CN103543679A - 智能型电阻信号隔离栅 - Google Patents

Abstract

本发明智能型电阻信号隔离栅和装置，包括：顺序连接的传感器输入电路、模数转换器、微控制器、隔离单元、数模转换器，以及限能电路。微控制器与数模转换器之间采用数据同步、时钟线和数据线的三线串行连接；数模转换器的输出通道可以为一路、两路或两路以上。微控制器与各路输出的通道的数模转换器之间的接口可以共用时钟线和数据线；微控制器若干通用输入/输出口作为数据同步，分别连接各路输出通道的数模转换器。当某一通道的数据同步被置低时，其它通道的数据同步置高时，输出数据被送入相应通道的数模转换器的寄存器。优点是：可满足用户对单输入，多输出电阻信号隔离栅的需求，填补了市场的空缺。

Description

智能型电阻信号隔离栅

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及工业危险场所的二次仪表，尤其涉及本安系统中的一种电阻输入输出安全栅。

电阻输入电阻输出型安全栅具有快速响应功能，输出非线性小，输出稳定性好，温度特性好等优点。

背景技术

安全栅是本安系统中危险区域和安全区域电气仪表设备之间的关联设备，该设备通过使用保护电路和保护元件，以限制危险场所的电路能量，隔绝危险区域可能发生的爆炸，燃烧，高温等能量向安全区域的传播，实现危险设备的防爆。当本安仪表发生故障或者失效时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全阈值以内，从而确保现场设备，人员和生产的安全。安全栅广泛的应用于防爆领域的工业仪表前端信号处理，对提高工业生产过程自动控制系统的抗干扰能力，保证系统稳定性和可靠性有非常重要的作用。

电阻信号安全栅产品在应用时，常需要将同一输入信号对应的输出信号连接至不同的场合，如数字显示仪表或者集散控制系统DCS，因此，安全栅有必要做成单输入，多路输出的形式。

目前市场上的电阻信号安全栅使用模拟电路对输入信号进行处理，仅能做到一个输入信号对应一个输出信号，因此在某些需要对输出信号进行多种处理或者测量的场合，一入一出的电阻信号安全栅产品无法满足现场要求，对输入电阻信号使用微控制器处理，使其具有多路相同输出势在必行。

现有技术的安全栅，一般采用纯模拟电路，将客户现场的电阻信号值输入隔离栅后，通过硬件电路将引入的引线电阻消除，然后使用恒定电流激励电阻信号，使其产生的成比例的电压信号并通过隔离器件（如光耦器件等）进行1：1隔离转换，输出电路再将隔离后的电压信号还原为电阻信号。取用外部输出端口的电流信号进行1：1隔离，通过输出信号隔离后的反馈建立输入激励电流源，将输入输出电路整个构成一个闭环电路。从输出端看，整个电路可以等效成一个电阻，从而实现了电阻信号从输入到输出电路的隔离性的传输。

现有安全栅技术的主要缺点是：只能做到一个输入信号对应一个输出信号，无法满足对一个输入电阻信号的输出进行多项处理的需求，即不具备对单一输出信号做多输出的扩展性，只能将产品扩展为二入二出，三入三出等形式，无法配置为一入二出，一入三出等形式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有电阻信号安全栅技术存在的无法将单输入信号扩展为多输出的不足，提供一种可以自由配置输入输出对应形式的电阻信号安全栅，除了能将其配置为单输入单输出的形式外，还能将其配置为多输入多输出，单输入多输出的形式，即一路输入对应多路相同的输出。

本发明针为解决上述问题而提出的技术方案是：智能型电阻信号隔离栅，包括：顺序连接的传感器输入电路、模数转换器、微控制器、隔离单元、数模转换器，以及限能电路。

微控制器通过软件算法消除传感器引线电阻，并对传感器输入电路采集的信号进行线性化的处理；限能电路为限压限流网络，用于将能量限制在安全值以内；隔离单元为光耦隔离，用于微控制器和数模转换器之间的通讯线连接。

微控制器与数模转换器之间采用数据同步、时钟线和数据线的三线串行连接；数模转换器的输出通道可以为一路、两路或两路以上。微控制器与各路输出的通道的数模转换器之间的接口可以共用时钟线和数据线；微控制器若干通用输入/输出口作为数据同步，分别连接各路输出通道的数模转换器。当某一通道的数据同步被置低，其它通道的数据同步置高时，输出数据被送入相应通道的数模转换器的寄存器。

与现有电阻信号安全栅技术相比，采用本发明技术方案的优点是：

1.可满足用户对单输入，多输出电阻信号隔离栅的需求，填补目前市场的空缺。

2.扩展性强，只要微控制器的资源满足，根据本方案，可以在单输入的基础上扩展出多个输出通道。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明智能型电阻信号隔离栅的较佳实施例的原理框图。

图2是本发明智能型电阻信号隔离栅的较佳实施例的结构框图。

图3是本发明智能型电阻信号隔离栅的较佳实施例的软件流程图。

图4是本发明智能型电阻信号隔离栅的去传感器引线电阻的原理图。

图5是本发明智能型电阻信号隔离栅的输入信号处理的相关电路。

图6是本发明智能型电阻信号隔离栅的输出信号处理的相关电路。

图7是本发明智能型电阻信号隔离栅的输入、输出通道之间的隔离电路。

图8是本发明智能型电阻信号隔离栅的预稳压电路。

图9是本发明智能型电阻信号隔离栅的变压器电路。

图中包括：电阻温度传感器RTD、传感器输入电路、模数转换器ADC、微控制器MCU、外围电路、通讯接口、隔离单元、数模转换器DAC、限能电路、变压器电路、预稳压电路。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本发明智能型电阻信号隔离栅的实施例，包括：顺序连接的电阻温度传感器RTD、传感器输入电路、模数转换器ADC、微控制器MCU、隔离单元、数模转换器DAC，以及限能电路。微控制器MCU通过软件算法消除传感器引线电阻，并对传感器输入电路采集的信号进行线性化的处理；限能电路为限压限流网络，用于将能量限制在安全值以内；隔离单元为光耦隔离，用于微控制器MCU和数模转换器DAC之间的通讯线连接；微控制器MCU与数模转换器DAC之间采用数据同步SYNC、时钟线SCLK和数据线SDIN的三线串行连接。

数模转换器DAC的输出通道可以为一路、两路或两路以上；微控制器MCU与各路输出通道的数模转换器DAC之间的接口可以共用时钟线SCLK和数据线SDIN；微控制器MCU的若干通用输入/输出口GPIO作为数据同步SYNC，分别连接各路输出通道的数模转换器DAC。当某一通道的数据同步SYNC被置低时，其他通道的数据同步SYNC需置高，输出数据被送入相应通道的数模转换器DAC的寄存器。

一.基本原理

本发明智能型电阻信号隔离栅的实施例，原理如图1所示，结构框图如图2所示。主要组成部件为模数转换器ADC和微控制器MCU集成的微处理芯片、数模转换芯片，以及限能电路。模数转换器ADC的输入通道可以为一路、两路或两路以上。

该实施例的输入信号处理部分，采用32位ARM7TDMI内核微处理芯片ADuC7061作为处理单元，该微处理芯片峰值性能高达10MIPS，为完全集成的8kSPS、24位数据采集系统。在微处理芯片内集成高性能多信道Σ-Δ模数转换器ADC、16位/32位微控制器MCU，内置两个差分对或四个单端通道的主模数转换器ADC和内置七个通道的辅助模数转换器ADC，可以工作在单端输入模式或差分输入模式下。微处理芯片内集成4kB SRAM和32kB非易失性Flash/EE存储器。

该实施例的输出信号处理部分，采用ADI公司的AD5444精密12位数模转换芯片，2.5V至5.5V供电，典型工作状态下电流低至4uA，数模转换器DAC具有双缓冲，与SPT、QSPI等接口兼容的三线串行接口。

ADuc7061微处理芯片与AD5444数模转换芯片采用三线串行连接，三线定义如下表：

根据上表，AD5444数模转换芯片和ADuc7061微处理芯片的接口定义可以看出，要实现输入与输出之间能灵活配置，关键在于解决微控制器MCU如何对输入数据进行处理，并根据配置的输入输出形式将其正确的信号输出至对应的输出通道。而多通道的输出，只需在不同的时间将数据轮流送入不同的输出电路即可。

根据以上分析，微控制器MCU和数模转换器DAC之间的接口可以共用时钟线SCLK和数据线SDIN两根信号线，只需使用微控制器MCU不同的输入输出口IO作为数据同步SYNC，在需要将数据送入不同的输出电路时，就将相应的数据同步SYNC引脚拉低，此时数据送入该输出电路的数模转换器DAC的缓存寄存器。

二.软件流程

该实施例的数据的采集，处理，以及输出由软件完成，流程如图2，说明如下表：

三.电路结构

输入信号处理

如图5所示，输入信号处理分为传感器输入电路、限能电路、微处理芯片以及外围电路、通讯接口等几部分。

传感器输入电路：

L201～L203为共模滤波器，可以有效的滤除输入电路中的高频干扰或者其他杂波。

TVS201、TVS202、TVS501、TVS502为瞬态电压抑制二极管，放置在输入连接端子贴近处，可以抑制外界环境的静电或者浪涌电压，保护微处理芯片的内部和外围电路。

如图5所示，输入端子10～12、输入端子13～15分别连接不同的电阻温度传感器RTD，通过不同的模数转换器ADC通道读取其输入，可以在软件中配置为2路输入2路输出。如果需要，亦可只输入一路传感器，并使用软件配置其为1路输入，多路输出。

限能电路：

R241、F241、R242、Z201～Z203构成了电源部分至隔离栅的限能电路。R241、F241、R242可以限制在仪表故障时输入回路过大的电流，而Z201～Z203可以限制仪表故障时输入回路中过高的电压，整体即是一个限压限流网络。用于限制隔离栅输入到仪表的能量，将隔离栅串入到仪表的能量值限制在安全值以内。

微控制器外围电路：

微处理芯片的外围电路有复位电路、去耦电路等。C217、R217、C227、R227组成了微控制器MCU的RC复位电路。C211～C214组成了微控制器MCU的去耦电路，放置于微处理芯片的电源引脚靠近处，以起到最好的去耦作用。

通讯接口：

微控制器MCU与外界的接口主要为串口通讯口，作为与上位机通讯，并烧写程序之用。另外有微控制器MCU与数模转换器DAC的通讯接口。

输出信号处理

如图6输出信号处理的相关电路所示，每个输出通道包含该图所示元件，每个输出通道和微控制器MCU的通讯有3根通讯线，其中2根通讯线共用，唯一的差别就是数据同步SYNC信号。因此，输出通道根据微控制器MCU的通用输入/输出口GPIO引脚多少，除去时钟线SCLK信号和数据线SDIN信号，剩下多少通用输入/输出口GPIO引脚，就可以扩展多少输出通道。可以据如下公式计算：

N=N1-2

上式中，N为可以扩展的输出通道数，N1为可以使用的通用输入/输出口GPIO引脚数目。

隔离电路：

本实施例中，输入信号处理部分和输出信号处理部分之间使用光耦隔离，电源和输入、输出信号处理部分之间使用变压器隔离。输入信号处理部分和输出信号处理部分之间主要是微控制器MCU和数模转换器DAC之间的通讯线连接，每根通讯线使用光耦隔离，则完成了输入通道和输出通道之间的电气隔离，见图7。

光耦的次级使用逻辑门电路对信号进行整形，以保证通讯稳定的进行。可为与门也可为非门，不同之处只需在软件中进行更改即可。

电源部分

电源部分由预稳压电路和变压器电路组成。

图8所示为预稳压电路，电路的主要功能是将输入的20V～30V的直流电压转换为一个比较小的直流电压，以供变压器初级使用。预稳压电路包括顺序连接的瞬态抑制二极管TVS、共模滤波器、电源调整芯片和稳压配置电阻。

预稳压电路主要使用NS公司的LM25007开关电源调整芯片。电源输入端使用耐压33V，3000W大功率的瞬态抑制二极管TVS，以防止浪涌或者瞬间电压尖峰。L201为共模滤波器，可以有效的滤除从电源端传入的高频干扰，电源调整芯片的PIN5输出反馈电压为2.5V，通过R104、R105、R106电阻可以通过以下公式配置出需要的预稳压值：

Vout=Vfb*(R104+(R105//R106))/(R105//R106)

要使用R105和R106两个电阻并联是为了更方便，灵活的配制出需要的输出电压值。

图9所示为变压器电路，该电路的主要功能是，将预稳压产生的直流电压变换成交流电压，并通过变压器，根据其匝数比输出不同的交流电压，并通过半波整流电路产生直流电压。变压器电路包括顺序连接的多谐振荡单元、变压器和整流滤波单元。

如图所示，U102、R108、C107组成了一个多谐振荡单元，产生频率为100KHz的正弦波，经过2个三极管Q101、Q102交替导通，于是，在变压器E101的1，2引脚上有15V的交流电压出现。

只要更改变压器的各绕组的匝数，即可获得不同的输出电压值，变压器使用半波整流，获得直流电压。直流电压输出端使用大容量的电解电容滤波，以减小输出的纹波。

本发明智能型电阻信号隔离栅，可满足用户对单输入多输出电阻信号隔离栅的需求，填补目前市场的空缺。而且扩展性强，只要微控制器MCU的资源满足，根据本方案，可以在单输入的基础上扩展出多个输出通道。还可配置为多输入多输出，一一对应形式。

本发明智能型电阻信号隔离栅，使用微控制器MCU的对信号进行处理和输出，根据使用器件的区别，可以使用以下两种实施方案：

独立的模数转换器ADC+微控制器MCU（不带模数转换器ADC）+独立的数模转换器DAC......实施方案1

微控制器MCU(与模数转换器ADC集成)+独立的数模转换器DAC......实施方案2

实施方案1，可以选用不带模数转换器ADC的微处理芯片，加独立的模数转换器ADC，加独立的数模转换器DAC，也可以达到相同目的。

实施方案1相对实施方案2的缺点是模数转换器件独立，增加了软件部分微控制器MCU和模数转换器ADC之间的通讯程序，两者之间通讯会出现错误或者不稳定；另外，模数转换器ADC作为单独的器件，使外围器件增加，使整机的可靠性降低。

实施方案2，即是本发明的具体实施例所使用的方案，还可以选用其他供应商的微处理芯片和其他供应商提供的数模转换芯片代替，达到相同目的。

本发明智能型电阻信号隔离栅的实施例，使用微控制器MCU对传感器的信号采集，并进行滤波，线性化的处理并将单输入信号转换为多路相同输出。可使用上位机软件和下位机通讯，灵活配置输入和输出通道的类型。如各输入、输出通道为一一对应关系，或者一输入通道对应多输出通道的关系。使用类似形式的微处理芯片（ADI公司的Aduc系列）和类似形式的模数转换芯片（AD5444）组成的可配置不同输入输出类型的智能型电阻信号隔离栅。

本发明智能型电阻信号隔离栅，主要是为了解决市场上现有的电阻信号隔离栅产品无法将单输入信号扩展为多输出的问题，本发明除了能将电阻信号隔离栅配置为单输入多输出的形式外，还能将其配置为多输入多输出，即输入和输出一一对应的关系。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.智能型电阻信号隔离栅，其特征是，包括：顺序连接的传感器输入电路、模数转换器(ADC)、微控制器(MCU)、隔离单元、数模转换器(DAC)，以及限能电路；

所述微控制器(MCU)通过软件算法消除传感器引线电阻，并对传感器输入电路采集的数据进行线性化的处理；

所述限能电路为限压限流网络，用于将能量限制在安全值以内；

所述隔离单元为光耦隔离，用于微控制器(MCU)和数模转换器(DAC)之间的通讯线连接；

所述微控制器(MCU)与数模转换器(DAC)之间采用数据同步(SYNC)、时钟线(SCLK)和数据线(SDIN)的三线串行连接；

所述数模转换器(DAC)的输出通道可以为一路、两路或两路以上；

所述微控制器(MCU)与各路输出通道的数模转换器(DAC)之间的接口可以共用时钟线(SCLK)和数据线(SDIN)；

所述微控制器(MCU)的若干通用输入/输出口(GPIO)作为数据同步(SYNC)，分别连接各路输出通道的数模转换器(DAC)；

当某一通道的数据同步(SYNC)被置低，其它通道的数据同步(SYNC)置高时，输出数据被送入相应通道的数模转换器(DAC)的寄存器。

2.根据权利要求1所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述模数转换器(ADC)的输入通道可以为一路、两路或两路以上。

3.根据权利要求2所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述顺序连接的模数转换器(ADC)、微控制器(MCU)，为模数转换器(ADC)和微控制器(MCU)集成的微处理芯片。

4.根据权利要求3所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述传感器输入电路的端口连接有三线制或两线制输入的电阻温度传感器(RTD)。

5.根据权利要求3所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述光耦隔离的次级使用逻辑门电路对信号进行整形。

6.根据权利要求3所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述限能电路由电源部分供电，电源部分包括：顺序连接的预稳压电路和变压器电路。

7.根据权利要求6所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述预稳压电路包括顺序连接的瞬态抑制二极管(TVS)、共模滤波器、电源调整芯片和稳压配置电阻。

8.根据权利要求6所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述变压器电路包括顺序连接的多谐振荡单元、变压器和整流滤波单元。

9.根据权利要求3所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述微控制器(MCU)的外围电路包括复位电路和去耦电路。

10.根据权利要求3所述的智能型电阻信号隔离栅，其特征是：

所述微控制器(MCU)的通讯接口包括串口通讯口，用于与上位机通讯。

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