CN103984255B - 模拟数字信号采集与连锁控制装置 - Google Patents

Abstract

模拟数字信号采集与连锁控制装置，属于信号采集及控制技术领域。本发明为了解决现有模拟数字信号采集设备只能完成一种信号的采集，功能单一的问题。它的模拟信号采集电路提供32路模拟信号采集能力，采集外部设备输出的模拟信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器；数字信号采集电路提供16路数字信号采集能力，用于采集外部设备输出的数字信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器；数字信号处理器对外部设备的当前状态进行判断，输出控制信号给继电器单元，继电器单元通过最多8路继电器对外部设备进行开关控制；数字信号处理器同时采集继电器单元的继电器状态信号。本发明用于模拟数字信号的采集及对外部设备的连锁控制。

Description

模拟数字信号采集与连锁控制装置

技术领域

本发明涉及模拟数字信号采集与连锁控制装置，属于信号采集及控制技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展以及市场需求的提高，模拟信号采集产品和数字信号采集产品越来越多，其产品质量也在不断提高。芯片技术的发展，使模拟信号采集的精度和速度都不断提高，同时使数字信号采集的容量也不断增加，并且抗干扰性能不断提高。但是，目前大部分产品只能完成一种信号的采集，并且无法在信号采集的过程中，根据信号采集结果对相关设备实现开关控制。

发明内容

本发明目的是为了解决现有模拟数字信号采集设备只能完成一种信号的采集，功能单一的问题，提供了一种模拟数字信号采集与连锁控制装置。

本发明所述模拟数字信号采集与连锁控制装置，它用于采集外部设备输出的信号，该外部设备输出的信号包括模拟信号和数字信号，它包括模拟信号采集电路、数字信号采集电路、继电器单元和数字信号处理器，

模拟信号采集电路提供32路模拟信号采集能力，用于采集外部设备输出的模拟信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器；

数字信号采集电路提供16路数字信号采集能力，用于采集外部设备输出的数字信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器；

数字信号处理器根据接收的信号对外部设备的当前状态进行判断，输出控制信号给继电器单元，继电器单元根据接收的控制信号通过最多8路继电器对外部设备进行开关控制；

数字信号处理器同时采集继电器单元的继电器状态信号。

它还包括USB接口和上位机，

上位机通过USB接口与数字信号处理器进行数据与命令信号的传输。

模拟信号采集电路由模拟多路开关电路、运算放大器和AD转换电路组成，

模拟多路开关电路用于采集外部设备输出的模拟信号并将多路模拟信号中的一路通过运算放大器后，切换至AD转换电路，AD转换电路输出的数字信号传送给数字信号处理器。

数字信号采集电路由光电耦合器和数字信号缓冲器组成，

外部设备输出的数字信号经光电耦合器隔离后，再经数字信号缓冲器传送给数字信号处理器。

继电器单元由锁存器、驱动器、多路继电器和继电器状态信号缓冲器组成，

多路继电器包含最多8路继电器；

数字信号处理器根据接收的信号对外部设备的当前状态进行判断，输出控制信号经锁存器和驱动器后给多路继电器，由多路继电器对外部设备进行开关控制；

继电器状态信号缓冲器用于接收多路继电器的继电器状态信号，并传递给数字信号处理器。

上位机用于通过数字信号处理器完成对外部设备状态的监控及连锁控制，并对采集的模拟信号和数字信号进行显示，所述对外部设备状态的监控及连锁控制具体通过上位机的以下模块实现：

模拟信号读入模块、数字信号读入模块、多路继电器控制模块、模拟输入通道参数设置模块、数字输入通道参数设置模块、连锁报警参数设置模块和事件监控及连锁控制模块，

模拟信号读入模块用于实现对数字信号处理器中的模拟信号的读取；

数字信号读入模块用于实现对数字信号处理器中的数字信号的读取；

多路继电器控制模块用于根据读取的模拟信号与数字信号对多路继电器的状态进行控制，继而实现对外部设备的控制；

模拟输入通道参数设置模块用于实现对模拟信号输入通道参数的设置；

数字输入通道参数设置模块用于实现对数字信号输入通道参数的设置；

连锁报警参数设置模块用于实现在预设置连锁条件发生时，报警参数的设置；

事件监控及连锁控制模块用于实现对外部设备输出信号与继电器开关状态连锁事件的控制，它通过指示灯来指示外部设备连锁事件故障的发生，并根据预设置的相应连锁事件故障标号获取当前连锁事件故障代码，再根据当前连锁事件故障代码确定外部设备的信号传递故障通道。

事件监控及连锁控制模块中最多预设置16个连锁事件故障，每个连锁事件故障中包括事件故障的模拟条件、数字条件及继电器连锁状态；其连锁事件故障代码为从0到15；

模拟条件具体为：通过通道设置实现模拟信号传递通道的设置，其通道号为0到31；通过上限设置来设定电压最大值；通过下限设置来设定电压最小值；通过界外界内设置来判定故障条件发生的方式；通过连锁事件故障代码设置故障事件标志；

数字条件具体为：通过屏蔽字设置数字信号的传递IO通道，0表示屏蔽，1表示选中，取值为0到FFFF；通过控制字规定选中IO通道的有效电平，0表示低电平，1表示高电平；通过逻辑关系设置选择逻辑，选择或逻辑时，读入的IO通道数据或继电器状态中有任意一个状态符合控制字规定，即表示连锁事件故障发生；选择与逻辑时，读入的IO通道数据和继电器状态均符合控制字规定，才表示故障事件发生；

继电器连锁状态用来设置继电器连锁事件控制条件，具体为：

通过连锁时继电器状态设置连锁事件故障发生后相应继电器状态，其高8位是屏蔽字，1表示连锁事件故障发生后继电器状态不变，0表示连锁事件故障发生后继电器状态改变；低8位是控制字，1表示继电器闭合，0表示继电器断开；

通过延迟时间设置连锁事件故障发生后继电器保持原状态的时间，经过延迟时间延迟后，相应继电器才进行相应动作；

通过使能状态设置继电器的连锁操作，使能状态有效时，相应的连锁事件进行连锁操作，否则，不进行连锁操作。

继电器连锁状态分三种类型：模拟输入量连锁控制状态、数字输入量连锁控制状态及模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态，

模拟输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的数字条件屏蔽字设为0；

数字输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的模拟条件上限设为+10V，下限设为-10V，界外界内设置选择界内；

模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态：按要求自定义模拟条件和数字条件；

上述继电器连锁状态设定完成后，对指定的事件进行使能，完成继电器连锁状态的参数设置。

本发明的优点：本发明所述模拟数字信号采集与连锁控制装置能够对外部的模拟信号和数字信号进行采样，并且具备报警和连锁控制功能，可用于工业控制系统或自动测试系统中，实现外部设备工作状态的监视和运行控制，具有广阔的应用范围和很高的推广价值。

在硬件设置方面，本发明装置具有32路单端、16位分辨率、输入范围为-10V-+10V的模拟量输入通道，通道扫描次序可任意选择，采样速率可调；具有16路数字输入通道，能够完成16路数字信号的采集及继电器控制；具有8路继电器，能够实现对外部提供通断控制功能；具有USB接口，能够将采集数据传给计算机、接受用户在计算机上配置的控制策略等。

本发明所述硬件配置可以独立工作，此时可作为数据采集和继电器开关设备使用；更重要的是，在上位机软件的支持下它还可以实现对外部的连锁控制功能，即监视模拟信号和数字信号的状态满足一定条件时控制继电器的闭合或断开，从而实现根据外部设备信号的状态对其进行控制。用户在使用时，可以通过上位机软件自定义连锁控制条件，例如某路模拟信号或数字信号的某种状态对应某路继电器的闭合或断开，并将其通过USB接口传给外部设备，本发明装置独立工作时可监视外部模拟信号或数字信号，满足连锁控制条件时，通过继电器对外部设备进行连锁控制。

附图说明

图1是本发明所述模拟数字信号采集与连锁控制装置的原理框图；

图2是模拟信号采集电路的原理框图；

图3是数字信号采集电路的原理框图；

图4是继电器单元的原理框图；

图5是上位机的软件组成框图；

图6是事件监控及连锁控制模块的工作原理图；

图7是数字信号处理器的工作原理图；

图8是数字信号处理器的工作流程图；

图9是本发明的连锁控制流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述模拟数字信号采集与连锁控制装置，它用于采集外部设备1输出的信号，该外部设备1输出的信号包括模拟信号和数字信号，它包括模拟信号采集电路3、数字信号采集电路4、继电器单元5和数字信号处理器6，

模拟信号采集电路3提供32路模拟信号采集能力，用于采集外部设备1输出的模拟信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器6；

数字信号采集电路4提供16路数字信号采集能力，用于采集外部设备1输出的数字信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器6；

数字信号处理器6根据接收的信号对外部设备1的当前状态进行判断，输出控制信号给继电器单元5，继电器单元5根据接收的控制信号通过最多8路继电器对外部设备1进行开关控制；

数字信号处理器6同时采集继电器单元5的继电器状态信号。

本实施方式所述的模拟数字信号采集与连锁控制装置能够采集外部设备1输出的模拟信号和数字信号，并根据用户的实际需求对外部设备参数及连锁条件进行定义，实现对外部设备的连锁控制。

本实施方式中，使用数字信号处理器6实现装置的总体控制。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式还包括USB接口7和上位机2，

上位机2通过USB接口7与数字信号处理器6进行数据与命令信号的传输。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述模拟信号采集电路3由模拟多路开关电路3-1、运算放大器3-2和AD转换电路3-3组成，

模拟多路开关电路3-1用于采集外部设备1输出的模拟信号并将多路模拟信号中的一路通过运算放大器3-2后，切换至AD转换电路3-3，AD转换电路3-3输出的数字信号传送给数字信号处理器6。

本实施方式中，模拟多路开关电路3-1选用MAX307芯片实现，它能够将32路模拟信号的其中某一路切换至AD转换电路。运算放大器3-2采用AD620芯片；AD转换电路3-3采用AD976芯片。

具体实施方式四：下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述数字信号采集电路4由光电耦合器4-1和数字信号缓冲器4-2组成，

外部设备1输出的数字信号经光电耦合器4-1隔离后，再经数字信号缓冲器4-2传送给数字信号处理器6。

光电耦合器4-1采用TLP521-4芯片，数字信号缓冲器4-2采用74F540芯片。

具体实施方式五：下面结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，本实施方式所述继电器单元5由锁存器5-1、驱动器5-2、多路继电器5-3和继电器状态信号缓冲器5-4组成，

多路继电器5-3包含最多8路继电器；

数字信号处理器6根据接收的信号对外部设备1的当前状态进行判断，输出控制信号经锁存器5-1和驱动器5-2后给多路继电器5-3，由多路继电器5-3对外部设备1进行开关控制；

继电器状态信号缓冲器5-4用于接收多路继电器5-3的继电器状态信号，并传递给数字信号处理器6。

锁存器5-1采用74HC574芯片，驱动器5-2采用ULN2803A芯片，继电器5-3采用G6S-2型双刀双掷型继电器。

具体实施方式六：下面结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式二、三、四或五作进一步说明，本实施方式所述上位机2用于通过数字信号处理器6完成对外部设备1状态的监控及连锁控制，并对采集的模拟信号和数字信号进行显示，所述对外部设备1状态的监控及连锁控制具体通过上位机2的以下模块实现：

模拟信号读入模块2-1、数字信号读入模块2-2、多路继电器控制模块2-3、模拟输入通道参数设置模块2-4、数字输入通道参数设置模块2-5、连锁报警参数设置模块2-6和事件监控及连锁控制模块2-7，

模拟信号读入模块2-1用于实现对数字信号处理器6中的模拟信号的读取；

数字信号读入模块2-2用于实现对数字信号处理器6中的数字信号的读取；

多路继电器控制模块2-3用于根据读取的模拟信号与数字信号对多路继电器5-3的状态进行控制，继而实现对外部设备1的控制；

模拟输入通道参数设置模块2-4用于实现对模拟信号输入通道参数的设置；

数字输入通道参数设置模块2-5用于实现对数字信号输入通道参数的设置；

连锁报警参数设置模块2-6用于实现在预设置连锁条件发生时，报警参数的设置；

事件监控及连锁控制模块2-7用于实现对外部设备1输出信号与继电器开关状态连锁事件的控制，它通过指示灯来指示外部设备1连锁事件故障的发生，并根据预设置的相应连锁事件故障标号获取当前连锁事件故障代码，再根据当前连锁事件故障代码确定外部设备1的信号传递故障通道。

本实施方式中，通过上位机2软件自定义设备的相关参数，同时上位机软件也可以完成设备状态的监视，采集数据的显示等。在上位机中，还可通过与各模块对应的界面监视所规定事件的发生状态。当“事件发生”的指示灯变红时，说明此时某事件的状态与规定状态不相符，通过“读发生事件的标号”按键可以读取此事件的代码，选择事件代码后，通过“读事件数字状态”和“读事件模拟状态”按钮可以分别读取当前事件的数字状态和此事件规定模拟通道的模拟值。

具体实施方式七：下面结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，本实施方式所述事件监控及连锁控制模块2-7中最多预设置16个连锁事件故障，每个连锁事件故障中包括事件故障的模拟条件、数字条件及继电器连锁状态；其连锁事件故障代码为从0到15；

模拟条件具体为：通过通道设置实现模拟信号传递通道的设置，其通道号为0到31；通过上限设置来设定电压最大值；通过下限设置来设定电压最小值；通过界外界内设置来判定故障条件发生的方式；通过连锁事件故障代码设置故障事件标志；

数字条件具体为：通过屏蔽字设置数字信号的传递IO通道，0表示屏蔽，1表示选中，取值为0到FFFF；通过控制字规定选中IO通道的有效电平，0表示低电平，1表示高电平；通过逻辑关系设置选择逻辑，选择或逻辑时，读入的IO通道数据或继电器状态中有任意一个状态符合控制字规定，即表示连锁事件故障发生；选择与逻辑时，读入的IO通道数据和继电器状态均符合控制字规定，才表示故障事件发生；

继电器连锁状态用来设置继电器连锁事件控制条件，具体为：

通过连锁时继电器状态设置连锁事件故障发生后相应继电器状态，其高8位是屏蔽字，1表示连锁事件故障发生后继电器状态不变，0表示连锁事件故障发生后继电器状态改变；低8位是控制字，1表示继电器闭合，0表示继电器断开；

通过延迟时间设置连锁事件故障发生后继电器保持原状态的时间，经过延迟时间延迟后，相应继电器才进行相应动作；

通过使能状态设置继电器的连锁操作，使能状态有效时，相应的连锁事件进行连锁操作，否则，不进行连锁操作。

本实施方式中，可以在上位机中设置软件界面实现自定义事件连锁控制条件，还可以通过软件界面自定义设置设备的其它运行参数。

数字条件中，屏蔽字用来选定起作用的IO通道。

具体实施方式八：下面结合图7至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，本实施方式所述继电器连锁状态分三种类型：模拟输入量连锁控制状态、数字输入量连锁控制状态及模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态，

模拟输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的数字条件屏蔽字设为0；

数字输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的模拟条件上限设为+10V，下限设为-10V，界外界内设置选择界内；

模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态：按要求自定义模拟条件和数字条件；

上述继电器连锁状态设定完成后，对指定的事件进行使能，完成继电器连锁状态的参数设置。

模拟输入量连锁控制状态时，将连锁事件故障中的数字条件屏蔽字设为0，将16路数字输入全部屏蔽，模拟条件按要求自定义设置。

数字输入量连锁控制状态时，数字条件按要求自定义设置。因为设备模拟输入量程为-10V～+10V，因此模拟条件的上限设为+10V，下限设为-10V，同时选择“界内”时，模拟条件没有实际作用。

本发明通过数字信号处理器DSP完成对整体设备工作过程的控制。如图7所示，DSP内部程序可分为两部分：一部分是与上位机通讯部分，用于完成设备与上位机的连接，接受上位机的命令与参数，完成对设备进行自定义设置，同时可以向上位机传输信息，使上位机具备显示结果和监视事件的功能；另外一部是设备控制部分，用于完成初始化、复位、数据采集、进行连锁控制等功能。

本发明装置开始数据采集和控制工作后，在DSP的控制下进行模拟数据采集和数字量采集，并完成在设备上存储数据等功能。同时，DSP通过对数据采集结果与用户设定条件进行比较，判定是否进行连锁控制及其他操作。如图8所示。

使用本发明连锁控制功能时，首先需通过USB与上位机连接，通过上位机软面板自定义事件的模拟条件和数字条件，事件条件通过DSP软件程序存于DSP中。采集数据后，对数据采集结果进行判断，当数据采集结果不满足事件条件时，不进行连锁控制；当数据采集结果满足事件条件时，再判断此事件是否被使能，若事件被使能，按照事件要求进行连锁控制，如果事件未被使能，则事件不进行连锁控制。如图9所示。

Claims (4)

1.一种模拟数字信号采集与连锁控制装置，它用于采集外部设备(1)输出的信号，该外部设备(1)输出的信号包括模拟信号和数字信号，它包括模拟信号采集电路(3)、数字信号采集电路(4)、继电器单元(5)和数字信号处理器(6)，

模拟信号采集电路(3)提供32路模拟信号采集能力，用于采集外部设备(1)输出的模拟信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器(6)；

数字信号采集电路(4)提供16路数字信号采集能力，用于采集外部设备(1)输出的数字信号并对其进行处理后传送给数字信号处理器(6)；

数字信号处理器(6)根据接收的信号对外部设备(1)的当前状态进行判断，输出控制信号给继电器单元(5)，继电器单元(5)根据接收的控制信号通过最多8路继电器对外部设备(1)进行开关控制；

数字信号处理器(6)同时采集继电器单元(5)的继电器状态信号；

它还包括USB接口(7)和上位机(2)，

上位机(2)通过USB接口(7)与数字信号处理器(6)进行数据与命令信号的传输；

模拟信号采集电路(3)由模拟多路开关电路(3-1)、运算放大器(3-2)和AD转换电路(3-3)组成，

模拟多路开关电路(3-1)用于采集外部设备(1)输出的模拟信号并将多路模拟信号中的一路通过运算放大器(3-2)后，切换至AD转换电路(3-3)，AD转换电路(3-3)输出的数字信号传送给数字信号处理器(6)；

数字信号采集电路(4)由光电耦合器(4-1)和数字信号缓冲器(4-2)组成，

外部设备(1)输出的数字信号经光电耦合器(4-1)隔离后，再经数字信号缓冲器(4-2)传送给数字信号处理器(6)；

其特征在于，继电器单元(5)由锁存器(5-1)、驱动器(5-2)、多路继电器(5-3)和继电器状态信号缓冲器(5-4)组成，

多路继电器(5-3)包含最多8路继电器；

数字信号处理器(6)根据接收的信号对外部设备(1)的当前状态进行判断，输出控制信号经锁存器(5-1)和驱动器(5-2)后给多路继电器(5-3)，由多路继电器(5-3)对外部设备(1)进行开关控制；

继电器状态信号缓冲器(5-4)用于接收多路继电器(5-3)的继电器状态信号，并传递给数字信号处理器(6)。

2.根据权利要求1所述的模拟数字信号采集与连锁控制装置，其特征在于，上位机(2)用于通过数字信号处理器(6)完成对外部设备(1)状态的监控及连锁控制，并对采集的模拟信号和数字信号进行显示，所述对外部设备(1)状态的监控及连锁控制具体通过上位机(2)的以下模块实现：

模拟信号读入模块(2-1)、数字信号读入模块(2-2)、多路继电器控制模块(2-3)、模拟输入通道参数设置模块(2-4)、数字输入通道参数设置模块(2-5)、连锁报警参数设置模块(2-6)和事件监控及连锁控制模块(2-7)，

模拟信号读入模块(2-1)用于实现对数字信号处理器(6)中的模拟信号的读取；

数字信号读入模块(2-2)用于实现对数字信号处理器(6)中的数字信号的读取；

多路继电器控制模块(2-3)用于根据读取的模拟信号与数字信号对多路继电器(5-3)的状态进行控制，继而实现对外部设备(1)的控制；

模拟输入通道参数设置模块(2-4)用于实现对模拟信号输入通道参数的设置；

数字输入通道参数设置模块(2-5)用于实现对数字信号输入通道参数的设置；

连锁报警参数设置模块(2-6)用于实现在预设置连锁条件发生时，报警参数的设置；

事件监控及连锁控制模块(2-7)用于实现对外部设备(1)输出信号与继电器开关状态连锁事件的控制，它通过指示灯来指示外部设备(1)连锁事件故障的发生，并根据预设置的相应连锁事件故障标号获取当前连锁事件故障代码，再根据当前连锁事件故障代码确定外部设备(1)的信号传递故障通道。

3.根据权利要求2所述的模拟数字信号采集与连锁控制装置，其特征在于，事件监控及连锁控制模块(2-7)中最多预设置16个连锁事件故障，每个连锁事件故障中包括事件故障的模拟条件、数字条件及继电器连锁状态；其连锁事件故障代码为从0到15；

模拟条件具体为：通过通道设置实现模拟信号传递通道的设置，其通道号为0到31；通过上限设置来设定电压最大值；通过下限设置来设定电压最小值；通过界外界内设置来判定故障条件发生的方式；通过连锁事件故障代码设置故障事件标志；

数字条件具体为：通过屏蔽字设置数字信号的传递IO通道，0表示屏蔽，1表示选中，取值为0到FFFF；通过控制字规定选中IO通道的有效电平，0表示低电平，1表示高电平；通过逻辑关系设置选择逻辑，选择或逻辑时，读入的IO通道数据或继电器状态中有任意一个状态符合控制字规定，即表示连锁事件故障发生；选择与逻辑时，读入的IO通道数据和继电器状态均符合控制字规定，才表示故障事件发生；

继电器连锁状态用来设置继电器连锁事件控制条件，具体为：

通过连锁时继电器状态设置连锁事件故障发生后相应继电器状态，其高8位是屏蔽字，1表示连锁事件故障发生后继电器状态不变，0表示连锁事件故障发生后继电器状态改变；低8位是控制字，1表示继电器闭合，0表示继电器断开；

通过延迟时间设置连锁事件故障发生后继电器保持原状态的时间，经过延迟时间延迟后，相应继电器才进行相应动作；

通过使能状态设置继电器的连锁操作，使能状态有效时，相应的连锁事件进行连锁操作，否则，不进行连锁操作。

4.根据权利要求3所述的模拟数字信号采集与连锁控制装置，其特征在于，继电器连锁状态分三种类型：模拟输入量连锁控制状态、数字输入量连锁控制状态及模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态，

模拟输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的数字条件屏蔽字设为0；

数字输入量连锁控制状态时，连锁事件故障中的模拟条件上限设为+10V，下限设为-10V，界外界内设置选择界内；

模拟输入量与数字输入量同时连锁控制状态：按要求自定义模拟条件和数字条件；

上述继电器连锁状态设定完成后，对指定的事件进行使能，完成继电器连锁状态的参数设置。