CN110132354B - 一种多类型传感器测量端口复用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器仪器测量技术领域，公开了一种多类型传感器测量端口复用系统及方法，通过切换继电器，将激励源和测量模块分别接到激励总线E+、E‑和测量总线M+、M‑上；以及根据传感器的需要将传感器接到激励总线E+、E‑和测量总线M+、M‑上；根据传感器的类型，将相应的参数设置在微处理器的存储器中，根据端口所接传感器类型，进行相应的激励和测量。本发明通过设计一套电路，内部集成多种激励源，根据外接不同类型的传感器，通过内部切换不同的激励源，实现传感器接口的端口复用，即同一个接口可以接多种类型的传感器；本发明大大简便了现场的安装复杂度，也简化了系统结构和维护难度，节约投资成本。

Description

一种多类型传感器测量端口复用系统及方法

技术领域

本发明属于传感器仪器技术领域，尤其涉及一种多类型传感器测量端口复用系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

水利是国民经济的命脉，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，修建了大量的水利工程来满足防涝抗旱、优化水资源调度和清洁能源等需求。这些水利工程运行的安全是管理部门日常监管工作的重点之一。

在水利工程安全监测中，为了得到全面的工程安全信息，采用了大量的传感器，来获得影响工程安全的渗流、渗漏、应力、应变、温度、位移、水位、振动、倾斜等信息，为了准确获取这些信息，对不同类型的工程信息采用不同的测量电路和方法。

目前一种类型传感器，需要一种测量设备，或者一个测量设备上设计了不同类型的传感器接口，这些接口只能测量指定类型的传感器。然而在现实工程中，传感器类型繁多，各种类型传感器数量也多少不一，为了测量这些传感器，需要安装相应的测量设备，为了迎合这种状况，一种情况是将同类型传感器通过电缆集中到一台测量设备处，造成大量的电缆，需要开挖电缆沟，电缆过长也容易引起信号干扰等；另外一种情况是设备端口测量传感器类型固定，多种类型传感器连集中到一个地方，有的传感器数量多，测量接口不够，需要多台设备，而另外类型的传感器数量少，甚至一种类型传感器只有一只传感器，而设备上预先设置了多个接口，因而端口多余而造成浪费，导致整个监测系统复杂，兼容性差，可用性下降，维护难度大，造成了工程投资成本高，后期维护费用高，给工程的可靠运行带来极大的不便。

综上所述，一种类型的工程量就采用一套测量设备，同一地点大量不同类型的传感器，就需要安装多套不同类型的测量设备，致使整个监测系统结构复杂，安装难度大，不同类型测量设备的厂家通信协议不一致，后端采集软件集成难度大，导致投资成本过高。监测系统结构复杂，安装难度大，兼容性差，可用性下降，维护难度大，投资成本高，后期维护费用高。

解决上述技术问题的难度：

为了解决上述问题，测量设备必须能够测量多种类型传感器，需要在设备内部设计各种类型的激励源和测量方法，需要设备集成度高，传感器测量接口灵活方便，测量方法简单，成本低等难点。

解决上述技术问题的意义：本发明之多类型传感器测量端口复用技术，通过电路设计使同一个传感器接口，简单的软件配置即可以测量多种类型的传感器，一台这样的设备可以替换目前多种测量设备的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多类型传感器测量端口复用系统及方法。

本发明是这样实现的，一种传感器测量端口复用方法，所述传感器测量端口复用方法包括：

通过切换继电器，将激励源和测量模块分别接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；以及根据传感器的需要将传感器接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；

根据传感器的类型，将相应的参数设置在微处理器的存储器中，根据端口所接传感器类型，进行激励和测量。

进一步，同一个端口接电压类传感器、电流类传感器、频率类传感器、脉冲类传感器、振弦式传感器及电阻类型传感器。

进一步，所述传感器测量端口复用方法包括：

通过K5、K6、K7双刀双掷MOS继电器及K8、K9、K10、K11、K12单刀单掷MOS继电器将VWP激励、电流源、电压源和AD转换、信号整形放大测量功能模块分别连接到激励总线E+、E-激励和测量总线M+、M-上；

K1和K2MOS继电器分别将E+和M+，E-和M-连接起来进行测量，K3将10kΩ高精度电阻串接在M-总线上，K4实现M-接地；J1、J2～JN双刀双掷微型继电器将传感器连接到激励或测量总线上，J11～J1N单刀单掷微型继电器将100Ω高精度电阻串接在传感器接口上实现电流传感器的测量。

进一步，振弦式传感器测量方法包括：

1)闭合继电器J1，使振弦式传感器连接到激励总线E+和E-上，再闭合K6，使VWP激励也接到激励总线上，VWP激励通过激励总线，连接到振弦式传感器；

2)启动VWP激励，此时微处理器控制的VWP激励振弦式传感器，当激励结束后，断开J2和K6，使传感器脱离激励总线，闭合K5和J2，使传感器连接到测量总线上，信号整形放大模块对传感器的信号进行整形放大处理；

3)微处理器开始测量振弦式传感器线圈的自振频率，测量结束后，断开K5和J2，信号整形放大电路和传感器脱离测量总线。

进一步，电阻类传感器的激励回路方法包括：激励电源为2.5V，闭合K11，激励电源连接到E+上；闭合K1,连接E+和M+；闭合J2使电阻传感器连接到测量总线M+和M-上；再闭合K3，通过精密电阻连接地，形成回路，闭合K7，AD模拟转换电路连接到测量总线M+与M-上；具体计算公式如下：

其中：V_C－为AD转换测量电压；

V_S－为激励电压源2.5V；

R_C－为精密电阻10kΩ。

R_C－为精密电阻10kΩ。

进一步，电压类传感器测量测量方法包括：闭合K7和J2，即可通过AD模数转换进行测量。

进一步，电流类传感器的激励回路方法包括：闭合J11，外部电流通过100欧姆高精度电阻取样，在电阻上形成压降，然后闭合J2和K7，即可通过AD模数转换进行测量。

进一步，频率类传感器的激励回路方法包括：闭合K5和J2，即可被微处理器进行测量。

进一步，脉冲类传感器的激励回路方法包括：闭合K12、J2和K4，形成测量回路，经过去抖稳定电路处理后，即可被微处理器进行测量。

本发明的目的在于提供一种传感器测量端口复用系统，所述传感器测量端口复用系统包括：

微处理器、通信模块、输入模块、信号整形放大、去抖稳定、VWP激励、AD转换、电流源、电压源等；

微处理器通过输入模块实现对内部参数配置；

微处理器通过通信模块实现远程控制及数据传输；

微处理器通过控制线控制各个开关的开合，实现对信号整形放大、去抖稳定、VWP激励、AD转换、电流源、电压源控制等模块的接入激励总线或测量总线，对各类传感器的测量切换，从而实现传感器端口复用。

进一步，所述电压源包括电压源12V、电压源5V和电压源2.5V多种；

所述传感器接口接振弦式传感器、电阻类传感器、电流类传感器、电压类传感器、频率类传感器。

进一步，微处理器用于对通信模块与输入模块输入的信号、数据进行处理；

AD转换、放大、信号整形放大、去抖稳定用于对微处理器输出的信号进行相应处理，为测量功能模块；

VWP激励、电流源、电压源用于为传感器提供激励源。

本发明另一目的在于提供一种搭载所述传感器测量端口复用系统的水利参数测量终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：优化了系统结构、系统集成度提高、减少设备投资、简化现场安装等。

本发明通过设计一套电路，内部集成多种激励源，根据外接不同的传感器，通过内部切换，实现传感器接口的端口复用，即同一个接口可以多种类型的传感器。针对传感器类型较多的水利工程监测，可以用一套设备完成多类型传感器的监测，大大简便了现场的安装复杂度，也简化了系统结构和维护难度，节约投资成本。

本发明方法设计了激励总线E+、E-和测量总线M+、M-；通过切换继电器，将激励源和测量模块分别接到激励总线和测量总线上；通过切换继电器，根据传感器的需要将传感器接到激励或测量总线上；根据传感器的类型，预先将相应的参数设置在微处理器的存储器中，当测量的时候调用这些信息，根据端口所接传感器类型，来进行激励和测量。通过上述方式，同一个端口可以接不同类型的传感器，从而实现多类型传感器测量端口复用技术。

本发明之多类型传感器测量端口复用系统，通过电路设计使同一个传感器接口通过软件配置可以接多类型传感器，一台这样的设备可以替换目前多测量设备。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多类型传感器测量端口复用系统结构图。

图2是本发明实施例提供的多类型传感器测量端口复用系统原理图。

图中：1、通信模块；2、输入模块；3、微处理器；4、信号整形放大；5、去抖稳定；6、VWP激励；7、AD转换；8、放大；9、电流源；10、电压源；11、激励总线；12、测量总线；13、切换开关；14、传感器接口；15、传感器；16、精密电阻。

图3是本发明实施例提供的振弦式仪器测量图。

图4是本发明实施例提供的电阻类仪器测量图。

图5是本发明实施例提供的电压类仪器测量图。

图6是本发明实施例提供的电流类仪器测量图。

图7是本发明实施例提供的频率类仪器测量图。

图8是本发明实施例提供的脉冲类仪器测量图。

图9是本发明实施例提供的多类型传感器连接示意图。

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。

监测系统结构复杂，安装难度大，兼容性差，可用性下降，维护难度大，投资成本高，后期维护费用高。

为解决上述问题，下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

本发明实施例提供的一种传感器测量端口复用方法，包括：

通过切换继电器，将激励源和测量模块分别接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；以及根据传感器的需要将传感器接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；

根据传感器的类型，将相应的参数设置在微处理器的存储器中，根据端口所接传感器类型，选择相应的激励和测量方式。

在发明实施例提供的，同一个端口接电压类传感器、电流类传感器、频率类传感器、脉冲类传感器、振弦式传感器及电阻类型传感器。

在发明实施例提供的，所述传感器测量端口复用方法包括：

通过K5、K6、K7双刀双掷MOS继电器及K8、K9、K10、K11、K12单刀单掷MOS继电器将VWP激励、电流源、电压源和AD转换、信号整形放大测量功能模块分别连接到激励总线E+、E-激励和测量总线M+、M-上；

K1和K2MOS继电器分别将E+和M+，E-和M-连接起来进行测量，K3将10kΩ高精度电阻串接在M-总线上，K4实现M-接地；J1、J2～JN双刀双掷微型继电器将传感器连接到激励或测量总线上，J11～J1N单刀单掷微型继电器将100Ω高精度电阻串接在传感器接口上实现电流传感器的测量。

在发明实施例提供的，振弦式传感器测量方法包括：

1)闭合继电器J1，使振弦式传感器连接到激励总线E+和E-上，再闭合K6，使VWP激励也接到激励总线上，VWP激励通过激励总线，连接到振弦式传感器；

2)启动VWP激励，此时微处理器控制的VWP激励振弦式传感器，当激励结束后，断开J2和K6，使传感器脱离激励总线，闭合K5和J2，使传感器连接到测量总线上，信号整形放大模块对传感器的信号进行整形放大处理；

3)微处理器开始测量振弦式传感器线圈的自振频率，测量结束后，断开K5和J2，信号整形放大电路和传感器脱离测量总线。

在发明实施例提供的，电阻类传感器的激励回路方法包括：激励电源为2.5V，闭合K11，激励电源连接到E+上；闭合K1,连接E+和M+；闭合J2使电阻传感器连接到测量总线M+和M-上；再闭合K3，通过精密电阻连接地，形成回路；闭合K7，AD模拟转换电路连接到测量总线M+与M-上；具体计算公式如下：

其中：V_C－为AD转换测量电压；

V_S－为激励电压源2.5V；

R_C－为精密电阻10kΩ。

如图1所示，本发明实施例提供的多类型传感器测量端口复用系统结构有：

微处理器3，

微处理器3，与通信模块1、输入模块2、信号整形放大4、去抖稳定5、VWP激励6、AD转换7、电流源9、电压源10连接；

AD转换7与放大8连接；

信号整形放大4、去抖稳定5、放大8通过继电器开关连接测量总线12；

VWP激励6、电流源9、电压源10通过继电器开关连接激励总线11；

激励总线11与测量总线12通过继电器开关连接；

激励总线11与测量总线12分别通过切换开关13连接传感器接口14；

传感器接口14与传感器15连接；

测量总线12接精密电阻16接地。

在本发明实施例中，所述电压源10包括电压源12V、电压源5V和电压源2.5V多种。

在本发明实施例中，包括多路传感器接口14分别与多路传感器15相应连接。

在本发明实施例中，所述传感器接口14可以接振弦式传感器、电阻类传感器、电流类传感器、电压类传感器、频率类传感器等。

微处理器3用于对通信模块1与输入模块2输入的信号、数据进行处理；

AD转换7、放大8、信号整形放大4、去抖稳定5用于对微处理器3输出的信号进行相应处理，为测量功能模块。

VWP激励6、电流源9、电压源10用于为传感器提供激励源，为激励模块；

激励总线11与测量总线12用于对传感器15进行激励与测量。

在本发明实施例中，测量端口复用的实现：传感器接口通过继电器既可以连接到测量总线，同时也可以连接到激励总线。当需要激励的时候，关闭测量继电器，打开激励继电器，可以对传感器进行激励；当需要测量的时候，关闭激励总线继电器，打开测量继电器，可以进行测量，或者根据需要同时打开激励和测量继电器。通过内部继电器的切换，从而实现传感器接口的复用。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例：

如图2所示，图中E+、E-为激励总线，M+、M-为测量总线，VWP激励、电流源、电压源等都是激励源，连接在激励总线E+、E-上，AD转换、信号整形放大为测量功能模块，连接到测量总线M+、M-上。K5、K6、K7为双刀双掷MOS继电器，K8、K9、K10、K11、K12为单刀单掷MOS继电器，通过这些MOS继电器，将激励模块和测量模块分别连接到激励和测量总线上，K1和K2MOS继电器分别可以将E+和M+，E-和M-连接起来，实现更多复杂功能的测量，K3可以将10kΩ高精度电阻串接在M-总线上，K4可以实现M-接地功能。J1、J2～JN为双刀双掷微型继电器，将传感器连接到激励或测量总线上，J11～J1N为单刀单掷微型继电器，将100Ω高精度电阻串接在传感器接口上，可以实现电流传感器的测量。

1、振弦式传感器测量：当传感器接口1被配置为接振弦式传感器时，测量振弦式传感器简化图如下图3所示：

测量过程：

1)闭合继电器J1，使振弦式传感器连接到激励总线E+和E-上，再闭合K6，使VWP激励也接到激励总线上，VWP激励通过激励总线，连接到振弦式传感器。

2)启动VWP激励，此时微处理器控制的VWP激励振弦式传感器，当激励结束后，断开J2和K6，使传感器脱离激励总线，闭合K5和J2，使传感器连接到测量总线上，信号整形放大模块对传感器的信号进行整形放大处理。

3)微处理器开始测量振弦式传感器线圈的自振频率，测量结束后，断开K5和J2，信号整形放大电路和传感器脱离测量总线。整个测量结束。

2、电阻类传感器测量：当传感器接口1被配置为电阻类传感器接口时，测量电阻类传感器简化图如下图4所示：

激励电路：激励电源为2.5V(如需要可以选择其它激励源)，闭合K11，激励电源连接到E+上；闭合K1,连接E+和M+；闭合J2使电阻传感器连接到测量总线M+和M-上；再闭合K3，通过精密电阻连接地，形成回路。

测量电路：闭合K7，AD模拟转换电路连接到测量总线M+与M-上。具体计算公式如下：

其中：V_C－为AD转换测量电压；

V_S－为激励电压源2.5V；

R_C－为精密电阻10kΩ。

3、电压类传感器测量：当传感器接口1被配置为电压类传感器接口时，测量电压类传感器简化图如下图5所示：

电压类传感器本身输出电压信号，不需要激励电源，因此可以直接测量。具体测量回来描述如下：闭合K7和J2，即可通过模数转换进行测量。

4、电流类传感器测量：当传感器接口1被配置为电流类传感器接口时，测量电流类传感器简化图如下图6所示：

电流类传感器需通过取样电阻形成电压，测量电压来获得具体电流值。具体测量回来描述如下：闭合J11，外部电流通过100欧姆高精度电阻取样，在电阻上形成压降，然后闭合J2和K7，即可通过AD模数转换进行测量。

5、频率类传感器测量：当传感器接口1被配置为频率类传感器接口时，测量频率类传感器简化图如下图7所示：

频率类传感器本身输出频率信号，不需要激励电源，信号经过整形放大后，可以直接被微处理器进行测量。具体测量回来描述如下：闭合K5和J2，即可被微处理器进行测量。

6、脉冲类传感器测量：当传感器接口1被配置为脉冲类传感器接口时，测量脉冲类传感器简化图如下图8所示：

脉冲类传感器与频率类传感器类型，但是测量方式不同，不需要激励电源，一般输出高电平，可以被微处理器直接测量。具体测量描述如下：闭合K12、J2和K4，形成测量回路，经过去抖稳定电路处理后，即可被微处理器进行测量。

综上所述，通过设置激励总线E+、E-和测量总线M+、M-，根据传感器激励的需要可以将相应的激励源连接到激励总线上，根据传感器测量的需要，可以将不同的测量方式连接到测量总线上，因此同一个测量端口，根据所接传感器的类型，预先设置通道类型，测量时根据类型各种传感器的测量。从而实现传感器测量端口的复用。

如图9所示，本发明可以根据工程的实际需要，每个传感器接口可以接多种类型传感器，实现端口复用。传感器端口可以接振弦式传感器、电阻类型传感器、电压类型传感器、电流类型传感器、频率类型传感器和脉冲类传感器。也可以根据需要，很容易设计更多类型的接口。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种传感器测量端口复用系统，其特征在于，所述传感器测量端口复用系统包括：

微处理器；

微处理器，与通信模块、输入模块、信号整形放大、去抖稳定、VWP激励、AD转换、电流源、电压源连接；

AD转换与放大连接；

信号整形放大、去抖稳定、放大通过继电器开关连接测量总线；

VWP激励、电流源、电压源通过继电器开关连接激励总线；

激励总线与测量总线通过继电器开关连接；

激励总线与测量总线分别通过继电器开关连接电阻；

电阻与传感器通过传感器接口连接；

测量总线接10kΩ高精度电阻接地；

所述电压源包括电压源12V、电压源5V和电压源2.5V多种；

所述传感器接口接振弦式传感器、电阻类传感器、电流类传感器、电压类传感器、频率类传感器；

信号整形放大通过K5双刀双掷MOS继电器连接到测量总线M+、M-上，去抖稳定通过K12单刀单掷MOS继电器连接测量总线M+，VWP激励通过K6双刀双掷MOS继电器连接到激励总线E+、E-，AD转换与放大连接，放大通过K7双刀双掷MOS继电器连接到测量总线M+、M-上，电流源通过K8单刀单掷MOS继电器连接到激励总线E+，电压源12V通过K9单刀单掷MOS继电器连接激励总线E+，电压源5V通过K10单刀单掷MOS继电器连接激励总线E+，电压源2.5V通过K11单刀单掷MOS继电器连接激励总线E+；

K1MOS继电器与测量总线M+、激励总线E+连接，K2 MOS继电器与激励总线E-、测量总线M-连接，K3将10kΩ高精度电阻串接在M-总线上，K4实现 M-接地；双刀双掷微型继电器J1、双刀双掷微型继电器J3、双刀双掷微型继电器JM与激励总线E+、E-连接，双刀双掷微型继电器J2、双刀双掷微型继电器J4、双刀双掷微型继电器JN与测量总线M+、M-连接，J11~J1N单刀单掷微型继电器将100Ω高精度电阻串接在传感器接口上。

2.一种使用权利要求1所述传感器测量端口复用系统的传感器测量端口复用方法，其特征在于，所述传感器测量端口复用方法包括：

通过切换继电器，将激励源和测量模块分别接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；以及根据传感器的需要将传感器接到激励总线E+、E-和测量总线M+、M-上；激励源包括VWP激励、电流源、电压源；

根据传感器的类型，将相应的参数设置在微处理器的存储器中，根据端口所接传感器类型，进行激励和测量；

所述传感器测量端口复用方法具体包括：

通过K5、K6、K7双刀双掷MOS继电器及K8、K9、K10、K11、K12单刀单掷MOS继电器将VWP激励、电流源、电压源和AD转换、信号整形放大分别连接到激励总线E+、E-激励和测量总线M+、M-上；

K1和K2 MOS继电器分别将E+和M+，E-和M-连接起来进行测量，K3将10kΩ高精度电阻串接在M-总线上，K4实现 M-接地；J1、J2~JN双刀双掷微型继电器将传感器连接到激励或测量总线上，J11~J1N单刀单掷微型继电器将100Ω高精度电阻串接在传感器接口上实现电流传感器的测量。

3.如权利要求2所述的传感器测量端口复用方法，其特征在于，同一个端口接电压类传感器、电流类传感器、频率类传感器、脉冲类传感器、振弦式传感器及电阻类型传感器。

4.如权利要求3所述的传感器测量端口复用方法，其特征在于，振弦式传感器测量方法包括：

1）闭合继电器J1，使振弦式传感器连接到激励总线E+和E-上，再闭合K6，使VWP激励也接到激励总线上，VWP激励通过激励总线，连接到振弦式传感器；

2）启动VWP激励，此时微处理器控制的VWP激励开始激励振弦式传感器，当激励结束后，断开J1和K6，使传感器脱离激励总线，闭合K5和J2，使传感器连接到测量总线上，信号整形放大对传感器的信号进行整形放大处理；

3）微处理器开始测量振弦式传感器线圈的自振频率，测量结束后，断开K5和J2，信号整形放大和传感器脱离测量总线。

5.如权利要求3所述的传感器测量端口复用方法，其特征在于，

电阻类传感器的激励回路方法包括：闭合K11，电压源2.5V连接到E+上；闭合K1,连接E+和M+；闭合J2使电阻传感器连接到测量总线M+和M-上；再闭合K3，通过10kΩ高精度电阻连接地，形成回路；闭合K7，AD转换连接到测量总线M+与M-上；具体计算公式如下：

其中：

－为AD转换测量电压；

－为激励电压源 2.5V；

－为10kΩ高精度电阻。

6.如权利要求3所述的传感器测量端口复用方法，其特征在于，

电压类传感器测量回路方法包括：闭合K7和J2，通过AD转换进行测量；

电流类传感器的激励回路方法包括，闭合J11，外部电流通过100欧姆高精度电阻取样，在电阻上形成压降，然后闭合J2和K7，通过AD转换进行测量；

频率类传感器的激励回路方法包括：闭合K5和J2，利用微处理器进行测量；

脉冲类传感器的激励回路方法包括：闭合K12、J2和K4，形成测量回路，经过去抖稳定处理后，利用微处理器进行测量。

7.一种搭载权利要求1所述传感器测量端口复用系统的水利参数测量终端。

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