CN104697583B - 可分离式工程安全监测数据采集器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可分离式工程安全监测数据采集器及方法，数据采集器包括CPU、6路光电隔离器、通信接口、ADC、可编程仪表放大器、模拟电子开关、脉冲信号放大整形电路、脉冲信号选择器、内部激励源、内部激励源选择开关、内外激励选择、传感器输入的多路通道和相应的继电器输入多路开关；CPU与6路光电隔离器、通信接口、继电器输入多路开关分别连接，继电器输入多路开关连接通道。将可分离式工程安全监测数据采集器和采集处理仪集成设置或分布设置，利用可分离式工程安全监测数据采集器对被测信号进行采集。本发明具备较高的易用性、可靠性、安全性。

Description

可分离式工程安全监测数据采集器

技术领域

本发明涉及工程安全动态监测技术领域，特别涉及一种可分离式工程安全监测数据采集器及相应的工程安全监测数据采集方法。

背景技术

为了对水利工程边坡、堤防进行渗流、位移、变形等进行动态检测，目前水利检测通常采用工程安全动态监测系统。但是，已有监测系统所采用的数据采集模块内置于监测基站内部，这就需要对每个点的监测传感器引线，布置困难，隐患较多，同时造成电缆等成本浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点和不足，设计了可分离式工程安全监测数据采集器，根据需要可以集成式使用或分离式使用。

本发明所采用的技术方案包括一种可分离式工程安全监测数据采集器，包括CPU、6路光电隔离器、通信接口、ADC、可编程仪表放大器、模拟电子开关、脉冲信号放大整形电路、脉冲信号选择器、内部激励源、内部激励源选择开关、内外激励选择、传感器输入的多路通道和相应的继电器输入多路开关；所述6路光电隔离器分别记为第一光电隔离器、第二光电隔离器、第三光电隔离器、第四光电隔离器、第五光电隔离器和第六光电隔离器，CPU与6路光电隔离器、通信接口、继电器输入多路开关分别连接，继电器输入多路开关相应连接多路通道；

第一光电隔离器经ADC连接可编程仪表放大器的输出端，第二光电隔离器连接可编程仪表放大器的控制端，可编程仪表放大器的输入端连接模拟电子开关的输出端，第三光电隔离器连接模拟电子开关的控制端，模拟电子开关的输入端连接继电器输入多路开关；

第五光电隔离器连接脉冲信号选择器的控制端，脉冲信号选择器的输出端连接脉冲信号放大整形电路的输入端，脉冲信号放大整形电路的输出端连接第四光电隔离器，脉冲信号选择器的输入端连接继电器输入多路开关；

内部激励源的输出连接内部激励源选择开关，第六光电隔离器连接内部激励源选择开关，内部激励源选择开关连接内外激励选择的一个触点，外部激励输入连接内外激励选择的另一个触点，内外激励选择连接继电器输入多路开关。

而且，所述多路通道包括五个通道，每个通道由四个接线端子组成，通过接线端子与传感器连接。

本发明还提供一种根据上述可分离式工程安全监测数据采集器实现的工程安全监测数据采集方法，将可分离式工程安全监测数据采集器集成设置或分布设置，集成设置时，可分离式工程安全监测数据采集器和设于监测基站的采集处理仪集成，分布设置时，将可分离式工程安全监测数据采集器作为采集模块设置在现场的传感器附近时，采集模块远距离连接采集处理仪；

可分离式工程安全监测数据采集器中任一通道的传感器信号采集过程如下，

当某一通道的传感器被采集时，CPU对继电器输入多路开关发出控制信号，使该通道的传感器通过继电器输入多路开关切换接入，而其他通道被断开；

CPU根据被测通道的信号类型发出相应的控制信号，经过第六光电隔离器的耦合传输，通过内部激励源选择开关和内外激励选择启动或关闭相应的内部或外部激励源，内部或外部激励源施加到传感器上后，传感器输出电信号响应，传感器的电信号响应输出包括信号类型Ⅰ和Ⅱ，信号类型Ⅰ为模拟电压或电流信号，信号类型Ⅱ为脉冲信号，

信号类型Ⅰ的处理过程为，CPU发出控制信号通过第三光电隔离器的耦合传输，切换模拟电子开关产生与传感器相应的输出，模拟电子开关的输出信号进入可编程仪表放大器；然后CPU发出控制信号经第二光电隔离器的耦合传输去控制可编程仪表放大器的信号增益，使可编程仪表放大器的输出信号与ADC的测量范围匹配；接着CPU发出控制信号经第一光电隔离器的耦合传输去控制ADC的采样，ADC采样完成后CPU通过第一光电隔离器去读取ADC的采样结果，CPU对采样结果进行数字滤波，并根据传感器的特性进行量程变换，然后将量程变换值进行存储；

信号类型Ⅱ的处理过程为，CPU发出控制信号通过第五光电隔离器的耦合传输，控制脉冲信号选择器的切换，则传感器的输出信号进入脉冲信号放大、整形电路模块，整形后的信号经第四光电隔离器的传输进入CPU，CPU再对该信号进行计数以计算振弦传感器或雨量计的输出频率，然后对该输出频率进行存储；

当采集处理仪通过通信接口访问可分离式工程安全监测数据采集器时，可分离式工程安全监测数据采集器将测量数据传输给采集处理仪。

本发明基于对市场已有监测系统的研究以及工程问题需要，提供了一种方便、经济、多功能的适用于水利工程堤防、岸坡实时动态监测预警的数据采集器，本发明所提供可分离式 工程安全监测数据采集器电路结构设计合理，提供光电隔离下的信号采集、支持多种类型传感器的接口、可以切换内外激励源，能够作为数据采集模块用于集成或分离布置，解决监测点分散情况下传输电缆布置复杂、信号衰减等问题，为水利工程管理、险情预报提供技术支撑。使用本发明所提供可分离式工程安全监测数据采集器时，对于监测点较少、分布密集的监测系统，可将数据采集器集成于监测系统处理终端内，安装方便；对于监测点较多、较为分散的监测系统，可将数据采集器分散布置于各个较为集中的区域，将采集的数据通过电缆统一传输到监测系统处理终端，可以节省传输电缆，避免传输信号在采集之前衰减，保障数据采集的准确有效性。实施时可以根据需要灵活进行集中布置和分散布置，其中分散布置方案为本发明首次提出，具体优点如下：

1)有效解决了信号衰减和干扰问题。数据采集器可就近布置于监测传感器端，将采集的数据传输到监测系统处理终端，避免了监测数据在采集之前的衰减和相互干扰问题。

2)节省成本。采用分离式工程安全监测数据采集器，减少了每个传感器与数据采集模块之间的电缆长度。数据采集模块统一将数据传输到数据处理模块即可，有效的降低了成本。

本发明所提供技术方案具备较高的易用性、可靠性、安全性，适于推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的集成设置示意图。

图3为本发明实施例的分布设置示意图。

图4为本发明实施例的通道结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

本发明提供的可分离式工程安全监测数据采集器可简称数据采集器，具体使用时可根据具体需要布置多个，作为采集模块向监测系统处理终端提供采集结果。监测系统处理终端可以为远程的上位机，也可以为监测单元。具体实施时，监测单元可采用与本发明所提供的数据采集器配设的采集处理仪，采集处理仪包括嵌入式CPU、外设接口、显示屏、信息输出端口，外接接口包括采集模块接口，提供方便操作的人机界面。

参见图1，实施例提供的数据采集器包括CPU、6路光电隔离器、通信接口、ADC、可编程仪表放大器、模拟电子开关、脉冲信号放大整形电路(脉冲信号包括振弦信号或其他脉冲信号，图1中标识为“振弦、脉冲放大、整形”)、脉冲信号选择器(图1中标识为“振弦、 脉冲信号输入选择器”)、内部激励源、内部激励源选择开关、内外激励选择、传感器输入的多路通道和相应的继电器输入多路开关。所述6路光电隔离器为第一光电隔离器、第二光电隔离器、第三光电隔离器、第四光电隔离器、第五光电隔离器和第六光电隔离器，图中分别记为光电隔离器1、光电隔离器2、光电隔离器3、光电隔离器4、光电隔离器5和光电隔离器6。CPU与6路光电隔离器、通信接口、继电器输入多路开关分别连接，继电器输入多路开关连接通道；

第一光电隔离器经ADC连接可编程仪表放大器的输出端，第二光电隔离器连接可编程仪表放大器的控制端，可编程仪表放大器的输入端连接模拟电子开关的输出端，第三光电隔离器连接模拟电子开关的控制端，模拟电子开关的输入端连接继电器输入多路开关；

第五光电隔离器连接脉冲信号选择器的控制端，脉冲信号选择器的输出端连接脉冲信号放大整形电路的输入端，脉冲信号放大整形电路的输出端连接第四光电隔离器，脉冲信号选择器的输入端连接继电器输入多路开关；

内部激励源的输出连接内部激励源选择开关，第六光电隔离器连接内部激励源选择开关，内部激励源选择开关连接内外激励选择的一个触点，外部激励输入连接内外激励选择的另一个触点，内外激励选择连接继电器输入多路开关。

各部分分别可采用现有芯片或电路，例如数据采集器的CPU可采用ΜP，即小型工业嵌入CPU，通信单元采用RS485接口，内外激励选择可采用继电器。ADC是指模数转换电路，建议采用24位高精度模数转换器。

继电器输入多路开关包括和通道相应的继电器，本发明实施例提供的数据采集器具有五个输入通道，标记为通道1、通道2…通道5，每个输入通道由四个接线端子组成，则继电器输入多路开关包括20个继电器。通过这四个端子的不同组合，最多可同时输入3个模拟量信号，也可以输入脉冲量信号。因此每个数据采集器可同时接15路模拟量传感器信号。数据采集器依据设置好的采样周期对传感器信号进行逐一采集，数据采集完成后打包发送给采集处理仪，采集处理仪可将采集数据现场显示、初步分析、存储、远程传输。可以当要求的采样时间到达后立即对传感器信号进行高速采样，采样完成后转入休眠状态。有效降低能量消耗，延长使用时间。

具体实施时，数据采集器的传感器接口采用线槽分类布线，避免干扰，采集处理仪接口的硬件采用RS485串行通讯接口，通讯协议采用标准Modbus RTU，兼容性强，通讯效率高，多个数据采集器可接入一个采集处理仪。

本发明提供的数据采集器作为监测基站监测下的数据采集模块使用时，采集处理仪与各个数据采集模块之间采用RS485进行通讯，通信连接既可采用集中式连接方式，也可采用分离式连接方式。采用分离式连接方式时，用一根普通屏蔽双色双绞线，即可实现分离距离最多达1000m。在实际监测工程中，由于各种传感器对信号电缆的长度和种类都有比较严格的要求，当监测点比较分散时，现有技术中由于传感器距采集仪之间的布线距离过长，既使信号有不同程度的衰减，从而影响测量精度，同时传感器的耗线量大大增加(每个传感器与采集仪之间都需要布设一根专用电缆，且相对普通电缆来说，这种专用电缆都比较昂贵)，布线工作量也会相应增加。而本发明支持采用分离式连接，这些问题都可迎刃而解。各分离模块与采集仪之间采用数字通讯，不存在信号衰减的问题，所有模块与采集仪之间只需要一根双绞线连接，布线简单，费用大大减少。

本发明实施例所涉及的激励是指采集器在采集传感器数据时需要加到传感器上的激励源：

外部激励是由外部提供的激励源，一些非通用特殊的传感器需要激励时就由外部激励源提供传感器激励。采集器是根据预先的设置信息而打开或关闭外部激励源。外部激励源主要有：

1、直流电压源，如直流5--28V；

2、直流电流源，如0.2mA—10mA

EXT*--外部激励源输出端

EXT#--外部激励源输出返回端

AGND—采集器的内部模拟电路地

内部激励源是由采集器内部提供的激励源，可以针对通用传感器的类型预先集成相应激励源电路，当外接传感器是一些非通用型时就需要根据具体情况采用外部激励源。采集器是根据预先的设置信息而打开或关闭内部激励源。内部激励源主要有：

1、直流电压源，如直流4V，12V，24V；

2、直流电流源，如0.2mA，1mA

3、高压脉冲源

本发明实施例所涉及的通道是指采集器与传感器连接的基本单元结构。参见图4，每个通道的四个端子分别标记为*、﹢、﹣、#，分别表示传感器激励、传感器信号输出+、传感器信号输出-，传感器激励返回。内外激励选择连接每个通道中端子*相应的继电器。具体实施时，对于不同的传感器，有不同的接线方式，举例如下：

对于电流信号(如水位计)，有单端输入，即连接端子*、﹢、﹣之一和#，也有共享输入，即连接端子*和#，或者连接端子﹢和﹣。

对于电压信号(如测斜仪等)，有单端输入，即连接端子*、﹢、﹣之一和#，也有差分输入，即连接端子*和#，或者连接端子﹢和﹣。

对于频率信号(如渗压计、土压力计)，连接端子*、﹢、﹣之一和#。对于电阻信号(二线、三线或四线电阻，如铂热电阻、热敏电阻、普通电阻信号等)，二线电阻是连接端子*、﹢、﹣之一和#，三线电阻(如三线Pt100,Pt1000等)是连接端子*、﹢、﹣一起，四线电阻(如精密四线Pt100,Pt1000等)是连接端子*、﹢、﹣和#一起。

对于脉冲信号(如雨量计)是连接脉冲信号(如雨量计)端子﹢和﹣。

实施例的可分离式数据采集器有5个输入通道，每个输入通道均由标记为“*+-#”四个接线端子组成，每一个接线端子都经由继电器输入多路开关的触点切换(如图1的继电器输入多路开关中相应继电器)，数据采集器上电后开始工作，当预先设定的信号采集时间到时，数据采集器根据预先设置的通道信号配置情况自动地对被测信号进行采集，下面以某一通道的传感器信号采集为例来说明工作过程，其他通道的工作方式相同。

1、首先当某一输入通道的传感器被采集时，数据采集器的CPU对图1的继电器输入多路开关发出控制信号，使该通道的传感器通过继电器输入多路开关切换接入数据采集器，而剩余的其他四个通道的所有输入被断开，因此它们与被采集的信号通道完全隔离，这样可有效地克服其他通道所接的传感器带来的噪声。

2、CPU根据被测通道的信号类型发出相应的控制信号，经过图1的第六光电隔离器的耦合传输，通过内部激励源选择开关和内外激励选择启动或关闭相应的内部或外部激励源，内部或外部的激励源施加到传感器上后，传感器便输出一个电信号响应。

3、传感器的电信号响应输出主要有两种类型：Ⅰ.模拟电压或电流信号(如温度、压力等传感器)，Ⅱ.脉冲信号(如振弦传感器信号、雨量计信号)。这两种输出信号类型的信号处理是不同的。

信号类型Ⅰ的处理过程：CPU发出控制信号通过图1的第三光电隔离器的耦合传输，切换图1的多路模拟电子开关产生与传感器相应的输出，通过模拟电子开关将被选择通道的传感器输出的模拟信号切换至仪表放大器进行放大处理；多路模拟电子开关的输出信号进入图1中的可编程仪表放大器，然后CPU发出控制信号经图1的第二光电隔离器的耦合传输去控 制可编程仪表放大器的信号增益，使可编程仪表放大器的输出信号与后续的ADC的测量范围匹配，这样可最大限度的利用ADC的测量分辨率以提高测量精度，被测信号经放大处理后进入ADC，接着CPU发出控制信号经图1的第一光电隔离器的耦合传输去控制ADC的采样，ADC采样完成后CPU仍通过第一光电隔离器去读取图1的ADC的采样结果，CPU对这些采样结果进行数字滤波，并根据传感器的特性进行量程变换，然后将量程变换值进行存储。具体实施时，可选用抗共模干扰能力强的可编程仪表放大器。

信号类型Ⅱ的处理过程：CPU发出控制信号通过图1的第五光电隔离器的耦合传输，控制图1的脉冲信号选择器的切换，则传感器的输出信号就进入图1的脉冲信号放大、整形电路模块进行放大和整形，整形后的信号经过图1的第四光电隔离器的传输进入CPU，CPU再对该信号进行计数以计算振弦传感器或雨量计的输出频率，然后对该计算值进行存储。具体实施时，脉冲信号放大整形电路可根据具体需要支持的传感器信号设置相应处理电路，例如包括一路振弦信号处理电路和一路脉冲信号处理电路，当本次采集的信号是振弦信号时，通过脉冲信号选择器将此输入信号切换至振弦信号处理电路进行放大和整形；如果本次采集的信号是其他脉冲信号，通过脉冲信号选择器将脉冲信号切至脉冲信号处理电路进行放大和整形。

当采集处理仪通过图1的RS485访问数据采集器时，数据采集器便将测量数据传输给采集处理仪。

为实现工作，一般需要提供DC/DC(电源模块)，具体实施时可采用外购标准输出模块，由于采集器内部的集成芯片的工作电压不尽相同，因此需要将外部提供的电源进行转换，以提供集成芯片的合适工作电压，为提高电源的效率故而采用DC/DC的开关电源模块。实施例中共有3个DC/DC分别记为电源模块1、电源模块2、电源模块3，各DC/DC的输出去向参见图1，电源模块1供CPU、RS485及第一光电隔离器、2、3、4、5、6，电源模块2供模拟电子开关、可编程仪表放大器、ADC及光电隔离器副边，并作为电压基准提供4V激励电压源，电源模块3提供12V、24V激励电压源。

本发明实施例的数据采集器除了测量功能外也能接收采集处理仪或远程服务器发出的设置数据。因此数据采集器具有与采集处理仪或远程服务器之间的双向通讯功能，这样远程服务器、采集处理仪和数据采集器之间就能实现信息数据的交换，避免了目前市面上的类似产品因需要操作人员到设备安装现场去拷贝测量或设置数据的费时费力的缺点，因此可分离式数据采集器具有测量准确、高效和信息共享的优点。由于水利工程的监控目标通常涉及地 域范围大，可以分区域布设作为监控单元的现场基站，本领域通常称为“自动测量单元”，基站处设置采集处理仪，一个区域内有多个测点，每个测点有相应数据采集器，某区域的所有测点的数据采集器上传传感器数据到该区域的采集处理仪，所有采集处理仪将各自从相连的数据采集器获取的数据上传到远程上位机集中管理。

参见图2，针对监测传感器布置较为集中、监测断面距离较近的工况，一般是就近设置一个监控单元，可将本发明所提供数据采集器内置于监测单元的机箱内部，将监测传感器引线至监测单元，完成监测工作。如图中，断面一和断面二都距离监测单元较近，断面一处设置的15个监测传感器连接一个数据采集器(图中标识为数据采集模块1)，断面二处设置的15个监测传感器连接另一个数据采集器(图中标识为数据采集模块2)，两个数据采集器都集成设置在监测单元处，可以和监测单元处的采集处理仪放置在一个机箱内。

参见图3，针对监测传感器布置较为分散或监测断面距离较远(例如≥4 0m)的工况，一般是综合考虑各监测传感器布设位置设置一个监控单元，可采用分离布置方式，将本发明所提供数据采集器就近布置于监测传感器附近，通过RS485数据线与监测单元(基站)相连接，实现数据采集和工程监测。如图中，断面一和断面二都距离监测单元较远，断面一处设置的15个监测传感器连接一个数据采集器(图中标识为数据采集模块1)，该数据采集器设置于断面一附近(测点1)，断面二处设置的15个监测传感器连接另一个数据采集器(图中标识为数据采集模块2)，该数据采集器设置于断面二附近(测点2)，两个数据采集器采用双绞线连接至监测单元处。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可分离式工程安全监测数据采集器，其特征在于：包括CPU、6路光电隔离器、通信接口、ADC、可编程仪表放大器、模拟电子开关、脉冲信号放大整形电路、脉冲信号选择器、内部激励源、内部激励源选择开关、内外激励选择、传感器输入的多路通道和相应的继电器输入多路开关；所述6路光电隔离器分别记为第一光电隔离器、第二光电隔离器、第三光电隔离器、第四光电隔离器、第五光电隔离器和第六光电隔离器，CPU与6路光电隔离器、通信接口、继电器输入多路开关分别连接，继电器输入多路开关相应连接多路通道；

第一光电隔离器经ADC连接可编程仪表放大器的输出端，第二光电隔离器连接可编程仪表放大器的控制端，可编程仪表放大器的输入端连接模拟电子开关的输出端，第三光电隔离器连接模拟电子开关的控制端，模拟电子开关的输入端连接继电器输入多路开关；

第五光电隔离器连接脉冲信号选择器的控制端，脉冲信号选择器的输出端连接脉冲信号放大整形电路的输入端，脉冲信号放大整形电路的输出端连接第四光电隔离器，脉冲信号选择器的输入端连接继电器输入多路开关；

内部激励源的输出连接内部激励源选择开关，第六光电隔离器连接内部激励源选择开关，内部激励源选择开关连接内外激励选择的一个触点，外部激励输入连接内外激励选择的另一个触点，内外激励选择连接继电器输入多路开关；

将可分离式工程安全监测数据采集器集成设置或分布设置，集成设置时，可分离式工程安全监测数据采集器和设于监测基站的采集处理仪集成，分布设置时，将可分离式工程安全监测数据采集器作为采集模块设置在现场的传感器附近时，采集模块远距离连接采集处理仪；

可分离式工程安全监测数据采集器中任一通道的传感器信号采集过程如下，

当某一通道的传感器被采集时，CPU对继电器输入多路开关发出控制信号，使该通道的传感器通过继电器输入多路开关切换接入，而其他通道被断开；

CPU根据被测通道的信号类型发出相应的控制信号，经过第六光电隔离器的耦合传输，通过内部激励源选择开关和内外激励选择启动或关闭相应的内部或外部激励源，内部或外部激励源施加到传感器上后，传感器输出电信号响应，传感器的电信号响应输出包括信号类型Ⅰ和Ⅱ，信号类型Ⅰ为模拟电压或电流信号，信号类型Ⅱ为脉冲信号，

信号类型Ⅰ的处理过程为，CPU发出控制信号通过第三光电隔离器的耦合传输，切换模拟电子开关产生与传感器相应的输出，模拟电子开关的输出信号进入可编程仪表放大器；然后CPU发出控制信号经第二光电隔离器的耦合传输去控制可编程仪表放大器的信号增益，使可编程仪表放大器的输出信号与ADC的测量范围匹配；接着CPU发出控制信号经第一光电隔离器的耦合传输去控制ADC的采样，ADC采样完成后CPU通过第一光电隔离器去读取ADC的采样结果，CPU对采样结果进行数字滤波，并根据传感器的特性进行量程变换，然后将量程变换值进行存储；

信号类型Ⅱ的处理过程为，CPU发出控制信号通过第五光电隔离器的耦合传输，控制脉冲信号选择器的切换，则传感器的输出信号进入脉冲信号放大、整形电路模块，整形后的信号经第四光电隔离器的传输进入CPU，CPU再对该信号进行计数以计算振弦传感器或雨量计的输出频率，然后对该输出频率进行存储；

当采集处理仪通过通信接口访问可分离式工程安全监测数据采集器时，可分离式工程安全监测数据采集器将测量数据传输给采集处理仪。

2.根据权利要求1所述可分离式工程安全监测数据采集器，其特征在于：所述多路通道包括五个通道，每个通道由四个接线端子组成，通过接线端子与传感器连接。