专利名称：基于现场总线的多功能测控模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号采集模块，特别是涉及一种基于现场总线的多功能测控模 块。
背景技术：
数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感技术、信号处理技术、计算机 技术、控制技术、现场总线和网络等技术共同构成现代测控技术的基础。它研究信息数据的 调理、变换、采集、存储、处理、记录、显示、传输及控制，广泛用于测量、监测、监视、控制、诊 断、科学试验及管理等领域中，在科学研究中，是获取科学奥秘的重要手段之一。随着科学 技术的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对数据采集的主要技术指标，如采样速率、分 辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面，都提出了越来越高的要求。目前的采集技术普遍存在下列问题1、精度不高，一般在左右，个别的仅达到 0.5%左右。2、分辨率低。3、信号输入端与放大器隔离不好，造成抗干扰能力差。4、放大器 发生零点漂移。5、不能适应多种信号输入，特别是不能适应直接接入传感器。6、不能自动 进行温度补偿。7、不具有现场总线功能，更不同时具有多种现场总线功能。8、测控不兼备。 上述存在的问题，导致了信号采集不够准确，影响了测量结果，且不能适应现代总线式信号 采集和控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种设计合理，信号采集准确的基于现场总线的多功能测控 模块。为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现基于现场总线(Modbush和Profibus-DP)的多功能测控模块，由多路选择模块、信 号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制器依次连接组成，其特征在于，信号调理模块由 阻抗变换器Rl、R2、R3、R4、R5和电子开关S:、S2、S3、S4、S5、S6组成，当检测电压信号时，信 号从A1、A2两端输入，开关S4、S5、S6闭合，电子开关S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器 R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电流信号时，信号从A1、A2进入，电子开 关S4、S5、S6、S1、S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开关S2断开，电流信号在R2上转变为电 压，经阻抗变换器R3、R4后到Bl、B2端，进入隔离放大模块；当检测热电阻信号时，采用三 线制检测，热电阻的A、B两端分别连接Al、A2，热电阻的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4 断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源Uref在热电阻及其导线上形成的电压经阻抗变换器 R3、R4、R5后到Bl、B2、B3端，进入隔离放大模块。隔离放大模块由电子开关Kcn、Kc12、Kc21、Kc22、电容C1、C2、放大器U2、电阻网络U3 组成，电子开关KCii、KCi2、KC21、KC22以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、 电流信号时，信号由B1、B2进入，电子开关Kcn、Kc12切换到输入时，信号给电容C1充电，开 关Kcn、Kc12切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、 B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上的电压和电 容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现 了传感器电路与放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3，与放大器 U2共同实现不同信号的放大。A/D转换和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接口和存 储器，参考电源选用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1 和地址总线AB1与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB2和地址总线AB2与带现场总线 功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB3和地址总线AB3与存储器连接；温度传感器与 控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器 接收U2放大器的输出信号V。ut，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换 使用。所述的多功能测控模块即可应用于现场作为采集模块，也可通过工业局域网由上 位机控制。所述的多功能测控模块具有直接或现场总线控制功能，采集信号由带有Modbush 或Profibus-DP现场总线功能的通信接口输出或直接输出。与现有技术相比，本发明的有益效果是1、本发明采用通过多路选择器和信号调理器相配合，每个通道可接入多种信号， 可谓之万能输入，无需使用变送器即可直接接入传感器，极大的适应了现场采集的需要。2、隔离器Ui实现高绝缘的可靠隔离，大大提高了抗干扰能力，同时消除了输入端 接入热电阻引线的影响，大大提高了信号的测量精度。3、通过高精度基准电压的引入，与可编程放大器配合，可测出当时的真实放大倍 数，进而消除了因放大器零漂而产生的漂移；当输入信号很小时，由于基准电压的叠加作 用，使得小信号变成大信号，极大的提高了信号转换精度。4、本发明可实现现场总线功能，体积小，可方便的组成网络结点式信号采集系统。5、本发明的控制器具有将输入信号变换和组合的功能，如测量流量时，可以用一 个通道测压力，另一个通道测压差，其他量通过设定给出，加上控制器有采用一线总线温度 传感器测温度功能，通过运算可测流量。也可测量热电偶冷端温度，通过软件对热电偶做冷 端补偿。6、本发明的设定可以是在现场的采集模块，也可以通过网络由上位机统一设定， 操作灵活。7、本发明具有多种信号采集功能外，还具有直接和现场总线控制功能。
图1为本发明信号采集模块原理图；图2为多路选择模块原理图；图3为信号调理模块原理图；图4为隔离放大模块原理图；图5为热电阻信号隔离放大模块原理图6为A/D转换和控制器原理图；图7为本发明应用实例原理图。
具体实施例方式见图1，基于现场总线的多功能测控模块，包括多路选择模块、信号调理模块、隔离 放大模块、A/D转换和控制模块依次连接组成，将采集的信号输入多路选择模块，然后经信 号调理模块进行调理变换，然后送入隔离放大模块进行隔离放大，最后进入A/D转换和控 制模块，经A/D转换将模拟信号转换成数字信号，通过控制模块处理后的信号直接输出和 经带现场总线功能的通讯接口输出。见图2，所述的多路选择模块有24个信号输入端，每3个输入端构成一种信号使 用，即构成1IN-8IN八种信号输入，多路选择模块内部设有K1-K24共24个程控电子开关， 程控电子开关在控制器的控制下5条地址线分时选通，被选通接入的信号接到A1、A2、A3输 出端；本发明选用的程控电子开关具有速度快，接通电阻小的特点。见图3，信号调理模块由阻抗变换器Rl、R2、R3、R4、R5和电子开关S” S2、S3、S4、 S5、S6组成，当检测电压信号时，信号从A1、A2两端输入，电子开关S4、S5、S6闭合，电子开关 S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电 流信号时，信号从Al、A2进入，电子开关S4、S5.S6.SU S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开 关S2断开，电流信号在R2上转变为电压，经阻抗变换器R3、R4后到Bl、B2端，进入隔离放 大模块；当检测热电阻信号时，采用三线制检测，热电阻的A、B两端分别连接A1、A2，热电阻 的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源Uref在热电阻及 其导线上形成的电压经阻抗变换器R3、R4、R5后到Bl、B2、B3端，进入隔离放大模块。各阻抗变换器分别接收多路选择器输出端Al、A2、A3信号，此外，还输入一个高精 度基准电压UMf，要求Uref误差彡0.01%。通过对电子开关31、52、；54、55、56的开断控制， 信号调理模块可接收多种信号，如0 5V、1 5V、mV (或毫伏级)电压信号；如0 10mA、 4 20mA电流信号；如接收标准E、J、K、S、R、T型热电偶或ptlOO、Cu50、CulOO热电阻信 号；信号调理模块输出端为Bi、B2、B3。见图4，隔离放大模块由电子开关Kcn、Kc12、Kc21、Kc22、电容CI、C2、放大器U2、电 阻网络U3组成，电子开关KCii、KCi2、KC21、KC22以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当 检测电压、电流信号时，信号由B1、B2进入，电子开关Kcn、Kc12切换到输入时，信号给电容 C1充电，开关Kcn、Kc12切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的 隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压 信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上 的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精 度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3， 与放大器U2共同实现不同信号的放大。在控制器控制下，放大器U2的放大倍数可控制，因 而可改变量程，以提高放大精度，见图5，当输入信号源是热电阻时，按图5所示接线，这时可以清除导线上的电阻 影响，大大提高了此时的信号传递精度，而与热电阻导线长度无关。见图6，A/D转换和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接
5口和存储器。A/D转换器为高分辨率、高精度模数转换器，通常选用士 16位 士 18位A/D 集成电路。参考电源选用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总 线DB1和地址总线AB1与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB2和地址总线AB2与带现 场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB3和地址总线AB3与存储器连接；温度传 感器与控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿，也可以测其他处温度。 A/D转换器接收U2放大器的输出信号V。ut (是一个经调理放大后的标准信号)，A/D转换器 根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。其控制器提供与A/D转换器相连的 DBr数据总线和ABr地址总线。经A/D转换器转换后的数字量在控制处理并存储在存储 器中。利用本发明采集器将要采集的信号接入多路选择器，经信号调理器进行调理变 换，使其达到规定要求的信号，再送到隔离放大器，隔离放大后的信号进入A/D转换和控 制器，将信号转换成相应的数字信号，数字信号在控制器内进行处理并存储，最后从带有 Modbush和Profibus-DP现场总线功能的通信接口输出或直接输出。本发明现场应用如图7所示，从各现场采集的信号通过传感器输入到本发明多功 能测控模块的采集器中，每个现场对应一个采集器，图示为1 n个采集器，各采集器将 信号传递给局域网总线，统一传递到设定计量处理记录的控制系统中，控制系统还可以与 GPRS无线通信系统连接，信号在控制系统内处理后还可从显示屏显示出来，即还可实现网 络结点连接。
权利要求
基于现场总线的多功能测控模块，由多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制器依次连接组成，其特征在于，信号调理模块由阻抗变换器R1、R2、R3、R4、R5和电子开关S1、S2、S3、S4、S5、S6组成，当检测电压信号时，信号从A1、A2两端输入，开关S4、S5、S6闭合，电子开关S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电流信号时，信号从A1、A2进入，电子开关S4、S5、S6、S1、S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开关S2断开，电流信号在R2上转变为电压，经阻抗变换器R3、R4后到B1、B2端，进入隔离放大模块；当检测热电阻信号时，采用三线制检测，热电阻的A、B两端分别连接A1、A2，热电阻的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源Uref在热电阻及其导线上形成的电压经阻抗变换器R3、R4、R5后到B1、B2、B3端，进入隔离放大模块。
2.根据权利要求1所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，隔离放大模 块由电子开关Kcn、Kc12、Kc21、Kc22、电容C1、C2、放大器U2、电阻网络U3组成，电子开关Kcn、 Kc12、KC21、KC22以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流信号时，信号由 Bl、B2进入，电子开关Kcn、Kc12切换到输入时，信号给电容C1充电，开关Kcn、Kc12切换到 输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时， 热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容 C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压 相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与 放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3，与放大器U2共同实现不同 信号的放大。
3.根据权利要求1或2所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，A/D转换 和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源选 用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1 与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB2和地址总线々82与带现场总线功能的网络接口 连接，一端通过数据总线DB3和地址总线AB3与存储器连接；温度传感器与控制器连接，用于 测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输 出信号V。ut，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。
4.根据权利要求1或2所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，所述的多 功能测控模块即可应用于现场作为采集模块，也可通过工业局域网由上位机控制。
5.根据权利要求4所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，所述的多功 能测控模块具有直接或现场总线控制功能，采集信号由带有Modbush或Prof ibus-DP现场 总线功能的通信接口输出或直接输出。
全文摘要
本发明涉及一种基于现场总线的多功能测控模块，包括多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制模块依次连接组成，采集信号输入多路选择模块，然后经信号调理模块进行调理变换，然后送入隔离放大模块进行隔离放大，最后进入A/D转换和控制模块，经A/D转换将模拟信号转换成数字信号，通过控制模块处理后的信号经带现场总线功能的通讯接口输出。本发明采用通过多路选择器和信号调理器相配合，每个通道可接入多种信号，通过高精度基准电压的引入，与可编程放大器配合，可测出当时的真实放大倍数，进而消除了因放大器零漂而产生的漂移。
文档编号G05B19/418GK101872193SQ20101020644
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者刘晨, 常晓帆, 常永阁, 王春岩, 程万胜 申请人:鞍山永恒自控仪表有限公司