7065В серии I-7000 фирмы ICP DAS Co. Ltd. (Тайвань) (Руководство пользователя "I-7000 DIO Manual" 2004 г., www.icp-das.ru). Устройства содержат микроконтроллер, узлы ввода и узлы вывода дискретных сигналов с элементами гальванической изоляции в виде оптронных ключей, формирователь интерфейса связи с гальванической развязкой, источник питания. В указанных устройствах выходы узла ввода дискретных сигналов подключены к входам порта ввода микроконтроллера, а входы узла вывода - к выходам порта вывода микроконтроллера, источник питания обеспечивает электропитание внутренних узлов устройства.

Недостатками данных устройств являются узкие функциональные возможности, в частности:

- отсутствие возможности программно задавать количество каналов ввода и каналов вывода устройства (их количество жестко задано его конструкцией и составляет 8 каналов ввода и 8 каналов вывода для ADAM-4055 или 8 каналов ввода и 3 канала вывода для I-7063), вследствие этого при решении реальных задач автоматизации часть каналов может быть не использована, что снижает коэффициент использования каналов устройства и, следовательно, повышает стоимость системы автоматизации;

- постоянный и ограниченный набор функций устройств, не позволяющий гибко перестраивать функции каналов в зависимости от решаемой задачи, например для ADAM-4055 каналы ввода рассчитаны на напряжение от 0 до 50 В, каналы вывода рассчитаны для коммутации напряжения постоянного тока до 40 В, 0.2 А, а для I-7063 В каналы ввода рассчитаны на напряжение от 0 до 30 В, каналы вывода рассчитаны для коммутации напряжения постоянного тока до 30 В, 1.0 А;

- при использовании "сухого контакта" с каналами дискретного ввода этих устройств требуется дополнительный источник питания;

- отсутствие защиты выходных цепей каналов дискретного вывода от возможных перегрузок по току.

Кроме того, отсутствие возможности самодиагностики состояния линий связи, посредством которых соединяются цифровые датчики ("сухие контакты") и исполнительные элементы с входами и выходами устройства, снижает эксплуатационную надежность системы, в которой оно используется.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является устройство для удаленного контроля и управления объектами железнодорожной автоматики (свидетельство на полезную модель

RU 17312 U1, 17.07.2000 г., МПК B61L 27/04).

Устройство состоит из узла ввода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, и узла вывода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, использующих элементы гальванической изоляции в виде оптронных ключей и подключенных к портам микроконтроллера, формирователя интерфейса связи с гальванической изоляцией, подключенного к последовательному порту микроконтроллера, источника питания, который обеспечивает электропитание внутренних узлов устройства.

Недостатком указанного устройства также являются узкие функциональные возможности, в частности:

- отсутствие возможности программно задавать количество каналов ввода и каналов вывода устройства - их количество жестко задано его конструкцией, вследствие этого при решении реальных задач автоматизации часть каналов может быть не использована, что снижает коэффициент использования каналов устройства и, следовательно, повышает стоимость системы автоматизации;

- постоянный и ограниченный набор функций устройства, не позволяющий гибко перестраивать функции каналов в зависимости от решаемой задачи, поэтому при решении задач автоматизации, в которых используются разнообразные каналы ввода-вывода, коэффициент использования каналов устройства еще больше сокращается и, как следствие, еще больше повышается стоимость системы автоматизации;

- при использовании "сухого контакта" с каналами ввода этого устройства требуется дополнительный источник питания.

Кроме того, отсутствие возможности самодиагностики состояния линий связи, посредством которых соединяются цифровые датчики (сухие контакты) и исполнительные элементы с входами и выходами устройства, снижает эксплуатационную надежность системы, в которой оно используется.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, повышение эксплуатационной надежности устройства удаленного ввода-вывода дискретных сигналов, упрощение его использования и снижение стоимости систем, в состав которых входит данное устройство.

Поставленная задача в устройстве ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией, состоящем из узла ввода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, и узла вывода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, использующих элементы гальванической изоляции и подключенных к портам микроконтроллера, формирователя интерфейса связи с гальванической изоляцией, подключенного к последовательному порту микроконтроллера, источника питания, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом схемы, решается тем, что узлы ввода и вывода дискретных сигналов поканально объединены в узлы ввода-вывода дискретных сигналов, где в качестве элемента гальванической изоляции используют импульсный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, выход которого является входом/выходом устройства ввода-вывода дискретных сигналов, первые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора соединены с выходами двух электронных ключей, цепи управления которых через логические элементы ИЛИ-НЕ соединены с портами вывода микроконтроллера, сигналы которых имеют прямоугольную форму и сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов, разрешающие сигналы элементов ИЛИ-НЕ объединены и соединены с другим портом вывода микроконтроллера, вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены с первым выводом резистора и подключены через фильтр нижних частот к своему входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, число каналов которого не менее числа узлов ввода/вывода дискретных сигналов, второй вывод резистора подключен к первому выводу источника питания, а входы электронных ключей подключены ко второму выводу источника питания.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией выходы фильтров низкой частоты узлов ввода/вывода дискретных сигналов подключены к портам ввода микроконтроллера.

Поставленная задача решается также тем, что в узлах ввода/вывода дискретных сигналов второй вывод резистора подключен к положительному выводу источника питания, входы электронных ключей подключены к отрицательному выводу источника питания, а в качестве электронных ключей используются n-канальные МОП транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы.

Поставленная задача решается также тем, что в узлах ввода/вывода дискретных сигналов второй вывод резистора подключен к отрицательному выводу источника питания, входы электронных ключей подключены к положительному выводу источника питания, в качестве электронных ключей используются р-канальные МОП транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы, а вместо элементов ИЛИ-НЕ используются элементы ИЛИ.

Анализ отличительных признаков заявленного устройства ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и достигаемый ими технический результат показал, что:

- поканальное объединение узлов ввода и узлов вывода дискретных сигналов в узел ввода-вывода дискретных сигналов, где в качестве элемента гальванической изоляции используют импульсный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, выход которого является входом/выходом устройства ввода-вывода дискретных сигналов, первые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора соединены с выходами двух электронных ключей, цепи управления которых через логические элементы ИЛИ-НЕ соединены с портами вывода микроконтроллера, сигналы которых имеют прямоугольную форму и сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов, разрешающие сигналы элементов ИЛИ-НЕ объединены и соединены с другим портом вывода микроконтроллера, вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены с первым выводом резистора и подключены через фильтр нижних частот к своему входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, число каналов которого не менее числа узлов ввода/вывода дискретных сигналов, второй вывод резистора подключен к первому выводу источника питания, а входы электронных ключей подключены ко второму выводу источника питания, обеспечивают расширение функциональных возможностей данного устройства путем реализации возможности программирования любого из его каналов на ввод или на вывод, а также за счет того, что к любому входу/выходу устройства могут быть подключены источник постоянного напряжения или резистор и измерены соответственно постоянное напряжение или электрическое сопротивление, позволяют данному устройству повысить эксплуатационную надежность за счет самодиагностики состояния линий связи, соединяющих цифровые датчики и исполнительные элементы с входами/выходами устройства, упрощают использование устройства путем подключения датчика типа "сухой контакт" без применения дополнительного источника питания, позволяют снизить стоимость систем, в которых это устройство применяется, за счет повышения коэффициента использования его каналов путем программирования их нужного количества на ввод или на вывод дискретных сигналов, или для измерения постоянного напряжения или электрического сопротивления, которые необходимы для решения конкретной задачи;

- подключение выходов фильтра нижних частот узлов ввода/вывода дискретных сигналов к портам ввода микроконтроллера позволяет данному устройству увеличить быстродействие определения состояния дискретных сигналов;

- подключение, при котором второй вывод резистора подключен к положительному выводу источника питания, входы электронных ключей соединены с отрицательным выводом источника питания, позволяет при реализации устройства использовать в качестве электронных ключей n-канальные МОП транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы;

- подключение, при котором второй вывод резистора подключен к отрицательному выводу источника питания, входы электронных ключей соединены с положительным выводом источника питания, а вместо элементов ИЛИ-НЕ используются элементы ИЛИ, позволяет при реализации устройства использовать в качестве электронных ключей р-канальные МОП транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы.

Новая совокупность признаков, включающая электронные ключи, элементы ИЛИ-НЕ, импульсный трансформатор и выпрямитель, составляющие узел ввода/вывода дискретных сигналов, подключенные указанным образом к двум портам вывода, порту ввода - многоканальному АЦП микроконтроллера, последовательный порт и формирователь интерфейса связи с гальванической изоляцией, подключенные к внешней системе измерения и управления, позволяет получить заявленный технический результат. Следовательно, изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-8.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией.

На фиг.2 приведена схема подключения реле к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи.

На фиг.3 приведена схема подключения датчика типа "сухой контакт" к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией.

На фиг.4 приведен фрагмент схемы реализации узла ввода/вывода дискретных сигналов, где в качестве электронных ключей используются n-канальные МОП транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы.

На фиг.5 приведен фрагмент схемы реализации узла ввода/вывода дискретных сигналов, где в качестве электронных ключей используются р-канальные МОП транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы.

На фиг.6 приведена схема подключения субмодуля аналогового ввода к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи.

На фиг.7 приведена схема подключения датчика типа "сухой контакт" к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи.

На фиг.8 приведена схема выпрямителя.

Устройство удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией содержит следующие узлы (фиг.1):

- формирователь интерфейса связи с гальванической изоляцией 1;

- источник питания 2, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом схемы;

- микроконтроллер 3, содержащий в свою очередь:

- аналого-цифровой преобразователь 4;

- порт ввода 5;

- порты вывода 6, 7;

- последовательный порт 8;

- идентичные узлы ввода/вывода дискретных сигналов 9.0 - 9.n, каждый из которых содержит:

- фильтр нижних частот 10;

- элементы "ИЛИ-НЕ" 14, 15;

- электронные ключи 16, 17;

- резистор 18;

- элемент гальванической изоляции 19;

- выпрямитель 20.

Узлы ввода-вывода дискретных сигналов 9.1-9.n в каждом канале (на примере узла 9.1) содержат элемент гальванической изоляции в виде импульсного трансформатора 19, вторичные обмотки которого подключены через выводы 60-63 к выпрямителю 20, выходы которого посредством проводов 64, 65 соединены с клеммами 21.1, 22.1, которые, в свою очередь, являются входом/выходом устройства ввода-вывода дискретных сигналов. Первые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора 19 соединены проводами 55, 56 с выходами электронных ключей 16, 17, цепи управления которых через провода 53, 54 соединены с выходами элементов ИЛИ-НЕ 14, 15. Входы управления элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 через провода 52.0, 52.1 соединены с портом вывода 7 микроконтроллера 3. Разрешающие сигналы элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 объединены и через провод 51.1 соединены с портом вывода 6. Вторые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора 19 через провод 58 соединены с первым выводом резистора 18 и с входом фильтра нижних частот 10, выход которого посредством провода 50.1 соединен с входом 1 аналого-цифрового преобразователя 4 и с портом ввода 5 микроконтроллера 3. Второй вывод резистора 18 через провод 59 подключен к первому выводу источника питания 2, а входы электронных ключей 16, 17 через провод 57 подключены ко второму выводу источника питания 2. К источнику питания 2 через провода 46, 49 подключены также формирователь интерфейса связи с гальванической изоляцией 1 и микроконтроллер 3 соответственно. Последовательный порт 8 микроконтроллера 3 посредством кабеля 48 соединен с формирователем интерфейса связи с гальванической изоляцией 1, который, в свою очередь, через кабель 47 подключается к внешней системе измерения и управления. Выход узла ввода-вывода дискретных сигналов 9.1 через линии связи 66, 67 может быть подключен к резистору 25 либо к источнику напряжения 27 с внутренним сопротивлением 26.

На фиг.2 приведена схема подключения реле 28 к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи 66, 67.

На фиг.3 приведена схема подключения датчика 29 типа "сухой контакт" к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией через линии связи 66, 67.

На фиг.4 приведен фрагмент схемы реализации узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, где в качестве электронных ключей 16, 17 используются n-канальные МОП транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы.

На фиг.5 приведен фрагмент схемы реализации узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, где в качестве электронных ключей 16, 17 используются р-канальные МОП транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы.

На фиг.6 приведена схема подключения субмодуля аналогового ввода 30 к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи 66, 67.

На фиг.7 приведена схема подключения датчика 29 типа "сухой контакт" к устройству удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией и с возможностью самодиагностики состояния линии связи 66, 67.

На фиг.8 приведена схема выпрямителя 20, содержащего диоды 38, 39 и конденсатор 40.

Устройство ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией работает следующим образом.

Далее описана работа устройства для случая, когда в узлах ввода/вывода дискретных сигналов 9.0 - 9.n второй вывод резистора 18 подключен к положительному выводу источника питания 2, входы электронных ключей 16, 17 подключены к отрицательному выводу источника питания 2, который, в свою очередь, соединен с общим проводом схемы, в качестве электронных ключей 16, 17 используются n-канальные МОП транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы и выход фильтра низкой частоты 10 дополнительно подключен к порту ввода 5 микроконтроллера 3.

В режиме вывода дискретного сигнала.

При выводе высокого уровня дискретного сигнала на вход/выход 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, с выходного порта 6 микроконтроллера 3 через провод 51.1 на входы разрешения элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 подается "0", на электронные ключи 16, 17 с выходного порта 7 микроконтроллера 3 через провода 52.0, 52.1 и через элементы ИЛИ-НЕ 14, 15 по проводам 53, 54 подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 180 градусов. В результате во вторичной обмотке импульсного трансформатора элемента гальванической изоляции 19 формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются с помощью выпрямителя 20, выполненного по любой из известных схем, например, приведенной на фиг.8. Таким образом, на входе/выходе 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 формируется выходное напряжение, близкое к напряжению источника питания 2.

При выводе низкого уровня дискретного сигнала на вход/выход 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, с выходного порта 6 микроконтроллера 3 через провод 51.1 на входы разрешения элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 подается "1", электронные ключи 16, 17 запираются и на входе/выходе 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 формируется выходное напряжение, равное 0 В, путем разряда сглаживающего конденсатора 40 выпрямителя 20 (фиг.8) сопротивлением 25, например входным сопротивлением исполнительного элемента, в качестве которого может выступать реле постоянного тока 28 (фиг.2).

В режиме ввода дискретного сигнала.

При вводе дискретного сигнала, например, с разомкнутого "сухого контакта" 29, подключенного через линии связи 66, 67 к входу/выходу 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 (фиг.3), на входы разрешения элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 с выходного порта 6 микроконтроллера 3 через провод 51.1 подается "0", на электронные ключи 16, 17 с выходного порта 7 микроконтроллера 3 через провода 52.0, 52.1, через элементы ИЛИ-НЕ 14, 15 по проводам 53, 54 подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 180 градусов. В результате во вторичной обмотке импульсного трансформатора элемента гальванической изоляции 19 формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются с помощью выпрямителя 20. Таким образом, на входе/выходе 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 формируется выходное напряжение, близкое к напряжению источника питания 2, на резисторе 18 падение напряжения минимально и на вход фильтра нижних частот 10 по проводу 58 подается напряжение, примерно равное напряжению источника питания 2, с выхода фильтра нижних частот 10 сигнал по проводу 50.1 подается на вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4, напряжение на котором близко к напряжению его шкалы, и одновременно по проводу 50.1 поступает на входной порт ввода 5 микроконтроллера 3. Микроконтроллер 3 запускает и через некоторое время считывает выходные коды аналого-цифрового преобразователя 4. По их числовым значениям микроконтроллер 3 определяет состояние "сухого контакта" 29 - "разомкнуто".

При замыкании "сухого контакта" 29 напряжение на обмотках импульсного трансформатора 19 близко к 0 В за счет того, что приведенное к первичной обмотке импульсного трансформатора 19 сопротивление близко к 0 Ом, падение напряжения на резисторе 18 максимально и на вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4 через фильтр нижних частот 10 по проводам 50.1, 58 подается напряжение, близкое к 0 В, одновременно это напряжение по проводу 50.1 подается на входной порт ввода 5 микроконтроллера 3. Микроконтроллер 3 запускает и через некоторое время считывает выходные коды аналого-цифрового преобразователя 4. По их числовым значениям микроконтроллер 3 определяет состояние "сухого контакта" 29 - "замкнуто".

В случае, если требуется меньшее время определения состояния "сухого контакта", микроконтроллер 3 вместо запуска, ожидания и считывания выходных кодов аналого-цифрового преобразователя 4, считывает состояние его входного порта ввода 5, по которому определяет состояние "сухого контакта".

Формирователь интерфейса связи с гальванической изоляцией 1 предназначен для взаимодействия устройства удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией через последовательный порт 8 микроконтроллера 3 с внешней системой измерения и управления.

В режиме измерения активного сопротивления 25, подключенного к входу/выходу 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 через линии связи 66, 67, устройство функционирует следующим образом. На входы разрешения элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 с выходного порта вывода 6 микроконтроллера 3 по проводу 51.1 подается "0", на электронные ключи 16, 17 с выходного порта 7 микроконтроллера 3 через элементы ИЛИ-НЕ 14, 15 по проводам 51.1, 52.1, 53, 54 подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 180 градусов. В результате во вторичной обмотке импульсного трансформатора элемента гальванической изоляции 19 формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются с помощью выпрямителя 20. Таким образом, на входе/выходе 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 формируется выходное напряжение, зависящее от соотношения величин сопротивления резистора 25 и сопротивления резистора 18. Величина напряжения на нижнем выводе резистора 18 определяется по приближенной формуле

где (Un1-Un2) - напряжение источника питания 2;

r25 - величина измеряемого сопротивления 25;

- приведенное к первичной обмотке сопротивление 25;

rl8 - значение резистора 18;

К - коэффициент трансформации импульсного трансформатора элемента гальванической изоляции 19, который определяется по формуле

где ω2=ω21ω22 - количество витков вторичных обмоток импульсного трансформатора;

ω1=ω11ω12 - количество витков первичных обмоток импульсного трансформатора. Обычно ω1=ω2 и K=1.

Величина этого напряжения через фильтр нижних частот 10 через провода 58, 50.1 поступает на вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4, микроконтроллера 3, измеряя которую, микроконтроллер 3 рассчитывает величину сопротивления резистора 25 по формуле

В режиме измерения постоянного напряжения, источник которого 27 подключен к входу/выходу 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 через линии связи 66, 67, устройство функционирует следующим образом. На входы разрешения элементов ИЛИ-НЕ 14, 15 с выходного порта 6 микроконтроллера 3 по проводу 51.1 подается "0", на электронные ключи 16, 17 с выходного порта 7 микроконтроллера 3 через элементы ИЛИ-НЕ 14, 15 по проводам 52.0, 52.1, 53, 54 подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 180 градусов. В результате во вторичной обмотке импульсного трансформатора элемента гальванической изоляции 19 формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются с помощью выпрямителя 20. Поскольку на входе/выходе 21.1, 22.1 узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1 напряжение равно напряжению источника напряжения 27 (предполагается, что его внутреннее сопротивление 26 значительно меньше сопротивления резистора 18, которое определяет выходное сопротивление узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1), через резистор 18 проходит ток, зависящий от величины напряжения источника напряжения 27, который образует падение напряжения на резисторе 18. Величина напряжения на нижнем выводе резистора 18 определяется по приближенной формуле

где U27 - напряжение источника напряжения 27.

Величина этого напряжения через фильтр нижних частот 10, по проводам 58, 50.1 поступает на вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4 микроконтроллера 3, измеряя которое, микроконтроллер 3 рассчитывает величину напряжения источника напряжения 27 по формуле

Изобретение может быть осуществлено в других вариантах выполнения:

- на фиг.4 показан фрагмент схемы узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, в которой второй вывод резистора 18 через провод 59 подключен к положительному выводу источника питания 2, входы электронных ключей 16, 17 через провод 57 подключены к отрицательному выводу источника питания 2, а в качестве электронных ключей 16, 17 используются n-канальные транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы;

- на фиг.5 показан фрагмент схемы узла ввода/вывода дискретных сигналов 9.1, в которой второй вывод резистора 18 через провод 59 подключен к отрицательному выводу источника питания 2, входы электронных ключей 16, 17 через провод 57 подключены к положительному выводу источника питания 2, в качестве электронных ключей 16, 17 используются р-канальные МОП транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы, а вместо элементов ИЛИ-НЕ используются элементы ИЛИ.

Расширение функциональных возможностей устройства достигается за счет возможности программирования любого из его каналов на ввод или вывод, которая осуществляется путем изменения состояний управляющих цепей 51.0 - 51.n порта вывода 6 микроконтроллера 3 и его управления работой встроенного аналого-цифрового преобразователя 4, а также за счет того, что к любому его входу/выходу может быть непосредственно подключен не только датчик типа "сухой контакт" 29 (см. фиг.3) или исполнительный элемент, например реле 28 (см. фиг.2), в зависимости от решаемой задачи автоматизации, но и могут быть подключены и измерены постоянное напряжение источника постоянного напряжения 27 или электрическое сопротивление резистора 25 (см. фиг.1). Схема подключения субмодуля аналогового ввода 30 к устройству, с помощью которого оно позволяет измерять напряжение постоянного тока Uвх в широком диапазоне, в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов 31, 33, приведена на фиг.6. При этом

где U34-U35 - напряжение на клеммах 34, 35 субмодуля аналогового ввода.

Практические испытания устройства по схемам, приведенным на фиг.1-8, показали, что характеристика преобразования линейна с точностью ±1% при входном напряжении на входах/выходах 21.1, 22.1 устройства, составляющем (0-0.4) U, где U - напряжение источника питания 2; U=U_п1-U_п2.

Повышение эксплуатационной надежности обеспечивается за счет самодиагностики состояния линий связи 66, 67, соединяющих цифровые датчики и исполнительные элементы с входами/выходами 21.1, 22.1 устройства, которая осуществляется путем измерения суммарного сопротивления линий связи 21.1, 22.1 и сопротивления исполнительного элемента 25. Таким образом, устройство позволяет распознавать короткое замыкание линии связи 21.1, 22.1 и ее обрыв. Для определения состояния линии связи 21.1, 22.1, соединенной с "сухим контактом" 29, требуется подключение параллельного резистора 37 и последовательного резистора 36 (см. фиг.7).

Упрощение использования устройства обеспечивается тем, что определение состояния "сухого контакта" 29 производится без необходимости применения дополнительного источника питания (см. фиг.3) и достигается за счет того, что через импульсный трансформатор узла гальванической изоляции 19 передается часть энергии от внутреннего источника питания 2, достаточная для определения состояния "сухого контакта" 29.

Снижение стоимости систем, в которых это устройство применяется, обеспечивается за счет повышения коэффициента использования каналов устройства путем программирования их нужного количества на ввод или на вывод дискретных сигналов и/или для измерения постоянного напряжения или электрического сопротивления, которые необходимы для решения конкретной задачи.

Таким образом, благодаря тому, что узлы ввода и вывода дискретных сигналов поканально объединены в узлы ввода-вывода дискретных сигналов, где в качестве элемента гальванической изоляции используют импульсный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, выход которого является входом/выходом устройства ввода-вывода дискретных сигналов, первые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора соединены с выходами двух электронных ключей, цепи управления которых через логические элементы ИЛИ-НЕ соединены с портами вывода микроконтроллера, сигналы которых имеют прямоугольную форму и сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов, разрешающие сигналы элементов ИЛИ-НЕ объединены и соединены с другим портом вывода микроконтроллера, вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены с первым выводом резистора и подключены через фильтр нижних частот к своему входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, число каналов которого не менее числа узлов ввода/вывода дискретных сигналов, второй вывод резистора подключен к первому выводу источника питания, а входы электронных ключей подключены ко второму выводу источника питания, а также тому, что выходы фильтров нижних частот узлов ввода/вывода дискретных сигналов подключены к портам ввода микроконтроллера, предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности, повысить эксплуатационную надежность удаленного устройства ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией, упростить его использование и снизить стоимость систем, в состав которых оно входит.

1. Устройство удаленного ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией, состоящее из узла ввода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, и узла вывода дискретных сигналов, имеющего несколько каналов, использующих элементы гальванической изоляции и подключенных к портам микроконтроллера, формирователя интерфейса связи с гальванической изоляцией, подключенного к последовательному порту микроконтроллера, источника питания, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом схемы, отличающееся тем, что узлы ввода и вывода дискретных сигналов поканально объединены в узлы ввода-вывода дискретных сигналов, где в качестве элемента гальванической изоляции используют импульсный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, выход которого является входом/выходом устройства ввода-вывода дискретных сигналов, первые выводы первичных обмоток импульсного трансформатора соединены с выходами двух электронных ключей, цепи управления которых через логические элементы ИЛИ-НЕ соединены с портами вывода микроконтроллера, сигналы которых имеют прямоугольную форму и сдвинуты относительно друг друга на 180°, разрешающие сигналы элементов ИЛИ-НЕ объединены и соединены с другим портом вывода микроконтроллера, вторые выводы первичных обмоток трансформатора соединены с первым выводом резистора и подключены через фильтр нижних частот к своему входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, число каналов которого не менее числа узлов ввода/вывода дискретных сигналов, второй вывод резистора подключен к первому выводу источника питания, а входы электронных ключей подключены ко второму выводу источника питания.

2. Устройство ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией по п.1, отличающееся тем, что выходы фильтров нижних частот узлов ввода/вывода дискретных сигналов подключены к портам ввода микроконтроллера.

3. Устройство ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией по п.1, отличающееся тем, что в узлах ввода/вывода дискретных сигналов второй вывод резистора подключен к положительному выводу источника питания, входы электронных ключей подключены к отрицательному выводу источника питания, а в качестве электронных ключей используются n-канальные МОП-транзисторы или биполярные n-р-n-транзисторы.

4. Устройство ввода-вывода дискретных сигналов с гальванической изоляцией по п.1, отличающееся тем, что в узлах ввода/вывода дискретных сигналов второй вывод резистора подключен к отрицательному выводу источника питания, входы электронных ключей подключены к положительному выводу источника питания, в качестве электронных ключей используются р-канальные МОП-транзисторы или биполярные р-n-р-транзисторы, а вместо элементов ИЛИ-НЕ используются элементы ИЛИ.