一种端口可复用电路的制作方法

1.本技术涉及端口复用技术领域，具体涉及一种端口可复用电路。


背景技术：

2.现在随着技术的发展，各种智能控制产品应运而生。在各种智能控制场景中，经常会构建ddc系统，ddc系统的组成通常包括中央控制设备(集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等)、现场ddc(directdigitalcontro)控制器、通讯网络，以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。
3.为了实现各种功能，需要依赖于各种端口。在ddc系统中，往往采用普通控制器与每个端口直接连接的方式，来通过每个端口进行数据的输入或输出，这使得每个端口只能具备单一功能或用途，不能随意配置用途，端口的应用灵活性比较差，用起来有局限性，不能满足更多需求。同时，为了实现丰富的功能，就需要相应设置多种不同的端口，这无疑会增加ddc系统的体量。
4.目前，虽然也有一下端口复用的解决方案，例如中国专利文献cn218446446u中所公开的一种输入输出端口复用电路，其包括配置模块，mcu、输入输出电路；配置模块与mcu连接；其中，mcu根据配置模块所输入的命令信号进行处理得到控制信号；输入输出电路的输入端与mcu的输出端连接，输入输出电路根据控制信号进行端口配置，根据命令信号所指示的输入/输出模式对输入输出电路中的输出端子进行配置；其中，输入输出电路包括输入子电路、输出子电路和判断子电路；判断子电路根据控制信号确定接入输入子电路或输出子电路。
5.但是该输入输出端口复用电路仅能实现端口作为数字输出或数字输入的复用，端口能够复用的功能非常有限。


技术实现要素：

6.为此，本技术提供一种端口可复用电路，以解决现有端口大多只具备单一功能或用途，而现有输入输出复用端口的功能仅限于数字输出和数字输入，端口能够复用的功能非常有限的技术问题。
7.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
8.一种端口可复用电路，包括mcu、电源模块、可配置输入/输出芯片、数字输出电路和端口；所述可配置输入/输出芯片能够配置多种模式，所述多种模式包括电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量；
9.所述电源模块的电压输入端与电源连接，所述电源模块的电压输出端分别与所述可配置输入/输出芯片的电压输入端、所述数字输出电路的电压输入端和所述mcu的电压输入端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的串行数据输入端与所述mcu的控制信号输出端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的一路输入/输出通道与所述端口电性连接，所述可配置输入/输出芯片的通用数字输出端与所述数字输出电路电性连接；所述数字输出电路
与所述端口电性连接。
10.可选地，所述端口可复用电路还包括微功耗管理单元，所述电源模块的电压输出端分别与所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输入端和所述mcu的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输出端分别与所述数字输出电路的电压输入端和所述可配置输入/输出芯片的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的串行数据隔离通道的输入端与所述mcu的控制信号输出端电性连接，所述微功耗管理单元的串行数据隔离通道的输出端与所述可配置输入/输出芯片的串行数据输入端电性连接。
11.进一步可选地，所述微功耗管理单元的型号为adp1031acpz-4或adp1032acpz-5-r7。
12.进一步可选地，所述电源模块包括隔离电源模块和电源芯片，所述隔离电源模块的电压输入端与电源连接，所述隔离电源模块的第一电压输出端与所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输入端电性连接，所述隔离电源模块的第二电压输出端与所述电源芯片的电压输入端电性连接；所述电源芯片的电压输出端与所述mcu的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第一电压输出端与所述数字输出电路的电压输入端和所述可配置输入/输出芯片的第一电压输入端电性连接，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第二电压输出端与所述可配置输入/输出芯片的第二电压输入端电性连接。
13.进一步可选地，所述隔离电源模块用于提供24v电压，所述电源芯片用于提供3.3v电压。
14.进一步可选地，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第一电压输出端用于输出24v隔离电压，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第二电压输出端用于输出3.3v隔离电压。
15.可选地，所述可配置输入/输出芯片的型号为ad74412rbcpz-rl7。
16.进一步可选地，所述可配置输入/输出芯片的ccomp_d引脚经过电容c75与电阻r102的第一端电性连接，所述电阻r102的第二端与电阻r100的第一端电性连接，所述电阻r100的第二端经过电容c77与所述端口的第一引脚电性连接，所述电阻r100的第二端与所述端口的第二引脚电性连接，所述电阻r100的第二端还经过瞬态二极管tvs8接地；
17.所述可配置输入/输出芯片的vioutp_d引脚经过电阻r156与二极管d21的正极电性连接，所述二极管d21的负极与所述电阻r102的第一端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的vioutp_d引脚还与金氧半场效晶体管q20的源极电性连接；
18.所述可配置输入/输出芯片的cascode_d引脚与所述金氧半场效晶体管q20的栅极电性连接，所述金氧半场效晶体管q20的漏极与所述二极管d21的正极电性连接；
19.所述可配置输入/输出芯片的vioutn_d引脚与二极管d22的负极电性连接，所述二极管d22的正极与所述电阻r102的第一端电性连接；
20.所述可配置输入/输出芯片的senseh_d引脚经过电阻r103与所述电阻r102的第一端电性连接；
21.所述可配置输入/输出芯片的sensehf_d引脚经过电阻r105与所述电阻r102的第一端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的sensehf_d引脚还经过电容c78接地；
22.所述可配置输入/输出芯片的sensel_d引脚经过电阻r106与所述电阻r102的第二端电性连接；
23.所述可配置输入/输出芯片的senself_d引脚经过电阻r107与所述电阻r100的第二端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的senself_d引脚还经过电容c79接地。
24.进一步可选地，所述数字输出电路包括金氧半场效晶体管q17、三极管q18、金氧半场效晶体管q19和二极管d20；
25.所述可配置输入/输出芯片的gpo_d引脚与所述金氧半场效晶体管q17的栅极电性连接；所述金氧半场效晶体管q17的漏极与电阻r93的第一端电性连接，所述金氧半场效晶体管q17的源极接地；所述电阻r93的第二端与电阻r94的第一端电性连接，所述电阻r93的第二端还与所述金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；
26.所述电阻r94的第二端与所述三极管q18的发射极电性连接；所述三极管q18的基极与所述金氧半场效晶体管q19的源极电性连接，所述三极管q18的集电极与所述金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；所述电阻r94的第二端还经过电阻r95与所述金氧半场效晶体管q19的源极电性连接；所述金氧半场效晶体管q19的漏极与所述二极管d20的正极电性连接，所述二极管d20的负极与所述电阻r100的第一端电性连接。
27.相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：
28.本技术提供了一种端口复用电路的新的硬件架构，包括mcu、电源模块、可配置输入/输出芯片、数字输出电路和端口；其中，可配置输入/输出芯片的串行数据输入端与mcu的控制信号输出端电性连接，可配置输入/输出芯片的一路输入/输出通道与端口电性连接，可配置输入/输出芯片的一路通用数字输出端与数字输出电路电性连接，数字输出电路与所述端口电性连接；可配置输入/输出芯片自身能够支持配置电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量等多种模式，基于本技术所提供的硬件架构，结合现有成熟的控制技术，能够实现通过mcu改变可配置输入/输出芯片中寄存器的值，从而使得可配置输入/输出芯片根据寄存器的值切换到相应模式下，从而端口能够在所切换到的模式下进行工作，实现相应模式下的功能；另外，由于本技术所提供的硬件架构中还增加设置了数字输出电路，能够实现通过mcu改变输入/输出芯片的通用数字输出端的值，进而响应于通用数字输出端的值，数字输出电路能够被启用或关闭；当数字输出电路被启用后，端口便能够工作在数字输出模式下；从而端口不仅能够用于电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量，还能够用于数字输出；通过本技术不仅能够实现端口功能的复用，并且能够复用的功能相比现有输入输出复用端口更为丰富和全面，用户可根据需求自行配置端口用途，以实现楼宇自控不同场景的灵活应用，满足不同客户的需求。
附图说明
29.为了更直观地说明现有技术以及本技术，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本技术时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本技术揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
30.图1为本技术实施例提供的一种端口可复用电路的整体结构示意图；
31.图2为本技术实施例提供的附有微功耗管理单元的端口可复用电路的结构示意图；
32.图3为本技术实施例中微功耗管理单元的电路原理图；
33.图4为本技术实施例提供的附有详细电源模块和微功耗管理单元的端口可复用电路的完整结构示意图；
34.图5为本技术实施例提供的附有微功耗管理单元型号和可配置输入/输出芯片型号的端口可复用电路的简略结构示意图；
35.图6为本技术实施例中可配置输入/输出芯片的电路原理图；
36.图7为本技术实施例中端口、数字输出电路和配置输入/输出芯片之间的连接关系电路原理图；
37.图8为本技术实施例中电压输出模式下的配置功能方框图；
38.图9为本技术实施例中电流输出模式下的配置功能方框图；
39.图10为本技术实施例中电压输入模式下的配置功能方框图；
40.图11为本技术实施例中电流输入外部供电模式下的配置功能方框图；
41.图12为本技术实施例中电流输入回路供电模式下的配置功能方框图；
42.图13为本技术实施例中电阻测量模式下的配置功能方框图；
43.图14为本技术实施例中rtd偏置电路示意图；
44.图15为本技术实施例中数字输入模式下的配置功能方框图；
45.图16为本技术实施例中数字输出模式下的配置功能方框图。
46.附图标记说明：
47.1、mcu；2、电源模块；21、隔离电源模块；22、电源芯片；3、可配置输入/输出芯片；4、数字输出电路；5、端口；6、微功耗管理单元。
具体实施方式
48.以下结合附图，通过具体实施例对本技术作进一步详述。
49.在本技术的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本技术中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。
50.本技术中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本技术揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本技术表述的范畴。
51.在本技术实施例中，如图1所示，提供了一种端口可复用电路，其包括mcu1、电源模块2、可配置输入/输出芯片3、数字输出电路4和端口5；其中，可配置输入/输出芯片3能够配置多种模式，多种模式具体包括电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量；
52.电源模块2的电压输入端与电源连接，电源提供220v的交流电，电源模块2的电压输出端分别与可配置输入/输出芯片3的电压输入端、数字输出电路4的电压输入端和mcu1的电压输入端电性连接；可配置输入/输出芯片3的串行数据输入端(si端)与mcu1的控制信号输出端电性连接，可配置输入/输出芯片3的一路输入/输出通道与端口5电性连接，可配置输入/输出芯片3的通用数字输出端(do端)与数字输出电路4电性连接；数字输出电路4与
端口5电性连接。
53.进一步地，如图2所示，该端口可复用电路还包括微功耗管理单元6，电源模块2的电压输出端分别与微功耗管理单元6的电源隔离通道的电压输入端和mcu1的电压输入端电性连接；微功耗管理单元6的电源隔离通道的电压输出端分别与数字输出电路4的电压输入端和可配置输入/输出芯片3的电压输入端电性连接；微功耗管理单元6的串行数据隔离通道的输入端与mcu1的控制信号输出端电性连接，微功耗管理单元6的串行数据隔离通道的输出端与可配置输入/输出芯片3的串行数据输入端电性连接。
54.其中，微功耗管理单元6的型号可以但不限于为adp1031acpz-4或adp1032acpz-5-r7。当微功耗管理单元6选用adp1031acpz-4时，微功耗管理单元6的电路原理图可参见图3。
55.进一步地，电源模块2为可配置输入/输出芯片3、数字输出电路4和mcu1提供所需的工作电压；如图4所示，电源模块2包括隔离电源模块21和电源芯片22，隔离电源模块21的电压输入端与电源连接，隔离电源模块21的第一电压输出端与微功耗管理单元6的电源隔离通道的电压输入端电性连接，隔离电源模块21的第二电压输出端与电源芯片22的电压输入端电性连接；电源芯片22的电压输出端与mcu1的电压输入端电性连接；微功耗管理单元6的电源隔离通道的第一电压输出端与数字输出电路4的电压输入端和可配置输入/输出芯片3的第一电压输入端电性连接，微功耗管理单元6的电源隔离通道的第二电压输出端与可配置输入/输出芯片3的第二电压输入端电性连接。
56.其中，隔离电源模块21用于将220v的交流电转换为24v电压，从而能够为电源芯片22和微功耗管理单元6提供所需的24v电压；电源芯片22用于将24v电压再转换为3.3v电压，从而能够为mcu1提供所需的3.3v的电压。
57.另外，微功耗管理单元6的电源隔离通道的第一电压输出端用于输出24v隔离电压，进而能够为数字输出电路4和可配置输入/输出芯片3提供所需的24v电压；微功耗管理单元6的电源隔离通道的第二电压输出端用于输出3.3v隔离电压，进而能够为可配置输入/输出芯片3提供所需的3.3v电压。
58.通过设置微功耗管理单元6，能够在电路硬件架构中实现电源隔离和数据隔离，从而能够提高整个端口可复用电路的稳健性，保护电路免受高压瞬变的影响，降低接地环路的噪声。
59.进一步地，可配置输入/输出芯片3的型号可以但不限于为ad74412rbcpz-rl7。附有微功耗管理单元6型号和可配置输入/输出芯片3型号的端口可复用电路的结构示意图可参见图5。
60.ad74412rbcpz-rl7是一种四通道可配置输入/输出电路，当可配置输入/输出芯片3选用ad74412rbcpz-rl7时，可配置输入/输出芯片3的电路原理图可参见图6。
61.进一步地，如图7所示，可配置输入/输出芯片3与端口5(j182p端口)的连接关系如下：
62.可配置输入/输出芯片3的ccomp_d引脚经过电容c75与电阻r102的第一端电性连接，电阻r102的第二端与电阻r100的第一端电性连接，电阻r100的第二端经过电容c77与端口5的第一引脚电性连接，电阻r100的第二端与端口5的第二引脚电性连接，电阻r100的第二端还经过瞬态二极管tvs8接地；
63.可配置输入/输出芯片3的vioutp_d引脚经过电阻r156与二极管d21的正极电性连
接，二极管d21的负极与电阻r102的第一端电性连接；可配置输入/输出芯片3的vioutp_d引脚还与金氧半场效晶体管q20的源极电性连接；
64.可配置输入/输出芯片3的cascode_d引脚与金氧半场效晶体管q20的栅极电性连接，金氧半场效晶体管q20的漏极与二极管d21的正极电性连接；
65.可配置输入/输出芯片3的vioutn_d引脚与二极管d22的负极电性连接，二极管d22的正极与电阻r102的第一端电性连接；
66.可配置输入/输出芯片3的senseh_d引脚经过电阻r103与电阻r102的第一端电性连接；
67.可配置输入/输出芯片3的sensehf_d引脚经过电阻r105与电阻r102的第一端电性连接，可配置输入/输出芯片3的sensehf_d引脚还经过电容c78接地；
68.可配置输入/输出芯片3的sensel_d引脚经过电阻r106与电阻r102的第二端电性连接；
69.可配置输入/输出芯片3的senself_d引脚经过电阻r107与电阻r100的第二端电性连接，可配置输入/输出芯片3的senself_d引脚还经过电容c79接地。
70.进一步地，如图7所示，数字输出电路4包括金氧半场效晶体管q17、三极管q18、金氧半场效晶体管q19和二极管d20；
71.可配置输入/输出芯片3的gpo_d引脚与金氧半场效晶体管q17的栅极电性连接；金氧半场效晶体管q17的漏极与电阻r93的第一端电性连接，金氧半场效晶体管q17的源极接地；电阻r93的第二端与电阻r94的第一端电性连接，电阻r93的第二端还与金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；
72.电阻r94的第二端与三极管q18的发射极电性连接；三极管q18的基极与金氧半场效晶体管q19的源极电性连接，三极管q18的集电极与金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；电阻r94的第二端还经过电阻r95与金氧半场效晶体管q19的源极电性连接；金氧半场效晶体管q19的漏极与二极管d20的正极电性连接，二极管d20的负极与电阻r100的第一端电性连接。
73.总的来说，ad74412rbcpz-rl7芯片支持配置电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量这六种模式，下文对ad74412rbcpz-rl7芯片如何支持这六种模式的原理进行介绍：
74.(1)电压输出模式
75.ad74412rbcpz-rl7芯片在电压输出模式下的配置功能方框图可参见图8。该芯片中的电压输出放大器可以产生高达11v的单极电压。一个内部的低压电荷泵允许放大器产生一个真正的零输出电压。rsense的电压通过一个2kω电阻在sensel_x引脚上感知到底部的电压，该电阻可关闭反馈回路并保持稳定性。
76.在电压输出模式下，默认情况下，adc测量在-25ma到+25ma范围内通过r
sense
的电流。利用adc测量结果可以计算通过r
sense
的电流，公式如下：
77.i
rsense
＝(v
min
+(adc_code/65,535)
×
voltagerange))/r
sense
78.式中：i
rsense
为测量电流。负电流表示该电流来自ad74412r。正电流表明ad74412r正在下沉电流。v
min
是所选adc范围的最小电压，默认为-2.5v。adc_code是adc_resultx寄存器的值。电压范围是adc范围的整个范围，即5v。r
sense
是r
sense
电阻器，即100ω。
79.(2)电流输出模式
80.ad74412rbcpz-rl7芯片在电流输出模式下的配置功能方框图可参见图9。在电流输出模式下，dac在vioutp_x引脚上提供电流输出，通过使用sensel_x和senseh_x引脚感知r
sense
之间的差分电压来调节。此外，在存在低电阻负载的情况下，一个可选的外部p沟道fet可以通过0ma到25ma的电流输出来降低功耗。当v
avdd
不稳定或当用例配置改变时，电路尽量减少i/op_x端子的故障。
81.图9显示了电流输出模式的电流、电压和测量路径。电流输出开路检测在电流输出模式下，如果净空电压低于合规电压，由于任何通道上的开环电路，该通道标记电流输出开路错误，警报alert引脚。如果v
avdd
不足以驱动编程电流输出，则标记开路错误。
82.在当前输出模式下，adc默认配置为在0v到10v范围内测量在螺钉端子(i/op_x到i/on_x)之间的电压。使用adc测量结果，通过以下公式计算这些螺钉端子之间的电压：
[0083]vadc
＝(adc_code/65,535)
×
voltagerange
[0084]
式中：v
adc
为测量电压，单位为伏特。adc_code是adc_resultx寄存器的值。voltagerange是adc的测量范围，为10v。
[0085]
(3)电压输入模式
[0086]
ad74412rbcpz-rl7芯片在电压输入模式下的配置功能方框图可参见图10。在电压输入模式下，adc通过senself_x和agnd_sense测量端子(i/op_x到i/on_x)的电压。必须将agnd尽可能接近i/on_x端子，以确保准确的电压测量。图10显示了电压输入模式的电流和测量路径。
[0087]
在电压输入模式下，有一个选项是通过200kω电阻连接vioutn_x引脚到接地，这通过adc_configx寄存器启用(默认禁用)。如果i/op_x端子的adc测量存在差异，如浮动电压，此选项就会很有用。通过启用200kω电阻，利用一个小电流通过200kω电阻，能够将电压拉到地面。
[0088]
在电压输入模式下，adc默认配置为在0v到10v范围内测量螺钉端子(i/op_x到i/on_x)的电压。使用adc测量结果，通过以下公式计算这些螺钉端子之间的电压：
[0089]vadc
＝v
min
+(adc_code/65,535)
×
voltagerange
[0090]
其中：vmin是所选adc范围的最小输入电压，默认情况下为0v。v
adc
是测量到的电压，单位为伏特。adc_code是adc_resultx寄存器的值。voltagerange是adc的测量范围，为10v。
[0091]
(4)电流输入，外部供电模式
[0092]
ad74412rbcpz-rl7芯片在电流输入外部供电模式下的配置功能方框图可参见图11。
[0093]
在电流输入，外部供电模式下，ad74412r通过vioutn_x为外部电流源的引脚提供到接地的电流限制路径。16位，σ-δadc通过rsense自动测量电流。通过sensehf_x和senself_x引脚对rsense上的电压进行数字化处理来测量电流。图11显示了电流输入的外部供电模式的电流和测量路径。
[0094]
短路保护电流输入模式的最大短路限制为35ma，以保护外部电路和限制在ad74412r设备上耗散的功率。如果启用了数字输入比较器，则alert_status寄存器可以检测到短路。使数字输入比较器的阈值电压为avdd/2。在正常运行时，i/op_x上的电压通常在
接地5v以内。如果电流源试图插入ad74412r超过35ma的电流，sensel_x引脚上的电压就会立即上升。当i/op_x端子上的电压高于编程的阈值电压时，比较器跳闸，设置alert_status寄存器中的相关vi_err_x位。
[0095]
在当前输入模式下，adc，默认情况下，测量从i/op_x端子在25ma范围内通过r
sense
进入ad74412r的电流。使用adc测量电流计算通过r
sense
的电流，公式如下：
[0096]irsense
＝((adc_code/65,535)
×
voltagerange))/r
sense
[0097]
其中：i
rsense
为测量电流。adc_code是adc_resultx寄存器的值。voltagerange是adc范围的全范围，为2.5v。r
sense
是传感电阻，设置为100ω。
[0098]
(5)电流输入，回路供电模式
[0099]
ad74412rbcpz-rl7芯片在电流输入回路供电模式下的配置功能方框图可参见图12。在电流输入回路供电模式下，ad74412r为i/op_x端子提供电流限制电压。通过sensehf_x和senself_x引脚对r
sense
上的电压进行数字化处理来测量电流。当选择当前输入回路供电功能时，通过启用adc_configx寄存器中的ch_200k_to_gnd位，通过芯片上的200kω电阻将vioutn_x引脚固定到接地。图12显示了电流输入回路供电模式的电流、电压和测量路径。
[0100]
短路保护来自ad74412r的电流受到可编程dac代码的限制(最大值为24.5ma)。如果启用了数字输入比较器，则alert_status寄存器会检测到短路。使数字输入比较器的阈值电压为avdd/2，输出为倒置。在正常运行时，i/op_x上的电压通常在vavdd的5v以内。如果负载对地短路，i/op_x上的电压拉至接地。当i/op_x端子上的电压低于编程的阈值水平时，比较器阀值过低，在alert_stat中设置相关的vi_err_x位。
[0101]
在电流输入回路供电模式下，默认情况下，adc测量从ad74412r通过r
sense
进入i/op_x终端的电流。使用adc测量结果用以下公式计算电流：
[0102]irsense
＝((adc_code/65,535)
×
voltagerange))/r
sense
[0103]
其中：i
rsense
为测量电流。adc_code是adc_resultx寄存器的值。voltagerange是adc范围的全adc范围，为2.5v。r
sense
是感应电阻，其值为100ω。
[0104]
(6)电阻测量模式(外部2线rtd)
[0105]
ad74412rbcpz-rl7芯片在电阻测量模式下的配置功能方框图可参见图13。电阻测量配置使外部2线rtd偏置，其电压来自2.5v偏置。合成的励磁电流流过2kω和100ω的电阻(如图14中的r
pull-up
所示)。这种配置确保了精确的比率测量。16位，σ-δadc自动数字化了整个rtd的电压。低励磁电流确保了由rtd耗散的功率被最小化，减少了自热。rtd偏置电路的一个示例见图14。agnd_sense必须连接到测量的rtd的低侧。图13显示了电阻测量配置的电流、电压和测量路径。
[0106]
在电阻测量模式下，16位σ-δadc自动在2.5v范围内数字化rtd的电压。当进行转换时，adc代码反映了rtd和r
pull-up
之间的比率。使用adc代码计算rtd电阻，公式如下：
[0107]
resistance
rtd
＝adc_code
×rpull-up
/(65,535-adc_code)
[0108]
其中：resistance
rtd
是计算出的rtd电阻，单位为ωs。adc_code是adc_resultx寄存器的代码。r
pull-up
的值为2100ω。如果在rtd模式下，请不要更改adc_configx寄存器设置中的adc_mux位。更改默认的adc mux配置会导致一个无效的adc结果。
[0109]
(7)数字输入模式
[0110]
ad74412rbcpz-rl7芯片在数字输入模式下的配置功能方框图可参见图15。该数字
输入电路可以将从i/op_x端子上的高压数字输入转换为gpo_x引脚或spi上的低压逻辑信号。一个外部供电的传感器在i/op_x端子上提供一个高压数字输入。sensel_x引脚上的未过滤型电压或senself_x引脚上的过滤型电压都可以被传送到片上比较器。比较器将所选引脚的电压与可编程阈值进行比较。通过从din_comp_out寄存器中读取来监控数字输入比较器的输出。或者，每个通道都有一个与该通道相关联的相应的gpo_x引脚。这些gpo_x引脚通过gpo_configx寄存器配置来驱动数字输入信号。图15显示了数字输入逻辑模式的电流、电压和输出路径。
[0111]
数字输入操作不需要adc。然而，当数字输入逻辑模式被启用时，adc可用于电压和电流测量。在数字输入逻辑模式下，默认情况下，adc测量在0v到10v范围内的i/op_x到i/on_x端子的电压。使用adc结果计算i/op_x到i/on_x端子的电压：
[0112]vadc
＝(adc_code/65,535)
×
voltagerange
[0113]
其中：v
adc
为测量电压，单位为伏特。adc_code是adc_resultx寄存器的值。voltagerange是adc测量范围，为10v。
[0114]
本技术由于增加了数字输出电路4，能够在ad74412rbcpz-rl7芯片所支持的6种模式的基础上，增加数字输出模式。数字输出模式下的配置功能方框图可参见图16。
[0115]
图16显示了数字输出逻辑模式的数字输出源电流，输出电流测量以及进行短路检测的电压路径。ab间可选0.15ω，0.1％精度电阻，用于负载电流监测。本实施例通过gpo引脚启用或关闭控制mos管(金氧半场效晶体管q17和金氧半场效晶体管q19)开通或关闭，来保证rl负载上24v电源的接通或关断，起到do_on或do_off的目的。
[0116]
具体来说，当可配置输入/输出芯片3的gpo_d引脚为高电平时，mos管q17打开；这样mos管q19的g极(栅极)电压为12v，mos管q19打开，此时端子j18的2脚就有24v电压。
[0117]
当可配置输入/输出芯片3的gpo_d引脚为低电平时，mos管q17关断，这样mos管q19的g极电压为24v，与s极(源极)相同，mos管q19不会打开，此时端子j18的2脚就有不会有24v电压。
[0118]
其中，本实施例还巧妙利用了三极管q18来限值数字输出源电流过流，即当电阻r95上面有大电流流过，电阻r94两端电压大于0.7v时，三极管q18导通，mos管q19的g极电压即为24v，mos管q19关断，即端子24v断开。
[0119]
基于本技术所提供的硬件架构，作为一种可选的配置，结合现有常规的控制方法，能够通过mcu1向可配置输入/输出芯片3发送控制信号，相应改变可配置输入/输出芯片3中寄存器的值；可配置输入/输出芯片3根据寄存器的值，能够切换到相应模式下，即可以切换到电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量其中一种模式下，从而与可配置输入/输出芯片3连接的端口5能够在所切换到的模式下进行工作，实现相应模式下的功能。
[0120]
具体地，当寄存器中的值为0001时，可配置输入/输出芯片3工作在电压输出模式；当寄存器中的值为0010时，可配置输入/输出芯片3工作在电流输出模式；当寄存器中的值为0011时，可配置输入/输出芯片3工作在电压输入模式；当寄存器中的值为0100时，可配置输入/输出芯片3工作在电流输入外部供电模式；当寄存器中的值为0101时，可配置输入/输出芯片3工作在电流输入回路供电模式；当寄存器中的值为0110时，可配置输入/输出芯片3工作在rtd测量模式；当寄存器中的值为0111和1000时，可配置输入/输出芯片3分别工作在
数字输入(逻辑)模式下和数字输入(回路供电)模式下。
[0121]
可配置输入/输出芯片3使用ch_func_setupx寄存器选择通道功能。选择通道功能后，adc_configx寄存器和din_configx寄存器的内容会用默认的值更新，这允许用户用最少的命令集配置设备。配置通道功能后，如果需要，用户可以配置dac_codex寄存器。
[0122]
从一个模式功能切换到另一个模式时要注意，在切换到另一个模式之前，必须选择所有功能至少130μs。dac_codex寄存器不会通过更改通道功能来重置。在更改通道功能之前，建议通过dac_codex寄存器将dac代码设置为0x0000。在转换到新通道功能之前，通过ch_func_setupx寄存器将通道功能设置为高阻抗。配置新通道功能后，建议等待150μs后再更新dac。
[0123]
另外，考虑到可配置输入/输出芯片3自身不支持配置数字输出模式，也就是可配置输入/输出芯片3不支持数字输出功能，本技术所提供的硬件架构中还增加设置了数字输出电路4，可配置输入/输出芯片3的一路通用数字输出端与数字输出电路电性连接，数字输出电路4与端口5电性连接；从而当mcu1给可配置输入/输出芯片3发送控制信号后，可配置输入/输出芯片3能够改变通用数字输出端的值；响应于通用数字输出端的值，数字输出电路4能够被启用或关闭；当数字输出电路4被启用后，端口5便能够工作在数字输出模式下，从而端口5不仅能够用于电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量，还能够用于数字输出。本技术在可配置输入/输出芯片3不支持do(数字输出)功能情况下，找到支持do功能的解决方案。
[0124]
通过本技术实施例所提供的端口可复用电路，能够实现一个端口可配置多个功能，包括电压输入、电流输入、电压输出、电流输出、数字输入、数字输出和rtd测量，达到一机多用，一端口复用的目的，以实现楼宇自控不同场景的灵活应用，满足不同客户的需求。端口可配置性强，一个端口即可满足所有用户需求。
[0125]
市面多数控制器产品，都是单功能端口，不能随意配置用途，用起来有局限性，不能满足更多需求。本技术提供了一种端口复用的通用输入输出设计方案，关键点在于一个端口的全功能自控解决方案。本技术能让一个控制端口既能作输入又能作输出，灵活性很高，用户可根据需求自行配置端口用途而且端口功能全面；而且本技术电路简洁，而且输入输出精度高，调试也更加简洁，不用太耗费精力去调试电路参数。
[0126]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
[0127]
上文中通过一般性说明及具体实施例对本技术作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本技术的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本技术的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本技术的权利要求保护范围。

技术特征：
1.一种端口可复用电路，其特征在于，包括mcu、电源模块、可配置输入/输出芯片、数字输出电路和端口；所述可配置输入/输出芯片能够配置多种模式，所述多种模式包括电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和rtd测量；所述电源模块的电压输入端与电源连接，所述电源模块的电压输出端分别与所述可配置输入/输出芯片的电压输入端、所述数字输出电路的电压输入端和所述mcu的电压输入端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的串行数据输入端与所述mcu的控制信号输出端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的一路输入/输出通道与所述端口电性连接，所述可配置输入/输出芯片的通用数字输出端与所述数字输出电路电性连接；所述数字输出电路与所述端口电性连接。2.根据权利要求1所述的端口可复用电路，其特征在于，所述端口可复用电路还包括微功耗管理单元，所述电源模块的电压输出端分别与所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输入端和所述mcu的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输出端分别与所述数字输出电路的电压输入端和所述可配置输入/输出芯片的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的串行数据隔离通道的输入端与所述mcu的控制信号输出端电性连接，所述微功耗管理单元的串行数据隔离通道的输出端与所述可配置输入/输出芯片的串行数据输入端电性连接。3.根据权利要求2所述的端口可复用电路，其特征在于，所述微功耗管理单元的型号为adp1031acpz-4或adp1032acpz-5-r7。4.根据权利要求2所述的端口可复用电路，其特征在于，所述电源模块包括隔离电源模块和电源芯片，所述隔离电源模块的电压输入端与电源连接，所述隔离电源模块的第一电压输出端与所述微功耗管理单元的电源隔离通道的电压输入端电性连接，所述隔离电源模块的第二电压输出端与所述电源芯片的电压输入端电性连接；所述电源芯片的电压输出端与所述mcu的电压输入端电性连接；所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第一电压输出端与所述数字输出电路的电压输入端和所述可配置输入/输出芯片的第一电压输入端电性连接，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第二电压输出端与所述可配置输入/输出芯片的第二电压输入端电性连接。5.根据权利要求2所述的端口可复用电路，其特征在于，所述隔离电源模块用于提供24v电压，所述电源芯片用于提供3.3v电压。6.根据权利要求4所述的端口可复用电路，其特征在于，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第一电压输出端用于输出24v隔离电压，所述微功耗管理单元的电源隔离通道的第二电压输出端用于输出3.3v隔离电压。7.根据权利要求1所述的端口可复用电路，其特征在于，所述可配置输入/输出芯片的型号为ad74412rbcpz-rl7。8.根据权利要求7所述的端口可复用电路，其特征在于，所述可配置输入/输出芯片的ccomp_d引脚经过电容c75与电阻r102的第一端电性连接，所述电阻r102的第二端与电阻r100的第一端电性连接，所述电阻r100的第二端经过电容c77与所述端口的第一引脚电性连接，所述电阻r100的第二端与所述端口的第二引脚电性连接，所述电阻r100的第二端还经过瞬态二极管tvs8接地；所述可配置输入/输出芯片的vioutp_d引脚经过电阻r156与二极管d21的正极电性连
接，所述二极管d21的负极与所述电阻r102的第一端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的vioutp_d引脚还与金氧半场效晶体管q20的源极电性连接；所述可配置输入/输出芯片的cascode_d引脚与所述金氧半场效晶体管q20的栅极电性连接，所述金氧半场效晶体管q20的漏极与所述二极管d21的正极电性连接；所述可配置输入/输出芯片的vioutn_d引脚与二极管d22的负极电性连接，所述二极管d22的正极与所述电阻r102的第一端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的senseh_d引脚经过电阻r103与所述电阻r102的第一端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的sensehf_d引脚经过电阻r105与所述电阻r102的第一端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的sensehf_d引脚还经过电容c78接地；所述可配置输入/输出芯片的sensel_d引脚经过电阻r106与所述电阻r102的第二端电性连接；所述可配置输入/输出芯片的senself_d引脚经过电阻r107与所述电阻r100的第二端电性连接，所述可配置输入/输出芯片的senself_d引脚还经过电容c79接地。9.根据权利要求8所述的端口可复用电路，其特征在于，所述数字输出电路包括金氧半场效晶体管q17、三极管q18、金氧半场效晶体管q19和二极管d20；所述可配置输入/输出芯片的gpo_d引脚与所述金氧半场效晶体管q17的栅极电性连接；所述金氧半场效晶体管q17的漏极与电阻r93的第一端电性连接，所述金氧半场效晶体管q17的源极接地；所述电阻r93的第二端与电阻r94的第一端电性连接，所述电阻r93的第二端还与所述金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；所述电阻r94的第二端与所述三极管q18的发射极电性连接；所述三极管q18的基极与所述金氧半场效晶体管q19的源极电性连接，所述三极管q18的集电极与所述金氧半场效晶体管q19的栅极电性连接；所述电阻r94的第二端还经过电阻r95与所述金氧半场效晶体管q19的源极电性连接；所述金氧半场效晶体管q19的漏极与所述二极管d20的正极电性连接，所述二极管d20的负极与所述电阻r100的第一端电性连接。

技术总结
本申请公开了一种端口可复用电路。其包括MCU、电源模块、可配置输入/输出芯片、数字输出电路和端口；可配置输入/输出芯片能够配置电压输出、电流输出、电压输入、电流输入、数字输入和RTD测量等模式；可配置输入/输出芯片的串行数据输入端与MCU的控制信号输出端电性连接，可配置输入/输出芯片的一路输入/输出通道与端口电性连接，可配置输入/输出芯片的一路通用数字输出端与数字输出电路电性连接；数字输出电路与端口电性连接。通过本申请，能够实现通过MCU改变可配置输入/输出芯片中寄存器的值以及芯片通用数字输出端的值，从而能够使芯片切换不同模式以及使数字输出电路能够被启用，进而使端口能够在多种模式下工作。进而使端口能够在多种模式下工作。进而使端口能够在多种模式下工作。


技术研发人员：樊占俊 姜文君 李海清
受保护的技术使用者：北京海林自控科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/28