用于识别电子电路的通信信号的状态变化的方法和装置

摘要

本发明涉及用于识别电子电路的通信信号的状态变化的方法和装置。一种用于识别包括由输入触点接收的电容耦合信号的通信信号的有效状态变化的方法，该方法包括以下步骤：将第一触点输入维持在第一状态，以及将第一触点输入的阻抗维持在第一阻抗水平；确认发送到第一输入触点的通信信号是用于第一输入触点的有效状态变化；以及当电压通信信号经确认时，将第一输入触点变化到第二状态，以及将第一输入触点的阻抗变化到第二阻抗水平。还公开了一种输入触点电路。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及电子电路，更具体而言，涉及利用自适应有源阻抗识别电容耦合信号的有效状态变化的方法和装置。

背景技术

在工业领域，经电缆束6连接每个对应触点，从而建立从一个装置中电子电路的多个输入触点2到另一个装置的多个输出触点4的通信，这是普通常识，如图1所示。一个这样的示例是，将电网变电站中的断路器触点输出连接到保护继电器触点输入。当断路器触点闭合时，电压施加到触点输入。如果该电压维持在预设阈值以上达预定时间量(通常称为去抖计时器)，则该触点输入识别出所施加的电压对应于有效状态变化，因此输入触点的状态从OFF状态变化到ON状态。当施加的电压降低到第二预设阈值以下达去抖计时器的持续时间，则对于从ON状态到OFF状态的输入过渡也是类似的过程。

然而，通常用于连接这些装置的长电缆束公知会在承载监测信号的各个导体之间引入大寄生电容耦合。这如图2所示，其中，示出简化电路以表示图1的组件。在图2中，触点输入2具有各个阻抗R_a和R_b以及表示触点输出4的开关SW_a和SW_b。在操作中，如果开关SW_a闭合，则在对应触点输入R_a上会连续出现有效信号。然而，即使开关SW_b断开，电容耦合信号也会通过触点输入R_b(图2的虚线所示)经寄生电容(C_line，图2中所示)来放电。

针对上述问题存在两种传统的解决方案。第一种解决方案包括增大去抖计时器，第二种解决方案包括降低输入阻抗。为了排除电容耦合脉冲，确认计时器(还被称为去抖计时器)能够用于在预设持续时间下忽略所有脉冲。用户必须构造去抖计时器来忽略持续时间小于最坏情况下电容耦合脉冲的脉冲。然而，增大去抖计时器持续时间的缺陷之一在于，它延迟了有效触点输入过渡的识别，这转而会影响保护方案的效率。用于减轻电容耦合瞬态效应的另一种方法是，减小触点输入的阻抗。通过减小该阻抗，电容耦合信号具有更短的脉冲持续时间，从而使得去抖计时器设置更小。然而，该解决方案的另一个缺陷在于，随着阻抗减小，由触点输入电路耗散的功率量会增大，导致在产品中可用的触点输入的数量受到限制。因此，为了防止因电容耦合过渡引发的输入状态的错误变化，必须减小触点输入的数量，或者必须增大用于输入状态变化的识别时间。

用于解决上述挑战的传统解决方案需要在响应时间(也就是，在触点输入能够成功测定该信号是过渡脉冲还是有效输入状态变化之前的时间)和功率耗散(也就是，有多少触点输入能够用于装置而不会因散热破坏电路)之间寻求平衡。然而，功率耗散和触点输入响应时间之间的平衡导致该工业领域内对于能够设计成产品的输入数量的当前实际限制以及对于有效信号过渡的触点输入的响应时间的实际限制。

因此，需要控制触点输入的阻抗，以使得因此消耗的电流仅在输入处于OFF状态或转变状态的时间周期内增大，并且在触点输入处于ON状态的时间周期内减小，其中在ON状态下功率消耗处于峰值。这种方法不仅使得触点输入在稳定状态操作期间消耗的功率比传统的触点输入小得多，而且使得识别时间大幅度改进。由于触点输入仅仅在短时间内拉动增大的电流量，所以拉动的电流量针对识别时间性能最大化。

发明内容

通过识别由第一输入触点接收的通信信号的有效状态变化的方法，解决一个或多个上述需求和/或其它公知需求，这些方法包括以下步骤：将第一触点(contact)输入维持在第一状态，以及将第一触点输入的阻抗维持在第一阻抗水平；确认从第一输出触点发送到第一输入触点的通信信号是否是第一输入触点的有效状态变化；以及当电压通信信号经确认时，将第一输入触点变化到第二状态，以及将第一输入触点的阻抗变化到第二阻抗水平。

通过输入触点电路，解决一个或多个上述需求和/或其它公知需求，其中该输入触点电路包括：信号转换器，其电耦合到输入触点电路的输入连接部；开关，其与信号转换器并联地电耦合到输入触点电路的输入连接部；电流发生器，其串联电耦合到开关；阻抗控制器，其电耦合到信号转换器和开关；以及输入状态逻辑电路，其电耦合到信号转换器，并且用于将输入触点的状态从第一状态变化到第二状态。

上述发明内容阐述了本发明的技术特征，从而便于更好理解下面的具体实施方式部分，以及便于更好领会对于本领域的当前贡献。当然，还存在本发明的其它特征，下面将进行说明，并且这些其它特征将用于所附权利要求的主题。

从这一点考虑，在详细说明本发明的若干优选实施例之前，可以理解的是，本发明不限于将其应用于在下面的说明书中或者在附图中提出的结构细节以及部件结构。本发明能够实现为其它实施例并且能够以多种方式实现和执行。以及，可以理解的是，这里采用的措辞和术语仅为了进行说明，而不应当认为是限制作用。

因此，本领域技术人员将会理解，本发明所基于的理念可以容易地用作设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求认为是包括范围内的这些等价结构，它们不会脱离本发明的精神和范围。

而且，前述摘要的目的是使得美国专利商标局和普通公众尤其是不熟悉专利或法律术语或措辞的本领域的科学家、工程师和从业者能够通过简略浏览之后快速获知本申请的技术公开内容的性质和要义。因此，摘要不用于限定本发明或本申请，并且不用于以任何方式限制本发明的范围，本发明或本申请仅由权利要求来限定。

附图说明

结合附图，参照下面的具体实施方式部分，将能够更加完全的理解本发明及其带来的优点并且能够对其更好地理解，其中：

图1示出通过电缆束连接的传统触点输入和输出的示意图；

图2示出对应于图1的示意图的电子电路表示；

图3示出根据本发明各个技术方面用于识别触点输入的状态变化的方法的大致流程图；

图4示出根据本发明各个技术方面用于识别触点输入的状态变化的方法的另一个大致流程图；

图5示出根据本发明各个技术方面用于识别触点输入的状态变化的电路的示意图；

图6示出根据本发明各个技术方面用于识别触点输入的状态变化的另一个电路的示意图；以及

图7示出对于图6的电路，相对于几个阈值电平，电压随时间的变化。

具体实施方式

现在参照附图，其中在若干附图中相同的附图标记表示相同或相应的部件，在图3示出用于有源控制触点输入的阻抗的通用方法。如全文所述，自适应有源阻抗及其控制对应于在状态过渡期间调节测量装置的电流拉动或阻抗，从而将测量装置的响应优化为测定量，该测定量能够通过动态调节阻抗来进行优化。测定量的示例包括但不限于输入触点的响应时间和功率消耗。这可以改进响应时间，而不会牺牲触点输入的数量也不会增大耗散在包含触点输入的装置中的热量，下面将进行进一步说明。在下面的示例性实施例的说明中，若干示例给出样本周期、不同阈值和其它量。本领域技术人员可以理解的是，这些示例是非限制性示例，本发明的合适范围仅由所附的权利要求的最广范围来确定，从而包含所有可能的变型和等价物。

如图3所示，在10，触点输入的状态初始为OFF，它的阻抗低。所公开的触点输入状态变化识别过程包括：测量输入端上的值，并且将该值和若干阈值进行比较，包括但不限于抖动(bounce)阈值、确认(validate)阈值、有源阻抗或者AZ阈值和低阈值。在20，一旦触点输入检测到高于反弹阈值的、来自触点输出的通信信号，则在30启动确认触点输入的状态变化的过程，同时维持触点输入的低阻抗。如果在40检测到的通信信号保持为高于确认阈值的时间长于预设持续时间，则在50表示从OFF到ON的有效状态变化并且不是因例如电容耦合信号产生的瞬态，触点输入状态及其阻抗分别变化到ON和高。通过在30降低阻抗，则释放电容瞬态的时间加速，导致可容许去抖(debounce)计时器减小以及响应时间改进。如图3进一步示出，当在50该输入处于ON状态时，一旦通信信号跌落到有源阻抗或AZ阈值以下，在60，则该阻抗在30再次降低，从而在存在寄生输入电容时改进触点输入的衰减常数。当该输入电压在60跌落到低阈值以下时，启动确认触点输入的新状态变化的过程，其中如果在确认时间所有测定值都低于该低阈值，则输入将改变状态。在70，如果新检测的通信信号保持为低于该低阈值长于预设持续时间或去抖计时器值，则该输入的状态将从ON变化到OFF。如果在40该输入的确认失败并且所有值回到上述确认阈值，例如因电压下陷所致，则在50触点输入切换回到ON状态且它的阻抗增大。因此，实现对触点阻抗的控制，以使得触点输入消耗的电流仅在输入处于转变或者输入处于OFF状态的时间段期间增大，从而导致消耗的功率总体减小，这是因为在这两种情况下功率耗散最小化。这种方法不仅使得触点输入消耗的功率大大小于传统的触点输入，而且它还会在存在寄生电容的情况下改进触点的总体响应时间和复位时间。

在本发明的另一个实施例中，触点输入首先通过连续测量触点输入端子上的电压以及将这些测量值和阈值进行比较，利用标称润湿电压来检测触点输出的状态转变。一旦检测到状态转变，则触点输入启动确认过程，以确定触点输出的有效状态变化是否发生。检测状态转变包括允许抖动触点信号。触点抖动(也称为颤动)是机械开关和继电器的共同特性。开关和继电器触点通常由弹性金属构成，其可由致动器强制接触。当触点冲击在一起时，它们的动量和弹性一起作用从而产生抖动。该结果是迅速脉动的电流，而不是从零到满电流的利落转变。然后该波形由开关和导线中的寄生电感和电容进一步改变，导致产生一系列阻尼振荡。该效果通常在AC主电路中不能觉察到，其中抖动过于迅速以致于不能影响到大多数设备，但是在没有设计成应对振荡电压的一些模拟和逻辑电路中会产生问题。

当检测抖动触点信号时，采用两个阈值来去抖该信号，第一阈值小于第二阈值。当达到第一阈值(还被称为抖动阈值)时，触点输入进入抖动阶段，其中触点输入等待预定时间段，在该预定时间段触点输出可以在ON和OFF状态之间自由“抖动”。一旦等待时段结束，则触点输入将开始确认触点输入，如果确认过程成功则该输入将其状态变化到ON。当抖动时间设定为0ms时，则在达到抖动阈值的样本之后的样本中，该输入进入确认周期。在检测有效状态转变的应用中，在正确确定触点输入信号的状态之后，确定状态转变发生的时间(还被称为触点输入事件的时戳)。因此，通过利用抖动阈值进入确认状态，其中该抖动阈值低于确认阈值，则该输入变得对触点输入转变更加敏感，从而提高时戳准确度。

确认周期(或者当去抖计时器设定为零时的去抖计时器)测量触点输入值，并且将它们和确认阈值进行比较。在一个实施例中，采用滑动窗方法，其中一旦触点输入已经检测到用于整个确认周期的有效测量值，则触点输入改变状态。如果滑动窗内的所有样本超过确认阈值，则该触点将状态变化到ON，如果滑动窗中的所有样本低于低阈值，则进入OFF状态。

如果在确认期间，在第一确认周期之后，触点输入还未确认为“ON”或“OFF”状态，则该触点输入将保持在之前状态，激活无效标志，并且继续该确认过程。如果对于一个确认周期存在高低阈值之间的测量样本，或者在该高阈值以上和以下均存在样本，该输入将不能确认，并且进入无效。如果该无效标志在至少预定时间量(例如，1秒)保持高，则会设置故障追查标志，并且将产生事件以用于系统保护，该故障追查标志在触点输入在给定时间段(例如，至少2s)内没有无效之后复位。

在另一个实施例中，一旦确定触点输入的状态变化，包括允许抖动接触信号，则可以采用可变逻辑操作数来表示触点输入的状态。例如，可以为具有对应于“ON”和“OFF”的状态的每个触点输入提供可变逻辑操作数，同时可用第二可变逻辑操作数来表示触点输入故障。例如，第二操作数可以不激活，除非发生至少一个以下情况：(1)触点输入被认为是颤动；(2)触点输入已经处于无效状态达给定时间量(例如，1s)；或者触点输入已经在给定时间量内具有自检测硬件故障。

本发明的输入触点还可以提供抗电容耦合信号干扰的能力。电容耦合信号因在触点输入的导线中通常采用的长平行线路而存在。这些噪音脉冲能够持续超过25ms，导致不能识别触点输入状态或者使有效触点输入状态转变的识别延时。电容耦合信号的衰减时间和触点输入的阻抗成比例。该阻抗越低，则电容耦合瞬态消耗得越快速，导致瞬时脉冲持续时间越短。在本发明中，采用动态阻抗来最小化稳定状态操作期间的功率消耗，同时最大化对状态转变期间噪音信号的抵抗。这如下所述来实现。

如图4所示的状态图所示，在80，如果触点输入是OFF则触点输入阻抗低。如果发生触点输出关闭，则在触点输入端子上将看到电压增大，并且该电压将增大到超过抖动阈值(85)并且触点输入将转变到抖动状态(90)。该抖动状态是等待状态，用于通过考虑触点抖动来最优化触点输入状态变化识别过程，这可以被禁用(也就是，在随后的样本周期上状态变化识别过程转变，例如，在250微秒内，如果它是样本周期)。一旦等待周期结束(95)，则状态变化识别过程将转变到确认状态，直到该输入确认或者直到经过指定时间量例如1ms。如果在1ms之后该输入没有确认(110)，则该输入将切断有源阻抗电路并且继续确认(115)。该1ms切断是由于该输入会在1ms内消耗所有瞬态。如果通过测量高于确认阈值的确认周期内的所有样本(105)，该输入成功确认，则该输入将转变到ON状态(130)。如果发现确认窗内的样本高于确认阈值并且低于低阈值，或者如果发现样本处于两个阈值之间(120)，则该输入将设定无效标志，并且继续确认(125)。如果该输入是ON，并且发现输入端子上的测量值低于AZ阈值(135)，则该阻抗再次被降低(140)。该阻抗在这种情况下降低，从而利用输入端子上的寄生电容增大触点输入的放电时间。如果输入上的测量值继续减小并且低于低阈值(145)，则该输入再次进入确认状态(100)。如果输入测量值保持低于低阈值(150)达确认计时器的持续时间，则该输入将确认为OFF(80)，并且该阻抗将保持为低阻抗。

为了在异常情况下保护有源阻抗电路不会过热，在公开的本发明中包含若干安全措施。第一安全措施是将功率消耗电阻器过量定额到预选倍数例如5倍。第二安全措施是通过利用触点输入热模型来追踪和限制消耗的功率量。该热模型连续添加测得的功率消耗到累加器，同时减去稳定状态容许功率消耗。一旦该累加器达到功率消耗的总容许限度，则防止有源阻抗电路导通。该累加器将继续减小，并且直到达到下(lower)阈值才去锁该有源阻抗电路。为了简化总容许功率损耗的计算，在每个采样周期，将计数的测量电压直接添加到累加器，同时减去计数中的最小容许连续电压(25V)。

根据本发明的输入触点还可以配置成忽略对应于连续变化触点状态的触点颤动。为了忽略触点颤动，触点输入检测在指定时间段内是否存在过多次的状态转变。如果在用户配置的颤动时段内多于用户配置的状态转变的最大次数，则颤动检测警报将接通，直到在等于预定时段的时间段中没有另外的状态转变，该预定时段例如是颤动时间的两倍。

在图5中示出根据本技术的方面具有有源阻抗电路200的触点输入的示例性实施例。如图所示，实现有源阻抗的电路包括由微控制器(未示出)控制的并联电流源260。该微控制器执行若干任务：通过信号转换器220来识别和转换输入信号，在输入状态逻辑单元230确认/去抖状态变化过程识别，以及实际控制有源阻抗电路240。信号转换主要包括将施加到触点输入210的输入电压转换成二进制量，还包括基于输入阻抗的状态来补偿测量电压，其中输入阻抗通过电路开关250打开还是闭合来确定。状态变化确认过程的一个实施例如图4所示，并且包括将模拟二进制样本和各个阈值进行比较，从而确定触点输入的当前状态。最后，控制有源阻抗电路包括基于触点输入的状态以及最大功率累积保护功能(poweraccumulated protection function)来确定有源阻抗的状态。一旦检测到，则电流源260通过电路开关250切换至与触点输入并联。

在图5的电路中，由具有源阻抗电路200的触点输入消耗的电流仅在触点输入处于OFF状态或者在确认过程中增大，因此使得该触点输入可以消耗比传统触点输入少得多的功率。具有所示有源阻抗系统的图5的、具有有源阻抗电路200的触点输入不仅使得触点输入可以消耗比传统触点输入少得多的功率，而且还在寄生电容存在的情况下改进触点的总体响应时间和复位时间。

在图6中示出具有有源阻抗电路300的触点输入的另一个实施例。基于这里公开的主题，本领域技术人员将会理解，如果因寄生电容在触点输入上有电容耦合信号，则由该输入拉动的电流量将影响消耗电容耦合电荷的时间。为了减小该阻抗，在该实施例中，微处理器在310发送控制信号以偏置光电晶体管OC2，它转而又偏置达林顿(Darlington)晶体管Q2和Q1。达林顿晶体管Q2在320从本地产生的触点输入15伏特干线拉动电流，增大了触点输入拉动的总体电流。产生的电流受到电阻器R5的限制，它选择为2512封装芯片电阻器，能够处理高达50mA的电流。在该特定实施例中，该电流限制为大约10mA，并且当该输入处于OFF状态或者以及在确认过程中达1ms时激活。第一达林顿晶体管Q1由微控制器直接控制，而第二晶体管Q2通过200ms切断电路由微控制器控制。该200ms切断仅允许晶体管在自动de-asserting之前偏置200ms。这是为了确保如果在电路中存在故障，过量电流将不会继续流过触点输入。为了微控制器确保电路正确发挥功能并且为了为电压补偿提供反馈，采用10mA电流源来驱动反馈光耦合器OC1。该反馈使得微控制器可以具有二次信号，验证电压存在以及有源阻抗正在发挥功能。本领域技术人员基于这里公开的主题将会理解，具有有源阻抗的触点输入使得识别时间更加快速以及增大触点输入的密度，从而改进保护继电器的识别时间和I/O密度。

参照图7所示的相对于若干阈值电平的电压随时间的变化，下面将说明具有图6的有源阻抗电路300的触点输入的操作。如图所示，在该示例性实施例中，为了执行上述功能，触点输入采用图7所示的一系列4个阈值电平。第一阈值是抖动阈值，它用于检测抖动触点的第一抖动，因此设置在比确认阈值更低和更敏感的电平。

在图7的区域1中，触点输入处于OFF状态，并且以周期性时间间隔(例如，每250微秒)连续进行模拟DC测量，并且将测量值和抖动阈值进行比较。在该时间段内，该阻抗低。在区域2中，已经达到抖动阈值，并且状态变化识别过程开始抖动周期。在抖动周期内，触点忽略所有测量值持续抖动周期的持续时间，并且触点输入保持在OFF状态同时该阻抗保持为低阻抗。由于抖动周期的当前故障持续时间可以设定为0毫秒，因此该触点在250微秒之后将会离开该抖动周期。该阻抗在区域1和2的整个持续时间内保持为低阻抗。

在区域3中，等待抖动周期的时段已经结束，并且确认周期开始。触点输入保持在OFF状态，同时测量的样本和确认阈值进行比较，持续确认周期的持续时间(它等于去抖计时器)。如果触点输出抖动，则该输入保持在确认状态，直到所有样本都高于确认阈值。

在图7所示的示例中，该输入在区域3和4处于确认状态，然而在区域3期间，该输入不能确认为ON状态，这是因为触点输出继续抖动。在区域4中，输出停止抖动，并且该输入测量高于确认阈值的确认周期(该示例中它等于区域4)内的所有样本。在确认周期结束时，触点输入将确认为ON、OFF或INVALID(无效)。如果去抖计时器设定为0ms，则触点输入在紧接着抖动周期的样本上确认。在确认期间，该阻抗保持为低阻抗仅1ms，此时准确度减小，而微处理器补偿因电流增大而在输入电阻两端产生的增大的电压降。因为该补偿，触点输入的准确度减小持续小于1ms的去抖计时器。一旦状态变化识别过程检测到由确认周期限定的时间周期内测量的所有样本都高于确认阈值，则触点输入移动到ON状态，并且确认结束。如果发现确认周期内的所有样本低于该低阈值，则触点输入将移动到OFF状态并且确认周期将结束。如上所述，该确认周期可以认为是“滑动窗”，它沿信号的所有样本运动，直到发现该窗内的所有样本都高于确认阈值或低于低阈值。当触点输入转变到ON状态时，整个电路被切断。

在区域5中，触点输入已经成功确认为ON状态。在该ON状态期间，输入阻抗高，以减小由输入电路消耗的功率。所有样本都由该输入检测，并且和有源阻抗阈值以及低阈值进行比较。一旦输入电压下降到有源阻抗阈值以下，如区域6所示，则该阻抗再次降低。该有源阻抗阈值设定在确认阈值和标称输入电压之间。该阻抗在这种情况下降低，从而改进当寄生电容存在于输入端子上时触点输入的复位时间。

在区域6中，如果测量值下降到有源阻抗阈值以下，但是仍然高于确认阈值达一段长时间，则最大功率累加器保护过程将用于防止触点输入电路过热。如上所述，累加器将用于追踪散热。当整个电路处于ON状态时，由触点输入测量的电压将以固定时间间隔(例如每250微秒)增加到累加器。此外，不管整个电路的状态如何，最大连续电压(可以采用25伏特的缺省值)将在每个250微秒周期从累加器减去。如果累加器超过最大热阈值，则阻抗控制电路将阻断，直到累加器(它连续减去最大连续电压)达到下热阈值。

在区域8中，测量值已经下降到低阈值以下达确认周期，并且触点输入已经转变到OFF状态。在该OFF状态下，阻抗再次保持为低阻抗，同时所有测量值连续和抖动阈值进行比较，如区域1中详细所示。

虽然已经参照图6和7阐述了示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，可以在所公开的本发明的范围内对实施例进行若干变型。例如，但不是限制性的，可以采用用于可变阻抗的可编程电位计或动态电流源，而不是ON/OFF动态电流源。而且，可以采用脉宽调制来控制电流源以及提供可变阻抗而非ON/OFF动态电流源。此外，温度的检测(例如，但不限于，通过利用温度敏感电阻器来补偿该阻抗)，可用于改进触点输入的热响应以及由此控制由电路耗散的热量。

虽然上述实施例涉及将保护继电器装置的触点输入连接到电力变电站中的断路器触点输出，但是本领域技术人员将会理解，在本发明的范围内，在需要但不限于实用和工业应用场合中，其它应用包括但不限于利用需要远程端单元或RTU、可编程逻辑控制器或PLC、跳闸单元和其它类似装置的应用场合的触点输出识别。

至于上述说明，应当认识到，对于本领域技术人员而言，用于本发明的部分的最佳尺寸关系，包括尺寸变化、波形函数和操作方式、组件和应用都是显而易见的，因此，和附图以及说明书中所述等价的所有关系都仅由所附的权利要求的范围来覆盖。

此外，由于在附图中示出本发明并且利用本发明的实际和若干优选实施例的特定特征和细节进行完全说明，本领域技术人员将会理解，可以进行许多变型，而不会脱离所述的原理和概念。因此，本发明的合适范围应当由所附的权利要求的最广理解来限定，从而覆盖所有这些变型和等价。