專利名稱：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種信號(hào)采集模塊，特別是涉及一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控 模塊。
背景技術(shù)：
數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī) 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)共同構(gòu)成現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。它研究信息數(shù)據(jù)的調(diào)理、變 換、采集、存儲(chǔ)、處理、記錄、顯示、傳輸及控制，廣泛用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視、控制、診斷、科學(xué) 試驗(yàn)及管理等領(lǐng)域中，在科學(xué)研究中，是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)，如采樣速率、分辨率、精 度、輸入電壓范圍、控制方式以及抗干擾能力等方面，都提出了越來(lái)越高的要求。目前的采集技術(shù)普遍存在下列問(wèn)題1、精度不高，一般在左右，個(gè)別的僅達(dá)到 0.5%左右。2、分辨率低。3、信號(hào)輸入端與放大器隔離不好，造成抗干擾能力差。4、放大器 發(fā)生零點(diǎn)漂移。5、不能適應(yīng)多種信號(hào)輸入，特別是不能適應(yīng)直接接入傳感器。6、不能自動(dòng) 進(jìn)行溫度補(bǔ)償。7、不具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能，更不同時(shí)具有多種現(xiàn)場(chǎng)總線功能。上述存在的問(wèn) 題，導(dǎo)致了信號(hào)采集不夠準(zhǔn)確，影響了測(cè)量結(jié)果，且不能適應(yīng)現(xiàn)代總線式信號(hào)采集。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種設(shè)計(jì)合理，信號(hào)采集準(zhǔn)確的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能 測(cè)控模塊。為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，由多路選擇模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、隔離放大模 塊、A/D轉(zhuǎn)換和控制器依次連接組成，其特征在于，信號(hào)調(diào)理模塊由阻抗變換器Rl、R2、R3、 R4、R5和開關(guān)SpSySySpSpSe組成，當(dāng)檢測(cè)電壓信號(hào)時(shí)，信號(hào)從A1、A2兩端輸入，開關(guān)S4、 S5、S6閉合，開關(guān)S1、S2、S3斷開，信號(hào)通過(guò)阻抗變換器R3、R4后到B1、B2，進(jìn)入信號(hào)隔離放 大模塊；當(dāng)檢測(cè)電流信號(hào)時(shí)，信號(hào)從A1、A2進(jìn)入，開關(guān)S4、S5、S6、S1、S3閉合，使阻抗變換器 R2接入，開關(guān)S2斷開，電流信號(hào)在R2上轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海?jīng)阻抗變換器R3、R4后到B1、B2端，進(jìn) 入隔離放大模塊；當(dāng)檢測(cè)熱電阻信號(hào)時(shí)，采用三線制檢測(cè)，熱電阻的A、B兩端分別連接Al、 A2，熱電阻的C端連接A3，開關(guān)Si、S3、S4斷開、開關(guān)S2、S5、S6閉合，電壓源Uref在熱電阻 及其導(dǎo)線上形成的電壓經(jīng)阻抗變換器R3、R4、R5后到Bi、B2、B3端，進(jìn)入隔離放大模塊。所述的隔離放大模塊通過(guò)電容的充、放電，實(shí)現(xiàn)外部傳感器與內(nèi)部電路的隔離；結(jié) 構(gòu)包括隔離器U1、放大器U2和可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3，隔離器U1由電容Cp電子開關(guān)Kcn、電子 開關(guān)Kc12、電子開關(guān)Kc21、電容C2、電子開關(guān)Kc22組成，電子開關(guān)Kc11與電子開關(guān)Kc12之間接 電容C1，電子開關(guān)Kc11與電子開關(guān)Kc12輸入端接調(diào)理模塊的B1、B2，電子開關(guān)Kc11輸出接放 大器U2，電子開關(guān)Kc12的輸出接電子開關(guān)Kc22的輸出，電子開關(guān)Kc21與電子開關(guān)Kc22之間 接電容C2,電子開關(guān)Kc21與電子開關(guān)Kc22的輸入接調(diào)理模塊的B2、B3，電子開關(guān)Kc21的輸出接放大電路的地；經(jīng)隔離器隔離后的電信號(hào)經(jīng)放大器U2放大后輸出；放大器U2的放大倍 數(shù)由可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3控制。A/D轉(zhuǎn)換和控制器包括A/D轉(zhuǎn)換器、參考電源、控制器、溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和存 儲(chǔ)器，參考電源選用高精度電源，參考電源與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)數(shù)據(jù)總線DBl 和地 址總線ABl與控制器連接；控制器一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB2和地址總線AB2與帶現(xiàn)場(chǎng)總線 功能的網(wǎng)絡(luò)接口連接，一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB3和地址總線AB3與存儲(chǔ)器連接；溫度傳感器與 控制器連接，用于測(cè)量熱電偶冷端環(huán)境溫度和冷端自動(dòng)補(bǔ)償或測(cè)其他處溫度；A/D轉(zhuǎn)換器 接收U2放大器的輸出信號(hào)V。ut，A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)規(guī)定要求設(shè)有高精度參考電源，供模數(shù)轉(zhuǎn)換 使用。所述的多功能測(cè)控模塊即可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作為采集模塊，也可通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)由上 位機(jī)控制。所述的多功能測(cè)控模塊具有直接或現(xiàn)場(chǎng)總線控制功能，采集信號(hào)由帶有Modbush 或Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線功能的通信接口輸出或直接輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是1、本實(shí)用新型采用通過(guò)多路選擇器和信號(hào)調(diào)理器相配合，每個(gè)通道可接入多種信 號(hào)，可謂之萬(wàn)能輸入，無(wú)需使用變送器即可直接接入傳感器，極大的適應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)采集的需要。2、隔離器U1實(shí)現(xiàn)高絕緣的可靠隔離，大大提高了抗干擾能力，同時(shí)消除了輸入端 接入熱電阻引線的影響，大大提高了信號(hào)的測(cè)量精度。3、通過(guò)高精度基準(zhǔn)電壓的引入，與可編程放大器配合，可測(cè)出當(dāng)時(shí)的真實(shí)放大倍 數(shù)，進(jìn)而消除了因放大器零漂而產(chǎn)生的漂移；當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，由于基準(zhǔn)電壓的疊加作 用，使得小信號(hào)變成大信號(hào)，極大的提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換精度。4、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線功能，體積小，可方便的組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)式信號(hào)采集 系統(tǒng)。5、本實(shí)用新型的控制器具有將輸入信號(hào)變換和組合的功能，如測(cè)量流量時(shí)，可以 用一個(gè)通道測(cè)壓力，另一個(gè)通道測(cè)壓差，其他量通過(guò)設(shè)定給出，加上控制器有采用一線總線 溫度傳感器測(cè)溫度功能，通過(guò)運(yùn)算可測(cè)流量。也可測(cè)量熱電偶冷端溫度，通過(guò)軟件對(duì)熱電偶 做冷端補(bǔ)償。6、本實(shí)用新型的設(shè)定可以是在現(xiàn)場(chǎng)的采集模塊，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)統(tǒng)一設(shè) 定，操作靈活。

圖1為本實(shí)用新型信號(hào)采集模塊原理圖；圖2為多路選擇模塊原理圖；圖3為信號(hào)調(diào)理模塊原理圖；圖4為隔離放大模塊原理圖；圖5為熱電阻信號(hào)隔離放大模塊原理圖；圖6為A/D轉(zhuǎn)換和控制器原理圖；圖7為本實(shí)用新型應(yīng)用實(shí)例原理圖。
具體實(shí)施方式
見圖1，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，包括多路選擇模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、隔離 放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換和控制模塊依次連接組成，將采集的信號(hào)輸入多路選擇模塊，然后經(jīng)信 號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理變換，然后送入隔離放大模塊進(jìn)行隔離放大，最后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換和控 制模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)控制模塊處理后的信號(hào)經(jīng)帶現(xiàn)場(chǎng)總 線功能的通訊接口輸出。見圖2，所述的多路選擇模塊有24個(gè)信號(hào)輸入端，每3個(gè)輸入端構(gòu)成一種信號(hào)使 用，即構(gòu)成1IN-8IN八種信號(hào)輸入，多路選擇模塊內(nèi)部設(shè)有K1-K24共24個(gè)程控電子開關(guān)， 程控電子開關(guān)在控制器的控制下5條地址線分時(shí)選通，被選通接入的信號(hào)接到A1、A2、A3輸 出端；本實(shí)用新型選用的程控電子開關(guān)具有速度快，接通電阻小的特點(diǎn)。見圖3，信號(hào)調(diào)理模塊由阻抗變換器Rl、R2、R3、R4、R5和開關(guān)S1, S2, S3> S4, S5, S6 組成，當(dāng)檢測(cè)電壓信號(hào)時(shí)，信號(hào)從Al、A2兩端輸入，開關(guān)S4、S5、S6閉合，開關(guān)Si、S2、S3斷 開，信號(hào)通過(guò)阻抗變換器R3、R4后到Bl、B2，進(jìn)入信號(hào)隔離放大模塊；當(dāng)檢測(cè)電流信號(hào)時(shí)，信 號(hào)從A1、A2進(jìn)入，開關(guān)S4、S5、S6、S1、S3閉合，使阻抗變換器R2接入，開關(guān)S2斷開，電流信 號(hào)在R2上轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，?jīng)阻抗變換器R3、R4后到Bi、B2端，進(jìn)入隔離放大模塊；當(dāng)檢測(cè)熱 電阻信號(hào)時(shí)，采用三線制檢測(cè)，熱電阻的A、B兩端分別連接A1、A2，熱電阻的C端連接A3，開 關(guān)Si、S3、S4斷開、開關(guān)S2、S5、S6閉合，電壓源Uref在熱電阻及其導(dǎo)線上形成的電壓經(jīng)阻 抗變換器R3、R4、R5后到Bi、B2、B3端，進(jìn)入隔離放大模塊。各阻抗變換器分別接收多路選擇器輸出端Al、A2、A3信號(hào)，此外，還輸入一個(gè)高精 度基準(zhǔn)電壓UMf，要求Uref誤差彡0.01%。通過(guò)對(duì)開關(guān)31、52、53、54、55、&的開斷控制，信號(hào) 調(diào)理模塊可接收多種信號(hào)，如0 5V、1 5V、MV(或毫伏級(jí))電壓信號(hào)；如0 10mV、4 20mV電流信號(hào)；如接收標(biāo)準(zhǔn)E、J、K、S、R、T型熱電偶或ptl00、Cu50、Cul00熱電阻信號(hào)；信 號(hào)調(diào)理模塊輸出端為Bp B2、B3。見圖4，隔離放大模塊由開關(guān)Kc 11、Kc 12、Kc21、Kc22、電容Cl、C2、放大器U2、電阻 網(wǎng)絡(luò)U3組成，開關(guān)KC11、KC12、KC21、KC22以固定的高速頻率在輸入和輸出之間切換，當(dāng)檢 測(cè)電壓、電流信號(hào)時(shí)，信號(hào)由Bi、B2進(jìn)入，開關(guān)Kcll、Kcl2切換到輸入時(shí)，信號(hào)給電容Cl充 電，開關(guān)Kcll、Kcl2切換到輸出時(shí)，信號(hào)傳輸給放大器，實(shí)現(xiàn)了傳感器電路與放大電路的隔 離；當(dāng)檢測(cè)熱電阻信號(hào)時(shí)，熱電阻的電壓信號(hào)從B1、B2進(jìn)入，給電容Cl充電，導(dǎo)線的電壓信 號(hào)從B2、B3進(jìn)入，給電容C2充電，由于開關(guān)Kc21的輸出接放大器的地，使電容Cl上的電壓 和電容C2上的電壓相減，抵消了部分導(dǎo)線對(duì)熱電阻的影響，提高了熱電阻的檢測(cè)精度，也 實(shí)現(xiàn)了傳感器電路與放大電路的隔離；針對(duì)不同的傳感器，控制器控制電阻網(wǎng)絡(luò)U3，與放 大器U2共同實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的放大。在控制器控制下，放大器U2的放大倍數(shù)可控制，因而可 改變量程，以提高放大精度，見圖5，當(dāng)輸入信號(hào)源是熱電阻時(shí)，按圖5所示接線，這時(shí)可以清除導(dǎo)線上的電阻 影響，大大提高了此時(shí)的信號(hào)傳遞精度，而與熱電阻導(dǎo)線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。見圖6，A/D轉(zhuǎn)換和控制器包括A/D轉(zhuǎn)換器、參考電源、控制器、溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)接 口和存儲(chǔ)器。A/D轉(zhuǎn)換器為高分辨率、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常選用士 16位 士 18位A/D 集成電路。參考電源選用高精度電源，參考電源與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)數(shù)據(jù)總線DBl和地址總線ABl與控制器連接；控制器一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB2和地址總線AB2與帶現(xiàn) 場(chǎng)總線功能的網(wǎng)絡(luò)接口連接，一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB3和地址總線AB3與存儲(chǔ)器連接；溫度傳 感器與控制器連接，用于測(cè)量熱電偶冷端環(huán)境溫度和冷端自動(dòng)補(bǔ)償，也可以測(cè)其他處溫度。 A/D轉(zhuǎn)換器接收U2放大器的輸出信號(hào)V。ut (是一個(gè)經(jīng)調(diào)理放大后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))，A/D轉(zhuǎn)換器 根據(jù)規(guī)定要求設(shè)有高精度參考電源，供模數(shù)轉(zhuǎn)換使用。其控制器提供與A/D轉(zhuǎn)換器相連的 DB1-數(shù)據(jù)總線和AB1-地址總線。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在控制處理并存儲(chǔ)在存儲(chǔ) 器中。利用本實(shí)用新型采集器將要采集的信號(hào)接入多路選擇器，經(jīng)信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行調(diào)理 變換，使其達(dá)到規(guī)定要求的信號(hào)，再送到隔離放大器，隔離放大后的信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換和控 制器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)在控制器內(nèi)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，最后從帶有現(xiàn) 場(chǎng)總線功能的通信接口輸出。本實(shí)用新型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖7所示，從各現(xiàn) 場(chǎng)采集的信號(hào)通過(guò)傳感器輸入到本實(shí)用 新型的采集器中，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)采集器，圖示為1 η個(gè)采集器，各采集器將信號(hào)傳遞 給局域網(wǎng)總線，統(tǒng)一傳遞到設(shè)定計(jì)量處理記錄的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)還可以與GPRS無(wú)線 通信系統(tǒng)連接，信號(hào)在控制系統(tǒng)內(nèi)處理后還可從顯示屏顯示出來(lái)，即還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)連接。
權(quán)利要求基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，由多路選擇模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、隔離放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換和控制器依次連接組成，其特征在于，信號(hào)調(diào)理模塊由阻抗變換器R1、R2、R3、R4、R5和開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5、S6組成，當(dāng)檢測(cè)電壓信號(hào)時(shí)，信號(hào)從A1、A2兩端輸入，開關(guān)S4、S5、S6閉合，開關(guān)S1、S2、S3斷開，信號(hào)通過(guò)阻抗變換器R3、R4后到B1、B2，進(jìn)入信號(hào)隔離放大模塊；當(dāng)檢測(cè)電流信號(hào)時(shí)，信號(hào)從A1、A2進(jìn)入，開關(guān)S4、S5、S6、S1、S3閉合，使阻抗變換器R2接入，開關(guān)S2斷開，電流信號(hào)在R2上轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海?jīng)阻抗變換器R3、R4后到B1、B2端，進(jìn)入隔離放大模塊；當(dāng)檢測(cè)熱電阻信號(hào)時(shí)，采用三線制檢測(cè)，熱電阻的A、B兩端分別連接A1、A2，熱電阻的C端連接A3，開關(guān)S1、S3、S4斷開、開關(guān)S2、S5、S6閉合，電壓源Uref在熱電阻及其導(dǎo)線上形成的電壓經(jīng)阻抗變換器R3、R4、R5后到B1、B2、B3端，進(jìn)入隔離放大模塊。
2.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，其特征在于，所述的隔離放大模塊通過(guò)電容的充、 放電，實(shí)現(xiàn)外部傳感器與內(nèi)部電路的隔離；結(jié)構(gòu)包括隔離器U1、放大器U2和可編程電阻網(wǎng) 絡(luò)U3，隔離器U1由電容Cp電子開關(guān)Kcn、電子開關(guān)Kc12、電子開關(guān)Kc21、電容C2、電子開關(guān) Kc22組成，電子開關(guān)Kc11與電子開關(guān)Kc12之間接電容C1,電子開關(guān)Kc11與電子開關(guān)Kc12輸入 端接調(diào)理模塊的Bi、B2,電子開關(guān)Kc11輸出接放大器U2，電子開關(guān)Kc12的輸出接電子開關(guān) Kc22的輸出，電子開關(guān)Kc21與電子開關(guān)Kc22之間接電容C2,電子開關(guān)Kc21與電子開關(guān)Kc22的 輸入接調(diào)理模塊的B2、B3，電子開關(guān)Kc21的輸出接放大電路的地；經(jīng)隔離器隔離后的電信號(hào) 經(jīng)放大器U2放大后輸出；放大器U2的放大倍數(shù)由可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換 和控制器包括A/D轉(zhuǎn)換器、參考電源、控制器、溫度傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和存儲(chǔ)器，參考電源選 用高精度電源，參考電源與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)數(shù)據(jù)總線DBl和地址總線ABl 與控制器連接；控制器一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB2和地址總線々82與帶現(xiàn)場(chǎng)總線功能的網(wǎng)絡(luò)接口 連接，一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線DB3和地址總線AB3與存儲(chǔ)器連接；溫度傳感器與控制器連接，用于 測(cè)量熱電偶冷端環(huán)境溫度和冷端自動(dòng)補(bǔ)償或測(cè)其他處溫度；A/D轉(zhuǎn)換器接收U2放大器的輸 出信號(hào)V。ut，A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)規(guī)定要求設(shè)有高精度參考電源，供模數(shù)轉(zhuǎn)換使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，其特征在于，所述的多 功能測(cè)控模塊即可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作為采集模塊，也可通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)由上位機(jī)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，其特征在于，所述的多功 能測(cè)控模塊具有直接或現(xiàn)場(chǎng)總線控制功能，采集信號(hào)由帶有Modbush或Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng) 總線功能的通信接口輸出或直接輸出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的多功能測(cè)控模塊，包括多路選擇模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、隔離放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換和控制模塊依次連接組成，采集信號(hào)輸入多路選擇模塊，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理變換，然后送入隔離放大模塊進(jìn)行隔離放大，最后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換和控制模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)控制模塊處理后的信號(hào)經(jīng)帶現(xiàn)場(chǎng)總線功能的通訊接口輸出。本實(shí)用新型采用通過(guò)多路選擇器和信號(hào)調(diào)理器相配合，每個(gè)通道可接入多種信號(hào)，通過(guò)高精度基準(zhǔn)電壓的引入，與可編程放大器配合，可測(cè)出當(dāng)時(shí)的真實(shí)放大倍數(shù)，進(jìn)而消除了因放大器零漂而產(chǎn)生的漂移。
文檔編號(hào)G05B19/418GK201654558SQ20102023343
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者劉晨, 常曉帆, 常永閣, 王春巖, 程萬(wàn)勝 申請(qǐng)人:鞍山永恒自控儀表有限公司