单口多电平输入输出电路及方法

摘要

本申请公开了一种单口多电平输入输出电路及方法。电路包括单口多电平输入电路和单口多电平输出电路，所述单口多电平输入电路进一步包括：输入开关电路（10）、光耦转换电路（11）、差分输入电路（12）、输入并联电路（13）和MCU控制电路（14）；所述单口多电平输出电路进一步包括：MCU控制电路（14）、输出并联电路（15）、电压选择电路（16）、逻辑输出电路（17）、差分输出电路（18）和输出开关电路（19）。本发明单口多电平输入输出电路及方法可以实现多种逻辑电平共用一个接口，可以通过人为控制或者MCU控制通道的切换，输入和输出信号种类覆盖了工业控制系统中的差分信号和逻辑电平，减少了设备接口数量，拓展了系统的应用场合。

权利要求

1.一种单口多电平输入输出电路，包括单口多电平输入电路和单口多电平输出电路，其特征在于，

所述单口多电平输入电路进一步包括：输入开关电路（10）、光耦转换电路（11）、差分输入电路（12）、输入并联电路（13）和MCU控制电路（14）；

所述单口多电平输出电路进一步包括：MCU控制电路（14）、输出并联电路（15）、电压选择电路（16）、逻辑输出电路（17）、差分输出电路（18）和输出开关电路（19）；

所述输入开关电路（10），用于接收单口输入信号，并根据所述MCU控制电路（14）输出的控制信号一的状态，输出信号给所述光耦转换电路（11）或者所述差分输入电路（12）；

所述MCU控制电路（14），用于将所述输入并联电路（13）的输出信号经过处理和运算后传输给所述输出并联电路（15）；所述MCU控制电路（14），进一步用于，根据需要产生信号并传输给所述输入开关电路（10）、所述电压选择电路（16）和所述输出开关电路（19）；

所述输出开关电路（19），用于接收所述MCU控制电路（14）的控制信号三，然后将来自所述逻辑输出电路（17）的逻辑电平信号或所述差分输出电路（18）的差分信号进行选择后输出单口输出信号。

2.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述光耦转换电路（11），用于将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路（13）；

所述差分输入电路（12），用于将差分信号转换成TTL信号传输给所述输入并联电路（13）；

所述输入并联电路（13），用于将所述光耦转换电路（11）和所述差分输入电路（12）的输出TTL信号进行并联后传输给所述MCU控制电路（14）。

3.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述输出并联电路（15），用于将TTL信号同时传输给所述逻辑输出电路（17）和所述差分输出电路（18）；

所述电压选择电路（16），用于接收来自所述MCU控制电路（14）的控制信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给所述逻辑输出电路（17）；

所述逻辑输出电路（17），用于接收所述输出并联电路（15）的TTL信号和所述电压选择电路（16）的电压信号，并将其转换成逻辑电平信号传输给所述输出开关电路（19）；

所述差分输出电路（18），用于接收所述输出并联电路（15）的TTL信号，并将其转换成差分信号传输给所述输出开关电路（19）。

4.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，根据单口输入信号的类型，由所述MCU控制电路（14）确定数据传输给所述光耦转换电路（11）或者所述差分输入电路（12）：

若输入信号为逻辑电平信号，则所述输入开关电路（10）将信号传输给所述光耦转换电路（11）；

若输入信号为差分信号，则所述输入开关电路（10）将信号传输给差分输入电路（12）。

5.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述光耦转换电路（11）的输入电路连接所述输入开关电路（10）的一个输出通道，所述光耦转换电路（11）的输出电路连接所述输入并联电路（13）的一个输入通道；所述光耦转换电路（11）进一步包括：光电耦合器件和阻抗器件；所述光电耦合器件的输入部分电路和输出部分电路设置成隔离状态。

6.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述差分输入电路（12）进一步包括：差分信号接收器件。

7.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述电压选择电路（16），采用双通道多选一模拟开关芯片构成电路；所述电压选择电路（16），在所述MCU控制电路（14）输出的控制信号二控制下，双通道的开关同时导通并接通到某一电平的电压信号，然后将此电压信号输出给所述逻辑输出电路（17）。

8.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述逻辑输出电路（17），用于实现不同电压的逻辑电平信号的输出；其输出逻辑电平信号的最高幅值由所述电压选择电路（16）的电压信号决定；其输出逻辑电平信号的频率和脉宽由所述输出并联电路（15）的TTL信号决定。

9.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述差分输出电路（18）进一步包括：差分信号发送器件。

10.根据权利要求1所述单口多电平输入输出电路，其特征在于，所述输出开关电路（19），由所述MCU控制电路（14）的控制信号三确定选择逻辑输出电路（17）或者差分输出电路（18）进行数据输出；

若所述控制信号三为逻辑电平信号，则选择所述逻辑输出电路（17）进行输出；

若所述控制信号三为差分信号，则选择所述差分输出电路（18）进行输出。

11.一种单口多电平输入输出电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤11：输入开关电路（10）接收单口输入信号和选择开关一（21）的开关信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路（11）或者差分输入电路（12）；

步骤12：光耦转换电路（11）将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路（13）；

差分输入电路（12）将差分信号转换成TTL信号传输给输入并联电路（13）；输入并联电路（13）将光耦转换电路（11）和差分输入电路（12）的输出TTL信号进行并联后传输给MCU控制电路（14）；

步骤13：MCU控制电路（14）将输入并联电路（13）的输出信号经过处理和运算后传输给输出并联电路（15），同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制选择开关一（21）、选择开关二（22）、选择开关三（23）；

步骤14：输出并联电路（15）将TTL信号同时传输给逻辑输出电路（17）和差分输出电路（18）；

步骤15：电压选择电路（16）接收来自选择开关二（22）的开关信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给逻辑输出电路（17）；逻辑输出电路（17）接收输出并联电路（15）的TTL信号和电压选择电路（16）的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路（19）；差分输出电路（18）接收输出并联电路（15）的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路（19）；

步骤16：输出开关电路（19）接收选择开关三（23）的开关信号三，然后将来自逻辑输出电路（17）的逻辑电平信号或差分输出电路（18）的差分信号进行选择后输出单口输出信号；

步骤17：选择开关一（21）根据MCU控制电路（14）的控制信号一输出开关信号一，选择开关二（22）根据MCU控制电路（14）的控制信号二输出开关信号二，选择开关三（23）根据MCU控制电路14的控制信号三输出开关信号三。

12.根据权利要求11所述单口多电平输入输出电路的控制方法，其特征在于，所述步骤

11中，输入开关电路（10）根据单口输入信号的类型，由选择开关一（21）确定数据传输给光耦转换电路（11）或者差分输入电路（12），如果输入信号是逻辑电平信号则传输给光耦转换电路（11），如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路（12）。

13.根据权利要求11所述单口多电平输入输出电路的控制方法，其特征在于，所述步骤

16中，输出开关电路（19）根据单口输出信号的类型，由选择开关三（23）的开关信号三确定选择逻辑输出电路（17）或者差分输出电路（18）进行数据输出，如果输出信号是逻辑电平信号则选择逻辑输出电路（17）进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分输出电路（18）进行输出。

14.根据权利要求11所述单口多电平输入输出电路的控制方法，其特征在于，所述步骤

17中，

选择开关一（21）的输入端连接MCU控制电路（14），用于接收控制信号一，输出端连接到输入开关电路（10），用于输出开关信号一；

选择开关二（22）的输入端连接MCU控制电路（14），用于接收控制信号二，输出端连接到电压选择电路（16），用于输出开关信号二；

选择开关三（23）的输入端连接MCU控制电路（14），用于接收控制信号三，输出端连接到输出开关电路（19），用于输出开关信号三。

说明书

单口多电平输入输出电路及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多电平电路技术领域，特别涉及一种单口多电平输入电路和/或 输出电路及其控制方法。

背景技术

[0002] 目前，在工业控制系统中，工业控制设备的种类繁多，不同种类的设备的接口控制信号往往不同，而相同种类的设备也因为没有形成统一的标准而接口信号差异较大。在工
业设备应用中，输入或者输出的控制信号形式一般有RS422差分信号、5V的TTL逻辑信号、
3.3V逻辑电平、12V逻辑信号、OC门（集电极开路门）、光耦隔离等，对于不同的电平的信号往
往需要采用与之对应的接口电路，不然会导致无法有效地发送或者接收信号。

[0003] 例如在工业机器视觉缺陷检测系统中，包含的硬件设备包括：相机、光源控制器、编码器、PLC（可编程逻辑）控制器。其中相机包含面阵相机和线阵相机，面阵相机多数采用
的外部触发信号为5V的TTL逻辑电平，而线阵相机输入控制信号多数采用的是RS422差分信
号；光源控制器因目前没有统一的标准，其输入信号包括采用TTL逻辑电平、RS422差分信号
或者光耦开路信号，输出端信号包括采用TTL逻辑电平、RS422差分输出等；编码器感应运动
系统速度后输出的信号一般为RS422差分信号；PLC输出的信号一般为OC门，即一般采用集
电极开路的方式。

[0004] 如图3所示，为现有技术中实现电平信号转换的方法框图。图3中给出了现有技术中实现电平信号转换的方法：为了实现逻辑电平或者差分信号输入，和/或为了实现逻辑电
平或差分信号输出，所采用的信号转换电路的四种形式，包括四种电路：逻辑电平输入‑逻
辑电平输出电路、差分信号输入‑逻辑电平输出电路、逻辑电平输入‑差分信号输出电路、差
分信号输入‑差分信号输出电路。一般来说，信号接口只支持单种类型信号输入或输出，所
以在工控系统中，输入为逻辑电平时，输出为差分信号或者逻辑电平则需要两种不同的输
出电路，输入为差分信号时，输出为差分信号或者逻辑电平也需要两种不同的输出电路，这
时需要定义四种不同接口的产品形态，这无疑增加了成本和产品的种类，给用户选型和使
用造成了困难。

[0005] 现有技术中的这些设计，在同一个控制系统中，因为各种设备的信号电平不一致，往往需要采用多个信号接口，或者更换不同接口的设备，这样使设备或者系统的应用和设
计变得更加复杂。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种多电平输入输出电路及其控制方法。在信号输入端对输入不同种类的信号进行开关切换，分别切换达到对应的信号处理电
路，然后进行并联输入MCU控制系统；在信号输出端MCU控制系统将信号输出给不同类型的
处理电路，然后进行输出开关切换选择不同的信号类型进行输出；本发明解决了工业控制
系统中多种类型电平的控制信号可以通过相同的接口输入或者输出的问题。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种单口多电平输入输出电路，包括单口多电平输入电路和单口多电平输出电路，

[0008] 所述单口多电平输入电路进一步包括：输入开关电路10、光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13和MCU控制电路14；

[0009] 所述单口多电平输出电路进一步包括：MCU控制电路14、输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、差分输出电路18和输出开关电路19；

[0010] 所述输入开关电路10，用于接收单口输入信号，并根据所述MCU控制电路14输出的控制信号一，传输输出信号给所述光耦转换电路11或者所述差分输入电路12；

[0011] 所述MCU控制电路14，用于将所述输入并联电路13的输出信号经过处理和运算后传输给所述输出并联电路15；所述MCU控制电路14，进一步用于，根据需要产生信号并传输
给所述控制输入开关电路10、所述电压选择电路16和所述输出开关电路19；

[0012] 所述输出开关电路19，用于接收所述MCU控制电路14的控制信号三，然后将来自所述逻辑输出电路17的逻辑电平信号或所述差分输出电路18的差分信号进行选择后输出单
口输出信号。

[0013] 优选地，所述光耦转换电路11，用于将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；

[0014] 优选地，所述差分输入电路12，用于将差分信号转换成TTL信号传输给所述输入并联电路13；

[0015] 优选地，所述输入并联电路13，用于将所述光耦转换电路11和所述差分输入电路12的输出TTL信号进行并联后传输给所述MCU控制电路14。

[0016] 优选地，所述输出并联电路15，用于将TTL信号同时传输给所述逻辑输出电路17和所述差分输出电路18；

[0017] 优选地，所述电压选择电路16，用于接收来自所述MCU控制电路14的控制信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给所述逻辑输出电路17；

[0018] 优选地，所述逻辑输出电路17，用于接收所述输出并联电路15的TTL信号和所述电压转换电路16的电压信号，并将其转换成逻辑电平信号传输给所述输出开关电路19；

[0019] 优选地，所述差分输出电路18，用于接收所述输出并联电路15的TTL信号，并将其转换成差分信号传输给所述输出开关电路19。

[0020] 优选地，根据单口输入信号的类型，由所述MCU控制电路14确定数据传输给所述光耦转换电路11或者所述差分输入电路12：

[0021] 若输入信号为逻辑电平信号，则所述输入开关电路10将信号传输给所述光耦转换电路11；

[0022] 若输入信号为差分信号，则所述输入开关电路10将信号传输给差分输入电路12。

[0023] 优选地，所述光耦转换电路11的输入电路连接所述输入开关电路10的一个输出通道，所述光耦转换电路11的输出电路连接所述输入并联电路13的一个输入通道；所述光耦
转换电路11进一步包括：光电耦合器件和阻抗器件；所述光电耦合器件的输入部分电路和
输出部分电路设置成隔离状态。

[0024] 优选地，所述差分输入电路12进一步包括：差分信号接收器件。

[0025] 优选地，所述电压选择电路16，采用双通道多选一模拟开关芯片构成电路；所述电压选择电路16，在所述MCU控制电路14输出的控制信号二控制下，双通道的开关同时导通并
接通到某一电平的电压信号，然后将此电压信号输出给所述逻辑输出电路17。

[0026] 优选地，所述逻辑输出电路17，用于实现不同电压的逻辑电平信号的输出；其输出逻辑电平信号的最高幅值由所述电压选择电路16的电压信号决定；其输出逻辑电平信号的
频率和脉宽由所述输出并联电路15的TTL信号决定。

[0027] 优选地，所述差分输出电路18进一步包括：差分信号发送器件。

[0028] 优选地，所述输出开关电路19，由所述MCU控制电路14的控制信号三确定选择逻辑输出电路11或者差分输出电路18进行数据输出；

[0029] 若所述控制信号三为逻辑电平信号，则选择所述逻辑输出电路17进行输出；

[0030] 若所述控制信号三为差分信号，则选择所述差分输出电路18进行输出。

[0031] 为解决上述技术问题，本发明又提供了一种单口多电平输入输出电路的控制方法，包括以下步骤：

[0032] 步骤11：输入开关电路10接收单口输入信号和选择开关一21的开关信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；

[0033] 步骤12：光耦转换电路11将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；输入并联电路13将光
耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联后传输给MCU控制电路14；

[0034] 步骤13：MCU控制电路14将输入并联电路13的输出信号经过处理和运算后传输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制选择开关一21、选择开关二
22、选择开关三23；

[0035] 步骤14：输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电路17和差分输出电路18；

[0036] 步骤15：电压选择电路16接收来自选择开关二22的开关信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL信号和
电压转换电路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输出电路
18接收输出并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；

[0037] 步骤16：输出开关电路19接收选择开关三23的开关信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号或差分输出电路18的差分信号进行选择后输出单口输出信号；

[0038] 步骤17：选择开关一21根据MCU控制电路14的控制信号一输出开关信号一，选择开关二22根据MCU控制电路14的控制信号二输出开关信号二，选择开关三23根据MCU控制电路
14的控制信号三输出开关信号三。

[0039] 优选地，所述步骤11中，输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由选择开关一21确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则
传输给光耦转换电路11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12。

[0040] 优选地，所述步骤16中，输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由选择开关三23的开关信号三确定选择逻辑输出电路17或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信
号是逻辑电平信号则选择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分
输出电路18进行输出。

[0041] 优选地，所述步骤17中，

[0042] 选择开关一21的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号一，输出端连接到输入开关电路10，用于输出开关信号一；

[0043] 选择开关二22的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号二，输出端连接到电压选择电路16，用于输出开关信号二；

[0044] 选择开关三23的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号三，输出端连接到输出开关电路19，用于输出开关信号三。

[0045] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单口多电平输入电路，包括：输入开关电路10、光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13和MCU控制电路14；所述输入开
关电路10，用于接收单口输入信号，并根据所述MCU控制电路14输出的控制信号一，传输输
出信号给所述光耦转换电路11或者所述差分输入电路12。

[0046] 优选地，所述光耦转换电路11，用于将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；

[0047] 优选地，所述差分输入电路12，用于将差分信号转换成TTL信号传输给所述输入并联电路13；

[0048] 优选地，所述输入并联电路13，用于将所述光耦转换电路11和所述差分输入电路12的输出TTL信号进行并联后传输给所述MCU控制电路14。

[0049] 优选地，根据单口输入信号的类型，由所述MCU控制电路14确定数据传输给所述光耦转换电路11或者所述差分输入电路12：

[0050] 若输入信号为逻辑电平信号，则所述输入开关电路10将信号传输给所述光耦转换电路11；

[0051] 若输入信号为差分信号，则所述输入开关电路10将信号传输给差分输入电路12。

[0052] 优选地，所述光耦转换电路11的输入电路连接所述输入开关电路10的一个输出通道，所述光耦转换电路11的输出电路连接所述输入并联电路13的一个输入通道；所述光耦
转换电路11进一步包括：光电耦合器件和阻抗器件；所述光电耦合器件的输入部分电路和
输出部分电路设置成隔离状态。

[0053] 优选地，所述差分输入电路12进一步包括：差分信号接收器件。

[0054] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单口多电平输出电路，包括：MCU控制电路14、输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、差分输出电路18和输出开关
电路19；

[0055] 优选地，所述MCU控制电路14，用于将输出信号经过处理和运算后传输给所述输出并联电路15；所述MCU控制电路14，进一步用于，根据需要产生信号并传输给所述电压选择
电路16和所述输出开关电路19；

[0056] 优选地，所述输出开关电路19，用于接收所述MCU控制电路14的控制信号三，然后将来自所述逻辑输出电路17的逻辑电平信号或所述差分输出电路18的差分信号进行选择
后输出单口输出信号。

[0057] 优选地，所述输出并联电路15，用于将TTL信号同时传输给所述逻辑输出电路17和所述差分输出电路18；

[0058] 优选地，所述电压选择电路16，用于接收来自所述MCU控制电路14的控制信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给所述逻辑输出电路17；

[0059] 优选地，所述逻辑输出电路17，用于接收所述输出并联电路15的TTL信号和所述电压转换电路16的电压信号，并将其转换成逻辑电平信号传输给所述输出开关电路19；

[0060] 优选地，所述差分输出电路18，用于接收所述输出并联电路15的TTL信号，并将其转换成差分信号传输给所述输出开关电路19。

[0061] 优选地，所述电压选择电路16，采用双通道多选一模拟开关芯片构成电路；所述电压选择电路16，在所述MCU控制电路14输出的控制信号二控制下，双通道的开关同时导通并
接通到某一电平的电压信号，然后将此电压信号输出给所述逻辑输出电路17。

[0062] 优选地，所述逻辑输出电路17，用于实现不同电压的逻辑电平信号的输出；其输出逻辑电平信号的最高幅值由所述电压选择电路16的电压信号决定；其输出逻辑电平信号的
频率和脉宽由所述输出并联电路15的TTL信号决定。

[0063] 优选地，所述差分输出电路18进一步包括：差分信号发送器件。

[0064] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种单口多电平输入电路的控制方法，包括以下步骤：

[0065] 步骤21：输入开关电路10接收单口输入信号和选择开关一21的开关信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；

[0066] 步骤22：光耦转换电路11将逻辑电平信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给输入并联电路13；输入并联电路13将光
耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联后传输给MCU控制电路14；

[0067] 步骤23：选择开关一21根据MCU控制电路14的控制信号一输出开关信号一。

[0068] 优选地，所述步骤21中，输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由选择开关一21确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则
传输给光耦转换电路11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12。

[0069] 优选地，所述步骤23中，

[0070] 选择开关一21的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号一，输出端连接到输入开关电路10，用于输出开关信号一。

[0071] 为解决上述技术问题，本发明再提供了一种单口多电平输出电路的控制方法，包括以下步骤：

[0072] 步骤31：MCU控制电路14将输出信号经过处理和运算后传输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制选择开关二22、选择开关三23；

[0073] 步骤32：输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电路17和差分输出电路18；

[0074] 步骤33：电压选择电路16接收来自选择开关二22的开关信号二，然后进行电压选择后输出电压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL信号和
电压转换电路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输出电路
18接收输出并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；

[0075] 步骤34：输出开关电路19接收选择开关三23的开关信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号或差分输出电路18的差分信号进行选择后输出单口输出信号；

[0076] 步骤35：选择开关二22根据MCU控制电路14的控制信号二输出开关信号二，选择开关三23根据MCU控制电路14的控制信号三输出开关信号三。

[0077] 优选地，所述步骤34中，输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由选择开关三23的开关信号三确定选择逻辑输出电路17或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信
号是逻辑电平信号则选择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分
输出电路18进行输出。

[0078] 优选地，所述步骤35中，

[0079] 选择开关二22的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号二，输出端连接到电压选择电路16，用于输出开关信号二；

[0080] 选择开关三23的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号三，输出端连接到输出开关电路19，用于输出开关信号三。

[0081] 本发明有益效果包括：多电平输入信号可以从一个接口输入和/或从一个接口输出，可以实现多种逻辑电平共用一个接口，可以通过人为控制或者MCU控制通道的切换，输
入和输出信号种类覆盖了工业控制系统中的差分信号和逻辑电平，减少了设备接口数量，
拓展了系统的应用场合。

附图说明

[0082] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需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一部
分实施例或现有技术，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可
以根据这些附图获得其它的类似或相关附图。

[0083] 图1为本发明实施例所述单口多电平输入输出电路的一种实现方案框图。

[0084] 图2为本发明实施例所述单口多电平输入输出电路的另一种实现方案框图。

[0085] 图3为现有技术中实现电平信号转换的方法框图。

[0086] 图4为本发明实施例所述输入开关电路10和选择开关一21的具体电路示例图。

[0087] 图5为本发明实施例所述光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13的具体电路示例图。

[0088] 图6为本发明实施例所述MCU控制电路14的具体电路示例图。

[0089] 图7为本发明实施例所述输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、差分输出电路18、选择开关二22的具体电路示例图。

[0090] 图8为本发明实施例所述输出开关电路19、选择开关三23的具体电路示例图。

具体实施方式

[0091] 下面结合实施例详述本发明。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明，但本发明并不局限于这些实施例。

[0092] 本发明提出了一种单口多电平输入电路和/或输出电路，其电路组成包括单口多电平输入电路和/或单口多电平输出电路，其中，单口多电平输入电路组成包括：输入开关
电路10、光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、MCU控制电路14；单口多电平
输出电路组成包括：MCU控制电路14、输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、
差分输出电路18、输出开关电路19。

[0093] 所述的输入开关电路10接收单口输入信号，根据MCU控制电路14的控制信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；光耦转换电路11将逻辑电平信号
转换成TTL信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给
输入并联电路13；输入并联电路13将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进
行并联后传输给MCU控制电路14；MCU控制电路14将输入并联电路13的输出信号经过处理和
运算后传输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制输入开关电路
10、电压选择电路16、输出开关电路19；输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电
路17和差分输出电路18；电压选择电路16接收来自MCU控制电路14的控制信号二，然后进行
电压选择后输出电压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL
信号和电压转换电路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输
出电路18接收输出并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；输出开
关电路19接收MCU控制电路14的控制信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号
或差分输出电路18的差分信号进行选择后传输给单口输出信号。

[0094] 所述的输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由MCU控制电路14确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则传输给光耦转
换电路11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12；逻辑电平信号是指输入信
号的负端接信号地或者低电平，正端为正极或者高电平， 正端为高电平是指数字电路中对
信号判断为高的电平，其电平的电压可以为3.3V、5V、12V、24V或者其它类型电压；差分信号
在这里是指振幅相同，相位相反的信号。

[0095] 上述的输入开关电路10的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的单输入多输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0096] 所述的输入开关电路10进一步的实现方案，还包括：电路的输入端为单输入信号，输出端可以切换成多个不同的通道输出，输出端的信号除了逻辑电平信号或者差分信号以
外，还包括同类型或者其它类型的信号，此时只需要将不同种类的信号传输给相应的处理
电路，然后在输入并联电路13的输入端进行并联即可实现。

[0097] 所述的光耦转换电路11的输入电路连接输入开关电路10的其中一个输出通道，输出电路连接输入并联电路13的其中一个输入通道；光耦转换电路11主要由光电耦合器件和
若干阻抗器件组成，光电耦合器件的输入部分电路和输出部分电路一般是隔离的；光电耦
合器件的输入电路部分一般是光电二极管，光电二极管通过串联限流电阻、并联滤波电容、
并联防反接二极管构成输入电路部分，光电耦合器件的输出部分电路可以是集电极开路门
（也称为OC门），或者逻辑转换电路，如果是OC门则需要上拉电阻到高电平，如果是逻辑转换
电路则选择下拉电阻到信号地。

[0098] 所述的差分输入电路12主要包括差分信号接收器件，差分信号接收器件一般为RS422接收芯片或者RS485接收芯片，或者采用满足RS422或者RS485接口标准的芯片构成的
电路；差分输入电路12还包括在输入电路或者输出电路中进行阻抗的电阻，或者电压匹配
的电阻；为了使差分输入电路在没有信号到来时输出低电平信号，差分信号接收器件的输
入正端一般接电阻到信号地，差分信号接收器件的输入负端一般接电阻上拉到高电平，差
分信号接收器件的输出端一般接电阻到信号地。

[0099] 所述的输入并联电路13主要包括并联二极管和电压调节电阻网络，并联二极管实现将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联，然后进入电压调节电阻
网络进行电压适配，主要目的是调节电压以满足MCU控制电路14的输入电路的电平要求。

[0100] 所述的MCU控制电路14根据用户需要产生控制信号一控制输入开关电路10，根据用户需要产生控制信号二控制电压选择电路16，根据用户需要产生控制信号三控制输出开
关电路19；也就是说，用户在需要时可以通过MCU控制电路14控制输入开关电路10，将单口
输入信号传输到光耦转换电路11或者差分输入电路12，用户在需要时可以通过MCU控制电
路14控制电压选择电路16，选择不同的输出电压传输给逻辑输出电路17，用户在需要时可
以通过MCU控制电路14控制输出开关电路19，选择逻辑输出电路17的逻辑电平信号或者差
分输出电路18的差分信号进行输出，最终实现了单口输出信号可以输出差分信号或者不同
电压的逻辑电平信号的功能。

[0101] 所述的输出并联电路15将所述MCU控制电路14的输出TTL信号进行电压适配和调节后，分别传输给逻辑输出电路17和差分输出电路18，输出并联电路15可以由电阻网络或
者电平转换芯片构成，实现不同逻辑电压的转换。

[0102] 所述的电压选择电路16主要作用是实现不同的电平的电压信号输出给逻辑输出电路17，其中一种实现方式是采用双通道多选一模拟开关芯片构成的电路，所要实现的多
种不同的电平电压分别接到双通道中对应的开关输入端，然后在所述MCU控制电路14的控
制信号二的电平的控制下，双通道的开关同时导通并接通到某一个电平的电压信号，将此
电压信号进行输出所述逻辑输出电路17。

[0103] 所述的逻辑输出电路17实现不同电压的逻辑电平信号的输出，输出逻辑电平信号的最高幅值由电压选择电路16的电压信号决定，输出逻辑电平信号的频率和脉宽由输出并
联电路15的TTL信号决定；逻辑输出电路17可以采用数字电路中的与门、或门、非门等基本
电路单元，与晶体三极管、或者场效应晶体构成组合电路，实现输入TTL信号和输出不同逻
辑电平信号的功能。

[0104] 所述的差分输出电路18主要由差分信号发送器件组成，差分信号发送器件一般为RS422发送芯片或者RS485发送芯片，或者采用满足RS422或者RS485接口标准的芯片构成的
电路；差分输出电路18还包括在输入电路或者输出电路中进行阻抗匹配的电阻，或者电压
匹配的电阻。

[0105] 所述的输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由MCU控制电路14的控制信号三确定选择逻辑输出电路11或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信号是逻辑电平
信号则选择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分输出电路18进
行输出。

[0106] 上述的输出开关电路19的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的多输入单输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0107] 一种单口多电平输入电路和/或输出电路的另一种实现方案，其电路组成包括单口多电平输入电路和/或单口多电平输出电路，其中，单口多电平输入电路组成除了包括：
输入开关电路10、光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、MCU控制电路14，还
包括选择开关一；单口多电平输出电路组成除了包括：输出并联电路15、电压选择电路16、
逻辑输出电路17、差分输出电路18、输出开关电路19，还包括选择开关二、选择开关三。

[0108] 所述的输入开关电路10接收单口输入信号和选择开关一21的开关信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；光耦转换电路11将逻辑电平信号转换
成TTL信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给输入
并联电路13；输入并联电路13将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并
联后传输给MCU控制电路14；MCU控制电路14将输入并联电路13的输出信号经过处理和运算
后传输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制选择开关一21、选择
开关二22、选择开关三23；输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电路17和差分输
出电路18；电压选择电路16接收来自选择开关二22的开关信号二，然后进行电压选择后输
出电压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL信号和电压转
换电路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输出电路18接收
输出并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；输出开关电路19接收
选择开关三23的开关信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号或差分输出电路
18的差分信号进行选择后传输给单口输出信号；选择开关一21根据MCU控制电路14的控制
信号一输出开关信号一，选择开关二22根据MCU控制电路14的控制信号二输出开关信号二，
选择开关三23根据MCU控制电路14的控制信号三输出开关信号三。

[0109] 上述所述的单口多电平输入电路和/或输出电路中的光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、输出并联电路15、逻辑输出电路17、差分输出电路18与第一种实
现方案的功能一样，这里不再赘述，不同的是输入开关电路10、MCU控制电路14、电压选择电
路16、输出开关电路19、选择开关一21、选择开关二22、选择开关三23，下面分别做进一步说
明。

[0110] 所述的输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由选择开关一21确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则传输给光耦转换
电路11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12；逻辑电平信号是指输入信号
的负端接信号地或者低电平，正端为正极或者高电平，正端为高电平是指数字电路中对信
号判断为高的电平，其电平的电压可以为3.3V、5V、12V、24V或者其它类型电压；差分信号在
这里是指振幅相同，相位相反的信号。

[0111] 上述的输入开关电路10的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的单输入多输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0112] 所述的MCU控制电路14根据用户需要产生控制信号一控制选择开关一21，根据用户需要产生控制信号二控制选择开关二22，根据用户需要产生控制信号三控制选择开关三
23；也就是说，用户在需要时可以人为控制或者通过MCU控制电路14控制选择开关一21，将
单口输入信号传输到光耦转换电路11或者差分输入电路12，用户在需要时可以人为控制或
者通过MCU控制电路14控制选择开关二，选择不同的输出电压传输给逻辑输出电路17，用户
在需要时可以人为控制或者通过MCU控制电路14控制输出开关电路19，选择逻辑输出电路
17的逻辑电平信号或者差分输出电路18的差分信号进行输出，最终实现了单口输出信号可
以输出差分信号或者不同电压的逻辑电平信号的功能。

[0113] 所述的选择开关一21的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号一，输出端连接到输入开关电路10，用于输出开关信号一；选择开关一21可以由拨码开关和匹配电阻
网络组成，此时拨码开关的一端连接输入开关电路10，同时串联电阻后接信号地，另一端通
过电阻上拉到高电平。

[0114] 所述的电压选择电路16主要作用是实现不同的电平的电压信号输出给逻辑输出电路17，其中一种实现方式是采用双通道多选一模拟开关芯片构成的电路，所要实现的多
种不同的电平电压分别接到双通道中对应的开关输入端，然后在所述选择开关二22的开关
信号二的电平的控制下，双通道的开关同时导通并接通到某一个电平的电压信号，将此电
压信号进行输出给所述逻辑输出电路17。

[0115] 所述的输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由选择开关三13的开关信号三确定选择逻辑输出电路11或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信号是逻辑电平信
号则选择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分输出电路18进行
输出。

[0116] 上述的输出开关电路19的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的多输入单输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0117] 作为优选，所述的选择开关二22的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号二，输出端连接到电压选择电路16，用于输出开关信号二；选择开关二22可以由拨码开关和
匹配电阻网络组成，此时拨码开关的一端连接电压选择电路16，同时串联电阻后接信号地，
另一端通过电阻上拉到高电平。

[0118] 作为优选，所述的选择开关三23的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号三，输出端连接到输出开关电路19，用于输出开关信号三；选择开关三23可以由拨码开关和
匹配电阻网络组成，此时拨码开关的一端连接输出开关电路19，同时串联电阻后接信号地，
另一端通过电阻上拉到高电平。

[0119] 为了解决多种电平单口输入或者多电平单口输出的问题，本发明提供了一种单口多电平输入和/或输出电路。在信号输入端对输入不同种类的信号进行开关切换，分别切换
达到对应的信号处理电路，然后进行并联输入MCU控制系统；在信号输出端MCU控制系统将
信号输出给不同类型的处理电路，然后进行输出开关切换选择不同的信号类型进行输出；
本发明解决了工业控制系统中多种类型电平的控制信号可以通过相同的接口输入或者输
出的问题。

[0120] 为了与本发明形成对比，图3给出了现有技术中实现电平信号转换的方法，为了实现逻辑电平或者差分信号输入，和/或为了实现逻辑电平或差分信号输出，所采用的信号转
换电路的四种形式，包括四种电路：逻辑电平输入‑逻辑电平输出电路、差分信号输入‑逻辑
电平输出电路、逻辑电平输入‑差分信号输出电路、差分信号输入‑差分信号输出电路。一般
来说，信号接口只支持单种类型信号输入或输出，所以在工控系统中，输入为逻辑电平时，
输出为差分信号或者逻辑电平则需要两种不同的输出电路，输入为差分信号时，输出为差
分信号或者逻辑电平也需要两种不同的输出电路，这时需要定义四种不同接口的产品形
态，这无疑增加了成本和产品的种类，给用户选型和使用造成了困难。

[0121] 本申请的电路实现方式有三种，包含：1、单口多电平输入电路；2、单口多电平输出电路；3、单口多电平输入电路和输出电路。也就是说，本领域的技术人员根据本申请的内容
可以有三种应用，下面根据附图1‑图8对本申请中的单口多电平输入电路和/或输出电路进
行说明。

[0122] 实施例1：

[0123] 如图1所示，为本发明实施例所述单口多电平输入输出电路的一种实现方案框图。

[0124] 本实施例解决其技术问题所采用的技术方案的组成包括单口多电平输入电路和/或单口多电平输出电路，其中，单口多电平输入电路组成包括：输入开关电路10、光耦转换
电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、MCU控制电路14；单口多电平输出电路组成包
括：MCU控制电路14、输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、差分输出电路18、
输出开关电路19。

[0125] 输入开关电路10接收单口输入信号，根据MCU控制电路14的控制信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；光耦转换电路11将逻辑电平信号转换成
TTL信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给输入并
联电路13；输入并联电路13将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联
后传输给MCU控制电路14；MCU控制电路14将输入并联电路13的输出信号经过处理和运算后
传输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制输入开关电路10、电压
选择电路16、输出开关电路19；输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电路17和差
分输出电路18；电压选择电路16接收来自MCU控制电路14的控制信号二，然后进行电压选择
后输出电压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL信号和电
压转换电路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输出电路18
接收输出并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；输出开关电路19
接收MCU控制电路14的控制信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号或差分输
出电路18的差分信号进行选择后传输给单口输出信号。

[0126] 输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由MCU控制电路14确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则传输给光耦转换电路
11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12；逻辑电平信号是指输入信号的负
端接信号地或者低电平，正端为正极或者高电平，正端为高电平是指数字电路中对信号判
断为高的电平，其电平的电压可以为3.3V、5V、12V、24V或者其它类型电压；差分信号在这里
是指振幅相同，相位相反的信号。

[0127] 输入开关电路10的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用双通道的单
输入多输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压应不小
于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输入信号
中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹配，其
信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0128] 光耦转换电路11的输入电路连接输入开关电路10的其中一个输出通道，输出电路连接输入并联电路13的其中一个输入通道；光耦转换电路11主要由光电耦合器件和若干阻
抗器件组成，光电耦合器件的输入部分电路和输出部分电路一般是隔离的，光电耦合器件
的输入电路部分一般是光电二极管，光电二极管通过串联限流电阻、并联滤波电容、并联防
反接二极管构成输入电路部分，光电耦合器件的输出部分电路可以是集电极开路门（也称
为OC门），或者逻辑转换电路，如果是OC门则需要上拉电阻到高电平，如果是逻辑转换电路
则选择下拉电阻到信号地。

[0129] 所述的差分输入电路12主要包括差分信号接收器件，差分信号接收器件一般为RS422接收芯片或者RS485接收芯片，或者采用满足RS422或者RS485接口标准的芯片构成的
电路；差分输入电路12还包括在输入电路或者输出电路中进行阻抗的电阻，或者电压匹配
的电阻；为了使差分输入电路在没有信号到来时输出低电平信号，差分信号接收器件的输
入正端一般接电阻到信号地，差分信号接收器件的输入负端一般接电阻上拉到高电平，差
分信号接收器件的输出端一般接电阻到信号地。

[0130] 输入并联电路13主要包括并联二极管和电压调节电阻网络，并联二极管实现将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联，然后进入电压调节电阻网络进
行电压适配，主要目的是调节电压以满足MCU控制电路14的输入电路的电平要求。

[0131] MCU控制电路14根据用户需要产生控制信号一控制输入开关电路10，根据用户需要产生控制信号二控制电压选择电路16，根据用户需要产生控制信号三控制输出开关电路
19；也就是说，用户在需要时可以通过MCU控制电路14控制输入开关电路10，将单口输入信
号传输到光耦转换电路11或者差分输入电路12，用户在需要时可以通过MCU控制电路14控
制电压选择电路16，选择不同的输出电压传输给逻辑输出电路17，用户在需要时可以通过
MCU控制电路14控制输出开关电路19，选择逻辑输出电路17的逻辑电平信号或者差分输出
电路18的差分信号进行输出，最终实现了单口输出信号可以输出差分信号或者不同电压的
逻辑电平信号的功能。

[0132] 输出并联电路15将MCU控制电路14的输出TTL信号进行电压适配和调节后，分别传输给逻辑输出电路17和差分输出电路18，输出并联电路15可以由电阻网络或者电平转换芯
片构成，实现不同逻辑电压的转换。

[0133] 电压选择电路16主要作用是实现不同的电平的电压信号输出给逻辑输出电路17，其中一种实现方式是采用双通道多选一模拟开关芯片构成的电路，所要实现的多种不同的
电平电压分别接到双通道中对应的开关输入端，然后在MCU控制电路14的控制信号二的电
平的控制下，双通道的开关同时导通并接通到某一个电平的电压信号，将此电压信号进行
输出逻辑输出电路17。

[0134] 逻辑输出电路17实现不同电压的逻辑电平信号的输出，输出逻辑电平信号的最高幅值由电压选择电路16的电压信号决定，输出逻辑电平信号的频率和脉宽由输出并联电路
15的TTL信号决定；逻辑输出电路17可以采用数字电路中的与门、或门、非门等基本电路单
元，与晶体三极管、或者场效应晶体构成组合电路，实现输入TTL信号和输出不同逻辑电平
信号的功能。

[0135] 差分输出电路18主要由差分信号发送器件组成，差分信号发送器件一般为RS422发送芯片或者RS485发送芯片，或者采用满足RS422或者RS485接口标准的芯片构成的电路；
差分输出电路18还包括在输入电路或者输出电路中进行阻抗匹配的电阻，或者电压匹配的
电阻。

[0136] 输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由MCU控制电路14的控制信号三确定选择逻辑输出电路11或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信号是逻辑电平信号则
选择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分输出电路18进行输
出。

[0137] 上述的输出开关电路19的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的多输入单输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0138] 实施例2：

[0139] 如图2所示，为本发明实施例所述单口多电平输入输出电路的另一种实现方案框图。

[0140] 单口多电平输入电路和/或输出电路的另一种实现方案，其电路组成包括单口多电平输入电路和/或单口多电平输出电路，其中，单口多电平输入电路组成除了包括：输入
开关电路10、光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、MCU控制电路14，还包括
选择开关一21；单口多电平输出电路组成除了包括：输出并联电路15、电压选择电路16、逻
辑输出电路17、差分输出电路18、输出开关电路19，还包括选择开关二22、选择开关三23。

[0141] 输入开关电路10接收单口输入信号和选择开关一21的开关信号一，然后输出信号传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12；光耦转换电路11将逻辑电平信号转换成TTL
信号传输给输入并联电路13；差分输入电路12将差分信号转换成TTL信号传输给输入并联
电路13；输入并联电路13将光耦转换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联后
传输给MCU控制电路14；MCU控制电路14将输入并联电路13的输出信号经过处理和运算后传
输给输出并联电路15，同时MCU控制电路根据需要产生信号去控制选择开关一21、选择开关
二22、选择开关三23；输出并联电路15将TTL信号同时传输给逻辑输出电路17和差分输出电
路18；电压选择电路16接收来自选择开关二22的开关信号二，然后进行电压选择后输出电
压信号给逻辑输出电路17；逻辑输出电路17接收输出并联电路15的TTL信号和电压转换电
路16的电压信号，转换成逻辑电平信号传输给输出开关电路19；差分输出电路18接收输出
并联电路15的TTL信号，转换成差分信号传输给输出开关电路19；输出开关电路19接收选择
开关三23的开关信号三，然后将来自逻辑输出电路17的逻辑电平信号或差分输出电路18的
差分信号进行选择后传输给单口输出信号；选择开关一21根据MCU控制电路14的控制信号
一输出开关信号一，选择开关二22根据MCU控制电路14的控制信号二输出开关信号二，选择
开关三23根据MCU控制电路14的控制信号三输出开关信号三。

[0142] 单口多电平输入电路和/或输出电路中的光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13、输出并联电路15、逻辑输出电路17、差分输出电路18与第一种实现方案的功能
一样，这里不再赘述，不同的是输入开关电路10、MCU控制电路14、电压选择电路16、输出开
关电路19、选择开关一21、选择开关二22、选择开关三23，下面分别做进一步说明。

[0143] 输入开关电路10根据单口输入信号的类型，由选择开关一21确定数据传输给光耦转换电路11或者差分输入电路12，如果输入信号是逻辑电平信号则传输给光耦转换电路
11，如果输入信号是差分信号则传输给差分输入电路12；逻辑电平信号是指输入信号的负
端接信号地或者低电平，正端为正极或者高电平，正端为高电平是指数字电路中对信号判
断为高的电平，其电平的电压可以为3.3V、5V、12V、24V或者其它类型电压；差分信号在这里
是指振幅相同，相位相反的信号。

[0144] 输入开关电路10的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的单输入双输出的模拟开关芯片，或者采用双通道的单
输入多输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压应不小
于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输入信号
中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹配，其
信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0145] MCU控制电路14根据用户需要产生控制信号一控制选择开关一21，根据用户需要产生控制信号二控制选择开关二22，根据用户需要产生控制信号三控制选择开关三23；也
就是说，用户在需要时可以人为控制或者通过MCU控制电路14控制选择开关一21，将单口输
入信号传输到光耦转换电路11或者差分输入电路12，用户在需要时可以人为控制或者通过
MCU控制电路14控制选择开关二，选择不同的输出电压传输给逻辑输出电路17，用户在需要
时可以人为控制或者通过MCU控制电路14控制输出开关电路19，选择逻辑输出电路17的逻
辑电平信号或者差分输出电路18的差分信号进行输出，最终实现了单口输出信号可以输出
差分信号或者不同电压的逻辑电平信号的功能。

[0146] 选择开关一21的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号一，输出端连接到输入开关电路10，用于输出开关信号一；选择开关一21可以由拨码开关和匹配电阻网络组
成，此时拨码开关的一端连接输入开关电路10，同时串联电阻后接信号地，另一端通过电阻
上拉到高电平。

[0147] 电压选择电路16主要作用是实现不同的电平的电压信号输出给逻辑输出电路17，其中一种实现方式是采用双通道多选一模拟开关芯片构成的电路，所要实现的多种不同的
电平电压分别接到双通道中对应的开关输入端，然后在所述选择开关二22的开关信号二的
电平的控制下，双通道的开关同时导通并接通到某一个电平的电压信号，将此电压信号进
行输出给所述逻辑输出电路17。

[0148] 输出开关电路19根据单口输出信号的类型，由选择开关三13的开关信号三确定选择逻辑输出电路11或者差分输出电路18进行数据输出，如果输出信号是逻辑电平信号则选
择逻辑输出电路17进行输出，如果输出信号是差分信号则选择差分输出电路18进行输出。

[0149] 上述的输出开关电路19的一种方案是：电路的主要器件采用双通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用两个单通道的双输入单输出的模拟开关芯片，或者采用双通
道的多输入单输出的模拟开关芯片，此器件支持通道切换的控制，工作时其电源的正电压
应不小于所有输入信号中的最大电压值，工作时其电源的负电压的绝对值应不小于所有输
入信号中的最小电压值的绝对值；为了使输入开关电路10的输入电路或输出电路的阻抗匹
配，其信号回路上一般还配置了若干电阻。

[0150] 作为优选，选择开关二22的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号二，输出端连接到电压选择电路16，用于输出开关信号二；选择开关二22可以由拨码开关和匹配
电阻网络组成，此时拨码开关的一端连接电压选择电路16，同时串联电阻后接信号地，另一
端通过电阻上拉到高电平。

[0151] 作为优选，选择开关三23的输入端连接MCU控制电路14，用于接收控制信号三，输出端连接到输出开关电路19，用于输出开关信号三；选择开关三23可以由拨码开关和匹配
电阻网络组成，此时拨码开关的一端连接输出开关电路19，同时串联电阻后接信号地，另一
端通过电阻上拉到高电平。

[0152] 实施例3：

[0153] 如图4、图5、图6、图7、图8所示，给出了本发明的具体电路实现，实现了两路独立的单口多电平输入电路和输出电路；输入信号支持逻辑电平输入和差分信号输入，逻辑电平
的高电平电压范围支持+3.3V至+24V；输出信号支持逻辑电平和差分信号输出，输出逻辑电
平电压支持+5V和+24V。

[0154] 图4中给出了输入开关电路10和选择开关一21的具体电路示例。图5中给出了光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13的具体电路示例图。图6中给出了MCU控制电
路14的具体电路示例图。图7中给出了输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、
差分输出电路18、选择开关二22的具体电路示例图。图8中给出了输出开关电路19、选择开
关三23的具体电路示例图。

[0155] 图4中，输入开关电路10，其组成包括电阻R5、R9、R6、R9，模拟开关芯片U1和U2；选择开关一21的电路组成包括电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8，以及拨码开关S1和S2，信号SELT‑RE1
和信号SELT‑RE2为MCU控制电路14（如图6所示）的控制信号一；信号OPT_RE1+、OPT_RE1‑、
OPT_RE2+、OPT_RE2‑为输入开关电路10的输出逻辑电平信号，连接到光耦转换电路11（如图
5所示），信号RS422_RE1+、RS422_RE1‑、RS422_RE2+、RS422_RE2‑为输入开关电路10的输出
的差分信号，连接到差分输入电路12（如图5所示）。

[0156] 图4中，J1为第一路单口输入信号IN1，J2为第二路单口输入信号IN2，电阻R5、R9、R6、R10为输入匹配电阻，芯片U1和芯片U2为双通道的单输入双输出的模拟开关芯片，型号
为ADG5436BRUZ，供电电压为24V，U1和U2的管脚1和管脚9的控制信号用于进行通道的切换，
U1和U2的管脚3和管脚11为单口输入信号的两个电极，逻辑电平输入时则为正极和负极，差
分信号输入时则为差分输入正和差分输入负极，U1和U2的管脚2和管脚10为输入开关电路
10的输出逻辑电平信号管脚，U1和U2的管脚4和管脚12为输入开关电路10的差分信号输出
管脚；当U1和U2的管脚1和管脚9为高电平时，单口输入信号从逻辑电平信号接口输出，当U1
和U2的管脚1和管脚9为低电平时，单口输入信号从差分信号接口输出。

[0157] 图5给出了光耦转换电路11、差分输入电路12、输入并联电路13的具体电路示例，光耦转换电路11其组成包括电阻R11、R18、R14、R15，二极管D1、D4，电容C1、C2，光电耦合器
件U3，型号为HCPL2232。由光电耦合器件U3构成两路独立的光耦转换电路，输入电路部分是
光电二极管，光电二极管通过串联限流电阻R11和R18进行限流、并联滤波电容C1和C2、并联
防反接二极管D1和D4构成输入电路部分，光电耦合器件的输出部分电路是逻辑转换电路，
通过电阻R14和R15下拉到信号地。

[0158] 图5中的差分输入电路12的组成包括电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28，差分接收器件U4，U4的型号为MAX3095CSE；U4为RS422差分接收芯片，电阻R19、R20
为下拉电阻将差分输入正极下拉到信号地，电阻R27、R28为上拉电阻将差分输入负极上拉
到高电平+5V，电阻R23、R24为输入正极和输入负极之间的匹配电阻；电阻R25、R26为两路输
出信号的下拉电阻。

[0159] 图5中的输入并联电路13组成包括二极管D2、D3、D5、D6，电阻R12、R13、R16、R17；二极管D2、D3、D5、D6为光耦转换电路11和差分输出电路12的输出并联二极管，实现将光耦转
换电路11和差分输入电路12的输出TTL信号进行并联，电阻R12、R13、R16、R17为电压调节电
阻网络，主要目的是调节电压以满足MCU控制电路14的输入电路的电平要求。

[0160] 图6给出了MCU控制电路14的具体电路示例，MCU控制电路14的核心处理芯片可以采用FPGA、单片机、ARM或者CPU等，这里只是画出了其控制电路使用的几个主要管脚，一般
本领域内的技术人员应该能通过管脚功能编写相关的逻辑控制程序，实现需要的功能，这
里不再进行详细的描述。

[0161] 图7给出了输出并联电路15、电压选择电路16、逻辑输出电路17、差分输出电路18、选择开关二22的具体电路示例。

[0162] 图7中的输出并联电路15的组成包括电阻R41、R42、R43、R44，信号MCU_TR1和MCU_TR2为MCU控制电路14的输出TTL信号，由电阻R41、R42、R43、R44进行电压适配和调节后，分
别传输给逻辑输出电路17和差分输出电路18。

[0163] 图7中的电压选择电路16的组成包括电阻R51、R52、R55、R56，芯片U9，参考电压+5V和+24V；芯片U9为双通道二选一模拟开关芯片，型号为ADG5436BRUZ，其工作电压为+24V；电
压选择电路16实现了将+5V和+24V两种不同的电平的电压信号，在所述MCU控制电路14的控
制信号二的电平的控制下，将其中一个电平电压输出给逻辑输出电路17的功能；

[0164] 图7中的逻辑输出电路17的组成包括芯片U8、U10，电阻R49、R50、R57、R58，晶体三极管V1、V2，磁珠L1、L2；电阻R50和R57接收电压选择电路16的输出电压信号，芯片U8和U10
为或非门集成芯片，接收输出并联电路15的输出TTL信号，驱动晶体管V1和V2，达到输出逻
辑电平信号与输入TTL信号的脉宽和周期同步。

[0165] 图7中的差分输出电路18的组成包括电阻R39、R40，芯片U7；芯片U7为满足RS422信号标准的差分信号发送器件，型号为MAX3041ESE；

[0166] 图7中的选择开关二22的组成包括电阻R45、R46、R47、R48、R53、R54，拨码开关S5、S6；电阻R53、R54的一端接MCU控制电路14的控制信号二，这里的信号名称为LOGIC1、
LOGIC2，拨码开关S5、S6的一端分别通过上拉电阻R46和R48上拉到高电平，一端通过电阻
R45和R47下拉到信号地，同时拨码开关S5和S6与电阻R45和R46连接点分别连接电阻R53和
R54，输出开关信号二，此信号连接到电压选择电路16。

[0167] 图8给出了输出开关电路19、选择开关三23的具体电路示例。

[0168] 图8中的输出开关电路19的组成包括电阻R33、R37、R34、R38，模拟开关芯片U5和U6；信号OPT_TR1+、OPT_TR1‑、OPT_TR2+、OPT_TR2‑为输出开关电路19的输入逻辑电平信号，
连接到逻辑输出电路17（图7所示），信号RS422_TR1+、RS422_TR1‑、RS422_TR2+、RS422_TR2‑
为输出开关电路19的输入的差分信号，连接到差分输出电路18（图7所示）。

[0169] 图8中的选择开关三23的组成包括电阻R29、R30、R31、R32、R35、R36，拨码开关S3、S4，电阻R35、R36的一端接MCU控制电路14的控制信号三，这里的信号名称为SELT_TR1、
SELT_TR2，拨码开关S3、S4的一端分别通过上拉电阻R30和R32上拉到高电平，一端通过电阻
R29和R31下拉到信号地，同时拨码开关S3和S4与电阻R29和R31连接点分别连接电阻R35和
R36，输出开关信号三，此信号连接到输出开关电路19。

[0170] 图8中的J3为单口输出信号OUT1，J4为单口输出信号OUT2，电阻R33、R37、R34、R38为输入匹配电阻，芯片U5和芯片U6为双通道的双输入单输出的模拟开关芯片，型号为
ADG5436BRUZ，供电电压为24V，U5和U6的管脚1和管脚9的控制信号用于进行通道的切换，U5
和U6的管脚3和管脚11为单口输出信号的两个电极， U5和U6的管脚2和管脚10为逻辑输出
电路17的输出逻辑电平信号管脚，U5和U6的管脚4和管脚12为差分输出电路18的差分信号
输出管脚；当U5和U6的管脚1和管脚9为高电平时，单口输出信号选择逻辑电平信号从接口
输出，当U5和U6的管脚1和管脚9为低电平时，单口输出信号选择差分信号从接口输出。

[0171] 以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱
离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等
效实施案例，均属于本发明技术方案保护范围内。