李大伟，吴燕娟，盛成龙，钭伟明，丁渊明，项勇

金卡智能集团股份有限公司，杭州 310018

摘要

开关量检测技术具有简单、可靠、成本低等优点，被广泛应用于智能仪表进行信息传递。但其接口电路在短路或开路时，会出现功耗变大及检测功能失效的问题。该文针对上述问题，提出了一种带有自诊断功能开关量检测系统方案，实现了对接口状态的检测和诊断，进一步提高了仪表的智能化程度。当系统发生故障时，功耗也不会增大，并可以诊断出故障原因。该设计还结合实践，搭建了测试环境并进行测试验证。结果表明：当外部接口短路时，平均电流为0.48μA；当外部接口正常时，采样电压为1.54V；当外部接口开路时，采样电压为2.55V；当内部接口开路或短路时，可自检出开关量信号无变化，同时，自动切断系统供电电源，保护其它模块功能不受影响。

关键词：自诊断；开关量；信号检测；防断线；低功耗；

Research on Self-diagnosis Technology and Implementation Method of the Switching Quantity Detecting System

LI Da-wei,WU Yan-juan,SHENG Cheng-long,DOU Wei-ming,

DING Yuan-ming,XIANG Yong

Goldcard Smart Group ,Co.,Ltd., Hangzhou 310018 China;

Abstract：

Because of the advantages of simple, reliable and low cost, the switch quantity detection technology is widely used in intelligent instruments to carry out information transmission. However, when the interface circuit is short circuited or opened, the power dissipation and the failure of the detection function will appear. Aiming at the above problems, this paper proposes a scheme of switch detection system with self diagnosis function, which can detect and diagnose the interface state, and further improve the intelligence level of the instrument. When the system fails, the power consumption will not increase, and the cause of the fault can be diagnosed. This design also combines practical situation to build a test environment to test and verify. The results show that when the external interface is short circuited, the average current is 0.48μ A. When the external interface is normal, the sampling voltage is 1.54V. When the external interface is open, the sampling voltage is 2.55V. When the internal interface is open or short circuited, it can detect the switch signal without change. At the same time, it can automatic cut off system power supply, and protect other module function not affected.

Key word：Self diagnosis; switch quantity; signal detection; anti break line; low power consumption;

引言

随着时代的发展和科学技术的进步，智能仪表得到普及。开关量检测技术因具有简单、可靠、成本低等优点，在智能仪表中得到广泛应用，如轻触开关、阀门到位、流量计输出的计量脉冲信号等。

在上述应用中，开关量检测系统均是通过接口进行信号传递。但是，由于智能仪表的使用环境复杂且基数庞大，其接口不可避免地会发生故障。如果发现和处理不及时，就会给企业和用户造成重大的经济损失。目前大多企业对于产品的维护还停留在以人工方式定期排查来进行，维护成本高且效率低下。

因此，非常有必要增加自诊断功能，确保在发生故障时，能够及时检测出故障原因并进行有效处理，避免造成经济损失。该文在总结了现有技术的不足，本文设计出了一种带有自诊断功能的开关量检测系统，有效的解决了上述的实际问题

1开关量检测系统整体框架设计

该文以工业物联网智能流量计控制器（以下简称流量计控制器）的计量系统为例，详细阐述了开关量检测系统及自诊断技术在其计量系统中的应用和达到的效果。

流量计控制器的计量系统共由开关量检测系统和流量计2部分组成。开关量检测系统，作为连接单片机与流量计的桥梁，一方面，用于接收流量计所发出的脉冲信号并进行处理，将处理后的信号传递给单片机，再由单片机将脉冲信号转换为气量信息，与流量计保持同步。另一方面，用于对传输信号线连通性的诊断，保证开关量信号检测的准确性。

图1开关量检测系统框图

如图1所示，开关量检测系统的整体框架包括：单片机、开关量检测模块，电压保护模块，断线检测模块，信号转换模块及信号源。其中，开关量检测模块和电压保护模块设计在控制器内部，即与控制器处于同一结构中。断线检测模块和信号转换模块设计在控制器外部，即与信号源处于同一结构中。信号源和控制器均设计有接口，接口之间通过信号线进行数据传递。

1.1 开关检测模块设计

开关量检测模块共设计有4个接口，分别是2个内部接口和2个外部接口。其中，2个内部接口为供电控制接口（POW_CTR）和信号检测接口（SW_IO），均与单片机进行连接，使单片机[6]实现对开关量检测模块的供电控制和开关信号检测。2个外部接口分别是断线检测控制接口（CTR1）和计量脉冲信号的输入接口（SGN），通过3根信号线：检测信号线，控制信号线和GND线，与信号转换模块和断线检测模块进行连接，实现对断线检测模块使能控制和开关量信号的接收；

1.2 电压保护模块设计

开关量检测模块与外部接口之间还连接有电压保护模块。其功能一方面应用于隔离保护，即当输入信号的电压高于系统电压时，可实现对输入信号的隔离，保护控制器内部的硬件电路不会损坏。另一方面应用于电压转换，即当输入信号的电压高于系统电压，又不超过保护模块最大允许电压时，可将高于系统电压的高电平电压信号，转换为系统可承受的信号。

1.3 信号转换模块设计

流量计输出的开关信号共分为2种，分别是无源信号和有源信号。无源信号是指可以输出低电平或悬空状态的开关量信号。如干簧管，继电器等。如果流量计输出的开关信号为无源信号，则不需要通过信号转换模块，可直接将信号源输出接口通过检测信号线连接到控制器的外部接口。有源信号是指可以输出低电平或高电平信号，或者是输出高电平或悬空状态的信号。如图2中的VIN信号源模块所示。当信号源为有源信号时，则需要先通过信号转换模块，将有源信号转换为无源信号，再通检测信号线将转换后的无源信号连接到控制器的外部接口（SGN）。

1.4自诊断模块设计

在开关量检测系统设计中，所有开关量信号，均会先通过外部接口，再通过内部接口，传入到单片机。

因此，可通过自动模拟开关量，并检测其接口状态的方法，来判断系统是否发生故障。

自诊断模块共由两部分组成，分别是内部接口开关量模拟模块和外部接开关量模拟模块。

1）内部接口开关量信号模拟模块设计

内部接口开关量信号模拟模块设计是通过开关量检测模块来实现的。由于开关量检测模块的供电控制接口和信号检测接口输入输出方向，是可以受单片机的控制的。因此，单片机可通过对其引脚方向的配置，将信号检测接口配置为输出状态，将供电控制接口配置为输入状态，再通过控制检测接口的电平变化就可以实现对内部接口开关信号的模拟，且不受外部接口输入信号的影响。

2）外部接口开关量信号模拟模块设计

外部接口开关量信号模拟模块设计是通过断线检测模块来实现的。由单片机，通过断线检测控制信号线，控制断线检测模块与检测信号线的接入或断开，实现对外部接口开关信号的模拟，并可通过开关量检测模块，来判断检测信号线连接是否正常。

2系统硬件电路设计

图2开关量检测系统电路原理图

如图2所示，开关量检测系统硬件电路包括：开关信号检测电路，电压保护电路，断线检测电路，信号转换电路，无源信号源电路，有源信号源电路。其中，信号源电路为参考电路。

2.1、开关量检测电路设计

带有自诊断功能的开关量检测电路是在现有开关量检测电路基础上，增加了供电控制功能，使用单片机引脚直接作为供电电源与（POW_CTR）连接，实现对系统的供电控制。

其中，R1作为上拉电阻，作用是当未接收到开关信号时，将信号检测引脚（SW_IO）拉置高电平的确定状态。R2作为保护电阻，当对内部接口模拟开关量信号时，即当信号检测引脚（SW_IO）输出高电平，同时外部接口接收到低电平信号时，防止信号检测引脚（SW_IO）与GND短路。C1作为滤波电容，其作用一方面是利用电容两端电压不能突变的特性[4]，滤除机械抖动或干扰信号，使控制器判断准确。另一方面是当信号检测引脚（SW_IO）复用AD功能时，作为AD采样的滤波电容。

2.2、电压保护电路设计

在电阻R2与外部接口之间，串联有电压保护二极管D1，实现对内部电路的保护和电压转换。保护二极管D1可以采用正向导通压降较低的肖特基二极管。

2.3、自诊断电路设计

自诊断电路由断线检测电路和开关信号检测电路两部分组成。其中，信号线断线检测功能由两个电路共同实现。内部接口开路检测功能，由开关信号检测电路来实现。

1）外部接口开路检测电路设计采用三极管和在集电极串联负载电阻的方法来实现。

单片机可通过断线检测控制引脚（CTR1）控制电阻R3与GND的通断。当电阻R3与GND导通时，供电控制引脚（POW_CTR）作为系统供电电源，同上拉电阻R1，保护电阻R2，负载电阻R3和GND构成放电回路和分压电路。最后单片机通过信号检测引脚（SW_IO）对分压进行AD采样[3]，并通过AD采样电压来实现对接口故障的判断。

2）内部接口开路检测电路可通过开关检测电路来实现。单片机可将供电控制引脚（POW_CTR）和信号检测引脚（SW_IO）的输入输出方向互换，再通过电阻R1，避免短路并实现互检。

 3.系统软件设计

3.1 系统软件流程图设计

系统软件流程图如3所示。

图3 系统软件流程图

3.2、开关量检测模块软件设计

1）引脚初使化

单片机将供电控制引脚（POW_CTR）配置为输出状态，并输出高电平。将信号检测引脚（SW_IO）配置为输入状态和以中断方式进行开关信号检测。

2）开关信号未触发状态检测

当有源信号源无信号输出时，VIN处于悬空状态，MOS管Q2的栅极，通过下拉电阻R6，被下拉到GND，Q2的源极到漏极截止。检测信号线（SGN）处于悬空状态。开关信号检测引脚（SW_IO）通过R1上拉电阻被拉置高电平。

此时，由于供电控制引脚（POW_CTR）和信号检测引脚（SW_IO）电平状态相同，因此，不构成放电回路，无电流消耗。

注：下拉电阻R6的作用：R6作为保护电阻，起放电的作用。防止开关信号由高电平变为低电平时，累积的静电无处泄放，从而击穿MOS管。

（3）开关信号触发状态检测

当有源信号源输出高电平时，MOS管Q2的栅极，通过VIN被拉到高电平，Q2的源极到漏极导通，检测信号线（SGN）输出低电平。保护电阻R2通过保护二极管D1被拉到低电平，POW_CTR，R1，R2，D1和GND串联构成放电回路。开关信号检测引脚（SW_IO）检测到下降沿，触发中断。

（4）开关信号的中断处理

单片机在接收到中断信号后，会将供电控制引脚（POW_CTR）输出低电平，关闭系统电源。使单片机在执行中断处理过程中，不会因开关处于短路状态而产生功耗。在执行完成后，再将工作模式切换为周期供电和查询检测方式。并启动定时器，当定时时间到时，将供电控制引脚（POW_CTR）输出高电平，信号检测引脚（SW_IO）对输入信号进行检测。如果检测到信号检测引脚（SW_IO）仍处于低电平状态，则重新定时检测，直到检测到开关信号恢复到未触发状态。本次操作结束后，单片机会重新将工作模式切换回中断检测方式，以达提高检测效率的目的。

如果检测到信号检测引脚（SW_IO）一直于低电平状态，当检测次数超过一定阀值后，系统会判断为开关短路，会自动进行本地和远程报警，通知相关技术人员处理。

3.3、断线检测模块软件设计

当有源信号源无信号输出时，VIN处于悬空状态。在此状态下，系统采用定时检测方式[2]，通过控制断线检测电路的使能实现对外部接口开关量信号的模拟。

当定时时间Tf3到时，执行步骤如下：

步骤1：引脚初使化

单片机先将供电控制引脚（POW_CTR）和断线检测控制引脚（CTR1）同时输出低电平，三极管Q1截止，采样电阻R3与SGN信号线断开。将信号检测引脚（SW_IO）配置为AD功能，准备进行AD采样。

步骤2：模拟开关信号触发状态

单片机先将断线检测控制引脚（CTR1）输出高电平，使采样电阻R3通过SGN信号线接入外部接口。再将供电控制引脚（POW_CTR）输出为高电平，并保持200μs，使电容C1进行充电。

步骤3：AD采样

单片机用信号检测引脚（SW_IO）对R2和R3电阻分压进行AD采样。采样结果可对照公式1，2，3，实现对外部接口开路故障的判断。

步骤4：外部接口开路故障判断

（1）无信号，检测信号线（SGN）处于悬空状态：

V3 = （V1 – V2） ×（R2 + R3）/（R1 + R2 + R3）+ V2（公式1）[5]

V3 = 1.56V

（2）有信号，检测信号线（SGN）处于低电平状态：

V3 = （V1 – V2） × R2 /（R1 + R2）+ V2（公式2）

V3 = 0.13V

（3）断线，检测信号线（SGN）处于断线状态：

V3 = V1（公式3）

V3 = 3V

其中，V1为系统电压3V，V2为保护二极管导通压降（实测约为0.13V），V3为信号检测引脚（SW_IO）AD采样电压。通过公式计算得出：当外部接口开路时，AD采样电压大于接口正常时的AD采样电压，采样电压门限值可设为2V来进行判断。

步骤5：故障判断和处理。

如果检测到外部接口工作正常，系统将各引脚状态重新恢复到开关量信号检测功能状态；如果检测到外部接口发生开路故障，系统会自动进行本地和远程报警，通知相关技术人员处理。

3.4、内部接口开路检测软件设计

系统是通过开关检测电路设计配合周期性方法检测来实现对内部接口开关量信号的模拟和检测。当定时时间Tf2到，执行步骤如下：

步骤1）：引脚初使化

单片机将信号检测引脚（SW_IO）配置为输出状态；将供电控制引脚（POW_CTR）配置为输入状态；

步骤2）：模拟开关信号未触发并检测

单片机将信号检测引脚（SW_IO）输出高电平，使用供电控制引脚（POW_CTR）对信号检测引脚（SW_IO）的电平状态进行检测。如果检测为高电平，则判断内部接口正常，执行步骤3）；否则，判断内部接口开路状态，执行步骤4）。

步骤3）：模拟开关信号触发并检测

单片机将信号检测引脚（SW_IO）输出低电平，使用供电控制引脚（POW_CTR）对信号检测引脚（SW_IO）的电平状态进行检测。如果检测为低电平，则判断内部接口正常，将供电控制引脚（POW_CTR）和信号检测引脚（SW_IO）恢复到正常开关检测配置。否则，判断内部接口开路故障，执行步骤4）。

步骤4）：异常处理。

单片机将供电控制引脚（POW_CTR）和信号检测引脚（SW_IO）同时配置为输出状态，并输出低电平，使系统不产生功耗。并进行本地和远程报警，及时通知技术人员处理。

4.系统效果实验测试

如图4所示，本实验先是采用JGML-6~100型流量计控制器配FCM型体积修正仪进行外部接口自诊断系统测试实验环境搭建，FCM型体积修正仪为有源脉冲信号输出。

图4 外部接口自诊断系统效果实验测试环境搭建

如图5所示，本实验后是采用JGM25S-G型热式气体质量流量计进行内部接口自诊断系统测试实验环境搭建，开关信号为轻触开关所发出的无源脉冲信号。

图5 内部接口自诊断系统效果实验测试环境搭建

测试结果如表1~4所示。

表1 外部接口开路检测AD采样数据表

注1：控制器内部采用10位AD[7]

      注2：计算公式：电压值 = 3V × AD量化值 /  1024

表2 开关信号状态检测表

表3 外部接口开路检测AD采样电压波形图（测试仪器：Agilent Technologies MSO-X 4024A）

表4 开关短路功耗对比表（测试仪器：Agilent Technologies N6705B）

5.结束语

针对现有开关量检测技术的不足及无法解决接口故障导致的功耗大和不计数问题，本文设计了带有自诊断功能的开关信号检测系统。通过硬件电路和自诊断算法结合，可自动实现对内外接口进行开关量信号的模拟，并对接口状态进行监测和故障判断，以便在出现故障时，能够及时处理，以达到降低维护成本和减小经济损失的目的。

当外部接口处于短路状态时，系统会自动切换到周期性供电查询检测模式，使系统功耗保持在0.48μA，不影响电池的使用寿命。当外部接口发生开路故障时，AD采样电压为2.55V；当外部接口正常工作时，AD采样最高电压为1.54V，因此，以2V为门限来判断外部接口故障，验证了理论计算。

当内部接口发生故障时，系统会通过定时模拟内部接口开关量的方法，将故障检测出来。并且主控单元会自动切断系统供电电源并报警，保护其它模块功能不受影响。

目前该方案已在我公司JGML-6~100型流量计控制器和JGM25S-G型热式气体质量流量计上进行了测试，并取得了良好的效果。以往为了便于人机交互，在产品中设计有多个轻触开关，这样增大了故障发生的概率。采用该文方案后，有效的解决了上述实际问题。

参考文献

[1] 华少雄,汪乐宇. 智能监视仪表设计中的自诊断技术[J].机电工程. 1997(03):40-42 

[2] 赵望达,裘志浩,蒋晴霞.  智能仪表的抗干扰和故障诊断[J].制造业自动化. 2000(07):47-50

[3] 陈兴文; 覃少华. 单片机应用系统自诊断技术及实现方法[J].广西师范大学学报(自然科学版).1994,12(02):86-90

[4] 翁绍捷.  开关量采样的干扰与抗干扰电路设计[J].机电工程技术. 2002(05) :28-29

[5] 华成英,童诗白主编.模拟电子技术基础[M]. 北京:高等教育出版社, 2006

[6] 张毅刚.单片机原理及应用[M]. 北京:高等教育出版社 , 2010

作者简介：李大伟（1982-），男，本科，研究方向：智能仪表技术开发与失效分析