CN101476903A

CN101476903A - 一种传感器通用接口采集系统

Info

Publication number: CN101476903A
Application number: CNA2009100781240A
Authority: CN
Inventors: 赵春江; 王成; 张馨; 乔晓军; 张云鹤; 田宏武
Original assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Current assignee: Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明公开了一种传感器通用接口采集系统，包括用于数据处理的微处理器；与所述微处理器连接的传感器通用接口装置，用于与不同类型的传感器连接；与所述微处理器连接的电源管理模块，用于为所述系统提供电力，并对电力进行管理。本发明通过设置传感器参数或调用相关传感器库，实现各种传感器的连接及信号获取，可以根据需求更换不同传感器，系统具有多路接口，可多点测量，适合农业不同场合使用，进一步降低使用成本。

Description

一种传感器通用接口采集系统

技术领域

本发明涉及农业信息采集领域，特别是涉及一种传感器通用接口采集系统。

背景技术

农业生产过程中需要通过多种传感器测量多种信息，作为数据采集装置，目前大都采用方式为专用接口配专用传感器方式，针对具体信号进行相关补偿、滤波、多极放大、校准、隔离、转换等处理，满足传感器采集需求，具有较好的精度、稳定性，能够最大范围发挥传感器的性能；而为了能够同时连接不同传感器，使传感器接口通用化、智能化，业内也做了相关努力，目前成熟应用比较少。德国Ahlborn(爱尔邦)公司就是其中一家，其便携式采集装置采用通用接口思想，研制的通用接口，每个传感器必须通过专用调理转换模块，才能连接到采集装置中，其核心的调理转换模块，将不同传感器信号进行调理，转换成标准信号，采集装置统一采集处理。该产品将复杂的专用调理电路移到传感器前端，使系统更具有灵活性；随着对半导体技术和智能传感器的研究不断深入，国际上提出IEEE1451智能传感器标准，规定开发传感器即插即用标准，能大幅度减少传感器系统的搭建、配置与编程工作。公开号为CN101271616的中国专利公开了一种基于IEEE1451标准的无线智能传感器节点，包括普通传感器(实现原始物理参数采集)、与传感器电连接的信号转换模块(实现模拟信号到数字信号转换)、智能传感器接口模块(STIM：实现普通传感器的智能化)、与信号转换模块和智能传感器接口模块电连接的无线收发模块。信号转换模块和STIM模块通过微处理器实现，通过TEDS数据的设置和读取，实现传感器的即插即用和远程校正。针对通用接口部分公司已提供集成芯片，荷兰Smartec公司推出的一种传感器接口集成电路UTI，可以为容性器件、铂电阻、热敏电阻、电阻电桥及电位差计等各种类型传感器提供接口电路，具有较高的精度和一致性。

以上相关技术背景所涉及的装置和方法都是针对工业应用领域，通用接口都是工业应用的传感器，在农业生产过程中，不仅需要对常规的气象环境信息、土壤温湿度、EC/pH值、压力等常规参数测量，同时还需要对叶片温湿度、果实膨大、径流量、土壤张力、营养液离子浓度等相关的参数进行测量，而且，在农业设施、大田灌溉、水产养殖、禽舍养殖等多个领域对采集参数有着不同要求，另外，野外以及高温高湿的环境也是目前工业采集装置所不能完全满足的。

目前很多采集装置采用专用接口，不允许其它类型传感器的连接，灵活性低，测量参数少；具备通用接口电路的采集装置，每个传感器需要相关的转换接口，接线复杂，提高整体成本，同时接口部分协议不公开，传感器使用受到限制；集成芯片方式的接口很多针对模拟传感器，对传感器种类有限制，在数字传感器、标准信号模拟传感器、脉冲传感器没有很好的解决方法；符合IEEE1451标准的智能传感器，需要对每个传感器进行相关处理，增加微处理器和存储器进行转换和标准化工作，增加了系统复杂程度和成本；部分高电压高功耗传感器需要外部电源供电，手持式采集装置不能满足该类传感器数据的采集。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低功耗传感器接口的系统，适合农业应用环境、标准接口协议，能够连接农业领域大部分模拟、数字、脉冲、开关、频率等信号传感器，管理各种传感器和分析所采集数据，准确实时显示、存储、报警、发布相关信息的便携式系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种传感器通用接口采集系统，包括：

微处理器，用于数据处理；

传感器通用接口装置，与所述微处理器连接，用于与不同类型的传感器连接；

电源管理模块，与所述微处理器连接，用于为所述系统提供电力，并对电力进行管理。

其中，所述系统还包括：液晶显示器和触摸按键，分别与所述微处理器连接，用于信息的显示及设置。

其中，所述系统还包括：存储器，与所述微处理器连接，用于数据存储。

其中，所述系统还包括：实时时钟，与所述微处理器连接，用于实现系统的定时采集和唤醒。

其中，所述系统还包括：语音报警装置，与所述微处理器连接，用于数据的实时报数和报警。

其中，所述系统还包括：通讯模块，与所述微处理器连接，用于所述系统与上位机的通讯。

其中，所述系统还包括：联合测试行动小组JTAG接口，与所述微处理器连接，用于程序的烧写。

其中，所述传感器通用接口装置包括：

模拟电路模块，与所述微处理器连接，用于与输出模拟信号的传感器连接；

计数模块，与所述微处理器连接，用于与输出脉冲量信号的传感器连接；

数字I/O口模块，与所述微处理器连接，用于与输出数字信号的传感器连接；

供电模块，用于为所述传感器通用接口装置的各模块提供电力及进行电力管理。

其中，所述系统还包括：前置调理装置，与所述传感器通用接口装置连接，包括调理电路、前置微处理器、存储器、4-20mA输出模块四个部分组成，调理电路根据实际需求采用运放的分立电路，集成电路UTI、ZMD传感器处理芯片，完成对特殊信号的转换，低功耗、低成本的前置微处理器MSP430F2013完成转换；存储器FM24CL08存储校准表和传感器参数，4-20mA输出模块AD421完成4-10mA电流输出，传感器通过I2C口与系统的传感器通用接口连接通讯，获取传感器参数和采集数据。

上述技术方案具有如下优点：

1、通过设置传感器参数或调用相关传感器库，实现各种传感器的连接及信号获取，可以根据需求更换不同传感器，系统具有多路接口，可多点测量，适合农业不同场合使用，进一步降低使用成本；

2、由系统给传感器供电(24V、12V、9V、5V、3V)，便携式系统和接口采用低功耗设计，最大限度延长采集时间；

3、多种保护措施的使用，使传感器数据获取抗干扰能力增强，系统防静电、辐射、高频干扰、串扰能力增强；

4、作为便携式采集系统，操作过程简化，定时采集存储，具有报警设置、语音输出、USB、以太网、无线通讯等功能，扩大应用范围，使用简单方便，具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的一种传感器通用接口采集系统的功能结构框图；

图2是本发明实施例的一种传感器通用接口采集系统的低功耗通用传感器接口功能结构框图；

图3是本发明实施例的一种传感器通用接口采集系统的前置调理装置的功能结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明针对农业生产过程中多种信息的测量，通过简单设置完成不同传感器信号的滤波、转换、校对、显示、存储、发布，其通用传感器接口使传感器即插即用，标准化、智能化，实现农业生产现场对不同参数、相同参数多点移动式或固定式测量，增强了测量系统的通用性、降低成本和操作复杂度。本发明主要涉及模拟信号采集、数字信号采集、频率/脉冲信号采集、信号调理、低功耗、隔离防护、通讯等技术。

本实施例的传感器通用接口采集系统包括微处理器、实时时钟、存储器、LCD显示器、触摸按键、语音报警装置、传感器通用接口装置、通讯模块、JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)接口、电源管理模块组成，如图1所示，微处理器为16位超低功耗单片机MSP430F2418负责信号采集、系统管理；实时时钟FM31256满足系统定时采集和唤醒；存储器采用1M字节的Flash存储器AT45DB081，满足大容量的数据存储，四个通道至少能够存户6万组数据；语音报警装置采用PM50S100实现数据实时报数和报警功能；128*64点LCD显示器和触摸按键为系统提供可靠易操作人机界面，实现实时显示数据、设置功能；通讯模块是系统与外界设备联系的纽带，由CH374构成主从USB口，可采用U盘直接获取存储数据，W3100构建的以太网接口实现系统数据远程访问和发布，同时留有无线模块接口扩展无线通讯方式；传感器通用接口装置对不同传感器信号进行调理，最后经由微处理器处理；电源电源模块管理电力，LTC4055构建锂电池充电电路、NCP500、NCP1402、MAX1771为系统提供3V、5V、12V等电源，电源开关芯片TPS2044、AAT4285实现系统电源的综合管理，随时监测系统供电情况，配合系统定时唤醒采集功能，以达功耗最低，大幅延长电池供电时间。JTAG接口实现程序的烧写调试与加密。

传感器通用接口装置结构如图2所示，由供电模块、模拟电路模块、计数模块、数字I/O口模块组成。其中供电模块为传感器提供9V/12V/24V高电压，3V/5V低电压，通过电源管理电路进行选择，自恢复熔丝、压敏电阻7D270、TVS构成多级电源保护；模拟电路模块采用可变增益放大器MCP6S28，实现单路电压和电流信号采集，仪表放大器INA155U对差分电路、电桥等信号的采集，传感器接入端阻容无源滤波、稳压电阻IN5333输入口保护电压超过测量范围，可变增益放大器输出通过LVM324构成的二级有源巴特沃思滤波器滤除工频以上的杂波，最后进入微处理器的12位A/D转换器进行转换；计数模块通过微处理器的计时器接口，利用光耦进行隔离，施密特触发器对脉冲量进行整形，开关二极管1N4148和稳压管对电路进行保护，通过改变可变电阻阻值达到对不同电压的开关量、脉冲量信号测量；数字I/O口模块通过上拉电阻对实现I²C、Onewire标准协议传感器测量，传感器接口采用工业标准8芯PS/2接口。

对于需要前端处理、信号微弱易受干扰、远距离测量的传感器，需要提供前置调理装置，如图3所示，其包括调理电路、前置微处理器、存储器、4-20mA输出模块四个部分组成，调理电路可根据实际需求采用运放的分立电路，集成电路UTI、ZMD传感器处理芯片，完成对特殊信号的转换，低功耗、低成本的前置微处理器MSP430F2013完成转换；存储器FM24CL08存储校准表和传感器参数，4-20mA输出模块AD421完成4-10mA电流输出，满足其它工程应用，传感器通过I²C口与系统的传感器通用接口连接通讯，获取传感器参数和采集数据。特殊信号是前文提到的需要前端处理、信号微弱易受干扰、远距离测量的传感器输出的信号，将微弱和易干扰信号通过调理电路转化成可测量的电压信号，通过微处理器进行A/D转换成数字信号和4-20mA模拟信号，再连接到所述系统的传感器通用接口装置上。

由以上实施例可以看出，本发明实施例的通用传感器接口具有两路电源管理，分别负责高压和低压供电管理，内部所有电路通过电源开关进行管理，测量时有电压，不测量时关断电压，进一步降低功耗；系统采用多路可变增益放大器配合有源滤波实现标准或非标准电压、电流、差分模拟信号、数字接口通过上拉电阻对实现I²C、Onewire等符合工业标准协议、开关量/脉冲接口数字可变电阻实现多种开关量传感器的应用；采用两级可选结构对于信号微弱或易干扰传感器增加前端处理电路模块转换成数字或模拟信号再连接到系统的传感器通用接口装置上，校对系数表及传感器信息存储与前端处理电路模块，实现长距离测量，亦可直接连接系统的传感器通用接口装置上，进行调理转换校对等工作；配合嵌入式通用软件，封装传感器的输出信号、计算公式、校对表、滤波系数、放大、精度、单位等数据，配合硬件通用接口，实现由软件到硬件的通用；对外接口采用压敏电阻、自恢复熔丝、瞬态电压抑制二极管、稳压管、光藕、通讯接口的EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)保护和ESD(Electro-Staticdischarge，静电释放)滤波等保护元器件的应用，提高系统应用环境适应性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1、一种传感器通用接口采集系统，其特征在于，包括：

微处理器，用于数据处理；

2、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

液晶显示器和触摸按键，分别与所述微处理器连接，用于信息的显示及设置。

3、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

存储器，与所述微处理器连接，用于数据存储。

4、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

实时时钟，与所述微处理器连接，用于实现系统的定时采集和唤醒。

5、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

语音报警装置，与所述微处理器连接，用于数据的实时报数和报警。

6、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

通讯模块，与所述微处理器连接，用于所述系统与上位机的通讯。

7、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

联合测试行动小组JTAG接口，与所述微处理器连接，用于程序的烧写。

8、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述传感器通用接口装置包括：

9、如权利要求1所述的传感器通用接口采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

前置调理装置，与所述传感器通用接口装置连接，包括调理电路、前置微处理器、存储器、4-20mA输出模块四个部分组成，调理电路根据实际需求采用运放的分立电路，集成电路UTI、ZMD传感器处理芯片，完成对特殊信号的转换，低功耗、低成本的前置微处理器MSP430F2013完成转换；存储器FM24CL08存储校准表和传感器参数，4-20mA输出模块AD421完成4-10mA电流输出，传感器通过I²C口与系统的传感器通用接口连接通讯，获取传感器参数和采集数据。