CN101872193A

CN101872193A - 基于现场总线的多功能测控模块

Info

Publication number: CN101872193A
Application number: CN201010206443A
Authority: CN
Inventors: 程万胜; 常晓帆; 刘晨; 常永阁; 王春岩
Original assignee: ANSHAN YONGHENG AUTOMATIC CONTROL METER Co Ltd
Current assignee: ANSHAN YONGHENG AUTOMATIC CONTROL METER Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: CN101872193B

Abstract

本发明涉及一种基于现场总线的多功能测控模块，包括多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制模块依次连接组成，采集信号输入多路选择模块，然后经信号调理模块进行调理变换，然后送入隔离放大模块进行隔离放大，最后进入A/D转换和控制模块，经A/D转换将模拟信号转换成数字信号，通过控制模块处理后的信号经带现场总线功能的通讯接口输出。本发明采用通过多路选择器和信号调理器相配合，每个通道可接入多种信号，通过高精度基准电压的引入，与可编程放大器配合，可测出当时的真实放大倍数，进而消除了因放大器零漂而产生的漂移。

Description

基于现场总线的多功能测控模块

技术领域

本发明涉及一种信号采集模块，特别是涉及一种基于现场总线的多功能测控模块。

背景技术

数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感技术、信号处理技术、计算机技术、控制技术、现场总线和网络等技术共同构成现代测控技术的基础。它研究信息数据的调理、变换、采集、存储、处理、记录、显示、传输及控制，广泛用于测量、监测、监视、控制、诊断、科学试验及管理等领域中，在科学研究中，是获取科学奥秘的重要手段之一。随着科学技术的发展和数据采集系统的广泛应用，人们对数据采集的主要技术指标，如采样速率、分辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面，都提出了越来越高的要求。

目前的采集技术普遍存在下列问题：1、精度不高，一般在1％左右，个别的仅达到0.5％左右。2、分辨率低。3、信号输入端与放大器隔离不好，造成抗干扰能力差。4、放大器发生零点漂移。5、不能适应多种信号输入，特别是不能适应直接接入传感器。6、不能自动进行温度补偿。7、不具有现场总线功能，更不同时具有多种现场总线功能。8、测控不兼备。上述存在的问题，导致了信号采集不够准确，影响了测量结果，且不能适应现代总线式信号采集和控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计合理，信号采集准确的基于现场总线的多功能测控模块。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：

基于现场总线(Modbush和Profibus-DP)的多功能测控模块，由多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制器依次连接组成，其特征在于，信号调理模块由阻抗变换器R1、R2、R3、R4、R5和电子开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆组成，当检测电压信号时，信号从A1、A2两端输入，开关S4、S5、S6闭合，电子开关S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电流信号时，信号从A1、A2进入，电子开关S4、S5、S6、S1、S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开关S2断开，电流信号在R2上转变为电压，经阻抗变换器R3、R4后到B1、B2端，进入隔离放大模块；当检测热电阻信号时，采用三线制检测，热电阻的A、B两端分别连接A1、A2，热电阻的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源U_ref在热电阻及其导线上形成的电压经阻抗变换器R3、R4、R5后到B1、B2、B3端，进入隔离放大模块。

隔离放大模块由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C1、C2、放大器U2、电阻网络U3组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流信号时，信号由B1、B2进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C1充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3，与放大器U2共同实现不同信号的放大。

A/D转换和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源选用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。

所述的多功能测控模块即可应用于现场作为采集模块，也可通过工业局域网由上位机控制。

所述的多功能测控模块具有直接或现场总线控制功能，采集信号由带有Modbush或Profibus-DP现场总线功能的通信接口输出或直接输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用通过多路选择器和信号调理器相配合，每个通道可接入多种信号，可谓之万能输入，无需使用变送器即可直接接入传感器，极大的适应了现场采集的需要。

2、隔离器U₁实现高绝缘的可靠隔离，大大提高了抗干扰能力，同时消除了输入端接入热电阻引线的影响，大大提高了信号的测量精度。

3、通过高精度基准电压的引入，：与可编程放大器配合，可测出当时的真实放大倍数，进而消除了因放大器零漂而产生的漂移；当输入信号很小时，由于基准电压的叠加作用，使得小信号变成大信号，极大的提高了信号转换精度。

4、本发明可实现现场总线功能，体积小，可方便的组成网络结点式信号采集系统。

5、本发明的控制器具有将输入信号变换和组合的功能，如测量流量时，可以用一个通道测压力，另一个通道测压差，其他量通过设定给出，加上控制器有采用一线总线温度传感器测温度功能，通过运算可测流量。也可测量热电偶冷端温度，通过软件对热电偶做冷端补偿。

6、本发明的设定可以是在现场的采集模块，也可以通过网络由上位机统一设定，操作灵活。

7、本发明具有多种信号采集功能外，还具有直接和现场总线控制功能。

附图说明

图1为本发明信号采集模块原理图；

图2为多路选择模块原理图；

图3为信号调理模块原理图；

图4为隔离放大模块原理图；

图5为热电阻信号隔离放大模块原理图；

图6为A/D转换和控制器原理图；

图7为本发明应用实例原理图。

具体实施方式

见图1，基于现场总线的多功能测控模块，包括多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制模块依次连接组成，将采集的信号输入多路选择模块，然后经信号调理模块进行调理变换，然后送入隔离放大模块进行隔离放大，最后进入A/D转换和控制模块，经A/D转换将模拟信号转换成数字信号，通过控制模块处理后的信号直接输出和经带现场总线功能的通讯接口输出。

见图2，所述的多路选择模块有24个信号输入端，每3个输入端构成一种信号使用，即构成1IN-8IN八种信号输入，多路选择模块内部设有K1-K24共24个程控电子开关，程控电子开关在控制器的控制下5条地址线分时选通，被选通接入的信号接到A1、A2、A3输出端；本发明选用的程控电子开关具有速度快，接通电阻小的特点。

见图3，信号调理模块由阻抗变换器R1、R2、R3、R4、R5和电子开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆组成，当检测电压信号时，信号从A1、A2两端输入，电子开关S4、S5、S6闭合，电子开关S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电流信号时，信号从A1、A2进入，电子开关S4、S5、S6、S1、S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开关S2断开，电流信号在R2上转变为电压，经阻抗变换器R3、R4后到B1、B2端，进入隔离放大模块；当检测热电阻信号时，采用三线制检测，热电阻的A、B两端分别连接A1、A2，热电阻的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源U_ref在热电阻及其导线上形成的电压经阻抗变换器R3、R4、R5后到B1、B2、B3端，进入隔离放大模块。

各阻抗变换器分别接收多路选择器输出端A1、A2、A3信号，此外，还输入一个高精度基准电压U_ref，要求U_ref误差≤0.01％。通过对电子开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的开断控制，信号调理模块可接收多种信号，如0～5V、1～5V、mV(或毫伏级)电压信号；如0～10mA、4～20mA电流信号；如接收标准E、J、K、S、R、T型热电偶或pt100、Cu50、Cu100热电阻信号；信号调理模块输出端为B₁、B₂、B₃。

见图4，隔离放大模块由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C1、C2、放大器U2、电阻网络U3组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流信号时，信号由B1、B2进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C1充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3，与放大器U2共同实现不同信号的放大。在控制器控制下，放大器U2的放大倍数可控制，因而可改变量程，以提高放大精度，

见图5，当输入信号源是热电阻时，按图5所示接线，这时可以清除导线上的电阻影响，大大提高了此时的信号传递精度，而与热电阻导线长度无关。

见图6，A/D转换和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接口和存储器。A/D转换器为高分辨率、高精度模数转换器，通常选用±16位～±18位A/D集成电路。参考电源选用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿，也可以测其他处温度。A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out(是一个经调理放大后的标准信号)，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。其控制器提供与A/D转换器相连的DB₁-数据总线和AB₁-地址总线。经A/D转换器转换后的数字量在控制处理并存储在存储器中。

利用本发明采集器将要采集的信号接入多路选择器，经信号调理器进行调理变换，使其达到规定要求的信号，再送到隔离放大器，隔离放大后的信号进入A/D转换和控制器，将信号转换成相应的数字信号，数字信号在控制器内进行处理并存储，最后从带有Modbush和Profibus-DP现场总线功能的通信接口输出或直接输出。

本发明现场应用如图7所示，从各现场采集的信号通过传感器输入到本发明多功能测控模块的采集器中，每个现场对应一个采集器，图示为1～n个采集器，各采集器将信号传递给局域网总线，统一传递到设定计量处理记录的控制系统中，控制系统还可以与GPRS无线通信系统连接，信号在控制系统内处理后还可从显示屏显示出来，即还可实现网络结点连接。

Claims

1.基于现场总线的多功能测控模块，由多路选择模块、信号调理模块、隔离放大模块、A/D转换和控制器依次连接组成，其特征在于，信号调理模块由阻抗变换器R1、R2、R3、R4、R5和电子开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆组成，当检测电压信号时，信号从A1、A2两端输入，开关S4、S5、S6闭合，电子开关S1、S2、S3断开，信号通过阻抗变换器R3、R4后到B1、B2，进入信号隔离放大模块；当检测电流信号时，信号从A1、A2进入，电子开关S4、S5、S6、S1、S3闭合，使阻抗变换器R2接入，开关S2断开，电流信号在R2上转变为电压，经阻抗变换器R3、R4后到B1、B2端，进入隔离放大模块；当检测热电阻信号时，采用三线制检测，热电阻的A、B两端分别连接A1、A2，热电阻的C端连接A3，电子开关S1、S3、S4断开、电子开关S2、S5、S6闭合，电压源U_ref在热电阻及其导线上形成的电压经阻抗变换器R3、R4、R5后到B1、B2、B3端，进入隔离放大模块。

2.根据权利要求1所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，隔离放大模块由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C1、C2、放大器U2、电阻网络U3组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流信号时，信号由B1、B2进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C1充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接放大器的地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；针对不同的传感器，控制器控制电阻网络U3，与放大器U2共同实现不同信号的放大。

3.根据权利要求1或2所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，A/D转换和控制器包括A/D转换器、参考电源、控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源选用高精度电源，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与控制器连接；控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。

4.根据权利要求1或2所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，所述的多功能测控模块即可应用于现场作为采集模块，也可通过工业局域网由上位机控制。

5.根据权利要求4所述的基于现场总线的多功能测控模块，其特征在于，所述的多功能测控模块具有直接或现场总线控制功能，采集信号由带有Modbush或Profibus-DP现场总线功能的通信接口输出或直接输出。