CN102981472B - 一种基于双积分的万能模拟量采集模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双积分的万能模拟量采集模块，包括：上位机（1）、CPU控制电路（2）、双积分采样电路（3）、模拟量采集调理电路（4）和信号接口（5），所述CPU控制电路（2）接受到所述上位机（1）的命令，组态好信号，并根据信号类型调整外部放大倍数，外部模拟量信号经模拟量采集调理电路（4）后，所述双积分采样电路（3）进行双积分采样，CPU控制电路（2）采样到码值。本发明的基于双积分的万能模拟量采集模块采用简单的模块结构，采集到的信号经过码值转换，并通过串口与上位机通讯，上位机把码值转换后显示在状态栏中。

Description

一种基于双积分的万能模拟量采集模块
技术领域
本发明涉及一种模拟量采集模块，具体是一种基于双积分的万能模拟量采集模块。
背景技术
目前工业上需要对外部模拟量进行采集，然后显示到上位机，以便对工业现场各个状态监控，达到安全生产的目的。现有的模拟量采集模块采集能够采集的模拟量种类较少，对于不同的模拟量需要不同的模拟量采集模块，而且采集精度不高，采样周期较长，不适合对不同模拟量的采集。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于双积分的万能模拟量采集模块，包括：上位机、CPU控制电路、双积分采样电路、模拟量采集调理电路和信号接口，所述CPU控制电路接受到所述上位机的命令，组态好信号，并根据信号类型调整外部放大倍数，外部模拟量信号经模拟量采集调理电路后，所述双积分采样电路进行双积分采样，CPU控制电路采样到码值。
进一步的，所述CPU控制电路用于对双积分采样电路控制，码值转换，并与上位机通讯。
进一步的，所述信号接口包括多个采样点VX1，VX2，VX3，当需要采样电流的时候，外部电流信号接入到INC和AGND端，采样VX3和VX2就可以算出电流的值；
当需要采样电压信号时，外部信号接入INB和AGND端，采样VX1点的电压就可以得到实际电压值；
当需要采样电阻信号时，则把INB和INC端短接，然后接上电阻到AGND端，通过采样VX3和VX1的值就可以得到电阻值。
进一步的，所述采集调理电路包括模拟选择开关电路和倍数选择放大电路模拟量。
进一步的，所述采集调理电路当信号类型是0-20mV的时候，放大倍数选择为224倍，当信号类型是0-100mV的时候，放大倍数为52倍，当信号类型是0-5V的时候，放大倍数为1。
本发明的基于双积分的万能模拟量采集模块采用简单的模块结构，采集的信号包括B、J、K、S、T、E、PT100、Cu50、0-20mA、0-5V、1-5V、0-20mV、0-100mV，PT100，Cu50。采集到的信号经过码值转换，并通过串口与上位机通讯，上位机把码值转换后显示在状态栏中。通过采集的信号可以实时监控现场状态，或进行闭环调节等。
1.电压电流的精度（含准确度和精密度，以下同）：0.1%F.S.；
2.PT100精度：<=1℃，Cu50精度:<1℃；
3.热电偶精度：<1℃；
4.采样周期：<1S；
5.工作温度：0~55度。
附图说明
图1是本发明的基于双积分的万能模拟量采集模块的结构示意图；
图2是信号接口的电路图；
图3是采集调理电路的电路图；
图4是双积分采样原理图；
图5是双积分实现示意图；
图6是通讯端示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种基于双积分的万能模拟量采集模块包括：上位机1、CPU控制电路2、双积分采样电路3、模拟量采集调理电路4、和信号接口5，CPU控制电路2接受到上位机1的命令，组态好信号，并根据信号类型调整外部放大倍数，外部模拟量信号通过模拟量采集调理电路4，然后双积分采样电路3进行双积分采样，CPU采样到码值，并按照计算公式计算得出码值(具体计算公式见下文)，上传给上位机1。对组态的信息需要保存，标定信息需要保存。其他的信息按照数据结构规定，如报警等信息，按照实际要求做处理。
CPU控制电路2用于对双积分采样电路3控制，码值转换，与上位机1通讯。控制器采用现在比较通用的51系列单片机STC12C4052。
模拟量采集调理电路4用于对模拟量信号的采样，要求精度高，采样稳定，选择使用双积分采样电路3，双积分式A/D变换器的特点是在一次测量过程中用统一积分器先后进行两次积分，即对被测量电压V的定时积分，然后对基准电压Vref的定值积分实现模拟电压的A/D变换，显然属于V-T变换型。两次积分的比较对RC和时钟源的精度要求不高，私用较少的精密元件，便可实现高精度的转换效果。
如图2所示，由于本万能模拟量采集模块采集的信号种类多，而且信号有电流，电压，电阻，设计一种万能型外部接口。
当需要采样电流的时候，外部电流信号接入到INC和AGND端，这样只需要去采样VX3和VX2就可以算出电流的值。
当需要采样电压信号时，外部信号接入INB和AGND，这样只需要采样VX1点的电压就可以得到实际电压值。
当需要采样电阻信号时，则把INB和INC短接，然后接上电阻到AGND端，通过采样VX3和VX1的值就可以得到电阻值，这里使用的是三线制恒压方式采样电阻。
如图3所示，本万能模拟量采集模块支持的信号类型多，各个信号的量程范围也不一样，而且每个信号采样需要采集多个点，因此设计一个包括模拟选择开关电路和倍数选择放大电路的采集调理电路4，通过控制4051，可以选择不同的输入点电压，控制4053和OP07可以得到不同的放大倍数。所有的控制同时按照不同的信号类型来操作的。比如当信号类型是0-20mV的时候，放大倍数选择在224倍，当信号类型是0-100mV的时候，放大倍数为52倍，当信号类型是0-5V的时候是，放大倍数为1。
如图4和5所示，双积分电路选择0.47uF的钽电容与运放组合，通过COMP接口去反馈给单片机产生中断处理双积分时间。
双积分实现过程分为三个阶段：
1.起始阶段：先使积分器进入Uo=0的状态，对应时间为t0-t1；
2.采样阶段：输入被测电压，在t1时刻，接入电压使积分器正积分，直到积分到设置好的定时时间。此时有Uom=T1/RC*Ui；
3.比较阶段：将基准电压接入，直到电压触发外部中断，此时记录下定时计数T2，则有Uo=Uo-T2/RC*Ur。
根据步骤2和步骤3可以得出Ui=Ur/T1*T2。
其中，Uom：设定积分电压限值
T1：正向积分时间
T2：反向积分时间
RC：积分时间常数
Ui：输入采样电压
Ur：基准电压。
如图6所示，为了提高系统的隔离效果，以免干扰到整个系统的正常工作，在通讯端做隔离处理。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于双积分的万能模拟量采集模块，包括：上位机（1）、CPU控制电路（2）、双积分采样电路（3）、模拟量采集调理电路（4）和信号接口（5），其特征在于：所述CPU控制电路（2）接受到所述上位机（1）的命令，组态好信号，并根据信号类型调整外部放大倍数，外部模拟量信号经模拟量采集调理电路（4）后，所述双积分采样电路（3）进行双积分采样，CPU控制电路（2）采样到码值；采集的信号包括B、J、K、S、T、E、PT100、Cu50、0-20mA、0-5V、1-5V、0-20mV、0-100mV；
双积分实现过程分为三个阶段：
一．起始阶段：先使积分器进入Uo=0的状态，对应时间为t0-t1；
二．采样阶段：输入被测电压，在t1时刻，接入电压使积分器正积分，直到积分到设置好的定时时间；此时有Uom=T1/RC*Ui；
三．比较阶段：将基准电压接入，直到电压触发外部中断，此时记录下定时计数T2，则有Uo=Uo-T2/RC*Ur；
根据步骤2和步骤3可以得出Ui=Ur/T1*T2；
其中，Uom：设定积分电压限值
T1：正向积分时间
T2：反向积分时间
RC：积分时间常数
Ui：输入采样电压
Ur：基准电压；
所述CPU控制电路（2）用于对双积分采样电路（3）控制，码值转换，并与上位机（1）通讯；所述信号接口（5）包括多个采样点VX1，VX2，VX3，当需要采样电流的时候，外部电流信号接入到INC和AGND端，采样VX3和VX2就可以算出电流的值；
当需要采样电压信号时，外部信号接入INB和AGND端，采样VX1点的电压就可以得到实际电压值；
当需要采样电阻信号时，则把INB和INC端短接，然后接上电阻到AGND端，通过采样VX3和VX1的值就可以得到电阻值。
2.如权利要求1所述的基于双积分的万能模拟量采集模块，其特征在于：所述模拟量采集调理电路（4）包括模拟选择开关电路和倍数选择放大电路。
3.如权利要求2所述的基于双积分的万能模拟量采集模块，其特征在于：所述模拟量采集调理电路（4）当信号类型是0-20mV的时候，放大倍数选择为224倍，当信号类型是0-100mV的时候，放大倍数为52倍，当信号类型是0-5V的时候，放大倍数为1。
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