CN114236426B - 开关信号电缆断线检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关信号电缆断线检测器，用于连接到有源开关或无源开关的信号状态传输电缆以检测所述有源开关或无源开关的信号状态和所述传输电缆的传输状态；当所述开关信号获取与传输模块包括所述有源开关时，所述有源开关与开关电阻串联后接地，所述有源开关的第一端连接有第一电压信号；当所述开关信号获取与传输模块包括所述无源开关时，所述无源开关与所述开关电阻并联，且所述无源开关和所述开关电阻的第二端接地，所述开关信号电缆断线检测器包括开关状态检测电路与断线检测电路。本发明提供的开关信号电缆断线检测器能够实现对开关信号状态和传输电缆状态的便捷检测。

Description

开关信号电缆断线检测器

技术领域

本发明主要涉及电路领域，尤其涉及一种开关信号电缆断线检测器。

背景技术

在现有技术当中，有源/无源开关主要应用于外部信号控制，常用结构有船形开关、按钮式开关、旋转式开关和继电器触点等，其具有结构简单的特点，因此广泛应用各类工业控制领域。有源/无源开关信号通常采用电缆线远程连接采集设备，然而在进行电缆线布置过程中，经常发生电缆接触点或电缆本体断开的情况。当有源/无源开关作为大型设备启动、停止、急停、关键控制信号时，电缆断路可能引发设备异常从而造成不可预料的事故，存在极大的安全隐患。目前常见的电缆断线检测方法通常采用集成电路，该类方法存在成本较高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，成本较低且同时适用于无源开关、有源开关的开关信号电缆断线检测器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种开关信号电缆断线检测器，用于连接到有源开关或无源开关的信号状态传输电缆以检测所述有源开关或无源开关的信号状态和所述传输电缆的传输状态；当所述开关信号获取与传输模块包括所述有源开关时，所述有源开关与开关电阻串联后接地，所述有源开关的第一端连接有第一电压信号；当所述开关信号获取与传输模块包括所述无源开关时，所述无源开关与所述开关电阻并联，且所述无源开关和所述开关电阻的第二端接地，所述开关信号电缆断线检测器包括：

开关状态检测电路，具有第一输入端和第一输出端且包括第一晶体管；所述第一晶体管的基极通过第一分压与限流电阻连接所述第一输入端，且通过第一基极下拉电阻接地，所述第一晶体管的发射极接地，所述第一晶体管的集电极连接所述第一输出端且通过集电极连接电阻连接到第一电压信号，所述第一输入端通过第一上拉电阻连接所述第一电压信号；

断线检测电路，具有第二输入端和第二输出端且包括第二晶体管，通过第二分压与限流电阻连接所述第二输入端，且所述第二晶体管的基极通过第二基极分压电阻接地，所述第二晶体管的发射极接地，所述第二晶体管的集电极连接所述第二输出端且通过集电极连接电阻连接到所述第一电压信号；

其中，所述传输电缆的第一端作为信号采集点与所述开关电阻的第一端连接，所述传输电缆的第二端作为信号接收点与所述开关状态检测电路的第一输入端和断线检测电路的第二输入端连接。

在本发明的一实施例中，当所述开关信号电缆断线检测器用于检测有源开关的信号状态时：当所述有源开关闭合且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平；当所述有源开关断开且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平；当所述传输电缆断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平。

在本发明的一实施例中，当所述开关信号电缆断线检测器用于检测无源开关的信号状态时：当所述无源开关闭合且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平；当所述无源开关断开且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平；当所述传输电缆断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平。

在本发明的一实施例中，开关状态检测信号通过所述第一输出端传输至第一电平检测装置，断线检测信号通过所述第二输出端传输至第二电平检测装置。

在本发明的一实施例中，所述传输电缆为单线传输。

在本发明的一实施例中，所述第一电平检测装置和/或第一电平检测装置包括微控制单元。

在本发明的一实施例中，所述开关状态检测信号输出至所述微控制单元的通用输入/输出端口。

在本发明的一实施例中，所述第一晶体管和第二晶体管为NPN型晶体管。

与现有技术相比，本发明所提供的开关信号电缆断线检测器可以实时监测开关电缆线连接状态，当外部电缆出现断线时，信号采集模块发出断线提示信号，监控人员可以根据提示信号进行电缆故障排查。同时，本发明所提供的开关信号电缆断线检测器对有源开关以及无源开关均适用，兼容性较强。

附图说明

附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：

图1是本发明提供的一种开关信号电缆断线检测器与有源开关相连接的电路结构示意图。

图2是本发明提供的一种开关信号电缆断线检测器与无源开关相连接的电路结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

本申请的实施例描述一种开关信号电缆断线检测器。

图1是本发明提供的一种开关信号电缆断线检测器与有源开关相连接的电路结构示意图；图2是本发明提供的一种开关信号电缆断线检测器与无源开关相连接的电路结构示意图。结合参考图1和图2所示，本发明提供了一种开关信号电缆断线检测器，用于连接到有源开关或无源开关的信号状态传输电缆10以检测有源开关或无源开关的信号状态和传输电缆10的传输状态。图1-图2中均设置有开关信号获取与传输模块，其中图1中为有源开关S1，图2中为无源开关S2，并且当使用不同的开关类型时，开关信号获取与传输模块的结构也不相同。具体的，如图1所示，当开关信号获取与传输模块20a包括有源开关S1时，有源开关S1与开关电阻R8串联后接地，有源开关S1的第一端，即图1所示上端连接有第二电压信号Vcc2。如图2所示，当开关信号获取与传输模块20b包括无源开关S2时，无源开关S2与开关电阻R8并联，且无源开关S2和开关电阻R8的第二端，即图2所示下端接地。具体的，在本申请的一些实施例中，传输电缆10为单线传输。

在本实施例中，开关信号电缆断线检测器包括开关状态检测电路30和断线检测电路40。图1-图2中该部分的结构大致相同，即本实施例中提供的一种开关信号电缆断线检测器可同时适用于有源开关以及无源开关的信号状态和传输电缆的传输状态的检测。

具体的，如图1-2所示，开关状态检测电路30具有第一输入端A和第一输出端B且包括第一晶体管Q1；第一晶体管Q1的基极b1通过第一分压与限流电阻R2连接第一输入端，且通过第一基极下拉电阻R4接地，第一晶体管的发射极接地，第一晶体管的集电极连接第一输出端B且通过集电极连接电阻R3连接到第一电压信号Vcc1，第一输入端A通过第一上拉电阻R1连接第一电压信号Vcc1。在本申请的一些实施例中，第一晶体管Q1为NPN型晶体管。

具体的，如图1-图2所示，断线检测电路40具有第二输入端C和第二输出端D且包括第二晶体管Q2，通过第二分压与限流电阻R5连接第二输入端C，且第二晶体管Q2的基极b2通过第二基极分压电阻R6接地，第二晶体管Q2的发射极接地，第二晶体管Q2的集电极连接第二输出端D且通过集电极连接电阻R7连接到第一电压信号Vcc1。在本申请的一些实施例中，第二晶体管Q2为NPN型晶体管。

进一步的，在本实施例中，传输电缆10的第一端作为信号采集点11与开关电阻R8的第一端连接，传输电缆10的第二端作为信号接收点12与开关状态检测电路的第一输入端A和断线检测电路的第二输入端C连接。

当本实施例的开关信号电缆断线检测器用于检测有源开关的信号状态时：

当有源开关S1闭合且传输电缆10未断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出低电平，断线检测电路40的第二输出端D输出低电平；

当有源开关S1断开且传输电缆10未断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出高电平，断线检测电路40的第二输出端D输出低电平；

当传输电缆10断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出高电平，断线检测电路40的第二输出端D输出高电平。

具体的，用0表示低电平状态，1表示高电平状态，有源开关信号状态检测逻辑如表格1所示：

表格

有源开关状态电缆是否断线	闭合	断开
			否	00	10
是	11	11

表格中数字第一位表示开关检测信号，即开关状态检测电路30的第一输出端B所输出的电平状态，表格中数字第二位表示断线检测信号，即断线检测电路40的第二输出端D所输出的电平状态。例如，表格1中的‘11’表示，开关状态检测电路30的第一输出端B所输出的电平状态为1（高电平），断线检测电路40的第二输出端D所输出的电平状态为0（低电平）。

进一步的，如表格1所示，当传输电缆10未断线时，断线检测电路40的第二输出端D输出低电平，此时开关状态检测电路30的第一输出端B所输出的电平状态表示了有源开关S1是否闭合。而当传输电缆10断线时，断线检测电路40的第二输出端D输出高电平，且此时开关状态检测电路30的第一输出端B始终输出高电平，但并不表示有源开关S1的状态。

具体的，结合参考图1、表格1对于开关信号电缆断线检测器对有源开关S1的检测原理做进一步详细描述如下：

（1）当传输电缆10未断线且有源开关S1闭合时，此时第一输入端A点的等效电压V_A＝Vcc2，选择合适的R2、R4、R5、R6使V_b1＞V_be(Q1)、V_b2＞V_be(Q2)，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2均开启，根据基尔霍夫电压及电流定律：

此时开关检测信号输出低电平，断线检测信号输出低电平。

（2）当传输电缆10未断线且有源开关S1断开时，选择合适的R1、R2、R4、R5、R6、R8使Vb1＞Vbe(Q1)、Vb2＜Vbe(Q2)，第一晶体管Q1开启，第二晶体管Q2关闭，根据基尔霍夫电压及电流定律：

上述公式中R_A为A点对地等效电阻。此时开关检测信号输出高电平，断线检测信号输出低电平。

（3）当传输电缆10断线时，选择合适的R1、R2、R4、R5、R6使Vb1＜Vbe(Q1)、Vb2＜Vbe(Q2)，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2均关闭，根据基尔霍夫电压及电流定律：

此时开关检测信号输出高电平，断线检测信号输出高电平。

同样的，当本实施例的开关信号电缆断线检测器用于检测无源开关的信号状态时：

当无源开关S2闭合且传输电缆10未断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出高电平，断线检测电路40的第二输出端D输出高电平；

当无源开关S2断开且传输电缆10未断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出低电平，断线检测电路40的第二输出端D输出高电平；

当传输电缆10断线时，开关状态检测电路30的第一输出端B输出低电平，断线检测电路40的第二输出端D输出低电平。

具体的，用0表示低电平状态，1表示高电平状态，无源开关信号状态检测逻辑如表格2所示：

表格

无源开关状态电缆是否断线	闭合	断开
			否	11	01
是	00	00

表格中数字第一位、第二位同样分别表示开关检测信号和断线检测信号。如表格2所示，当传输电缆10未断线时，断线检测电路40的第二输出端D输出高电平，此时开关状态检测电路30的第一输出端B所输出的电平状态表示了无源开关S2是否闭合。例如，表格2中的‘01’表示，开关状态检测电路30的第二输出端D所输出的电平状态为0（低电平），断线检测电路40的第一输出端B所输出的电平状态为1（高电平）。

而当传输电缆10断线时，断线检测电路40的第二输出端D输出低电平，且此时开关状态检测电路30的第一输出端B始终输出低电平，但并不能表示无源开关S2的状态。

具体的，结合参考图2、表格2对于开关信号电缆断线检测器对无源开关S2的检测原理做进一步详细描述如下：

（1）当传输电缆10未断线且无源开关S2闭合时，此时A点（第一输入端）对地为短路状态，第一输入端A点的等效电压V_A＝0V，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2的基极b1、b2电压同样均为0V，此时开关检测信号输出高电平，断线检测信号输出高电平。

（2）当传输电缆10未断线且无源开关S2断开时，选择合适的R1、R2、R4、R5、R6、R8使Vb1＞Vbe(Q1)、Vb2＜Vbe(Q2)，第一晶体管Q1开启，第二晶体管Q2关闭，根据基尔霍夫电压及电流定律：

上述公式中R_A为A点对地等效电阻。此时开关检测信号输出低电平，断线检测信号输出高电平。

（3）当传输电缆10断线时，选择合适的R1、R2、R4、R5、R6使Vb1＞Vbe(Q1)、Vb2＞Vbe(Q2)，第一晶体管Q1与第二晶体管Q2均开启，根据基尔霍夫电压及电流定律：

此时开关检测信号输出低电平，断线检测信号输出低电平。

在本申请的一些实施例中，开关状态检测信号通过第一输出端B传输至第一电平检测装置50a，断线检测信号通过第二输出端D传输至第二电平检测装置50b。优选的，在本发明的一些实施例中第一电平检测装置50a与第二电平检测装置50b为微控制单元（MicroController Unit，MCU），开关状态检测信号输出至微控制单元的通用输入/输出端口（GPIO端口）。

在本申请的一些实施例中，低电平对应于电压值0V，高电平可对应于一大于零电压值，例如3V或3.3V，高电平与低电平对应与电压值的非零值与零值的明确区分，使得第一输出端和第二输出端的输出值可直接连接至第一电平检测装置和第二电平检测装置的通用输入/输出端口，因通用输入/输出端口就可以满足判断是否存在电压值的需求，而无需再占用A/D转换接口（模拟/数字转换接口），减少了对复杂功能管脚的占用，而只需使用通用输入/输出端口即可。

在本发明的另一些实施例中第一电平检测装置50a与第二电平检测装置50b还可以为单片机等，本申请在此不做具体限制。

本申请所提供的开关信号电缆断线检测器可以实时监测开关电缆线连接状态，当外部电缆出现断线时，信号采集模块发出断线提示信号，监控人员可以根据提示信号进行电缆故障排查。同时，本发明所提供的开关信号电缆断线检测器对有源开关以及无源开关均适用，具有较强的使用兼容性。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种开关信号电缆断线检测器，用于连接到有源开关或无源开关的信号状态传输电缆以检测所述有源开关或无源开关的信号状态和所述传输电缆的传输状态；当所述开关信号获取与传输模块包括所述有源开关时，所述有源开关与开关电阻串联后接地，所述有源开关的第一端连接有第二电压信号；当所述开关信号获取与传输模块包括所述无源开关时，所述无源开关与所述开关电阻并联，且所述无源开关和所述开关电阻的第二端接地，所述开关信号电缆断线检测器包括：

开关状态检测电路，具有第一输入端和第一输出端且包括第一晶体管；所述第一晶体管的基极通过第一分压与限流电阻连接所述第一输入端，且通过第一基极下拉电阻接地，所述第一晶体管的发射极接地，所述第一晶体管的集电极连接所述第一输出端且通过集电极连接电阻连接到第一电压信号，所述第一输入端通过第一上拉电阻连接所述第一电压信号；

断线检测电路，具有第二输入端和第二输出端且包括第二晶体管，通过第二分压与限流电阻连接所述第二输入端，且所述第二晶体管的基极通过第二基极分压电阻接地，所述第二晶体管的发射极接地，所述第二晶体管的集电极连接所述第二输出端且通过集电极连接电阻连接到所述第一电压信号；

其中，所述传输电缆的第一端与所述开关电阻的第一端连接，所述传输电缆的第二端与所述开关状态检测电路的第一输入端和断线检测电路的第二输入端连接；配置所述第一上拉电阻、第一分压与限流电阻、第一基极下拉电阻、第二分压与限流电阻、第二基极分压电阻和开关电阻的阻值分别实现所述第一晶体管和第二晶体管的开启和关闭，以实现如下电平控制状态：

当所述开关信号电缆断线检测器用于检测有源开关的信号状态时，

当所述有源开关闭合且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平；

当所述有源开关断开且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平；

当所述传输电缆断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平；

当所述开关信号电缆断线检测器用于检测无源开关的信号状态时，

当所述无源开关闭合且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出高电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平；

当所述无源开关断开且所述传输电缆未断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出高电平；

当所述传输电缆断线时，所述开关状态检测电路的第一输出端输出低电平，所述断线检测电路的第二输出端输出低电平。

2.根据权利要求1所述的开关信号电缆断线检测器，其特征在于，开关状态检测信号通过所述第一输出端传输至第一电平检测装置，断线检测信号通过所述第二输出端传输至第二电平检测装置。

3.根据权利要求1所述的开关信号电缆断线检测器，其特征在于，所述传输电缆为单线传输。

4.根据权利要求2所述的开关信号电缆断线检测器，其特征在于，所述第一电平检测装置和/或第一电平检测装置包括微控制单元。

5.根据权利要求4所述的开关信号电缆断线检测器，其特征在于，所述开关状态检测信号输出至所述微控制单元的通用输入/输出端口。

6.根据权利要求1所述的开关信号电缆断线检测器，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管为NPN型晶体管。