模拟信号复用电路及模拟信号采集电路的制作方法

本发明涉及模拟信号采集技术领域，具体而言，涉及一种模拟信号复用电路及模拟信号采集电路。

背景技术：

随着工程机械市场的高速发展，产品的型谱越来越多，不同的产品对控制器的输入输出引脚资源不尽相同，为了满足不同客户的输入输出资源需求，同时满足控制器产品通用化的设计目标，需要把控制器的输入输出引脚资源尽可能的做到复用。在工程机械的各类传感器中，电阻性传感器以其较高的性价比应用最为广泛，比如燃油油位、冷却液温度等模拟信号。由于电阻传感器的量程不尽相同，为了兼顾量程与分辨率的要求，需要实现量程可调节的目标。在工程机械现场应用中，控制器需要对外部传感器提供电源电压，并且针对不同的客户需求，可以做到电源电压0-10v范围内可以调节。

在现有工程机械专用控制器中，针对不同的传感器，需要设计不同的采样电路，很难做到量程与分辨率的统一。同时对于0-10v的模拟量电压输出电路，也很难做到与电阻采样电路的复用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟信号复用电路及模拟信号采集电路，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种模拟信号复用电路，所述模拟信号复用电路包括信号输入端、电压-电流转换模块、开关模块以及信号输出端，所述信号输入端、所述电压-电流转换模块以及所述信号输出端依次电连接，所述开关模块分别与所述电压-电流转换模块以及所述信号输出端电连接，所述电压-电流转换模块的输出端与一负载电连接；

所述信号输出端用于将接收到的脉宽调制信号传输至所述电压-电流转换模块，所述脉宽调制信号为电压信号；

所述电压-电流转换模块用于将电压信号转换为电流信号，所述电流信号在通过所述负载时转换为电压信号；

当所述开关模块处于导通状态时，所述信号输出端输出第一电压值，所述第一电压值为所述电流信号流经所述负载以及所述开关模块时产生的压降值；

当所述开关模块处于截止状态时，所述信号输出端输出第二电压值，所述第二电压值为所述电流信号流经所述负载时产生的压降值。

进一步地，所述模拟信号复用电路还包括信号放大模块，所述信号输入端以及一电源单元均与所述信号放大模块的输入端电连接，所述信号放大模块的输出端与所述电压-电流转换模块电连接，所述信号放大模块用于放大所述脉宽调制信号，并将放大后的脉宽调制信号传输至所述电压-电流转换模块。

进一步地，所述信号放大模块包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第一电容，所述信号输入端通过所述第二电阻与所述第一运算放大器的正相输入端电连接，所述信号输入端通过所述第一电阻接地，所述电源单元、所述第三电阻、所述第四电阻以及所述第一运算放大器的反相输入端依次串联，所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻接地，所述第一运算放大器的输出端通过所述第六电阻与所述第一运算放大器的正相输入端电连接。

进一步地，所述模拟信号复用电路还包括滤波模块，所述信号输入端、所述滤波模块以及所述电压-电流转换模块依次电连接。

进一步地，所述滤波模块包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二电容以及第三电容，所述信号输入端、所述第七电阻、所述第八电阻以及所述第二运算放大器的正相输入端依次串联，所述第二运算放大器的正相输入端通过所述第三电容接地，所述第二运算放大器的输出端通过所述第二电容分别与所述第七电阻、所述第八电阻电连接，所述第二运算放大器的输出端通过所述第九电阻与所述第二运算放大器的反向输入端电连接。

进一步地，所述模拟信号复用电路还包括模拟量输入模块，所述模拟量输入模块的输入端与所述电压-电流转换模块、所述开关模块均电连接，所述模拟量输入模块的输出端与所述信号输出端电连接。

进一步地，所述模拟量输入模块包括第四运算放大器、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、以及第四电容，所述电压-电流转换模块的输出端、所述第十七电阻以及所述第四运算放大器的正相输入端依次串联，所述电压-电流转换模块的输出端依次经过所述第十七电阻、所述第四电容接地，所述第十八电阻与所述第四电容并联，所述第四运算放大器的输出端经过所述第十九电阻与所述第四运算放大器的反相输入端电连接并与所述信号输出端电连接，

进一步地，所述电压-电流转换模块包括第三运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻以及第一开关管，所述信号输入端与所述第三运算放大器的正相输入端之间串接有所述第十电阻，所述信号输入端依次串联所述第十电阻、所述第十一电阻后与所述负载电连接，所述第三运算放大器的反向输入端通过所述第十三电阻接地，所述第三运算放大器的输出端与所述第一开关管的基极电连接，所述第一开关管的发射极通过所述第十五电阻与所述负载电连接，所述第一开关管的发射极通过所述第十二电阻与所述第三运算放大器的反向输入端电连接，所述第一开关管的集电极与一电源单元电连接。

进一步地，所述开关模块包括第十六电阻以及第二开关管，所述电压-电流转换模块的输出端通过所述第十六电阻与所述第二开关管的集电极电连接，所述第二开关管的发射极接地，所述第二开关管的基极与一信号输入单元电连接，当所述基极接收到第一电平信号时，所述第二开关管导通，当所述基极接收到第二电平信号时，所述第二开关管截止。

第二方面，本发明实施例还提供了一种模拟信号采集电路，所述模拟信号采集电路包括控制单元、信号输入单元、模数转换单元、存储单元以及模拟信号复用电路，所述控制单元分别与所述存储单元、所述模数转换单元、所述模拟信号复用电路电连接，所述模拟信号复用电路与所述信号输入单元以及所述模数转换单元电连接，所述模拟信号复用电路包括信号输入端、电压-电流转换模块、开关模块以及信号输出端，所述信号输入端、所述电压-电流转换模块以及所述信号输出端依次电连接，所述开关模块分别与所述电压-电流转换模块以及信号输出端所述电连接，所述电压-电流转换模块的输出端与一负载电连接；

所述控制单元用于生成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述模拟信号复用电路的信号输入端；

所述信号输入单元用于响应用户的操作而生成导通信号或者截止信号，并将所述导通信号或者截止信号传输至所述模拟信号复用电路；

所述模拟信号复用电路用于依据所述导通信号或所述截止信号输出第一电压值或第二电压值至所述模数转换单元，所述第一电压值以及所述第二电压值至均为模拟信号；

所述模数转换单元用于将所述模拟信号转换为数字信号；

所述控制单元还用于将表征所述第一电压值或所述第二电压值的数字信号存储至所述存储单元。

本发明实施例提供的模拟信号复用电路，通过信号输入端、电压-电流转换模块以及信号输出端依次电连接，开关模块分别与电压-电流转换模块以及信号输出端电连接，电压-电流转换模块的输出端与一负载电连接，从而当开关模块处于导通状态时，信号输出端输出第一电压值，当开关模块处于截止状态时，信号输出端输出第二电压值；通过控制开关模块的导通状态达到切换模拟信号复用电路的输出状态，当开关模块处于导通状态时，模拟信号复用电路输出模拟量电压，当开关模块处于截止状态时，模拟信号复用电路输出负载采样信号，同时由于在采样过程中，模拟信号复用电路由脉宽调制信号控制，因而通过控制脉宽调制信号的占空比可达到调节负载测量量程的效果，从而实现了模拟量电压输出与电阻量程可调节的复用，简化了电路，提高了控制产品的通用程度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的模拟信号采集电路的电路结构框图。

图2示出了本发明实施例提供的模拟信号复用电路的电路结构框图。

图3示出了本发明实施例提供的模拟信号采集电路的电路图。

图4示出了本发明实施例提供的信号放大模块的电路图。

图5示出了本发明实施例提供的滤波模块的电路图。

图6示出了本发明实施例提供的电压-电流转换模块的电路图。

图7示出了本发明实施例提供的开关模块的电路图。

图8示出了本发明实施例提供的模拟量输入模块的电路图。

图标：100-模拟信号采集电路；110-控制单元；120-模拟信号复用电路；121-信号放大模块；122-滤波模块；123-电压-电流转换模块；124-开关模块；125-模拟量输入模块；130-模数转换单元；140-信号输入单元；150-电源单元；160-存储单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明实施例提供了一种模拟信号采集电路100，用于对机械设备中的油位、压力、温度及行走动作控制的模拟量信号进行采集处理。请参阅图1，为本发明实施例提供的模拟信号采集电路100的电路结构框图。该模拟信号采集电路100包括控制单元110、信号输入单元140、模数转换单元130、存储单元160、电源单元150以及模拟信号复用电路120。控制单元110与模数转换单元130、存储单元160、电源单元150以及模拟信号复用电路120均电连接，模拟信号复用电路120还分别与信号输入单元140、电源单元150以及模数转换单元130电连接，电源单元150还分别与模数转换单元130、存储单元160电连接。

控制单元110用于生成控制信号，以使模拟信号采集电路100能够正常有序地工作。具体地，控制单元110可用于生成脉宽调制信号，并将该脉宽调制信号传输至模拟信号复用电路120。

在一种优选的实施例中，控制单元110包括一主控芯片，该控制芯片的型号为tms320f28335。

模拟信号复用电路120用于在脉宽调制信号的控制下，采集模拟信号，并将采集到的模拟信号再传输至控制单元110。

请参阅图2，为本发明实施例提供的模拟信号复用电路120的电路结构框图。该模拟信号复用电路120包括信号输入端、信号放大模块121、滤波模块122、电压-电流转换模块123、开关模块124、模拟量输入模块125以及信号输出端。其中，信号输入端、信号放大模块121、滤波模块122、电压-电流转换模块123、模拟量输入模块125以及信号输出端依次电连接，开关模块124与电压-电流转换模块123及信号输出端均电连接。

信号输入端还与控制单元110的脉宽调制信号输出端口电连接，用于将接收到的脉宽调制信号传输至信号放大模块121。

信号放大模块121的输入端与信号输入端电连接，信号放大模块121的输出端与滤波模块122电连接，用于放大所述脉宽调制信号，并将放大后的脉宽调制信号传输至所述电压-电流转换模块123。由于脉宽调制信号通常为小信号，因而通过设置信号放大模块121可以将脉宽调制信号适当放大，以此实现较好的采集效果。

请参阅图3及图4，信号放大模块121包括第一运算放大器u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6以及第一电容c1，信号输入端通过第二电阻r2与第一运算放大器u1的正相输入端电连接，信号输入端通过第一电阻r1接地，电源单元150、第三电阻r3、第四电阻r4以及第一运算放大器u1的反相输入端依次串联，第一运算放大器u1的反相输入端通过第五电阻r5接地，第一运算放大器u1的输出端通过第六电阻r6与第一运算放大器u1的正相输入端电连接。

其中，第三电阻r3与第一电容c1构成第一rc滤波电路，可初步滤除脉宽调制信号中干扰信号；第一运算放大器u1、第六电阻r6组成正反馈的迟滞比较器，可对脉宽调制信号进行放大操作。此外，需要说明的是，r6>>r2。

滤波模块122的输入端分别与信号放大模块121的输出端电连接，滤波模块122的输出端与电压-电流转换模块123的输入端电连接，用于过滤放大后的脉宽调制信号中的干扰。通过设置滤波模块122可以消除脉宽调制信号中的干扰，提高模拟信号复用电路120的稳定性。

请参阅图5，滤波模块122包括第二运算放大器u2、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第二电容c2以及第三电容c3，信号输入端、第七电阻r7、第八电阻r8以及第二运算放大器u2的正相输入端依次串联，第二运算放大器u2的正相输入端通过第三电容c3接地，第二运算放大器u2的输出端通过第二电容c2分别与第七电阻r7、第八电阻r8电连接，第二运算放大器u2的输出端通过第九电阻r9与第二运算放大器u2的反向输入端电连接。

其中，第七电阻r7与第二电容c2构成第二rc滤波电路，第八电阻r8与第三电容c3构成第三rc滤波电路，可滤除放大后的脉宽调制信号中包含的干扰。

电压-电流转换模块123的输入端与滤波模块122的输出端电连接，电压-电流转换模块123的输出端与模拟量输入模块125的输入端电连接，电压-电流转换模块123用于将电压信号转换为电流信号。

请参阅图6，电压-电流转换模块123包括第三运算放大器u3、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15以及第一开关管q1，信号输入端与第三运算放大器u3的正相输入端之间串接有第十电阻r10，信号输入端依次串联第十电阻r10、第十一电阻r11后与负载电连接，第三运算放大器u3的反向输入端通过第十三电阻r13接地，第三运算放大器u3的输出端与第一开关管q1的基极电连接，第一开关管q1的发射极通过第十五电阻r15与负载电连接，第一开关管q1的发射极通过第十二电阻r12与第三运算放大器u3的反向输入端电连接，第一开关管q1的集电极与电源单元150电连接。

其中，电压-电流转换模块123引入电流串联负反馈，从而实现电压到电流的转换，能将滤波模块122输出的电压v2的直流电压信号线性地转换为0-20ma的电流信号。此外，由于第三运算放大器u3的输出端通过第一开关管q1的发射极既与第三运算放大器u3的正相输入端电连接，又与第三运算放大器u3的反向输入端电连接，即：在电压-电流转换模块123中既引入了正反馈又引入了负反馈，因而当满足r12/r13＝r10/r11时，因负载r减小引起的iout的增大约等于因正反馈作用引起的iout的减小，因而iout成为v2的受控源，以完成电压到电流的转换。其中，电压-电流转换模块123的输出电流大小可通过下述算式计算：

iout＝v2/r15

其中，iout为电压-电流转换模块123的输出电流，v2为滤波模块122的输出电压。

开关模块124的信号输入端与电压-电流转换模块123的输出端以及模拟量输入模块125的输入端均电连接，开关模块124还与信号输入单元140电连接，用于切换模拟信号复用电路120的输出状态。

请参阅图7，开关模块124包括第十六电阻r16以及第二开关管q2，电压-电流转换模块123的输出端通过第十六电阻r16与第二开关管q2的集电极电连接，第二开关管q2的发射极接地，第二开关管q2的基极与信号输入单元140电连接，当基极接收到第一电平信号时，第二开关管q2导通，当基极接收到第二电平信号时，第二开关管q2截止。

其中，第十六电阻r16为限流电阻。

在一种优选的实施例中，第二开关管q2为npn型三极管，当开关模块124的信号输入端口gpio输入高电平信号，即：gpio＝1时，第二开关管q2导通；当开关模块124的信号输入端口gpio端口输入低电平信号，即：gpio＝0时，第二开关管q2截止。

模拟量输入模块125的输入端与开关模块124及电压-电流转换模块123的输出端均电连接，模拟量输入模块125的输出端与模数转换单元130电连接，用于将采集到的模拟信号传输至模数转换单元130。

请参阅图8，模拟量输入模块125包括第四运算放大器u4、第十七电阻r17、第十八电阻r18、第十九电阻r19、以及第四电容c4，电压-电流转换模块123的输出端、第十七电阻r17以及第四运算放大器u4的正相输入端依次串联，电压-电流转换模块123的输出端依次经过第十七电阻r17、第四电容c4接地，第十八电阻r18与第四电容c4并联，第四运算放大器u4的输出端经过第十九电阻r19与第四运算放大器u4的反相输入端电连接并与信号输出端电连接。

模拟量输入模块125采用高阻保护模式，同时包括第十七电阻r17与第四电容c4组成第四rc滤波电路，带一定输入阻抗的隔离电路，可以有效的防止大干扰信号涌入，具有较强的抗干扰性能、可靠性高、兼容性好、应用灵活、操作方便等特点，能够适应恶劣的现场环境。

模数转换单元130用于将模拟信号复用电路120采集到的模拟信号转换为数字信号后，将数字信号传输至控制单元110。

存储单元160用于在控制单元110的控制下，存储表征第一电压值、第二电压值的数字信号。

信号输入单元140用于响应用户的操作而生成导通信号或者截止信号，并将所述导通信号或者截止信号传输至模拟信号复用电路120。

在本实施例中，当信号输入单元140输入导通信号时，gpio＝1；当信号输入单元140输入截止信号时，gpio＝0。

电源单元150用于为模拟信号复用电路120、控制单元110、模数转换单元130、存储单元160提供正常工作的电源。

本发明的工作原理如下：

当信号输入单元140输入截止信号时，gpio＝0，此时第二开关管q2截止，开关模块124禁能，此时，i1＝iout，i2＝0，也就是说，i1的大小由脉宽调制信号的占空比决定。同时，负载端设置有电阻传感器，因而可在电压-电流转换模块123检测到电流信号流经负载后产生的压降值，即为电阻传感器两端的压力值模拟信号，该压力值模拟信号经模拟量输入模块125、模数转换单元130作用后传输至控制单元110的模拟信号采样端口，控制单元110可依据接收到的信号处理得出负载的大小，此时模拟信号复用电路120处于电阻采样状态，通过调节脉宽调制信号的占空比，可调节负载电阻的量程，同时，在25℃时，测量精度为0.5％×满量程。其中，负载电阻r的量程与脉宽调制信号(pwm)占空比的关系如下表所述：

当信号输入单元140输入导通信号时，gpio＝1，此时第二开关管q2导通，开关模块124使能，此时，iout＝i1+i2,此时电路中负载电阻的大小由电阻r和第十六电阻r16决定，总的负载电阻rload＝r//r16，电压-电流转换模块123输出端的电压值v3＝iout*rload。此时模拟信号复用电路120处于模拟电压输出状态，可按照用户的需求输出需要的模拟电压值。同时，模拟量输入模块125还用于采样电压信号作为反馈信号传输至控制单元110，控制单元110通过改变脉宽调制信号的占空比可实时调节模拟电压值的大小。

需要说明的是，本发明采用的都是工业级元器件，可适应的稳定范围为-30～70℃，能够在较为恶劣的环境下工作，适合长距离测量电阻信号和模拟量电压输出信号。

综上所述，本发明实施例提供的模拟信号复用电路，通过信号输入端、电压-电流转换模块以及信号输出端依次电连接，开关模块分别与电压-电流转换模块以及信号输出端电连接，电压-电流转换模块的输出端与一负载电连接，从而当开关模块处于导通状态时，信号输出端输出第一电压值，当开关模块处于截止状态时，信号输出端输出第二电压值；通过控制开关模块的导通状态达到切换模拟信号复用电路的输出状态，当开关模块处于导通状态时，模拟信号复用电路输出模拟量电压，当开关模块处于截止状态时，模拟信号复用电路输出负载采样信号，同时由于在采样过程中，模拟信号复用电路由脉宽调制信号控制，因而通过控制脉宽调制信号的占空比可达到调节负载测量量程的效果，从而实现了模拟量电压输出与电阻量程可调节的复用，简化了电路，提高了控制产品的通用程度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。