一种数据采集装置的制作方法

1.本实用新型涉及自动化技术领域，尤其涉及一种数据采集装置。


背景技术：

2.近年来，传统污水处理厂中的自动控制系统得到了快速的发展，除了常用的由可编程逻辑控制器(programmable logic controller，简称：plc)组建的集散控制系统(distributed control system，简称：dcs)外，分布式自动控制系统也逐渐在行业中得到了应用。
3.现有技术中的分布式自动控制系统，通常是为每一个被控设备配置一套数据采集装置，使被控设备在本地实现数据数字化。其中，该系统中的数据采集装置为了满足各数据采集模组的用电需求，该装置中的电源供电模块连接多个不同的供电电源。
4.但是，由于数据采集装置是分布式安装的，数据采集装置不得不采用220v供电方式，而该装置中的各模组的用电电压不同，这就需要为其铺设大量电源电缆，导致其断电调试或更换过程较为繁琐。因此，急需一种布线简单的数据采集装置，对节省其制造成本有重要意义。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种数据采集装置，以解决现有技术中的数据采集装置布线复杂等缺陷。
6.本实用新型提供一种数据采集装置，包括：电源供电模块，所述电源供电模块包括：隔离变压器、poe取电电路、组网通信接口和电源电路；
7.所述隔离变压器的输入端通过组网通信接口与外部供电电源连接，输出端与所述poe取电电路的输入端连接；所述poe取电电路的输出端与所述电源电路的输入端连接，所述电源电路的输出端与数据采集装置内部的各供电端口连接。
8.可选的，所述poe取电电路包括poe取电模组；
9.所述poe取电模组的输入端与所述隔离变压器的输出端连接，输出端与所述电源电路的输入端连接。
10.可选的，所述poe取电模组为wc
‑
pd30d240lv模组。
11.可选的，所述poe取电电路还包括抗干扰电路；
12.所述抗干扰电路的输入端与所述poe取电模组的输出端连接，输出端与所述电源电路的输入端连接；
13.所述抗干扰电路包括电感和安规电容。
14.可选的，所述电源电路包括第一电源电路和第二电源电路；
15.所述第一电源电路包括隔离降压芯片，所述隔离降压芯片的输入端与所述poe取电电路的输出端连接，输出端分别与所述第二电源电路的输入端及数据采集装置内部的各第一供电端口连接；
16.所述第二电源电路包括稳压芯片，所述稳压芯片的输入端与所述隔离降压芯片的输出端连接，输出端与所述数据采集装置内部的各第二供电端口连接；
17.其中，所述第一供电端口和第一供电端口的用电电压不同。
18.可选的，所述装置还包括：主控制器和与主控制器电连接的外围电路，所述外围电路包括：复位电路和看门狗电路。
19.可选的，所述装置还包括：数字量采集模块，所述数字量采集模块包括：第一开关量输入端口、开关量输出端口、第一光耦合器、驱动电路、第二光耦合器和继电器；
20.所述第一光耦合器的输入端与所述第一开关量输入端口连接，输出端与所述主控制器连接；
21.所述第二光耦合器的输入端分别与所述主控制器和所述驱动电路的输出端连接，输出端与所述继电器的输入端连接；
22.所述驱动电路的输入端与所述主控制器连接；
23.所述继电器的输出端与所述开关量输出端口连接。
24.可选的，所述装置还包括：模拟量采集模块，所述模拟量采集模块包括：扩展接口、第一信号调理电路、模拟量输入端口、第三光耦合器、第二开关量输入端口、第二信号调理电路、信号隔离电路和模拟量输出端口；
25.所述模拟量输入端口依次通过所述第一信号调理电路和所述扩展接口，与主控制器连接；
26.所述第二开关量输入端口依次通过所述第三光耦合器和所述扩展接口，与所述主控制器连接；
27.所述主控制器依次通过所述扩展接口、所述第二信号调理电路和所述信号隔离电路，与所述模拟量输出端口连接。
28.可选的，所述装置还包括：数字传感器接口和磁耦合器；
29.其中，所述数字传感器接口通过所述磁耦合器与主控制器连接。
30.可选的，所述装置还包括：物理层芯片；
31.所述物理层芯片的输入端与所述隔离变压器的输出端连接，输出端与主控制器连接。
32.本实用新型技术方案，具有如下优点：
33.本实用新型提供的数据采集装置，包括：电源供电模块，该电源供电模块包括：隔离变压器、poe取电电路、组网通信接口和电源电路；隔离变压器的输入端通过组网通信接口与外部供电电源连接，输出端与poe取电电路的输入端连接；poe取电电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与数据采集装置内部的各供电端口连接。上述方案提供的数据采集装置可以基于poe取电电路对整个数据采集装置进行供电，简化了数据采集装置的施工布线，提高了抗干扰能力，节省了占地面面积，同时节省了制造成本，且poe取电电路可热插拔，检修、更换无需停电作业，不会影响其他设备的正常运行。
附图说明
34.为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是
本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本实用新型实施例提供的数据采集装置的结构示意图；
36.图2为本实用新型实施例提供的poe取电电路的结构示意图；
37.图3为本实用新型实施例提供的电源供电模块的结构示意图；
38.图4为本实用新型实施例提供的隔离变压器的结构示意图；
39.图5为本实用新型实施例提供的主控制器的结构示意图；
40.图6为本实用新型实施例提供的数字量采集模块的结构示意图；
41.图7为本实用新型实施例提供的扩展接口的结构示意图；
42.图8为本实用新型实施例提供的第一信号调理电路的结构示意图；
43.图9为本实用新型实施例提供的第二信号调理电路和信号隔离电路的结构示意图；
44.图10为本实用新型实施例提供的物理层芯片的结构示意图。
45.通过上述附图，已示出本实用新型明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
46.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
47.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在以下各实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
48.现有技术中的分布式自动控制系统，通常是为每一个被控设备配置一套数据采集装置，使被控设备在本地实现数据数字化。其中，该系统中的数据采集装置为了满足各数据采集模组的用电需求，该装置中的电源供电模块连接多个不同的供电电源。但是，由于数据采集装置是分布式安装的，数据采集装置不得不采用220v供电方式，而该装置中的各模组的用电电压不同，这就需要为其铺设大量电源电缆，导致其断电调试或更换过程较为繁琐。
49.针对上述问题，本实用新型实施例提供的数据采集装置，包括：电源供电模块，该电源供电模块包括：隔离变压器、poe取电电路、组网通信接口和电源电路；隔离变压器的输入端通过组网通信接口与外部供电电源连接，输出端与poe取电电路的输入端连接；poe取电电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与数据采集装置内部的各供电端口连接。上述方案提供的数据采集装置可以基于poe取电电路对整个数据采集装置进行供电，简化了数据采集装置的施工布线，提高了抗干扰能力，节省了占地面面积，同时节省了制造成本，且poe取电电路可热插拔，检修、更换无需停电作业，不会影响其他设备的正常运行。
50.下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本实用新型实施例进行描述。
51.本实用新型实施例提供了一种数据采集装置，安装于分布式自动控制系统。
52.如图1所示，为本实用新型实施例提供的数据采集装置的结构示意图，该装置10包括：电源供电模块101，电源供电模块101包括：隔离变压器、poe取电电路、组网通信接口和电源电路。
53.其中，隔离变压器的输入端通过组网通信接口与外部供电电源连接，输出端与poe取电电路的输入端连接；poe取电电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与数据采集装置内部的各供电端口连接。
54.具体地，在一实施例中，如图2所示，poe取电电路包括poe取电模组cn3。
55.其中，poe取电模组cn3的输入端与隔离变压器的输出端连接，输出端与电源电路的输入端连接。
56.具体地，在一实施例中，如图2所示，为本实用新型实施例提供的poe取电电路的结构示意图。作为一种可实施的方式，在上述实施例的基础上，在一实施例中，poe取电模组cn3为wc
‑
pd30d240lv模组。
57.具体地，在一实施例中，如图2所示，poe取电电路还包括抗干扰电路。
58.其中，抗干扰电路的输入端与poe取电模组cn3的输出端连接，输出端与电源电路的输入端连接；抗干扰电路包括电感l9和安规电容(c47和c5)。
59.如图3所示，为本实用新型实施例提供的电源供电模块的结构示意图。作为一种可实施的方式，在上述实施例的基础上，在一实施例中，电源电路包括第一电源电路和第二电源电路。
60.其中，第一电源电路包括隔离降压芯片u4，隔离降压芯片u4的输入端与poe取电电路的输出端连接，输出端分别与第二电源电路的输入端及数据采集装置内部的各第一供电端口连接；第二电源电路包括稳压芯片u5，稳压芯片u5的输入端与隔离降压芯片u4的输出端连接，输出端与数据采集装置内部的各第二供电端口连接；其中，第一供电端口和第一供电端口的用电电压不同。
61.具体地，如图3所示，电源供电模块101一共产生了1路直流24v电源、1路隔离后的5v电源、1路用于数字量采集模块103的3.3v电源和1路用于模拟量采集模块104的3.3v电源。电源通过组网通信接口进入装置，再经过以太网变压器hy60168ee(隔离变压器)分离后，进入poe取电电路。该装置采用了wc
‑
pd30d240lv模组作为poe取电电路中的poe取电模组cn3，该模组支持ieee802.3 af/at标准协议，能接受百兆poe和千兆poe信号，工作温度达
‑
40℃到85℃，满足多种工况需求。经过poe取电模组cn3的电源最终以24v直流电形式输出，进入电感fl2d
‑
z5
‑
103(即电感l9)去除共模干扰后，经过安规电容(c47和c5)去除差模干扰，完成emc治理。完成emc治理后，通过隔离降压芯片b2405s
‑
2wr2(即隔离降压芯片u4)，输出一路2w隔离的5v电源供该装置中的其他模块使用，在后级(第二电源电路)，还会通过稳压芯片lm1117
‑
3.3(即稳压芯片u5)产生两路3.3v电源。
62.示例性的，如图4所示，为本实用新型实施例提供的隔离变压器的结构示意图，其中，隔离变压器l4可把物理层芯片输送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到组网通信接口连接的网络设备，这样不但可使组网通
信接口和物理层芯片之间在没有物理上的连接的情况下传递了信号，且隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0v电平的设备中传送数据，同时隔离变压器l4也起到了防雷感应保护的作用，可在雷雨天气时避免物理层芯片和主控制器102被烧坏。
63.具体地，在一实施例中，如图1所示，该装置还包括：主控制器102和与主控制器102电连接的外围电路1021，外围电路1021包括：复位电路和看门狗电路。
64.示例性的，如图5所示，为本实用新型实施例提供的主控制器的结构示意图。该装置可以采用arm cortex
‑
m3内核的stm32f407作为主控制器102中的主控芯片，该主控制器102包含了程序烧写接口、外部看门狗电路、复位电路、时钟电路和主控芯片电源电路等，外扩端口提供了一个2x10的接插件，外扩了16个芯片引脚，覆盖了普通io口、uart口、adc口和dac口。
65.其中，如图1所示，该装置还包括：数字量采集模块103，数字量采集模块103包括：第一开关量输入端口、开关量输出端口、第一光耦合器、驱动电路、第二光耦合器和继电器。
66.其中，如图6所示，第一光耦合器(u1和u7)的输入端与第一开关量输入端口连接，输出端与主控制器102连接；第二光耦合器(u10、u14和u15)的输入端分别与主控制器102和驱动电路的输出端连接，输出端与继电器(k1和k3)的输入端连接；驱动电路的输入端与主控制器102连接；继电器(k1和k3)的输出端与开关量输出端口连接。
67.需要解释的是，数字量采集模块也可称为开关量采集模块。
68.示例性的，如图6所示，为本实用新型实施例提供的数字量采集模块的结构示意图。
69.具体地，第一开关量输入端口支持0
‑
30v之间的开入信号，当开入信号小于10v时，装置认为开入信号为低电平，当开入信号大于10v时，装置认为是高电平。要使接入的开入信号有效，必须接入
‑
km信号，使接入的开入信号形成回路，当开入信号为高电平时，信号经过限流电阻后，经过串联的稳压二极管mmsz5240bt1g，进入后级电路，由于稳压二极管的反向击穿特性，可确保开入信号小于10v时不导通，大于10v时导通。信号导通后经过第一光耦合器(u1和u7)隔离后，送达主控芯片引脚。开关量输出端口用于控制继电器(k1和k3)的输出，使其对外产生一对无源节点。主控芯片通过改变引脚的高低电平状态，经过第二光耦合器(u10、u14和u15)后，控制继电器(k1和k3)的动作。为了有效的杜绝在装置启动或复位时产生误动作，装置单独选用了两条引脚作为各光耦合器的电源，只有控制电源的引脚电平和开出引脚电平都正确时，才能有效对开关量进行输出。
70.其中，该装置采用以太网通信协议，主控芯片提供了以太网控制器，通过以太网控制器，输出两对差分信号，经过以太网变压器，以rj45接口(组网通信接口)连接交换机。其中，组网通信接口为以太网通信接口。
71.具体地，在一实施例中，如图1所示，该装置还包括：模拟量采集模块104，模拟量采集模块104包括：扩展接口、第一信号调理电路、模拟量输入端口、第三光耦合器、第二开关量输入端口、第二信号调理电路、信号隔离电路和模拟量输出端口。
72.示例性的，如图7所示，为本实用新型实施例提供的扩展接口的结构示意图，如图8所示，为本实用新型实施例提供的第一信号调理电路的结构示意图，如图9所示，为本实用新型实施例提供的第二信号调理电路和信号隔离电路的结构示意图。
73.其中，如图7
‑
9所示，模拟量输入端口依次通过第一信号调理电路和扩展接口h1，
与主控制器102连接；第二开关量输入端口依次通过第三光耦合器和扩展接口h1，与主控制器102连接；主控制器102依次通过扩展接口h1、第二信号调理电路和信号隔离电路m1，与模拟量输出端口连接。
74.具体地，第一信号调理电路可以将4
‑
20ma的电流信号转换为0
‑
3v的电压信号，然后将0
‑
3v的电压信号经运算放大器缓冲后输入主控制器102。进一步地，模拟量输入端口为4路模拟量采集接口，其最多可采集4路模拟信号。具体地，在实现对被控设备的控制时，主控制器102的dac引脚产生一个0
‑
3.125v的电压信号，然后通过第二信号调理电路调理成0
‑
5v的电压信号，经过隔离变送器转换为0
‑
20ma电流，最后输出至被控设备。
75.其中，模拟量采集模块104中的第二开关量输入端口和第三光耦合器与数字量采集模块103的工作原理相同，在此不再赘述。
76.需要解释的是，本实用新型实施例所提供的模拟量采集模块中的第二开关量输入端口和第三光耦合器，具体是指该模拟量采集模块中的扩展模块，扩展模块的具体结构可以根据实际需求进行设置，不仅限于第二开关量输入端口和第三光耦合器。
77.具体地，在一实施例中，如图1所示，装置还包括：数字传感器接口105和磁耦合器106。
78.其中，数字传感器接口105通过磁耦合器106与主控制器102连接。
79.具体地，该数字传感器接口105协议上默认支持modbus，可以采用sp485作为收发器，在信号接入数字传感器接口105之前，采用了tvs管用于emc治理，经过数字传感器接口105之后，通过磁耦合器106进入主控芯片uart口。
80.具体地，装置运行后，会不断采集开入信号和模拟量信号(硬件通过扩展实现)，并通过以太网实时发布到以太网中。同时，装置也利用数字传感器接口105实时的接收以太网中的有效数据，通过对数据解析，根据数据控制开出量控制继电器(k1和k3)输出和模拟量输出(硬件通过扩展实现)。为了使数字传感器接口105能读取各种不同数据，在装置处理默认的modbus协议外，还可以工作于透明传输模式，让协议解析工作转移到高一级控制设备中。
81.具体地，在一实施例中，如图1所示，该装置还包括：物理层芯片。
82.其中，物理层芯片的输入端与隔离变压器的输出端连接，输出端与主控制器102连接。
83.具体地，如图10所示，为本实用新型实施例提供的物理层芯片的结构示意图，其中，物理层芯片u6定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层芯片u6在发送数据时，即在将由主控制器102输送的数据向组网通信接口发送时，接收主控制器102过来的数据，然后将并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则对数据编码，最后将编码后的数据转换为模拟信号后输出。反之为物理层芯片u6在接收数据时的流程，物理层芯片u6还可实现csma/cd的部分功能，在运行时，物理层芯片u6可检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。
84.其中，该数据采集装置提供了7路开关量输入采集、2路开关量输出控制、1路rs485通信接口(数字传感器接口)和一路poe以太网接口(组网通信接口)，通过扩展接口，可在此基础上再扩展出4路4
‑
20ma模拟量输出端口、1路4
‑
20ma模拟量输出端口和4路开关量输入
端口。可以通过这些接口满足各种不同的被控设备需求。
85.本实用新型实施例提供的数据采集装置，包括：电源供电模块，该电源供电模块包括：隔离变压器、poe取电电路、组网通信接口和电源电路；隔离变压器的输入端通过组网通信接口与外部供电电源连接，输出端与poe取电电路的输入端连接；poe取电电路的输出端与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与数据采集装置内部的各供电端口连接。上述方案提供的数据采集装置可以基于poe取电电路对整个数据采集装置进行供电，简化了数据采集装置的施工布线，提高了抗干扰能力，节省了占地面面积，同时节省了制造成本，且poe取电电路可热插拔，检修、更换无需停电作业，不会影响其他设备的正常运行。且该装置采用以太网作为传输介质，响应速度快。
86.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。