一种分布式多通道电压检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及传感检测技术领域，特别是涉及一种分布式多通道电压检测装置。


背景技术：

2.在传感检测领域，经常会用到电压输出型(0～10v)传感器，该类传感器能够将温度、压力、流量等物理信号转换为0～10v电压信号，用户通过读取电压值即可实现物理信号的测量。
3.工业现场通常采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller)对电压输出型传感器信号进行采集，目前这种采集方式存在以下缺点：(1)受plc模拟量采集通道数量限制，必须通过购买专用模拟量采集模块才能进行拓展，设计成本高。(2)工业现场plc数据采集方式为星型结构，线缆敷设复杂。(3)plc指令扫描为“自上而下、顺序执行”方式，采用轮询式信号采集、处理、转换与传输的软件架构，会使严重影响传感器信号转换的实时性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术中电压检测存在的技术缺陷，而提供一种分布式多通道电压检测装置。
5.为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：
6.一种分布式多通道电压检测装置，包括一个及以上的数据采集站、监控主机和can-et-2u模块，其中：每个数据采集站内安装一台分布式电压采集装置，所述分布式电压采集装置与站内的现场传感器相连接以采集数据，一个或多个分布式电压采集装置通过can-et-2u模块与所述监控主机相连接。
7.在上述技术方案中，所述分布式电压采集装置通过can总线接口将数据输出。
8.在上述技术方案中，每一分布式电压采集装置包括两路通道切换单元、两路信号预处理单元、主控单元、通讯单元和电源管理单元，两路通道切换单元的输入端分别连接四通道传感器信号，每一通道切换单元的输出端连接至所述信号预处理单元。
9.在上述技术方案中，所述信号预处理单元将0～10v电压信号转化为0～3v的电压信号，并输入到所述主控单元，主控单元通过a/d转换接口完成电压信号的采集、转换并发送给通讯单元；所述通讯单元通过通讯接口与用户完成数据交互，所述通讯单元通过can总线接口连接至can总线上，与监控主机完成数据交互；所述电源管理单元通过供电接口与所述通道切换单元、信号预处理单元、主控单元、通讯单元连接供电。
10.在上述技术方案中，所述通道切换单元为adg409芯片，信号预处理单元为双通道运算放大器ad822芯片，主控单元为stm32f103c8t6型号单片机，can总线包括can通信控制器和can总线隔离器两部分：can通信控制器采用mcp2551芯片，can总线隔离器选用tlp2361高速光耦隔离器。
11.在上述技术方案中，can总线隔离器包括第一隔离芯片、第二隔离芯片，其型号均为隔离芯片tlp2361，can通信控制器为can收发器mcp2551，电源管理单元包括ams1117-3.3。
12.在上述技术方案中，adg409的7、10引脚接1通道传感器信号；adg409的6、11引脚接2通道传感器信号；adg409的5、12引脚接3通道传感器信号；adg409的4、13引脚接4通道传感器信号；adg409的1、2、16引脚接主控单元的1、3、2引脚，用于通道切换控制；adg409的8、9引脚为芯片输出接口，分别接信号预处理单元1的输入和gnd。
13.在上述技术方案中，r1分别接通道切换单元的da1引脚和ad822芯片的3引脚，通道切换单元的db1连接gnd；r3分别接gnd和ad822芯片的3引脚；d1为5v钳位二极管，分别接5v和ad822芯片的3引脚；d2为5v钳位二极管，分别接gnd和ad822芯片的3引脚；r2分别接ad822芯片的1、2引脚和主控单元的adc1引脚；c1分别接gnd和r2；r4分别接通道切换单元的da2引脚和ad822芯片的5引脚，通道切换单元的db2连接gnd；r6分别接gnd和ad822芯片的5引脚；d3为5v钳位二极管，分别接gnd和ad822芯片的5引脚；d4为钳位二极管，分别接5v和ad822芯片的5引脚；r5分别接主控单元的adc2和ad822芯片的6、7引脚；ad822芯片的8引脚接+5v；ad822芯片的4引脚接gnd。
14.在上述技术方案中，主控制芯片stm32f103c8t6的canrx、cantx为can总线接口，与通讯单元相连；adc1、adc2为模拟信号输入端，与信号预处理单元相连；gpio5、gpio6、gpio7为普通i/o口，与adg409控制端a0、a1、en和b0、b1、en2相连。
15.在上述技术方案中，can总线隔离器包括第一隔离芯片、第二隔离芯片，其型号均为隔离芯片tlp2361，can通信控制器为can收发器mcp2551，r6分别接主控单元的cantx引脚和第一隔离芯片的3引脚；第一隔离芯片的1引脚接3.3v；第一隔离芯片的6引脚接5v；第一隔离芯片的4引脚接gnd；第一隔离芯片的5引脚接mcp2551的1引脚；第二隔离芯片的1引脚接5v；第二隔离芯片的4引脚接gnd；第二隔离芯片的5引脚接主控单元canrx引脚；第二隔离芯片的6引脚接3.3v；r7分别接第二隔离芯片的3引脚和mcp2551的4引脚；mcp2551的2、8引脚接gnd；mcp2551的3引脚接+5v；mcp2551的6、7引脚分别为canh和canl接口。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
17.1.线缆敷设简单：装置外部集成can通讯接口，用户通过can现场总线构建电压输出型传感器监控网络，可有效降低线缆敷设。
18.2.设计成本低：装置通过通道切换电路实现了单路信号预处理电路对4通道传感器信号的预处理，降低了硬件设计成本。
19.3.检测实时性强：装置通过乒乓缓存算法对两路adc信号进行分时处理，提高了数据转换效率，保证了8通道传感器信号检测的实时性。乒乓缓存算法可提高传感器信号转换的实时性。乒乓缓存算法采用流水线式数据处理方式，通过交替采集、传输数据流，可高效完成数据采集、传输的无缝缓冲和处理，提高信号转换的实时性。
附图说明
20.图1为网络拓扑结构图；
21.图2为装置硬件结构框图；
22.图3为通道切换单元示意图；
23.图4为信号预处理单元示意图；
24.图5为主控单元示意图；
25.图6为通讯单元示意图；
26.图7为乒乓缓存算法示意图；
27.图8是电源管理单元示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.实施例1
30.一种分布式多通道电压检测装置，包括一个及以上的数据采集站、监控主机和can-et-2u模块，其中：每个数据采集站内安装一台分布式电压采集装置，所述分布式电压采集装置与站内的现场传感器相连接以采集数据，所述分布式电压采集装置通过can总线接口将数据输出；一个或多个分布式电压采集装置通过can-et-2u模块与所述监控主机相连接。监控主机用来集中显示各个数据采集站上传的数据，并将控制指令发送到各个数据采集站，完成工业现场传感器的集中管理。每个“数据采集站”内安装一台分布式电压采集装置，负责站内传感器数据的采集，并通过can总线接口将数据输出；can-et-2u是连接电压采集装置和监控主机的桥梁，负责can总线协议与tcp/ip协议的转换。监控主机用来集中显示各个“数据采集站”上传的数据，并将控制指令发送到各个“数据采集站”，完成工业现场传感器的集中管理。
31.每一分布式电压采集装置包括两路通道切换单元9-1和9-2、两路信号预处理单元3、主控单元4、通讯单元5和电源管理单元6，两路通道切换单元9-1和9-2的输入端分别连接四通道传感器信号，每一通道切换单元的输出端连接至所述信号预处理单元3，所述信号预处理单元3将0～10v电压信号转化为0～3v的电压信号，并输入到所述主控单元4，主控单元4通过a/d转换接口完成电压信号的采集、转换并发送给通讯单元5；所述通讯单元5通过通讯接口6与用户完成数据交互，所述通讯单元5通过can总线接口连接至can总线上，与监控主机完成数据交互；所述电源管理单元6通过供电接口7与所述通道切换单元、信号预处理单元3、主控单元4、通讯单元5连接供电。装置硬件结构框图如图2所示。
32.作为优选的，所述通道切换单元能够将四通道传感器信号周期性切入单路信号预处理单元3，降低硬件设计成本。本实用新型选用亚德诺半导体公司adg409芯片完成通道切换单元设计。adg409是一款单芯片cmos模拟多路复用器，内置4个差分通道。它根据2位二进制地址线a0和a1所确定的地址，将4路差分输入之一切换至公共差分输出。该器件提供en输入，用来使能或禁用器件。adg409采用增强型lc2mos工艺设计，具有低功耗、高开关速度和低导通电阻特性。
33.所述adg409为八选二模拟开关，其硬件连接如下：adg409的7、10引脚接1通道传感器信号；adg409的6、11引脚接2通道传感器信号；adg409的5、12引脚接3通道传感器信号；adg409的4、13引脚接4通道传感器信号；adg409的1、2、16引脚接主控单元gpio接口，用于通道切换控制；adg409的8、9引脚为芯片输出接口，分别接信号预处理单元31的输入和gnd。
34.信号预处理单元3的功能是对传感器输出信号进行预处理，将0～10v传感器信号
转换为0～3v电压信号。本实用新型信号预处理单元3由分压电路、钳位电路、跟随电路、rc滤波电路四部分组成。其中，分压电路的功能是将0～10v传感器信号转换为0～3v电压信号；钳位电路负责把输入电压幅值钳位在5v，保护后端电路；跟随电路具有高输入阻抗、低输出阻抗特点，能够有效隔离传感器信号与控制电路；rc滤波电路能够滤除传感器信号引入的干扰噪声，降低高频干扰。
35.信号预处理单元3为双通道运算放大器ad822芯片。r1分别接通道切换单元的da1引脚和ad822芯片的3引脚；r3分别接gnd和ad822芯片的3引脚；通道切换单元的db1连接gnd，d1为5v钳位二极管，分别接5v和ad822芯片的3引脚；d2为5v钳位二极管，分别接gnd和ad822芯片的3引脚；r2分别接ad822芯片的1、2引脚和主控单元4的adc1引脚；c1分别接gnd和r2；r4分别接通道切换单元的da2引脚和ad822芯片的5引脚；r6分别接gnd和ad822芯片的5引脚；通道切换单元的db2引脚连接gnd，d3为5v钳位二极管，分别接gnd和ad822芯片的5引脚；d4为钳位二极管，分别接5v和ad822芯片的5引脚；r5分别接主控单元4的adc2和ad822芯片的6、7引脚；ad822芯片的8引脚接+5v；ad822芯片的4引脚接gnd。
36.在本实施例中，r1＝70k，r3＝30k，r2＝10k，c1＝0.1uf，r4＝70k，r6＝30k，r5＝10k。
37.主控单元4主要完成电压信号的采集、处理与换算，并将电压值发送给通讯单元5，完成数据的传输。本实施例主控单元4选用意法半导体公司stm32f103c8t6型号单片机。stm32f103c8t6是一款基于arm cortex-m内核stm32系列32位的微控制器，具有低功耗、低电压、实时性好、性能优良等优点。本实用新型用到stm32f103c8t6芯片外设包括2通道12位的adc接口、1路can总线接口和4路gpio口。
38.如图5所示为主控单元4，其为主控制芯片stm32f103c8t6。其中canrx、cantx为can总线接口，与通讯单元5相连；adc1、adc2为模拟信号输入端，与信号预处理单元3相连；gpio5、gpio6、gpio7为普通i/o口，与adg409控制端a0、a1、en和b0、b1、en2相连。
39.通讯单元5：通讯单元5是电压检测装置与用户通讯的接口，本实用新型采用can总线方式。can总线包括can通信控制器和can总线隔离器两部分：can通信控制器采用微星公司mcp2551芯片，mcp2551是一个总线接口芯片，具有稳定性高、响应速度快等特点；can总线隔离器选用tlp2361高速光耦隔离器，它能够实现can节点间的电气隔离，保护电压检测装置的控制电路。
40.如图6所示为通讯单元5，can总线隔离器包括第一隔离芯片、第二隔离芯片，其型号均为隔离芯片tlp2361，can通信控制器为can收发器mcp2551。r6分别接主控单元4的cantx引脚和第一隔离芯片的3引脚；第一隔离芯片的1引脚接3.3v；第一隔离芯片的6引脚接5v；第一隔离芯片的4引脚接gnd；第一隔离芯片的5引脚接mcp2551的1引脚；第二隔离芯片的1引脚接5v；第二隔离芯片的4引脚接gnd；第二隔离芯片的5引脚接主控单元4canrx引脚；第二隔离芯片的6引脚接3.3v；r7分别接第二隔离芯片的3引脚和mcp2551的4引脚；mcp2551的2、8引脚接gnd；mcp2551的3引脚接+5v；mcp2551的6、7引脚分别为canh和canl接口。
41.本实施例中，r6＝360ω，r7＝120ω。
42.电源管理单元6用于各单元模块供电，分布式电压采集装置采用+5v供电，而主控单元4采用+3.3v供电，电源管理单元6的作用是将+5v电压转换为+3.3v装置外部采用5v电
源供电，通过ams1117-3.3将5v电压转换为3.3v。其中，5v用于通道切换单元、通讯单元5、信号预处理单元3供电，3.3v用于主控单元4供电。
43.实施例2
44.由于电压检测装置支持8通道传感器信号的实时采集，若软件采用轮询的信号采集、数据处理与转换、电压值传输架构，会严重影响信号传输的实时性。本实用新型通过乒乓缓存算法对数据进行分时处理，提高了数据转换的实时性。如图7所示，具体方式如下：
45.(1)在主控单元中创建两个数组：buf1[]、buf2[]，分别用于存储两个信号预处理单元adc1、adc2的数据。
[0046]
(2)第一个周期，将adc1采集到的数据存放到buf1[]。
[0047]
(3)第二个周期，完成输入数据选择信号切换(注：这里指的是数组切换，要与之前提到的通道切换区分开)：将adc2采集到的数据存放到buf2[]中，同时读取buf1[]中的数据，完成buf1[]中数据的转换与传输。
[0048]
(4)第三个周期，完成输入数据选择信号切换(注：这里指的是数组切换，要与之前提到的通道切换区分开)：将adc1采集到的数据存放到buf1[]中，同时读取buf2[]中的数据，完成buf2[]中数据的转换与传输。
[0049]
数组切换指的是图7乒乓缓存算法中buf1[]、buf2[]数据缓存区的切换；通道切换指的是图3中主控单元通过控制a0、a1、en引脚，实现v1、v2、v3、v4通道的切换；和图3中主控单元通过控制b0、b1、en2引脚，实现v5、v6、v7、v8通道切换。
[0050]
(5)如此循环，周而复始。
[0051]
算法通过“输入数据选择控制”和“输出数据选择控制”按节拍相互配合切换，不间断的完成数据的采集与传输。把乒乓缓存算法看做一个整体，站在这个模块两端看数据，输入数据流和输出数据流是不间断的、没有任何停顿，因此说装置数据处理实时性强。
[0052]
实施例3
[0053]
搭建对比实验平台，平台1采用西门子sm332模块完成8路电压信号的采集，并通过s7-200 plc完成信号的处理与传输；平台2采用本实用新型的电压检测装置完成电压信号的采集、处理与传输。二者采用相同的模拟信号源作为输入，并通过专用测试软件记录响应时间，测试结果如表所示。
[0054]
检测装置测试表
[0055][0056]
在统计学中，均值通常代表该组数据的平均水平，标准差代表该组数据的离散程度。由上表可知，西门子sm332模块与本实用新型电压检测装置检测偏差均≤1mv，而平台1
响应时间的均值λ1≈11s，标准差σ1＝0.003；平台2响应时间的均值λ2≈7s，标准差σ2＝0.003。因此，在电压检测精度相同的情况下，电压检测装置的响应速度远高于“plc+sm332模块”数据采集方式。
[0057]
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
[0058]
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0059]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。