CN105137234A - 多通道直流模拟量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道直流模拟量检测装置，采用八通道模拟多路选择器配合高速线性光耦的组合方式实现多路4~20mA的直流模拟量的输入检测、测量功能，由主控MCU控制八通道模拟多路选择器来选择某一路直流模拟信号的导通，进而测量、采样该通道的电压值，再根据采样电阻的阻值计算出所输入的直流电流的大小，完成该路输入的直流电流4~20mA的检测，本发明采用74HC4051模拟多路选择器配合高速线性光耦的组合方式实现多路4~20mA的直流模拟量的输入检测功能，同时也保证了直流模拟量输入部分和主控板检测模块的电气安全和模拟量采样精确度，提高了设备抗干扰能力。

Description

多通道直流模拟量检测装置

技术领域：

本发明涉及一种检测装置，特别是涉及一种多通道直流模拟量检测装置。

背景技术：

随着电子技术的飞速发展，工业监控、检测技术应用的越来越广泛，相应的一些自动化监控、检测设备上都需要监测多路的环境信息，而一些环境传感探头变送器的输出模式采用的大部分是4~20mA的直流模拟量输出，所以这些监控设备上要支持不止一路4~20mA的直流模拟量接口，需要支持十几路甚至几十路的4~20mA直流模拟量的检测，所以如果每一路都采用独立的光耦隔离、运算放大电路等采样电路的话，这样线性光耦和运放集成电路要用很多，元器件成本会很高，而且布板的面积也会很大，也不利于安装。所以为了降低成本，本专利提出一种更实用、更简洁的多通道直流模拟量检测装置，能够轻松应对多路4~20mA直流模拟量的检测，降低开发和生产成本，提高工作效率，同时也提高了工业监控、环境检测的智能化水平。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用74HC4051模拟多路选择器配合高速线性光耦的组合方式实现多路4~20mA的直流模拟量的输入检测功能，同时也保证直流模拟量输入部分和主控板检测模块的电气安全和模拟量采样精确度，提高设备抗干扰能力的多通道直流模拟量检测装置。

本发明的技术方案是：一种多通道直流模拟量检测装置，所述多通道直流模拟量检测装置的硬件电路包括电流输入接口保护电路、供电电源接口电路、电流采样电路、八通道模拟多路选择电路、运放电路、线性光耦隔离电路、主控MCU接口电路、存储电路、电源电路、时钟电路、显示电路、主控电路、防浪涌保护电路，所述多通道直流模拟量检测装置的软件程序包括主控程序、通讯接口程序、测量程序、校准程序、存储程序、时钟读写程序、数字量输入程序、数字量输出程序、模拟量输入程序、模拟量输出程序、显示程序、掉电处理程序、光电转换程序。

4~20mA电流的输入接口电路，接入的模拟电流信号经过初级的接口保护后，就要进入电流采样电路，把电流信号通过高精度的采样电阻转换成电压信号。

八路直流模拟量输入电路，每一路都是采用相同原理的保护电路和采样电路，而后，这八路直流模拟量输入的电流信号由采样电阻转换成电压信号，而这些电压信号再分别连接到八通道模拟多路选择器/多路分配器74HC4051的八路输入通道上，然后通过主控板的MCU的I/O来控制74HC4051的八选一的通道选择，控制每一路分时导通，导通过来的电压信号通过运放电路和线性光耦隔离电路，传输到主控板的MCU，由MCU完成每一个通道的电压值采集功能。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用74HC4051模拟多路选择器配合高速线性光耦的组合方式实现多路4~20mA的直流模拟量的输入检测功能，同时也保证了直流模拟量输入部分和主控板检测模块的电气安全和模拟量采样精确度，提高了设备抗干扰能力。

2、本发明从功能上能够满足多路直流模拟量检测的功能，在电磁兼容设计方面采用了电气隔离、运算放大、防浪涌保护器件，提高了设备的抗干扰能力和测量精确度，同时又节约了产品的生产成本。

3、本发明与传统的技术相比节省了线性光耦和运放电路元器件，把运放电路和线性光耦隔离电路合8为1，实现了该部分电路的通道共享，大大减少了设备生产成本。

4、本发明所有和主控板的信号连接都是电气隔离的，包括控制八通道模拟多路选择器的片选信号，还有模拟电压信号都是通过光耦隔离，而且供电电源也是相互独立的，够提高对核心版的保护，提高了整个系统的可靠性。

附图说明：

图1为运放电路及线性光耦隔离电路电路图。

图2为八通道模拟多路选择电路电路图。

图3为电流输入接口保护电路部分电路图。

图4为电流采样电路电路图。

图5为供电电源接口电路电路图。

图6为主控MCU的接口电路电路图。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6。

多通道直流模拟量检测装置，多通道直流模拟量检测装置的硬件电路包括电流输入接口保护电路、供电电源接口电路、电流采样电路、八通道模拟多路选择电路、运放电路、线性光耦隔离电路、主控MCU接口电路、存储电路、电源电路、时钟电路、显示电路、主控电路、防浪涌保护电路。

多通道直流模拟量检测装置的软件程序包括主控程序、通讯接口程序、测量程序、校准程序、存储程序、时钟读写程序、数字量输入程序、数字量输出程序、模拟量输入程序、模拟量输出程序、显示程序、掉电处理程序、光电转换程序。

插座J1接入1~8路4~20mA直流模拟量电路，经过每一路上的接口保护和抗干扰电路进行自恢复熔丝和防静电、防浪涌保护，然后采样电路，把每一路4~20mA直流电流信号通过采样电阻转换成0.4V-2V的直流模拟电压信号，每一路的电压信号接到模拟多路选择器74HC4051（U26）的8个输入通道上来实现对八路模拟电压输入的8到1的切换，由主控MCU接口电路过来的信号CS_A、CS_B和CS_C分时切换某一通道，模拟量检测电路在这里实现了八合一的功能，8路信号归为单路信号，信号经过采用运算放大集成电路U1（MCP604）以及U3（MCP601）配合高速精密线性模拟光电耦合器U2（HCNR200）组成的电气隔离电路，信号进入U3（MCP601）后电压信号通过接插件J2接到了主控板的MCU，通过MCU内的嵌入式程序控制实现模拟量的采集。

供电电源接口电路：电源采用由外部供给12V直流电源输入,然后通过LM2596开关电源模块转变为DC5V，给该装置独立供电，完成和主控板的电源隔离；

电流输入接口保护电路：4~20mA电流输入接口的每一路主要有自恢复熔丝PPTC/50mA和TVS管P6SMB6.八CA以及信号线上的保护二极管1N414八组成，起到一个对接口电路的防冲击保护作用，防止接入的电流、电压过大，损坏后级元器件；

电流采样电路：本部分设计采用100欧的1%精度的1/4W电阻作为采样电阻，把电流信号转换成电压信号，4~20mA电流对应电压值0.4~2伏；

八通道模拟多路选择电路：利用74HC4051模拟多路选择器来实现对八路模拟电压输入的八选一的转换，分时切换电压信号的某一通道，74HC4051是一款高速CMOS器件，引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列，它带有3个数字选择端（S0至S2），1个低有效使能端（E），八个独立输入/输出端（Y0至Y7）和1个公共输入/输出端（Z），通过主控板的MCU来控制3个数字选择端（S0至S2）来使某一路导通，也就是八选1的功能，这样某一路模拟电压信号就被MCU的ADC转换引脚通过程序采样，采集到实时电压值；

运放电路及线性光耦隔离电路：采用运算放大集成电路配合HCNR200高速线性模拟光电耦合器以及外围电阻、电容对模拟电压信号和主控板之间进行电气隔离，线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈，这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的；

主控MCU的接口电路：与主控板的接口部分主要是把控制74HC4051的数字信号和所要采样的模拟电压信号和主控板连接过来，主控板提供的DC3.3V电源时用于光耦隔离所用；

运放电路：能对信号进行数学运算的放大电路；

存储电路：存储所需的各种信息；

电源电路：负责各个电路的能源供给；

时钟电路：提供存储信息时所需的时间；

显示电路：负责显示电参量、运行情况、状态指示等；

防浪涌保护电路：当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

主控程序：负责监控和调用各个功能程序，完成本发明的所有功能；

通讯接口程序：负责对通讯电路的操作，完成各种信息的收发功能；

测量程序：负责完成各种电参量的测量和计算；

校准程序：通过通讯网络对所测量的电参量进行校准；

存储程序：负责对存储电路进行操作，读取和存储各种信息参数；

时钟读写程序：负责对时钟电路的操作，实现对日期和时间的读取、更改；

数字量输入程序：负责对数字输入电路的操作，实现输入数字量的识别、处理和显示；

数字量输出程序：负责对数字输出电路的操作，对所需监测的电参量超限进行报警输出；

模拟量输入程序：负责对模拟输入电路的操作，实现对外部模拟量的测量和显示；

模拟量输出程序：负责对模拟输出的操作，按照设置实现对被选电参量的变送输出；

显示程序：负责显示各种电参量、运行状态、参数设置等信息；

掉电处理程序：对处理的数据进行实时储存，掉电后进行报警提示，并对电路进行自检；

光电转换程序：负责光电隔离的安全运行。

使用时，首先，通过插座J1接入1~8路4~20mA直流模拟量电路，经过每一路上的接口保护和抗干扰电路：包括自恢复熔丝和防静电、防浪涌的TVS管和双1N4148以及贴片电容，然后电流采样电路，把每一路4~20mA直流电流信号通过100欧姆的采样电阻转换成0.4V-2V的直流模拟电压信号，每一路的电压信号最后都要接到模拟多路选择器74HC4051的八个输入通道上来实现对八路模拟电压输入的八到一的切换，由主控MCU过来的信号CS_A、CS_B和CS_C分时切换某一通道，八通道模拟多路选择电路在这里实现了八合一的功能，八路信号归为单路信号，合成的单路信号经过MCP601后，通过接插件J2接到了主控MCU，通过MCU内的嵌入式程序控制实现模拟量的采集。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种多通道直流模拟量检测装置，其特征是：所述多通道直流模拟量检测装置的硬件电路包括电流输入接口保护电路、供电电源接口电路、电流采样电路、八通道模拟多路选择电路、运放电路、线性光耦隔离电路、主控MCU接口电路、存储电路、电源电路、时钟电路、显示电路、主控电路、防浪涌保护电路，所述多通道直流模拟量检测装置的软件程序包括主控程序、通讯接口程序、测量程序、校准程序、存储程序、时钟读写程序、数字量输入程序、数字量输出程序、模拟量输入程序、模拟量输出程序、显示程序、掉电处理程序、光电转换程序。