微功耗多功能集成数据采集单元的制作方法

本发明涉及土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业，尤其涉及一种微功耗多功能集成数据采集单元。

背景技术：

近一两年以来，特长、大型桥梁除了需要进行部署健康监测系统外，目前很多城市和省道中小型桥梁健康监测需求也增多起来，一方面，中小型桥梁属于易忽视桥梁，甚至养护盲区桥梁。另一方面，中小型桥梁，数量众多，分布分散，很难承担起来完整监测系统造价，那么这种情况下，中小桥梁的针对性解决方案，或者说功能模块化的解决方案，可能是目前的一个比较符合实际情况的解决方案。

而现有的中小桥梁解决方案主要存在以下问题：

1、采集设备功能单一，外形尺寸大，供电外置分散，如果要装配采集箱，由于需要组合导致防护箱体积大，箱体内部布置难以规范标准统一，产品生产必须每次根据项目不同临时装配采集防护箱，供货效率低，质量难以把控。

2、集成传输采用集中模式，施工布线距离过大，在一些稍长的桥梁上施工过于繁琐，效率不高，集中模式还可能因dtu或者供电问题导致整体系统失效。

3、数据采集模块更换测试困难；主要体现在产品后期维护的过程中，当需要更换采集模块时，拆卸与安装十分困难，给现场技术人员带来了极大的困难。同时在现场测试以及传感器接线都非常不便，现场测试必须携带电脑或让远端网络在线人员协助查看数据，增加了不必要的步骤。

4、数据采集模块集成度不高，体积庞大，功能单一；当前数据采集箱内模块布局不是很合理，浪费了一些不必要的空间导致采集箱体积庞大，且功能单一。

5、数据采集仪发生问题后基本上是需更换整台采集设备，也没有现场维修测试的便利性条件；现场设备维护当需要更换采集设备时，是整台设备更换，更换后设备存储、设备信息都要重新刷新，增加了系统维护成本。

6、数据采集箱内走线布置不规范，调试困难；走线混乱，容易导致线缆接错也给接线人员带来一定的困扰。

7、数据采集箱生产组装过程繁琐；采集箱生产流程较复杂，消耗了不必要的人力物力，重复性测试工作较多。

8、数据采集箱防水、防尘、防潮、防雷击效果差。

9、无故障自诊断，不便于技术人员排查问题。当前产品测试和问题判断完全依靠测试人员主动排查，对测试人员要求太高，人机交互性也高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种高集成度、方便更换维修安装、高防护等级的微功耗多功能集成数据采集单元。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

设计一种微功耗多功能集成数据采集单元，它包括微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、rs485信号扩展模块、idc灰排线、idc插座、锂电池、dtu数传模块、开关电源、天线、10w/18v太阳能电池板、信号开关、4～20ma信号调理模块、±10v电压信号调理模块、仪表放大器、激励模块、恒流源激励模块、工频滤波器、抗混叠滤波器、模数转换器、微控制器、rtc实时时钟、eeprom、以太网接口、usb接口、全隔离rs485对外接口、非隔离rs485对内接口、i2c防护电路、电源管理模块、锂电池管理模块、电源状态监控模块、外部电源抗浪涌接口、抗浪涌信号接口、led通道状态指示灯、rs485信号共模滤波器、io扩展器、多路复用器、对外电路防护接口、rs485防护电路接口、dc-dc隔离电源。

微功耗数据采集器通过idc灰排线和idc插座将模拟信号扩展模块与rs485信号扩展模块级联，并通过10w/18v太阳能电池板对锂电池进行充电；微功耗数据采集器通过信号开关对4～20ma信号调理模块和±10v电压信号调理模块的切换，实现一个通道能够测量多种物理量的功能；rs485防护电路接口通过rs485信号共模滤波器与微功耗数据采集器的非隔离rs485对内接口进行通信；微控制器通过全隔离rs485对外接口与dtu数传模块与云服务器进行通信。

激励模块对外部4～20ma型传感器提供电源，并通过4～20ma信号调理模块进行调理，再经过模数转换器进行采集。

微控制器通过信号开关实现对外部电压信号的测量，并通过内部±10v电压信号调理模块进行电压转换，再经过模数转换器进行采集。

振弦传感器通过抗浪涌信号接口再经过信号开关切换后连接仪表放大器，并通过工频滤波器和抗混叠滤波器调理后送给模数转换器进行采集。

微控制器通过电源管理模块内部的电子开关，对外设进行低功耗管理。

本发明的有益效果在于：

本设计所提出的微功耗多功能集成数据采集单元可提高设备的野外恶劣环境下的生存能力。同时采集单元能够兼容多种物理量的测量，其中振弦信号、电压信号、4～20ma电流信号为模拟信号采集板，能够一个通道通过功能配置，实现振弦信号、电压信号、4～20ma电流信号三种信号的切换测量，极大地提高了系统的灵活性和组合性。rs485信号单独为一个全隔离的数字信号采集板，能够兼容rs485接口的所有类型传感器。这样，单独一个采集单元的功能就非常丰富而且灵活，相比于当前的单一功能的数据采集单元，本发明极大地使系统的性价比达到最佳，以最低的成本实现更多的功能和更小的体积以及可靠性，非常适合轻量化系统的快速部署和实施。

本发明专利解决了目前工程应用中，在进行不同物理量监测对象测量时，系统集成困难、系统复杂、体积大、需要考虑不同厂家的传感器集成、系统维护困难、成本高等问题。本系统只需要一个数据采集单元，即可解决各类物理量传感器的测量，同时对于外部电源的要求不高，适合在无法提供市电的场景中应用，本系统通过使用不同类型物理量的采集模块(模拟信号、rs485信号)集成在一个数据采集单元内，极大的提高了系统的集成度，也大大减少了成本(实施、维护)，同时每个采集模块可以混搭，模拟信号采集模块的同一通道可以通过配置实现三种物理量信号的测量，极大的提高了系统灵活性，为实现轻小型集成系统提供了可靠的低成本方案，提高了系统的市场竞争力和适用性。

附图说明

图1为本发明的微功耗多功能数据采集单元框图；

图2为本发明中的微功耗数据采集器电气原理框图；

图3为本发明中的模拟信号扩展模块框图；

图4为本发明中的s485信号扩展模块框图；

图5为本发明中的微功耗数据采集器内部的电压信号测量电路示意图；

图6为本发明中的微功耗数据采集器内部的4～20ma电流信号测量电路示意图；

图7为本发明中的微功耗数据采集器内部dc-dc转换电路示意图；

图8为本发明中的微功耗数据采集器内部电源状态监控电路模块示意图；

图9为本发明中的模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块的i2c接口的io扩展器示意图；

图10为本发明中的rs485信号扩展模块内置的隔离电源示意图；

图11为本发明中的微功耗数据采集器内部的激励模块示意图；

图12为本发明中的微功耗数据采集器与模拟信号扩展模块的信号与接地回路示意图；

图13为本发明中的微功耗数据采集器与rs485信号扩展模块的信号与接地回路示意图；

图14为本发明中的微功耗多功能集成数据采集单元的低功耗逻辑框图。

图中：

1、微功耗数据采集器；2、模拟信号扩展模块；3、rs485信号扩展模块；4、idc灰排线；5、idc插座；6、锂电池；7、dtu数传模块；8、开关电源；9、天线；10、10w/18v太阳能电池板；

11、信号开关；12、4～20ma信号调理模块；13、±10v电压信号调理模块；14、仪表放大器；15、激励模块；16、恒流源激励模块17、工频滤波器；18、低通滤波器；19、模数转换器；20、微控制器；

21、rtc实时时钟；22、eeprom；23、以太网接口；24、usb接口；25、全隔离rs485对外接口；26、非隔离rs485对内接口；27、i2c防护电路；28、电源管理模块；29、锂电池管理模块；30、电源状态监控模块；

31、外部电源抗浪涌接口；32、锂电池(同示图1中的锂电池(6))；33、微功耗数据采集器idc接口；

34、模拟信号扩展模块idc插座；35、i2c防护电路；36、led通道状态指示灯；37、io扩展器；38、信号继电器组；39、抗浪涌信号接口；40、rs485信号扩展模块idc插座；

41、i2c防护电路；42、led通道状态指示灯；43、rs485信号共模滤波器；44、io扩展器；45、多路复用器；46、对外电源防护接口；47、rs485防护电路接口；48、dc-dc隔离电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例1：一种微功耗多功能集成数据采集单元，参见图1至图14。

它包括微功耗数据采集器1、模拟信号扩展模块2、rs485信号扩展模块3、idc灰排线4、idc插座5、锂电池6、dtu数传模块7、开关电源8、天线9、10w/18v太阳能电池板10、信号开关11、4～20ma信号调理模块12、±10v电压信号调理模块13、仪表放大器14、激励模块15、恒流源激励模块16、工频滤波器17、抗混叠滤波器18、模数转换器19、微控制器20、rtc实时时钟21、eeprom22、以太网接口23、usb接口24、全隔离rs485对外接口25、非隔离rs485对内接口26、i2c防护电路27、电源管理模块28、锂电池管理模块29、电源状态监控模块30、外部电源抗浪涌接口31、抗浪涌信号接口39、led通道状态指示灯42、rs485信号共模滤波器43、io扩展器44、多路复用器45、对外电路防护接口46、rs485防护电路接口47、dc-dc隔离电源48。

其中，微功耗数据采集器1通过idc灰排线4和idc插座5将模拟信号扩展模块2与rs485信号扩展模块3级联，并通过10w/18v太阳能电池板10对锂电池6进行充电；微功耗数据采集器1通过信号开关11对4～20ma信号调理模块12和±10v电压信号调理模块13的切换，实现一个通道能够测量多种物理量的功能；rs485防护电路接口47通过rs485信号共模滤波器43与微功耗数据采集器1的非隔离rs485对内接口26进行通信；微控制器20通过全隔离rs485对外接口25与dtu数传模块7与云服务器进行通信。

激励模块15对外部4～20ma型传感器提供电源，并通过4～20ma信号调理模块12进行调理，再经过模数转换器19进行采集。

微控制器20通过信号开关11实现对外部电压信号的测量，并通过内部±10v电压信号调理模块13进行电压转换，再经过模数转换器19进行采集。

振弦传感器通过抗浪涌信号接口39再经过信号开关11切换后连接仪表放大器14，并通过工频滤波器17和抗混叠滤波器18调理后送给模数转换器19进行采集。

微控制器20通过电源管理模块28内部的电子开关，对外设进行低功耗管理。

更为具体的，整个系统由微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、rs485信号扩展模块组成，其中模拟信号扩展模与rs485信号扩展模块作为数据采集子板，电源统一由微功耗数据采集器提供，同时模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块两个子模块的通道切换逻辑控制也是通过微功耗数据采集器的i2c的进行通信控制。

如示图1，微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、rs485信号扩展模块通过idc灰排线通过idc插座进行级联，一个系统由1个微功耗数据采集器和8个模拟信号扩展模块或rs485信号扩展模块组成，其中模拟信号扩展模块与rs485信号扩展模块可以混搭，但总数量不能超过8块，同时8块模块通过每个模块上的三位拨码开关设置本模块的地址。其中模拟信号扩展模块的三种物理量：振弦信号、电压信号、4～20ma电流信号通过内部信号切换电路实现三种信号的任意配置。微功耗数据采集器通过外部rs485接口与dtu数传模块进行数据交互。

dtu数据传输模块通过3g/4g无线网络与云服务中心进行数据通信，接收来自云平台的控制采集命令，实现远程在线监测。内部锂电池作为主要能量提供部件，太阳能电池板为锂电池进行充电。整个系统在微功耗数据采集器的管理下，实现微功耗运行。预留的开关电源8是在具有市电供电的场景中作为备用电源输入。

对于上述微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、rs485信号扩展模块，其中：

一、微功耗数据采集器：微功耗数据采集器作为整个数据采集单元的控制中枢，起着：信号数据采集、调理、转换、通信、低功耗控制等关键作用。其中rs485通信分两部分，一个是跟外部通过dtu数传模块与云服务中心进行通信，另一个是本系统内部，用于跟rs485信号扩展模块进行通信的接口，主要负责与rs485型传感器进行通信，两个rs485接口通过在微控制器实现数据链接，在数据链接前，微控制器可以通过程序将外部不同通信协议的传感器统一转换成标准协议再通过全隔离rs485对外接口与云中心通信，减轻云服务器侧的协议处理的压力。

恒流源激励模块16对外部热敏电阻型温度传感器提供激励源，实现对热敏电阻型温度传感器的测量。

4～20ma信号调理模块12与±电压信号调理模块13将外部模拟信号4～20ma型、电压型传感器的信号调理到模数转换器能够测量的电压范围内。

模数转换器有多个输入接口，可以处理单极性单端信号、单极性差分信号，其中振弦信号、外部电压电流型传感器信号、以及本单板上的电源状态监控模块的信号都挂载在同一块模数转换器上。

整个系统的低功耗控制参考图14所示，整个系统的除了微控制器外的所有外设包括：模拟电路部分、激励电源、部分数字电路(以太网、usb、rs485、rtc、eeprom)、模拟信号扩展模块、rs485信号扩展模块都是通过内部的电子开关进行控制，根据不同的功耗等级，微控制器程序中提前预置好功耗控制要求，在工作时启动相关电路的电源，工作完成后再关闭。

一般系统都是等间隔的采集粒度进行工作，比如半小时采集一次数据，这样在采集完成后，整个系统都进入休眠模式，包括微控制器20自己也进入休眠模式，使整个系统进入低功耗，此时外部太阳能电池板通过锂电池管理模块以最大效率对锂电池充电(当然在系统工作时，太阳能电池板也会给锂电池和系统提供能量)。由于系统的信号链只有一条，所以前端通过信号开关通过逻辑切换实现不同信号与后级信号调理电路的连通与切断。i2c接口用于微控制器与模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块上的io扩展器进行通信，用于选通打开被测试通道连接信号链，实现通道扩展。

二、模拟信号扩展模块，通过idc插座与微功耗数据采集器实现电气连接，接收其提供的电源和通信信号。单板上的io扩展器驱动信号继电器选通和关断外部传感器的连接。每一路信号接口配置有抗浪涌防护电路，提高系统防护能力。每个通道配置一个led通道状态指示灯，用于显示本通道连接传感器的工作状态。

三、rs485信号扩展模块，通过idc插座与微功耗数据采集器实现电气连接，接收其提供的电源和通信信号。单板上的io扩展器驱动多路复用器45选通和关断外部传感器的连接。rs485共模滤波器用于改善外部rs485型传感器输出的信号质量。每一路信号接口配置有抗浪涌防护电路，提高系统防护能力。每个通道配置一个led通道状态指示灯，用于显示本通道连接传感器的工作状态。由于rs485信号扩展模块需要对外部rs485型传感器提供电源，所以在本单板上配置有dc-dc隔离电源。

本实施例中，微控制器20采用st公司的stm32f107系列处理器，具有usb、以太网接口的驱动能力。模数转换器19采用adi公司的ad7689系列的4通道全差分/8通道单端、250ksps、16bit型模数转换器，同时具有3.5mw的极低功耗。仪表放大器14采用adi公司的ad8422实现对振弦信号的100倍增益放大。i2c防护电路27通过使用三端滤波器和esd静电防护期间组成保护电路，保护i2c接口在进行模块插拔时对接口的损坏。全隔离rs485对外接口25采用adi公司的adm2587全隔离rs485驱动器，内部除了rs485信号隔离外，同时集成了隔离电源，省去外部隔离电源的配置，由于其是与外部dtu或rs485总线通信，所以使用全隔离型号提高其防护能力。

其非隔离rs485对内接口26是与rs485信号扩展模块进行通信的接口，由于是内部接口，防护能力要求不是很高，没必要采用全隔离型接口，所以采用ti公司的sn65hvd72型号的rs485驱动器。电源状态监控模块30通过电阻分压和运放缓冲，以及一定的过压防护措施，连接到模数转换器上，通过对电压的监测，判断系统当前的系统供电运行情况。如当系统的电量较低或者外部电源突然断电时，系统会将对应的电源信息作为诊断信息上报给云服务器，以便及时发出预警。

其所述锂电池管理模块29采用美信公司的max1873芯片实现对7.4v锂电池的充电管理，该芯片可以接受外部由开关电源8提供的直流电源，也可以接受外部10w/18v太阳能电池板10提供的电源，当max1873工作在低功耗模式时，其自身电流消耗不到10ua，非常适合本系统的低功耗要求。

在模拟信号扩展模块中，io扩展器采用ti公司的tca9535，具有16位逻辑io输出，意味着最大支持16个通道的控制。信号机继电器采用欧姆龙的g6k系列贴片型信号继电器。

在rs485信号扩展模块中，io扩展器采用ti公司的tca9535，具有16位逻辑io输出，意味着最大支持16个通道的控制。多路复用器可采用两颗adi公司的adgs5414，每颗芯片具有8路信号通断控制功能。由于本单板需要对外部提供电源，为了提高系统防护外部异常的能力，该电源采用隔离电源，型号可选择金升阳科技的wrb1212s型号隔离电源，实现系统侧和外部传感器侧的电源隔离。

以上各所述电路参考图5至图14所示。

图1中，模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块可以混搭，每个扩展模块上有两个引脚对引脚一一连接的idc插座，两个插座的电气特性和定义完全一样，即在内部是通过pcb上的走线直连在一起的，目的是为了每个扩展模块级联时能够通过idc灰排线方便级联。开关电源是用于当系统在有市电供电的场景时，从外部取电的情况，相当于一路备用电源。

图2中，整个系统工作在有市电的场景时，通过外部电源抗浪涌接口31对系统提供电源，同时为内部锂电池充电，当系统意外断电时，系统通过内部锂电池管理模块29自动切换到内部锂电池32为系统供电。如果系统工作环境没有市电，则系统外部电源由10w/18v太阳能电池板10为系统提供电源。

图3中，信号继电器组38为多个信号继电器组成，每个信号继电器对应一个传感器通道。抗浪涌信号接口39是由二级浪涌防护电路组成，一般是gdt和tvs的组合。

图4中，led通道状态指示灯42与模拟信号扩展模块一样，用于指示当前通道传感器的接通、断开、工作模式等信息的显示，是通过led灯的间歇式闪烁的周期差异进行区别。dc-dc隔离电源48用于为外部rs485型传感器提供隔离电源。

图5是微功耗数据采集器内部的电压信号测量电路，可以测量外部±10v的电压信号范围，将其调理到适合模数转换器测量的0～5v范围。

图6是微功耗数据采集器内部的4～20ma电流信号测量电路，用于将电流信号转换成适合模数转换器测量的电压信号范围。

图7是微功耗数据采集器内部dc-dc转换电路，用于将外部12v的粗电源经过变换后得到5v的精确电源，同时dc-dc能够保证较高的转换效率，对于本发明的低功耗设计，对能耗有要求的场景非常适合。

图8是微功耗数据采集器内部电源状态监控电路模块，用于监控系统的供电状态，包括：①当bat_vol引脚电压小于1.2v时，对应没有外部电源供电同时内部锂电池电量低；②当bat_vol引脚电压在1.4～2.2v之间时，无外部电源供电但锂电池电量充足；③当bat_vol引脚电压大于2.2v时，说明系统由外部电源(市电)供电。

图9是模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块的i2c接口的io扩展器，用于驱动led通道状态指示灯、控制信号(模拟、rs485)通道的打开与关闭。其中sw1为拨码开关，用于片选每块模拟信号扩展模块和rs485信号扩展模块的模块地址。

图10是rs485信号扩展模块内置的隔离电源，用于对外部rs85型传感器提供电源。rt1和rt2为自恢复保险丝，用于当外部电源异常短路时，能够及时切断电源，在异常消失后，自恢复保险丝再重新接通。

图11是微功耗数据采集器内部的激励模块，他有两个作用，一个是为测量振弦信号提供激励电压，另一个是为测量外部4～20ma型传感器提供电源。

图12是微功耗数据采集器与模拟信号扩展模块的信号与接地回路示意图，用于说明系统的系统地(数字第dgnd)、防护地、屏蔽地之间的电气连接关系。

图13是微功耗数据采集器与rs485信号扩展模块的信号与接地回路示意图，用于说明系统的系统地(数字第dgnd)、防护地、屏蔽地之间的电气连接关系。

图14是微功耗多功能集成数据采集单元的低功耗逻辑框图，显示了整个系统的在低功耗和正常模式运行时，哪些模块关闭电源、哪些模块启动电源。图中switch表示电子开关，由mcu逻辑信号控制打开和关闭。每个模块标识除了静态电流和负载电流，用于估算系统总功耗。

综上所述，本设计所提出的微功耗多功能集成数据采集单元可提高设备的野外恶劣环境下的生存能力。同时采集单元能够兼容多种物理量的测量，其中振弦信号、电压信号、4～20ma电流信号为模拟信号采集板，能够一个通道通过功能配置，实现振弦信号、电压信号、4～20ma电流信号三种信号的切换测量，极大地提高了系统的灵活性和组合性。rs485信号单独为一个全隔离的数字信号采集板，能够兼容rs485接口的所有类型传感器。这样，单独一个采集单元的功能就非常丰富而且灵活，相比于当前的单一功能的数据采集单元，本发明极大地使系统的性价比达到最佳，以最低的成本实现更多的功能和更小的体积以及可靠性，非常适合轻量化系统的快速部署和实施。

本发明专利解决了目前工程应用中，在进行不同物理量监测对象测量时，系统集成困难、系统复杂、体积大、需要考虑不同厂家的传感器集成、系统维护困难、成本高等问题。本系统只需要一个数据采集单元，即可解决各类物理量传感器的测量，同时对于外部电源的要求不高，适合在无法提供市电的场景中应用，本系统通过使用不同类型物理量的采集模块(模拟信号、rs485信号)集成在一个数据采集单元内，极大的提高了系统的集成度，也大大减少了成本(实施、维护)，同时每个采集模块可以混搭，模拟信号采集模块的同一通道可以通过配置实现三种物理量信号的测量，极大的提高了系统灵活性，为实现轻小型集成系统提供了可靠的低成本方案，提高了系统的市场竞争力和适用性。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。