专利名称：带配电功能的多通道信号转换隔离模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种信号隔离模块，特别涉及一种信号可转换的带配电功能的多通道信号隔离模块。
背景技术：
从工业现场应用来看，信号隔离模块被广泛应用于过程控制系统中。其用于连接现场仪表与控制系统(如PLC、DCS等)或控制器，将现场仪表发出的标准信号(通常为4^20mA或(T20mA信号)进行采集并隔离输出，供控制系统或控制器使用。目前市场上的产品，普遍存在三个问题。第一，信号隔离的方法大多采用线性光耦，存在线性失真；第二，单个产品的通道数大部分都是双通道或单通道产品，对于一个稍大点的控制系统，需要采购大量的隔离模块，即增加了成本，又对安装空间提出了要求；第三，对于输入、输出信号的类型(如Γ20πιΑ或(T20mA)，需要出厂前定制，不能在工业现场灵活的更改使用。从现有的技术来看首先，单个处理器(MCU单片机、DSP数字信号控制器等)已集成了多通道的模数转换(ADC)电路(普遍精度在12位以上，通道数在8通道以上)，并带有总线传输接口电路(SPI总线、I2C总线、CAN总线等)。其次，带有片选功能的DA芯片(数字量转模拟量芯片)以及高速数字隔离芯片已经被大量使用。基于上述特点，可以设计一款低成本的带配电功能的多通道信号隔离模块。
发明内容本实用新型提供了一种低成本的多通道隔离模块，采用数字隔离技术，并且输入、输出信号可自由切换。技术方案该模块共有九个部分的电路组成，参照附图I。I-V (电流-电压)转换输入电路用于采集现场仪表(变送器)的输出信号，根据现场仪表(变送器)的种类不同，连接相应的接线端子(分有源端子和无源端子，如果接有源端子，即实现配电功能)，其输出连接处理器的ADC通道。由于处理器的ADC通道有多路，可以设计多路ι-ν (电流-电压)转换输入电路，实现多通道输入的方案。处理器用于将I-V (电流-电压)转换输入电路中的输出的电压信号进行数字化处理(连接ADC通道)，并通过总线接口输送给数字隔离电路。数字隔离电路用于连接处理器的总线输出接口(如SPI总线)和DA转换电路(数字量转模拟量电路)，将输入与输出信号隔离(数字隔离，不存在失真)。DA转换电路用于将处理器传输的并经过数字隔离电路隔离后的信号进行DA转换(数字量转模拟量)，由于DA芯片支持片选功能，可设计多路DA转换电路，从而实现了多通道输出的功能。V-I (电压-电流)转换输出电路将DA转换电路的输出电压转换成被负载(执行器)接收的电流信号(如4 20mA或(T20mA)。[0012]信号切换电路用于切换输入输出信号类型(即Γ20πιΑ或(T20mA的选择开关)，其输出连接处理器。信号指示灯电路用于诊断该实用新型模块工作状态，如模块是否正常运行，输入通道是否正常采集数据等。电源电路A和电源电路B:分别连接输入和输出部分，提供相互独立的两个电源，再加上信号隔离，完成了针对输入、输出部分，从电源到信号的完整隔离方案。
图I是结构流程框图。图2是I-V (电流-电压)转换输入电路具体实施电路图。图3是处理器具体实施电路图。 图4是数字隔离和DA转换电路具体实施电路图。图5是V-I (电压-电流)转换输出电路具体实施电路图。图6是信号切换电路具体实施电路图。图7是信号指示灯电路具体实施电路图。图8是24V电源隔离输出±15V电源电路具体实施电路图。图9是生成5V电源电路具体实施电路图。图10是报警输出电路具体实施电路图。
具体实施方式
图2是I-V (电流-电压)转换输入电路具体实施电路图。由接线端子SI、采样电阻Ri、差动放大器OPl组成(可以由多个放大器组成差动放大器)。其中Ri为精密采样电阻(取值100欧姆，精度优于O. 05%), OPl为单电源差动放大器(选用TI公司的INA132，单电源供电范围2. 7 36V，本模块采用24V电压供电)，接线端子SI的3个接线端子S1_1、S1_2、S1-3有两种接线方法(有源接法和无源接法)。如果现场仪表为2线制，需要对其供电，则采用有源接法，即配电，接线端子为Sl-I和S1-2 (如图2)。如果现场仪表为4线制，不需要对其供电，即不需要配电，则接线端子为S1-2和S1-3连接。图2中INl是经过I-V (电流-电压)转换后的信号，输送给处理器的模拟量输入通道(ADC)。图3是处理器具体实施电路图。本实用新型采用Microchip公司生产的数字信号处理器(DSPIC30F3014)，其最多可达12路模拟量输入通道(实现多通道功能)并带有SPI等总线接口。在图3中IN1是来自I-V (电流-电压)转换输入电路的信号，连接处理器的第10脚(AN8)，进行采集并模数转换；ALM连接处理器的第35脚(RB12)，用于连接报警输出电路；SW1-1、SW1_2连接处理器的15 (RC13)、16 (RC14)脚，用于连接信号切换电路；LED1、LED2连接处理器的34 (RD0),33 (RDl)脚，用于连接信号指示灯电路；CS1、CS2连接处理器的30 (RF0),29 (RFl)脚，通过数字隔离电路连接DA芯片的片选接口；SDI、CLK连接处理器的25 (SD01)、24 (SCKl)脚，通过数字隔离电路连接具有SPI总线接口的DA数字量转模拟量芯片。图4是数字隔离和DA转换电路具体实施电路图。其中，右半部分为数字隔离，采用隔离芯片(IS07220C)，将来自处理器的SPI总线输出信号、和片选信号进行隔离。在图4中0UT1是DA转换电路的输出信号，用于连接V-I (电压-电流)转换输出电路，DA芯片采用Microchip公司的MCP4822芯片(12位);CS1为来自处理器的片选信号；SDI、CLK为来自处理器SPI接口的输出信号；其中+5V、GND和+5V_IS0、GND_IS0为两个相互隔离的5V电源。图5是V-I (电压-电流)转换输出电路具体实施电路图。图5中0P2为JFET-input运算放大器(该实用新型采用TI公司的TL052芯片，也可用单运算放大器加三极管或MOSFET管组成的驱动电路代替)；Ro为输出采样精密电阻(取值100欧姆，精度优于 O.05%)，用于控制输出回路的电流信号；S2为输出接线端子，本实例只用到了 S2-l、S2-2两个接线柱，用于连接负载(执行器);土 15V_IS0为隔离电源；0UT1来自于数字隔离和DA转换电路的输出信号。图6是信号切换电路具体实施电路图。图6中SW1为拨码开关，用于切换输入输出信号类型，如00表不输入信号和输出信号均为4 20mA, 11表不输入信号和输出信号均为O 20mA, 10表不输入信号为O 20mA但输出信号是4 20mA, 01表不输入信号为4 20mA但输出信号是(T20mA ；Sffl-U SW1-2连接处理器。图7是信号指示灯电路具体实施电路图。由多个高亮长寿命的LED灯组成，用于指示该实用新型模块的各种工作状态，如LEDl代表该模块本体的运行状态，如果常亮，代表该模块本体工作正常；LED2代表输入通道是否采集到适合的信号。图8是24V电源隔离输出±15V电源电路具体实施电路图。该实例采用TI公司生产的芯片(DCP022415D)。图9是生成5V电源电路具体实施电路图。采用Microchip公司生产的MCP16301芯片，根据图9的电路连接方式，可将输入为6 30V的输入电源变压输出为5V电源。图10是报警输出电路具体实施电路图。可用于接报警器、继电器等，用于判定该实用新型模块是否工作正常。根据上述的各个具体实施电路图，如果将I-V (电流-电压)转换输入电路、数字隔离和DA转换电路、V-I (电压-电流)转换输出电路、信号切换电路、信号指示灯电路等根据信号通道数量要求进行配置，即可实现该实用新型方案。本实例中未明确的各组成部分均可以用现有的技术加以实现。
权利要求1.一种带配电功能的多通道信号转换隔离模块，由I-V转换输入电路、处理器电路、数字隔离电路、DA转换电路、V-I转换输出电路、信号切换电路、信号指示灯电路组成，其特征在于=I-V转 换输入电路、处理器电路、数字隔离电路、DA转换电路、V-I转换输出电路，按顺序依次连接；信号切换电路、信号指示灯电路与处理器连接。
专利摘要本实用新型公开了一种带配电功能的多通道信号转换隔离模块，其包括I-V(电流-电压)转换输入电路、处理器电路、数字隔离电路、DA转换电路、V-I(电压-电流)转换输出电路、信号切换电路、信号指示灯电路、电源电路A、电源电路B。其中I-V(电流-电压)转换输入电路用于采集现场仪表(传感器、变送器)的输出信号，信号切换电路用于选择输入与输出信号的种类，电源电路A和电源电路B为两个相互隔离的电源。本实用新型的优点在于第一，提供了一种低成本的多通道信号隔离方案，采用数字隔离以及总线技术，屏蔽了模拟隔离技术的线性失真，降低了成本；第二，设计有信号切换电路，可对现场的信号根据实际需要进行自由切换。
文档编号H03K19/0185GK202535337SQ20122015655
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月14日 优先权日2012年4月14日
发明者不公告发明人 申请人:方块科技(上海)有限公司