一種分時測量控制電路的制作方法
專利名稱:一種分時測量控制電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種分時測量控制電路，包括：控制器、74HC595，1G125，1N4148及外圍電路、第一SPI總線和第二SPI總線，所述第一SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。
【專利說明】
_種分時測量控制電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及電路領域，具體而言，涉及一種分時測量控制電路。
【背景技術】
[0002]在數(shù)據(jù)采集的應用場景中，與主器件相連的用于采集數(shù)據(jù)的從器件往往較多，并且線路較長，這樣，如何提高從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力以及大量從器件的選擇與控制成為現(xiàn)有技術中亟需解決的問題。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型提供一種分時測量控制電路，用以克服現(xiàn)有技術中存在的至少一個問題。
[0004]為達到上述目的，本實用新型提供了一種分時測量控制電路，包括:控制器、74HC595，1G125，1N4148及外圍電路、第一 SPI總線和第二 SPI總線，所述第一 SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。
[0005]進一步地，所述控制器采用意法半導體公司的STM32F103。
[0006]進一步地，所述從器件為溫度傳感器。
[0007]進一步地，所述溫度傳感器采用ADT7310。
[0008]本實用新型中當大量SPI總線接口的器件同時掛接到同一個SPI總線時，根據(jù)SPI總線特性，主器件只能逐一對SPI總線接口的從器件進行數(shù)據(jù)的讀取。分時測量控制電路的作用是，在某一時刻只有一個從器件被使能與主器件進行通訊，提高了從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力，實現(xiàn)了對大量從器件的選擇與控制。
【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0010]圖1a為本實用新型一個實施例的分時測量控制電路示意圖；
[0011]圖1b為用于提高圖1a中ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖；
[0012]圖2a、圖2b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；
[0013]圖3為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；
[0014]圖4為本實用新型一個實施例的控制器結構示意圖；
[0015]圖5為本實用新型一個實施例的溫度采集器結構示意圖；
[0016]圖6為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；
[0017]圖7為本實用新型一個實施例的溫度采集板示意圖；
[0018]圖8a、圖Sb為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；
[0019]圖8c、圖8d為本實用新型一個實施例的溫度采集接口電路示意圖；
[0020]圖Se為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；
[0021]圖8f為用于提高圖8e中ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0023]圖1a為本實用新型一個實施例的分時測量控制電路示意圖；圖1b為本實用新型一個實施例的用于提高ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖；圖1a中，所有器件構成一個SPI總線級聯(lián)模組。
[0024]Ul?U8代表具有SPI總線接口的器件，并作為從器件使用。
[0025]U27(74HC595)將由主器件發(fā)來的串行片選數(shù)據(jù)轉換成并行輸出，分別對應相應的從器件的使能引腳，從而完成對所有從器件同一時刻的唯一性選擇。
[0026]U9(1G125)用于提高從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力。由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U9(1G125)每隔8個從器件對輸出數(shù)據(jù)信號進行增強。為了防止后級的從器件模組的數(shù)據(jù)信號對本級數(shù)據(jù)信號的影響，采用1G125和9個1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每個對應本級的一個具有SPI總線接口的從器件的使能信號，如果一個模組的其中的一個信號被使能，則該模組的1G125被使能，該使能信號通過DlO向其前面的模組傳輸，使其前面直至主器件引腳的1G125全部開通使能，該模組后面的模組的1G125全部為禁用高阻狀態(tài)，防止數(shù)據(jù)總線被影響。
[0027]若大量SPI總線接口的器件同時掛接到同一個SPI總線，根據(jù)SPI總線特性，主器件只能逐一對SPI總線接口的從器件進行數(shù)據(jù)的讀取。分時測量控制電路的作用是，在某一時刻只有一個從器件被使能與主器件進行通訊。
[0028]分時測量控制電路的用途是為大量SPI總線接口的器件級聯(lián)時使用。
[0029]SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI總線是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，可以實現(xiàn)是一個主設備(CPU)連接多個從設備的目的。數(shù)字型溫度傳感器組態(tài)靈活、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集準確度高，滿足高標準數(shù)據(jù)監(jiān)測要求。
[0030]這種設計的亮點在于有效解決了大量SPI總線接口的器件個數(shù)的分時測量控制。凍土實例中，使用具有SPI總線接口的溫度傳感器為200個。
[0031]電路原理為結合74HC595，1G125，1N4148及外圍電路完成位于SPI總線上從器件的使能信號控制，從而達到200個溫度傳感器位于一條SPI總線上，在某一時刻只有一個被使能與主器件進行通訊并完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?br>[0032]上述分時測量控制電路的優(yōu)點有以下三點:
[0033]第一、從器件的個數(shù)可以擴充，在供電電源線足夠粗(保證線電阻很小)的情況下，可以無限級擴充；
[0034]第二、僅用7條信號線完成大量從器件數(shù)據(jù)的采集；
[0035]第三、采用該設計方法，每個點的ID號自然形成，無需刻意設置，每個從器件所在的SPI的位置的74HC595發(fā)出的使能信號就是該從器件的ID，該ID由電路自然形成無需配置，因此大大化簡了使用繁瑣度。
[0036]以下為將本實用新型的分時測量控制電路應用于凍土深度傳感器的實施例。
[0037]圖2a、圖2b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；圖3為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；如圖所示，A為土壤，B為地表面，凍土深度傳感器是用于凍土層深度的自動測量儀器，包括:控制器2、溫度采集器6、保護管3、防水密封盒1、灌封材料5和控制電纜4，其中控制器2安裝在防水密封盒I內；防水密封盒I固定設置在保護管3—端;保護管3的另一端埋入土壤中；溫度采集器6通過灌封材料整體灌封在保護管3—側的凹槽中，溫度采集器6與保護管3—起被埋入被測土壤中；控制電纜4連接在控制器2與溫度采集器6之間。圖3中，外部設備201與控制器2相連，控制器2包括RS-485接口 202、處理器203 (可優(yōu)選高性能低功耗處理器)、電源模塊204、第一溫度采集接口 205，溫度采集器6包括第二溫度采集接口 206及與第二溫度采集接口 206相連的第I個溫度采集電路板207、第2個溫度采集電路板208、……、第η個溫度采集電路板209和第n+1個溫度采集電路板210，η為自然數(shù)。
[0038]由于安裝地點的條件限制(野外、高寒)，所有元器件的均采用工業(yè)級溫度標準(-40 °C?85 °C)，盒體及保護管防水等級IP65以上，據(jù)有巨大的測量深度(本實施例以2米測量深度為例)。
[0039]以下對凍土深度傳感器的各部件進行詳細介紹。
[0040](I)控制器
[0041]控制器為溫度采集器提供電源，并對溫度采集器采集的溫度數(shù)據(jù)的進行讀取和處理，以及與外部設備的數(shù)據(jù)通訊?？刂破靼惭b在防水等級IP65的密封盒中。
[0042]CPU選用意法半導體公司的STM32F103作為處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。因此控制器的數(shù)據(jù)處理和通訊能力非常強大。
[0043]控制器采用DC12V電壓供電。電源模塊采用LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓器，高效、穩(wěn)定。
[0044]RS-485接口作為控制器與外設的通訊接口，采用ModBus標準協(xié)議。
[0045]控制器與溫度采集器通過溫度采集接口相連，接口包含SPI總線、溫度傳感器分時測量控制信號和供電電源。
[0046](2)溫度采集器
[0047]溫度采集器用于為溫度數(shù)據(jù)的采集，內部帶有200個溫度測點，由25塊采集電路板串接構成(可根據(jù)需求串接更多的采集電路板完成更深的溫度采集)，可以完成高密度測量，以保證溫度采集器測量精度。由于使用環(huán)境的限制，溫度采集器被灌封在保護管中。其安裝方式采用地埋式，將保護管連同溫度采集器垂直于地表面一同埋入土壤中。深度的選擇是根據(jù)被測地點的氣候條件，埋入相應深度。
[0048]在一個實施例中，保護管采用長2200mm、寬40mm、高40mm的環(huán)氧樹脂棒，一側表面挖出長2000mm、寬30mm、深30mm的凹形槽，溫度采集器被環(huán)氧樹脂填充物和娃橡膠填充物灌封在凹形槽中。
[0049]溫度采集器由25塊采集電路板級聯(lián)構成，兩塊采集電路板之間由硅橡膠排線相連接。每塊采集電路板以Icm為間距平均分布8個溫度傳感器。
[0050]采集電路板由溫度采集器接口電路、總線驅動能力增強電路、溫度傳感器分時測量控制電路和8個溫度傳感器組成。采集器接口電路用于與控制器相連和采集電路板之間的級聯(lián)?？偩€驅動能力增強電路的作用是增強SPI總線驅動能力，實現(xiàn)同時驅動200個節(jié)點。溫度傳感器分時測量控制電路的作用是選擇讀取哪個溫度傳感器的數(shù)據(jù)。溫度傳感器由于檢測溫度傳感器所在位置的溫度值。
[0051]圖6為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；圖7為本實用新型一個實施例的溫度采集板示意圖；圖8a、圖Sb為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；圖Sc、圖Sd為本實用新型一個實施例的溫度采集接口電路示意圖；圖Se為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；圖Sf為本實用新型一個實施例的用于提高ADT7 310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖。圖6中，長度的單位為毫米；圖7中601為溫度傳感器，602為硅橡膠排線，603為采集電路板。
[0052]以下從測量原理角度進一步介紹本實用新型。
[0053]凍土深度傳感器的測量原理為控制器依次讀取溫度采集器上的溫度傳感器的數(shù)值并保存在內部寄存器中。外部設備讀取控制器內的寄存器數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，查找測量數(shù)據(jù)O °c以下的溫度傳感器編號，根據(jù)溫度傳感器編號換算出凍土深度。
[0054](I)控制器
[0055]其工作方式是控制器以Is的時間頻率循環(huán)讀取溫度采集器內部200個溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在CPU內部寄存器中，當外部設備需要讀取溫度數(shù)據(jù)時，只需讀取相應寄存器的數(shù)據(jù)即可。
[0056]若采用主從方式由外設發(fā)出測量指令，控制器再啟動測量，當溫度傳感器數(shù)量較多時，控制器采集一輪溫度數(shù)據(jù)需時較長，外設等待時間過長。這種工作方式的好處是，可以保證數(shù)據(jù)的實時性和可以快速的讀取數(shù)據(jù)。
[0057]溫度采集器由200個溫度傳感器構成，最大測量深度可達2m。
[0058](2)溫度采集器
[0059]溫度采集器的設計思想為利用帶有SPI總線的數(shù)字型溫度傳感器組成一個類似于可以讀取溫度的標尺。SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI總線是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，可以實現(xiàn)是一個主設備(CPU)連接多個從設備(溫度傳感器)的目的。數(shù)字型溫度傳感器組態(tài)靈活、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集準確度高，滿足高標準數(shù)據(jù)監(jiān)測要求。
[0060]由于氣候原因，凍土深度具有巨大的差異，有些地點的凍土深度較淺，有些地點的凍土深度較深，統(tǒng)一長度的溫度采集器無法滿足所有用戶的需求。為了滿足所有客戶需求，溫度采集器采用電路板級聯(lián)安裝設計模式。即溫度采集器由若干采集電路板級聯(lián)組成，這種設計的優(yōu)點是用戶可以根據(jù)被測地點的氣象條件適當選擇溫度采集器的長度(測量點數(shù))。在埋設溫度采集器的時候，極其方便用戶施工及安裝，減少現(xiàn)場工作量。
[0061]溫度采集器最大的設計亮點在于有效解決了大量測量點(溫度傳感器個數(shù))的分時測量控制。分時測量控制含義是在編寫程序的時候需要逐一對溫度傳感器進行數(shù)據(jù)的讀取，此時，我們需要有一個信號來告訴掛在總線上的CPU，這些數(shù)據(jù)是哪個芯片傳來的。
[0062]溫度采集傳感器采用雙SPI總線、多組溫度傳感器級聯(lián)的方式構成。第一條SPI總線用于各個溫度傳感器ADT7310的溫度采集命令和溫度值的傳輸，另一條SPI總線結合74HC595及外圍電路完成位于第一條SPI總線上溫度傳感器的使能信號控制，從而達到200個溫度傳感器位于一條SPI總線上，在某一時刻只有一個被使能與單片機進行通訊并完成溫度采集的目的。這樣設計的優(yōu)點有三:第一、溫度傳感器的采集點數(shù)可以擴充，在供電電源線足夠粗(保證線電阻很小)的情況下，可以無限級擴充;第二、僅用7條信號線完成大量溫度點的溫度采集;第三、采用該設計方法，每個點的ID號自然形成，無需刻意設置，每個溫度傳感器所在的SPI的位置的74HC595發(fā)出的使能信號就是該溫度采集點的ID，該ID由電路自然形成無需配置，因此大大化簡了使用繁瑣度。
[0063]圖8a_圖8f中，U27(74HC595)將串行片選數(shù)據(jù)轉換成并行輸出，分別對應相應的溫度傳感器芯片ADT7310的使能引腳，從而完成對所有傳感器芯片同一時刻的唯一性選擇。
[0064]U25、U26(74HC3G34)用于對SPI信號進行增強。由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U25、U26每隔8個溫度采集點對SPI信號進行增強。
[0065]U9(1G125)用于提高ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力，由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U9(1G125)每隔8個溫度采集點對溫度信號進行增強。為了防止后級的傳感器模組的數(shù)據(jù)信號對本級數(shù)據(jù)信號的影響，采用1G125和9個1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每個對應本級的一個溫度傳感器使能信號，如果一個模組的其中的一個信號被使能，則該模組的1G125被使能，該使能信號通過DlO向其前面的模組傳輸，使其前面直至單片機引腳的1G125全部開通使能，該模組后面的模組的1G125全部為禁用高阻狀態(tài)，防止數(shù)據(jù)總線被影響。
[0066](3)保護管
[0067]根據(jù)保護管的結構剖面圖，圖中所示保護管外殼材料均為導熱系數(shù)比較低的材料，如果使用導熱系數(shù)高的材料(例如金屬材料)作為保護管，由于材料的熱傳遞作用，那么保護管會使測量的各點溫度趨于平均化，影響測量結果。
[0068]環(huán)氧樹脂具有物理強度高，耐腐蝕，絕緣度高，導熱系數(shù)低的特點，這樣就避免了被土壤中的物質侵蝕。硅橡膠具有優(yōu)良的電絕緣性能、密封性能和耐老化的性能。硅橡膠的表面能比大多數(shù)有機材料小，具有低吸濕性，與許多材料不發(fā)生粘合，填充硅橡膠使電路板與外界隔離。
[0069]經(jīng)過測試，這種新型凍土傳感器結構簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，可操作強。大大提高了凍土檢測的精度。而且使用這種結構的凍土傳感器使用壽命長，不受季節(jié)限制，非常適合野外使用。
[0070]本領域普通技術人員可以理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本實用新型所必須的。
[0071]本領域普通技術人員可以理解:實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
[0072]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種分時測量控制電路，其特征在于，包括:控制器、74HC595，IGl25，1N4148及外圍電路、第一 SPI總線和第二 SPI總線，所述第一 SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。2.根據(jù)權利要求1所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述控制器采用意法半導體公司的STM32F103。3.根據(jù)權利要求1所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述從器件為溫度傳感器。4.根據(jù)權利要求3所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述溫度傳感器采用ADT7310。
【文檔編號】G05D23/20GK205721422SQ201620311200
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】吳永吉, 唐潤庚
【申請人】哈爾濱今星微電子科技有限公司, 唐潤庚
【專利摘要】本實用新型公開一種分時測量控制電路，包括：控制器、74HC595，1G125，1N4148及外圍電路、第一SPI總線和第二SPI總線，所述第一SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。
【專利說明】
_種分時測量控制電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及電路領域，具體而言，涉及一種分時測量控制電路。
【背景技術】
[0002]在數(shù)據(jù)采集的應用場景中，與主器件相連的用于采集數(shù)據(jù)的從器件往往較多，并且線路較長，這樣，如何提高從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力以及大量從器件的選擇與控制成為現(xiàn)有技術中亟需解決的問題。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型提供一種分時測量控制電路，用以克服現(xiàn)有技術中存在的至少一個問題。
[0004]為達到上述目的，本實用新型提供了一種分時測量控制電路，包括:控制器、74HC595，1G125，1N4148及外圍電路、第一 SPI總線和第二 SPI總線，所述第一 SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。
[0005]進一步地，所述控制器采用意法半導體公司的STM32F103。
[0006]進一步地，所述從器件為溫度傳感器。
[0007]進一步地，所述溫度傳感器采用ADT7310。
[0008]本實用新型中當大量SPI總線接口的器件同時掛接到同一個SPI總線時，根據(jù)SPI總線特性，主器件只能逐一對SPI總線接口的從器件進行數(shù)據(jù)的讀取。分時測量控制電路的作用是，在某一時刻只有一個從器件被使能與主器件進行通訊，提高了從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力，實現(xiàn)了對大量從器件的選擇與控制。
【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0010]圖1a為本實用新型一個實施例的分時測量控制電路示意圖；
[0011]圖1b為用于提高圖1a中ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖；
[0012]圖2a、圖2b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；
[0013]圖3為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；
[0014]圖4為本實用新型一個實施例的控制器結構示意圖；
[0015]圖5為本實用新型一個實施例的溫度采集器結構示意圖；
[0016]圖6為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；
[0017]圖7為本實用新型一個實施例的溫度采集板示意圖；
[0018]圖8a、圖Sb為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；
[0019]圖8c、圖8d為本實用新型一個實施例的溫度采集接口電路示意圖；
[0020]圖Se為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；
[0021]圖8f為用于提高圖8e中ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0023]圖1a為本實用新型一個實施例的分時測量控制電路示意圖；圖1b為本實用新型一個實施例的用于提高ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖；圖1a中，所有器件構成一個SPI總線級聯(lián)模組。
[0024]Ul?U8代表具有SPI總線接口的器件，并作為從器件使用。
[0025]U27(74HC595)將由主器件發(fā)來的串行片選數(shù)據(jù)轉換成并行輸出，分別對應相應的從器件的使能引腳，從而完成對所有從器件同一時刻的唯一性選擇。
[0026]U9(1G125)用于提高從器件的數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力。由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U9(1G125)每隔8個從器件對輸出數(shù)據(jù)信號進行增強。為了防止后級的從器件模組的數(shù)據(jù)信號對本級數(shù)據(jù)信號的影響，采用1G125和9個1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每個對應本級的一個具有SPI總線接口的從器件的使能信號，如果一個模組的其中的一個信號被使能，則該模組的1G125被使能，該使能信號通過DlO向其前面的模組傳輸，使其前面直至主器件引腳的1G125全部開通使能，該模組后面的模組的1G125全部為禁用高阻狀態(tài)，防止數(shù)據(jù)總線被影響。
[0027]若大量SPI總線接口的器件同時掛接到同一個SPI總線，根據(jù)SPI總線特性，主器件只能逐一對SPI總線接口的從器件進行數(shù)據(jù)的讀取。分時測量控制電路的作用是，在某一時刻只有一個從器件被使能與主器件進行通訊。
[0028]分時測量控制電路的用途是為大量SPI總線接口的器件級聯(lián)時使用。
[0029]SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI總線是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，可以實現(xiàn)是一個主設備(CPU)連接多個從設備的目的。數(shù)字型溫度傳感器組態(tài)靈活、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集準確度高，滿足高標準數(shù)據(jù)監(jiān)測要求。
[0030]這種設計的亮點在于有效解決了大量SPI總線接口的器件個數(shù)的分時測量控制。凍土實例中，使用具有SPI總線接口的溫度傳感器為200個。
[0031]電路原理為結合74HC595，1G125，1N4148及外圍電路完成位于SPI總線上從器件的使能信號控制，從而達到200個溫度傳感器位于一條SPI總線上，在某一時刻只有一個被使能與主器件進行通訊并完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?br>[0032]上述分時測量控制電路的優(yōu)點有以下三點:
[0033]第一、從器件的個數(shù)可以擴充，在供電電源線足夠粗(保證線電阻很小)的情況下，可以無限級擴充；
[0034]第二、僅用7條信號線完成大量從器件數(shù)據(jù)的采集；
[0035]第三、采用該設計方法，每個點的ID號自然形成，無需刻意設置，每個從器件所在的SPI的位置的74HC595發(fā)出的使能信號就是該從器件的ID，該ID由電路自然形成無需配置，因此大大化簡了使用繁瑣度。
[0036]以下為將本實用新型的分時測量控制電路應用于凍土深度傳感器的實施例。
[0037]圖2a、圖2b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；圖3為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；如圖所示，A為土壤，B為地表面，凍土深度傳感器是用于凍土層深度的自動測量儀器，包括:控制器2、溫度采集器6、保護管3、防水密封盒1、灌封材料5和控制電纜4，其中控制器2安裝在防水密封盒I內；防水密封盒I固定設置在保護管3—端;保護管3的另一端埋入土壤中；溫度采集器6通過灌封材料整體灌封在保護管3—側的凹槽中，溫度采集器6與保護管3—起被埋入被測土壤中；控制電纜4連接在控制器2與溫度采集器6之間。圖3中，外部設備201與控制器2相連，控制器2包括RS-485接口 202、處理器203 (可優(yōu)選高性能低功耗處理器)、電源模塊204、第一溫度采集接口 205，溫度采集器6包括第二溫度采集接口 206及與第二溫度采集接口 206相連的第I個溫度采集電路板207、第2個溫度采集電路板208、……、第η個溫度采集電路板209和第n+1個溫度采集電路板210，η為自然數(shù)。
[0038]由于安裝地點的條件限制(野外、高寒)，所有元器件的均采用工業(yè)級溫度標準(-40 °C?85 °C)，盒體及保護管防水等級IP65以上，據(jù)有巨大的測量深度(本實施例以2米測量深度為例)。
[0039]以下對凍土深度傳感器的各部件進行詳細介紹。
[0040](I)控制器
[0041]控制器為溫度采集器提供電源，并對溫度采集器采集的溫度數(shù)據(jù)的進行讀取和處理，以及與外部設備的數(shù)據(jù)通訊?？刂破靼惭b在防水等級IP65的密封盒中。
[0042]CPU選用意法半導體公司的STM32F103作為處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。因此控制器的數(shù)據(jù)處理和通訊能力非常強大。
[0043]控制器采用DC12V電壓供電。電源模塊采用LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓器，高效、穩(wěn)定。
[0044]RS-485接口作為控制器與外設的通訊接口，采用ModBus標準協(xié)議。
[0045]控制器與溫度采集器通過溫度采集接口相連，接口包含SPI總線、溫度傳感器分時測量控制信號和供電電源。
[0046](2)溫度采集器
[0047]溫度采集器用于為溫度數(shù)據(jù)的采集，內部帶有200個溫度測點，由25塊采集電路板串接構成(可根據(jù)需求串接更多的采集電路板完成更深的溫度采集)，可以完成高密度測量，以保證溫度采集器測量精度。由于使用環(huán)境的限制，溫度采集器被灌封在保護管中。其安裝方式采用地埋式，將保護管連同溫度采集器垂直于地表面一同埋入土壤中。深度的選擇是根據(jù)被測地點的氣候條件，埋入相應深度。
[0048]在一個實施例中，保護管采用長2200mm、寬40mm、高40mm的環(huán)氧樹脂棒，一側表面挖出長2000mm、寬30mm、深30mm的凹形槽，溫度采集器被環(huán)氧樹脂填充物和娃橡膠填充物灌封在凹形槽中。
[0049]溫度采集器由25塊采集電路板級聯(lián)構成，兩塊采集電路板之間由硅橡膠排線相連接。每塊采集電路板以Icm為間距平均分布8個溫度傳感器。
[0050]采集電路板由溫度采集器接口電路、總線驅動能力增強電路、溫度傳感器分時測量控制電路和8個溫度傳感器組成。采集器接口電路用于與控制器相連和采集電路板之間的級聯(lián)?？偩€驅動能力增強電路的作用是增強SPI總線驅動能力，實現(xiàn)同時驅動200個節(jié)點。溫度傳感器分時測量控制電路的作用是選擇讀取哪個溫度傳感器的數(shù)據(jù)。溫度傳感器由于檢測溫度傳感器所在位置的溫度值。
[0051]圖6為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；圖7為本實用新型一個實施例的溫度采集板示意圖；圖8a、圖Sb為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；圖Sc、圖Sd為本實用新型一個實施例的溫度采集接口電路示意圖；圖Se為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；圖Sf為本實用新型一個實施例的用于提高ADT7 310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力的電路示意圖。圖6中，長度的單位為毫米；圖7中601為溫度傳感器，602為硅橡膠排線，603為采集電路板。
[0052]以下從測量原理角度進一步介紹本實用新型。
[0053]凍土深度傳感器的測量原理為控制器依次讀取溫度采集器上的溫度傳感器的數(shù)值并保存在內部寄存器中。外部設備讀取控制器內的寄存器數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，查找測量數(shù)據(jù)O °c以下的溫度傳感器編號，根據(jù)溫度傳感器編號換算出凍土深度。
[0054](I)控制器
[0055]其工作方式是控制器以Is的時間頻率循環(huán)讀取溫度采集器內部200個溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在CPU內部寄存器中，當外部設備需要讀取溫度數(shù)據(jù)時，只需讀取相應寄存器的數(shù)據(jù)即可。
[0056]若采用主從方式由外設發(fā)出測量指令，控制器再啟動測量，當溫度傳感器數(shù)量較多時，控制器采集一輪溫度數(shù)據(jù)需時較長，外設等待時間過長。這種工作方式的好處是，可以保證數(shù)據(jù)的實時性和可以快速的讀取數(shù)據(jù)。
[0057]溫度采集器由200個溫度傳感器構成，最大測量深度可達2m。
[0058](2)溫度采集器
[0059]溫度采集器的設計思想為利用帶有SPI總線的數(shù)字型溫度傳感器組成一個類似于可以讀取溫度的標尺。SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI總線是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，可以實現(xiàn)是一個主設備(CPU)連接多個從設備(溫度傳感器)的目的。數(shù)字型溫度傳感器組態(tài)靈活、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集準確度高，滿足高標準數(shù)據(jù)監(jiān)測要求。
[0060]由于氣候原因，凍土深度具有巨大的差異，有些地點的凍土深度較淺，有些地點的凍土深度較深，統(tǒng)一長度的溫度采集器無法滿足所有用戶的需求。為了滿足所有客戶需求，溫度采集器采用電路板級聯(lián)安裝設計模式。即溫度采集器由若干采集電路板級聯(lián)組成，這種設計的優(yōu)點是用戶可以根據(jù)被測地點的氣象條件適當選擇溫度采集器的長度(測量點數(shù))。在埋設溫度采集器的時候，極其方便用戶施工及安裝，減少現(xiàn)場工作量。
[0061]溫度采集器最大的設計亮點在于有效解決了大量測量點(溫度傳感器個數(shù))的分時測量控制。分時測量控制含義是在編寫程序的時候需要逐一對溫度傳感器進行數(shù)據(jù)的讀取，此時，我們需要有一個信號來告訴掛在總線上的CPU，這些數(shù)據(jù)是哪個芯片傳來的。
[0062]溫度采集傳感器采用雙SPI總線、多組溫度傳感器級聯(lián)的方式構成。第一條SPI總線用于各個溫度傳感器ADT7310的溫度采集命令和溫度值的傳輸，另一條SPI總線結合74HC595及外圍電路完成位于第一條SPI總線上溫度傳感器的使能信號控制，從而達到200個溫度傳感器位于一條SPI總線上，在某一時刻只有一個被使能與單片機進行通訊并完成溫度采集的目的。這樣設計的優(yōu)點有三:第一、溫度傳感器的采集點數(shù)可以擴充，在供電電源線足夠粗(保證線電阻很小)的情況下，可以無限級擴充;第二、僅用7條信號線完成大量溫度點的溫度采集;第三、采用該設計方法，每個點的ID號自然形成，無需刻意設置，每個溫度傳感器所在的SPI的位置的74HC595發(fā)出的使能信號就是該溫度采集點的ID，該ID由電路自然形成無需配置，因此大大化簡了使用繁瑣度。
[0063]圖8a_圖8f中，U27(74HC595)將串行片選數(shù)據(jù)轉換成并行輸出，分別對應相應的溫度傳感器芯片ADT7310的使能引腳，從而完成對所有傳感器芯片同一時刻的唯一性選擇。
[0064]U25、U26(74HC3G34)用于對SPI信號進行增強。由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U25、U26每隔8個溫度采集點對SPI信號進行增強。
[0065]U9(1G125)用于提高ADT7310數(shù)據(jù)輸出端口的輸出能力，由于該產(chǎn)品電路結構為級聯(lián)模式，所以線路較長，因此采用U9(1G125)每隔8個溫度采集點對溫度信號進行增強。為了防止后級的傳感器模組的數(shù)據(jù)信號對本級數(shù)據(jù)信號的影響，采用1G125和9個1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每個對應本級的一個溫度傳感器使能信號，如果一個模組的其中的一個信號被使能，則該模組的1G125被使能，該使能信號通過DlO向其前面的模組傳輸，使其前面直至單片機引腳的1G125全部開通使能，該模組后面的模組的1G125全部為禁用高阻狀態(tài)，防止數(shù)據(jù)總線被影響。
[0066](3)保護管
[0067]根據(jù)保護管的結構剖面圖，圖中所示保護管外殼材料均為導熱系數(shù)比較低的材料，如果使用導熱系數(shù)高的材料(例如金屬材料)作為保護管，由于材料的熱傳遞作用，那么保護管會使測量的各點溫度趨于平均化，影響測量結果。
[0068]環(huán)氧樹脂具有物理強度高，耐腐蝕，絕緣度高，導熱系數(shù)低的特點，這樣就避免了被土壤中的物質侵蝕。硅橡膠具有優(yōu)良的電絕緣性能、密封性能和耐老化的性能。硅橡膠的表面能比大多數(shù)有機材料小，具有低吸濕性，與許多材料不發(fā)生粘合，填充硅橡膠使電路板與外界隔離。
[0069]經(jīng)過測試，這種新型凍土傳感器結構簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，可操作強。大大提高了凍土檢測的精度。而且使用這種結構的凍土傳感器使用壽命長，不受季節(jié)限制，非常適合野外使用。
[0070]本領域普通技術人員可以理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本實用新型所必須的。
[0071]本領域普通技術人員可以理解:實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
[0072]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種分時測量控制電路，其特征在于，包括:控制器、74HC595，IGl25，1N4148及外圍電路、第一 SPI總線和第二 SPI總線，所述第一 SPI總線連接在數(shù)據(jù)采集接口與各從器件的數(shù)據(jù)輸出端口之間，所述第二SPI總線連接在74HC595，1G125，1N4148及外圍電路與各從器件的使能引腳之間，每隔8個數(shù)據(jù)采集點對所述第一SPI總線進行信號增強，其中，一個從器件對應一個數(shù)據(jù)采集點。2.根據(jù)權利要求1所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述控制器采用意法半導體公司的STM32F103。3.根據(jù)權利要求1所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述從器件為溫度傳感器。4.根據(jù)權利要求3所述的分時測量控制電路，其特征在于，所述溫度傳感器采用ADT7310。
【文檔編號】G05D23/20GK205721422SQ201620311200
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】吳永吉, 唐潤庚
【申請人】哈爾濱今星微電子科技有限公司, 唐潤庚
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