專利名稱：基于硬件冗余的高可靠a/d采集系統(tǒng)及故障檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種能夠進(jìn)行硬件電路故障診斷及完成故障模塊替換的高可靠 A/D采集系統(tǒng)。
技術(shù)背景在數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)際使用中，會(huì)因?yàn)殡娫串惓！㈦姶鸥蓴_以及調(diào)試過程中短 路等原因造成A/D采集系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的采樣。目前使 用的數(shù)字控制系統(tǒng)中，都沒有能實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入系統(tǒng)硬件故障檢測的軟硬件模塊， 當(dāng)硬件出現(xiàn)故障時(shí)無法及時(shí)地發(fā)現(xiàn)及完成故障的相應(yīng)處理。此種情況一旦出現(xiàn)在 實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)字控制系統(tǒng)，特別是當(dāng)出現(xiàn)在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的控制系統(tǒng)中 時(shí)，將造成嚴(yán)重的后果。發(fā)明內(nèi)容為了解決A/D采集系統(tǒng)的硬件故障問題，本發(fā)明提供了一種基于硬件冗余的 高可靠A/D采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)硬件故障的診斷，還能完成故障采集模 塊與備用采集模塊間的切換。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括第一輸入信號(hào)選擇電路、第 二輸入信號(hào)選擇電路、A/D采集主模塊、A/D采集備用模塊、CPU及譯碼器，其 中第一輸入信號(hào)選擇電路的輸入端分別連于外部輸入信號(hào)和精密參考電壓基準(zhǔn) 信號(hào)，第二輸入信號(hào)選擇電路的輸入端同樣分別連于外部輸入信號(hào)和精密參考電 壓基準(zhǔn)信號(hào)，第一輸入信號(hào)選擇電路的輸出端連于A/D采集主模塊的輸入，第二 輸入信號(hào)選擇電路的輸出端連于A/D采集備用模塊的輸入，A/D采集主模塊的輸 出端與A/D采集備用模塊的輸出端通過接口電路連于CPU及譯碼器。所述輸入信號(hào)選擇電路，采用二選一多路選通芯片，外部輸入信號(hào)和基準(zhǔn)電 壓信號(hào)分別與多路選通芯片輸入端相連，多路選通芯片輸出端接入A/D采集系 統(tǒng)。通過CPU控制該二選一多路選通芯片的切換，當(dāng)外部輸入信號(hào)接入A/D采集 系統(tǒng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的正常采樣;當(dāng)基準(zhǔn)電壓信號(hào)接入A/D采集系統(tǒng)時(shí)，通 過對(duì)基準(zhǔn)電壓信號(hào)的采樣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前A/D采集模塊的故障檢測。所述A/D采集模塊，分為主模塊和備用模塊兩部分，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障時(shí)及 時(shí)啟用備用模塊。主模塊和備用模塊硬件結(jié)構(gòu)相同，都由限幅電路、抗混疊濾波 器及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。所述接口電路，將A/D芯片的數(shù)據(jù)線、讀和寫信號(hào)線與備用采集模塊中A/D芯片對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線、讀和寫信號(hào)線分別相連，然后連于CPU及譯碼器；而兩片A/D芯片的片選信號(hào)和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)直接連于CPU及譯碼器，分別單獨(dú)控制。當(dāng) 檢測到當(dāng)前A/D采集模塊出現(xiàn)故障時(shí)，只需在程序內(nèi)部將備用模塊中A/D芯片的 片選和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)代替故障主模塊中相應(yīng)的控制信號(hào)即可完成故障處理。所述技術(shù)方案中采用的故障檢測方法，其特征在于，將外部輸入信號(hào)和精密 基準(zhǔn)電壓信號(hào)分別輸入由二選一多路選通芯片組成的輸入信號(hào)選擇電路的輸入 端。通過改變二選一多路選通芯片的控制信號(hào)，分別將精密基準(zhǔn)電壓信號(hào)和外部 輸入信號(hào)輸入A/D采集模塊，當(dāng)接入精密基準(zhǔn)電壓信號(hào)時(shí)，通過對(duì)該電壓的采樣 來判斷當(dāng)前A/D采集模塊是否出現(xiàn)故障；當(dāng)接入外部輸入信號(hào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào) 的正常釆樣。所述技術(shù)方案中采用的故障處理方法，其特征在于，應(yīng)用A/D芯片片選信號(hào) 和A/D轉(zhuǎn)換完成信號(hào)識(shí)別主采集模塊與備用采集模塊，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障后，在 程序中用備用采集模塊的A/D芯片片選信號(hào)和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)替代故障采集模塊 中相應(yīng)的控制信號(hào)，從而完成備用模塊替代故障模塊。 本發(fā)明的積極效果是 -通過對(duì)基準(zhǔn)電壓信號(hào)的采樣來判斷當(dāng)前A/D采集系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，可以準(zhǔn) 確地發(fā)現(xiàn)故障；通過A/D芯片的片選信號(hào)和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)的替換，可以及時(shí)地從 故障采集模塊切換到備用采集模塊，降低了現(xiàn)場事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。該方法有效地 提高了 A/D采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,且設(shè)計(jì)簡單，控制靈活。


圖1為本發(fā)明的總體硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的輸入信號(hào)選擇電路圖。圖3是本發(fā)明的A/D采集模塊及其與CPU間的接口電路。圖4是本發(fā)明的故障檢測程序流程圖。
具體實(shí)施方式
硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括輸入信號(hào)選擇電路、A/D采集系統(tǒng)及其CPU 間接口電路兩部分。信號(hào)選擇電路如圖2所示，由多路選通芯片構(gòu)成，其中ax、 bx和cx腳分別 接外部輸入信號(hào)，ay、 by和cy腳分別接精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào) inA_control或inB—control為低電平時(shí)ax、 bx和cx腳的外部輸入信號(hào)接至輸 出端；當(dāng)控制信號(hào)inA—control或inB—control為高電平時(shí)，ay、 by和cy腳的精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)接至輸出端。通過改變inA_control或inB_control信號(hào) 的值，可以分別實(shí)現(xiàn)將外部輸入信號(hào)或精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)接入A/D采集系 統(tǒng)。A/D采集系統(tǒng)及其與CPU間接口電路如圖3所示，其中A/D釆集系統(tǒng)分為主 模塊和備用模塊兩部分，這兩個(gè)部分完全相同，都由輸入限幅電路、抗混疊濾波 器和A/D轉(zhuǎn)換芯片組成。圖中A/D采集系統(tǒng)與CPU間接口電路的連接如下主模 塊的數(shù)據(jù)線data、寫信號(hào)wr、讀信號(hào)rd、轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)convst分別和備用模 塊對(duì)應(yīng)的引腳相連，然后連于CPU及譯碼器電路；主模塊和備用模塊的片選信號(hào) csl和cs2及轉(zhuǎn)換完成信號(hào)eolcl和eolc2直接連于CPU及譯碼器電路。CPU檢 測到A/D采集系統(tǒng)主模塊出現(xiàn)故障后，只要在程序內(nèi)部用備用模塊的片選信號(hào) cs2及轉(zhuǎn)換完成信號(hào)eolc2替代主模塊的片選信號(hào)csl及轉(zhuǎn)換完成信號(hào)eolcl， 即實(shí)現(xiàn)了用備用模塊替代出現(xiàn)故障的主模塊。.CPU故障檢測程序流程圖如圖4所示，程序啟動(dòng)后控制inA—control置高， 將精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)接入主模塊，然后啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換對(duì)該參考電壓采 樣，CPU通過讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的該電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量做比較，如果其 差值在允許誤差范圍之內(nèi)，則認(rèn)為主模塊沒有出現(xiàn)故障，控制inA_contr0l置低 接入外部輸入信號(hào)開始對(duì)該信號(hào)采樣；如果超出了允許誤差，則認(rèn)為主模塊出現(xiàn) 故障，通過片選信號(hào)與轉(zhuǎn)換完成信號(hào)的替換啟用備用模塊，繼續(xù)進(jìn)行外部輸入信 號(hào)的采樣工作。程序中設(shè)置了故障標(biāo)志位，通過對(duì)該位值的査詢可以判斷出備用 模塊是否已啟用，由于硬件電路只設(shè)置了一個(gè)備用采集模塊，故一旦啟用備用模 塊故障檢測程序不再運(yùn)行。
權(quán)利要求
1、一種基于硬件冗余的高可靠A/D采集系統(tǒng)，其特征是包括第一輸入信號(hào)選擇電路、第二輸入信號(hào)選擇電路、A/D采集主模塊、A/D采集備用模塊、CPU及譯碼器，其中第一輸入信號(hào)選擇電路的輸入端分別連于外部輸入信號(hào)和精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)，第二輸入信號(hào)選擇電路的輸入端同樣分別連于外部輸入信號(hào)和精密參考電壓基準(zhǔn)信號(hào)，第一輸入信號(hào)選擇電路的輸出端連于A/D采集主模塊的輸入，第二輸入信號(hào)選擇電路的輸出端連于A/D采集備用模塊的輸入，A/D采集主模塊的輸出端與A/D采集備用模塊的輸出端通過接口電路連于CPU及譯碼器。
2、 、 一種如權(quán)利要求1所述的基于硬件冗余的高可靠A/D采集系統(tǒng)的故障檢測方 法，其特征在于，將外部輸入信號(hào)和精密基準(zhǔn)電壓信號(hào)分別輸入由二選一多路選 通芯片組成的輸入信號(hào)選擇電路的輸入端，通過改變二選一多路選通芯片的控制 信號(hào)，分別將精密基準(zhǔn)電壓信號(hào)和外部輸入信號(hào)輸入A/D采集模塊，當(dāng)接入精密 基準(zhǔn)電壓信號(hào)時(shí)，通過對(duì)該電壓的采樣來判斷當(dāng)前A/D采集模塊是否出現(xiàn)故障； 當(dāng)接入外部輸入信號(hào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的正常采樣。
3、 如權(quán)利要求2所述的基于硬件冗余的高可靠A/D采集系統(tǒng)的故障處理方法， 其特征在于，應(yīng)用A/D芯片片選信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換完成信號(hào)識(shí)別主采集模塊與備用 采集模塊，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障后，在程序中用備用采集模塊的A/D芯片片選信號(hào) 和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)替代故障采集模塊中相應(yīng)的控制信號(hào)，從而完成備用模塊替代故 障模塊。
全文摘要
一種基于硬件冗余的高可靠A/D采集系統(tǒng)及故障檢測方法，屬A/D采集系統(tǒng)。它包括輸入信號(hào)選擇電路、A/D采集模塊及CPU和譯碼器。通過對(duì)精密參考電壓信號(hào)的采樣來判斷當(dāng)前A/D采集模塊是否出現(xiàn)故障；當(dāng)出現(xiàn)故障后，通過用備用模塊的片選信號(hào)和轉(zhuǎn)換完成信號(hào)替換故障主模塊中相應(yīng)的控制信號(hào)，完成故障模塊與備用模塊間的替換。采用該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效提高了A/D采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低了現(xiàn)場事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
文檔編號(hào)G05B23/02GK101236433SQ200810018849
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者唐文斌, 徐龍祥 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)