高精度浮点数据集中采集系统的制作方法

本发明涉及楼宇自动化控制领域，具体是一种高精度浮点数据集中采集系统。

背景技术：

在楼宇智能控制及自动控制系统，数据采集系统是控制系统前端，和控制效果好坏的反馈，采集系统的采样精度完全决定了控制器的控制效果。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了高精度浮点数据集中采集系统，广泛应用与传感器前端采集系统，可应用与智能楼宇控制、工业自动化、中央空调控制、锅炉系统控制等自动控制系统，具备良好的实时性对系统采集，可应用于现场多路传感器信号采集，该系统将现场模拟信号进行高精度处理后，转换成数字量信号，通过通信总线传送给其他系统，并可现场扩展显示单元，进行现场采集。

本发明采用以下技术方案：高精度浮点数据集中采集系统，包括单片机、电源电路，通信电路、锁存器、AD转换电路、比较电路、编码电路，其特征在于，还包括采样保持电路、浮动放大器电路、信号绝对值电路、二阶采样保持电路，所述单片机采用STM8S208芯片，采样保持电路输入端接输入信号，采样保持电路输出端分别接信号绝对值电路输入端、浮动放大器电路输入端，信号绝对值电路输出端依次通过比较电路、编码电路、锁存器连接到单片机，浮动放大器电路输出端接二阶采样保持电路输入端，二阶采样保持电路和采样保持电路结构一致，二阶采样保持电路输出端通过AD转换电路连接单片机，单片机通过通信电路输出信号，所述的电源电路提供12V、9V、5V、-9V供电电压。

进一步的，所述的电源电路包括12V供电电路、9V供电电路、5V供电电路和-9V负压产生电路，

所述的12V供电电路包括二极管DD1，二极管DD1正极连接24V直流电压，二极管DD1负极通过保险F1接稳压芯片U18第一引脚，稳压芯片U18第一引脚接极性电容C11正极，极性电容C11负极接地，稳压芯片U18第二引脚接地，稳压芯片U18第三引脚输出12V直流电压；

所述的5V供电电路包括稳压芯片U19，稳压芯片U19第一引脚分别接极性电容C12正极、12V直流电压，极性电容C12负极接地，稳压芯片U19第二引脚接地，稳压芯片U19第三引脚接极性电容C9正极，极性电容C9负极接地，稳压芯片U19第三引脚输出5V直流电压；

所述的9V供电电路包括稳压芯片U22，稳压芯片U22第一引脚分别接12V直流电压，稳压芯片U22第二引脚接地，稳压芯片U22第三引脚分别接极性电容C13正极、电容C10一端，极性电容C13负极接地，电容C10另一端接地，稳压芯片U22第三引脚输出9V直流电压；

所述的-9V负压产生电路包括芯片U23，芯片U23的第四引脚和第八引脚均接9V直流电压，芯片U23的第七引脚分别接电阻R54一端、二极管D12正极、电阻R57一端，电阻R54另一端接9V直流电压，二极管D12负极分别接芯片U23第六引脚、芯片U23第二引脚、电阻R57另一端、电容C23一端，电容C23另一端接地，芯片U23第一引脚接地，芯片U23第五引脚通过电容C25接地，芯片U23第三引脚接电容C20一端，电容C20另一端分别接二极管D13正极、二极管D11负极，二极管D13负极接地，二极管D11正极分别接电容C21一端、电阻R56一端，电容C21另一端接地，电阻R56另一端分别接-9V直流电压输出端、电容C22一端，电容C22另一端接地。

进一步的，采样保持电路包括钳位电路、采样电路和跟随电路，钳位电路包括二极管D1和二极管D3，二极管D1负极接5V直流电压，二极管D1正极分别接信号输入端、二极管D3负极，二极管D3正极接地；

采样电路包括放大保持器U1，放大保持器U1第十引脚分别接电容C4一端、电阻R11一端，电容C4另一端接地，电阻R11另一端分别接电阻R14一端、信号输入端，电阻R14另一端接地，放大保持器U1第十一引脚分别接电阻R22一端、电阻R18一端，电阻R22另一端接地，电阻R18另一端分别接稳压二极管D5负极、放大保持器U1第二引脚、跟随电路输入端，稳压二极管D5正极接地，放大保持器U1第七引脚通过电阻R9接MCU_A5信号端，放大保持器U1第四引脚分别接极性电容C3正极、电阻R12一端，极性电容C3负极接地，电阻R12另一端接放大保持器U1第三引脚，放大保持器U1第十二引脚接地；

跟随电路包括放大器U2，放大器U2第五引脚通过电阻R19接采样电路输出端，放大器U2第六引脚分别接电阻R13一端、电容C2一端，电阻R13另一端、电容C2另一端均连接放大器U2第七引脚，放大器U2第七引脚为信号输出端。

进一步的，浮动放大器电路包括衰减电路、控制芯片U4、一级放大电路、二级放大电路，衰减电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，电阻R2一端分别接信号输入端IN、控制芯片U4第十三引脚，电阻R2另一端分别接电阻R3一端、控制芯片U4第十四引脚，电阻R3另一端分别接电阻R4一端、控制芯片U4第十五引脚，电阻R4另一端分别接电阻R5一端、控制芯片U4第十二引脚，电阻R5另一端分别接电阻R1一端、控制芯片U4第一引脚，电阻R1另一端分别接电阻R6一端、控制芯片U4第五引脚，电阻R6另一端分别接电阻R7一端、控制芯片U4第二引脚，电阻R7另一端分别接电阻R8一端、控制芯片U4第四引脚，电阻R8另一端接地；

一级放大电路包括放大器AR1，放大器AR1的第三引脚通过电阻R33接主控芯片U4第三引脚，放大器AR1第二引脚通过电阻R29接地，放大器AR1第二引脚通过电阻R24接放大器AR1第六引脚，放大器AR1第六引脚接二级放大电路输入端，放大器AR1第一引脚和第八引脚之间设置滑动变阻器R39，滑动变阻器R39的滑动端连接12V直流电压；

二级放大电路包括放大器AR2，放大器AR2的第三引脚通过电阻R31接一级放大电路输出端，放大器AR2第二引脚通过电阻R28接地，放大器AR2第二引脚通过电阻R25接放大器AR2第六引脚，放大器AR2第六引脚接输出端OUT，放大器AR2第一引脚和第八引脚之间设置滑动变阻器R37，滑动变阻器R37的滑动端连接12V直流电压。

进一步的，所述的信号绝对值电路包括精密检波电路和加法电路，精密检波电路包括电阻R17、电阻R21、放大器U2、电阻R10、二极管D2、二极管D4，放大器U2的第三引脚分别接电阻R17一端、二极管D2负极、电阻R10一端、滤波电容C1一端，电阻R17另一端接信号输入端IN，电阻R21另一端接地，二极管D2正极接放大器U2第一引脚，电阻R10另一端接二极管D4正极，滤波电容C1另一端接地，放大器U2第一引脚接二极管D4负极，放大器U2第十一引脚接-9V直流电压，放大器U2第四引脚接9V直流电压，二极管D4正极接加法电路输入端；

加法电路包括放大器U2、电阻R20、电阻R23、电阻R15、电阻R16，电阻R20一端接精密检波电路输出端，电阻R20另一端接放大器U2第九引脚，电阻R15一端接信号输入端IN，电阻R15另一端接放大器U2第九引脚，电阻R23一端接放大器U2第十引脚，电阻R23另一端接地，放大器U2第九引脚通过电阻R16接放大器U2第八引脚，放大器U2第九引脚接输出端OUT1，放大器U2第八引脚接输出端OUT2。

本发明的有益效果是：

1、采用浮动放大器，可根据每次采样点值动态调整放大倍数，放大倍数是浮动变化，可适应多种信号。

2、采用流水线结构，提高了系统系统处理速度，适用于快速采样，和多回路采样。

3、采用二阶采样保持电路。，浮动放大器和AD转换模块了并行工作。减小系统的级间干扰，也提高了反应速度。AD模块处理时，浮动放大器可采集下一时刻数据。稳定后AD在进行采集。

4、浮动放大器的编码(放大倍数)采用硬件并行编码，放大倍数确定速度达到NS级别。提高对变化信号的动态调整。

5、不同处理环节引入滤波电路，对采集信号进行滤波，减少了信号变化干扰。

6、采用微处理器和硬件结合方式。实现硬件反应速度块和软件算法动态调整相结合，提高了系统的应用灵活性。

7、内置负电压产生电路，不用输入负电压，支持单一电路供电，减少对现场电源要求。

附图说明

图1是本发明系统原理框图；

图2是本发明电源电路原理图；

图3是本发明采样保持电路原理图；

图4是本发明浮动放大器电路原理图；

图5是本发明信号绝对值电路原理图。

具体实施方式

如图1所示的高精度浮点数据集中采集系统，包括单片机、电源电路，通信电路、锁存器、AD转换电路、比较电路、编码电路、采样保持电路、浮动放大器电路、信号绝对值电路、二阶采样保持电路，所述单片机采用STM8S208芯片，采样保持电路输入端接输入信号，采样保持电路输出端分别接信号绝对值电路输入端、浮动放大器电路输入端，信号绝对值电路输出端依次通过比较电路、编码电路、锁存器连接到单片机，浮动放大器电路输出端接二阶采样保持电路输入端，二阶采样保持电路和采样保持电路结构一致，二阶采样保持电路输出端通过AD转换电路连接单片机，单片机通过通信电路输出信号，所述的电源电路提供12V、9V、5V、-9V供电电压。

整个系统的工作原理为：首先信号通过采样保持电路，采样保持电路受单片机控制电路控制，对采样信号进行一阶保持，信号保持稳定后进入浮动放大电路和信号绝对值电路，绝对值电路进入比较电路和编码电路对信号进行分析，得到结果后给单片机和浮动放大器。浮动放大器根据放大倍数进行放大。放大后进入二阶保持电路，通过AD转换电路，实现对模拟信号转换为数字信号，单片机电路采集到转换结果，通过通信总线传输至其他系统，整个电路都在单片机电路的协调下工作。

如图2所示的电源电路，包括12V供电电路、9V供电电路、5V供电电路和-9V负压产生电路，12V供电电路输入端连接24V电压，12V供电电路输出端分别连接9V供电电路输入端、5V供电电路输入端，9V供电电路输出端连接-9V负压产生电路输入端，-9V负压产生电路输出端输出-9V直流电压，5V供电电路输出端输出5V直流电压。

12V供电电路包括二极管DD1，二极管DD1正极连接24V直流电压，二极管DD1负极通过保险F1接稳压芯片U18第一引脚，稳压芯片U18第一引脚接极性电容C11正极，极性电容C11负极接地，稳压芯片U18第二引脚接地，稳压芯片U18第三引脚输出12V直流电压。其中，所述二极管DD1的型号为MMSZ5235BT1G，所述的稳压芯片U18为7812芯片。

5V供电电路包括稳压芯片U19，稳压芯片U19第一引脚分别接极性电容C12正极、12V直流电压，极性电容C12负极接地，稳压芯片U19第二引脚接地，稳压芯片U19第三引脚接极性电容C9正极，极性电容C9负极接地，稳压芯片U19第三引脚输出5V直流电压。其中，所述的稳压芯片U19为7805芯片。

9V供电电路包括稳压芯片U22，稳压芯片U22第一引脚分别接12V直流电压，稳压芯片U22第二引脚接地，稳压芯片U22第三引脚分别接极性电容C13正极、电容C10一端，极性电容C13负极接地，电容C10另一端接地，稳压芯片U22第三引脚输出9V直流电压。其中，所述的稳压芯片U22为7809芯片。

-9V负压产生电路包括芯片U23，芯片U23的第四引脚和第八引脚均接9V直流电压，芯片U23的第七引脚分别接电阻R54一端、二极管D12正极、电阻R57一端，电阻R54另一端接9V直流电压，二极管D12负极分别接芯片U23第六引脚、芯片U23第二引脚、电阻R57另一端、电容C23一端，电容C23另一端接地，芯片U23第一引脚接地，芯片U23第五引脚通过电容C25接地，芯片U23第三引脚接电容C20一端，电容C20另一端分别接二极管D13正极、二极管D11负极，二极管D13负极接地，二极管D11正极分别接电容C21一端、电阻R56一端，电容C21另一端接地，电阻R56另一端分别接-9V直流电压输出端、电容C22一端，电容C22另一端接地。其中，，芯片U23选用NE555芯片。

整个电源电路的工作原理为：

电源通过二极管DD1防止反接，F1为自恢复保险进行保护，连接电解电容C11并通过7812把电源电压稳定在12V，通过C12电容进行滤波，再次消弱电源杂波干扰，滤波后连接7805稳压芯片，输出5V电压为控制系统供电。

产生的12V电压连接U22稳压模块，外接电解电容C13和无极性电容C10对稳定的9V进行供电，输出9V电压为模拟电路供电。

NE555构成的负压产生电路R54、R57、C23构成多协震荡器，产生占空比为50％和6.667k HZ的方波；D11、D13、C20为反向震荡储能电路；C21，R56、C22为滤波电路；最终产生-9V电压为系统使用。

如图3所示，采样保持电路包括钳位电路、采样电路和跟随电路，所述钳位电路设置在信号输入端和采样电路之间，信号输入端连接信号采集设备，所述的采样电路采用放大保持器作为主控芯片，采样电路的控制端口连接MCU_A5信号端，采样电路的输出端连接跟随电路输入端，跟随电路输出端为信号输出端，信号输出端连接信号处理电路。

钳位电路包括二极管D1和二极管D3，二极管D1负极接5V直流电压，二极管D1正极分别接信号输入端、二极管D3负极，二极管D3正极接地。

采样电路包括放大保持器U1，放大保持器U1第十引脚分别接电容C4一端、电阻R11一端，电容C4另一端接地，电阻R11另一端分别接电阻R14一端、信号输入端，电阻R14另一端接地，放大保持器U1第十一引脚分别接电阻R22一端、电阻R18一端，电阻R22另一端接地，电阻R18另一端分别接稳压二极管D5负极、放大保持器U1第二引脚、跟随电路输入端，稳压二极管D5正极接地，放大保持器U1第七引脚通过电阻R9接MCU_A5信号端，放大保持器U1第四引脚分别接极性电容C3正极、电阻R12一端，极性电容C3负极接地，电阻R12另一端接放大保持器U1第三引脚，放大保持器U1第十二引脚接地。其中，放大保持器U1采用的型号为OPA615。

跟随电路包括放大器U2，放大器U2第五引脚通过电阻R19接采样电路输出端，放大器U2第六引脚分别接电阻R13一端、电容C2一端，电阻R13另一端、电容C2另一端均连接放大器U2第七引脚，放大器U2第七引脚为信号输出端。其中，所述放大器U2得型号为LM224。

整个采样保持电路的工作原理为：

首先信号通过D1、D3构成的钳位电路，把信号范围限制在0-5V之间。通过R14的负载电阻，吸收输入信号的的干扰，R11为输入电阻，用以保护OPA615，OPA615为放大保持器，可以受MCU_A5信号的控制，信号为高时，OPA615工作为C3充电，C3为钽电容，保持信号的完整性，C4为输入滤波电容，滤出输入信号的干扰，R22和R18为保持器的匹配电阻，R12为限流电阻，当MCU_A5信号为高时进行保持，首先信号通过U1A流入C3进行保持，通过U1B进行输出，信号为低时U1A停止工作，利用C3内的保持电屏进行输出，D5为稳压信号，保护输出信号在0-5V，保护后级电路。R19、U2B、C2、R13为带滤波功能的跟随电路，滤出保持输入的杂波，同时利用高阻抗的输入，保持输入信号。

如图4所示，浮动放大器电路包括衰减电路、控制芯片U4、一级放大电路、二级放大电路，所述的控制芯片U4为AD7501，衰减电路输入端接收信号，衰减电路输出端连接控制芯片U4的X0-X7八个引脚，控制芯片U4的A、B、C三个控制引脚连接编码电路，控制芯片U4的输出端连接一级放大电路输入端，一级放大电路输出端接二级放大电路输入端，二级放大电路输出端输出信号。

衰减电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8，电阻R2一端分别接信号输入端IN、控制芯片U4第十三引脚，电阻R2另一端分别接电阻R3一端、控制芯片U4第十四引脚，电阻R3另一端分别接电阻R4一端、控制芯片U4第十五引脚，电阻R4另一端分别接电阻R5一端、控制芯片U4第十二引脚，电阻R5另一端分别接电阻R1一端、控制芯片U4第一引脚，电阻R1另一端分别接电阻R6一端、控制芯片U4第五引脚，电阻R6另一端分别接电阻R7一端、控制芯片U4第二引脚，电阻R7另一端分别接电阻R8一端、控制芯片U4第四引脚，电阻R8另一端接地。

一级放大电路包括放大器AR1，放大器AR1的第三引脚通过电阻R33接主控芯片U4第三引脚，放大器AR1第二引脚通过电阻R29接地，放大器AR1第二引脚通过电阻R24接放大器AR1第六引脚，放大器AR1第六引脚接二级放大电路输入端，放大器AR1第一引脚和第八引脚之间设置滑动变阻器R39，滑动变阻器R39的滑动端连接12V直流电压。其中，放大器AR1采用运放OP07。

二级放大电路包括放大器AR2，放大器AR2的第三引脚通过电阻R31接放大器AR1第六引脚，放大器AR2第二引脚通过电阻R28接地，放大器AR2第二引脚通过电阻R25接放大器AR2第六引脚，放大器AR2第六引脚接输出端OUT，放大器AR2第一引脚和第八引脚之间设置滑动变阻器R37，滑动变阻器R37的滑动端连接12V直流电压。其中，放大器AR2采用运放OP07。

整个浮动放大器电路的工作原理为：

该电路采用了输入衰减增益，固定放大倍数的浮动放大器设计。该电路受比较编码电路控制。

首先信号通过多路数字模拟混合芯片，有效的隔离了A、B、C管脚的控制信号对模拟信号的干扰。合理的设计了衰减比例。R1-R8构建的衰减比例依次为1、2、4、8、16、32、64、128，在A、B、C三个管脚的控制下，调整衰减比例。通过X进行输出，输出后连接有2片运算放大器构成的二阶偏置可调的放大器，第一级的放大倍数为16倍，第二级放大倍数为8倍，最终实现128倍的放大。采用二级放大，可有效的降低对运放的要求，也提高了系统对小信号的敏感度。

如图5所示，信号绝对值电路包括精密检波电路和加法电路，精密检波电路的输入端接收输入信号，精密检波电路的输出端连接加法电路的输入端，精密检波电路通过滤波电容C1接地；加法电路输出端还连接信号输入端，加法电路包括输出端OUT1和输出端OU2。

精密检波电路包括电阻R17、电阻R21、放大器U2、电阻R10、二极管D2、二极管D4，放大器U2的第三引脚分别接电阻R17一端、二极管D2负极、电阻R10一端、滤波电容C1一端，电阻R17另一端接信号输入端IN，电阻R21另一端接地，二极管D2正极接放大器U2第一引脚，电阻R10另一端接二极管D4正极，滤波电容C1另一端接地，放大器U2第一引脚接二极管D4负极，放大器U2第十一引脚接-9V直流电压，放大器U2第四引脚接9V直流电压，二极管D4正极接加法电路输入端。其中，二极管D2和二极管D4均采用1N4148二极管，放大器U2的型号为LM224。

加法电路包括放大器U2、电阻R20、电阻R23、电阻R15、电阻R16，电阻R20一端接精密检波电路输出端，电阻R20另一端接放大器U2第九引脚，电阻R15一端接信号输入端IN，电阻R15另一端接放大器U2第九引脚，电阻R23一端接放大器U2第十引脚，电阻R23另一端接地，放大器U2第九引脚通过电阻R16接放大器U2第八引脚，放大器U2第九引脚接输出端OUT1，放大器U2第八引脚接输出端OUT2。所述放大器U2的型号为LM224。

整个绝对值电路的工作原理为：

该电路主要作用是对输入信号进行取绝对值,取到绝对值后，OUT输出端连接比较编码电路，OUT1输出端把信号连接到浮动放大器中进行放大。

U2A、R17、R21、D2、D4、R10构成的精密检波信号，结合滤波电容C1，实现的功能为：当信号为正时，精密检波电路输出为同等赋值的负压信号。当信号为负值时，检波器的输出为0.

R20、R23、R15、R16、U2C构成的两路输入的反向输入加法电路，整体电路起到了无论信号为真还是负都输出同等的正信号。具体原理为：当信号为正V，前端的检波器的输出为-V，该路的放大倍数为-2，加法器的另一路输入为信号为V，放大倍数为-1，这样加法器的输出为(-V*-2+V*-1)＝V,当信号为负时检波器前段输出的信号为0，另一路输如信号为-V，放大倍数同上，最终输出V。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。