一种组网式多通道同步隔离数据采集仪的制作方法

本发明属于过程数据采集技术领域，尤其是一种组网式多通道同步隔离数据采集仪。

背景技术：

在冶金行业中，电控设备在调试、运行过程中，需要对设备产生的多种过程信号进行实时监测，以获取设备的运行状态，分析故障信息。而工业设备的现场应用环境通常十分恶劣，存在复杂的磁场、电场等干扰因素，为保证数据采集的准确性，要求数据采集仪器具有很强的抗干扰能力。

目前，常用的数据采集方式多为工控机配合数据采集卡，其存在的问题是：数据采集隔离电压较低，设备体积非常大，不便于安装布线，采样信号易受干扰，引入较大噪声信号，导致很难还原有效信号，并且设备成本非常高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种组网式多通道同步隔离数据采集仪,解决现有数据采集设备存在的设备体积大、抗干扰能力差、设备成本高且不易安装布线等问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种组网式多通道同步隔离数据采集仪，包括多路模拟量采样电路、多路数字量采样电路、主控电路、高速并联通讯电路和上位机通讯电路；所述主控电路与多路模拟量采样电路、多路数字量采样电路、高速并联通讯电路和上位机通讯电路相连接，所述多路模拟量采样电路、多路数字量采样电路分别采集模拟信号和数字信号并传送给主控制电路，所述高速并联通讯电路用于与其他组网式多通道同步隔离数据采集仪相连接，所述上位机通讯电路用于与上位机相连接。

所述主控电路还连接一个485通讯电路电路。

所述主控电路还连接一个状态指示电路。

所述主控电路由fpga模块和arm模块连接构成，该fpga模块与多路模拟量采样电路、多路数字量采样电路、高速并联通讯电路和arm模块相连接，该arm模块与fpga模块、上位机通讯电路、状态指示电路及485通讯电路电路相连接。

所述模拟量采样电路由保护滤波电路、ad电路、隔离电路依次连接构成；所述保护滤波电路与模拟量信号相连接，通过共模电路、差模电路对模拟信号进行滤波，通过tvs管对输入电路进行保护，经运放跟随器输入到ad电路；所述ad电路采用高速ad芯片；所述隔离电路采用电容隔离芯片。

所述数字量采样电路由滤波输入电路和隔离电路连接构成，所述滤波输入电路与数字信号相连接，通过一阶差模电路、共模电路滤波后连接至隔离电路输入端，该隔离电路采用双极性光耦对数字信号进行隔离后传输至主控电路。

所述高速并联通讯电路包括地址选择电路、网口phy芯片和二路光纤接口电路；所述地址选择电路确认数据采集仪通讯地址，并将地址信息传递给主控电路；所述phy芯片由主控电路驱动，经二路光纤接口电路对外通讯。

所述上位机通讯电路由网口phy芯片和rj45接口连接构成；所述网口phy芯片与主控电路的arm模块通过rmii接口相连，该网口phy芯片经rj45接口与上位机通讯。

所述485通讯电路由485phy芯片和隔离电路连接构成，所述485phy芯片通过串口与主控电路的arm模块相连接，该485phy芯片经过数据隔离电路后对外通讯。

所述状态指示电路由红黄绿三色指示灯组成并与主控电路的arm模块相连接。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用多路模拟量采样电路、多路数字量采样电路及主控电路实现多路模拟量信号和多路数字量信号同步采样功能，相比较同类设备，更多的采样通道能够监测更多的数据，体积小、成本低。

2、本发明可以通过高速并联通讯电路并采用100mbps光纤并联通讯，将最多10个数据采集仪组网，满足现场数据监测组网工程应用需求。

3、本发明能够与上位机通讯，将采集到的数据实时传输到终端数据库，进行显示、分析，存储。

4、本发明针对不同的使用环境切换不同的信号量程，同时可切换模拟量采集方式进行电压信号采集或者电流信号采集，灵活性强，通用性高。

5、本发明包含多级滤波、输入保护、信号隔离功能，信号精度高、分辨率高，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的整体电路原理图；

图2是本发明的保护滤波电路图；

图3是本发明的ad隔离电路图；

图4是本发明的数字量采样电路图；

图5是本发明的高速并联组网原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

一种组网式多通道同步隔离数据采集仪，如图1所示，包括8路模拟量采样电路、8路数字量采样电路、主控电路、高速并联通讯电路、上位机通讯电路、485通讯电路、状态指示电路；所述8路模拟量采样电路、8路数字量采样电路、高速并联通讯电路、上位机通讯电路、预留485通讯电路、状态指示电路均与主控电路连接，所述8路模拟量采样电路、8路数字量采样电路分别采集待监测设备的模拟信号和数字信号；所述高速并联通讯电路与其他组网式多通道同步隔离数据采集仪相连接，所述上位机通讯电路与上位机相连接。所述主控电路由fpga模块和arm模块连接构成，fpga模块通过spi接口连接至模拟量采样电路，配置ad芯片采样速率、输入范围，采集模拟量数据。fpga模块通过io口连接至数字量采样电路，采集数字量数据。fpga模块通过rmii接口连接至高速通讯并联电路，将采样数据输出。arm模块通过并口与fpga相连，接收fpga模块采集到的数据，打包经过上位机通讯电路，将数据上传到上位机。同时，利用arm模块的gpio口控制状态指示灯点亮与否，表明仪器工作状态，arm模块同时驱动485通讯电路。

下面对8路模拟量采样电路、8路数字量采样电路、主控电路、高速并联通讯电路、上位机通讯电路、预留485通讯电路、状态指示电路分别进行说明：

(1)8路模拟量采样电路的每一路均包括保护滤波电路、ad电路、隔离电路，用以采集模拟量信号。8路通道之间彼此隔离，且每一路对外隔离，保证抗干扰能力，模拟量信号可以差分或者单端接入。所述保护滤波电路作为模拟量信号输入端，用于实现模拟量信号滤波、emc保护、跟随，如图2所示，ain_p、ain_n连接模拟量差分信号或单端信号，对信号进行共模、差模滤波，用以消除高频噪声影响，利用tvs管对输入电路进行保护。运放n1构成跟随器，使得信号输入端具有高输入阻抗的特性。滤波后的信号经过跟随器后，输入到ad电路。本实施例中，在采集电压模式下，r7阻值为1mω、r8预留，电压输入范围-10v～+10v；在采集电流模式下，r7、r8阻值为1kω，将电流信号转为电压信号，电流输入范围0～20ma。c6、c15选择220pf，v4、v6选择12v崩塌电压tvs管，v5选择22v崩塌电压tvs管，r11选择10ω，c85选择10nf，差模滤波-3db截止频率1.6mhz。

所述ad电路、隔离电路用于将模拟量信号转换为数字信号并与主控电路隔离，如图3所示。本实施例中，ad电路采用工业电压范围输入的14位高速ad芯片，使用内置4.096v参考电压，通过spi接口由fpga模块驱动，利用fpga模块配置ad芯片内部寄存器，可设置采样电路不同的采样电压范围，如-10v～+10v、0v～+10v、-6v～+6v等。隔离电路选择电容隔离芯片iso7141，对spi信号进行隔离，其隔离电压2500v，相比较传统光隔离的方式，体积小、功耗低、传输速度快。

(2)8路数字量采样电路的每一路均由滤波输入电路、隔离电路组成，用以采集数字量信号，如图4所示。数字信号两端分别接入din+、din-，因为u5选择双极性光耦tcmt4600，所以信号输入不区分正负。信号经过一阶差模、共模滤波后，接入光耦输入端。其中，r15、c14和r17、c15构成两个共模滤波电路，r15、c14、r17、c15构成一个差模滤波电路，r15、r17阻值33ω，c14、c17容值10nf，共模和差模滤波频率皆为0.5mhz。r16位用于设置数字信号隔离采样跳变门限电平，r13为预留调节电阻，24v数字信号输入时，r16阻值30k，跳变门限电平约为10v；5v数字信号输入时，r13阻值为3.3k，跳变门限电平约为3v。数字信号经过光耦隔离，并经过d2反相器整形后，输入到fpga模块。

(3)所述高速并联电路包括地址选择电路、网口phy芯片、2光纤接口电路，用以实现多个数据采集仪并联组网。所述地址选择电路由拨码开关、缓冲器组成，拨码开关设置并联通讯地址，经缓冲器输入到fpga模块。所述网口phy芯片、2光纤接口电路，用以实现对外光纤通讯，其中网口phy芯片为dp83849，通过rmii接口由fpga模块驱动，节省fpga模块硬件资源，通过100mbps光纤接口输出，使用pof光纤组网，具有极高的抗干扰能力。高速通讯并联组网方式如图5所示，多台数据采集仪之间链形连接，第一台网口b连接到第二台网口a，第二台网口b连接到第三台网口a，依次连接到最后一台网口a。依次设置通讯地址从0～9，其中，第一台作为主机，通讯地址设置为0，接收其它所有仪器的数据，并打包上传到上位机。通过高速并联通讯电路实现最多10台数据采集仪并联，利用光纤信号组网，抗干扰能力强，组网后实现最多64路模拟量信号和64路数字量信号同步隔离采样，更方便工业现场应用。

(4)所述上位机通讯电路包括网口phy芯片、rj45接口，用以实现与上位机通讯。本实施例中phy芯片选择dp83848，该phy芯片与主控电路arm模块通过rmii接口相连，节省硬件资源，经rj45接口与上位机通讯，通讯速率100mbps，上位机通讯电路将采集的模拟量和数字量数据实时上传到上位机，进行存储、显示、分析。

(5)所述485通讯电路由485phy芯片、隔离电路组成，为预留485通讯接口，用以实现arm模块对外通讯，根据特定需求选用。该485phy芯片通过串口连接至arm模块，经过数据隔离电路后，对外通讯。由于工业现场多配备485总线，所以预留此485通讯电路，根据数据采集仪现场需求进行配置，增强使用灵活性

(6)所述状态指示电路由arm模块控制红黄绿三色指示灯点亮状态，表明数据采集仪工作状态。本实施例中，红色灯亮表示工作状态异常，黄色灯亮表示与上位机连接正常，绿色灯亮表示电源工作正常。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。