CN103176021A - 一种总线结构的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种总线结构的数据采集装置，所述数据采集装置包括：主控单元、背板单元和模块卡，所述主控单元通过所述背板单元与所述模块卡相连接；所述背板单元的电流总线上设置有保护电路。本发明实施例的有益技术效果在于，在背板总线上设置具有保护功能的钳位电路，可以在出现总线结构的数据采集装置的万用表卡模块故障或意外拔出时对电流总线上的电压进行钳位保护，限制电流总线上的电压，保护被测装置。

Description

一种总线结构的数据采集装置

技术领域

本发明涉及电信号的测量测试领域，具体的涉及一种总线结构的数据采集装置。

背景技术

数据采集装置广泛应用于用于电压、电流和电阻等电信号的测量，以及温度、压力和流量等非电信号的测量。目前，针对多路的总线结构的数据采集器，主要有两类，有VXI总线、PXI总线等开放体系结构，符合工业标准总线的测量装置，其板卡可以由任何厂商实现，其昂贵的系统搭建成本使得中小型数据采集系统的用户无力承担。另一类是基于厂商特定的背板总线结构，这种结构提供了灵活的系统搭建能力以及低廉的系统搭建成本。

发明人在实现本发明的过程中发现，基于特定背板总线结构的数据采集装置，在进行电流信号的测量时，电流保护电路都在万用表模块上，当万用表模块故障或意外拔出时，对于被测设备或器件不能形成有效的保护，造成被测设备或器件的损坏。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种总线结构的数据采集装置，当万用表模块故障或意外拔出时，有效保护被测设备或器件，避免造成被测设备或器件的损坏。

为达上述目的，本发明实施例提供了一种总线结构的数据采集装置，所述数据采集装置包括：主控单元、背板单元和模块卡，所述主控单元通过所述背板单元与所述模块卡相连接；所述背板单元的电流总线上设置有保护电路。

本发明实施例的有益技术效果在于，在背板总线上设置钳位电路，可以在出现万用表模块故障或意外拔出时对电流总线上的电压进行钳位保护，限制电流总线上的电压，保护被测装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种总线结构的数据采集装置的结构示意图；

图2本发明实施例1的背板电流总线的钳位电路结构示意图；

图3本发明实施例2的背板电流总线的钳位电路结构示意图；

图4本发明实施例3的背板电流总线的钳位电路结构示意图；

图5为本发明实施例4的背板电流总线的钳位电路结构示意图；

图6为本发明实施例4的背板电流总线的钳位电路的工作区间示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种总线结构的数据采集装置的结构示意图。如图1所示，该数据采集装置包括：数字主控板部分、背板部分和子卡部分。数字主控板部分包括：数字主控板、接口单元、显示单元、键盘输入、供电单元。背板部分包括：模拟总线部分、数字通信/控制总线、子卡供电。子卡部分包括：通道卡(电流卡)、和/或测量卡。下面分别描述上述各部分的功能：

背板部分(背板模块)：作为连接主机和子卡的“桥梁”，通过背板上的模拟总线，可以将被测信号互相连接；通过背板上的通信总线，主机(主控板)可以向子卡发送命令和接受测量数据。另外，各个子卡的供电也是通过背板进行提供的。

通道卡(电流卡)：实现多路通道的电流信号的开关与测量控制。

测量卡(万用表卡)：用来测量通过各种类型子卡连接进来的“电信号”，主要可以测量交直流电压、交直流电流和电阻。对于电流信号的测量，是通过采样电阻R，将被测电流信号I转换成为电压信号V进行测量的，通过欧姆定律I＝U/R，可以计算出电流信号的大小。

下面以测量电流信号为例，说明上述数据采集装置的工作方式和原理。

首先，将通道卡(电流卡)与测量卡分别插入主机的5个槽位中的任意两个，并将电流信号连接至通道卡的某一通道。

然后，打开主机电源，主机启动并开始自检和槽位的子卡扫描，主机正常启动后，已经插入子卡的槽位指示灯会亮起，标识槽位的子卡已经插入并可以正常工作。

接着，通过主机的前面板建立通道测量任务，即打开通道卡的电流信号输入的通道并进行测量，此时数字主控卡将指令通过背板的数字通信总线发送到通道卡的处理器，然后通道的处理器会将根据接收到的主机指令进行接通相应电流测量通道的相关操作。

此时电流信号会通过子卡通道流向背板模拟总线，电流信号流过测量卡的采样电阻R，产生采样电压Vx。主机向测量卡发送测量指令，测量卡测量采样电压，并将测量值返回给主机控制单元，主机获取测量结果后，将测量数据显示在前面板的显示屏上。以上为正常工作时的一个信号的测量操作过程。

在进行电流测量时，当万用表卡拔出后，由于电流无法流过万用表的采样电阻R，则电流总线上的电压Vx会增大，如果没有钳位电路，则非常可能损坏被测器件或设备。针对这种情况，本发明实施例在背板总线上设置钳位电路，以在出现以上情况时对电流总线上的电压进行钳位保护，限制电流总线上的电压，保护被测装置。本发明实施例提供的电流总线上的电压钳位电路可以将电流总线上的电压控制在一个固定安全的范围。主要可以防止如下几个方面的故障；(1)电流通道输入高压信号的防护；(2)电流通道过流保护。以下描述本发明实施例的钳位电路的各种变形实施方式。

实施例1：

图2本发明实施例1的背板电流总线的钳位电路结构示意图。如图2所示，背板保护电路由电流保险丝F和两个反向放置的二极管D1、D2组成。电流保险丝F串联在电流总线上，用于对电流总线的过流保护；两个反向放置二极管D1和D2并联在电流总线上，用于对电流总线的过压保护，D1管在电流总线为负压时可以对总线电压进行钳位动作，D2管在电流总线为正压时可以对总线电压进行钳位动作。电流保险丝的位置需置于二极管之前。其中，电流保险丝F可以使用可自恢复保险丝替代。图中LO端是万用表卡电压测量的功能端(与HI端对应)，电流测量时，万用表卡切换功能，并与其共用此端。以下说明图2所示钳位电路的工作过程：

1、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于200mV且大于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作。

2、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于200mV后，D2导通，将电流总线上的钳位电压钳制在0.9V以下，D1管不导通，电流经过D2管分流。

3、对于电流信号I，当电流信号大于500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保险丝熔断，保护钳位二极管和后级电路。

4、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于-200mV且小于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作。

5、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-200mV后，D1导通，将电流总线上的钳位电压钳制在-0.9V以上，D2管不导通，电流经过D1管分流。

6、对于电流信号I，当电流信号小于-500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保护钳位二极管和后级电路。

图2所示的钳位电路由于D1和D2的漏电流，导致该钳位电路对电流总线上的信号有一定的影响，但电路结构简单，成本低。该钳位电路可以实现正负电压的钳位功能，适合应用在钳位电压小，精度要求不高的场合。

实施例2：

图3本发明实施例2的背板电流总线的钳位电路结构示意图。如图3所示，背板保护电路由电流保险丝F和稳压二极管D1组成。电流保险丝F串联在电流总线上，用于对电流总线的过流保护；稳压二极管D1并联在电流总线上，用于对电流总线的过压保护。电流保险丝的位置需置于稳压二极管之前。以下说明图3所示钳位电路的工作过程：

1、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于钳位电压Vz且大于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作。

2、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于Vz后，稳压二极管D1迅速导通，将电流总线上的钳位电压钳制在Vz，

3、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于Vz后，稳压二极管D1电流会迅速增大，当稳压二极管D1电流和输入电流信号之和大于500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保护稳压二极管D1和后级电路。

4、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于-200mV且小于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作。

5、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-200mV后，D1导通，将电流总线上的钳位电压钳制在-0.9V以上，电流经过D3管分流。

6、对于电流信号I，当电流信号小于-500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保护稳压二极管D3和后级电路。

钳位电压Vz的取值范围可以通过选取不同的稳压二极管实现，稳压二极管的安装方向决定了钳位电压的正负取值。

图3所示的钳位电路正负钳位电压不对称，对于正电压的钳位，钳位电路可以实现稳定的钳位电压，即电流总线上的电压达到钳位电压Vz后，即使电流信号继续增大钳位电压也不再变化，适合应用于对钳位电压Vz的精确度要求较高的场合。

实施例3：

图4本发明实施例3的背板电流总线的钳位电路结构示意图。如图4所示，背板保护电路由电流保险丝F和压敏电阻RV组成。电流保险丝F串联在电流总线上，用于对电流总线的过流保护；压敏电阻RV并联在电流总线上，用于对电流总线的过压保护。电流保险丝F的位置需置于压敏电阻RV之前。以下说明图4所示钳位电路的工作过程：

1、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于Vz且大于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，压敏电阻RV此时电阻很大，保护电路不动作。

2、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于等于Vz后，压敏电阻RV电阻值迅速减小，电流总线上部分电流会通过压敏电阻RV进行分流，电流总线上的电压钳制在Vz上，

3、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于Vz后，压敏电阻RV电阻值迅速减小，RV上的电流会迅速增大，当RV上的电流和输入电流信号之和大于500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保护压敏电阻和后级电路。

4、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于-Vz且小于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，压敏电阻RV此时电阻近似无穷大，保护电路不动作。

5、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-Vz后，压敏电阻RV电阻值迅速减小，电流总线上部分电流会通过压敏电阻RV进行分流，电流总线上的电压钳制在-Vz上，

6、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-Vz后，压敏电阻RV电阻值迅速减小，RV上的电流会迅速增大，当RV上的电流和输入电流信号之和小于-500mA后，电流总线上的保险丝F动作，保护压敏电阻和后级电路。

钳位电压的取值范围可以通过选取不同的压敏电阻实现。压敏电阻的最大取值为5V。此钳位保护电路可以实现对称的正负钳位电压，并且当电流总线上的电压达到钳位电压后，钳位电压基本不再变化，且对电流总线上的电压信号能够迅速动作，适合应用在信号变化较快的场合。

实施例4：

图5为本发明实施例4的背板电流总线的钳位电路结构示意图。如图5所示，背板保护电路由电流保险丝F，4个二极管D1～D4，电阻R1，电阻R2和运算放大器U1组成。电流保险丝F串联在电流总线上，二极管D1～D4组成如图5所示的整流桥电路，整流桥的D1二极管的阳极与D2二极管的阴极连接至电流总线的输入信号线10，D3二极管的阳极与D4二极管的阴极连接至电流总线的输出信号线20。运算放大器U1的输出端1连接至输入端2构成电压跟随电路，输入端3通过电阻R1连接至电流总线的输入信号线10，电阻R2一侧连接D1、D3二极管的阴极和D2、D4二极管的阳极，另一侧连接运算放大器电压跟随电路的输出端1。电流保险丝F的位置需置于整流桥电路之前。以下说明图5所示钳位电路的工作过程：

1、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于200mV且大于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作，且运放U1为高阻输入，所以R1上的电流近似为零。

2、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于200mV后，D1不导通，D4管导通，运放输出电流经过R2，D4流入LO端。

3、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于400mV后，R2上的电压大于200mV，此时D1管导通，D4管导通。电流总线上的电流有一部分通过D1管和D4管分流，随着D1管和D4管的电流加大，钳位电压会有所上升，最大不超过2V。

4、当电流信号I大于500mA后，电流总线上的保险丝F会熔断。

5、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I大于-200mV，且小于0V时，此电压范围为万用表的正常测量范围，保护电路不动作，且运放为高阻输入，所以R1上的电流近似为零。

6、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-200mV后，D2不导通，D3管导通，电流从LO管经过R2，D3流入运放。

7、对于电流信号I，当电流总线上的电压Vx＝R×I小于-400mV后，R2上的电压小于-200mV，此时D2管导通，D3管导通。电流总线上的电流有一部分通过D2管和D3管分流，随着D2管和D3管的电流加大，钳位电压会有所下降，最大不超过-2V。

8、当电流信号I小于-500mA后，电流总线上的保险丝F会熔断，保护后级电路不会过流烧毁。

图6为本发明实施例4的背板电流总线的钳位电路的工作区间示意图。如图6所示，通过以上的图标可以将钳位电路的几个工作点进行区间划分：

A区，线性工作区，随着电流信号的增大，采样电压Vx线性增大，此区域内钳位电路不工作，对测量电路没有影响。

B区，初级钳位区，此区域内，钳位电路中的D3或D4管导通，随着电流信号的增大，采样电压Vx仍未线性增大。

C区，钳位工作区，此区域内，钳位电路将采样电压Vx钳位在2V以内。

D区，电流保护区，当电流信号大于500mA后，电流总线上的保险丝动作，保护钳位电路中的二极管和后级测量电路，不会因为电流过大烧毁。

此保护电路在正常的信号测量范围内，对系统的影响最小，适合应用在高精度的电流信号测量场合，并且电路的钳位电压为±Vz，钳位电压正负对称，可以作为交流信号场合的测量电压钳位。

本发明实施例的优点在于，本发明实施例可以实现在电流信号测量过程中万用表卡的热插拔对被测器件或模块的保护。在进行电流测量时，当万用表卡拔出后，由于电流无法流过万用表的采样电阻R，则电流总线上的电压Vx会增大，如果没有钳位电路，则非常可能损坏被测装置，本发明电路在背板总线上增加设置钳位电路，可以在出现以上现象时对电流总线上的电压进行钳位保护，保护被测装置。另外，在电流过大时(大到电压钳位电路无法进一步发挥作用，受二极管本身的限制)，过流保护电路发挥作用对设备进行保护。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种总线结构的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置包括：主控单元、背板单元和模块卡，所述主控单元通过所述背板单元与所述模块卡相连接；所述背板单元的电流总线上设置有保护电路。

2.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述保护电路包括过压保护电路，所述过压保护电路包括：具有对称的正负钳位电压的钳位电路，或者具有不对称的正负钳位电压的钳位电路。

3.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于，所述过压保护电路包括：二极管D1、D2、D3和D4，电阻R1，电阻R2和运算放大器U1；二极管D1、D2、D3、D4组成整流桥电路，整流桥电路的二极管D1的阳极与二极管D2的阴极连接至电流总线的输入信号线，二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接至电流总线的输出信号线，运算放大器U1的输出端连接至运算放大器U1的第一输入端构成电压跟随电路，运算放大器U1的第二输入端通过电阻R1连接至所述电流总线的输入信号线，电阻R2一侧连接二极管D1、D3的阴极和二极管D2、D4的阳极，另一侧连接运算放大器U1的输出端。

4.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于，所述过压保护电路包括并联在所述电流总线上的两个反向放置的二极管。

5.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于，所述过压保护电路包括并联在所述电流总线上的稳压二极管。

6.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于所述过压保护电路包括并联在所述电流总线上的压敏电阻。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的数据采集装置，其特征在于，所述保护电路还包括过流保护电路，串接在所述电流总线上；所述模块卡包括：电流卡和测量卡，所述电流卡用于接入被测器件输入的信号，并经由所述背板单元传送至所述测量卡进行测量；所述过流保护电路和所述过压保护电路是按照电流信号从所述电流卡流向所述测量卡的方向依序设置。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的数据采集装置，其特征在于，所述背板单元还包括：模拟总线、数字通信/控制总线和电源总线。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的数据采集装置，其特征在于，所述主控单元包括：数字主控板、接口单元、显示单元、键盘输入和供电单元，所述接口单元、显示单元、键盘输入和供电单元分别与所述数字主控板相连接。

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