多功能模拟量数据采集装置的制作方法

本实用新型具体涉及一种多功能模拟量数据采集装置。

背景技术：

随着经济技术的发展，工业现场已经有了越来越多的工业设备。针对各种各样的工业设备，也有着越来越多的模拟量需要进行现在采集和监控，从而实现工业设备、工业过程等的工作参数的实时采集和实时监控。工业现场需要采集的模拟量包括电压、电流、电阻等信息；电压则又包括mV级电压信息和V级电压信息，电流信号基本为mA级电流信息，电阻信息则为Ω级电阻信息。

针对如此之多的需要采集的工业现场的模拟量，目前常用的解决方案是采用多套设备进行并行的采集，即针对每一类需要采集的模拟量，分别采用一套单独的模拟量采集设备，专门针对这一类的模拟量进行采集。但是，采用多台套的设备进行专门的模拟量采集，成本较高；同时，虽然采用多台套的设备进行模拟量采集能够极好的保证模拟量采集的实时性，但是由于模拟量的变化往往相对缓慢，因此采用实时性极好的专门的单台套设备进行证模拟量的实时采集，造成了一定程度上的资源浪费，也间接提高了企业的成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够分时进行多路模拟量采集，数据采集实时高、可靠性高且成本相对低廉的多功能模拟量数据采集装置。

本实用新型提供的这种多功能模拟量数据采集装置，包括电源模块、控制器模块、温度采集模块和模拟量分时采集模块；温度采集模块和模拟量分时采集模块均与控制器模块连接；电源模块用于为所述多功能模拟量数据采集装置供电；温度采集模块用于采集所述多功能模拟量数据采集装置所处的环境温度信息并上传控制器模块；模拟量分时采集模块用于对需要采集的多路模拟量进行分时采集，并将数据上传控制器模块；控制器模块用于控制所述多功能模拟量数据采集装置工作。

所述的多功能模拟量数据采集装置还包括通信模块；通信模块与控制器模块连接，用于所述多功能模拟量数据采集装置与外部进行数据通信。

所述的通信模块为CAN总线通信模块。

所述的CAN总线通信模块为由型号为ISO1050的CAN总线通信芯片构成的通信模块。

所述的多功能模拟量数据采集装置还包括温度补偿模块；温度补偿模块与控制器模块连接，用于获取温度补偿数据并上传控制器模块。

所述的温度补偿模块由型号为AD590的温度传感器和信号处理电路构成；温度传感器与信号处理电路串接；温度传感器用于将温度的变化量转换为输出量的变化，然后输出量的变化值通过信号处理电路进行处理后上传至控制器模块。

所述的电源模块包括输入保护滤波电路、24V/12V转换电路、24V/24V隔离转换电路、24V/5V转换电路和5V/3.3V转换电路；输入保护滤波电路的输出端同时连接24V/12V转换电路、24V/24V隔离转换电路和24V/5V转换电路，24V/5V转换电路的输出端连接5V/3.3V转换电路；外部输入的24V电源信号通过输入保护滤波电路进行输入保护和滤波后分为三路稳定的24V信号，第一路稳定的24V信号通过24V/12V转换电路转换为±12V电源信号并供电，第二路稳定的24V信号通过24V/5V转换电路转换为5V电源信号并供电，第三路稳定的24V信号通过24V/24V隔离转换电路转换为带电气隔离的24V电源信号并供电；24V/5V转换电路输出的5V电源信号通过5V/3.3V转换电路转换为3.3V电源信号并供电。

所述的温度采集模块包括热电阻和恒流源电路；热电阻和恒流源电路依次串接；恒流源电路用于产生恒定的电流并传输给热电阻，热电阻用于测量环境温度信息并将测量信息上传控制器模块。

所述的模拟量分时采集模块包括继电器驱动电路、固态继电器和放大电路；继电器驱动电路、固态继电器和放大电路依次串接；继电器驱动电路的输入端连接控制器模块，用于接收控制器模块输出的控制信号并产生相应的驱动信号驱动固态继电器工作；固态继电器的控制端连接继电器驱动电路的输出端，固态继电器的活动端一端连接待测的模拟量信号，固态继电器的活动端另一端连接放大电路，固态继电器用于接收继电器驱动电路输出的驱动信号并工作，从而将待测的模拟量信号进行分时引入放大电路；放大电路的输出端与控制器模块连接，用于将固态继电器引入的待测的模拟量信号放大后输入到控制器模块。

本实用新型提供的这种多功能模拟量数据采集装置，通过模拟量分时采集模块对待测的多路模拟量进行分时采集，实现了多路模拟量的分时采集，而且同时兼顾了实时性和可靠性，同时通过可靠、科学的电路设计实现了多功能模拟量数据采集装置的可靠运行；因此本实用新型能够分时进行多路模拟量采集，数据采集实时高、可靠性高且成本相对低廉。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块图。

图2为本实用新型的电源模块的电路原理示意图。

图3为本实用新型的CAN总线通信模块的电路原理示意图。

图4为本实用新型的继电器驱动电路的电路原理示意图。

图5为本实用新型的固态继电器的电路原理示意图一。

图6为本实用新型的固态继电器的电路原理示意图二。

图7为本实用新型的放大电路的电路原理示意图。

图8为本实用新型的温度补偿模块的电路原理示意图。

图9为本实用新型的恒流源电路的电路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型的功能模块图：本实用新型提供的这种多功能模拟量数据采集装置，包括电源模块、控制器模块、温度采集模块、模拟量分时采集模块和通信模块；温度采集模块和模拟量分时采集模块均与控制器模块连接；电源模块用于为所述多功能模拟量数据采集装置供电；温度采集模块用于采集所述多功能模拟量数据采集装置所处的环境温度信息并上传控制器模块；模拟量分时采集模块用于对需要采集的多路模拟量进行分时采集，并将数据上传控制器模块；控制器模块用于控制所述多功能模拟量数据采集装置工作；通信模块与控制器模块连接，用于所述多功能模拟量数据采集装置与外部进行数据通信。在具体实施时，通信模块可以采用CAN总线通信模块，也可根据现场的具体需要，采用RS485通信模块、RS232通信模块、并口通信模块、无线通信模块等各类型的通信模块，或者上述各通信模块的组合。

如图2所示为本实用新型的电源模块的电路原理示意图：电源模块包括输入保护滤波电路、24V/12V转换电路、24V/24V隔离转换电路、24V/5V转换电路和5V/3.3V转换电路；输入保护滤波电路的输出端同时连接24V/12V转换电路、24V/24V隔离转换电路和24V/5V转换电路，24V/5V转换电路的输出端连接5V/3.3V转换电路；外部输入的24V电源信号通过输入保护滤波电路进行输入保护和滤波后分为三路稳定的24V信号，第一路稳定的24V信号通过24V/12V转换电路转换为±12V电源信号并供电，第二路稳定的24V信号通过24V/5V转换电路转换为5V电源信号并供电，第三路稳定的24V信号通过24V/24V隔离转换电路转换为带电气隔离的24V电源信号并供电；24V/5V转换电路输出的5V电源信号通过5V/3.3V转换电路转换为3.3V电源信号并供电；

其中，输入保护滤波电路包括输入滤波电容C1、保护二极管D1和D2、热敏电阻PTC2、共模滤波电感L6和输出滤波电容C2，外部输入的24V电源信号输入所述多功能模拟量数据采集装置后，通过电容C1滤波后，再通过保护二极管D1和D2防止电源反接，再通过热敏电阻PTC2进行短路保护，然后再通过共模滤波电感L6滤除电源信号中的共模信号，然后再通过电容C2滤波后，得到稳定的24V电源信号；得到的24V电源信号，分成三路：第一路24V电源信号输入到由型号为B24245-2W的电源芯片构成的带电气隔离的24V/24V隔离转换电路：其中在输入芯片前，通过电容C8进行滤波，然后24V电源信号输入到芯片的1脚，芯片的2脚接地，芯片的4脚悬空，芯片的3脚为隔离的输出地信号，芯片的5脚输出稳定的隔离24V电源信号，再通过热敏电阻PTC1进行短路保护，然后再通过滤波电容C9和C10滤波，以及二极管D5进行保护后，输出最终的隔离电源信号S24V；第二路24V电源信号输入到24V/12V转换电路：24V/12V转换电路主要由型号为E2412S-1W的电源芯片构成的电路，其中芯片的1脚为输入电源信号引脚并连接第二路24V电源信号，同时也通过滤波电容C3接地(同时也为芯片的2脚)，芯片的3脚和5脚分别输出-12V电源信号和+12V电源信号，同时两路信号稿子通过滤波电容(C4～C7)以及保护二极管(D3和D4)接地进行滤波和保护，最终得到稳定的+12V电源信号(图中标示+12V)和-12V电源信号(图中标示-12V)；第三路24V电源信号输入到24V/5V转换电路：24V/5V转换电路由型号为IF2405S-2W的电源芯片构成，芯片的1脚为电源输入引脚并连接第三路24V电源信号，同时也通过滤波电容C11接地滤波，芯片的3脚为输出的地信号引脚，5脚为输出的稳定的+5V电源信号(图中标示5V+)，然后还通过滤波电容C12接地滤波，同时通过保护二极管D6进行保护，同时还通过电阻R30和发光二极管D18进行电源状态指示；最后，得到的稳定的+5V电源信号输入到5V/3.3V转换电路：5V/3.3V转换电路由型号为MIC29150-3.3BU的电源芯片构成的电路，芯片的1脚连接5V电源信号，2脚和4脚接地，同时3脚输出稳定的3.3V电源信号，通过电容C15～C17接地滤波，同时也通过电阻R2和发光二极管D7进行电源状态的指示。

如图3所示为本实用新型的CAN总线通信模块的电路原理示意图：CAN总线通信电路为由型号为ISO1050的CAN总线通信芯片构成的电路；芯片的1脚连接电源信号VDD，芯片的2脚和3脚为CAN总线引脚，其通过匹配电阻R104和R105连接控制器电路的PA11和PA12引脚；芯片的4脚和5脚均接地，8脚连接电源信号ISOVCC；芯片的6脚和7脚为CAN总线引脚，其直接连接CAN1H和CAN1L信号，同时，该两路信号也通过电阻R22、R23和电容C22接地并滤波，同时两路信号之间还连接有芯片U5(型号为PESD1CAN)，用于对CAN1H和CAN1L之间的静电冲击进行保护。

如图4所示为本实用新型的继电器驱动电路的电路原理示意图：继电器驱动电路包括了各自独立的控制信号放大电路、控制信号稳定电路和通道选择电路；其中，控制信号放大电路由可靠的三极管放大电路构成，其中控制器模块的PB3、PD2、PC12、PC11、PC10和PA15引脚分别输出各自的控制信号，通过由输入电阻、三极管和输出电阻构成的三极管放大电路进行驱动能力的放大，其中，控制信号通过输入电路连接三极管的基级，三极管的集电极直接连接电源信号VDD，三极管的发射极通过输出电阻输出稳定的带有较好驱动能力的控制信号至固态继电器，从而驱动固态继电器的运行；然后，控制器模块输出的PB4～PB6控制信号通过施密特反向触发器SN74HC14PW(图中标示U39)进行控制信号的反向和稳定，然后得到最终的控制信号V-10V’、V-MV’和I-MA’输入到固态继电器，从而控制固态继电器的运行；最后，控制器模块还输出PA4～PA7共四路信号到由74HC138(图中标示U19)构成的译码器电路进行译码，从而实现由四路控制信号输出共6路输出信号的目的，并将输出的译码信号(CH0～CH5)输入到固态继电器，从而控制固态继电器工作。

如图5和图6所示为本实用新型的固态继电器的电路原理示意图。

如图5所示，其中电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R112连接固态继电器U32的3脚，固态继电器U32的4脚则连接信号V-MV’，固态继电器U32的3脚和4脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U32的5脚和6脚，5脚连接B-0信号，同时6脚连接VI+MV信号；类似的，电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R113连接固态继电器U32的1脚，固态继电器U32的2脚则连接信号V-10V’，固态继电器U32的1脚和2脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U32的8脚和7脚，7脚同样连接B-0信号，同时8脚连接VI+0～10V信号；其中电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R56连接固态继电器U16的3脚，固态继电器U16的4脚则连接信号R-RTD’，固态继电器U16的3脚和4脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U16的5脚和6脚，5脚连接B-0信号，同时6脚连接A-0信号；类似的，电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R114连接固态继电器U16的1脚，固态继电器U16的2脚则连接信号I-MA’，固态继电器U16的1脚和2脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U16的8脚和7脚，7脚同样连接C-0信号，同时8脚连接A-0信号；其中电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R116连接固态继电器U34的3脚，固态继电器U34的4脚则连接信号V-MV’，固态继电器U34的3脚和4脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U34的5脚和6脚，5脚连接C-0信号，同时6脚连接VI-MV信号；类似的，电源信号VDD(提供高电平信号)通过电阻R117连接固态继电器U34的1脚，固态继电器U34的2脚则连接信号V-10V’，固态继电器U34的1脚和2脚为一隔离继电器的原边，该隔离继电器的副边即为该固态继电器U34的8脚和7脚，7脚同样连接C-0信号，同时8脚连接VI-0～10V信号。

如图6所示，固态继电器U20的3脚连接信号CTL-A0’，2脚和4脚连接CH0信号，1脚连接CTL-A1’信号，5脚和7脚连接CH0-A信号，6脚连接A-0信号，8脚连接A-1信号；同样的，固态继电器U21的3脚连接信号CTL-B0’，2脚和4脚连接CH0信号，1脚连接CTL-B1’信号，5脚和7脚连接CH0-B信号，6脚连接B-0信号，8脚连接B-1信号，同时；CH0-B信号和CH0-A信号之间连连接有电阻R32；固态继电器U22的3脚连接信号CTL-C0’，2脚和4脚连接CH0信号，1脚连接CTL-C1’信号，5脚和7脚连接CH0-C信号，6脚连接C-0信号，8脚连接C-1信号。

上述的图4～图6一同构成了所述的模拟量分时采集模块；以下结合图4～图6，对模拟量分时采集模块进行说明：

本申请中，共有6个通道，分别为CH0～CH5(图6中只包含一个通道CH0)，每个通道又分成3个接口A\B\C，图6中的CH0就分为CH0-A、CH0-B和CH0-C。每一个接口由可以通过固态继电器切换到不同的线路中，例如CH0-A可以切换到A-0\A-1，CH0-B可以切换到B-0\B-1，CH0-0可以切换到C-0\C-1。这样就保证每一个通道能够通过使用不同的接线方式，从而对不同类型的模拟输入信号进行采集。

本申请需要采集的信号类型有电压信号(V)，热电偶信号(mV)，电流信号(mA)，热电阻信号。对应原理图中的控制信号分别为V-10V’、V-MV’、I-MA’、R-RTD’。由于电流信号和电阻信号都将转换成电压信号，所以本申请中有两个采集量程，mV级和V级，原理图中以差分信号接入，分别对应VI+MV、VI-MV、VI+0～10V、VI-0～10V。

不同信号的接线方式：热电偶信号(mV)和电压信号(V)采用下共同的接线方式(依然以CH0为例)：CH0-B接+、CH0-C接-；电流信号(mA)：CH0-B接+、CH0-A接-；热电阻接线方式(三线)：共同端分别接CH0-B和CH0-C，单独端接CH0-A。

固态继电器的切换：

如图6，控制信号有CH0、CTL-A0’、CTL-A1’、CTL-B0’、CTL-B1’、CTL-C0’、CTL-C1’。对于型号为AQW284EH的固态继电器的单独某路通道而言，只有在控制信号CH0为低，控制信号CTL-X(包括CTL-A0’、CTL-A1’、CTL-B0’、CTL-B1’、CTL-C0’和CTL-C1’)为高时，固态继电器的原边才能够导通。所以就可以使CH0～CH5分别作用于6个通道，其他6个控制信号CTL-X共同作用于6个通道。这时，只要由图4中的三-八译码器74HC138输出CHx(比如CH0)信号为低，控制其他CTL-X(比如CTL-A0’、CTL-A1’、CTL-B0’、CTL-B1’、CTL-C0’和CTL-C1’)信号状态，那么在同一时刻将只会打开CHx通道(由74HC138的真值表可知)，且切换到CTL-X信号所控制的通道中。例如控制CH0为低，CTL-A0’为高，那么CH0-A和A-0将导通，其他亦然。

如图5，控制信号有V-10V’、V-MV’、I-MA’、R-RTD’。所有的模拟输入信号最终都是切换到了通道A-0、B-0、C-0，然后由V-10V’、V-MV’、I-MA’、R-RTD’各自控制不同的信号类型，接入到不同的量程中(MV和0～10V)，同一时刻只能一个量程通道只能接入一种信号类型。例如，控制V-MV为低，B-0和V+MV导通，C-0和V-MV导通，这样就可以使B-0和C-0通道上的MV信号切换到运放中，经放大或跟随处理进ADC。

所以，根据上述的内容，本申请的模拟量分时采集模块的工作原理如下所述(同样以CH0通道为例，剩余的CH1～CH5通道均采用与图5～图6相同的电路原理图即可)：

采集热电偶信号(mV)：首先通过CH0-B(连接被测热电偶信号的+极)、CH0-C(连接被测热电偶信号的-极)接入。然后控制CH0为低，控制CTL-B0’为高，CTL-C0’为高，这时CH0-B和B-0导通，CH0-C和C-0导通。也就是mV信号切换到了B-0和C-0上。最后控制控制V-MV’为低，B-0和V+MV导通，C-0和V-MV导通。这样就可以使B-0和C-0通道上的MV信号切换到后续电路中，经放大或跟随处理后进行AD转换(模数转换)。

采集电压信号(V)：首先需要采集的信号通过CH0-B(连接被测电压信号的+极)、CH0-C(连接被测电压信号的-极)接入。然后控制CH0为低，控制CTL-B0’为高，CTL-C0’为高，这时CH0-B和B-0导通，CH0-C和C-0导通。也就是电压(V)信号切换到了B-0和C-0上。最后控制V-10V’为低，B-0和V+0～10V导通，C-0和V-0～10V导通。这样就可以使B-0和C-0通道上的电压(V)信号切换到后续电路中，经放大或跟随处理后进行AD转换。

采集电流信号(mA):首先通过CH0-B(连接被测电流的+极)、CH0-A(连接被测电流的-极)接入，这时将会在250欧姆的电阻上产生电压信号，电流信号也就转换为了电压信号。然后控制CH0为低，控制CTL-B0’为高，CTL-A0’为高,这时CH0-B和B-0导通，CH0-A和A-0导通，最后控制I-MA’为低，控制V-10V’为低，这时A-0和C-0导通，C-0和V-0～10V，B-0和V+0～10V导通。这样就可以使B-0和A-0通道上的电压(V)信号切换到运放中，经放大或跟随处理后进行AD转换。

热电阻：热电阻是三根线，所以共同端分别接CH0-B和CH0-C，单独端接CH0-A。采集分两部分，热电阻的阻值采集和热电阻线阻采集，这两个阻值之差才是准确的热电阻阻值。

热电阻阻值采集：首先控制CH0为低，控制CTL-A1’和CTL-C1’为高，这时CH0-A和A-1导通，CH0-C和C-1导通。由恒流源电路部分可知，在C-1和A-1上是产生了300uA的电流的，所以接入CH0-A和CH0-C之间的热电阻获得了一个电流产生了电压。这时再控制CTL-A0’和CTL-C0’为高，那么CH0-A和A-0导通，CH0-C和C-0导通，即由热电阻和恒流源产生的电压信号将切换到A-0和C-0上。最后控制R-RTD’和V-10V’为低，A-0和B-0导通，B-0和V+0～10V导通，C-0和V-0～10V导通。这样就可以使A-0和C-0上的电压信号切换到运放中，经放大或跟随处理后进行AD转换。

热电阻线阻采集：首先控制CH0为低，控制CTL-B1’和CTL-C1’为高，这时CH0-B和B-1导通，CH0-C和C-1导通。由恒流源电路部分可知，在B-1和A-1上是产生了300uA的电流的，所以接入CH0-B和CH0-C之间的热电阻线阻获得了一个电流产生了电压。然后再控制CTL-B0’和CTL-C0’为高，那么CH0-B和B-0导通，CH0-C和C-0导通，即由热电阻和恒流源产生的电压信号将切换到B-0和C-0上。最后控制V-10V’为低，B-0和V+0～10V导通，C-0和V-0～10V导通。这样就可以使B-0和C-0上的电压信号切换到运放中，经放大或跟随处理后进行AD转换。

如图7所示为本实用新型的放大电路的电路原理示意图：放大电路主要分为两部分，上部分的电路用于对0～10V的电压信号进行放大，下部分的电路用于对mV级的电压信号进行放大。上部分电路中，采样得到的0～10V电压信号(图中标示VI-0～10V和VI+0～10V)输入到电路中，通过两个RC滤波电路(R65和C40，R67和C41)进行了滤波后，分别通过各自的电压跟随器进行电压跟随后，各自输入到运放U14-B的输入正极和输入负极，从而通过运放得到放大后的0～10V的电压采样信号，然后通过电阻采样电路(R72、R8、R74和R73)进行采样后，输入到控制器模块的PA1引脚，同时采样信号也通过齐纳二极管D30进行电压保护，防止电压过高损害控制器模块。类似的，mV级的电压采样信号(图中标示VI-MV和VI+MV)通过各自的RC滤波电路(R75和C42，R77和C43)进行滤波后，输入到由运放构成的差分放大电路进行电压信号放大，放大后的采样信号输入到运放U15-B构成的运算放大器进行放大，同时运放U15-B的输入负极还连接有基准电压电路(由电阻R48～R50、二极管D13和D14、滤波电容C31和C32组成)并为运放U15-B的输入负极提供基准电压，从而将运放U15-B的输出电压进行提升；运放U15-B的输出端通过电阻采样电路(由R82、R20、R84和R83组成)对输出的电压信号进行采样，并输入到控制器模块的PA0引脚，同时该信号也通过齐纳二极管D31进行保护，从而防止电压过高损坏控制器模块。

如图8所示为本实用新型的温度补偿模块的电路原理示意图：其中，温度补偿模块由型号为AD590的温度传感器和信号处理电路构成；温度传感器与信号处理电路串接；温度传感器用于将温度的变化量转换为输出量的变化，然后输出量的变化值通过信号处理电路进行处理后上传至控制器模块；图中，AD590_IN为温度传感器AD590的信号输出端，其直接连接运放U2-A的输入正极，运放U2-A构成一个电压跟随器，避免信号分流；电压跟随器的输出端连接由运放LM124(图中标示U2-B)构成的放大电路进行电压放大，经过放大后的电压再由电阻R51～R53进行分压后输入到控制器模块；其中在输入控制器模块时还通过齐纳二极管D15进行保护。

如图9所示为本实用新型的恒流源电路的电路原理示意图：恒流源电路为由型号为OPA2335AID的运放构成的恒流源电路；其中，芯片的1脚为输出引脚，其输出最终的恒流源信号B-1，同时该路信号也连接到芯片的5脚，芯片的2脚通过下拉电阻R4接地，同时也通过电阻R5连接芯片的1脚，芯片的3脚通过电阻R3连接电源信号VDD3.3V；芯片的4脚接地，8脚连接电源信号，芯片的6脚直接连接芯片的7脚，同时芯片的7脚还通过电阻R7连接芯片的3脚。恒流源电路共包含两路一模一样的恒流源电路，用于输出两路300μA的恒定电流，并给热电阻及其线组提供电流。