CN103605017A - 一种汽车开关量信号的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车开关量信号的检测方法，包括：步骤1：建立检测电路；步骤2：将检测电路接入CPU：二极管D1的负端作为输入端，用以接收汽车的开关量信号INPUT；三极管Q1的集电极连接CPU的IO口，用以向CPU输入TTL电平信号OUTPUT；三极管Q2的基极串联电阻R6后连接CPU的IO口，用以接收CPU的定时扫描信号PULL_DOWN；步骤3：CPU产生定时扫描信号PULL_DOWN来控制输入端的INPUT是否由下拉电阻R4连接到地，每做一次切换读取一次IO口的值，然后再与上一次读取的OUTPUT进行比较：如果两次读取的OUTPUT相同，则：CPU读到OUTPUT为1，则判断INPUT为低电平；读到OUTPUT为0，则INPUT为高电平；如果两次读取的OUTPUT不同，则INPUT为悬空状态，当有下拉电阻时，判断OUTPUT为高电平；当无下拉电阻时，判断OUTPUT为低电平。

Description

一种汽车开关量信号的检测方法

技术领域

本发明属于状态检测电路，特别涉及一种汽车开关量信号的检测电路。

背景技术

目前，在汽车上的开关信号检测当中存在有三种状态：高电平（连接到汽车电瓶正极）、低电平（搭铁、接到电瓶负极）、悬空，而有效的状态有两种：高有效和低有效。针对汽车的开关信号检测传统的有几种方案：用光耦隔离转化、二极管隔离转化和AD采集等，而这些传统的方案中只能做到只针对一种有效状态（即一个电路只能单独检测高有效或者低有效），而且一个CPU的IO只能识别两种状态，无法做到高有效或者低有效同时兼容的方案，其中采用电阻分压，由AD口采集方案可以实现，但是比较占用CPU资源、成本较高。

为此，一篇申请号为201210338759.1的发明专利，公开了一种开关状态检测电路，解决现有单片机使用I/O口不能同时检测低速开关接电源、接地和悬空三种状态的问题。该发明中，时钟发生模块产生周期性触发信号，分别送到方波发生模块和判断模块；方波发生模块产生周期性翻转的高、低电平，送到电平转换电路，电平转换电路进行电平转换后的电信号，送到驱动电路进行电压和电流放大，驱动电路输出通过N个依次串联的第一、第二限流电阻连接N个模数转换模块，N个模数转换模块输出数字量，送到判断模块进行判断。本发明只使用CPU的I/O口，不用A/D口，可以检测出开关的高/低/悬空三种状态。

该专利提出的方案虽然也可以用于汽车开关量信号的检测电路中，但是其提供的检测电路没有有效的措施进行保护，直接由电阻引入CPU的IO口，可能损坏CPU，而且该电路结构复杂，增加成本。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提出一种汽车开关量信号的检测方法，可以同时识别出高电平、低电平和悬空三种状态，实现N+1个IO口就可以识别N路低速开关信号，并且电路对于高、低电平的判断阈值可以单独配置，同时，其实现电路简单，且具有更好的抗干扰、大电压的能力，有效的保护CPU的IO口，从而解决现有技术之不足。

为了解决现有技术之不足，本发明所采用的技术方案是，一种汽车开关量信号的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：建立检测电路，该检测电路包括二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，二极管D1的负端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极串联电阻R6，三极管Q2的发射极接地；二极管D1的正端连接电阻R2的一端和二极管D2的正端，电阻R2的另一端连接电源VCC；二极管D2的负端串联电阻R3后连接电容C1的一端、电阻R5的一端和三极管Q1的基极，电容C1的另一端、电阻R5的另一端和三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极串联电阻R1后连接电源VCC；

步骤2：将检测电路接入CPU：二极管D1的负端作为输入端，用以接收汽车的开关量信号INPUT；三极管Q1的集电极连接CPU的IO口，用以向CPU输入TTL电平信号OUTPUT；三极管Q2的基极串联电阻R6后连接CPU的IO口，用以接收CPU的定时扫描信号PULL_DOWN；其中，电阻R6是三极管Q2的限流电阻，通用做法，CPU一般会输出3.3V，如果直接接到三极管Q2会损坏；

步骤3：CPU通过检测电路进行检测，具体检测过程如下：首先由CPU产生定时扫描信号PULL_DOWN来控制输入端的INPUT是否由下拉电阻R4连接到地；CPU对定时扫描信号PULL_DOWN每进行一次高低电平的切换（实现INPUT由电阻R4连接到地的切换），同时读取一次连接电平信号OUTPUT的IO口的值，然后将两次读取的电平信号OUTPUT进行比较： 

如果两次读取的电平信号OUTPUT相同，则判断如下：CPU读到的电平信号OUTPUT为1，则判断开关量信号INPUT为低电平；CPU读到电平信号OUTPUT为0，则判断开关量信号INPUT为高电平；

如果两次读取的电平信号OUTPUT不同，则开关量信号INPUT为悬空状态，当有下拉电阻时，则电平信号OUTPUT为高电平；当无下拉电阻时，则电平信号OUTPUT为低电平。具体的，当有下拉电阻时，相当于将INPUT信号拉低，类似于输入低电平，OUTPUT将输出高电平到CPU；当无下拉电阻时，INPUT将悬空，相当于输入高电平，OUTPUT将输出低电平到CPU。

其中，判断开关量信号INPUT是否悬空状态时，由于当外部信号切换时也会出现两次采集回来的电平不同，因此，需要进行多次（至少三次）的采集判断，以滤除该干扰。

另外，在检测过程中，OUTPUT信号为标准的TTL电平信号，判断开关量信号INPUT为1或者0是通过预先设置的阈值进行判断的，例如开关量信号INPUT在0-2V之间判断为0，大于2V则为1，当然也可以根据不同的需求设置其他的区间。其判断的阈值可以通过调整电阻R2、电阻R4、电阻R3和电阻R5的阻值进行配置：高低电平阈值的配置即为配置三极管进入饱和导通的状态，通过配置合适的电压值，使接口达到判断阈值时，三极管刚好进入导通状态。其中，电阻R4为电路的输入电阻，根据开关信号的驱动能力选取阻值较大的电阻，提高输入阻抗。电阻R2与电阻R4构成分压，故电阻R2的阻值可以略大于电阻R4。最后通过调节电阻R3和电阻R5可以控制三极管进入饱和区的电压即可配置开关信号判断的阈值。

上述方法中，检测电路对于汽车开关信号三种状态的检测原理如下：

a、INPUT输入高电平时，二极管D1截止、D2导通，三极管Q1饱和导通，OUTPUT输出TTL低电平；

b、INPUT输入低电平（搭铁或接地）时，二极管D1导通，D2截止，三极管Q1截止，OUTPUT输出TTL高电平；

c、INPUT输入悬空时，需要有一个接地来探测该状态，该接地由一个电阻R4加一个三极管Q2实现，CPU的IO口输出一个定时扫描信号PULL_DOWN来控制三极管下拉电阻。悬空时，当有下拉电阻时，二极管D1导通，D2截止，三极管Q1截止，OUTPUT输出高电平；当无下拉电阻时，二极管D1截止、D2导通，三极管Q1导通，OUTPUT输出低电平。这样CPU通过PULL_DOWN输出控制，将下拉电阻R4进行下拉与不下拉的扫描，就可以识别出当前的输入信号是否为悬空，判断原则为如果每次扫描采集回来的电平不同即为INPUT输入为悬空，为了防止误判断（因为当高、低电平切换时也会出现两次采集回来的电平不同），这需要多次扫描采集来做大数判断，滤除干扰。

本发明通过上述方法，与现有技术相比，具有如下优点：

1、通过普通的IO口即可识别开关信号的三种状态：高电平、低电平、悬空，而不用比较浪费资源的AD口；

2、如果需要检测N路的开关量，就需要有N个的这样的电路，就需要有N个的IO口，然后加上1个的PULL_DOWN这个IO口就是N+1的IO口了，因此，由N+1个的IO口就可以检测N路的低速开关信号；

3、由二极管D1和D2实现隔离，可以较好的抑制外部的干扰（如该路端口可以耐大电压、可通过浪涌200V/200mS和静电接触放电等试验不损坏）；

4、对于高电平或低电平的判断阈值可以通过电阻R2、R3、R4和R5进行单独配置；

5、与背景技术中的发明专利（申请号为201210338759.1）相比，本发明中的检测电路的接口可以有更好的抗干扰、大电压的能力，有效的保护CPU的IO口。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的一种汽车开关量信号的检测方法，通过在CPU和汽车输出开关量信号的接口之间设置检测电路而实现，如图1所示，该检测电路包括二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，二极管D1的负端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极串联电阻R6，三极管Q2的发射极接地；二极管D1的正端连接电阻R2的一端和二极管D2的正端，电阻R2的另一端连接电源VCC；二极管D2的负端串联电阻R3后连接电容C1的一端、电阻R5的一端和三极管Q1的基极，电容C1的另一端、电阻R5的另一端和三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极串联电阻R1后连接电源VCC。二极管D1的负端作为输入端，用以接收汽车的开关量信号INPUT；三极管Q1的集电极作为输出端，连接CPU的IO口，用以向CPU输入TTL电平信号OUTPUT；三极管Q2的基极串联电阻R6后连接CPU的IO口，用以接收CPU的定时扫描信号PULL_DOWN。

其中，INPUT为汽车接口开关量信号输入，OUTPUT为输入CPU的TTL电平信号，二极管D1和二极管D2为隔离二极管，防止损坏CPU的IO口，其中二极管D1隔离正向高压的干扰，二极管D2隔离负向高压的干扰。通过INPUT输入的高、低电平为稳定可靠的信号，可使OUTPUT输出固定的TTL电平，而当INPUT悬空时，输入的效果等效于高电平输入，故需要有个接地的信号（这里采用由CPU控制三极管Q2实现接地）来探测该悬空状态，如果每次INPUT接地后OUTPUT电平也随之改变，则表明INPUT此时为悬空状态。为防止是输入高电平时出现接地短路，于输入与三极管集电极接了限流电阻R4。通过配置电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5的阻值可以设置高低电平判断的阈值。

该检测电路对于汽车开关信号三种状态（高电平（连接到汽车电瓶正极）、低电平（搭铁、接到电瓶负极）、悬空）的检测原理：

a、INPUT输入高电平时，二极管D1截止、D2导通，三极管Q1饱和导通，OUTPUT输出TTL低电平；

b、INPUT输入低电平（搭铁或接地）时，二极管D1导通，D2截止，三极管Q1截止，OUTPUT输出TTL高电平；

c、INPUT输入悬空时，需要有一个接地来探测该状态，该接地由一个电阻R4加一个三极管Q2实现，CPU的IO口输出一个定时扫描信号PULL_DOWN来控制三极管下拉电阻。悬空时，当有下拉电阻时，二极管D1导通，D2截止，三极管Q1截止，OUTPUT输出高电平；当无下拉电阻时，二极管D1截止、D2导通，三极管Q1导通，OUTPUT输出低电平。这样CPU通过PULL_DOWN输出控制，将下拉电阻R4进行下拉与不下拉的扫描，就可以识别出当前的输入信号是否为悬空，判断原则为如果每次扫描采集回来的电平不同即为INPUT输入为悬空，为了防止误判断（因为当高、低电平切换时也会出现两次采集回来的电平不同），这需要多次扫描采集来做大数判断，滤除干扰。

具体的，CPU的工作过程如下：由CPU产生定时PULL_DOWN控制信号来控制输入端口的INPUT是否由下拉电阻R4连接到地（PULL_DOWN控制三极管Q2来使INPUT通过R4连接到地。连接地是为了探测悬空状态，悬空相当于接高电平，所以通过模拟接地来判断，如果接地后OUTPUT输出的电平发生变化，则INPUT此时为悬空），每做一次切换读取一次IO口的值，然后在与上一次读取的电平进行比较：如果不变，则CPU读到的电平信号OUTPUT为1，则判断开关量信号INPUT为低电平；CPU读到电平信号OUTPUT为0，则判断开关量信号INPUT为高电平；如果不一样，则开关量信号INPUT可能为悬空状态，但需进行多次采集判断（由于当外部信号切换时也会出现两次采集回来的电平不同，因此，这需要多次采集判断，滤除该干扰），判断逻辑如表1所示： 

表1逻辑判断真值表

另外，其判断阈值可以配置：高低电平阈值的配置即为配置三极管进入饱和导通的状态，通过配置合适的电压值，使接口达到判断阈值时，三极管刚好进入导通状态。其中，电阻R4为电路的输入电阻，根据开关信号的驱动能力选取阻值较大的电阻，提高输入阻抗。电阻R2与电阻R4构成分压，故电阻R2的阻值可以略大于电阻R4。最后通过调节电阻R3和电阻R5可以控制三极管进入饱和区的电压即可配置开关信号判断的阈值。

本发明通过普通的IO口即可识别开关信号的三种状态：高电平、低电平、悬空，而不用比较浪费资源的AD口，其电路简单，易于实现；且通过二极管进行隔离，可以较好的抑制外部的干扰；另外，当检测多路低速开关信号时，对于高电平或低电平的判断阈值可以单独进行配置，大大方便了用户的使用。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种汽车开关量信号的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立检测电路，该检测电路包括二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，二极管D1的负端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极串联电阻R6，三极管Q2的发射极接地；二极管D1的正端连接电阻R2的一端和二极管D2的正端，电阻R2的另一端连接电源VCC；二极管D2的负端串联电阻R3后连接电容C1的一端、电阻R5的一端和三极管Q1的基极，电容C1的另一端、电阻R5的另一端和三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极串联电阻R1后连接电源VCC；

步骤2：将检测电路接入CPU：二极管D1的负端作为输入端，用以接收汽车的开关量信号INPUT；三极管Q1的集电极连接CPU的IO口，用以向CPU输入TTL电平信号OUTPUT；三极管Q2的基极串联电阻R6后连接CPU的IO口，用以接收CPU的定时扫描信号PULL_DOWN；

步骤3：CPU通过检测电路进行检测，具体检测过程如下：首先由CPU产生定时扫描信号PULL_DOWN来控制输入端的INPUT是否由下拉电阻R4连接到地；CPU对定时扫描信号PULL_DOWN每进行一次高低电平的切换，同时读取一次连接电平信号OUTPUT的IO口的值，然后将两次读取的电平信号OUTPUT进行比较：

如果两次读取的电平信号OUTPUT相同，则判断如下：CPU读到的电平信号OUTPUT为1，则判断开关量信号INPUT为低电平；CPU读到电平信号OUTPUT为0，则判断开关量信号INPUT为高电平；

如果两次读取的电平信号OUTPUT不同，则开关量信号INPUT为悬空状态，当有下拉电阻时，则电平信号OUTPUT为高电平；当无下拉电阻时，则电平信号OUTPUT为低电平。

2.根据权利要求1所述的汽车开关量信号的检测方法，其特征在于：所述步骤3中，判断开关量信号INPUT是否悬空状态时，至少对电平信号OUTPUT采集三次进行判断，以滤除干扰。

3.根据权利要求1所述的汽车开关量信号的检测方法，其特征在于：所述步骤3中，判断开关量信号INPUT为1或者0是通过预先设置的阈值进行判断的，判断开关量信号INPUT的阈值通过调整电阻R2、电阻R4、电阻R3和电阻R5的阻值进行配置。

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