CN102901906B - 一种基于通用产品插头的检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于通用产品插头短路检测***及方法，***包括电源、主控单元、电源控制单元(包括PMOS管)、AC电源端口检测电路(包括电容、串联的R1、R2、R3和R4)。R1的一端接PMOS管的漏极另一端接R2，R4的一端接地另一端接R3；PMOS管的源极接电源、栅极接主控单元的一个I/O端口；主控单元的另一个I/O端口经一电容连接于R1和R2间的D点，第一A/D端口连接于R1和R2间的D点，第二A/D端口连接于R2和R3间的E点，第三A/D端口连接于R3和R4间的F点；D点、E点、F点还分别与AC插座的L端、G端、N端连接。主控单元用于对其IO口进行控制，以判断是否有插头***及插头是否短路。本发明可有效检测插头短路，节省成本；保护短路现场，便于工程师分析解决问题。

Description

一种基于通用产品插头的检测***及方法

技术领域

本发明涉及插头检测技术领域，尤其涉及一种基于通用产品插头的检测***及方法。

背景技术

目前，为避免短路对产品所造成的损害，对通用产品的插头短路检测尤其重要，而现有的插头短路检测方法具有检测速度慢、成本高、无法***化管理等缺陷，因而有必要提供一种简单有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于通用产品插头的检测***及方法，实现简单、方便***化管理、快速的通用产品插头***检测和插头短路检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于通用产品插头的短路检测***，包括：电源、主控单元，以及与主控单元分别连接的电源控制单元、存储单元、通信单元、AC电源端口检测电路；所述主控单元为单片机或者MCU；

所述电源控制单元包括：PMOS管；PMOS管的栅极与主控单元的一个I/O端口(1PIN)连接、源极接3.3V电源、漏极接电阻R1的一端；

所述AC电源端口检测电路包括：依次串联的电阻R1、R2、R3和R4；其中，电阻R1的一端连接PMOS管的漏极，电阻R4的另一端接地；主控单元的另一个I/O端口(15PIN)经过一个电容连接于电阻R1和R2之间的D点，第一A/D端口(2PIN)直接连接于电阻R1和R2之间的D点，第二A/D端口(3PIN)连接于电阻R2和R3之间的E点，第三A/D端口(4PIN)直接连接于电阻R3和R4之间的F点，第一A/D端口(2PIN)、第二A/D端口(3PIN)、第三A/D端口(4PIN)都是主控单元的AD检测口；

所述D点还与AC插座的L端连接，E点还与AC插座的G端连接，F点还与AC插座的N端连接；

所述主控单元，先用于对一个I/O端口(1PIN)控制切断PMOS管漏极的3.3V后，其另一个I/O端口(15PIN)才开始输出方波信号，以获取AC电源端口检测电路的F点的方波电压大小为依据，判断是否有插头***；判定***有效后，再控制其另一个I/O端口(15PIN)停止输出方波信号，然后一个I/O端口(1PIN)控制接通PMOS管漏极3.3V，此时以其获取D点、E点、F点三点的电压大小为依据判断插头是否短路。

优选地，上述***还包括蜂鸣器，该蜂鸣器与主控单元连接，用于检测到异常时报警。

优选地，上述***还包括n个LED，所述n≥1，与主控单元连接，用于显示检测结果。

优选地，所述R2、R3、R4的阻值相同，且阻值在4.7K到200K范围内；所述电容的值为大于等于1uF。

优选地，所述通信单元具体为USB，用于通过CDC数据传输模式实现本***与上位机的通信，接收上位机发送的指令并将检测结果发送至上位机。

一种如上所述基于通用产品插头的短路检测***的检测方法，包括：

检测***开机通电，电源正常工作输出3.3V，主控单元初始化后，在接收到上位机的检测指令时，

主控单元进行插头***检测：先控制其一个I/O端口(1PIN)输出高电平，以切断PMOS管漏极3.3V供电；再将其另一个I/O端口(15PIN)设置为输出状态并且输出1Khz、占空比为50％的方波信号，通过电容耦合；最后将其第一A/D端口(2PIN)、第二A/D端口(3PIN)、第三A/D端口(4PIN)设置为AD输入检测状态，只获取F点的波形大小，若该F点的电压有效值不小于0.5V，则判定有插头***，否则判定插头未***；

在检测到有插头***后，主控单元进行插头短路检测：先控制其另一个I/O端口(15PIN)停止1Khz输出工作，一个I/O端口(1PIN)输出低电平，作用是恢复PMOS管漏极3.3V供电；让主控单元的第一A/D端口(2PIN)获取D点、第二A/D端口(3PIN)获取E点、第三A/D端口(4PIN)获取F点三点的电压，以三点的电压值与各自的正常值的比较结果为依据判定插头是否短路。

优选地，在主控单元进行插头***检测的过程中，

所述主控单元控制其一个I/O端口(1PIN)输出高电平后，延迟预设时间之后才开始获取F点的波形大小，原因是解决RC电路的充电时间，避免F点的检测误差；

且在预设时间内，连续检测F点的电压不小于0.5V的次数达到预设次数时，才判定有插头***，原因是人工***插头会有抖动接触不良，其作用是防抖动，稳定检测结果。

优选地，所述预设时间设定为10ms，所述预设次数为25次。目的是消除主控单元自身存在的检测误差。

优选地，所述判定插头短路的方法进一步包括：

若D点的电压值大于E点的电压值，且E点的电压值大于F点的电压值，则判定插头没有短路，原因是正常的产品输入阻抗很高，>0.2M欧姆，基本等效为开路，根据相同串联电阻R2、R3、R4均衡分压原理，那么D点、E点、F点的电压就是平分3.3V电压；

若D点与E点的电压值相当，且F点的电压值比其正常值高，则判定插头的L端跟G端短路；

若D点、E点和F点三点的电压值相当，则判定插头的L端跟N端短路；

若E点和F点的电压值相当，且F点的电压值比其正常值高，E点的电压值比其正常值低，则判定插头的G端跟N端短路；

所述D点、E点、F点的电压的正常值范围分别为：2.8V～3.3V、1.6V～2.8V、0.8V～1.6V，这样设置的目的是兼容通用插头阻抗不一致导致分压有轻微的变化范围，且三点的电压的正常值满足D点>E点>F点的条件。

优选地，上述方法还包括：将检测结果通过CDC数据传输模式发送至上位机；在检测到插头短路时控制蜂鸣器报警。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：可提前发现产品短路，避免短路通电烧坏机器，节省成本；保护短路现场便于工程师分析改善问题，进一步改善制造工艺。

附图说明

图1是本发明实施例中基于通用产品插头的检测***结构图。

图2是本发发明实施例中通用产品未***AC插座时的等效电路图。

图3是本发发明实施例中通用产品***AC插座时的电路图。

图4是本发发明实施例中通用产品***AC插座时的等效电路图。

图5是本发明实施例中基于通用产品插头的检测方法流程图。

图6是本发明实施例中产品***AC插座时F点的波形图。

图7是本发明实施例中产品未***AC插座时F点的波形图。

图8是本发明实施例中检测电路未加入电源控制，直接供电时F点的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本实施例中检测***包括以下组成部分：

①电源：为单片机和AC电源端口检测电路提供3.3V的供电电压。

②单片机(或者MCU)：为主要控制芯片。

③Flash：与单片机相连，其类型根据程序的大小来决定，暂时预留，目的保存更大容量的程序。

④USB：与单片机相连，用于实现本***与上位机的通信，接收检测指令并将检测结果转成USB标准数据发送至上位机。

⑤蜂鸣器：与单片机相连，用于检测异常时报警。

⑥LED：与单片机相连，用于显示检测结果，本实施例中包括三个，全亮表示检测通过(PASS)。

⑦电源控制单元：单片机一个I/O端口(1PIN)和PMOS管的栅极相连，用于控制AC电源端口检测电路的供电。

⑧AC电源端口检测电路：包括PMOS管以及串联的分压电阻R1、R2、R3、R4，PMOS管的源极与电源的输出端连接、栅极(B点)与单片机的一个I/O端口(1PIN)连接、漏极(C点)与分压电阻R1连接，单片机的另一个I/O端口(15PIN)经过一电容连接于电阻R1和R2之间(D点)，单片机的第一A/D端口(2PIN)直接连接于电阻R1和R2之间(D点)，单片机的第二A/D端口(3PIN)直接连接于电阻R2和R3之间(E点)，单片机的第三A/D端口(4PIN)直接连接于电阻R3和R4之间(F点)。在应用中，R1用于保护主控IO直连3.3V电源时芯片不损坏；R2、R3、R4取值在4.7K到200K范围内，关键重点是这三个电阻的取值必须是相同的；电容的值为大于等于1uF。本实施例中，电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别为100欧姆、20K、20K、20K，电容的值为1uF。

在应用时，D点、E点、F点分别连接AC插座的L端、G端、N端，以实现插头的检测，该插头是一个通用零件，用于插通用产品，不是连接220V的市电插座。应用上述***实现通用产品插头的检测技术分为两个部分：通用产品插头***检测和通用产品插头短路检测。

第一部分：通用产品插头***检测。

首先开机通电，电源正常工作输出3.3V，单片机启动初始化，然后USB接收测试控制信号。一个I/O端口(1PIN)输出高电平即B点电压为3.3V，PMOS管工作截止，A点的3.3V无法供电给C点，即检测电路不供电。然后另一个I/O端口(15PIN)设置为输出状态并且输出1Khz，占空比为50％的方波信号，通过电容1uF耦合。那么D点为3.3V频率1Khz占空比为50％的方波信号。第一A/D端口(2PIN)、第二A/D端口(3PIN)、第三A/D端口(4PIN)设置为AD输入检测状态，第一A/D端口(2PIN)和第二A/D端口(3PIN)单片机暂时不处理。只处理第三A/D端口(4PIN)接收到两种状态的波形：

第一种，通用产品未***AC插座时的等效电路如图2所示，与第三A/D端口(4PIN)接收到的波形大小，取有效值大于0.8V即可，这样可以大大提高检测通用性。

通用产品未***时，AC插座等效为开路，第一A/D端口(2PIN)、第二A/D端口(3PIN)输入状态不影响检测电路忽略。

那么F点将获得D点1/3的波形幅度，根据纯电阻分压原理4.7/(4.7+4.7+4.7)*3.3＝1V左右频率为1Khz，占空比为50％。万用表测试到的有效值在0.4V左右。因而可以作为未***的判决条件，软件取值小于0.5V。

第二种，通用产品***AC插座时的等效电路如图3和图4所示，与第三A/D端口(4PIN)接收到的波形大小。

通用产品***时，AC插座的L端(火线)和N端(零线)，等效为一个电容，原因是通用产品的电源输入端都有X2安规电容，用于自身电源噪声的滤波污染市电，第一A/D端口(2PIN)、第二A/D端口(3PIN)的输入状态不影响检测电路忽略。

理论上D点和E点，E点和F点之间的电阻将被X2电容旁路掉，而本发明在这里只是利用电容隔直通交的原理，忽略RC充放电,F点将获得D点100％波形耦合幅度。做为***的判决条件。

上述电路的工作原理，有了波形幅度大小的区分，就等同于通用产品***和未***的区分，采用AD口检测，可以满足的设计需求。

第二部分：通用产品插头短路检测。

当完成第一步产品***检测后。接下来，另一个I/O端口(15PIN)停止1Khz输出工作。一个I/O端口(1PIN)输出低电平即B点电压为0V，PMOS管导通，A点源极的3.3V将传输给漏极C点。检测电路将获得直流分压，实际中则要考虑RC充电时间，R就是检测电路的电阻之和，C就是通用产品X2的安规电容大小，需要延迟几毫秒后在做如下判断：

D点电压(4.7+4.7+4.7)/(4.7+4.7+4.7+0.1)*3.3＝3.2767V，第一A/D端口(2PIN)将会检测到。

以上是理论值，实际上充放电引起的以及AD端口的检测误差，范围在2.8V到3.3V。

E点电压(4.7+4.7)/(4.7+4.7+4.7+0.1)*3.3＝2.1845V，第二A/D端口(3PIN)将会检测到。

以上是理论值，实际上充放电引起的以及AD端口的检测误差，范围在1.6V到2.8V。

F点电压4.7/(4.7+4.7+4.7+0.1)*3.3＝1.0922V，第三A/D端口(4PIN)将会检测到。

以上是理论值，实际上充放电引起的以及AD端口的检测误差，范围在0.8V到1.6V。

请参阅图5，应用上述检测***实现检测的方法包括以下步骤：

501、USB接收上位机发送的指令，判断是否检测AC插座，若是，执行下一步。

502、进行设备扫描。

该步骤中，在设备扫描前需要将控制PMOS管的一个I/O端口(1PIN)拉高，然后延迟10ms，才开始利用ADC获取F点的波形。扫描设备是否***，是通过抓取F点接收到的波形，来判断F点的波形是否是在设备***时应该接收到的波形范围内就行了。但是为了防抖，避免一时检测到了而后设备受环境或者插座的插头松动的影响，本实施例要求连续检测到25次设备***，才算设备真正的***了，每一次扫描设备是否***需连续检测10个周期，至少要检测到8个高电平才算一次设备***。

503、在检测到设备***后，进行插头短路检测。

该步骤中，在设备扫描前需要将控制PMOS管的一个I/O端口(1PIN)拉低，然后延迟10ms，才开始利用ADC获取F点的波形。插头检测是根据D点、E点、F点三个点的电压来判断插头是否短路的，如果产品插头上的L跟G短路，则会造成D点跟E点的电压几乎一样高，且F点的电压会比正常情况高；如果L跟N短路，则会造成D点、E点和F点三个点的电压几乎一样高；如果是G和N短路，则会出现E点和F点的电压几乎一样高，且F点电压比正常情况高，E点电压比正常情况低。

504、与上位机通信，将检测结果发送给上位机：利用USB转串口的方式来实现与上位机通信，这里的USB传输模式选取的是CDC数据传输模式，这是由于所需的传输数据量不大。

本发明中，必须克服检测电路开关充放电对D、E、F电位的影响造成误判，上电后，延时检测T＝RC，R为20K+20K+20K，C等于X2*1uF/(X2+1uF)。为了保证D，E，F电位的绝对稳定，T的取值远大于RC，小于500mS，太大影响检测效率。为了克服1Khz信号耦合不正常的问题，在电阻检测电路中加入电源控制***。

下面将提供一些示波器显示的测试数据：产品***后，检测电路未供电，F点的波形如图6所示，正常；产品未***，检测电路未供电，F点的波形如图7所示，正常；检测电路未加入电源控制，直接供电，F点的波形数据如图8所示，不正常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于通用产品插头的短路检测***，其特征在于，该***包括：电源、主控单元，以及与主控单元分别连接的电源控制单元、存储单元、通信单元、AC电源端口检测电路；所述主控单元为单片机或者MCU；

所述电源控制单元包括：PMOS管；PMOS管的栅极与主控单元的一个I/O端口连接、源极接3.3V电源、漏极接电阻R1的一端；

所述AC电源端口检测电路包括：依次串联的电阻R1、R2、R3和R4；其中，电阻R1的一端连接PMOS管的漏极，电阻R4的另一端接地；主控单元的另一个I/O端口经过一个电容连接于电阻R1和R2之间的D点，第一A/D端口直接连接于电阻R1和R2之间的D点，第二A/D端口连接于电阻R2和R3之间的E点，第三A/D端口直接连接于电阻R3和R4之间的F点，第一A/D端口、第二A/D端口、第三A/D端口都是主控单元的AD检测口；

所述D点还与AC插座的L端连接，E点还与AC插座的G端连接，F点还与AC插座的N端连接；

所述主控单元，先用于对一个I/O端口控制切断PMOS管漏极的3.3V后，其另一个I/O端口才开始输出方波信号，以获取AC电源端口检测电路的F点的方波电压大小为依据，判断是否有插头***；判定***有效后，再控制其另一个I/O端口停止输出方波信号，然后一个I/O端口控制接通PMOS管漏极3.3V，此时以其获取D点、E点、F点三点的电压大小为依据判断插头是否短路。

2.如权利要求1所述基于通用产品插头的短路检测***，其特征在于，该***还包括蜂鸣器，该蜂鸣器与主控单元连接，用于检测到异常时报警。

3.如权利要求1所述基于通用产品插头的短路检测***，其特征在于，该***还包括n个LED，所述n≥1，与主控单元连接，用于显示检测结果。

4.如权利要求1至3任一所述基于通用产品插头的短路检测***，其特征在于，所述R2、R3、R4的阻值相同，且阻值在4.7K到200K范围内；所述电容的值为大于等于1uF。

5.如权利要求1至3任一所述基于通用产品插头的短路检测***，其特征在于，所述通信单元具体为USB，用于通过CDC数据传输模式实现本***与上位机的通信，接收上位机发送的指令并将检测结果发送至上位机。

6.一种如权利要求1所述基于通用产品插头的短路检测***的检测方法，其特征在于，该方法包括：

检测***开机通电，电源正常工作输出3.3V，主控单元初始化后，在接收到上位机的检测指令时，

主控单元进行插头***检测：先控制其一个I/O端口输出高电平，以切断PMOS管漏极3.3V供电；再将其另一个I/O端口设置为输出状态并且输出1Khz、占空比为50％的方波信号，通过电容耦合；最后将其第一A/D端口、第二A/D端口、第三A/D端口设置为AD输入检测状态，只获取F点的波形大小，若该F点的电压有效值不小于0.5V，则判定有插头***，否则判定插头未***；

在检测到有插头***后，主控单元进行插头短路检测：先控制其另一个I/O端口停止1Khz输出工作，一个I/O端口输出低电平，作用是恢复PMOS管漏极3.3V供电；让主控单元的第一A/D端口获取D点、第二A/D端口获取E点、第三A/D端口获取F点三点的电压，以三点的电压值与各自的正常值的比较结果为依据判定插头是否短路。

7.如权利要求6所述检测方法，其特征在于，在主控单元进行插头***检测的过程中，

所述主控单元控制其一个I/O端口输出高电平后，延迟预设时间之后才开始获取F点的波形大小；

且在预设时间内，连续检测F点的电压不小于0.5V的次数达到预设次数时，才判定有插头***。

8.如权利要求7所述检测方法，其特征在于，所述预设时间设定为10ms，所述预设次数为25次。

9.如权利要求6所述检测方法，其特征在于，所述判定插头短路的方法进一步包括：

若D点的电压值大于E点的电压值，且E点的电压值大于F点的电压值，则判定插头没有短路；

若D点与E点的电压值相当，且F点的电压值比其正常值高，则判定插头的L端跟G端短路；

若D点、E点和F点三点的电压值相当，则判定插头的L端跟N端短路；

若E点和F点的电压值相当，且F点的电压值比其正常值高，E点的电压值比其正常值低，则判定插头的G端跟N端短路；

所述D点、E点、F点的电压的正常值范围分别为：2.8V～3.3V、1.6V～2.8V、0.8V～1.6V，且三点的电压的正常值满足D点>E点>F点的条件。

10.如权利要求6至9任一所述检测方法，其特征在于，该方法还包括：将检测结果通过CDC数据传输模式发送至上位机；在检测到插头短路时控制蜂鸣器报警。