CN101329812A - 多通道、高精度数据采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道、高精度数据采集器，属数据采集器。包括数据采集模块、电源模块、微处理器模块、模拟测量模块、信号选择模块，所述信号选择模块包括：通道选择电路、电流选择电路、总线、功能选择电路，所述模拟测量模块包括：放大电路、A/D模数转换电路、外部参考源电路、光耦隔离电路。系统自动化、智能化程度高，该数据采集器目前已能测准到千分之一的精度，优于现在的工业标准，并且测试功能通用性强，采集通道多。

Description

多通道、高精度数据采集器

技术领域

本发明涉及一种工业生产领域的多通道、高精度数据采集器。

背景技术

现代工业过程正向复杂化、高速化、大型化方向发展，随着计算机技术、信息技术、网络技术等高新技术的快速发展，数据采集，特别是高精度的数据采集仪器在工业过程中充当测量和控制角色的仪器的智能化程度越来越高。同时，在很多场合中，往往被采集的数据不仅仅只是一种，或者需要采集多个个数据对被采集的一起进行监控，这就要求数据采集的仪器拥有多种采集功能和多通道采集功能的数据采集仪器。这种智能仪器的引入在提高工业生产效率方面发挥了重要的作用。并且在某些程度上减轻了工人的负担，保障了工人的安全。在目前的工业应用中，数据采集仪器都采用单片机技术构成嵌入式系统，完成信号采集、分析显示和存储，由于受单片机性能和所采用技术的限制存在以下缺点：测试功能单一、通道数少(不超过两个同步采集通道)、精度低、信号范围窄、人机对话操作繁琐、显示功能简单、实时分析处理和长时间连续记录的能力不够。

发明内容

技术问题：本发明针对以上现有技术存在的缺点，提出一种多通道(8个同步测试通道)、多采集方式(电压、电流、热阻、热偶、开关量和变送器这六种采集方式)、高精度(所有测量类型测量精度优于2‰)的数据采集器。

技术方案：一种多通道、高精度数据采集器，包括：

由CPU连接看门狗电路、JTAG调试口组成的微处理器模块，用于发送控制信号、计算测量信号、与上位机通信；由稳压电路、电源去纹波电路、参考电压源电路、精密电流源电路、A/D电源隔离电路组成的电源模块，用于给多通道、高精度数据采集器提供电源；由两个输入信号端子和传感器采集电路组成的数据采集模块，用于采集物理信号并输出，还包括信号选择模块、模拟测量模块，所述信号选择模块包括：通道选择电路，接收所述微处理器模块的控制信号和数据采集模块5采集的物理信号，对物理信号进行通道选择后输出；

电流选择电路，接收所述微处理器模块的控制信号，选择待测通道；

总线，包括第一条总线、第二条总线、第三条总线，接收所述通道选择电路、电流选择电路输出的信号；

功能选择电路，接收所述微处理器模块的控制信号，通过所述总线接收所述通道选择电路、电流选择电路输出的信号进行功能选择后输出；

所述模拟测量模块包括：

放大电路，接收所述功能选择电路输出的信号并进行放大后输出；

A/D模数转换电路接收所述放大电路输出的放大信号并进行测量，转化为数字信号后输出；

外部参考源电路，给所述A/D模数转换电路提供一标准的参考电压；

光耦隔离电路，隔离数字部分和模拟部分信号，通过SPI通信协议实现所述放大电路、A/D模数转换电路与微处理器模块之间的通信。

工作时，通道选择电路、电流选择电路通过输入信号端子接收传感器电路采集的物理信号进行通道选择或电流选择后输出到总线，功能选择电路接收总线上的信号进行功能选择并输出到放大电路，放大电路将信号放大后输出到A/D模数转换电路进行模数转换为数字信号，光耦隔离电路利用SPI协议将数字信号传给微处理器模块，微处理器模块计算得到测量结果并通过Modbus协议把测量结果传输给上位机通过LCD显示测量数据。系统电源模块接收外部24V直流电源，给整个系统供电。

有益效果：高度集成的模块设计，以微处理器CPU为核心结合了数据采集模块、信号选择模块、模拟测量模块，微处理器模块、电源模块；测试功能强大、通用性高；多通道、高精度采集，大大提高工业生产效率。

附图说明

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1：本发明多通道高精度数据采集器的结构框图；

图2：通道选择电路原理图以及总线；

图3：电流选择电路原理图；

图4：功能选择电路原理图；

图5：模拟测量模块的电路原理图；

图6：微处理器模块的电路原理图；

图7：稳压电路原理图；

图8：去纹波电路原理图；

图9：A/D电源隔离电路原理图

图10：参考电压源电路原理图；

图11：精密电流源电路原理图；

图12：输入信号端子引脚图；

图13：测热电阻等效原理图；

图14：A/D模数的SPI通信协议时序图；

图15：配置软件界面图。

图16：模拟测量模块与微处理器模块数据传输流程图。

具体实施方式

本系统整体结构如图1所示，一种多通道、高精度数据采集器，包括：

由CPU JP1连接看门狗电路U27、JTAG调试口JP2组成的微处理器模块3，用于发送控制信号、计算测量信号、与上位机通信；

由稳压电路401、电源去纹波电路402、参考电压源电路403、精密电流源电路404、A/D电源隔离电路405组成的电源模块4，用于给多通道、高精度数据采集器提供电源；

由两个输入信号端子J1、J2和传感器电路组成的数据采集模块5，用于采集物理信号并输出，还包括信号选择模块1、模拟测量模块2。

所述信号选择模块1包括：通道选择电路101，接收所述微处理器模块3的控制信号和数据采集模块5采集的物理信号，对物理信号进行通道选择后输出；

电流选择电路102，接收所述微处理器模块3的控制信号，选择待测通道；

总线103，包括第一条总线BUS1、第二条总线BUS2、第三条总线BUS3，接收所述通道选择电路101、电流选择电路102输出的物理信号；

功能选择电路104，接收所述微处理器模块3的控制信号，通过所述总线103接收所述通道选择电路101、电流选择电路102输出的物理信号进行功能选择后输出；

所述模拟测量模块2包括：放大电路201，接收所述功能选择电路104输出的物理信号并进行放大后输出；

A/D模数转换电路202接收所述放大电路201输出的放大物理信号并进行测量，转化为数字信号后输出；

外部参考源电路203，给所述A/D模数转换电路202提供一标准的参考电压；

光耦隔离电路204，隔离数字部分和模拟部分信号，通过SPI通信协议实现所述放大电路201、A/D模数转换电路202与微处理器模块3之间的通信。

工作时，通道选择电路101、电流选择电路102通过输入信号端子J1、J2接收传感器电路采集的物理信号进行通道选择和电流选择后输出到总线103，功能选择电路104接收总线103上的信号进行功能选择并输出到放大电路201，放大电路201将信号放大后输出到A/D模数转换电路202进行模数转换为数字信号，光耦隔离电路204利用SPI协议将数字信号传给微处理器模块3，微处理器模块3计算得到测量结果并通过Modbus协议把测量结果传输给上位机通过LCD显示测量数据。系统电源模块4接收外部24V直流电源，给整个系统供电。

所述电源模块4中稳压电路401的输入端接外部24V电源，稳压电路401的两个输出端分别与电源去纹波电路402、参考电压源电路403的输入端连接，电源去纹波电路402的一个输出端与精密电流源电路404的一个输入端和A/D电源隔离电路405的输入端连接。

稳压电路401如图7所示，采用24V直流供电，为了方便测量变送器输出的电流大小，系统采用二级DC-DC隔离，同时将模拟地用0欧电阻TVS1点接触的方式回流到电源地。采用0欧电阻TVS1点接触的方式连接，一方面可以将二者共地，一方面可以很大限度的减小直流电源端电源纹波对模拟地的影响。当所有模块都正常工作时，整个系统所需功率＜5W，电流＜1A，因此选择型号为SR5D15/100的5W DC-DC芯片U38进行供电。24V经DC-DC芯片U38转变为5V，此时DC-DC芯片U38两端的电源、地都是隔离的。5V的电源分为两部分，一部分经过一个型号为XZR05/24S05的3W DC-DC芯片U39升压为±15V，同时地被隔离开，另一部分经过型号为AMS1117-3.3低压线性稳压芯片U40供电给数字部分。

5V经过的低压线性稳压芯片U40降压成3.3V给系统的数字部分供电，3.3V电压给包括ARM处理器，ROM，SDRAM的核心板以及NAND FLASH供电。

经过3W的DC-DC芯片U39升压后，模拟和数字部分的电源被隔离开。±15V电压用来给放大器U24供电。另外15V电压通过电源去纹波电路402降压成5V给A/D模数转换电路202、外部参考源电路203以及精密电流源电路404供电。采用低压线性稳压级联方式是因为低压线性稳压对有着很好的纹波抑制比。

电源去纹波电路402如图8所示。由于采用了高精度的A/D转换器U26，电源模块4的精确和稳定性就成了需要考虑的关键问题。通常情况下，DC-DC芯片具有100-200mV的纹波。因此能否降低纹波的影响成了数据能否测准的关键。大多数低压线性稳压芯片对电源纹波都有抑制作用，例如德州仪器的78L系列低压线性稳压芯片的纹波抑制比是43-51dB。可以算粗略计一下，假设DC-DC的电源纹波是200mV，经过纹波抑制比为50dB的低压线性稳压芯片后，还有0.632mV的纹波。如果将24位A/D转换器U26按满量程5V计算，要达到23位有效分辨率，其最低位变化所对应的电压是 $5\×\frac{1}{2^{23}}=0.596\mathrm{uV}.$ 想要在毫伏级的电源纹波下得到微伏级精度，几乎是不可能的。因此将U13、U14、U15三块78L系列低压线性稳压芯片串联构成电源去纹波电路402，对从DC-DC芯片U39出来的电源进行稳压去纹波。按照其纹波抑制比的典型值分别为42，45，49(TI提供的参数)计算，200mV的电源纹波经过三次稳压后只剩下了0.0317uV，即使按照最差的纹波抑制比37，38，41计算，稳压后的电源纹波也被抑制到了0.28uV，小于要求的0.596uV最小分辨率，至此电源干扰基本可以排除。

参考电压源电路403如图10所示，采用型号为LM336的双运放集成芯片U35提供5V、500mV、50mV三种参考电压。

精密电流源电路404如图11所示，由型号为LM358双运放集成芯片U36加反馈电阻组成，其输出电流为2mA。

A/D电源隔离电路405如图9所示，隔离AD转换器芯片U26的模拟和数字部分。A/D电源隔离电路405由第二十七、二十八电阻R27、R28组成，第二十八电阻R28对电源进行隔离，第二十七电阻R27对地进行隔离。

微处理器模块3如图6。由CPU JP1连接看门狗电路U27、JTAG调试口JP2组成，CPU JP1采用由国家ASIC工程中心自主研发的基于ARM7TDMI内核的SEP3203，整个芯片可以运行在75MHz。看门狗电路U27采用MAX公司的PT7M7823芯片。JTAG调试口JP2用于烧录和调试程序，看门狗电路U27用于在系统受到外界因素干扰的时候用来重启系统。

输入信号端子J1、J2如图12。共有48个接口，其中4个接口用于24V的供电，2个接口用于485口的串口数据传输，2个接口作为备用，剩下40个接口分别用于8路通道的数据采集。这样，每一路通道用到5个接口，其中3个接口为模拟量接口，分别为ABC，剩下1路为AGND，1路为测量变送器时为变送器提供24V电源的接口。

信号选择模块1如图2、图3、图4所示。信号选择模块1由通道选择电路101、电流选择电路102、总线103、功能选择电路104组成，其中总线103包括三条分别独立的总线BUS1、BUS2、BUS3，其中第一条总线BUS1与第三条总线BUS3之间依次并联八个电阻R16至R23。

通道选择电路101如图2所示，由第一译码器U1和第一级的十二个继电器组成，第一译码器U1的1、2、3、6脚分别依次与CPU JP1的PF0至PF3端连接，15脚Y0与第一继电器U3的2、4脚和第二继电器U4的2脚连接，14脚Y1与第三继电器U16的2、4脚和第二继电器U4的4脚连接，13脚Y2与第四继电器U17的2、4脚和第五继电器U18的2脚连接，12脚Y3与第六继电器U19的2、4脚和第五继电器U18的4脚连接，11脚Y4与第七继电器U20的2、4脚和第八继电器U21的2脚连接，10脚Y5与第九继电器U22的2、4脚和第八继电器U21的4脚连接，9脚Y6与第十继电器U28的2、4脚和第十一继电器U29的2脚连接，7脚Y7与第十二继电器U30的2、4脚和第十一继电器U29的4脚连接；第一、第四、第七、第十继电器U3、U17、U20、U28的1脚和第二、第五、第八、第十一继电器U4、U18、U21、U29的3脚相连接后串联第五电阻R5再与CPU JP1的PD3端连接，第三、第六、第九、第十二继电器U16、U19、U22、U30的1脚和第一、第四、第七、第十继电器U3、U17、U20、U28的3脚相连接后串联第四电阻R4再与CPU JP1的PD4端连接，第二、第五、第八、第十一继电器U4、U18、U21、U29的1脚和第三、第六、第九、第十二继电器U16、U19、U22、U30的3脚相连接后串联第三电阻R3再与CPU JP1的PD5端连接；第一继电器U3的8脚接第一条总线BUS1，第一继电器U3的6脚接第二条总线BUS2，第一继电器U3的7脚接信号输入端子J1的5脚1A，第一继电器U3的5脚接信号输入端子J1的6脚1B；第二继电器U4的8脚接第三条总线BUS3，第二继电器U4的6脚接第一条总线BUS1，第二继电器U4的7脚接信号输入端子J1的7脚1C，第二继电器U45脚接信号输入端子J1的10脚2A；第三继电器U16的8脚接第二条总线BUS2，第三继电器U16的6脚接第三条总线BUS3，第三继电器U16的7脚接信号输入端子J1的11脚2B，第三继电器U16的5脚接信号输入端子J1的12脚2C；第四继电器U17的8脚接第一条总线BUS1，第四继电器U17的6脚接第二条总线BUS2，第四继电器U17的7脚接信号输入端子J1的15脚3A，第四继电器U17的5脚接信号输入端子J1的16脚3B；第五继电器U18的8脚接第三条总线BUS3，第五继电器U18的6脚接第一条总线BUS1，第五继电器U18的7脚接信号输入端子J1的17脚3C，第五继电器U18的5脚接信号输入端子J1的20脚4A；第六继电器U19的8脚接第二条总线BUS2，第六继电器U19的6脚接第三条总线BUS3，第六继电器U19的7脚接信号输入端子J1的21脚4B，第六继电器U19的5脚接信号输入端子J1的22脚4C；第七继电器U20的8脚接第一条总线BUS1，第七继电器U20的6脚接第二条总线BUS2，第七继电器U20的7脚接信号输入端子J2的24脚5A，第七继电器U20的5脚接信号输入端子J2的23脚5B；第八继电器U21的8脚接第三条总线BUS3，第八继电器U21的6脚接第一条总线BUS1，第八继电器U21的7脚接信号输入端子J2的22脚5C，第八继电器U21的5脚接信号输入端子J2的19脚6A；第九继电器U22的8脚接第二条总线BUS2，第九继电器U22的6脚接第三条总线BUS3，第九继电器U22的7脚接信号输入端子J2的18脚6B，第九继电器U22的5脚接信号输入端子J2的17脚6C；第十继电器U28的8脚接第一条总线BUS1，第十继电器U28的6脚接第二条总线BUS2，第十继电器U28的7脚接信号输入端子J2的14脚7A，第十继电器U28的5脚接信号输入端子J2的13脚7B；第十一继电器U29的8脚接第三条总线BUS3，第十一继电器U29的6脚接第一条总线BUS1，第十一继电器U29的7脚接信号输入端子J2的12脚7C，第十一继电器U29的5脚接信号输入端子J2的9脚8A；第十二继电器U30的8脚接第二条总线BUS2，第十二继电器U30的6脚接第三条总线BUS3，第十二继电器U30的7脚接信号输入端子J2的8脚8B，第十二继电器U30的5脚接信号输入端子J2的7脚8C。

电流选择电路102如图3所示，由第二译码器U2和第十三、第十四、第十五、第十六四个继电器U5、U9、U11、U6组成，第二译码器U2的1、2、3、6脚分别依次与CPU JP1的PF4至PF7端连接，第二译码器U2的15、13、11、9脚依次接四个继电器U5、U9、U11、U6的2脚，第二译码器U2的14、12、10、7脚依次接四个继电器U5、U9、U11、U6的4脚；第十三至第十六继电器U5、U9、U11、U6的8脚分别依次接信号输入端子J1的5脚1A、15脚3A和信号输入端子J2的24脚5A、14脚7A，第十三至第十六继电器U5、U9、U11、U6的6脚分别依次接信号输入端子J1的10脚2A、20脚4A和信号输入端子J2的19脚6A、9脚8A，第十三至第十六继电器U5、U9、U11、U6的1、3脚分别连接后依次与第六电阻R6至第九电阻R9串联再接稳压电路401中电源接插件J4的5脚VCC3，第十三至第十六继电器U5、U9、U11、U6的7、5脚都与精密电流源电路404的输出端连接。

功能选择电路104如图4所示，由第二级的第十七至第二十三的七个继电器U23、U10、U12、U7、U8、U31、U37组成，其中第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器U23、U10、U12、U7、U8、U31的1、3脚分别连接后依次与第十电阻R10至第十五电阻R15串联再接稳压电路401中电源接插件J4的5脚VCC3，第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器U23、U10、U12、U7、U8、U31的2脚分别接CPU JP1的LD1、LD13、LD11、LD5、LD9、LD7端，第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器U23、U10、U12、U7、U8、U31的4脚分别接CPU JP1的LD4、LD12、LD10、LD0、LD8、LD6端；第十七继电器U23的6、8脚分别依次接放大电路201)的正负输入端Vin+、Vin-，第十七继电器U23的5脚与参考电压源电路403的一输出端连接，第十七继电器U23的7脚接模拟地；第十八继电器U10的8、6脚接放大电路201的正输入端Vin+，第十八继电器U10的5脚接第一条总线BUS1，第十八继电器U10的7脚接第二条总线BUS2；第十九继电器U12的6、8脚接放大电路201的负输入端Vin-，第十九继电器U12的5脚接放大电路201的正输入端Vin+，第十九继电器U12的7脚接第三条总线BUS3；第二十继电器U7的8脚与一电阻PT1串联后接地，第二十继电器U7的7脚与精密电流源电路404的输出端连接，第二十继电器U7的6脚接放大电路201的正输入端Vin+；第二十一继电器U8的6、8脚接放大电路201的正输入端Vin+，第二十一继电器U8的7、5脚分别接参考电压源电路403的另外两个输出端；第二十二继电器U31的8脚与第三十四电阻R34串联后接地，第二十二继电器7脚与精密电流源电路404的输出端连接，第二十二继电器6脚接放大电路201的正输入端Vin+；第二十三继电器U37的1脚串联第四十八电阻R48后接稳压电路401中电源接插件J4的5脚VCC3，第二十三继电器U37的2脚与所述微处理器CPU JP1的PD7端连接，第二十三继电器U37的7脚与第四十九电阻R49串联后接低压线性稳压芯片U13的输出端，第二十三继电器U37的8脚接放大电路201的正输入端Vin+，第二十三继电器U37其余脚都空置。

本设计要求实现8路通道的数据采集，每路通道均可实现多种物理量的测量。采用型号为74LS138的译码器实现通道选择功能，并且要选取具有开关特性的器件实现不同物理量之间的切换。选取的开关器件应该具有良好的隔离性能和快速的响应时间。经过比较，最终选用AQW214这一型号的继电器，它有高达400V的电压隔离性能以及小于1ms的开关响应时间，此外，该继电器导通时的典型电阻值为20-30欧。

第一译码器U1和第一级继电器的十二个继电器U3、U4、U16、U17、U18、U19、U20、U21、U22、U28、U29、U30完成通道选择的功能，随后待测物理量送入功能选择电路104的第二级继电器的七个继电器U23、U10、U12、U7、U8、U31、U37进行功能选择，信号进入第二级继电器后，经过功能选择送入模拟测量模块2的前端的放大器U24。

第一译码器U1由CPU JP1的GPIO口PF3-PF0控制，当PF3为高电平，PF2，PF1，PF0为低电平时，第一译码器U1的Y0被选通，为低电平，其他输出引脚为高电平。与此同时，如果当CPU JP1的PD5端置高，第一继电器U3的1、2导通，于是7、8脚短接，相当于第一路通道1A脚的信号被加载在第一条总线BUS1上，同理，如果想让1B、1C引脚的信号输入到第二条总线BUS2和第三BUS3上，只需将CPU JP1的PD4和PD3引脚置高即可。由以上的分析可以看出，通过同时控制第一译码器U1和第一级的继电器控制信号可以方便的选择某一路的特定信号输入。在8路数据采集通道中，每一路都有3个模拟信号输入口，这样就有24个模拟信号输入口。第一译码器U1和CPU JP1的PD3、PD4、PD5三个GPIO口组成的8*3的选择阵列正好与之对应。在每次测量中，只打开2个输入口，将输入信号加载到Bus总线上，传递到下一级。3路Bus总线中，其中第一条总线Bus1和第三条总线Bus3之间的精密电阻R16至R23为250欧姆，专门用于测量含有电流信号的模拟量。

信号经过第一级继电器进入第二级继电器后，开始进行功能的配置工作。其原理图如图4所示。

当CPU JP1的LD1端置低，放大电路201的负输入端Vin-相当于接到了AGND端，当CPU JP1的LD13端置低，第二条总线BUS2上的信号加载到放大电路201的正输入端Vin+，同理，CPU JP1的LD12端控制BUS1何时加载到放大电路201的正输入端Vin+，CPU JP1的LD11端控制第三条总线BUS3何时加载到放大电路201的负输入端Vin-，而CPU JP1的LD0端则控制放大电路201的正负输入端Vin+和Vin-是否短接，以测定0V电压。可以通过设置不同开关的打开闭合对不同的输入信号进行测量。

工业现场有很多物理量需要测量，如温度、压力、湿度等。这些信号通过传感器变成标准的电压或者电流信号，再通过A/D模数转换器将模拟信号转换为数字信号后送入处理器进行处理。对于数据采集系统来说，测量精度等级和测量性能在很大程度上决定着它的系统总体性能。

本数据采集系统的性能指标如下：

模拟输入通道1-8路

全隔离万能输入(隔离电压大于400V)；

可输入标准电压信号(0-50mV，0-100mV，0-500mV，0-1V，0-5V，1-5V，0-10V，-10-10V)；

可输入标准电流信号(0-10mA，0-20mA，4-20mA)；

可输入标准热电阻信号(Pt100，Cu50，Cu53)；

可输入标准热电偶信号(热电偶R，S，B，K，N，T，E，J型)；

可输入标准开关量信号(0-5V，0-12V，0-24V)；

可输入标准空接点信号；

可输入标准两线制，三线制电流变送器信号(0-10mA，0-20mA，4-20mA)；测量精度高，所有测量类型测量精度优于1.5‰。

具体测量方法如下：

电压信号：待测电压信号由信号输入端子J1的6脚1B、7脚1C分别加载到第一继电器U3的5脚、第二继电器U4的7脚，只要打开相应的通道开关第一译码器U1的15脚Y0端，并将CPU JP1的PD4、PD3端置高电平，那么信号输入端子J1的6脚1B、7脚1C上的信号就分别加载在了第二条总线BUS2、第三条总线BUS3上。随后将CPU JP1的LD13、LD1端置低电平，第二条总线BUS2、第三条总线BUS3上的电压信号就加载到了放大电路201的正负输入端Vin+和Vin-上。再根据待测电压的不同量程选择放大倍数送入AD转换器电路202进行测量。

电流信号：测电流时将电流自第二继电器U4的的5脚流入第一条总线BUS1，经过一个精密电阻R17后从第三条总线BUS3流出，测量出第十七电阻R17上的压降即可得到电流值，需要将CPU JP1的PD5和PD3端置高电平，将LD12和LD1端置低电平，此时加载在放大电路201正负端Vin+和Vin-上的就是第十七电阻R17两端的电压了。

热电偶信号：测热电偶的方法和测电压基本相同，由于热电偶多为小量程的电压信号，要求精确到微伏级，因此对A/D模数测量的精度要求很高，通常量程在0-50mV，可以通过放大器U24将信号放大10或100倍后再进入A/D转换器U26进行测量。

开关量信号：常见的有两种，一种是测量电压通断的情况，一般有0-5V，0-12V，0-24V，只要将测得的电压和每种量程相应的阈值电压相比较就可以得到，其测量方式和测电压基本相同；另一种是空接点，通常用于测量继电器的断开闭合情况，利用第二十三继电器U37测量。CPU JP1的PD7端置0，则开关闭合，第四十九电阻R49接在放大电路201的正输入端Vin+与电源去纹波电路的一输出端VCC12之间，电源去纹波电路的一输出端VCC12串联第五十八电阻R58后与放大电路201的正输入端Vin+连接，第四十九电阻R49为200欧，五十八电阻R58为40M欧，此时相当于200欧和40M欧的电阻并联，产生一个小于200欧的电阻，当Vin-接地时，VCC12经过一个小于200欧的电阻，再经过放大器U24的正负输入端Vin+和Vin-输入，那么12V基本上都降在了放大器的内阻上，即放大电路201的正负输入端Vin+和Vin-端基本上分得了略小于12V的电压，实际测得的值在11.8V左右。这个值是在CPU JP1的PD7端置0且外部的接点没有导通时测出的，当外部接点导通时，相当于放大器的内阻和导线并联后再和200欧左右的电阻串联，因此，12V电压基本上都加载在200欧的电阻上，此时放大电路201的正负输入端Vin+和Vin-端分得的电压几乎为0。用这种方法可以精准的测得空接点的变化。

热电阻信号：热电阻是通过测量其电阻值来标示环境温度的电阻，其本质仍是电阻，并且仍然是通过电压来测量的。精密电流源电路404的输出电流流过待测电阻，测得其上的电压，再除以电流的大小就可以得到电阻值。常见的热电阻有K、T、E、J、Pt100、Cu50、BA1、BA2等。考虑到在长距离测量的时候导线的电阻r不能忽略，常用的消除线阻的方法是同时采用两线法和三线法的方法进行测量。如图13所示：精密电流源电路404其输出电流I自3A端流入待测电阻R，经3C端流回模拟测量模块2。将放大电路201的正负输入端Vin+和Vin-分别和3A、3C端短接，此时得到的3A、3C两端的电压为

V_二线＝V_in+-V_in-＝I×(2r+R)    (两线法)    (1)

如果将Vin+和Vin-分别和3B，3C端短接，此时得到的3B、3C两端的电压为V_三线＝V_in+-V_in-＝I×(r+R)    (三线法)    (2)

由式(1)和式(2)可以算出，待测电阻R＝(2V_三线-V_二线)/I。

在本系统中，采取了增加继电器的方式让电流直接流入待测电阻进行测量。电流经过第二译码器U2的选择流入待测通道的A端，流经待测电阻回到AGND。2mA标准电流信号从A端经过待测电阻直接回流到AGND，虽然放大电路201的正输入端Vin+到A端经过了几个继电器，但由于这些继电器的内阻上没有电流通过，因此，Vin+和A端是等势的，将放大电路201的负输入端Vin-和AGND相连，这样AD测得的就只是流过待测电阻R上的电压了，从而绕过了继电器内阻，消除了继电器内阻随时间变化的不确定误差。

模拟测量模块2如图5所示。由放大电路201、A/D转换电路202、外部参考源电路203和光耦隔离电路组成。

放大电路201采用放大器U24，如图5所示，放大电路201正负输入端Vin+、Vin-之间并联第十一电容C11后分别与放大器U24的5、4脚连接，放大器U24的8、13脚分别依次接稳压电路401中电源接插件J4的2脚VCC15、1脚VCC-15，放大器U24的12脚接第二十五电阻R25的一端，放大器U24的10、14连接后接地，放大器U24的11脚连接12脚再串联第十五电容C15后接地。

A/D模数转换电路202采用A/D转换器U26，如图5所示，A/D转换器U26的1脚接第二十五电阻R25的另一端，A/D转换器U26的4脚串联第二十六电阻R26后再接第二十五电阻R25的另一端，A/D转换器U26的5、9脚连接后接地，A/D转换器U26的7、8脚接一个晶振源，A/D转换器U26的6脚接A/D电源隔离电路405的输出端，A/D转换器U26的10脚接A/D电源隔离电路405的输出端并串联第十九电容C19后接地，A/D转换器U26的15脚接模拟地后串联第十七电容C17再接A/D转换器U26的2脚和18脚，A/D转换器U26的16脚接A/D电源隔离电路405的输入端，A/D转换器U26的18脚接外部参考源电路203的输出端REFin。

光耦隔离电路204如图5所示，由三个TOSHIBA公司的TPL521光耦隔离芯片U32、U33、U34组成。

数据采集实际上是将自然界或者工业环境下的模拟信号转换为数字信号的过程，自然也离不开模数转换器件，即我们常用的A/D转换器。传统的A/D转换器，大都采用逐次逼近方式，即SAR型A/D转换器，这种A/D转换器的速度较慢，因为每一位都要逐一比较确定码值，但可以做到较高的精度。影响精度的误差来自数模转换器、比较器和译码器。而且随着转换速度增加，误差还会增大。所以传统的逐次逼近方式，如不采用其他措施消除误差，精度很难提高，常见的SAR型A/D转换器最高一般只能达到14位精度。

在数据采集中，量程和精度往往是此消彼长的关系。由于在本设计中，电压信号的量程要求能达到0-10V，热电偶信号的精度要求能达到微伏级。为了既满足量程，又不影响精度，采用了24位A/D转换器U26，同时在A/D转换器U26前端加入一块放大器U24以减小线路板上的噪声和电源纹波对小信号测量的影响。

模拟测量模块2采用TI公司的24位ADS1210 A/D转换器芯片U26和PGA204放大器芯片U24，另外采用了一块2.5V AD780外部参考源芯片U25如图5所示。A/D转换器U26采用5V电压供电，差分输入方式，工作在50-60Hz时，理论上可以达到22位以上的精度。因为要测量0-10V的电压，需要利用A/D转换器U26的Vbias电压，利用电阻分压网络将0-10V的电压映射到0-5V的量程上。放大器U24采用+-15V双电源供电，具有1、10、100、1000四个数字可编程增益，只需控制两个数字输入端的电压就可以控制放大倍数，操作简便。另外放大器U24具有很低的温漂和很高的共模抑制比(115dB，G＝1000)。外部参考源芯片U25具有2.5V/3.0V可选参考电压输出，温漂很小，稳定度很高。

在具体测量的时候，由于量程映射到0-5V的不精确性，以及每块板子上电阻分压网络的误差因素，如果采用先在0-5V的量程中计算出电压，再通过分压公式逆推回去，得到真实电压，结果会产生不小的偏差。可以用参考电压源校准的方法对测量结果进行处理。CPU JP1的LD4、LD9、LD8、LD10端分别控制着5V，500mV，50mV和0V的输入，根据量程的不同，选择不同的放大倍数，将标准电压和0V电压依次输入，得到一个差值，再将待测电压和0V电压输入，得到另一个差值，最后可以将这两个差值代入比例公式，得出待测电压的实际值。这样做的好处是计算的结果误差只取决于A/D转换器U26满量程的线性误差，当A/D转换器U26工作在60Hz时，其具有+-0.0015％FSR的线性度，误差基本上可以忽略了。

如图14、图16所示，在系统中，CPU JP1和A/D转换器U26是通过用模拟的SPI协议来通信的。SPI是串行外围设备接口的简称，其接口简单，是一种高速、全双工、同步的通信总线。SPI协议一般采用三线的方式：SCLK是时钟信号，用于CPU JP1和A/D转换器U26的同步传输；DIN是A/D转换器U26的输入信号脚，一般用于处理器向A/D转换器U26传送控制信息；DOUT是A/D转换器U26的输出信号脚，用于将采集的数据传送给CPU。从SPI协议波形图可以看出，只要按照A/D转换器U26的读写时序在对应的信号脚上给出相应的波形，就可以实现数据在CPU和A/D转换器U26间的通信了。由于本系统使用的A/D转换器U26是24位的，也就是说由A/D转换器U26产生的二进制代码有24位，那么需要将接收到的二进制数每24个bit进行一次组合就可以得到正确的数了。

如图15所示，在系统开始工作前，需要对其进行配置，配置系统的8路通道每一路要测量什么样的模拟量，量程为多大，采用什么样的工业标准，需要精确到多少个小数位。具体的配置软件为MODBUS软件。在系统刚上电的两分钟内，如果不进行串口侦测，系统自动进入数据采集模式，这时，点击开始监控即可察看采集上来的数据。

Claims (8)

1.一种多通道、高精度数据采集器，包括：

由CPU(JP1)分别连接看门狗电路(U27)和JTAG调试口(JP2)组成的微处理器模块(3)，用于发送控制信号、计算测量信号、与上位机通信；

由稳压电路(401)、电源去纹波电路(402)、参考电压源电路(403)、精密电流源电路(404)、A/D电源隔离电路(405)组成的电源模块(4)，用于给多通道、高精度数据采集器提供电源；

由两个输入信号端子(J1)、(J2)和传感器电路组成的数据采集模块(5)，用于采集物理信号并输出，

其特征在于：还包括信号选择模块(1)、模拟测量模块(2)，所述信号选择模块(1)包括：

通道选择电路(101)，接收所述微处理器模块(3)的控制信号和数据采集模块(5)采集的物理信号，对物理信号进行通道选择后输出；

电流选择电路(102)，接收所述微处理器模块(3)的控制信号，选择待测通道；

总线(103)，包括第一条总线(BUS1)、第二条总线(BUS2)、第三条总线(BUS3)，接收所述通道选择电路(101)、电流选择电路(102)输出的物理信号；

功能选择电路(104)，接收所述微处理器模块(3)的控制信号，通过所述总线(103)接收所述通道选择电路(101)、电流选择电路(102)输出的物理信号进行功能选择后输出；

所述模拟测量模块(2)包括：

放大电路(201)，接收所述功能选择电路(104)输出的物理信号并进行放大后输出；

A/D模数转换电路(202)接收所述放大电路(201)输出的放大物理信号并进行测量，转化为数字信号后输出；

外部参考源电路(203)，给所述A/D模数转换电路(202)提供一标准的参考电压；

光耦隔离电路(204)，隔离数字部分和模拟部分信号，通过SPI通信协议实现所述放大电路(201)、A/D模数转换电路(202)与微处理器模块(3)之间的通信。

2.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述稳压电路(401)的输入端接外部24V电源，稳压电路(401)的两个输出端分别与电源去纹波电路(402)的输入端和参考电压源电路(403)的输入端连接，电源去纹波电路(402)的输出端分别与精密电流源电路(404)的输入端和A/D电源隔离电路(405)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述第一条总线(BUS1)与第三条总线(BUS3)之间依次并联八个电阻(R16至R23)。

4.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述通道选择电路(101)由第一译码器(U1)和第一级的十二个继电器组成，第一译码器(U1)的1、2、3、6脚分别依次与CPU(JP1)的PF0至PF3端连接，15脚(Y0)与第一继电器(U3)的2、4脚和第二继电器(U4)的2脚连接，14脚(Y1)与第三继电器(U16)的2、4脚和第二继电器(U4)的4脚连接，13脚(Y2)与第四继电器(U17)的2、4脚和第五继电器(U18)的2脚连接，12脚(Y3)与第六继电器(U19)的2、4脚和第五继电器(U18)的4脚连接，11脚(Y4)与第七继电器(U20)的2、4脚和第八继电器(U21)的2脚连接，10脚(Y5)与第九继电器(U22)的2、4脚和第八继电器(U21)的4脚连接，9脚(Y6)与第十继电器(U28)的2、4脚和第十一继电器(U29)的2脚连接，7脚(Y7)与第十二继电器(U30)的2、4脚和第十一继电器(U29)的4脚连接；第一、第四、第七、第十继电器(U3、U17、U20、U28)的1脚和第二、第五、第八、第十一继电器(U4、U18、U21、U29)的3脚相连接后串联第五电阻(R5)再与CPU(JP1)的PD3端连接，第三、第六、第九、第十二继电器(U16、U19、U22、U30)的1脚和第一、第四、第七、第十继电器(U3、U17、U20、U28)的3脚相连接后串联第四电阻(R4)再与CPU(JP1)的PD4端连接，第二、第五、第八、第十一继电器(U4、U18、U21、U29)的1脚和第三、第六、第九、第十二继电器(U16、U19、U22、U30)的3脚相连接后串联第三电阻(R3)再与CPU(JP1)的PD5端连接；第一继电器(U3)8脚接第一条总线(BUS1)，第一继电器(U3)6脚接第二条总线(BUS2)，第一继电器(U3)7脚接信号输入端子(J1)5脚(1A)，第一继电器(U3)5脚接信号输入端子(J1)6脚(1B)；第二继电器(U4)8脚接第三条总线(BUS3)，第二继电器(U4)6脚接第一条总线(BUS1)，第二继电器(U4)7脚接信号输入端子(J1)7脚(1C)，第二继电器(U4)5脚接信号输入端子(J1)10脚(2A)；第三继电器(U16)8脚接第二条总线(BUS2)，第三继电器(U16)6脚接第三条总线(BUS3)，第三继电器(U16)7脚接信号输入端子(J1)11脚(2B)，第三继电器(U16)5脚接信号输入端子(J1)12脚(2C)；第四继电器(U17)8脚接第一条总线(BUS1)，第四继电器(U17)6脚接第二条总线(BUS2)，第四继电器(U17)7脚接信号输入端子(J1)15脚(3A)，第四继电器(U17)5脚接信号输入端子(J1)16脚(3B)；第五继电器(U18)8脚接第三条总线(BUS3)，第五继电器(U18)6脚接第一条总线(BUS1)，第五继电器(U18)7脚接信号输入端子(J1)17脚(3C)，第五继电器(U18)5脚接信号输入端子(J1)20脚(4A)；第六继电器(U19)8脚接第二条总线(BUS2)，第六继电器(U19)6脚接第三条总线(BUS3)，第六继电器(U19)7脚接信号输入端子(J1)21脚(4B)，第六继电器(U19)5脚接信号输入端子(J1)22脚(4C)；第七继电器(U20)8脚接第一条总线(BUS1)，第七继电器(U20)6脚接第二条总线(BUS2)，第七继电器(U20)7脚接信号输入端子(J2)24脚(5A)，第七继电器(U20)5脚接信号输入端子(J2)23脚(5B)；第八继电器(U21)8脚接第三条总线(BUS3)，第八继电器(U21)6脚接第一条总线(BUS1)，第八继电器(U21)7脚接信号输入端子(J2)22脚(5C)，第八继电器(U21)5脚接信号输入端子(J2)19脚(6A)；第九继电器(U22)8脚接第二条总线(BUS2)，第九继电器(U22)6脚接第三条总线(BUS3)，第九继电器(U22)7脚接信号输入端子(J2)18脚(6B)，第九继电器(U22)5脚接信号输入端子(J2)17脚(6C)；第十继电器(U28)8脚接第一条总线(BUS1)，第十继电器(U28)6脚接第二条总线(BUS2)，第十继电器(U28)7脚接信号输入端子(J2)14脚(7A)，第十继电器(U28)5脚接信号输入端子(J2)13脚(7B)；第十一继电器(U29)8脚接第三条总线(BUS3)，第十一继电器(U29)6脚接第一条总线(BUS1)，第十一继电器(U29)7脚接信号输入端子(J2)12脚(7C)，第十一继电器(U29)5脚接信号输入端子(J2)9脚(8A)；第十二继电器(U30)8脚接第二条总线(BUS2)，第十二继电器(U30)6脚接第三条总线(BUS3)，第十二继电器(U30)7脚接信号输入端子(J2)8脚(8B)，第十二继电器(U30)5脚接信号输入端子(J2)7脚(8C)。

5.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述电流选择电路(102)由第二译码器(U2)和第十三、第十四、第十五、第十六四个继电器(U5、U9、U11、U6)组成，第二译码器(U2)的1、2、3、6脚分别依次与CPU(JP1)的PF4至PF7端连接，第二译码器(U2)的15、13、11、9脚依次接四个继电器(U5、U9、U11、U6)的2脚，第二译码器(U2)的14、12、10、7脚依次接四个继电器(U5、U9、U11、U6)的4脚；第十三至第十六继电器(U5、U9、U11、U6)的8脚分别依次接信号输入端子(J1)5脚(1A)、15脚(3A)和信号输入端子(J2)24脚(5A)、14脚(7A)，第十三至第十六继电器(U5、U9、U11、U6)的6脚分别依次接信号输入端子(J1)10脚(2A)、20脚(4A)和信号输入端子(J2)19脚(6A)、9脚(8A)，第十三至第十六继电器(U5、U9、U11、U6)的1、3脚分别连接后依次与第六电阻(R6)至第九电阻(R9)串联再与稳压电路(401)的一输出端连接，第十三至第十六继电器(U5、U9、U11、U6)的7、5脚都与精密电流源电路(404)的输出端连接。

6.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述功能选择电路(104)由第二级的第十七至第二十三的七个继电器(U23、U10、U12、U7、U8、U31、U37)组成，其中第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器(U23、U10、U12、U7、U8、U31)的1、3脚分别连接后依次与第十电阻(R10)至第十五电阻(R15)串联再与稳压电路(401)的一输出端连接，第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器(U23、U10、U12、U7、U8、U31)的2脚分别接CPU(JP1)的LD1、LD13、LD11、LD5、LD9、LD7端，第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二继电器(U23、U10、U12、U7、U8、U31)的4脚分别接CPU(JP1)的LD4、LD12、LD10、LD0、LD8、LD6端；第十七继电器(U23)6、8脚分别依次接放大电路(201)的正负输入端(Vin+、Vin-)，第十七继电器(U23)5脚与参考电压源电路(403)的一输出端连接，第十七继电器(U23)7脚接模拟地；第十八继电器(U10)8、6脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)，第十八继电器(U10)5脚接第一条总线(BUS1)的另一端，第十八继电器(U10)7脚第二条总线(BUS2)的另一端；第十九继电器(U12)6、8脚接放大电路(201)的负输入端(Vin-)，第十九继电器(U12)5脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)，第十九继电器(U12)7脚接第三条总线(BUS3)；第二十继电器(U7)8脚与一电阻(PT1)串联后接地，第二十继电器(U7)7脚与精密电流源电路(404)的输出端连接，第二十继电器(U7)6脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)；第二十一继电器(U8)6、8脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)，第二十一继电器(U8)7、5脚分别接参考电压源电路(403)的另外两个输出端；第二十二继电器(U31)8脚与第三十四电阻(R34)串联后接地，第二十二继电器7脚与精密电流源电路(404)的输出端连接，第二十二继电器6脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)；第二十三继电器(U37)1脚串联第四十八电阻(R48)后接与稳压电路(401)的一输出端连接，第二十三继电器(U37)2脚与所述微处理器CPU(JP1)的PD7端连接，第二十三继电器(U37)7脚与第四十九电阻(R49)串联后接电源去纹波电路(402)的输出端，第二十三继电器(U37)8脚接放大电路(201)的正输入端(Vin+)，第二十三继电器(U37)其余脚都空置。

7.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述放大电路(201)包括放大器(U24)、第二十五电阻(R25)、第十一电容(C11)和第十五电容(C15)，放大电路(201)正负输入端(Vin+、Vin-)之间并联第十一电容(C11)后分别与放大器(U24)的5、4脚连接，放大器(U24)8、13脚分别与稳压电路(401)的另两个输出端连接，放大器(U24)12脚接第二十五电阻(R25)的一端，放大器(U24)10、14连接后接地，放大器(U24)11脚连接12脚再串联第十五电容(C15)后接地。

8.根据权利要求1所述的一种多通道、高精度数据采集器，其特征在于所述A/D模数转换电路(202)包括A/D转换器(U26)、第二十六电阻(R26)、第十七电容(C17)和一个晶振源，A/D转换器(U26)的1脚接放大电路(201)，A/D转换器(U26)4脚串联第二十六电阻(R26)后再接放大电路(201)，A/D转换器(U26)5、9脚连接后接地，A/D转换器(U26)7、8脚接一个晶振源，A/D转换器(U26)6脚接A/D电源隔离电路(405)的输出端，A/D转换器(U26)10脚接A/D电源隔离电路(405)的输出端并串联第十九电容(C19)后接地，A/D转换器(U26)15脚接模拟地后串联第十七电容(C17)再接A/D转换器(U26)2脚和18脚，A/D转换器(U26)16脚接A/D电源隔离电路(405)的输入端，A/D转换器(U26)18脚接外部参考源电路(203)的输出端(REFin)。

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