技术领域
[0001] 本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及一种信号采集电路。
相关背景技术
[0002] 现有技术中常用的信号采集电路仅能用于采集有源开关输出的有源开关信号或者无源开关输出的无源开关信号，不能同时实现对有源开关信号及无源开关信号的采集。此外，现有技术中常用的信号采集电路只能采集单极性信号，无法采集极性变化的变动信号。
具体实施方式
[0039] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0040] 本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0041] 相关技术中，通过如图1所示的采集电路对有源开关信号或无源开关信号进行采集，其工作原理如下：
[0042] 如图1所示，SW7内有两个切换开关，分别为第一切换开关和第二切换开关。其中，第一切换开关的第一端与+24V电压连接，第二切换开关的一端与地连接，两个切换开关的另一端分别与整个采集电路的J10的两端连接。当SW7中的两个切换开关处于全ON(即闭合)时，可用于采集无源开关信号，即通过接插件J10与无源开关连接；当切换开关SW7处于全OFF(断开)时，可用于采集有源开关信号，即通过接插件J10与有源开关连接。该采集电路仅能实现对有源开关信号和无源开关信号的采集，当输入有源开关的电压信号的极性发生变化时，该采集电路无法实现对极性变化的变动信号的采集。
[0043] 基于此，现有技术中基于图2所示的全波整流电路实现对极性变化的变动信号的采集，工作原理如下：
[0044] 如图2所示，该全波整流电路由4个二极管组成，输入有源开关的电压信号通过该全波整流电路，使得其在正半周和负半周期间，流经负载的电流方向是相同的。因此，无论输入有源开关的电压信号是正极性信号还是负极性信号，经过该全波整流电路后，正半周和负半周的输出信号的极性相同。但由于该全波整流电路中由于二极管压降的引入导致系统误差，使得该方案采集到的输入有源开关的电压信号与输出的电压信号的差异较大，精度较低。
[0045] 下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的信号采集电路进行详细地说明。
[0046] 如图3所示，该信号采集电路包括：微控制单元110、采集调理模块120、无源开关或130和有源开关140。
[0047] 该微控制单元110可以采用单片机、ARM、FPGA等集成电路芯片。其可以具体用于输出使能信号GPIO_SEL，并将该使能信号GPIO_SEL提供给与其连接的采集调理模块120。
[0048] 该采集调理模块120与无源开关130或是有源开关140连接，其可以具体用于采集无源开关130输出的无源开关信号，或用于采集有源开关140输出的有源开关信号。
[0049] 当该采集调理模块120接收到的微控制单元110提供的使能信号GPIO_SEL有效的情况下，采集无源开关信号，输出第一目标电平信号，并当该采集调理模块120接收到的微控制单元110提供的使能信号GPIO_SEL失效的情况下，采集有源开关信号，输出第二目标电平信号。
[0050] 需要说明的是，使能信号GPIO_SEL可以具体为脉冲信号，微控制单元110输出的脉冲信号可以为高电平信号或低电平信号。采集调理模块120接收到的使能信号GPIO_SEL是否有效与微控制单元110输出的是高电平信号还是低电平信号有关。使能信号GPIO_SEL可以在高电平信号是有效，在低电平信号时失效，反之亦可。
[0051] 该采集调理模块110采集无源开关信号时输出的第一目标电平信号可以是高电平信号，也可以是低电平信号。
[0052] 该采集调理模块110采集有源开关信号时输出的第二目标电平信号同样可以是高电平信号或低电平信号。
[0053] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过微控制单元为采集调理模块提供使能信号，并在使能信号有效的情况下，基于采集调理模块采集与其连接的无源开关输出的无源开关信号，输出第一目标电平信号，及在使能信号失效的情况下，基于采集调理模块采集与其连接的有源开关输出的有源开关信号，输出第二目标电平信号，以兼容无源开关信号和有源开关信号的采集。
[0054] 在一些实施例中，采集调理模块120，可以具体包括：
[0055] 第一模块，所述第一模块的输入端与所述微控制单元连接，用于在接收到的所述微控制单元提供的所述使能信号有效的情况下，控制所述第一模块中的光电耦合器处于导通状态，并输出比较电压；
[0056] 第二模块，所述第二模块的第一输入端与所述无源开关连接，所述第二模块的第二输入端与所述第一模块的输出端连接，用于采集所述无源开关信号，并根据所述第二模块中的比较器的反相端输入的第一分压信号与所述比较器的同相端输入的第二分压信号的比较结果，输出第一目标电平信号，所述第一分压信号是通过第一分压模块对所述第一模块的输出端输出的所述比较电压进行分压后得到的，所述第二分压信号是通过第二分压模块对所述同相端的偏置电压进行分压后得到的。
[0057] 如图4所示，该采集调理模块可以具体包括第一模块1201和第二模块1202。
[0058] 第一模块1201的输入端与微控制单元110连接，用于接收微控制单元110提供的使能信号GPIO_SEL，第一模块1201的输出端与第二模块1202的第二输入端(即图4中第二模块1202输入比较电压Comp‑的一端)连接，该第一模块1201可以具体用于在接收到的该使能信号GPIO_SEL有效的情况下，控制第一模块1201中的光电耦合器U1导通，并通过该第一模块
1201的输出端输出比较电压Comp‑。
[0059] 第二模块1202的第一输入端(即图4中第二模块1202输入Signal的一端)与无源开关130连接，例如可以通过外部接插件将无源开关130接入第二模块1202的第一输入端。该第二模块1202可以具体用于采集无源开关信号，并根据第二模块1202中的比较器U2的反相端输入的分压信号(即第一分压信号)与比较器U2的同相端输入的分压信号(即第二分压信号)的比较结果，并通过第二模块1202的输出端(即图4中的GPIO端)输出目标电平信号，即第一目标电平信号。
[0060] 具体而言，当第一分压信号小于第二分压信号时，该比较器U2呈高阻态，此时需要在U2的输出端接上拉电阻R7，并通过该上拉电阻R7将比较器U2的输出拉高至高电平信号，当第一分压信号大于第二分压信号时，该比较器U2输出低电平信号。其中，该比较器U2可以具体采用集电极开路型比较器。
[0061] 其中，该第一分压信号是通过第二模块1201中得到第一分压模块对第一模块1201的输出端输出的比较电压Comp‑进行分压后得到的，该第二分压信号则是由第二模块1202中的第二分压模块对比较器U2同相端的偏置电压Bias+进行分压后得到的。
[0062] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过在第一模块接收到的微控制单元提供的使能信号有效的情况下，控制部署在其中的光电耦合器导通，输出比较电压，通过第二模块中的第一分压模块对该比较电压进行分压后得到第一分压信号，并将其输入至第二模块中的比较器的反相端，通过比较器对该第一分压信号以及同相端输入的第二分压信号的比较结果，输出第一目标电平信号，实现对无源开关信号的采集。
[0063] 在一些实施例中，第一模块1201，还可以具体用于：
[0064] 在接收到的所述微控制单元提供的所述使能信号失效的情况下，控制所述光电耦合器处于关断状态；
[0065] 相应地，所述第二模块的第一输入端与所述有源开关连接，所述第二模块的第二输入端与所述第一模块的输出端连接，还用于采集所述有源开关信号，并根据所述比较器的反相端输入的第三分压信号与所述比较器的阈值电压的比较结果，输出第二目标电平信号，所述第三分压信号是通过所述第一分压模块对目标电压信号进行分压后得到的，所述目标电压信号根据输入所述有源开关的电压信号确定。
[0066] 如图4所示，该第一模块1201还可以用于在接收到的微控制单元110提供的使能信号GPIO_SEL失效的情况下，控制光电耦合器U1处于关断状态，第一模块1201的输出端不再输出比较电压Comp‑。
[0067] 相应地，第二模块1202的第一输入端与有源开关140连接，第二模块1202的第二输入端与第一模块1201的输出端连接，第二模块1202在采集到有源开关信号后，根据比较器U2的方向端输入的分压信号(即第三分压信号)与比较器U2的阈值电压的比较结果，通过第二模块1202的输出端输出目标电平信号，即第二目标电平信号。
[0068] 其中，该第三分压信号可以具体是通过上述第一分压模块对目标电压信号进行分压后得到的，该目标分压信号与输入有源开关140的电压信号有关。需要说明的是，该电压信号可以是工控领域常用的0～24V或0～12V的电压信号。
[0069] 该比较器U2的阈值电压包括上限阈值电压VH和下限阈值电压VL。
[0070] 具体而言，当比较器U2的第三分压信号低于某一下限阈值电压VL时，比较器U2输出高阻态，此时需要通过比较器U2外接的上拉电阻R7将其输出拉高至高电平信号。
[0071] 当比较器U2的第三分压信号高于某一上限阈值电压VH时，此时比较器U2输出低电平信号。
[0072] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过在第一模块接收到的微控制单元提供的使能信号无效的情况下，控制部署在其中的光电耦合器关断，此时第一模块无法输出比较电压，通过第二模块中的第一分压模块对目标电压信号进行分压后得到第三分压信号，并将其输入至第二模块中的比较器的反相端，通过比较器对该第三分压信号以及比较器的阈值电压的比较结果，输出第二目标电平信号，实现对有源开关信号的采集。
[0073] 在一些实施例中，所述比较电压根据所述光电耦合器的副边输入的偏置电压确定。
[0074] 在采集调理模块120接收到的使能信号GPIO_SEL有效的情况下，光电耦合器U1原边的二极管发光，此时光电耦合器U1的副边导通，通过电阻R3将光电耦合器U1的副边输入的偏置电压Bias‑输出为比较电压Comp‑。
[0075] 在一些实施例中，所述第一分压模块，可以具体包括：并联连接的第一可调电阻和第二可调电阻。
[0076] 如图4所示，第二模块1202中的第一分压模块可以具体由并联连接的第一可调电阻R1和第二可调电阻R2组成。
[0077] 需要说明的是，针对有源开关140，通过调节第一可调电阻R1和第二可调电阻R2的选型，可以适配符合IEC61131‑2针对24V数字输入的1，2，3类特性标准。如图5所示，Type1对应的R1＝6200Ω，R2＝2400Ω；Type2对应的R1＝1500Ω，R2＝390Ω；Type3对应的R1＝2700Ω，R2＝750Ω(其中，R1和R2的阻值为一个与Bias+、R4及R5耦合的范围值)。针对有源输入开关140非24V数字输入的电压信号量，也可类比IEC61131‑2标准，只需将R1和R2的阻值进行适当的缩放即可。
[0078] 在一些实施例中，所述第二分压模块，可以具体包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端与所述同相端的偏置电压连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地，所述同相端接入所述第一电阻的第一端与所述第二电阻的第一端之间。
[0079] 如图4所示，第二模块1202中的第二分压模块可以具体由第一电阻R4和第二电阻R5组成。其中，第一电阻R4的第一端与比较器U2的同相端的偏置电压Bias+连接，第一电阻R4的第二端与第二电阻R5的第一端连接，第二电阻R5的第二端接地。比较器U2的同相端接入第一电阻R4与第二电阻R5的第一端之间。其中，第一电阻R4亦可称为第一正偏置分压电阻，第二电阻R5亦可称为第二正偏置分压电阻。
[0080] 在一些实施例中，所述第二模块1202，还可以具体包括：
[0081] 上拉电阻，与所述比较器的输出端连接，用于在所述比较器根据所述第一分压信号与所述第二分压信号的比较结果输出高阻态的情况下，将所述比较器的输出拉高至高电平信号。
[0082] 如图4所示，该第二模块1202还包括上拉电阻R7，该上拉电阻R7与比较器U2的输出端连接，其可以具体用于在比较器U2根据反相端输入的第一分压信号以及同相端输入的第二分压信号的比较结果输出高阻态的情况下，将比较器U2的输出拉高至高电平。
[0083] 在一些实施例中，所述上拉电阻，还可以具体用于：
[0084] 在所述比较器根据所述第三分压信号与所述阈值电压的比较结果输出高阻态的情况下，将所述比较器的输出拉高至高电平信号。
[0085] 如图4所示，该上拉电阻R7还可以用于在比较器U2根据反相端输入的第三分压信号与比较器U2的阈值电压的比较结果输出高阻态的情况下，将比较器U2的输出拉高至高电平信号。
[0086] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过在第一模块接收到的微控制单元提供的使能信号有效的情况下，控制部署在其中的光电耦合器导通，输出比较电压，通过第二模块中的第一分压模块对该比较电压进行分压后得到第一分压信号，并将其输入至第二模块中的比较器的反相端，通过比较器对该第一分压信号以及同相端输入的第二分压信号的比较结果，输出第一目标电平信号，实现对无源开关信号的采集。
[0087] 在一些实施例中，所述信号采集电路，还可以具体包括：
[0088] 整流电路，所述整流电路的输入端与有源开关连接，所述整流电路的输出端与所述第二模块的第一输入端连接，用于对输入所述有源开关的电压信号取绝对值后输出所述目标电压信号。
[0089] 如图6所示，该信号采集电路还可以包括整流电路，该整流电路的输入端(即图6中的输入Signal_in的一端)与有源开关140连接，整流电路的输出端(即图6中输出Signal_out的一端)与第二模块的第一输入端连接，其可以具体用于对输入有源开关的电压信号取绝对值后输出目标电压信号，具体原理如下。
[0090] 若输入有源开关140的电压信号为正极性信号，整流电路中的快速开关二极管D1处于反向偏置，D2处于正向偏置。此时运算放大器U1驱动运算放大器U2的同相输入端，且运算放大器U2同相输入端与其反向输入端电压一致。又因运算放大器U1反向输入端为高阻态，使得流经电阻R2和R3的电流可以忽略，运算放大器U1相当于缓冲器，输出的电压信号Vout等于输入的电压信号Vin。
[0091] 若输入有源开关140的电压信号为负极性信号，快速开关二极管D1处于正向偏置，D2处于反向偏置。此时运算放大器U1作为跟随器，驱动反相比例运算放大器U2的反相端，又运算放大器U2同相端偏置到地，取R2＝R3，输出的电压信号Vout等于‑Vin。
[0092] 相较于传统全波整流，该全波绝对值电路整流方案精密性更高，无二极管压降引入的系统误差。需要说明的是，若运算放大器U1/U2使用差动放大器，能够省去外部二极管并使用单电源供电达到相似效果，如图7所示。但其和图6所示的方案类似，故不再赘述。
[0093] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过整流电路对输入的有源开关的电压信号取绝对值后输出目标电压信号，并将其输入至采集调理模块中的第二模块，基于第一分压模块对该目标电压信号进行分压后，将其作为第二模块中的比较器反相端的第三分压信号，由于该目标分压信号是经整流电路对有源开关的电压信号取绝对值后输出的，使得无论输入有源开关的电压信号是正极性信号或是负极性信号均不影响比较器对第三分压信号与阈值电压的比较结果，并输出第二目标电平信号，且由于该整流电路是通过对输入的电压信号取绝对值后输出，因此，输入该整流电路的电压信号与该整流电路输出的电压信号基本一致，精度较高，实现对有源开关输入的极性变化的变动信号的采集，兼容有源开关输入的电压信号的正反接功能，提高了系统的鲁棒性。
[0094] 在一些实施例中，所述微控制单元，还可以具体用于：
[0095] 接收所述采集调理模块输出的所述第一目标电平信号或所述第二目标电平信号。
[0096] 该微控制单元110还可以与采集调理模块120的输出端(图4所示的GPIO的一端)连接，其可以具体用于接收采集调理模块120采集无源开关信号时输出的第一目标电平信号，以及接收采集调理模块120采集有源开关信号时输出的第二目标电平信号。
[0097] 在实际执行中，本申请提供的信号采集电路可以具体如图8所示，包括整流电路、采集调理模块和微控制单元(MCU)。其中，采集调理模块包括：第一可调电阻R1、第二可调电阻R2、滤波电容C1、限流电阻R8和R9、负偏置切换电阻R3、光电耦合器U1(图为示意)、集电极开路型比较器U2、第一正偏置分压电阻R4、第二正偏置分压电阻R5、比较器正反馈电阻R6、开漏上拉电阻R7、输出限流电阻R10。工作原理如下：
[0098] 当GPIO_SEL有效时，光电耦合器U1原边的二极管发光，副边处于导通状态，通过R3将Bias‑引入比较器U2的反相端，此时，采集调理模块可用于采集无源开关信号，即采集调理模块的第二模块的第一输入端可以通过外部接插件与无源开关连接。此时，如果无源开关闭合接地，第一可调电阻R1和第二可调电阻R2成并联关系，Bias‑在比较器U2反相端形成的压降(即第一分压信号)取决于负偏置切换电阻R3、第一可调电阻R1和第二可调电阻R2，当该第一分压信号小于Bias+经第一正偏置分压电阻R4和第二正偏置分压电阻R5在比较器U2同相端形成的偏置电平(即第二分压信号)时，导致比较器呈高阻态，此时需要通过与比较器U2的输出端连接的上拉电阻R7，使与采集调理模块连接的微控制单元如单片机识别高电平信号；如果与接插件连接的无源开关断开(或类似的通过大电阻接地)，Bias‑在比较器U2反相端形成的压降(即第一分压信号)主要取决于负偏置切换电阻R3和第二可调电阻R2，当其高于比较器U2的正迟滞阈值电平(即输入比较器U2同相端的第二分压信号)，导致比较器U2输出低电平信号。由此可以实现对无源开关信号的采集。
[0099] 当GPIO_SEL失效时，光电耦合器U1处于关断状态，此时采集调理模块可用于采集有源开关信号，即采集调理模块的第二模块的第一输入端通过外部接插件与有源开关连接。此时，当输入有源开关的电压信号经整流电路输出的目标电压信号经过第一可调电阻R1和第二可调电阻R2分压后得到的第三分压信号低于比较器U2的某一下限阀值VL时，比较器U2输出高阻态，此时需要通过与比较器U2的输出端连接的开漏上拉电阻R7使单片机识别高电平信号；当该目标电压信号经过第一可调电阻R1和第二可调电阻R2分压后得到的第三分压信号高于比较器U2的某一上限阀值VH时，比较器U2输出低电平信号。由此可以实现对有源开关信号的采集。
[0100] 根据本申请实施例提供的信号采集电路，通过微控制单元采集与其连接的采集调理模块输出的第一目标电平信号或第二目标电平信号，完成对无源开关信号以及有源开关信号的采集。
[0101] 上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
[0102] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意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申请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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0103] 尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
