一种用于对传感器输出信号进行采集的采集装置的制作方法

1.本实用新型一般地涉及信号处理领域。更具体地，本实用新型涉及一种用于对传感器输出信号进行采集的采集装置。


背景技术：

2.在实际的工程应用中，传感器输出的信号一般有电压型(2
‑
10v)和电流型(4
‑
20ma)两种形式，而对这两种信号进行采集的采集电路通常是不同的。例如当采集电路用来采集电流信号时，那么在工程应用中只能选择电流源输出型的传感器，从而无法接入电压源型传感器。这样就限制了传感器的应用范围。目前，为了能同时采集不同类型传感器输出的信号，通常在设备中同时设置两套采集电路，其中一套采集电路用于采集电压型传感器输出的电压信号，而另外一套采集电路则用于采集电流型传感器输出的电流信号。上述设置，造成了采集电路复杂，并且增大了采集设备的体积和功耗。
3.另外，当采集电路采集到传感器的电压或电流信号后，需要将其进行预处理，并将预处理之后的信号传送给控制处理器，以便进一步分析和处理。而现有的采集电路由于不能同时对电压和电流信号进行采集，或者虽然可以同时采集电压和电流信号，但是没有预处理电路，使得发送到控制处理器的信号格式不统一，造成采集到的电压值和电流值不能形成对应的关系，从而增加了处理器的负荷和处理难度。


技术实现要素：

4.为解决上述背景技术中的一个或多个问题，本实用新型提出了一种用于对传感器输出信号进行采集的采集装置。该采集装置设置有多路输入，使其可以对多个传感器输出的信号进行采集。并且，所述采集装置通过设置模式选择模块和采用不同的信号预处理方法，使其既可以采集并预处理电压信号，同时也可以采集并预处理电流信号，从而使得本实用新型的采集装置无需单独额外设置电流采集电路和电压采集电路，扩大了其使用范围。
5.具体地，本实用新型公开了一种用于对传感器输出信号进行采集的采集装置。该采集装置包括：输入模块，其用于接收从所述传感器输出的电压信号或电流信号；模式选择模块，其用于根据所述电压信号或电流信号来选择与之对应的处理模式；信号处理模块，其用于接收从所述传感器输出的所述电压信号或电流信号，并根据所述模式选择模块选择的处理模式来对所述电压信号或电流信号进行处理；以及输出模块，其用于接收并输出经所述信号处理模块处理的电压信号。
6.在一个实施例中，所述输入模块包括多路输入，以便对多个传感器输出的信号进行采集。
7.在另一个实施例中，所述模式选择模块包括第一连接件、第二连接件和模拟开关。其中，所述第一连接件和第二连接件同时处于不同的状态，并且所述第二连接件控制所述模拟开关的导通或者断开，以便选择所述处理模式。
8.在又一个实施例中，所述处理模式包括电压处理模式和电流处理模式。其中，在所
述电压处理模式下，所述信号处理模块包括：第一运算放大电路，其用于对所述输入模块输出的电压信号进行放大；以及第一电压跟随电路，其用于对经过所述第一运算放大电路处理的电压信号进行输出。在所述电流处理模式下，所述信号处理模块包括第一运算放大电路和第二运算放大电路，其用于将所述输入模块输出的电流信号转换成对应的电压信号。
9.在一个实施例中，所述输出模块包括电压跟随电路，其用于接收并输出所述信号处理模块输出的电压信号。
10.在另一个实施例中，本实用新型的所述采集装置还包括：第一滤波电路，其位于所述输入模块和所述信号处理模块之间，并且用于对所述输入模块输出的所述电压信号或电流信号执行去除噪声的操作；以及第二滤波电路，其位于所述信号处理模块和所述输出模块之间，并且用于对所述信号处理模块输出的所述电压信号执行去除噪声的操作。
11.在又一个实施例中，本实用新型的所述采集装置，还包括限压电路。其位于所述信号处理模块的输入端，并且用于限制输入到所述信号处理模块的电压值，以便对其进行保护。
12.在一个实施例中，本实用新型的所述采集装置还包括电源模块。其用于进行电源管理以及直流电压转换，以便对所述采集装置中的各模块进行供电。
13.在另一个实施例中，所述电源模块包括稳压电路、第三运算放大电路和第三滤波电路，其中所述稳压电路用于对输入的直流电压进行限压和稳定电压的操作；所述第三运算放大电路用于对所述稳压电路输出的直流电压进行转换，以便向所述采集装置的各模块提供电源；以及所述第三滤波电路用于对所述第三运算放大电路输出的电压信号执行去除噪声的操作。
14.本实用新型的采集装置较好地解决了目前对传感器输出的电压或电流信号进行采集的诸多问题，其具有电路简单、体积小、成本低、采集信号稳定可靠和抗干扰能力强等优点。同时，本实用新型的采集装置还通过精确地设计运算放大电路中反馈电阻的阻值，使得当采集电流信号时，不但将电流信号转换为对应的电压信号，而且使得发送到控制处理器的信号格式统一，从而减轻了处理器的负荷和处理难度。另外，本实用新型的采集装置还可以通过程序对多个传感器输出的信号中的每一路进行滤波、取反和换算等操作。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，可以更好地理解本实用新型的上述特征，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可根据这些附图获得其他的附图，其中:
16.图1是示出根据本实用新型实施例的采集装置的组成框图；
17.图2是示出根据本实用新型实施例的采集装置的进一步具体化的组成框图；
18.图3是示出根据本实用新型实施例的采集装置的电路原理图；以及
19.图4是示出根据本实用新型实施例的采集装置的电源模块的电路原理图。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行
清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
21.图1是示出根据本实用新型实施例的采集装置100的组成框图。为了便于理解本实用新型的采集装置的工作原理和应用场景，图1中还绘出了传感器105和控制处理器106，其中所述传感器用于感应被测物体或环境的温度、压力和速度等信息并将其转换为电信号，以便向本实用新型的采集装置100进行输出。
22.在一个实施例中，所述传感器可以是电压源型传感器，其可以输出电压信号；进一步，所述传感器还可以是电流源型传感器，其可以输出电流信号。在一个应用场景中，所述控制处理器可以是由具有分析、判断、计算和控制能力的芯片或电路组成，例如其可以是数字信号处理器(“dsp”)。在示例性的具体操作中，该控制处理器可以用于接收本实用新型的采集装置输出的电压信号，并且对该电压信号进行分析、判断和计算等处理，以便控制上位机来对传感器采集到的、与被测物体或环境相关的信息做出响应或执行相应的动作。
23.如图1所示，本实用新型的采集装置100可以包括输入模块101、模式选择模块102、信号处理模块103和输出模块104。其中，输入模块用于接收从传感器输出的电压信号或电流信号；模式选择模块用于根据所述电压信号或电流信号来选择与之对应的处理模式；信号处理模块用于接收从传感器输出的所述电压信号或电流信号，并根据所述模式选择模块选择的处理模式来对所述电压信号或电流信号进行处理；以及输出模块用于接收并输出经所述信号处理模块处理的电压信号。
24.图2是示出根据本实用新型实施例的采集装置200的进一步具体化的组成框图。需要说明的是，虽然图2中只绘出了两路输入，但是本领域技术人员可以理解的是根据现场实际需要，本实用新型的采集装置可以有多路输入。并且，图2中的各方框图之间的连接关系可以是逻辑关系，而实际的电路实现可以采用多种连接形式。
25.如图2所示，本实用新型的采集装置200可以包括输入模块201、第一滤波电路202、模式选择模块203、限压电路204、信号处理模块205、第二滤波电路206、第二电压跟随电路207和电源模块208。需要说明的是，上述模块和电路根据实际应用场景的不同可以为一个或多个。
26.在一个实施例中，所述输入模块可以包括多路输入。通过这样的设置，使得本发明的采集装置可以同时对多个传感器输出的信号进行采集，从而扩展了本实用新型的使用范围。对于大型机械电子设备来说，通常需要利用多个传感器同时对多种信息进行采集，例如温度、转速和压力等信息。而这些传感器根据应用场景的不同可以是电流源型传感器，还可以是电压源型传感器。利用本发明的多输入采集装置对上述传感器进行信号采集，解决了对多个传感器和不同类型的传感器同时进行信号采集困难的问题。
27.在另一个实施例中，本实用新型的第一滤波电路可以是由电阻和电容组成的滤波电路。其可以布置成位于输入模块和信号处理模块之间，并且用于对输入模块输出的电压信号或电流信号执行去除噪声(例如高次谐波交流量)的操作，从而保证了采集信号的质量和可靠性。类似地，本实用新型的第二滤波电路可以是由电阻和电容组成的滤波电路。其位于所述信号处理模块和所述输出模块之间，并且用于对所述信号处理模块输出的所述电压信号执行去除噪声(例如高次谐波交流量)的操作，从而保证了采集信号的质量和可靠性。
28.在又一个实施例中，本实用新型的模式选择模块203可以包括第一连接件2031、第二连接件2032和模拟开关2033。其中，第一连接件和第二连接件分别可以包括跳线帽和插针，其可以处于导通和断开两种不同的工作状态。在工作过程中，可以通过将跳线帽插入或拔出插针，从而使得连接件处于导通或断开状态。进一步地，通过第二连接件的导通或者断开控制模拟开关的导通或者断开，从而使得本实用新型的采集装置的处理模式为电压处理模式或电流处理模式。
29.当本实用新型的采集装置处于电压处理模式的工作状态时，信号处理模块可以包括第一运算放大电路和第一电压跟随电路，其中第一运算放大电路用于对所述输入模块输出的电压信号进行放大；而第一电压跟随电路用于对经过所述第一运算放大电路处理的电压信号进行输出。另一方面，当本实用新型的采集装置处于电流处理模式的工作状态时，所述信号处理模块可以包括第一运算放大电路和第二运算放大电路，其用于将所述输入模块输出的电流信号转换成对应的电压信号。
30.在一个实施例中，本实用新型的采集装置还可以包括限压电路。其可以位于所述信号处理模块的输入端，并且用于限制输入到信号处理模块的电压值，以便对其进行保护。在一个应用场景中，本实用新型的输出模块可以包括第二电压跟随电路，其用于接收并输出信号处理模块输出的电压信号。由于第二电压跟随电路的共集电极电路具有输入阻抗高和输出阻抗低的特性，使得其在电路中可以起到阻抗匹配和提高带负载能力的作用。同时第二电压跟随电路还可以起到缓冲、隔离信号的作用，从而使得后一级的放大电路更好地工作。
31.图3是示出根据本实用新型实施例的采集装置300的电路原理图。这里需要指出的是，图3中的采集装置300的电路原理图可以理解为图1和图2中的采集装置100和200的一种示例性的电路实现。因此，结合图1和图2所描述的采集装置100和200的细节也同样适用于对图3中的采集装置300的描述。下面将结合图3来描述本实用新型的采集装置的组成和工作原理。
32.如图3所示，本实用新型的输入模块例如可以是由图3所示的插拔接线端子x2。其中，x2可以具有由第一路ai1+、ai1
‑
和第二路ai2+、ai2
‑
构成的双输入端，其分别可以连接不同传感器的输出端，以便接收两个不同传感器输出的信号。可以理解的是，此处的输入模块是一种示例性的实现方式，其可以根据应用场景的不同而扩展为多个输入端，以便接收多个不同传感器输出的信号。并且，图3中所示的采集装置的两路输入的后续处理电路类似，因此下面以第一路输入端的后续电路为例，描述本实用新型的采集装置的组成和工作原理。
33.在一个实施例中，本实用新型的采集装置的限压电路可以是由二极管v869、v899、v609和v607组成的电路。其中，v869和v899组成桥式电路，其与第一路输入端的ai1+连接，以便对端口ai1+输出的信号进行电压强度的限制。进一步地，v609和v607组成另一个桥式电路，其与第一路输入端的ai1
‑
连接，以便对端口ai1
‑
输出的信号进行电压强度的限制。经过限压电路限压之后的信号经过第一滤波电路传送到运算放大器a605c的差分输入端，从而避免了运算放大器a605c由于输入电压值过高而烧毁。
34.在另一个实施例中，本实用新型的第一滤波电路可以是由电阻r8、r9、r24、r44和电容c27等所组成的π型滤波电路。该π型滤波电路可以连接在限压电路和运算放大器a605c
之间，以便对第一路输入端ai1+、ai1
‑
输出的电压信号或电流信号执行去除噪声(例如高次谐波交流量)的操作，从而保证了采集信号的质量和可靠性。类似地，本实用新型的第二滤波电路可以是由电阻r71和电容c25等所组成的滤波电路并且连接于运算放大器a605a和运算放大器a603d之间，以便对运算放大器a605a输出的电压信号执行去除噪声(例如高次谐波交流量)的操作，从而保证了采集信号的质量和可靠性。
35.在一个应用场景中，本实用新型的输出模块可以包括由运算放大器a603d所组成的第二电压跟随电路。为了构成第二电压跟随电路，运算放大器a603d的输出端14作为负反馈直接连接到a603d的反向输入端13。所述第二电压跟随电路用于接收经过运算放大器a605a处理并输出的电压信号，同时向控制和处理器进行输出。由于第二电压跟随电路的共集电极电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，使得其在电路中可以起到阻抗匹配，提高带负载能力的作用。另外，第二电压跟随电路还可以起到缓冲、隔离信号的作用，从而使得后一级的放大电路更好地工作。
36.在一个实施例中，本实用新型的模式选择模块可以包括第一连接件j1a、第二连接件j1b和模拟开关a607。作为一个具体的实现方式，所述第一连接件j1a和第二连接件j1b分别可以包括两芯的单排插针1、2和两芯的跳线帽，其中插针的针长例如可以设置为18毫米。当跳线帽插入插针上时，插针1和2连通，从而使得信号通过连接件；当跳线帽从插针上拔出时，插针1和2断开，从而阻止信号通过连接件。进一步地，第一连接件j1a的插针2与输入模块的端口ai1+连接；第一连接件j1a的插针1与运算放大器a605c的反相输入端连接。第二连接件j1b的插针2接地；第二连接件j1b的插针1与模拟开关a607的管脚16连接。在工作中，通过第二连接件j1b的导通或者断开来控制模拟开关a607的导通或者断开，从而选择与传感器输出信号相对应的处理模式。
37.本实用新型的采集装置的处理模式可以包括电压处理模式和电流处理模式。具体地，当电压源型传感器输出电压信号时，将第一连接件j1a的跳线帽拔出，同时将第二连接件j1b的跳线帽插入到插针上。此时，第二连接件j1b的1和2针连通，模拟开关a607的管脚16处于低电平状态。于是，接通模拟开关a607的s2与d2，从而使得运算放大器a605a的输出端直接反馈到其反相输入端。此时，运算放大器a605a构成第一电压跟随器，进而使得采集装置处于电压处理模式的工作状态。
38.在上述电压处理模式下，所述信号处理模块可以包括第一运算放大电路和第一电压跟随电路。其中，所述第一运算放大电路可以是由运算放大器a605c组成的电路，其用于对来自传感器的电压信号进行放大。所述第一电压跟随电路可以是由运算放大器a605a组成的电路。由于第一电压跟随电路的共集电极电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，使得其在电路中可以起到阻抗匹配和提高带负载能力的作用。同时第一电压跟随电路还可以起到缓冲、隔离信号的作用，从而使得后一级的电路更好地工作。
39.与上述的电压处理模式相对应地，当电流源型传感器输出电流信号时，将第一连接件j1a的跳线帽插入到插针上，同时将第二连接件j1b的跳线帽拔出。此时，第一连接件j1a的1和2针连通，电流信号流过第一连接件j1a和电阻r602；进一步，由于第二连接件j1b断开，因此模拟开关a607的管脚16处于高电平状态。于是，断开模拟开关a607的s2与d2，从而使得运算放大器a605a的输出端输出的信号流经电阻r104和r105，最终反馈到a605a的反相输入端。此时，运算放大器a605a构成第二运算放大电路，进而使得采集装置处于电流处
理模式的工作状态。
40.在电流处理模式下，所述信号处理模块可以包括第一运算放大电路和第二运算放大电路，其用于将所述输入模块输出的电流信号转换成对应的电压信号。具体地，所述第一运算放大电路可以包括由运算放大器a605c等组成的第一级放大电路；所述第二运算放大电路可以包括由运算放大器a605a等组成的第二级放大电路。进一步地，通过合理地设置电阻r602、r104和r105的阻值，不但可以提高采集装置的输入阻抗，而且还可以将采集到的来自传感器的电流值转换成与其对应的电压值。下面结合图3，并以第一路输入端的后续电路为例，简要描述本实用新型的采集装置的工作原理。
41.当采用电压源型传感器采集信号时，将第一连接件j1a的跳线帽拔出，同时将第二连接件j1b的跳线帽插入到插针上。此时，传感器输出的电压信号流经采集装置的输入模块，并通过端口ai1+和ai1
‑
输出。随后，该电压信号经过第一滤波电路进行滤除噪声操作之后，被传送到由a605c组成的第一运算放大电路进行放大处理。由于此时第二连接件j1b的1和2针连通，因此其控制模拟开关a607的端口s2和d2连通，于是运算放大器a605a构成第一电压跟随电路。接着，经过第一运算放大电路处理之后的电压信号，通过第一电压跟随电路输出给第二滤波电路，以便进行滤除噪声的操作。最后，经过滤波处理的电压信号被传送到由a603d组成的第二电压跟随电路，并将其输出给控制和处理器。
42.相对应地，当采用电流源型传感器采集信号时，将第一连接件j1a的跳线帽插入到插针上，同时将第二连接件j1b的跳线帽拔出。此时，传感器输出的电流信号流经采集装置的输入模块，并通过端口ai1+和ai1
‑
输出。随后，该电流信号经过第一滤波电路进行滤除噪声操作之后，被传送到由a605c组成的第一运算放大电路进行放大处理。由于此时第二连接件j1a的1和2针断开，因此其控制模拟开关a607的端口s2和d2断开，于是运算放大器a605a构成第二运算放大电路。接着，信号经过第二运算放大电路再次放大处理之后被转变为与传感器输出的电流信号相对应的电压信号，并输出给第二滤波电路进行滤除噪声处理。最后，经过滤波处理的电压信号被传送到由a603d组成的第二电压跟随电路，并将其输出给控制和处理器。。
43.图4是示出根据本实用新型实施例的采集装置的电源模块的电路原理图。
44.如图4所示，本实用新型的电源模块用于进行电源管理以及直流电压转换，以便对所述采集装置中的各模块进行供电。进一步地，所述电源模块可以包括稳压电路、第三运算放大电路和第三滤波电路。具体地，所述稳压电路例如可以包括由电压基准芯片a606组成的电路，其用于对输入电压执行限压和稳定电压的操作。所述第三运算放大电路例如可以包括由运算放大器a608a和a608b组成的放大电路。在一些应用场景中，通过改变其反馈电阻r85、r85和r13等的阻值，运算放大器a608a和a608b可以输出不同的电压值，以便向采集装置的各模块进行供电。所述第三滤波电路例如可以包括由电容c50、c70和电阻r89、r12等组成的rc滤波电路，其用于对所述第三运算放大电路输出的电压信号执行去除噪声的操作，从而保证了电源模块输出电压值的精确性和稳定性。
45.需要理解的是上述关于电路组成的描述仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员根据本实用新型的教导也可以想到使用其他的电路结构、元件、器件或模块来实现本实用新型的方案，而这样的替换方案依然落入到本实用新型所主张的保护范围内。
46.应当理解，本实用新型的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第
三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本实用新型的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
47.还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本实用新型。如在本实用新型说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本实用新型说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
48.如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0049]
虽然本实用新型的实施方式如上，但所述内容只是为便于理解本实用新型而采用的实施例，并非用以限定本实用新型的范围和应用场景。任何本实用新型所述技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。