CN119001412A - 模拟量电流输出系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种模拟量电流输出系统，其包括第一电流输出模块，第一电流输出模块的当前工作状态被配置为工作模式并且向负载输出电流，第一电流输出模块还生成关于当前工作状态的第一自检信号；以及第二电流输出模块，第二电流输出模块的当前工作状态处于备用模式；以及冗余切换模块，被配置为响应于第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，将第二电流输出模块切换为工作模式，将第一电流输出模块切换为备用模式，以及响应于第二电流输出模块被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检故障而维持当前的工作状态。该系统能够保证冗余切换稳定、避免冗余切换混乱。

Description

模拟量电流输出系统

技术领域

本公开的实施例总体涉及工业控制的领域，并且更具体地涉及一种模拟量电流输出系统。

背景技术

模拟量电流输出系统常用于工业控制场合，为了提高可靠性，常常采用两个设备进行冗余的方式使用。冗余切换一般遵循“谁健康谁工作”的原理，因此需要实时获取工作和备用模块的健康状态，要求备用模块也能进行完整的输出回路诊断。而电流输出系统功耗较高，如果备用模块也具有完整的输出回路（电流走模块内部，不走负载），那么大量功耗全部消耗在模块内部，导致发热严重，影响可靠性。同时，输出模块的内外部故障很难有效区分，导致冗余切换混乱。

发明内容

针对上述问题，本公开提供了一种模拟量电流输出系统，能够保证冗余切换稳定、避免冗余切换混乱。

根据本公开的一个方面，提供一种模拟量电流输出系统。该模拟量电流输出系统包括：第一电流输出模块，所述第一电流输出模块的当前工作状态被配置为工作模式并且向负载输出电流，第一电流输出模块还生成关于当前工作状态的第一自检信号；以及第二电流输出模块，所述第二电流输出模块的当前工作状态处于备用模式；以及冗余切换模块被配置为响应于所述第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，将所述第二电流输出模块切换为工作模式，将所述第一电流输出模块切换为备用模式，以及响应于所述第二电流输出模块被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检故障而维持第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态。

在一些实施例中，冗余切换单元被配置为使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块互斥地处于工作模式以及备用模式中的一个工作状态。

在一些实施例中，冗余切换模块包括：第一冗余切换单元，被配置为第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态时，生成表征让权的第一冗余控制信号，以便切换第一电流输出模块和第二电流输出模块的工作状态。

在一些实施例中，第一电流输出模块还包括：第一电源选择单元，与第一电流源电连接，第一电源选择单元被配置为响应于表征让权的第一冗余控制信号向第一电流源输出第一电压，以及响应于表征不让权的第一冗余控制信号向第一电流源输出第二电压，第一电压小于第二电压；以及第一电流源，第一电流源的电流输出端与负载电连接。

在一些实施例中，第一电流输出模块还包括：第一冗余控制单元，与第一电流源的输出端以及负载电连接，被配置为响应于表征不让权的第一冗余控制信号使得第一电流源所输出的电流被输出至负载。

在一些实施例中，第一冗余控制单元包括：第一电阻，第一电阻的一端被配置为接收第一冗余控制信号，第一电阻的另一端与第一开关单元的控制端电连接；第一开关单元，第一开关单元的第一端与第一电流源的电流输出端电连接，第一开关单元的第二端接地；以及第一二极管，第一二极管的正极与第一电流源的电流输出端电连接，第一二极管的负极与负载电连接。

在一些实施例中，第一开关单元包括第一MOS管，第一MOS管的栅极作为第一开关单元的控制端，第一MOS管的漏极作为第一开关单元的第一端，第一MOS管的源极作为第一开关单元的第二端，第一MOS管导通时的漏源电压小于第一二极管的导通压降。

在一些实施例中，第一开关单元包括第一三极管，第一三极管的基极作为第一开关单元的控制端，第一三极管的集电极作为第一开关单元的第一端，第一三极管的发射极作为第一开关单元的第二端，第一三极管导通时处于饱和状态，以使得第一三极管的导通压降小于第一二极管的导通压降。

在一些实施例中，第一电流输出模块还包括：第一自检单元，与第一电流源的电流输出端电连接，被配置为检测第一电流源所输出的电流是否符合预定条件，响应于确定第一电流源所输出的电流符合预定条件生成表征自检正常的自检信号，以及响应于确定第一电流源所输出的电流不符合预定条件生成表征自检故障的自检信号。

在一些实施例中，第一电流输出模块还包括：第一控制单元，被配置为生成切换指令；第一冗余切换单元还被配置为根据切换指令生成表征让权的第一冗余控制信号。

在一些实施例中，冗余切换模块还被配置为响应于复位信号由无效状态转换为有效状态而使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态切换。

根据本公开的模拟量电流输出系统，处于工作模式的第一电流输出模块还生成关于当前工作状态的第一自检信号，第二电流输出模块的当前工作状态处于备用模式并且输出关于当前工作状态的第二自检信号和关于前一工作状态的第三自检信号，基于第一自检信号、第二自检信号以及第三自检信号，切换第一电流输出模块和第二电流输出模块的工作状态，可以有效避免冗余切换混乱。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素。

图1示出了本公开的实施例的模拟电流输出系统的方框示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。术语“连接”、“电连接”可以指代直接连接，也可以指代经由其他单元或者模块间接连接。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如前文所描述，模拟电流输出系统冗余配置时，一般逻辑是工作模块的恒流源对负载进行驱动，备用模块作为热备状态，不对负载进行驱动。

模拟量电流输出系统通常采用24V（伏）驱动电源，现场负载一般为几百欧姆，模块内部的功耗为（24V-I*R）*I，其中，I表征驱动电流，即恒流源所输出的电流，I的大小例如为4~20mA（毫安），R表征负载电阻大小。冗余配置情况下，工作模块故障时需要切换到备用模块。对于恒流源输出，没有输出回路，无法有效诊断恒流源是否正常，因此有些模拟电流输出系统存在盲目切换的问题。而更多的则是为备用模块提供了内部电流回路，用于备用模块的自诊断，而备用模块的电流不流经负载全部消耗在备用模块内部，导致备用模块温升高，影响可靠性。

基于此，为了解决该问题，最常用的方法是恒流源采用可变驱动电源设计，即随着负载大小实时调节驱动电源大小，作为备用模块时，负载小，此时驱动电源也小，此方案具有较好的降功耗效果，但是工业控制场合，有大量的模拟量电流输出系统，一个模块中通常有8路甚至16路恒流源，为每个恒流源增加一路DC-DC（直流-直流转换器），成本昂贵，且影响模块的容积率；另外一种方法为，备用卡采用间歇性的电流回路开启方案，此方案也能降低发热量，但是间歇性的开启过程中，有瞬态过冲信号，频繁操作，容易导致模块损坏。

冗余模块在负载过大或者未接负载时，会产生谁工作谁故障的现象，如果没有一个良好的切换机制，会导致冗余切换混乱的问题。

因此，现有技术存在以下缺点：

（1）采用常规的模拟量电流输出冗余系统，工作模块恒流源工作，备用模块恒流源不工作，备用模块无法有效自诊断，导致工作模块冗余切换时，不确定备用模块是否健康，同时备用模块恒流源从不工作到有效输出有一个较长的响应过程，容易引起切换的扰动；

（2）当前很多模拟量电流输出冗余系统解决（1）所描述的问题，即备用模块恒流源在模块内部形成回路，解决了自诊断问题，但是功耗全部降在模块内部，导致备用模块内部功耗过高，大大高于工作模块，影响系统可靠性；

（3）在（2）的基础上，部分系统采用自适应恒流源的方式，即为每个恒流源配一个自适应DC-DC电路，DC-DC的输出随着负载大小动态调整，该方案可有效解决（2）的问题，但是对于多通道的模拟电流输出系统而言模块复杂，成本昂贵，影响模块容积率；

（4）在（2）的基础上，部分系统的备用模块采用间歇性开启备用卡恒流源的方式进行自诊断，但是恒流源开启瞬间不可避免的有瞬态过冲信号，频繁操作，容易导致模块损坏。且在冗余切换的瞬间，也有恒流源从无到有输出的过程，响应周期较长；

（5）冗余模块在负载过大时，会产生谁工作谁故障的现象，会导致来回切换的问题或者负载断线（通道未使用也表现为断线，但是正常现象）时无法有效切换问题。

为了至少部分地解决上述问题以及其他潜在问题中的一个或者多个，本公开的示例实施例提出了一种模拟量电流输出系统，处于工作模式的第一电流输出模块还生成关于当前工作状态的第一自检信号，第二电流输出模块的当前工作状态处于备用模式并且输出关于当前工作状态的第二自检信号和关于前一工作状态的第三自检信号，基于第一自检信号、第二自检信号以及第三自检信号，切换第一电流输出模块和第二电流输出模块的工作状态，可以有效避免冗余切换混乱。

本公开的实施例一种模拟量电流输出系统100，该模拟量电流输出系统100包括两个电流输出模块，两个电流输出模块被互斥地配置为工作模式以及备用模式中的一种，被配置为工作模式的电流输出模块向负载输出电流。被配置为工作模式的电流输出模块被配置为根据关于被配置为工作模式的电流输出模块的第一自检信号、关于被配置为备用模式的电流输出模块的第二自检信号以及关于被配置为备用模式的电流输出模块在被配置为备用模式之前的第三自检信号，生成对应的冗余控制信号，其中，表征让权的冗余控制信号用于使得被配置为备用模式的电流输出模块被配置为工作模式。

例如，模拟量电流输出系统100包括第一电流输出模块101、第二电流输出模块102以及冗余切换模块103。第一电流输出模块101可以是两个电流输出模块中的任意一个，则第二电流输出模块102是两个电流输出模块中的另外一个。冗余切换单元103被配置为使得第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102互斥地处于工作模式以及备用模式中的一个工作状态。冗余切换单元103例如可以生成相应的冗余控制信号，使得第一电流输出模块101的工作状态为工作模式，以便向负载RL输出电流，以及使得第二电流输出模块102的工作状态为备用模式，也即，使得第二电流输出模块102不向负载RL输出电流。应当理解，冗余切换单元103例如可以生成相应的冗余控制信号，使得第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的工作状态彼此切换。

其中，第一电流输出模块101的当前工作状态被配置为工作模式并且向负载RL输出电流，第一电流输出模块101还输出关于当前工作状态的第一自检信号。第二电流输出模块102的当前工作状态处于备用模式。在一些实施例中，第二电流输出模块102的电流输出端连接负载RL，但是处于备用模式的第二电流输出模块102不向负载RL输出电流。

冗余切换模块103被配置为响应于第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，将第二电流输出模块102切换为工作模式，将第一电流输出模块101切换为备用模式，以及响应于第二电流输出模块102被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检故障而维持第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的被切换后的工作状态。关于第一电流输出模块101的自检，可以由第一自检单元完成。第一自检单元可以按照预定频率周期性地针对第一电流输出模块101进行自检。第一自检单元也可以响应于第一控制单元的自检指令，针对第一电流输出模块101进行自检。关于第二电流输出模块102的自检，可以由第二自检单元完成。

也即，以初始状态下第一电流输出模块101的当前工作状态为工作模式、第二电流输出模块102的当前工作状态为备用模式为例，如果处于工作模式的第一电流输出模块101的第一自检信号表征自检正常，则冗余切换模块103维持第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的工作状态不予切换。如果处于工作模式的第一电流输出模块101的第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，则表明第一电流输出模块101在工作过程中涉及相关自检故障，于是，冗余切换模块103进行冗余切换操作，使得第二电流输出模块102切换为工作模式，使得第一电流输出模块101切换为备用模式。

在工作状态切换完成后，如果第二电流输出模块102被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检正常，则冗余切换模块103可以确定第一电流输出模块101的自检故障为第一电流输出模块101自身故障，并且，维持第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的被切换后的工作状态，使得第二电流输出模块102维持工作模式，使得第一电流输出模块101维持备用模式。上述“预定时间”，可以与自检单元按照预定频率周期性地执行自检的周期性有关，也可以根据实际情况合理设置。该预定时间内实施的自检，通常为工作状态切换完成后，针对该电流输出模块所进行的第一次自检。

在工作状态切换完成后，如果第二电流输出模块102被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检故障，则冗余切换模块103可以确定第一电流输出模块101的自检故障以及第二电流输出模块102的自检故障并非第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的自身故障，而是属于“公共故障”。“公共故障”例如为外部原因造成的故障，会使得第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102在其自身并无故障的情况下，自检信号均呈现表征自检故障的状态。此时，第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102维持第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的被切换后的工作状态，使得第二电流输出模块102维持工作模式，使得第一电流输出模块101维持备用模式，而不再进行工作状态切换，有效避免因为外部公共故障而导致针对第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的自检信号一直处于表征自检故障的状态，导致第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102的工作状态被无谓地频繁来回切换的问题。

其中，上述自检故障例如包括负载RL断线故障。

例如，模拟量电流输出系统100包括第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102。第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102被互斥地配置为工作模式以及备用模式中的一种。例如，当第一电流输出模块101被配置为工作模式时，第一电流输出模块101向负载RL输出电流；此时，第二电流输出模块102被配置为备用模式，此时，第二电流输出模块102不向负载RL输出电流。又或者，当第二电流输出模块102被配置为工作模式时，第二电流输出模块102向负载RL输出电流；此时，第一电流输出模块101被配置为备用模式，此时，第一电流输出模块101不向负载RL输出电流。也即，第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102中，在同一时刻，只有其中一个被配置为工作模式，向负载RL输出电流。

在一些实施例中，冗余切换模块103包括第一冗余切换单元111以及第二冗余切换单元121。基于第一冗余切换单元111与第二冗余切换单元121的交互，可以实现将第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102互斥地配置为工作模式以及备用模式中的一种。第一冗余切换单元111被配置为第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态时，生成表征让权的第一冗余控制信号WORK1，以便切换第一电流输出模块101和第二电流输出模块102的工作状态。第一冗余切换单元111所输出的第一冗余控制信号WORK1传输至第一电流输出模块101以及第二冗余切换单元121。其中，表征让权的第一冗余控制信号WORK1使得第一电流输出模块101的工作状态切换至备用状态。第二冗余切换单元121根据从第一冗余切换单元111处所接收的表征让权的第一冗余控制信号WORK1生成表征不让权的第二冗余控制信号WORK2。第二冗余切换单元121所输出的第二冗余控制信号WORK2被传输至第二电流输出模块102以及第一冗余切换单元111。表征不让权的第二冗余控制信号WORK2使得第二电流输出模块102的工作状态切换至工作模式。第一冗余切换单元111根据表征不让权的第二冗余控制信号WORK2维持输出表征让权的第一冗余控制信号WORK1，从而使得第一电流输出模块101和第二电流输出模块102的工作状态互斥。

第一电流输出模块101还包括第一电源选择单元112、第一电流源113。在一些实施例中，第一电流输出模块101还包括第一冗余控制单元114、第一自检单元（图中未示出）、第一控制单元116、第一数模转换单元117。

第一电源选择单元112与第一电流源113电连接，第一电源选择单元112被配置为响应于表征让权的第一冗余控制信号向第一电流源113输出第一电压（例如VCC_LOW1），以及响应于表征不让权的第一冗余控制信号WORK1向第一电流源113输出第二电压（例如VCC_HIGH1），其中，第一电压小于第二电压。第一电流源113的电流输出端与负载RL电连接。第一电压例如为5V，第二电压例如为24V。

当第一电流输出模块101处于工作模式时，第一电流源113需要驱动负载RL（即向负载RL输出电流），因此第一电流源113需要比较高的驱动电源，例如24V的电源。当第一电流输出模块101处于备用模式时，第一电流源113不需要驱动负载，可以只在模块内部形成回路。因此，第一电流源113只需要一个较低的电压（例如5V）即可。因此，利用第一电源选择单元112，可以为第一电流源113在工作模式时配置较高的工作电压，以及在第一电流源113处于备用模式时配置较低的工作电压，以便有效降低功耗，解决处于备用模式的电流输出模块输出回路自诊断和备用模块功耗高问题。

以第二电压为24V，第一电压为5V举例，相比于不设置电源选择单元的情况（即第一电流源在工作模式以及备用模式采用相同的驱动电压），在备用模式下，第一电流源的功耗降低为不设置电源选择单元的情况下的功耗的20%左右。另外，在一些实施例中，电源选择单元可以多电流源通道复用。

值得说明的是，在一些实施例中，第一冗余切换单元111所输出的第一冗余控制信号WORK1与第一电源选择单元112的控制端直接电连接，因此切换速度快。

第一冗余控制单元114与第一电流源113的输出端以及负载RL电连接，第一冗余控制单元114被配置为响应于表征不让权的第一冗余控制信号使得第一电流源113所输出的电流被输出至负载RL。

在一些实施例中，第一冗余控制单元114包括第一电阻R1、第一开关单元115以及第一二极管D1。第一电阻R1的一端被配置为接收第一冗余控制信号，第一电阻R1的另一端与第一开关单元115的控制端电连接。第一开关单元115的第一端与第一电流源113的电流输出端电连接，第一开关单元115的第二端接地（GND）。第一二极管D1的正极与第一电流源113的电流输出端电连接，第一二极管D1的负极与负载RL电连接。关于第一开关单元115，例如，经由第一开关单元115的控制端的信号的控制，可以使得第一开关单元115的第一端与第二端之间导通，或者使得第一开关单元115的第一端与第二端之间断开。

当第一冗余切换单元111输出的第一冗余控制信号WORK1表征不让权（例如，第一冗余控制信号WORK1为低电平）时，第一开关单元115处于断开状态，第一电流源113输出的电流经由第一二极管D1输出至负载RL。当第一冗余切换单元111输出的第一冗余控制信号WORK1表征让权（例如，第一冗余控制信号WORK1为高电平）时，第一开关单元115处于导通状态，第一电流源113输出的电流经由第一开关单元115形成电流回路。

在一些实施例中，第一开关单元115包括第一MOS管，第一MOS管的栅极作为第一开关单元115的控制端，第一MOS管的漏极作为第一开关单元115的第一端，第一MOS管的源极作为第一开关单元的第二端，第一MOS管导通时的漏源电压小于第一二极管的导通压降。在一些实施例中，第一MOS管导通时的漏源电压小于第一二极管的导通压降的1/2。当第一冗余切换单元111输出的第一冗余控制信号WORK1表征让权时，第一MOS管导通，第一电流源113输出的电流经由第一MOS管形成电流回路。由于第一MOS管导通时的漏源电压小于第一二极管的导通压降，可以使得第一电流源113不会产生流经负载RL的漏电流。

在一些实施例中，第一开关单元115包括第一三极管，第一三极管的基极作为第一开关单元115的控制端，第一三极管的集电极作为第一开关单元115的第一端，第一三极管的发射极作为第一开关单元115的第二端，第一三极管导通时处于饱和状态，以使得第一三极管的导通压降小于第一二极管D1的导通压降。应当理解，对于第一电流源113所输出的电流的范围为4~20mA的情形，三极管的饱和导通压降一般在0.1~0.3V，大大小于二极管的导通压降。因此，当第一三极管处于饱和导通状态时，第一电流源113不会产生流经负载RL的漏电流。

值得注意的是，在一些实施例中，第一冗余切换单元111所输出的第一冗余控制信号WORK1与第一冗余控制单元114的控制端直接电连接，可以使得切换速度快。

第一自检单元与第一电流源113的电流输出端电连接，被配置为检测第一电流源113所输出的电流是否符合预定条件，响应于确定第一电流源113所输出的电流符合预定条件生成表征自检正常的自检信号，以及响应于确定第一电流源所输出的电流不符合预定条件生成表征自检故障的自检信号。

例如，第一控制单元116向第一数模转换单元117发送用于控制第一电流源113的输出电流大小的控制信号（该控制信号为数字信号）。第一数模转换单元117将该控制信号转换为模拟信号，以便控制第一电流源113的输出电流的大小。经由第一控制单元116的控制，可以使得第一电流源113的输出电流为处于4~20mA之间的目标值。当第一电流输出模块101处于工作模式时，第一自检单元检测第一电流输出模块101所输出的电流的大小。如果第一电流输出模块101所输出的电流的大小处于关于目标值的合理范围内，则说明第一电流源所输出的电流符合预定条件，第一自检单元输出表征自检正常的自检信号；如果第一电流输出模块101所输出的电流的大小偏离关于目标值的合理范围（例如，第一电流输出模块101所输出的电流的大小小于目标值的50%），则说明第一电流源所输出的电流不符合预定条件，第一自检单元输出表征自检故障的自检信号。第一自检单元例如还与第一控制单元116电连接，以便将自检信号传输至第一控制单元116，第一控制单元116可以将自检信号存储。第一控制单元116例如可以由MCU（微处理单元）、CPU（中央处理单元）、FPGA（现场可编程门阵列）等实现。

当第一电流输出模块101处于工作模式时，第一自检单元生成关于当前工作状态的第一自检信号，第一控制单元116将该第一自检信号存储。第一自检单元例如按照预定频率周期性地针对第一电流输出模块101进行自检，或者响应于第一控制单元的自检指令，针对第一电流输出模块101进行自检。当第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，则表明第一电流输出模块101涉及相关自检故障，于是，冗余切换模块103进行冗余切换操作，使得第二电流输出模块102切换为工作模式，使得第一电流输出模块101切换为备用模式。

第一电流输出模块101处于备用模式时，第一自检单元依然检测第一电流输出模块101所输出的电流的大小，以便确定第一电流输出模块101所输出的电流的大小是否符合预定条件，以及生成对应的自检信号。关于第一电流输出模块101的自检信号，例如可以向第二冗余切换单元121输出（参见表征第二冗余切换单元121的输入信号的指示箭头）。类似地，关于第二电流输出模块102的自检信号，例如可以向第一冗余切换单元111输出（参见表征第一冗余切换单元111的输入信号的指示箭头）。

关于第一冗余切换单元111，其例如可以基于组合逻辑电路实现，也可以基于时序逻辑电路实现。第一冗余切换单元111所接收的输入信号，例如可以包括复位信号、来自第一控制单元116的切换控制信号、来自第一自检单元的第一自检信号、来自第二电流输出模块102的自检信号、来自第二电流输出模块102的第二冗余控制信号WORK2。第一冗余切换单元111根据上述输入信号，生成第一冗余控制信号WORK1。

第二电流输出模块102还包括第二电源选择单元122、第二电流源123。在一些实施例中，第二电流输出模块102还包括第二冗余控制单元124、第二自检单元（图中未示出）、第二控制单元126、第二数模转换单元127。

第二电源选择单元122与第二电流源123电连接，第二电源选择单元122被配置为响应于表征让权的第二冗余控制信号向第二电流源123输出第一电压（例如VCC_LOW2），以及响应于表征不让权的第二冗余控制信号向第二电流源123输出第二电压（VCC_HIGH2），其中，第一电压小于第二电压。第二电流源123的电流输出端与负载RL电连接。

第二冗余控制单元124与第二电流源123的输出端以及负载RL电连接，第二冗余控制单元124被配置为响应于表征不让权的第二冗余控制信号使得第二电流源123所输出的电流被输出至负载RL。

在一些实施例中，第二冗余控制单元124包括第二电阻R2、第二开关单元125以及第二二极管D2。第二电阻R2的一端被配置为接收第二冗余控制信号WORK2，第二电阻R2的另一端与第二开关单元125的控制端电连接。第二开关单元125的第一端与第二电流源123的电流输出端电连接，第二开关单元125的第二端接地（GND）。第二二极管D2的正极与第二电流源123的电流输出端电连接，第二二极管D2的负极与负载RL电连接。关于第二开关单元125，例如，经由第二开关单元125的控制端的信号的控制，可以使得第二开关单元125的第一端与第二端之间导通，或者使得第二开关单元125的第一端与第二端之间断开。

当第二冗余切换单元121输出的第二冗余控制信号WORK2表征不让权（例如，第二冗余控制信号WORK2为低电平）时，第二开关单元125处于断开状态，第二电流源123输出的电流经由第二二极管D2输出至负载RL。当第二冗余切换单元121输出的第二冗余控制信号WORK2表征让权（例如，第二冗余控制信号WORK2为高电平）时，第二开关单元125处于导通状态，第二电流源123输出的电流经由第二开关单元125形成电流回路。

在一些实施例中，第二开关单元125包括第二MOS管，第二MOS管的栅极作为第二开关单元125的控制端，第二MOS管的漏极作为第二开关单元125的第一端，第二MOS管的源极作为第二开关单元125的第二端，第二MOS管导通时的漏源电压小于第二二极管D2的导通压降。在一些实施例中，第二MOS管导通时的漏源电压小于第二二极管的导通压降的1/2。当第二冗余切换单元121输出的第二冗余控制信号WORK2表征让权时，第二MOS管导通，第二电流源123输出的电流经由第二MOS管形成电流回路。由于第二MOS管导通时的漏源电压小于第二二极管的导通压降，可以使得第二电流源123不会产生流经负载RL的漏电流。

在一些实施例中，第二开关单元125包括第二三极管，第二三极管的基极作为第二开关单元125的控制端，第二三极管的集电极作为第二开关单元125的第一端，第二三极管的发射极作为第二开关单元125的第二端，第二三极管导通时处于饱和状态，以使得第二三极管的导通压降小于第二二极管D2的导通压降。应当理解，对于第二电流源123所输出的电流的范围为4~20mA的情形，三极管的饱和导通压降一般在0.1~0.3V，大大小于二极管的导通压降。因此，当第二三极管处于饱和导通状态时，第二电流源123不会产生流经负载RL的漏电流。

值得注意的是，第二冗余切换单元121所输出的第二冗余控制信号WORK2与第二冗余控制单元124的控制端直接电连接。

第二自检单元与第二电流源123的电流输出端电连接，被配置为检测第二电流源123所输出的电流是否符合预定条件，响应于确定第二电流源123所输出的电流符合预定条件生成表征自检正常的自检信号，以及响应于确定第二电流源123所输出的电流不符合预定条件生成表征自检故障的自检信号。

例如，第二控制单元126向第二数模转换单元127发送用于控制第二电流源123的输出电流大小的控制信号（该控制信号为数字信号）。第二数模转换单元127将该控制信号转换为模拟信号，以便控制第二电流源123的输出电流的大小。经由第二控制单元126的控制，可以使得第二电流源123的输出电流为处于4~20mA之间的目标值（例如，目标值为10mA）。当第二电流输出模块102处于工作模式时，第二自检单元检测第二电流输出模块102所输出的电流的大小。如果第二电流输出模块102所输出的电流的大小处于关于目标值的合理范围内，则说明第二电流源所输出的电流符合预定条件，第二自检单元输出表征自检正常的自检信号；如果第二电流输出模块102所输出的电流的大小偏离关于目标值的合理范围（例如，第二电流输出模块102所输出的电流的大小小于目标值的50%），则说明第二电流源所输出的电流不符合预定条件，第二自检单元输出表征自检故障的自检信号。第二自检单元例如还与第二控制单元126电连接，以便将自检信号传输至第二控制单元126，第二控制单元126可以将自检信号存储。

当第二电流输出模块102处于工作模式时，第二自检单元生成关于处于工作模式的第二电流输出模块102自检信号，第二控制单元126将该自检信号存储。

关于第二冗余切换单元121，其例如可以基于组合逻辑电路实现，也可以基于时序逻辑电路实现。第二冗余切换单元121所接收的输入信号，例如可以包括复位信号、来自第二控制单元126的切换控制信号、来自第二自检单元的自检信号、来自第一电流输出模块101的自检信号、来自第一电流输出模块101的第一冗余控制信号WORK1。第二冗余切换单元121根据上述输入信号，生成第二冗余控制信号WORK2。

例如，复位信号可以具有最高的优先级，即，当复位信号由无效状态转换为有效状态，冗余切换模块使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态切换。有效状态的复位信号，是指复位信号处于能够产生复位效果的状态（例如低电平状态）。相应地，无效状态的复位信号，是指复位信号处于不能产生复位效果的状态（例如高电平状态）。复位信号，可以由控制单元生成，也可以由外部复位电路生成。在一些实施例中，当发生系统故障时，复位信号被置为有效状态。每当复位信号由无效状态转换为有效状态，冗余切换模块则执行一次切换操作，使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态彼此切换。

在模拟量电流输出系统100工作过程中，如果第一控制单元116的生成切换指令，则第一冗余切换单元111根据切换指令生成表征让权的第一冗余控制信号WORK1，第一电流输出模块101进入备用模式。响应于来自第一冗余切换单元111的表征让权的第一冗余控制信号WORK1，第二冗余切换单元121生成表征不让权的第二冗余控制信号WORK2。根据表征不让权的第二冗余控制信号WORK2，第二电流输出模块102进入工作模式。第一控制单元116的生成切换指令，可以视为第一控制单元116控制第一电流输出模块101“主动让权”，由工作模式进入备用模式。

例如，第一电流输出模块101处于工作模式，第二电流输出模块102处于备用模式。处于工作模式的第一电流输出模块101的第一自检信号的初始状态例如为表征自检正常的状态。当负载RL变大，使得处于工作模式的第一电流输出模块101的驱动能力不足，第一电流源113所输出的电流与设定的目标值之间将产生偏差，当偏差大于预定阈值时，第一自检单元所检测到的第一电流源113所输出的电流的大小不符合预定条件，则第一自检单元生成表征自检故障的第一自检信号。处于工作模式的第一电流输出模块101的第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，于是，第一冗余切换单元111生成表征让权的第一冗余控制信号WORK1。响应于表征让权的第一冗余控制信号WORK1，第二冗余切换单元121生成表征不让权的第二冗余控制信号WORK2。响应于表征让权的第一冗余控制信号WORK1（例如高电平的第一冗余控制信号WORK1），第一开关单元115处于导通状态，第一电流源113经由第一开关单元115形成电流回路，第一电流输出模块101进入备用模式。响应于表征不让权的第二冗余控制信号WORK2（例如低电平的第二冗余控制信号WORK2），第二开关单元125处于断开状态，第二电流源123经由第二二极管D2向负载RL输出电流，第二电流输出模块102进入工作模式。

在第二电流输出模块102进入工作模式（以及第一电流输出模块101进入备用模式）后，第二电流输出模块102的第二自检单元继续针对第二电流源123进行电流自检。由于受到负载RL的影响，使得处于工作模式的第二电流输出模块102的驱动能力不足，第二电流源123所输出的电流与设定的目标值之间将产生偏差，当偏差大于预定阈值时，第二自检单元所检测到的第二电流源123所输出的电流的大小不符合预定条件，则第二自检单元生成表征自检故障的自检信号。第一控制单元116存储该自检信号。

此时，第二冗余切换单元121根据表征自检故障的自检信号生成表征不让权的冗余控制信号，以便维持第一电流输出模块和第二电流输出模块的工作状态。也即，如果第一电流输出模块101以及第二电流输出模块102中的任何一个由备用模式切换为工作模式后的第一次自检所产生的自检信号为表征自检故障的自检信号，则冗余切换模块维持第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态，不进行切换。

响应于第二电流输出模块102（即当前处于工作模式的电流输出模块）所输出的表征不让权的冗余控制信号，第一电流输出模块101（即当前处于备用模式的电流输出模块）维持其生成的冗余控制信号为表征让权的状态。因此，第二电流输出模块102维持在工作模式，第一电流输出模块101维持在备用模式。

应当理解，当负载很大，使得电流源的驱动电流很小时，接近于负载断线，负载断线有可能是该通道实际未使用或者负载确实线缆损坏。如果模块检测有通道从未断线到断线状态变化时，进行冗余切换，如果一直断线将不进行切换。如果是外部线缆故障导致的突然断线，则切换过后，新工作模块将一直检测到断线，说明是外部故障，不符合冗余切换的条件，因此不会来回切换。如果是模块内部故障导致的断线冗余切换后，新工作模块将正常工作。模拟量电流输出系统100的冗余切换机制有效避免了断线不切或者通道未使用时来回切换问题。因此，如果并非电流输出模块自身故障，而是因为外部原因（例如负载RL增大等原因）导致电流输出模块发生自检故障时，模拟量电流输出系统100可以避免两个电流输出模块无畏地来回切换，保证系统稳定性。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

以上仅为本公开的可选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟量电流输出系统，其特征在于，包括：

第一电流输出模块，所述第一电流输出模块的当前工作状态被配置为工作模式并且向负载输出电流，第一电流输出模块还生成关于当前工作状态的第一自检信号；以及

第二电流输出模块，所述第二电流输出模块的当前工作状态处于备用模式；以及

冗余切换模块，被配置为响应于所述第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态，将所述第二电流输出模块切换为工作模式，将所述第一电流输出模块切换为备用模式，以及响应于所述第二电流输出模块被切换为工作模式后的预定时间内的自检信号表征自检故障而维持第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态；

第一电流输出模块还包括：

第一电源选择单元，与第一电流源电连接，第一电源选择单元被配置为响应于表征让权的第一冗余控制信号向第一电流源输出第一电压，以及响应于表征不让权的第一冗余控制信号向第一电流源输出第二电压，第一电压小于第二电压；以及

第一电流源，第一电流源的电流输出端与负载电连接。

2.根据权利要求1所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，冗余切换单元被配置为使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块互斥地处于工作模式以及备用模式中的一个工作状态。

3.根据权利要求2所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，冗余切换模块包括：

第一冗余切换单元，被配置为第一自检信号由表征自检正常的状态转换为表征自检故障的状态时，生成表征让权的第一冗余控制信号，以便切换第一电流输出模块和第二电流输出模块的工作状态。

4.根据权利要求1所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一电流输出模块还包括：

第一冗余控制单元，与第一电流源的输出端以及负载电连接，被配置为响应于表征不让权的第一冗余控制信号使得第一电流源所输出的电流被输出至负载。

5.根据权利要求4所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一冗余控制单元包括：

第一电阻，第一电阻的一端被配置为接收第一冗余控制信号，第一电阻的另一端与第一开关单元的控制端电连接；

第一开关单元，第一开关单元的第一端与第一电流源的电流输出端电连接，第一开关单元的第二端接地；以及

第一二极管，第一二极管的正极与第一电流源的电流输出端电连接，第一二极管的负极与负载电连接。

6.根据权利要求5所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一开关单元包括第一MOS管，第一MOS管的栅极作为第一开关单元的控制端，第一MOS管的漏极作为第一开关单元的第一端，第一MOS管的源极作为第一开关单元的第二端，第一MOS管导通时的漏源电压小于第一二极管的导通压降。

7.根据权利要求5所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一开关单元包括第一三极管，第一三极管的基极作为第一开关单元的控制端，第一三极管的集电极作为第一开关单元的第一端，第一三极管的发射极作为第一开关单元的第二端，第一三极管导通时处于饱和状态，以使得第一三极管的导通压降小于第一二极管的导通压降。

8.根据权利要求1所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一电流输出模块还包括：

第一自检单元，与第一电流源的电流输出端电连接，被配置为检测第一电流源所输出的电流是否符合预定条件，响应于确定第一电流源所输出的电流符合预定条件生成表征自检正常的自检信号，以及响应于确定第一电流源所输出的电流不符合预定条件生成表征自检故障的自检信号。

9.根据权利要求8所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，第一电流输出模块还包括：

第一控制单元，被配置为生成切换指令；

第一冗余切换单元还被配置为根据切换指令生成表征让权的第一冗余控制信号。

10.根据权利要求8所述的模拟量电流输出系统，其特征在于，冗余切换模块还被配置为响应于复位信号由无效状态转换为有效状态而使得第一电流输出模块以及第二电流输出模块的工作状态切换。