CN111044168A - 一种热电偶和热电阻一体采集卡件 - Google Patents

一种热电偶和热电阻一体采集卡件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热电偶和热电阻一体采集卡件，包括与热电偶或热电阻相连的固态继电器；与固态继电器相连的控制模块；所述控制模块控制所述固态继电器进行热电偶采集或热电阻采集的模式切换。所述固态继电器数量配置多个，分别与热电偶或热电阻相连；所述控制模块轮询所述固态继电器，使得被选中的所述固态继电器与所述热电偶或热电阻之间的通道导通，采集对应的所述热电偶或热电阻的模拟量。基于控制模块对固态继电器的模式切换和通道轮询，一站式测量热电偶和热电阻，使得采集卡件在制造，安装和调试阶段中省时省力，并且在投运后的日常运行维护时非常方便检查和更换。

Description

一种热电偶和热电阻一体采集卡件
技术领域
本发明涉及温度元件测量领域，尤其涉及一种热电偶和热电阻一体采集卡件。
背景技术
热电偶和热电阻是温度测量仪表中的常用测量组件，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。为保证温度测量仪表的精度，需要确保的热电偶或热电阻达到设计的精度标准。
常见的热电偶和热电阻卡件只能单独测量热电偶或热电阻。当需要测量热电阻和热电偶时，需要两个模块，且热电偶测量时需要加上冷端补偿模块，当需要两块卡件时就需要两个卡槽，两个底板，接线工作量大，且不宜维护，成本高昂。
因此，本领域技术人员致力于设计一种热电偶和热电阻一体采集卡件，能够一站式测量热电偶和热电阻，使得采集卡件在制造，安装和调试阶段中省时省力，并且在投运后的日常运行维护时非常方便检查和更换。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，实现一站式测量热电偶和热电阻，使得采集卡件在制造，安装和调试阶段中省时省力，并且在投运后的日常运行维护时非常方便检查和更换。
为实现上述目的，本发明提供了一种热电偶和热电阻一体采集卡件，所述卡件包括与热电偶或热电阻相连的固态继电器；与固态继电器相连的控制模块；所述控制模块控制所述固态继电器进行热电偶采集或热电阻采集的模式切换。
进一步地，所述固态继电器数量配置多个，分别与热电偶或热电阻相连；所述控制模块轮询所述固态继电器，使得被选中的所述固态继电器与所述热电偶或热电阻之间的通道导通，采集对应的所述热电偶或热电阻的模拟量。
进一步地，所述卡件支持8个通道的热电偶模拟量采集和9个通道的热电阻拟量采集，且所述热电阻的某一通道作为所述热电偶测量时的冷端补偿输入。
进一步地，所述热电阻为三线制。
进一步地，所述控制模块包括与所述固态继电器相连的FPGA和与所述FPGA相连的CPU；所述CPU控制所述FPGA完成对所述固态继电器的通道的所述模式切换或所述轮询。
进一步地，所述FPGA与所述CPU基于总线方式传输数据。
进一步地，所述FPGA包括LCMXO2-1200HC-6TG100芯片。
进一步地，所述CPU包括32位的ARM7 MO516LAN芯片。
进一步地，所述采集卡件还包括与所述固态继电器相连的AD模块；所述AD模块将所述固态继电器获得的模拟量转换为数字量，将所述数字量通过SPI传送给所述FPGA芯片。
进一步地，所述卡件采用两路直流24V进行双电源供电；所述双电源通过电压比较电路，选择压值大的一路电源转换为5V用于所述AD模块；所述5V转换为3.3V用于所述CPU和FPGA。
相对于现有技术，本发明通过合理设计硬件，基于控制模块对固态继电器的模式切换和通道轮询，一站式测量热电偶和热电阻，使得采集卡件在制造，安装和调试阶段中省时省力，并且在投运后的日常运行维护时非常方便检查和更换。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种较佳实施例的热电偶和热电阻一体采集卡件系统示意图；
图2是本发明实现的热电偶和电阻系统通道及模式切换的电路图；
图3(a)是本发明的AD模块采集电路引脚配置图一；
图3(b)是本发明的AD模块采集电路引脚配置图二；
图4(a)是本发明实现的24V-5V电源模块电路图；
图4(b)是本发明实现的5V-3.3V电源模块电路图；
图5是本发明实现的CPU和FPGA电路模块示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示是本发明一种较佳实施例的热电偶和热电阻一体采集卡件系统示意图。如图1所示，所述卡件包括多个与热电偶或热电阻相连的固态继电器；与固态继电器相连的控制模块；所述控制模块控制所述固态继电器进行热电偶采集或热电阻采集的模式切换；所述控制模块还能够轮询所述固态继电器，使得被选中的所述固态继电器与所述热电偶或热电阻之间的通道导通，采集对应的所述热电偶或热电阻的模拟量。
由于热电偶测量时需要加上冷端补偿模块，且热电偶和热电阻非同时测量，优选地，选择所述热电阻的某一通道作为所述热电偶测量时的冷端补偿输入。
为进一步简化降低接线工作量，优选地，所述热电阻为三线制，与热电偶插脚数量一致，方便采用热电阻的某一通道作为所述热电偶测量时的冷端补偿输入。
由于多通道模拟量采集需要高频轮询时钟频率和较多的输入引脚，但对处理芯片性能要求不高，优选地，采用FPGA和CPU的两级结构；所述固态继电器与所述FPGA相连；所述CPU控制所述FPGA完成对所述固态继电器的通道的所述模式切换或所述轮询。为进一步提高测量精度，降低对FPGA的性能要求，优选地，所述采集卡件还包括与所述固态继电器相连的AD模块；所述AD模块将所述固态继电器获得的模拟量转换为数字量，将所述数字量通过SPI传送给所述FPGA芯片。
本实施例以8个通道的热电偶模拟量采集和9个通道的热电阻为例，具体说明本发明的一体化卡件设计。
图2所示是本发明的通道及模式切换的电路图；图3是AD采集模块电路图；图4是电源模块电路图；图5是CPU和FPGA电路模块连接示意图。
本实施例中，FPGA选用LCMXO2-1200HC-4TG100I，CPU选用32位的ARM7MO516。如图5所示，LCMXO2-1200HC-4TG100I的76引脚和81引脚分别与MO516的46引脚和45引脚相连。AD模块选择低功耗、高集成度、同时集成模数转换器、PGA、滤波器、振荡器、恒流源、输入切换器ADS1248芯片，如图3所示。其中，图3(a)和图3(b)分别显示了ADS1248的外部参考输入端RTD_B，模数转换器的AD_IN、AD_OUT，以及采集端N1+,N1-，恒流源端SOURCE_A、SOURCE_C的电路设计；其中，图3(a)中U13A和图3(b)中U13B为所述ADS1248芯片；图3(a)中的U6为标准数字隔离器，以更好屏蔽外界干扰。
本实施例中，LCMXO2-1200HC-4TG100I与ADS1248通过SPI通信，将获得的数据通过便于芯片维护和更换的总线方式传输给MO516，M0516将数据处理后再传输给LCMXO2-1200HC-4TG100I。MO516通过控制FPGA完成对通道轮询和对固态继电器采集热电偶或热电阻的模式切换。
为确保卡件运行可靠，优选地，卡件选择双电源供电。如图4(a)所示，是本实施例的+24V的直流双电源系统。所述双电源系统配置两路24V直流电源，通过2个二极管(图2所示的D11和D12)进行电压高低比较，选择压值大的一路电源输出为24V，进而转换为5V用于AD模块；其中，U18和U22为电源转换芯片。例如，当D11所在回路的电源失电或电压降低，由于D11两端电压低于D12两端承受的电压，故D11所在电源截止，D12所在电源导通。由于二极管的导通速度很快，切换过程相当于整个电源一直有电源供应。图4(b)为5V-3.3V电压转换电路，获得的3.3V直流电压用于CPU和FPGA；其中，U15为电源转换芯片。
图2所示是本发明的通道及模式切换的电路图。具体工作时，固态继电器(U10，U11,U14,U16,U17,U19-U21,U25,U28,U30,U32-U37,U40)的1引脚接“+5V”高电平，4引脚接FPGA的引脚，当4引脚为低电平时相应的固态继电器导通，则与热电偶或热电阻相连的通道导通(图2中Channel_0、Channel_1、Channel_2...对应通道号)。
当测量热电偶时，固态继电器U11、U16、U19、U21、U20、U17、U14、U10设置旁接电路，或者不焊接。N1+、N1-接ADS1248的差分信号输入端，SOURCE_A、SOURCE_C接ADS1248的恒流源输出端，RTD_B接ADS1248的外部参考输入端，则Channel_0～Channel_7通道无恒流源，Channel_8有恒流源。RTD_0_A、RTD_0_C～RTD_7_A、RTD_7_C分别接热电偶的“+”“-”端，RTD_8_A、RTD_B、RTD_8_C分别接三线制热电阻的“A”“B”“C”端作为冷端补偿。
当需要测量三线制热电阻时，U25、U40固态继电器不焊接，N1+、N1-接ADS1248的差分信号输入端，SOURCE_A、SOURCE_C接恒流源，RTD_B接ADS1248的外部参考输入端，则Channel_0～Channel_7有恒流源。RTD_0_A、RTD_B、RTD_0_C～RTD_7_A、RTD_B、RTD_7_C分别接热电偶的“A”“B”“C”。
考虑到热电偶测量和热电阻测量对固态继电器的配置不同，为避免固态继电器反复投入和退出带来的接线麻烦或错误，优选地，固态继电器设置为可插拔式。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述卡件包括与热电偶或热电阻相连的固态继电器；与固态继电器相连的控制模块；所述控制模块控制所述固态继电器进行热电偶采集或热电阻采集的模式切换。
2.如权利要求1所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述固态继电器数量配置多个，分别与热电偶或热电阻相连；所述控制模块轮询所述固态继电器，使得被选中的所述固态继电器与所述热电偶或热电阻之间的通道导通，采集对应的所述热电偶或热电阻的模拟量。
3.如权利要求2所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述卡件支持8个通道的热电偶模拟量采集和9个通道的热电阻拟量采集，且所述热电阻的某一通道作为所述热电偶测量时的冷端补偿输入。
4.如权利要求3所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述热电阻为三线制。
5.如权利要求2-4任意所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述控制模块包括与所述固态继电器相连的FPGA和与所述FPGA相连的CPU；所述CPU控制所述FPGA完成对所述固态继电器的通道的所述模式切换或所述轮询。
6.如权利要求5所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述FPGA与所述CPU基于总线方式传输数据。
7.如权利要求5所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述FPGA包括LCMXO2-1200HC-6TG100芯片。
8.如权利要求5所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述CPU包括32位的ARM7 MO516LAN芯片。
9.如权利要求5所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述采集卡件还包括与所述固态继电器相连的AD模块；所述AD模块将所述固态继电器获得的模拟量转换为数字量，将所述数字量通过SPI传送给所述FPGA芯片。
10.如权利要求9所述的热电偶和热电阻一体采集卡件，其特征在于，所述卡件采用两路直流24V进行双电源供电；所述双电源通过电压比较电路，选择压值大的一路电源转换为5V用于所述AD模块；所述5V转换为3.3V用于所述CPU和FPGA。
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