CN106227105A - 分布式测量和采集控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式测量和采集控制系统，包括：上位机；依次连接的若干采集模块，用于将采集信号按照预设的通信协议发送至通信模块；通信模块，用于接收采集模块采集信号并以标准通信协议将其发送至上位机；采集模块为包含相同或不同传感器的采集模块，采集模块包括有若干个数的采集通道，上位机安装有上位机软件，上位机软件下发采集指令选择相应的采集模块及对应的采集通道采集模拟信号或数字信号，并接收通信模块发送的采集模块采集的信号。本发明中，采集模块的数量可以根据需要自由组装，利于工业数据采集并简化线路布局；通信模块将预设的通信协议转化为标准的通信协议，使上位机与采集模块之间的通信兼容性强。

Description

分布式测量和采集控制系统

技术领域

本发明涉及数据采集领域，特别是涉及一种分布式测量和采集控制系统。

背景技术

精密(微米级)机械零部件产品的自动化测量中，需要采集各种传感器参数，如气动传感器、电感式位移传感器、电流式传感器等。

常规的技术方案中，各种传感器参数是分别单独采集、传输，造成三个问题，一是同时需要某些参数时，无法及时获取；二是线路布局十分复杂，严重浪费成本；三，应用柔性差，无法兼容市面上各个厂家的产品。虽然有些技术方案对线路的布局进行了优化，但由于传感器参数无法直接传输至用户终端，因而无法及时有效地对传感器参数进行分析，严重影响对精密机械零部件产品的自动化测量。

发明内容

基于此，有必要提供一种分布式测量和采集控制系统，通用性强，线路布局简单，且可同时快速采集传感器数据。

一种分布式测量和采集控制系统，包括：

上位机；

依次连接的若干采集模块，用于将采集的模拟信号或数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块；

通信模块，用于接收所述采集模块采集的模拟信号或数字信号并以标准通信协议将其发送至上位机；

所述采集模块为包含相同或不同传感器的采集模块，所述采集模块包括有若干个数的采集通道，所述上位机安装有上位机软件，所述上位机软件下发采集指令选择相应的采集模块及对应的采集通道采集模拟信号或数字信号，并接收所述通信模块发送的所述采集模块采集的信号。

在其中一个实施例中，还包括控制模块，所述上位机软件根据接收所述通信模块发送的所述采集模块采集的信号判断工件是否合格，并在不合格时向所述控制模块下发对所述工件操作指令，所述控制模块根据所述操作指令对所述工件执行相应的指令动作。

在其中一个实施例中，所述采集模块生成有用于识别自身的识别编码，所述采集指令包含有识别所述采集模块的识别编码，所述上位机软件根据所述采集指令包含的所述识别编码选择相应的采集模块。

在其中一个实施例中，所述采集模块包括的若干个数的采集通道具有根据应用场景自动形成的通道编号，所述采集指令还包括根据应用场景匹配的用于选择相应采集通道的通道编号，所述上位机软件根据所述采集指令包括的通道编号选择相应的采集通道。

在其中一个实施例中，所述数据采集系统还包括用于为所述分布式测量和采集控制系统提供电源的外部电路模块，所述采集模块包括用于为所述采集模块提供电源的电源模块，所述电源模块之间依次串联连接并连接至所述外部电路模块。

在其中一个实施例中，所述采集模块、通信模块、外部电路模块均包括有外壳，所述外壳相对的两侧分别设置有连接端口，所述采集模块通过所述连接端口依次连接，所述采集模块、通信模块、外部电路模块通过所述连接端口连接。

在其中一个实施例中，所述连接端口为DB9接口。

在其中一个实施例中，所述外部电路模块的外壳内部包括：

变压器，用于将外部输入电压转换为适于所述电源模块的低电压；

与所述变压器连接的整流器，用于将所述变压器传输的交流电转换为直流电；

与所述整流器连接的滤波电路，用于对所述整流器转换的直流电进行过滤；

与所述滤波电路连接的稳压电路，用于输出稳定的电压至所述采集模块。

在其中一个实施例中，所述通信模块通过设置的UBS接口或RS232接口或网线口与上位机连接，或者无线连接所述上位机。

在其中一个实施例中，还包括：状态指示模块，用于显示所述分布式测量和采集控制系统的运行状态，并指示所述分布式测量和采集控制系统运行的是否正常。

在其中一个实施例中，还包括：环境监测模块，用于采集外部环境参数并发送至所述上位机；

其中，所述上位机将接收的所述外部环境参数传输至所述采集模块，所述采集模块根据所述外部环境参数校正所述采集模块采集的模拟信号或数字信号。

以上所述分布式测量和采集控制系统中，采集模块的数量可以根据需要自由组装，利于工业化应用上的工业数据采集；采集模块之间依次连接，采集的数据可通过采集模块组成的通信总线传输至上位机进行分析存储，相对于单独设置采集模块，可有效简化线路布局；采集模块采集的模拟信号或数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块，通信模块以标准的通信协议将其发送至上位机，标准的通信协议可以为USB通信协议、无线通信协议等，使上位机与采集模块之间的通信兼容性强。

附图说明

图1为一实施例的分布式测量和采集控制系统的结构示意图；

图2为另一实施例的分布式测量和采集控制系统的结构示意图；

图3为图1中采集模块的结构示意图；

图4为图1中处理模块的结构示意图；

图5为又一实施例的分布式测量和采集控制系统的结构示意图；

图6为又一实施例的分布式测量和采集控制系统的结构示意图；

图7为图5中外部电路模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一实施例的分布式测量和采集控制系统包括：

上位机；

依次连接的若干采集模块，用于将采集的模拟信号或数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块；

通信模块，用于接收所述采集模块采集的信号并以标准通信协议将其发送至上位机；

采集模块为包含相同或不同传感器的采集模块，所述采集模块包括有若干个数的采集通道，上位机安装有上位机软件，上位机软件下发采集指令选择相应的采集模块及对应的采集通道采集模拟信号或数字信号，并接收通信模块发送的所述采集模块采集的信号。

以上所述分布式测量和采集控制系统中，采集模块的数量可以根据需要自由组装，利于工业化应用上的工业数据采集；采集模块之间依次连接，采集的数据可通过采集模块组成的通信总线传输至上位机进行分析存储，相对于单独设置采集模块，可有效简化线路布局；采集模块采集的模拟信号或数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块，通信模块以标准的通信协议将其发送至上位机，标准的通信协议可以为USB通信协议、无线通信协议等，使上位机与采集模块之间的通信兼容性强。

本实施例中，采集模块可以根据应用进行布置，包括连接的个数等，采集模块采集的信号通常为工件的各种质量参数，通常需要对不合格的工件进行处理。本实施例中，分布式测量和采集控制系统还包括控制模块，上位机软件可以根据接收的通信模块发送的采集模块采集的信号判断工件是否合格，并在不合格时向控制模块下发对工件操作指令，控制模块根据操作指令对工件执行相应的指令动作。例如，控制模块可以是一种机械臂，将不合格的工件从流程上剔除。本实施例中，控制模块具有4路input和8路Output，通过上位机软件的操作指令，可以对4路input和8路Output进行控制，实现在非标自动化测量的控制需求。

可以知道的是，本实施例中，采集模块的数量并不是确定的，其可以根据实际工业应用中需要的个数进行设置。采集模块可以是相同的，也可以是不同的。每个采集模块生成有用于识别自身的识别编码，采集指令包含有识别采集模块的识别编码，上位机中的控制模块根据采集指令包含的识别编码选择相应的采集模块进入工作状态采集数据。

本实施例中，每个采集模块均具有若干个采集通道，如1，2，4，或8个等不同个数的采集通道，采集模块通过不同的采集通道可以采集相应的信号。为方便选择采集通道，采集模块包括的若干个数的采集通道均具有通道编号。对应的，采集模块包括的若干个数的采集通道具有根据应用场景自动形成的通道编号，采集指令还包括根据应用场景匹配的用于选择相应采集通道的通道编号，上位机软件根据采集指令包括的通道编号选择相应的采集通道。

具体的，当根据应用场景将采集模块接入相应的应用系统中时，为方便编号的形成，若应用场景中的应用接口具有编号，采集模块会自适应的生成与应用接口相匹配的采集通道的通道编号，通道编号也可以具有相应的大小顺序，如依次由大到小或由小到大生成通道编号。具体的，采集模块可以自动形成从1到N的顺序通道编号，以最靠近通信模块的采集模块中的通道编号为1，2，由近及远逐步增大。这样，在选择任意采集模块时，都可以以通信模块为基准，由1到N确认每一个采集通道的地址。

如图2所示，采集模块包括信号识别模块、传输模块、转换模块和处理模块。

信号识别模块用于识别输入的模拟信号或数字信号；

传输模块用于将信号识别模块识别的数字信号传输至处理模块；

转换模块用于将信号识别模块识别的模拟信号转换为数字信号；

处理模块用于接收传输模块传输的和转换模块转换后的数字信号，并将数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块。

可以知道的是，信号识别模块包括各种传感器采集电路，如电感式传感器、气压式传感器、电流式传感器、标准测量设备RS232串口输出的采集、标准量具digimatic数据输出采集、以及具备OPTO232或者BCD码数据输出的采集等。可以知道的是，本实施例中，由于采集模块之间依次连接，形成分布式连接状，在对于精密(微米级)机械零部件产品的自动化测量，采集模块可分别分布在不同的地方实现对传感器数据的同步快速采集。

对于信号识别模块采集的数字信号，可以直接传递给处理模块，但是，对于信号识别模块采集的模拟信号，会遇到由随机干扰引起的随机误差，导致在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会无规则的变化而无法预测。因此，需要进行滤波处理；滤波后的模拟信号由于信号较弱，需要进行放大处理。为此，如图3所示，通常采集模块还包括滤波模块和放大模块。滤波模块用于对信号识别模块识别的模拟信号进行滤波处理；放大模块用于对滤波模块进行滤波处理后的模拟信号进行放大处理；其中，转换模块还用于将放大模块进行放大处理后的模拟信号转换为对应的数字信号。一般克服随机干扰引起的误差，硬件上可以进行滤波，软件上可以采用软件滤波算法进行数字滤波。但硬件滤波需要硬件成本，还需要考虑阻抗匹配，因此，本实施例中，优先采用滤波算法进行滤波。滤波算法只是一个计算过程，无须硬件成本，可对随机信号和频率很低的模拟信号进行滤波，若要改变滤波特性，只需对应改变滤波算法即可。本实施例中，可采用的滤波算法包括限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

本实施例中，采集模块可基于STM32单片机实现，处理模块为STM32芯片。本实施例中，可以知道的是，由于采集模块可基于STM32单片机实现，处理模块为STM32芯片，因此，本实施例中可串联的连接的采集模块可达512个之多，每个采集模块可包含两个传感器，因此，本实施例的整个数据采集设备可设置多达1024个传感器。由此，本实施例的数据采集设备可广泛采集不同传感器数据，线路布局简单，且可同时采集和快速传输多路传感器数据。

可以知道的是，本实施例的转换模块为AD转换模块。为大幅度减少处理模块与上位机之间的路线布局且提高通信速度，处理模块与转换模块通过可与外部设备连接的SPI总线连接通信。SPI总线有三个寄存器，分别为：控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR和数据寄存器SPDR。上位机包括PC、网络控制器、和MCU等，因此，通过SPI总线可直接与各个厂家生产的多种上位机直接连接，SPI总线一般使用4条线：串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线NSS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)，这样可极大减小处理模块与上位机之间的路线布局且提高通信速度。

如图4所示，处理模块包括判断单元、生成单元、通信单元和发送单元。

判断单元用于判断数字信号是否有有效；

生成单元用于将判断单元判断出的有效数字信号生成为串联的数据包；

通信单元用于为生成单元生成的串联数据包加载预设的通信协议；

发送单元用于将生成单元生成的串联数据包按照通信单元加载的预设的通信协议发送至通信模块。

本实施例中，无效的数字信号不需要处理，因此，处理模块对数字信号的有效性进行判断。从本实施例的图2中可知，采集模块是通过处理模块依次通信连接形成数据总线，处理模块最终生成的数据如果想要通过数据总线传递至通信模块由上位机接收，为保证数据传递的安全性和一致性，可以通过生成单元将有效数字信号生成串联的数据包，于此同时，上位机还需要清楚地辨识出对应的哪个处理模块发送的数据包，因此，生成单元将有效数字信号生成串联的数据包的同时，可以生成处理模块的识别编号，发送单元将生成单元生成的串联数据包和识别编号共同发送至通信模块。

可以知道的是，当上位机软件下发采集指令后，上位机软件会根据采集指令选择相应的采集模块，采集模块中的处理模块接收到采集指令后，会识别相应的采集通道，并控制采集通道采集相应的信号。

本实施例中，当串联的数据包和识别编号在数据总线上传输时，为保证传输及发送至通信模块的安全性，预设的通信协议可以是自定义的某种通信协议，其可以具有一定的保密性或安全性。可以知道的是，其也可以采用常规的通信协议。发送单元可以按照通信单元加载的通信协议将生成单元生成的串联数据包发送至通信模块。本实施例中，生成单元还可以为串联数据包进行加密等，进一步保证安全性。可以知道的是，对串联数据包的各种安全性措施均在本实施例可实现的范围之内。

如图5所示，分布式测量和采集控制系统还包括用于为分布式测量和采集控制系统提供电源的外部电路模块，采集模块包括用于为采集模块提供电源的电源模块，电源模块之间依次串联连接并连接至外部电路模块。如图5中所示，整个分布式测量和采集控制系统只需要采用一个外部电路模块即可为所有的电源模块提供电源，有效方便了电路设计。

为方便连接，本实施例中，采集模块、通信模块、外部电路模块均包括有外壳，外壳相对的两侧分别设置有连接端口，采集模块通过连接端口依次连接，采集模块、通信模块、外部电路模块通过连接端口连接。连接端口为DB9接口。DB9接口具体可以定义为如下形式：1，DATA1；2，DATA2；3，5V电源；4，DATA3；5，GND；6，DATA4；7，STATUS运行状态指示灯；8，5V电源；9，GND。

由于采集模块、通信模块、外部电路模块的外部结构相同，均可以通过DB9接口进行连接，可方便采集模块之间的组装，及采集模块、通信模块、外部电路模块之间的连接，如图5中所示，方便外部电路模块与通信模块和采集模块之间的连接。

为指示整个分布式测量和采集控制系统是否正常，如图6所示，本实施例中，分布式测量和采集控制系统还设置有状态指示模块，用于指示分布式测量和采集控制系统运行的是否正常。本实施例中，状态指示模块可以为两个LED灯，一个用于指示电源是否正常，另一个用于指示整个分布式测量和采集控制系统的运行状态是否正常。具体的灯的颜色及闪烁形式可以自由设定。

本实施例的分布式测量和采集控制系统用于微米级的工作监测和测量，需要测量环境的温度和湿度。为此，如图6所示，分布式测量和采集控制系统还设置有环境监测模块，用于采集外部环境参数并发送至上位机；其中，上位机将接收的外部环境参数传输至采集模块，采集模块根据外部环境参数校正采集模块采集的模拟信号或数字信号。

本实施例中，通信模块、状态指示模块、环境监测模块均可以包含有单独的电源，为方便提供电源，本实施例中，通信模块、状态指示模块、环境监测模块与采集模块可以采用同样的电源模块连接至外部电路模块。由此，通过一个外部电路模块可以实现对整个分布式测量和采集控制系统供电，有效方便了整个电路路线的布局。

本实施例中，控制模块可基于STM32单片机实现，处理模块为STM32芯片。STM32单片机连接IO模块，每一个IO模块有4路input和8路Output，输入输出通过光耦隔离，分别连接STM32单片机的IO管脚。通过上位机软件下发控制指令实现对应IO口的逻辑输入输出。

本实施例中，每一个分布式的采集模块中的电源模块采用凌特公司高稳态LDO电源芯片，通过5V电压输入。本实施例中，每个采集模块的功耗可以保持在10mA左右，有效节省能源。

由于采集模块中的电源模块采用凌特公司高稳态LDO电源芯片，通过5V电压输入，因此，本实施例中，外部电路模块采用常规220V转5V的电路模块。具体的，如图7所示，外部电路模块包括变压器，用于将外部输入电压转换为适于电源模块的低电压；与变压器连接的整流器，用于将变压器传输的交流电转换为直流电；与整流器连接的滤波电路，用于对整流器转换的直流电进行过滤；与滤波电路连接的稳压电路，用于输出稳定的电压至采集模块。

本实施例中，通信模块通过设置的UBS接口或RS232接口或网线口与上位机连接，或者无线连接所述上位机。本实施例中，通信模块采用高度集成的低功耗MSP430F169单片机，采用3.3V直流电源供电。MSP430F169单片机可以外接无线模块，通过433Mhz实现工业无线通信。MSP430F169单片机还可以外接USB接口或通过自有的RS232接口与上位机通信。本实施例优选的是，通信模块在接收到采集模块按照预设的通信协议传输的模拟信号或数字信号时，可以转换为USB通信协议将其传递至上位机，也可以转换为标准的MODBUS通信协议和PROFIBUS通信协议传递至上位机。其中，为方便与采集模块连接，通信模块设置有与采集模块的DB9接口连接的端子。

本实施例中，环境监测模块可以为温湿度采集卡，主要采集温度与温度数据并传输至上位机，上位机将温度与湿度传输至所有的采集模块，采集模块根据温度与湿度校正采集的模拟信号或数字信号，从而保证采集的数据的准确性。其中，温湿度采集卡可以采用采用ARM+MAX31820的框架结构，MAX31820温湿度传感器负责温湿度采集，通过IO口的方式给到ARM处理器。MAX31820温湿度传感器提供9位至12位摄氏温度测量，在+10℃至+45℃温度范围下的精度为±0.5℃；在-55℃至+125℃整个工作温度范围内，精度为±2.0℃。ARM管脚丰富，计算速度块，可以采集温湿度数据，并同时发送至上位机进而传输至采集模块。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种分布式测量和采集控制系统，其特征在于，包括：

上位机；

依次连接的若干采集模块，用于将采集的模拟信号或数字信号按照预设的通信协议发送至通信模块；

通信模块，用于接收所述采集模块采集的信号并以标准通信协议将其发送至上位机；

所述采集模块为包含相同或不同传感器的采集模块，所述采集模块包括有若干个数的采集通道，所述上位机安装有上位机软件，所述上位机软件下发采集指令选择相应的采集模块及对应的采集通道采集模拟信号或数字信号，并接收所述通信模块发送的所述采集模块采集的信号。

2.根据权利要求1所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，还包括控制模块，所述上位机软件根据接收所述通信模块发送的所述采集模块采集的信号判断工件是否合格，并在不合格时向所述控制模块下发对所述工件操作指令，所述控制模块根据所述操作指令对所述工件执行相应的指令动作。

3.根据权利要求1所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述采集模块生成有用于识别自身的识别编码，所述采集指令包含有识别所述采集模块的识别编码，所述上位机软件根据所述采集指令包含的所述识别编码选择相应的采集模块。

4.根据权利要求3所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述采集模块包括的若干个数的采集通道具有根据应用场景自动形成的通道编号，所述采集指令还包括根据应用场景匹配的用于选择相应采集通道的通道编号，所述上位机软件根据所述采集指令包括的通道编号选择相应的采集通道。

5.根据权利要求1所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述分布式测量和采集控制系统还包括用于为所述分布式测量和采集控制系统提供电源的外部电路模块，所述采集模块包括用于为所述采集模块提供电源的电源模块，所述电源模块之间依次串联连接并连接至所述外部电路模块。

6.根据权利要求5所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述采集模块、通信模块、外部电路模块均包括有外壳，所述外壳相对的两侧分别设置有连接端口，所述采集模块通过所述连接端口依次连接，所述采集模块、通信模块、外部电路模块通过所述连接端口连接。

7.根据权利要求6所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述连接端口为DB9接口。

8.根据权利要求6所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述外部电路模块的外壳内部包括：

变压器，用于将外部输入电压转换为适于所述电源模块的低电压；

与所述变压器连接的整流器，用于将所述变压器传输的交流电转换为直流电；

与所述整流器连接的滤波电路，用于对所述整流器转换的直流电进行过滤；

与所述滤波电路连接的稳压电路，用于输出稳定的电压至所述采集模块。

9.根据权利要求7所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，所述通信模块通过设置的UBS接口或RS232接口或网线口与上位机连接，或者无线连接所述上位机。

10.根据权利要求1所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，还包括：

状态指示模块，用于显示所述分布式测量和采集控制系统的运行状态，并指示所述分布式测量和采集控制系统运行的是否正常。

11.根据权利要求1所述的分布式测量和采集控制系统，其特征在于，还包括：

环境监测模块，用于采集外部环境参数并发送至所述上位机；

其中，所述上位机软件将接收的所述外部环境参数传输至所述采集模块，所述采集模块根据所述外部环境参数校正所述采集模块采集的模拟信号或数字信号。