CN205049922U

CN205049922U - 模拟量外设接口

Info

Publication number: CN205049922U
Application number: CN201520829630.XU
Authority: CN
Inventors: 王驰; 任鹏; 陈万兴; 刘萍; 孙亚丽
Original assignee: Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
Current assignee: Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2025-10-21

Abstract

本实用新型涉及一种模拟量外设接口，包括：模拟量输出模块，包括：第一数模转换芯片；以及模拟量输入模块，包括：第一模数转换芯片和连接到所述第一模数转换芯片的模拟量输入端的多路模拟通道选择开关；经过对所述第一数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。本实用新型的这种外设接口作为通用接口，能同时用于多种模拟量输入和输出，简单便捷地切换模拟量电路，从而实现外设接口的通用化。

Description

模拟量外设接口

技术领域

本实用新型涉及一种通用外设接口，具体涉及一种模拟量外设接口。

背景技术

在空调的控制***中，经常需要做模拟量输入和输出操作，以对外部模拟量采集和给外部传感器供电。例如，采用模拟量输入/输出模块，用于对模拟量信号的检测，及对调节阀等设备的模拟量输出。具体地，例如，可通过RS485通讯接口，实现内部参数的输入和控制信号的输出等。

通常，模拟量输入信号用来做模拟量采集，模拟量输入类型有：0～10V采样，4～20mA采样，以及温度采样。而模拟量输出类型有：0～10V输出和4～20mA输出。用于实现模拟量输出的有两种输出电路，模拟量输入的则有四种检测电路。不同的工程可能会有不同类型电路，例如，输出模拟量类型有不同的机组，具体用到的温度检测元件也不同。从而导致不同的机组需要开发不同的对应检测电路，无法实现控制电路PCB的通用化，进一步导致主板不能固定，不利于硬件开发的通用化。

因此，有必要提供一种模拟量外设接口，实现PCB的通用化。

实用新型内容

本实用新型是鉴于现有技术中存在的上述问题而提出。本实用新型提供一种模拟量外设接口，能同时用于多种模拟量输入和输出，简单便捷地切换模拟量电路，从而实现外设接口的通用化，并进一步实现控制电路的通用化。

根据本实用新型的一种模拟量外设接口，包括：模拟量输出模块，包括：第一数模转换芯片；以及模拟量输入模块，包括：第一模数转换芯片和连接到所述第一模数转换芯片的模拟量输入端的多路模拟通道选择开关；经过对所述第一数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。

进一步地，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换，包括：切换预定范围的电压和/或电流的模拟量输出；和/或，切换预定范围的电压、电流和/或温度采样的模拟量输入。

进一步地，其中，模拟量输出模块实现0～10V模拟量输出和/或0～20mA模拟量输出；和/或，模拟量输入模块实现0～10V模拟量输入、0～20mA模拟量输入、温度采样。

进一步地，其中，对第一数模转换芯片的串行外设接口进行配置，使第一数模转换芯片的电压输出端口(VOUT)输出0～10V可变的电压信号。

进一步地，其中，所述模拟量输出模块包括运算放大器(U1)，其同相输入端电连接到所述第一数模转换芯片的所述电压输出端口(VOUT)。

进一步地，其中，对第一数模转换芯片的串行外设接口进行配置，使得所述第一数模转换芯片的电流输出端口(IOUT)输出0～20mA可变的电流信号。

进一步地，其中，所述模拟量输出模块还包括连接在所述第一数模转换芯片的所述电流输出端口(IOUT)和泵升电压端口之间的低功耗改善电路。

进一步地，其中，所述低功耗改善电路由三极管(Q)、电阻及续流二极管(D)构成；并且泵升电压端口连接在所述三极管(Q)的集电极，所述第一数模转换芯片的电流输出端口(IOUT)连接在三极管(Q)的基极及电阻(R)的一端，三极管(Q)的发射极连接在电阻(R)的另一端及续流二极管(D)的阳极，续流二极管(D)的阴极连接在所述第一数模转换芯片的电压输出端口(VOUT)。

进一步地，其中，在采集温度传感器的输入时，通过第一模数转换芯片***接口对内部寄存器的配置输出激励电流，该激励电流经由所述多路模拟通道选择开关给温度传感器供电；温度传感器产生的电压值又通过该多路模拟通道选择开关传送到该第一模数转换芯片的第一模拟量输入端(AIN5)。

进一步地，其中，所述第一模数转换芯片包括：内部集成有可编程增益放大器PGA，将采集到的所述电压值放大后再转换，以完成温度传感器温度采样。

进一步地，其中，在进行另一温度传感器模拟量采集时，通过第一模数转换芯片***接口对内部寄存器的配置，输出参考电压给温度传感器供电，将产生的压降传到第一模数转换芯片的第二模拟量输入端口(AIN0)，并通过第一模数转换芯片的第一模拟量输入端口(AIN5)采集到的多路模拟通道选择开关前端电压，以获得温度传感器模拟量。

进一步地，其中，所述模拟量输入模块包括：第一、第二电阻(R4、R6)；并且在进行0～10V电压采集时，通过第一、二电阻(R4、R6)分压，在所述第一模数转换芯片的第三模拟量输入端口(AIN1)采集第二电阻(R6)的分压，通过数模转换得到相应电压值。

进一步地，其中，所述模拟量输入模块还包括：第三电阻(R5)；并且在进行0～20mA电流采集时，通过电流在第三电阻(R5)上产生压降，在所述第一模数转换芯片的第四模拟量输入端口(AIN4)采集到相应电压，通过数模转换得到电流的模拟量。

进一步地，其中，该外设接口还包括通用I/O接口，共同连接到上述模拟量输出模块和模拟量输入模块。

进一步地，其中，所述模拟量输出模块还包括：第二数模转换芯片；以及所述模拟量输入模块还包括：连接到所述第一模数转换芯片的另一模拟量输入端的另一多路模拟通道选择开关；经过对所述第二数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及另一多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。

通过以上设计，我们可以看到两个外扩端口，只需要通过软件配置就可以轻松进行两个模拟量输入和四种模拟量输出电路的灵活切换。在工程开发阶段，只需要知道模拟量的数目，就可以对本控制器上接口进行灵活配置。这样就可以大大提高硬件资源的使用率，也可以真正实现控制通用化和小型化，对新一代控制器的发展有深远的影响。另外，这样的模拟信号外设接口结构，尤其适用于空调控制***中作为模拟信号通用接口。

以下结合本实用新型的具体实施方式及附图对本实用新型的方案做进一步说明，本实用新型的有益效果将进一步明确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型一优选实施例的模拟量外设接口的示意性结构框图。

图2为本实用新型实现图1所示模拟量外设接口一优选实施例的整体结构电路图。

图3示出了本实用新型一优选实施例的模拟量输出模块的电路图。

图4示出了本实用新型一优选实施例的模拟量输入模块的电路图。

图5示出了根据本实用新型另一优选实施例的模拟量外设接口的整体结构电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型一优选实施例的模拟量外设接口的结构框图。如图1所示，该接口包括模拟量输出模块1，以及模拟量输入模块2。模拟量输出模块1包括第一数模转换芯片DAC1。模拟量输入模块2，包括第一模数转换芯片ADC2，以及电连接到第一模数转换芯片ADC2的模拟量输入端口(AIN)的多路模拟通道选择开关SW1。经过对第一数模转换芯片DAC1的配置、和/或对第一模数转换芯片ADC3和所述多路模拟通道选择开关SW1的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。

其中，第一数模转换芯片DAC1的配置，能够实现预定范围的电压和/或电流模拟量输出的切换；和/或，通过对第一模数转换芯片ADC3和所述多路模拟通道选择开关SW1进行配置，能够实现预定范围的电压和/或电流的模拟量输入的切换。

优选地，模拟量输出模块1实现输出0～10V模拟量和0～20mA模拟量的切换。进一步优选地，模拟量输入模块2实现0～10V模拟量、0～20mA模拟量、温度采样等模拟量输入的切换。通过上述结构，能够实现模拟量外设接口的通用性。

例如：温度采样，可以包括负温度系数温度传感器(NTC)感温包模拟量采样和/或电机温度采样。

此外，如图1所示，优选地，通用I/O接口I/O1为实现两模块(例如：模拟量输出模块1和模拟量输入模块2)与外部电路的连接，可以共同连接到上述模拟量输出模块1和模拟量输入模块2。这样，通过对模拟量输出模块1和模拟量输入模块2的接口进行的诸如此类的配置，可以使得：模拟量输出模块1主要实现0～10V(例如：0～10V可变的电压信号)和0～20mA(例如：0～20mA可变的电流信号)输出的功能；模拟量输入模块2主要实现温度采样(例如：感温包和/或电机温度传感器采集)、4～20mA采集、0～10V电压采集这几种功能。

其中，在实现模拟量输出模块1的0～10V和0～20mA输出的功能时，要配置模拟量输出模块1的接口，不使用时不进行配置。其中，对接口进行配置主要是通过软件来对接口进行配置。例如：具体配置可以如下：

如果使用模拟量输出模块1输出0～10V和0～20mA，则要对模拟量输出模块1中的芯片DAC7760的警告(ALARM)、清除(CLR)、门槛控制(LATCH)、时钟(CLK)、数据输入(DIN)、数据输出(DOUT)网络进行配置。

其中，DAC7760_ALARM、DAC7760_CLR、DAC7760_LATCH(包括DAC7760_ALARM1/DAC7760_ALARM2、DAC7760_CLR1/DAC7760_CLR2、DAC7760_LATCH1/DAC7760_LATCH2)是用来选择模拟量输出模块1中第几路用来输出，DAC7760_ALARM是对芯片进行唤醒，低电平有效。DAC7760_CLR用来清除配置信息。DAC7760_LATCH用来根据芯片信息开启输出。

只需要把DAC7760_ALARM1配置为高电平，DAC7760_CLR2配置为低电平，DAC7760_LATCH1根据芯片手册来输入时序就可使用模块1中的第一路用作输出，而输出的电压和电流值则需要根据SPI协议对CLK、DIN、DOUT输入信息便可得到相应电压或电流输出。

同理模拟量输出模块1中第二路这是这个原理配置的。

其中，在实现模拟量输入模块2的感温包、4～20mA采集、电机温度传感器采集、0～10V电压采集时要对模拟量输入模块2进行配置，不使用时不进行配置。

模拟量输入模块2配置也是DIN、DOUT、CLK、ADS_DRDY、ADS_CS、ADS_START进行配置，这其中DIN、DOUT、CLK也是通过SPI协议输入数值来配置模拟量输入模块2的模拟量采集类型。ADS_DRDY是装载配置信息、ADS_CS是选择芯片、ADS_START开始AD转换，ADS_DRDY和ADS_START是根据芯片手册的时序进行配置的。ADS_CS则是选择是否使用模拟量输入模块2。ADS_CS低电平时使用模拟量输入模块2，ADS_CS为高电平时不使用模拟量输入模块2。

图2为实现图1所示模拟量外设接口的具体电路图。如图2所示，其中，模拟量输出模块1，包括数模转换芯片DAC1，通过对数模转换芯片进行配置，实现0～10V模拟量的输出和0～20mA模拟量输出的切换。

模拟量输入模块2，包括模数转换芯片ADC3以及连接到该模数转换芯片ADC3的模拟量输入端口(AIN)的多路模拟通道选择开关SW1。通过对上述模数转换芯片及多路模拟通道选择开关进行配置，实现0～10V模拟量输入、0～20mA模拟量输入、负温度系数(NTC)感温包模拟量采样输入、以及电机温度，例如利用型号为PT100的温度传感器，采样输入的切换。其中，多路模拟通道选择开关为模拟开关，且具有一个或一个以上(例如：2个)的多路模拟通道选择开关。下文将对具体的电路实现进行描述。

需要指出的是，上0～20mA的输出量/输入量是所述模拟量输出/输入的电流范围，而实际上对于外接传感器而言，通常需要提供的电流范围为4-20mA。

由此，通过灵活配置数模转换芯片，可以灵活切换0～10V和0～20mA的模拟量输出。同时，通过灵活配置模数转换芯片和多路模拟通道选择开关，可以灵活切换0～10V，0～20mA的模拟量输入，以及NTC感温包模拟量采样、电机温度采样。

图3示出了模拟量输出模块的具体电路图。如图3所示，该模块1包括数模转换芯片DAC1及其周围器件。组通过串行外设接口SPI通信对数模转换芯片的SPI口，例如警告(ALARM)、清除(CLR)、门槛控制(LATCH)、串行时钟(SCLK)、串行数据输入(DIN)以及串行数据输出(SDO)进行配置，使数模转换芯片的电压输出口VOUT输出0～10V可变的电压信号，电流输出口IOUT输出0～20mA可变的电流信号。

优选地，为阻止泄漏电流通过内置的60K电阻，将运算放大器U1的同相输入端电连接到所述VOUT端口，从而形成并联负载。

同时，数模转换芯片DAC1的电流输出端口IOUT、泵升电压端口(例如：可以选用升压电路BOOST的相应端口)及***的三极管Q、电阻R及续流二极管D共同构成低功耗改善电路，从而降低温漂对IOUT的影响，最终输出0～20mA的电流。其中，泵升电压端口连接在三极管Q的集电极，电流输出端口IOUT连接在三极管Q的基极及电阻R的一端，三极管Q的发射极连接在电阻R的另一端及续流二极管D的阳极，续流二极管D的阴极连接在所述电压输出端口VOUT。

图4示出了模拟量输入模块2的具体电路图。如图4所示，所述模块2包括模数转换芯片ADC3及电连接到该模数转换芯片的模拟量输入端口(AIN)的多路模拟通道选择开关SW1，以及根据需要设置的其他电阻、电容等***电路。通过对模数转换芯片及多路模拟通道选择开关的配置，实现0～10V模拟量输入、4～20mA模拟量输入、NTC感温包模拟量采样、以及电机温度采样的切换。以下逐一进行说明。

在采集PT100温度传感器的输入时，通过数模转换芯片ADC3***SPI接口对内部寄存器进行配置，在IEXC引脚(激励电流输出引脚)输出1mA的激励电流，在电阻R1、R2上产生1.2V的电压作为外部参考电压。激励电流通过多路模拟通道选择开关SW1的S1A脚(通道S1A引脚输出)给PT100温度传感器供电，PT100温度传感器产生的电压值又通过S1B脚(5通道输出引脚)传到模数转换芯片ADC3的第一模拟量输入端(AIN5)。然后通过模数转换芯片ADC3内部集成的可编程增益放大器(PGA)将采集到的电压值放大后再转换。最后完成PT100电机感温包温度的采集。其中，多路模拟通道选择开关的导通阻抗不会影响到模数转换芯片采集的电压值。

在进行NTC感温包模拟量采集时，通过SPI配置所述模数转换芯片ADC3的内部寄存器，在其参考电压输出端口(VREFOUT)输出2.048V参考电压给NTC感温包供电，并产生的压降传到第二模拟量输入端口(AIN0)，通过所述第一模拟量输入端口(AIN5)采集到模拟开关多路模拟通道选择开关前端电压，通过程序中综合计算得到NTC感温包的模拟量数据。

在进行0～10V电压采集时，通过电阻R4和电阻R6分压，在所述模数转换芯片ADC3的第三模拟量输入端口(AIN1)采集电阻R6的分压，通过AD转换得到相应电压值。

在进行0～20mA电流采集时，通过电流在电阻R5上产生压降，在所述模数转换芯片ADC3的第四模拟量输入端口(AIN4)采集到相应电压，通过AD转换从而得到电流的模拟量值。

该芯片内部集成有PGA及数字滤波器，可以对小信号进行放大，并对输出数字量进行滤波。同样，也是通过SPI对模数转换芯片进行配置就可实现采集功能的切换，通过对多路模拟通道选择开关的A0、A1管脚进行配置就可以实现通道选择，从而实现不同类型采集电路的切换。以上这些所有的芯片采集端共用一个端子，完成了模拟量采集的通用性。

图5示出了根据本实用新型另一优选实施例的模拟量外设接口的整体结构电路图。与图2所示电路不同之处在于，模拟量输出模块和模拟量输入模块均包括两个可选通道。

在一个实施方式中，模拟量输出模块1还包括：第二数模转换芯片；以及，模拟量输入模块2还包括：连接到所述第一模数转换芯片的另一模拟量输入端的另一多路模拟通道选择开关；经过对第二数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及另一多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换(例如：切换另一组预定范围的电压和/或电流的模拟量输出，和/或，切换另一组预定范围的电压、电流和/或温度采样的模拟量输入)。

具体的，对于模拟量输出模块1来说，通过设置两组如图2所示的数模转换芯片及其***电路，输出两组预定范围的电压/电流模拟量，例如0～10V模拟量的输出和0～20mA模拟量输出。同时，对于模拟量输入模块2来说，通过设置两个多路模拟通道选择开关，实现两组0～10V，0～20mA的模拟量输入，以及NTC感温包模拟量采样、电机温度采样。

通过上面的设计，我们不需要再考虑不同的模拟信号对应不同的硬件采集电路，只需要把传感器接到端口上，通过软件中进行配置就可以对不同类型的采样信号进行采集。即可以灵活切换0～10V和0～20mA的模拟量输出功能；通过灵活配置模数转换芯片(例如：第一数模转换芯片DAC1和/或第二数模转换芯片DAC2和/或第三数模转换芯片DAC3)和多路模拟通道选择开关(例如：第一组多路模拟通道选择开关SW1和/或第二组模拟通道选择开关SW2)，我们可以灵活切换0～10V，0～20mA，温度采样电路(例如：NTC和/或电机温度采样电路)。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims

1.一种模拟量外设接口，其特征在于，包括：

模拟量输出模块，包括：第一数模转换芯片；以及

模拟量输入模块，包括：第一模数转换芯片和连接到所述第一模数转换芯片的模拟量输入端的多路模拟通道选择开关；

经过对所述第一数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。

2.如权利要求1所述的外设接口，其特征在于，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换，包括：

切换预定范围的电压和/或电流的模拟量输出；和/或，

切换预定范围的电压、电流和/或温度采样的模拟量输入。

3.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，其中，

模拟量输出模块实现0～10V模拟量输出和/或0～20mA模拟量输出；

和/或，

模拟量输入模块实现0～10V模拟量输入、0～20mA模拟量输入、温度采样。

4.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，其中，

对第一数模转换芯片的串行外设接口进行配置，使第一数模转换芯片的电压输出端口(VOUT)输出0～10V可变的电压信号。

5.如权利要求4所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输出模块包括运算放大器(U1)，其同相输入端电连接到所述第一数模转换芯片的所述电压输出端口(VOUT)。

6.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，其中，

对第一数模转换芯片的串行外设接口进行配置，使得所述第一数模转换芯片的电流输出端口(IOUT)输出0～20mA可变的电流信号。

7.如权利要求6所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输出模块还包括连接在所述第一数模转换芯片的所述电流输出端口(IOUT)和泵升电压端口间的低功耗改善电路。

8.如权利要求7所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述低功耗改善电路由三极管(Q)、电阻(R)及续流二极管(D)构成；并且

泵升电压端口连接在所述三极管(Q)的集电极，所述第一数模转换芯片的电流输出端口(IOUT)连接在三极管(Q)的基极及电阻(R)的一端，三极管(Q)的发射极连接在电阻(R)的另一端及续流二极管(D)的阳极，续流二极管(D)的阴极连接在所述第一数模转换芯片的电压输出端口(VOUT)。

9.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，其中，

在采集温度传感器的输入时，通过第一模数转换芯片***接口对内部寄存器的配置输出激励电流，该激励电流经由所述多路模拟通道选择开关给温度传感器供电；温度传感器产生的电压值又通过该多路模拟通道选择开关传送到该第一模数转换芯片的第一模拟量输入端(AIN5)。

10.如权利要求9所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述第一模数转换芯片包括：内部集成有可编程增益放大器(PGA)，将采集到的所述电压值放大后再转换，以完成温度传感器温度采样。

11.如权利要求9所述的外设接口，其特征在于，其中，

在进行另一温度传感器模拟量采集时，通过第一模数转换芯片***接口对内部寄存器的配置，输出参考电压给该温度传感器供电，将产生的压降传到第一模数转换芯片的第二模拟量输入端口(AIN0)，并通过第一模数转换芯片的第一模拟量输入端口(AIN5)采集到的多路模拟通道选择开关前端电压，以获得温度传感器模拟量。

12.如权利要求10所述的外设接口，其特征在于，其中，

13.如权利要求9所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输入模块包括：第一、第二电阻(R4、R6)；并且

在进行0～10V电压采集时，通过第一、二电阻(R4、R6)分压，在所述第一模数转换芯片的第三模拟量输入端口(AIN1)采集第二电阻(R6)的分压，通过数模转换得到相应电压值。

14.如权利要求10所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输入模块包括：第一、第二电阻(R4、R6)；并且

15.如权利要求13所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输入模块还包括：第三电阻(R5)；并且

在进行0～20mA电流采集时，通过电流在第三电阻(R5)上产生压降，在所述第一模数转换芯片的第四模拟量输入端口(AIN4)采集到相应电压，通过数模转换得到电流的模拟量。

16.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，该外设接口还包括：

通用I/O接口，共同连接到上述模拟量输出模块和模拟量输入模块。

17.如权利要求1或2所述的外设接口，其特征在于，其中，

所述模拟量输出模块还包括：第二数模转换芯片；以及

所述模拟量输入模块还包括：连接到所述第一模数转换芯片的另一模拟量输入端的另一多路模拟通道选择开关；

经过对所述第二数模转换芯片的配置、和/或对所述第一模数转换芯片及另一多路模拟通道选择开关的配置，实现在不同的模拟量输出和/或不同的模拟量输入之间进行切换。