CN109164787A - 一种模拟量信号采集装置 - Google Patents

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李蒙
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Abstract

本发明公开了一种模拟量信号采集装置，包括本板电流采集器和对板电流采集器，还包括与本板电流采集器相连的本板采样电阻和与对板电流采集器相连的对板采样电阻，本板采样电阻，用于与本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；对板采样电阻，用于与对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。应用本发明实施例所提供的技术方案，可以对过程控制中模拟量信号做到彻底的冗余采集，较大地提升了采集目标模拟量信号的可靠性。

Description

一种模拟量信号采集装置
技术领域
本发明涉及工业采集设备技术领域，特别是涉及一种模拟量信号采集装置。
背景技术
目前市场上DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)对于模拟量信号普遍采用两个电流采集器并联且共用一个采样电阻的采集方式，两个电流采集器均与该采样电阻串联，把电流信号转换成电压信号，在从电压信号中解析出需要的模拟量信号。由于外部信号的接入，有时会产生叠加浪涌、静电冲击等过压过流情况，造成采样电阻的损伤，采样电阻失效后两个装置将面临均无法正确采集模拟量信号的风险，所以这种方式对于过程控制中模拟量信号不能做到彻底的冗余采集，采集模拟量信号的可靠性低。
综上所述，如何有效地解决对于过程控制中模拟量信号不能做到彻底的冗余采集问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种模拟量信号采集装置，包括本板电流采集器和对板电流采集器，还包括与所述本板电流采集器相连的本板采样电阻和与所述对板电流采集器相连的对板采样电阻，其中：
所述本板采样电阻，用于与所述本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从所述本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；
所述对板采样电阻，用于与所述对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从所述对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
逻辑运算电路，用于检测本板和对板的心跳信号及本板系统电源和对板系统电源的通断电状态；根据心跳信号检测结果和通断电状态检测结果，分析所述本板和所述对板的主从状态；
其中，所述本板的主从状态与所述对板的主从状态相反。
在本发明的一种具体实施方式中，所述本板电流采集器包括本板光耦，用于在所述本板系统电源通电时，进行电压转换操作；本板MOS管，用于利用所述本板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集所述本板电流信号；
所述对板电流采集器包括对板光耦，用于在所述对板系统电源通电时，进行电压转换操作；对板MOS管，用于利用所述对板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集所述对板电流信号。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
隔离电路，用于将现场设备中的所述本板电流采集器、所述本板采样电阻、所述对板电流采集器及所述对板采样电阻与主站隔离。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
滤波电路，用于对所述本板电压信号和所述对板电压信号进行滤波处理。
在本发明的一种具体实施方式中，所述滤波电路包括RC滤波电路和MCU滤波模块。
在本发明的一种具体实施方式中，所述MCU滤波模块具体为STM32F100R8T6微控制器滤波模块。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
报警器，用于当存在故障时，进行报警提示。
应用本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置，包括本板电流采集器和对板电流采集器，还包括与本板电流采集器相连的本板采样电阻和与对板电流采集器相连的对板采样电阻，本板采样电阻，用于与本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；对板采样电阻，用于与对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。通过给本板电流采集器和对板电流采集器分别设置对应的本板采样电阻和对板采样电阻，将电流信号转化为电压信号，以便从电压信号中解析出目标模拟量信号，当其中一个采样电阻出现故障时，另一个采样电阻可以接替对目标模拟量信号的采集工作，可以对过程控制中模拟量信号做到彻底的冗余采集，较大地提升了采集目标模拟量信号的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种模拟量信号采集装置的结构框图；
图2为本发明实施例中模拟量信号采集装置的一种应用场景结构图；
图3为本发明实施例中一种模拟量信号采集装置的硬件结构框图；
图4为本发明实施例中一种逻辑运算电路生成冗余开关控制信号的电路结构框图；
图5为本发明实施例中模拟量信号采集装置的一路采集电路的电路结构示意图。
附图中标记如下：
1-主站控制器、2-IO从站、3-光耦、4-MOS管、5-采样电阻、6-分压电阻、7-RC滤波电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
参见图1，图1为本发明实施例中一种模拟量信号采集装置的结构框图，该模拟量信号采集装置可以包括本板电流采集器和对板电流采集器，还可以包括与本板电流采集器相连的本板采样电阻和与对板电流采集器相连的对板采样电阻，其中：
本板采样电阻，用于与本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；
对板采样电阻，用于与对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。
参见图1，本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置可以包括用于采集本板电流信号的本板电流采集器和用于采集对板电流信号的对板电流采集器，还可以包括与本板电流采集器相连的本板采样电阻，用于与本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，方便从本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号。与对板电流采集器相连的对板采样电阻，用于与对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，方便从对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。通过给本板电流采集器和对板电流采集器分别设置对应的本板采样电阻和对板采样电阻，当一条采集线路出现故障时，另一条采集线路不会受到影响，可以做到对目标模拟量信号的准确采集。如图2所示，图2为本发明实施例中模拟量信号采集装置的一种应用场景结构图，主站控制器1与IO从站2进行数据交互，本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置安装于IO从站2的从站槽中。
如图3所示，图3为本发明实施例中一种模拟量信号生成装置的硬件结构框图，该模拟量信号生成装置可以采集8路电流信号，其通过欧式连接器引入8路电流信号，经采用电阻转换成电压，再经滤波电路后进入A/D采集通道。图3仅显示采集1路电流信号的通道原理，其余路电流信号的采集原理可以以此作为参照。输入24V系统电源给主站侧的热插拔与防护单元供电，并经DC/DC电源转换单元转为5V/3.3V给MCU、由防护单元、485收发器A、485收发器B及双网切换电路构成的DP通讯线路、站地址读取单元及冗余电路等供电。MCU设置有时钟信号，并接有发光二极管LEDs。从站侧通道电路部分由24V现场电源给热插拔与防护单元供电，并经DC/DC转为5V/3.3V给冗余开关与防护单元、采样电阻、滤波电路、接入时钟和参考源的模数转换芯片ADC、逻辑运算电路等供电。主站侧与IO从站侧的两部分电路可以使用隔离电路进行隔离设置，可以避免IO从站侧出现故障时对主站侧造成影响。
模数转换芯片ADC可以采用ADS1216，ADS1216为一个24位的Σ-ΔAD芯片。本模拟量信号采集装置设定AD为高频/低频进行采集，MCU进行软件滤波，以解决组态软件滤波时每个通道可单独组态且有快速性应用场合的需求。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置可以采用STM32单片机软件集成PROFIBUS-DP协议，在实现过程中遵循的是PROFIBUS-DP对IO从站侧部分的描述，其以不超过1.5Mbit/s的速率与DP主站进行通讯。它可自动适应网上波特率，从站地址由硬件拨码开关设置。单片机中还完成ADC的配置、数据处理、冗余控制等工作任务。
需要说明的是，本板电流信号与对板电流信号、本板电压信号与对板电压信号、本板目标模拟量信号与对板目标模拟量信号，没有本质区别，只是为了区分是通过两路不同的采集路线进行采集得到的，当任一采集路线出现故障时，另一采集路线可以接替对目标模拟量信号的采集工作。
目标模拟量信号可以为现场电流信号。
应用本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置，包括本板电流采集器和对板电流采集器，还包括与本板电流采集器相连的本板采样电阻和与对板电流采集器相连的对板采样电阻，本板采样电阻，用于与本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；对板采样电阻，用于与对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。通过给本板电流采集器和对板电流采集器分别设置对应的本板采样电阻和对板采样电阻，将电流信号转化为电压信号，以便从电压信号中解析出目标模拟量信号，当其中一个采样电阻出现故障时，另一个采样电阻可以接替对目标模拟量信号的采集工作，可以对过程控制中模拟量信号做到彻底的冗余采集，较大地提升了采集目标模拟量信号的可靠性。
在本发明的一种具体实施方式中，如图3和图4所示，该模拟量信号采集装置还可以包括：
逻辑运算电路，用于检测本板和对板的心跳信号及本板系统电源和对板系统电源的通断电状态；根据心跳信号检测结果和通断电状态检测结果，分析本板和对板的主从状态；其中，本板的主从状态与对板的主从状态相反。
如图3和图4所示，本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置还可以包括逻辑运算电路，用于检测本板和对板的心跳信号及本板系统电源和对板系统电源的通断电状态，并根据心跳信号检测结果和通断电状态检测结果，分析本板和对板的主从状态，并且本板的主从状态与对板的主从状态相反。能够检测到心跳信号的板子为处于主状态的板子，逻辑运算电路生成冗余开关控制信号，利用对应的采集电路对目标模拟量信号进行采集。这样即使在两个采集电路中的心跳信号均出现异常时，可以保证给采集电路中各仪表正常供电，避免重启造成数据丢失。
如图4所示，图4为本发明实施例中一种逻辑运算电路生成冗余开关控制信号的电路结构框图，模块的冗余接口信号包括：对方主从状态电平信号OTHER_MST_OR_SLV，0表示对方是主，1表示对方是从。对方心跳信号OTHER_STATUS，对方自检正常时给脉冲，否则不给脉冲。对板电源状态输入OTHER_POWER。本板主从状态电平信号SELF_MST_OR_SLV，0表示本板为主，1表示本板为从。本板心跳信号SELF_STATUS，自检正常时给脉冲，否则不给脉冲。本板电源状态输出SELF_POWER。均通过连接器与热插拔接口电路相连，热插拔接口电路并接入有插板指示信号。冗余开关控制信号，0表示主，1表示从。其作为通道采集电路的冗余开关控制信号，同时输入给MCU供自检等逻辑判断使用。本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置还可以包括逻辑运算电路、系统掉电后的异常处理电路，逻辑运算电路可以通过系统自行对回读信号等进行信号处理，生成冗余开关控制信号，自行完成冗余采集切换，并将IO从站侧本板与对板的主从状态告知MCU，从而减轻MCU的负载。当然也可以通过主站侧的MCU发送的控制信号进行相应的信号处理，本发明实施例对此不做限定。主站侧的MCU可以与从站侧的模拟量信号采集装置之间设置有隔离光耦，可以避免从站侧出现故障时对主站侧造成影响。
通过使用硬件切换电路、ADC采集电路及MCU配合工作，为本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置提供了一个安全可靠的实现方案。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置简单易用，外部接口简单，工程师通过简单的培训就能掌握装置的正确使用。
在本发明的一种具体实施方式中，如图5所示，本板电流采集器包括本板光耦，用于在本板系统电源通电时，进行电压转换操作；本板MOS管，用于利用本板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集本板电流信号；
对板电流采集器包括对板光耦，用于在对板系统电源通电时，进行电压转换操作；对板MOS管，用于利用对板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集对板电流信号。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置中的本板采集器可以包括本板光耦，用于在本板系统电源通电时，此时本板冗余开关控制信号为0，将5V的电源转换为+24V，再通过分压电阻进行分压，得到+12V本板电压信号；本板MOS管，用于利用本板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集本板电流信号。本板电流信号与本板采样电阻相互作用，获得本板电压信号，在通过RC滤波电路进行滤波，发送至模数转换器A/D，方便提取目标模拟量信号。
对板采集器可以包括对板光耦，用于在对板系统电源通电时，此时对板冗余开关控制信号为0，将5V的电源转换为+24V，再通过分压电阻进行分压，得到+12V对板电压信号；本板MOS管，用于利用本板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集对板电流信号。对板电流信号与对板采样电阻相互作用，获得对板电压信号，在通过RC滤波电路进行滤波，发送至模数转换器A/D，方便提取目标模拟量信号。
如图5所示图5为本发明实施例中模拟量信号生成装置的一路采集电路的电路结构示意图，主要由光耦3、MOS管4、采样电阻5、分压电阻6及RC滤波电路7构成，另一路可以相互参照。可以设置电流输入信号为4～20mA。上电默认冗余开关控制信号为1，光耦3不导通，MOS管4工作在夹断区，当冗余开关控制信号为0时，光耦3导通，MOS管4栅极电压为+12V，MOS管4工作在可变电阻区，由于MOS管栅极与源极之间的电压Vgs较大，漏极电流Id在4～20mA范围内变化时，漏极和源极之间的压降几乎为0。4-20mA的电流经设置的110欧姆采样电阻5转换为0.44～2.2V的电压信号，再经滤波电路二阶滤波后至A/D。二阶无源RC滤波特性可以为：2.7Hz时为-3dB；4.6Hz时为-6dB；20Hz时为-20dB；50Hz时为-33dB；60Hz时为-36dB；1.2kHz时为-88dB；2.2kHz时为-99dB；20kHz时为-137dB。
在本发明的一种具体实施方式中，该模拟量信号采集装置还可以包括：
隔离电路，用于将现场设备中的本板电流采集器、本板采样电阻、对板电流采集器及对板采样电阻与主站隔离。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置还可以包括隔离电路，用于将现场设备中的本板电流采集器、本板采样电阻、对板电流采集器及对板采样电阻与主站隔离，可以避免IO从站侧出现故障时对主站侧造成影响。
在本发明的一种具体实施方式中，该模拟量信号采集装置还可以包括：
滤波电路，用于对本板电压信号和对板电压信号进行滤波处理。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置还可以包括滤波电路，用于对本板电压信号和对板电压信号进行滤波处理，消除干扰，得到特定频率的信号。
在本发明的一种具体实施方式中，滤波电路可以包括RC滤波电路和MCU滤波模块。
基于上述实施例，本发明实施例所提供的滤波电路可以包括RC滤波电路和MCU滤波模块。通过RC滤波电路和MCU滤波模块分别对本板电压信号和对板电压信号采用硬件和软件结合的滤波处理方式，提高抗干扰能力。
在本发明的一种具体实施方式中，MCU滤波模块具体为STM32F100R8T6微控制器滤波模块。
MCU滤波模块可以选用ST公司的STM32F100R8T6，它采用基于ARM架构的32位Cortex-M3内核，结合了执行Thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设，系统时钟最高24MHz，芯片性能达1.25DMIPS/MHz，内嵌64K字节的FLASH和8K字节的SRAM，片上资源丰富，功能上完全可以满足系统设计需求。
在本发明的一种具体实施方式中，该模拟量信号采集装置还可以包括：
报警器，用于当存在故障时，进行报警提示。
本发明实施例所提供的模拟量信号采集装置还可以包括报警器，用于当存在故障时，进行报警提示，对故障进行及时提示，及时采取故障消除措施，大大增强了系统的可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种模拟量信号采集装置，包括本板电流采集器和对板电流采集器，其特征在于，还包括与所述本板电流采集器相连的本板采样电阻和与所述对板电流采集器相连的对板采样电阻，其中：
所述本板采样电阻，用于与所述本板电流采集器采集到的本板电流信号相互作用，获得本板电压信号，以从所述本板电压信号中解析出本板目标模拟量信号；
所述对板采样电阻，用于与所述对板电流采集器采集到的对板电流信号相互作用，获得对板电压信号，以从所述对板电压信号中解析出对板目标模拟量信号。
2.根据权利要求1所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，还包括：
逻辑运算电路，用于检测本板和对板的心跳信号及本板系统电源和对板系统电源的通断电状态；根据心跳信号检测结果和通断电状态检测结果，分析所述本板和所述对板的主从状态；
其中，所述本板的主从状态与所述对板的主从状态相反。
3.根据权利要求2所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述本板电流采集器包括本板光耦，用于在所述本板系统电源通电时，进行电压转换操作；本板MOS管，用于利用所述本板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集所述本板电流信号；
所述对板电流采集器包括对板光耦，用于在所述对板系统电源通电时，进行电压转换操作；对板MOS管，用于利用所述对板光耦提供的电压，由断开状态转换为接通状态，采集所述对板电流信号。
4.根据权利要求1所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，还包括：
隔离电路，用于将现场设备中的所述本板电流采集器、所述本板采样电阻、所述对板电流采集器及所述对板采样电阻与主站隔离。
5.根据权利要求1所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，还包括：
滤波电路，用于对所述本板电压信号和所述对板电压信号进行滤波处理。
6.根据权利要求5所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述滤波电路包括RC滤波电路和MCU滤波模块。
7.根据权利要求6所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述MCU滤波模块具体为STM32F100R8T6微控制器滤波模块。
8.根据权利要求1至7任一项所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，还包括：
报警器，用于当存在故障时，进行报警提示。
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