专利名称：一种模拟量和数字量数据采集装置及方法
技术领域：
本发明公开一种基于RS485通讯和研华ADAM控制模块的模拟量、数字量数据采集装置及方法。该装置具有波特率可调、采集点多、采集信号种类多、稳定性好等特点。
背景技术：
数据采集是工业控制领域最为常见的一种技术手段，数据采集为技术分析和控制
策略提供了依据。随着工况复杂程度的提高，数据采集也面临着数据类型不断增加，采集速
度要求不断提高的问题，这就要求数据采集技术适应工况发展的要求。 RS-485是串行通讯的首选，数据最高传输速率为10Mbps3。 RS-485接口具有良好
的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其广泛的应用到各种工业场合
中。RS485接口组成的半双工网络， 一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞
线传输。RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，RS485和
RS232的基本的通讯机理是一致的，它的优点在于弥补了 RS232通讯距离短，不能进行多台
设备同时进行联网管理的缺点。 目前，有关数据采集方面的专利不断增多，但正如前面提到，随着技术的进步，工况的复杂度也越来越高，对数据采集技术的要求也越来越高。例如中国发明专利申请，名称为"一种基于CAN总线的数据采集控制系统"，申请号为200310122762，该发明涉及一种基于CAN总线的数据采集控制系统，包括传感器和执行器的一次仪表层、二次仪表层和数据记录与显示层，其特点是，二次仪表层的二次仪表均采用智能仪表，并置有统一的CAN通信接口 ，构成智能仪表CAN节点层，数据记录与显示层构成数据采集和控制层，它亦均置有CAN通信接口构成总线配置、数据采集、控制层，总线配置、数据采集、控制层与智能仪表CAN节点层之间及各层次内部通过CAN总线通讯， 一次仪表层的信号通过智能二次仪表层转换成CAN线性总线数据，传给总线配置、数据采集、控制层的上位机，完成数据采集和控制。但该发明所涉及的系统需要进行数据的层间转换，不利于数据的高速实时采集。名称为"一种分布式数据采集仪"、申请号为200720154114的实用新型涉及一种数据采集设备，特别是适用于桥梁、大坝等大型结构监测的分布式数据采集仪，包括计算机、智能控制模块、数据采集模块和传感器；智能控制模块通过总线连接一个或多个数据采集模块，在计算机
的控制下控制数据采集模块进行数据采集，并将从数据采集模块接收到的数据发送给计算机；数据采集模块连接有至少一个传感器，并对传感器的数据信息进行采集，随后将采集数据发送到智能控制模块。该实用新型智能控制模块将接收到的计算机发出的控制命令数据进行解析，通过总线分别向各数据采集模块发送控制命令，使数据采集模块同时并行工作，实现数据的快速采集。该实用新型适用于桥梁、大坝等大型结构监测的分布式数据采集，应用领域有限，不具有通用性。中国发明专利"基于无线移动通信公网的数据采集方法及装置"(申请号为02149230)公开了一种基于无线移动通信公网的数据采集方法及装置，由数据采集中心通过无线移动通信公网向数据采集终端发送包含数据采集命令的消息；数据采集终端响应数据采集命令，从数据终端获取目标数据；数据采集终端对目标数据进行转换和封装处理，并将封装后的目标数据经无线移动通信公网发送至数据采集中心。装置包括 微处理器，以及通过总线与该微处理器连接的无线移动通信终端接口 、存储器、协议栈和数 据采集终端接口。该发明通过无移动公网进行组网和通信，不通过计算机网络线、电话线、 电力线等线路形式进行组网和通信。该发明专利依赖于无线通讯公网，要发生相关费用，数 据采集稳定性和可靠性不高。
综上所述，现有相关专利及实用新型产品的不足之处主要表现在 1)数据采集的速度有限，不能很好的满足数据采集的实时性要求。 2)应用场合单一，适应能力不强，无法满足数据采集技术对采集点普适的需求。 3)数据采集成本过高，不利于成本控制。 4)采集稳定性不强。稳定可靠的数据采集系统是数据采集技术的基本要求。
发明内容
为了克服现有技术中不能很好满足数据采集的实时性要求、适应能力不强、稳定
性不理想和成本过高的不足，本发明的目的在于提供一种能满足数据采集的实时性要求、 适应力强、稳定性好而且成本低的模拟量和数字量数据采集装置及方法。为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下 模拟量和数字量数据采集装置包括 模拟量处理模块，由第一 二模拟量采集电路和第一 二模拟量输出电路组成， 其中第一 二模拟量采集电路与工业信号相连；第一 二模拟量输出电路与外部受控设 备相连； 离散量处理模块，由第一 二离散量采集电路和第一 二离散量输出电路组成， 其中第一 二离散量采集电路接收离散量信号；第一 二离散量输出电路与外部受控设 备相连； 逻辑功能可编程控制器，正负信号通讯端分别与模拟量处理模块中第一 二模拟 量采集电路及第一 二模拟量输出电路的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据 传输；逻辑功能可编程控制器正负信号通讯端还分别与离散量处理模块中第一 二离散量 采集电路及第一 二离散量输出电路的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据传 输； 电源模块，分别与模拟量处理模块及离散量处理模块的电源端及地相连； 所述工业信号包括+/_1伏、+/_2. 5伏、+/_5伏、+/-10伏、+/-100毫伏、+/-500
毫伏、+/-20毫安、+4 20毫安电流信号；所述电源模块采用24V直流电源； 本发明模拟量和数字量数据采集方法包括如下步骤 系统启动，若启动失败则停机，否则进行检测； 检测外接设备是否存在初始没有归零，若存在，则启动报警，等待人工置零；否则 进行数据采集； 数据采集开始，分别扫描模拟量、离散量输入端口 ，调用数据输入指令，采集模拟 量、离散量数据； 判断数据异常否，在有数据异常情况下报警，结束程序；在无数据异常情况下判断 数据是否超过允许范围；
判断数据是否超过允许范围，没有超过允许范围，则调用模拟量、离散量输出指令、根据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，进行数据输出；如超过允许范围则将尖峰数据去除，再根据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，并调用模拟量、离散量输出指令进行数据输出； 返回数据采集步骤，继续以上过程的循环。
本发明具有如下优点 1.稳定性好。本发明逻辑功能可编程控制器采用ADAM系列工业控制模块(研华公司研发)，是久经市场考验的工业控制模块，具有良好稳定性能。 2.可靠性高。本发明数据采集处理模块采用的ADAM系列，数据采集模块通道之间本身具有数据隔离功能，防止了相互干扰，增强了数据的可靠性。 3.本发明的实施具有广泛的适应能力。可以采集的信号种类有+/_lV、+/-2. 5V， 、+/-5V、+/-10VV、+/-100mV、+/-500mV的电压信号；+/_20mA、+4 20mA的电流信号，可满足大部分复杂的工业场合需要。 4.通讯能力强。本发明采用RS485通讯可以适应9600 57600之间的波特率，能
满足数据采集的实时性要求。 5.本发明结构简单，成本低。
图1本发明装置电路原理图。
图2本发明方法控制程序流程图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明对进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明模拟量和数字量数据采集装置，包括 模拟量处理模块，由第一 二模拟量采集电路U2 U3 (本实施例采用ADAM4117)和第一 二模拟量输出电路U4 U5 (本实施例采用ADAM4024)组成，其中第一 二模拟量采集电路U2 U3经模拟量输入端子26与工业场合常见的信号类型相连，包括+/_1伏、+/-2. 5伏、+/_5伏、+/-10伏、+/-100毫伏、+/-500毫伏、+/-20毫安、+4 20毫安电流信号，几乎涵盖了目前所有工业场合常见的信号类型；第一 二模拟量输出电路U4 U5分别经模拟量输出端子27与外部受控设备相连。 离散量处理模块，由第一 二离散量采集电路U6 U7 (本实施例采用ADAM4150)和第一 二离散量输出电路U8 U9(本实施例采用ADAM4168)组成，其中第一 二离散量采集电路U6 U7经离散量输入端子28接收离散量信号如开关、继电器的离散量信号；第一 二离散量输出电路U8 U9分别经离散量输出端子29与外部受控设备相连。
逻辑功能可编程控制器Ul (本实施例采用ADAM4500)，正负信号通讯端分别与模拟量处理模块中第一 二模拟量采集电路U2 U3及第一 二模拟量输出电路U4 U5的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据传输；逻辑功能可编程控制器U1的正负信号通讯端还分别与离散量处理模块中第一 二离散量采集电路U6 U7及第一 二离散量输出电路U8 U9的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据传输；
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电源模块，采用24V直流电源，分别经双绞线或两芯电源线与模拟量处理模块中 第一 二模拟量采集电路U2 U3及第一 二模拟量输出电路U4 U5及离散量处理模块 中第一 二离散量采集电路U6 U7及第一 二离散量输出电路U8 U9的电源端VSS+及 地GND相连，提供电源； 该数据采集系统以RS485为通讯手段(逻辑功能可编程控制器Ul分正负信号通 讯端)，完成数据采集和控制之间的数据传输。RS485通讯的波特率的范围为9600 57600， 可以根据具体要求调节波特率，改变通讯速率。模拟量处理模块可以根据具体工况场合的 信号类型进行调整，具有良好的灵活性和适应能力。离散量处理模块自身具有光电隔离功 能，具有良好的滤波性能。逻辑功能可编程控制器U1中运行控制程序。
逻辑功能可编程控制器Ul所采用的ADAM4500芯片特点是ADAM4500芯片是工 业控制场合普遍适用的可编程控制器，为各种复杂的工业控制提供了一个良好的与IBM PC 机兼容的硬件平台。ADAM4500是一个紧凑的计算机系统，运行D0S操作系统，包括一个 80188CPU、256KBFlash R0M、256KB SRAM，此外还配备两个通讯通道C0M1、 COM2和一个程序 下载通道。ADAM4500可以运行各种高级语言，如C或C++， ADAM4500支持RS232和RS484两 种通讯方式。 第一 二模拟量采集电路所采用的ADAM4117芯片是一种4通道模拟量采集模块， 其可以采集的信号种类有+/_lV、 +/-2. 5V， 、 +/-5V、 +/-10VV、 +/-100mV、 +/_500mV的电压 信号；+/_20mA、 +4 20mA的电流信号；ADAM4117支持9600 57600之间的通讯波特率。
第一 二模拟量输出电路所采用的ADAM4024芯片具有12位的精度，可以输出的 电流信号和电压信号0 20mA、4 20mA电流信号，± 10V的电压信号，支持9600 57600 之间的通讯波特率。 第一 二离散量采集电路所采用的ADAM4150芯片是8通道隔离的数字量输入 模块，有两种工作模式，模式0的门限电压是+1V，模式1的电压范围为+3. 5 30V，支持 9600 57600之间的通讯波特率。 第一 二离散量输出电路所采用的ADAM4168芯片是8通道数字量输出模块，可以 输出开关量控制受控设备，支持9600 57600之间的通讯波特率。 如图1所示的模拟量处理模块最多可提供8路模拟量输入、8路模拟量输出，可以 满足同时采集电压信号和电流信号的要求，某些通道也可以闲置不用，具有良好的适应能 力。离散量处理模块最多可提供16路离散量输入、16路离散量输出，可以满足大部分的工 业控制场合。 本发明装置的即控制方法通过存储于逻辑功能可编程控制器U1内的控制程序实 现，其具体流程(参见图2)如下 系统启动，若启动(即自检)失败则停机；否则进行检测； 系统启动后，首先检测与其连接的外接设备是否存在初始没有归零，若存在，则启 动报警，等待人工将其置零；否则进行数据采集； 数据采集开始，分别扫描模拟量、离散量输入端口 ，调用数据输入指令，采集模拟 量、离散量数据； 判断数据异常否，在有数据异常情况下报警，结束程序； 在无数据异常情况下判断数据是否超过允许范围，没有超过允许范围，则根据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，并调用模拟量、离散量输出指令进行数据输出；如超
过允许范围则将尖峰数据去除，再根据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，并调用模拟
量、离散量输出指令进行数据输出； 返回数据采集步骤，继续以上过程的循环。
权利要求
一种模拟量和数字量数据采集装置，其特征在于包括模拟量处理模块，由第一～二模拟量采集电路(U2～U3)和第一～二模拟量输出电路(U4～U5)组成，其中第一～二模拟量采集电路(U2～U3)与工业信号相连；第一～二模拟量输出电路(U4～U5)与外部受控设备相连；离散量处理模块，由第一～二离散量采集电路(U6～U7)和第一～二离散量输出电路(U8～U9)组成，其中第一～二离散量采集电路(U6～U7)接收离散量信号；第一～二离散量输出电路(U8～U9)与外部受控设备相连；逻辑功能可编程控制器(U1)，正负信号通讯端分别与模拟量处理模块中第一～二模拟量采集电路(U2～U3)及第一～二模拟量输出电路(U4～U5)的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据传输；逻辑功能可编程控制器(U1)正负信号通讯端还分别与离散量处理模块中第一～二离散量采集电路(U6～U7)及第一～二离散量输出电路(U8～U9)的正负信号通讯端相连，进行相应地址分配和数据传输；电源模块，分别与模拟量处理模块及离散量处理模块的电源端及地相连。
2. 按照权利要求1所述模拟量和数字量数据采集装置，其特征在于所述工业信号包 括+/_1伏、+/_2. 5伏、+/_5伏、+/_10伏、+/_100毫伏、+/_500毫伏、+/_20毫安、+4 20 毫安电流信号。
3. 按照权利要求1所述模拟量和数字量数据采集装置，其特征在于所述电源模块采 用24V直流电源。
4. 一种模拟量和数字量数据采集方法，其特征在于包括如下步骤 系统启动，若启动失败则停机，否则进行检测；检测外接设备是否存在初始没有归零，若存在，则启动报警，等待人工置零；否则进行 数据采集；数据采集开始，分别扫描模拟量、离散量输入端口 ，调用数据输入指令，采集模拟量、离 散量数据；判断数据异常否，在有数据异常情况下报警，结束程序；在无数据异常情况下判断数据 是否超过允许范围；判断数据是否超过允许范围，没有超过允许范围，则调用模拟量、离散量输出指令、根 据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，进行数据输出；如超过允许范围则将尖峰数据去 除，再根据数据大小形成模拟量、离散量输出数据，并调用模拟量、离散量输出指令进行数 据输出；返回数据采集步骤，继续以上过程的循环。
全文摘要
本发明公开一种模拟量和数字量数据采集装置及方法，装置包括由第一～二模拟量采集电路和第一～二模拟量输出电路组成的模拟量处理模块，分别与工业信号及外部受控设备相连；由第一～二离散量采集电路和第一～二离散量输出电路组成的离散量处理模块，分别接收离散量信号，输出至外部受控设备；正负信号通讯端分别与模拟量处理模块、与离散量处理模块的正负信号通讯端相连的逻辑功能可编程控制器，进行相应地址分配和数据传输；采用24V直流电源的电源模块，为模拟量处理模块及离散量处理模块供电。本发明具有能满足数据采集的实时性要求、适应力强、稳定性好和成本低等特点。
文档编号G05B19/048GK101750987SQ20081022966
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者孙凯, 秦宝成 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所