一种多信号智能采集终端的制作方法

本申请涉及测量和控制仪器技术领域，尤其涉及一种多信号智能采集终端。

背景技术：

信号采集是物联网的基础，具体是指信号采集设备从传感器或被测设备的模拟和数字被测单元中自动采集信号，并将信号传输至上位机的过程。随着智能化的发展以及现场被测对象的复杂化，为了对被测对象进行全面分析，通常需要同时采集多个信号，这就需要一种能够同时采集多种信号的终端设备。

现有的多信号采集器中，电路单元通常由多个硬件电路构成，尤其是采集多个不同种类的信号时，多信号采集器中需要针对不同种类的信号设计有相应的硬件电路，也就是说，电路单元中需要更多的硬件电路和元器件，才能实现多种信号的采集和测量。

然而，现有的多信号采集器中，由于电路单元中只采用硬件电路，当采集多种不同信号时，硬件电路比较复杂、元器件较多，由硬件电路产生的噪声大大增加，从而导致多信号采集器容易发生故障，可靠性不够高。同时，由于较多的硬件电路产生的干扰信号较多，这些干扰信号使得多信号采集器的测量精度也不够高。

技术实现要素：

为克服现有的采集器可靠性不够高和测量精度不够高的问题，本申请提供一种多信号智能采集终端。

本申请解决该技术问题的技术方案为：一种多信号智能采集终端，包括：

电路单元，所述电路单元包括采集模块、核心处理模块、传输模块、调试模块和电源模块，所述采集模块、核心处理模块和传输模块依次电连接，所述调试模块与核心处理模块电连接，所述电源模块的输入端与外部电源连接，所述电源模块的输出端分别与所述采集模块、核心处理模块、调试模块以及传输模块的电源输入端连接并为其供电；

用于放置所述电路单元的壳体，所述壳体上设置有连接所述采集模块的采集模块接口、连接所述传输模块的传输模块接口以及连接所述电源模块的电源端口；

所述采集模块用于采集开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号，所述开关信号、4-20ma信号和rs485差分信号的输入端分别为开关信号端口、4-20ma信号端口和rs485差分信号端口，所述核心处理模块用于对所述开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号进行测量、存储和运算，所述传输模块用于接收控制信号，以及将所述开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号传输至上位机或移动终端，所述调试模块用于进行eeprom复位、晶振复位、程序烧录以及在线仿真。

可选地，所述采集模块包括由集成运算放大器lm358组成的电压比较器、ad8273运算放大器和sp485eenrs485收发器，所述电压比较器、ad8273运算放大器和sp485eenrs485收发器并联连接。

可选地，所述核心处理模块为stm32f103vct6单片机。

可选地，所述传输模块包括有线传输模块和无线传输模块。

可选地，所述有线传输模块为以太网模块，所述无线传输模块包括gprs无线模块和433无线模块，所述壳体上设置有分别与所述以太网模块和433无线模块连接的以太网传输接口和433天线插接口。

可选地，所述电源模块为一电压转换器或电压转换电路，输出电压为5v和3.3v两种。

可选地，所述采集模块接口处设置有瞬态抑制性元件，所述瞬态抑制性元件与所述采集模块并联。

可选地，所述瞬态抑制性元件为气体放电管gdt或瞬态抑制二极管tvs。

可选地，所述壳体的外表面上还设置有输入模块和显示模块，所述输入模块与所述采集模块电连接，所述显示模块分别与所述电源模块、传输模块以及信号采集模块电连接。

可选地，所述输入模块为一组按键，所述显示模块为液晶屏显示屏和led指示灯。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请电路单元中设置有采集模块、核心处理模块、传输模块和调试模块，与采集模块连接的采集模块接口包括开关信号端口、4-20ma信号端口和rs485差分信号端口，使得多信号智能采集终端能够采集开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号，并将采集后的开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号传递至核心处理模块，核心处理模块对信号进行测量、存储和运算后，再经传输模块将开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号传输至上位机或移动终端，调试模块与核心处理模块连接，用于进行eeprom复位、晶振复位、程序烧录以及在线仿真，能够实现将多信号智能采集终端与外部仿真器进行连接的功能。本申请结构简单，在实现更多信号采集功能的基础上简化了硬件电路，有利于减少多信号采集终端的故障发生率，提高多信号采集终端的可靠性。同时，本申请中采集模块分别采用集成运算放大器lm358组成的电压比较器，ad8273运算放大器和sp485eenrs485收发器对开关信号、4-20ma信号和rs485差分信号进行采集，可以降低开关信号的毛刺和噪声，以及消除漂移、增益变化、信号干扰，有利于提高多信号采集终端的测量精度。

本申请中传输模块包括无线模块和以太网模块，能够满足不同工作场景的需求，且433无线模块穿透力强，数据传输距离远。另外，本申请的主体部分电路单元主要包括五个模块，通过五个模块能够实现多信号的智能采集、传输一体化，整个装置结构简单，运行费用低，且本申请中所选器件均为工业级产品，性能优良，可在-40℃-80℃范围内正常工作，环境适应能力强，易于推广使用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种多信号智能采集终端结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多信号智能采集终端的电路原理图；

图3为本申请实施例提供的采集模块的电路原理图；

图4为本申请实施例提供的核心处理模块的电路原理图；

图5为本申请实施例提供的传输模块的电路原理图。

符号表示：

1-采集模块、2-核心处理模块、3-传输模块、4-调试模块、5-电源模块、6-壳体、7-采集模块接口、71-开关信号端口、72-4-20ma信号端口、73-rs485差分信号端口、8-传输模块接口、9-电源端口。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本申请省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本申请。

在农业技术领域，经常需要对农场中反映农场环境的各种信息进行采集，例如：降雨量、土壤ph值、土壤温湿度等。相关人员根据这些信息来调整农场环境，从而为农作物提供更加适宜的生长环境。为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种多信号智能采集终端结构示意图。由图1可知，本申请主要包括电路单元和用于放置电路单元的壳体6两个部分。其中，电路单元又包括采集模块1、核心处理模块2、传输模块3、调试模块4和电源模块5五个部分。采集模块1、核心处理模块2和传输模块3依次电连接，调试模块4与核心处理模块5电连接，电源模块5的输入端连接外部电源，电源模块5的输出端分别连接采集模块1、核心处理模块2、调试模块4以及传输模块3的电源输入端，电源模块5用于为采集模块1、核心处理模块2、调试模块4以及传输模块3供电。壳体6用于保护电路单元，并且壳体6上设置有电路单元中不同模块的对外接口，具体地，壳体6上设置有连接采集模块1的采集模块接口7、连接传输模块的传输模块接口8以及连接电源模块5的电压端口9。本申请实施例中多信号智能采集终端的电路原理图可以参见图2。

继续参见图1，采集模块1用于采集开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号，实际使用中，所需采集的信号以及信号的数量可以根据被测对象以及不同需求来确定，也可以只采集部分信号，不需采集的信号不接入多信号智能采集终端即可。例如：采集果园中的多种信号时，可以将采集模块1设置为一路开关信号，两路4-20ma信号，以及三路rs485差分信号。其中，开关信号主要为数字量信号，例如：果园中的降雨量信号；4-20ma信号为模拟量信号，例如：果园中的光合有效辐射信号或土壤酸碱度信号；rs485差分信号为一对大小相等极性相反的对称信号且采用两根信号线传输一个差分信号，例如：果园中的空气温湿度信号、风向风速信号、土壤温湿度信号或者土壤电导率信号。这三种信号基本涵盖了常见的各种信号。由图1可知，开关信号、4-20ma信号和rs485差分信号分别对应壳体6上的开关信号端口71、4-20ma信号端口72和rs485差分信号端口73。

具体地，本申请中采集模块1可以包括三部分：由集成运算放大器lm358组成的电压比较器、ad8273运算放大器和sp485eenrs485收发器，且电压比较器、ad8273运算放大器和sp485eenrs485收发器并联连接。图3示出了本申请实施例提供的采集模块的电路原理图。

集成运算放大器lm358是高增益宽电压双运放，由集成运算放大器lm358组成的电压比较器能够实现对开关信号的采集，而且可以去除开关信号中的抖动，有效降低开关信号的毛刺和噪声。

ad8273运算放大器为轨至轨零漂移工业仪表运算放大器，具有微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出的特点，以采集两路4-20ma信号为例，ad8273能够通过两个相对匹配的电阻设置1-1000之间的任何增益，且在任何增益下均可用比率匹配的两个电阻达到较佳的增益精度，从而实现对两路4-20ma信号信号的采集。因此，采用ad8273运算放大器能够有效提高多信号智能采集终端的测量精度。

sp485eenrs485收发器属于工业级增强型低功耗半双工rs485收发器，本申请实施例中采用sp485een将rs485信号转换成晶体管-晶体管逻辑集成信号ttl信号，sp485eenrs485收发器与sp485系列完全兼容，而且sp458eenrs485收发器具有更强的静电放电保护性能，使得采集模块在静电放电、瞬态变换较敏感的环境中能够保持正常通信，从而能够提高采集模块1的工作稳定性和抗干扰能力。另外，本申请实施例中sp485eenrs485收发器能够实现对3路rs485信号的收发，被测对象现场多个相同类别的传感器可以并联到一路rs485信号线上，目前的sp485eenrs485收发器最大支持在一路rs485信号线上并联32个传感器，从而能够实现对被测现场的多信号采集。

为进一步提高多信号智能采集终端的可靠性和测量准确性，可以在采集模块接口7处设置瞬态抑制性元件，且瞬态抑制性元件与采集模块1并联。即：开关信号端口71、4-20ma信号端口72和rs485差分信号端口73处均设置瞬态抑制性元件，设置于开关信号端口71处的瞬态抑制性元件与采集模块中采集开关信号的电压比较器并联，设置于4-20ma信号端口72处的瞬态抑制性元件与采集模块中采集4-20ma信号的ad8273运算放大器并联，设置于rs485差分信号端口73处的瞬态抑制性元件与采集模块中采集rs485差分信号的sp485eenrs485收发器并联。

瞬态抑制性元件的设置，能够遏制外部浪涌，防止大电流对内部电路造成损坏，有利于提高多信号智能采集终端的可靠性。具体地，瞬态抑制性元件可以采用gdt(gasdischargetube，气体放电管)或者tvs(transientvoltagesuppressor，瞬态抑制二极管)。在雷雨天气，gdt或tvs能够防止大电流对采集模块的损坏，起到保护采集模块的作用，从而确保多信号智能采集终端在雷雨天气正常工作，因此，采集模块接口7处采用gdt或tvs，有利于提高多信号智能采集终端的可靠性。

核心处理模块2用于对开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号进行测量、存储和运算。本申请实施例中核心处理模块2可以采用一stm32f103vct6单片机，核心处理模块2的电路原理图参见图4。stm32f103vct6单片机的时钟频率达到72m，且该单片机外设丰富，能够为数据处理提供较佳的硬件支持，有利于提高多信号数据采集终端的可靠性。

具体地，结合上述实施例中采集模块1，电压比较器的后级可以采用单片stm32f103vct6的外部中断exit进行脉冲的采集，这种结构设计有利于确保脉冲采集的准确性，从而提高多信号智能采集终端的测量精度。为进一步提高采集时间的准确性，stm32f103vct6单片机内部可以采用systick进行1秒的准确定时。

继续结合上述实施例中采集模块1，采用12位精度的a/d转换器作为单片stm32f103vct6的一个外设，且该外设作为ad8273运算放大器的后级，这种结构设计能够进一步提高ad8273运算放大器的精度。

继续结合上述实施例中采集模块1，sp485eenrs485收发器的后级通过单片机stm32f103vct6的硬件uart接口进行数据传输，有利于提高rs485信号传输的精度。为进一步确保rs485信号在传输和转换过程中的数据准确性，可在单片机stm32f103vct6中设置crc16进行数据校验。

由图1和图4可知，调试模块4与核心处理模块2电连接。调试模块4用于进行eeprom复位、晶振复位、程序烧录以及在线仿真。调试模块4作为核心处理模块2与外部仿真器的连接器件，能够方便外部仿真器通过对程序进行调试而实现在线仿真，从而验证程序的准确性。

继续参见图1，由图1可知，传输模块3与核心处理模块2电连接，传输模块3用于接收控制信号，以及将开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号传输至上位机或移动终端。本申请实施例中多信号智能采集终端的传输模块3包括有线传输模块和无线传输模块，无线模块又包括gprs无线模块和433无线模块。

具体地，有线传输模块主要用于被测对象的现场环境中有有线网络的情况，本申请实施例中有线传输模块可以采用以太网模块，即以太网网卡，与以太网模块相对应地，壳体6上设置有与以太网模块连接的以太网传输接口。本申请实施例中壳体6上也可以设置485接口，以太网传输接口和485接口分别对应不同的硬件支持，两者不可同时使用，可选其一使用，这部分是本领域的常用技术，再次不再赘述。无线传输模块主要用于被测对象的现场环境中没有有线网络情况，本申请实施例中无线传输模块可以采用gprs无线模块或433无线模块，对应地，壳体6上设置有与433无线模块连接的433天线插接口。现场环境中没有有线网络时，信号可以通过gprs无线模块直接发送至上位机或移动终端，或者，信号首先通过433无线模块的天线发送至距离现场环境最近的有线网络中，然后再通过有线网络最终传输至上位机或移动终端。

本申请实施例中的以太网模块是高性能的嵌入式联网单芯片，结构简单，实用性强。本申请实施例中的gprs模块为常规gprs模块，433无线模块属于主从式的射频收发一体芯片，433无线模块通过设置外置天线，能够实现超强的无线传输能力，从而有效地接收控制信号以及将开关信号、4-20ma信号或者rs485差分信号传输至上位机或移动终端。本申请实施例中通过有线和无线多种传输方式，能够使多信号智能采集终端在不同的网络条件下，确保数据的有效、快速上传。本申请实施例中传输模块3的电路原理图可以参见图5。

例如：如果多信号智能采集终端上安装有摄像机等网络设备，由于摄像机需要采用网线进行数据传输，因此这种情况属于现场环境中有有线网络的情况，此时，可将多信号智能采集终端通过小型交换机与网络设备摄像机连接，从而通过网线进行信号传输，而且，这种情况能够避免单独架设网线或者增加接收器，有利于降低成本。如果多信号智能采集终端不需要安装摄像机等网络设备，则多信号智能采集终端可以通过无线传输模块进行信号传输。采用gprs模块直接进行信号传输或者通过433无线模块再接入有线网络中进行信号传输。通过433无线模块再接入有线网络中进行信号传输的过程如下：首先，通过对现场环境中最近的有线网络设备下载接收器程序，使其成为一个无线接收器，然后，433无线模块将信号传输至该无线接收器中，最后，通过无线接收器的以太网模块将信号传输至上位机或移动终端中。

继续参见图1，由图1可知，本申请实施例中的多信号智能采集终端还包括电源模块5，电源模块5的输入端通过电源端口9与外部12v电源连接，电源模块5的输出端分别与采集模块1、核心处理模块2、调试模块4以及传输模块3的电源输入端连接并为其供电。本申请实施例中电源模块5可以采用一电压转换器或者一电压转换电路，电压转换器或电压转换电路输入电压为12v，输出电压为5v和3.3v两种。该电源模块采用现有技术中的电压转换电路，例如：该电源模块包括依次连接的电源适配器、桥式整流器、电容滤波器以及稳压器。

本申请实施例中多信号智能采集终端中各元器件电压供给情况如下：多信号智能采集终端中输入12v电压，该12v电压能够为采集4-20ma信号的ad8273运算放大器供电。同时，该12v电压接到电压转换电路中的稳压芯片lm2596sx-5.0上，稳压芯片lm2596sx-5.0输出稳定的5v直流电压，作为电源模块的电压转换电路将5v直流电压供给到sp485eenrs485收发器、以太网传输模块以及gprs无线模块。5v直流电压接到电压转换电路中的高效率线性稳压器ams1117-3.3v上，高效率线性稳压器ams1117-3.3v输出稳定的3.3v直流电压，该3.3v直流电压为stm32f103vct6单片机、调试模块4、采集开关信号的电压比较器以及433无线模块供电。

本申请实施例中，壳体6的外表面上还设置有输入模块和显示模块，其中，输入模块与采集模块1电连接，显示模块分别与电源模块5、传输模块4以及采集模块1电连接。输入模块可以为一组按键，显示模块可以为一液晶屏显示屏和led指示灯。按键、液晶显示屏和led指示灯可以选择其中一种、两种或三种。按键作为输入模块，通过将按键与采集模块1电连接，能够实现对多信号智能采集终端参数的配置。液晶显示屏作为显示模块，通过液晶显示屏分别与传输模块4和采集模块1电连接，能够实现对相关数据进行直观显示，因此，按键和液晶显示屏的设置，能够大大提高多信号智能采集终端的灵活性。led指示灯作为显示模块，通过将led指示灯分别与电源模块5、传输模块4以及采集模块1电连接，能够直观地显示电源的开关状态、无线传输模块的收发状态、以太网传输模块的工作状态以及rs485信号的收发状态，为用户查看当前设备的工作状态提供方便，有利于多信号智能采集终端的调试与维护。

现以应用于果园中的多信号智能采集终端为例，描述一下多信号智能采集终端的工作过程：在一个现代化果园中，需要远程采集果园中的空气温湿度、光合有效辐射度、降雨量、风向风速、土壤温湿度、土壤导电率以及土壤酸碱度等信息，并将这些信息以信号的方式实时传输至服务器端，利用本申请中的多信号智能采集终端，可以同时采集以上信息。首先，现场中进行雨量测试的传感器将降雨量信号传输至多信号智能采集终端的开关信号端口，同时，现场中进行光合有效辐射测试和进行土壤酸碱度测试的传感器分别将光合有效辐射信号和土壤酸碱度信号传输至4-20ma信号端口，现场中进行空气温湿度测试、风向风速测试、土壤温湿度测试以及土壤电导率测试的传感器分别将空气温湿度信号、风向风速信号、土壤温湿度信号和土壤电导率信号传输至rs485差分信号端口。然后，多信号智能采集终端的核心处理模块对这些不同的信号分别进行进行测量、存储和运算，最后，通过传输模块将这些不同的信号传输至服务器或移动终端，以供工作人员对其进行查看和分析。

以上所述只是本申请的可选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本申请的保护范围。