CN111181561A - 一种信号自适应采集端子及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号自适应采集端子及采集方法，该自适应采集端子包括接线端子、开关切换电路、信号调理电路、ADC采样电路、控制器、继电器和内部电源，所述内部电源通过继电器接入接线端子的某一引脚，所述接线端子的其余引脚连接开关切换电路，并通过开关切换电路、信号调理电路和ADC采样电路接入控制器，控制器的控制信号线分别连接开关切换电路、信号调理电路和继电器的控制端。本发明能够自适应识别不同种类传感器的输出信号，并相应调整内部电路连接方式以保证始终能够获得正确的采样信号，大大提高了现场接线的工作量，提高了接线的准确性。

Description

一种信号自适应采集端子及采集方法

技术领域

本发明涉及嵌入式硬件领域，特别是涉及一种信号自适应采集端子及采集方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，采集系统集成化程度越来越高，常常需要对温度、振动、压力、位移等多种不同类型的物理量都进行采集，统一处理分析。然后，不同类型的物理量对应不同类型的传感器，且不同类型的传感器常常输出的信号类型也不尽相同，主要有三种类型：电压、电流和电阻。

目前常见的传感器的采集模块要么只能采集某一种信号，此时如果需要采集另一种信号就需要另外增加一个采集模块，这种方式使得后期在现场更改方案或升级测试系统时，备货和布线都非常繁琐；要么虽然支持多种信号采集，但需要通过打开机壳设置跳线帽的方式或者现场通过软件程序的方式进行配置，操作也很繁琐，尤其是在传感器数量较多且集中采集的情况下，很容易出现将某一种类型信号接入另一种类型信号采集端子的人为错误，造成了工程现场反复检查、修改，大大增加了现场的工作量，降低了施工效率，特别情况下甚至会造成传感器和采集模块的过载，导致设备的损坏。因此，迫切需要一种能够自适应识别不同种类传感器输出信号的智能采集端子及采集方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的信号自适应采集端子及采集方法，至少能够部分的解决现有技术中存在的问题，为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种信号自适应采集端子，包括接线端子、开关切换电路、信号调理电路、ADC采样电路、控制器、继电器和内部电源，所述内部电源通过继电器连接接线端子的某一引脚，所述接线端子的其余引脚连接开关切换电路，并通过开关切换电路、信号调理电路和ADC采样电路接入控制器，控制器的控制信号线分别连接开关切换电路、信号调理电路和继电器的控制端。

更进一步地，所述的接线端子为4引脚单排型或双排型，其第1引脚连接继电器的输出端，第2~4引脚连接开关切换电路，所述的信号调理电路包括正压偏置电路、可调电阻、电桥、放大器和反相器，所述的开关切换电路输出端有三个分支，第一分支直接连接正压偏置电路的输入端，第二分支通过可调电阻接入正压偏置电路的输入端，第三分支依次连接电桥、放大器和反相器，所述正压偏置电路和反相器的输出端分别接入ADC采样电路，所述控制器的控制信号线具体接入的是信号调理电路的可调电阻。

更进一步地，其自适应的传感器类型包括：外供电的电压传感器、内供电的电压传感器、电流传感器和三线制温度电阻传感器，当接入的是外部供电的电压传感器时，传感器的两根输出线分别连接接线端子第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、V+、V-、NC；当接入的是内部供电的电压传感器时，传感器的电源线和两根输出线分别连接接线端子第1~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应电源线、V+、V-、NC；当接入的是电流传感器时，传感器的两根输出线分别连接的第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、I+、I-、NC；当接入的是三线制温度电阻传感器时，传感器电阻一端的单根输出线连接第2引脚，另一端的双根同色输出线分别连接第3~4引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、A、B、B，其中A代表单根颜色端，B代表双根同色端。

更进一步地，正压偏置电路的偏置电压由出厂时设定，其大小应保证当正压偏置电路有输入信号时，该输入信号加上偏置电压后的输出电压信号始终为正。

更进一步地，所述的内部电源包括-24V恒压源和2mA恒流源两种，且默认设置下内部电源和第1引脚之间是断开的。

一种信号自适应采集方法，其特征在于，包括上述的自适应采集端子，具体包括如下步骤：

S1、通过控制器将开关切换电路接通信号调理电路的第三分支，若ADC采样电路输出值为负的电压值，则输入信号为温度电阻信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束，否则将开关切换电路接通信号调理电路的第二分支；

S2、通过控制器改变可调电阻的大小，若输出值变化明显，则输入信号为电流信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束；若输出值无明显变化，则判断输入信号为电压信号，将开关切换电路接通信号调理电路的第一分支；

S3、判断若输出值和偏置电压的关系，若输出值不等于偏置电压自身，说明输入为外供电的电压信号，自适应调整结束，若输出值始终等于偏置电压自身，说明输入为内供电的电压信号；

S4、通过控制器控制继电器接通内部电源，首先提供2mA恒流源，若输出信号为10~12V，则表示符合该传感器供电要求，自适应调整结束，否则提供-24V恒压源，此时输入电压信号为开关量信号，自适应调整结束。

本发明相比现有技术具有以下明显的优点：

1、通过对传感器的输出线进行标准化配置，现场只需进行傻瓜式接线即可，大大降低了工人的工作强度，同时提高了接线的准确性；

2、每个采集端子都可以根据需要采集电压、电流或温度信号，减少了需要预留的采集端口，便于后期的方案的改动调整，增加了设计的柔性；

3、由于每个接线端子的大小完全一致，便于对信号采集盒的结构进行模块化设计，大大简化了设计的流程，同时外形也更加美观。

附图说明

图1为本发明总体方案的结构原理框图；

图2为本发明的一具体实施例的结构原理框图；

图3为单排接线端子的具体引脚以及在不同外部输入信号不同时各引脚的具体含义，其中（a）反映了引脚的布置，（b）为输入为外部供电电压信号时的引脚含义，（c）为输入为内部供电电压信号时的引脚含义，（d）为输入为电流信号时的引脚含义，（e）为输入为温度电阻信号时的引脚含义；

图4为接线端子的不同引脚形式；

图5为信号自适应检测的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1~3所示，一种信号自适应采集端子，包括接线端子、开关切换电路、信号调理电路、ADC采样电路、控制器、继电器和内部电源，所述内部电源通过继电器连接接线端子的某一引脚，所述接线端子的其余引脚连接开关切换电路，并通过开关切换电路、信号调理电路和ADC采样电路接入控制器，控制器的控制信号线分别连接开关切换电路、信号调理电路和继电器的控制端。

所述的接线端子为4引脚单排型，从其一端到另一端依次为第1~4引脚，其第1引脚连接继电器的输出端，第2~4引脚连接开关切换电路，所述的信号调理电路包括正压偏置电路、可调电阻、电桥、放大器和反相器，所述的开关切换电路输出端有三个分支，第一分支直接连接正压偏置电路的输入端，第二分支通过可调电阻接入正压偏置电路的输入端，第三分支依次连接电桥、放大器和反相器，所述正压偏置电路和反相器的输出端分别接入ADC采样电路，所述控制器的控制信号线具体接入的是信号调理电路的可调电阻。

本自适应采集端子能够自动识别并匹配的传感器类型主要有这么几类：1、外供电的电压传感器，所谓外供电是指传感器通过外部电路供电，不需要采集端子提供电源；2、内供电的电压传感器，所谓内供电是指传感器需要采集端子提供电源，且内供电的电压传感器又分为普通型和开关量型；3、电流传感器；4、三线制温度电阻传感器（工业常用），例如Pt100，Pt50等。

当接入的是外部供电的电压传感器时，传感器的两根输出线分别连接接线端子第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、V+、V-、NC，NC指空引脚；当接入的是内部供电的电压传感器时，传感器的电源线和两根输出线分别连接接线端子第1~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应电源线、V+、V-、NC；当接入的是电流传感器时，传感器的两根输出线分别连接的第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、I+、I-、NC；当接入的是三线制温度电阻传感器时，传感器电阻一端的单根输出线连接第2引脚，另一端的双根同色输出线分别连接第3~4引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、A、B、B，其中A代表单根颜色端，B代表双根同色端。

更进一步地，正压偏置电路的偏置电压由出厂时设定，其大小应保证当正压偏置电路有输入信号时，该输入信号加上偏置电压后的输出电压信号始终为正。

更进一步地，所述的内部电源包括-24V恒压源和2mA恒流源两种，由继电器来进行选择，且默认设置下内部电源和第1引脚之间是断开的。

接线端子也可以为4引脚双排型，如图4所示，其引脚的布置形式可以根据需要自行安排，当然也可以采用其他的布置方式，但不管怎样布置，各引脚的含义和之前相同。

如图5所示，一种信号自适应采集方法，其特征在于，包括上述的自适应采集端子，具体包括如下步骤：

S1、通过控制器将开关切换电路接通信号调理电路的第三分支，若ADC采样电路输出值为负的电压值，则输入信号为温度电阻信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束，否则将开关切换电路接通信号调理电路的第二分支；

S2、通过控制器改变可调电阻的大小，若输出值变化明显，则输入信号为电流信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束；若输出值无明显变化，则判断输入信号为电压信号，将开关切换电路接通信号调理电路的第一分支；

S3、判断若输出值和偏置电压的关系，若输出值不等于偏置电压自身，说明输入为外供电的电压信号，自适应调整结束，若输出值始终等于偏置电压自身，说明输入为内供电的电压信号；

S4、通过控制器控制继电器接通内部电源，首先提供2mA恒流源，若输出信号为10~12V，则表示符合该传感器供电要求，自适应调整结束，否则提供-24V恒压源，此时输入电压信号为开关量信号，自适应调整结束。

其具体工作原理如下：

初始状态下，断开内部电源，将开关切换电路接通信号调理电路的第三分支，当接入的是温度电阻传感器时，通过电桥和放大器后输出正电压，再通过反相器后ADC采样电路输出值将变为负电压，而其他情况下输出应为零，因此可以通过输出是否为负电压来判断温度电阻信号；

将开关切换电路接通信号调理电路的第二分支，当接入的是电压传感器时，改变可调电阻的大小，不会改变可调电阻输出电压大小，而如果是电流传感器，可调电阻输出电压会随着可调电阻大小而线性变化，加上偏置电压后ADC采样电路输出值也会线性变化，因而可以判断出是否为电流信号；

将开关切换电路接通信号调理电路的第一分支，通过对ADC采样电路输出值和偏置电压的关系来判断，如果为外供电的电压传感器，其输出加上正偏置电压，最终输出值肯定不等于偏置电压自身，而对于内供电的电压传感器，传感器输出为零，因此加上正偏置电压最终输出值等于偏置电压自身，因而可以判断；

当判断出为内供电的电压传感器时，接通内部电源，先提供2mA恒流源，若电压信号偏置为10~12V则表示传感器类型匹配，即为普通型，否则提供-24V恒压源，此时传感器为开关量型。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种信号自适应采集端子，其特征在于，包括接线端子、开关切换电路、信号调理电路、ADC采样电路、控制器、继电器和内部电源，所述内部电源通过继电器连接接线端子的某一引脚，所述接线端子的其余引脚连接开关切换电路，并通过开关切换电路、信号调理电路和ADC采样电路接入控制器，控制器的控制信号线分别连接开关切换电路、信号调理电路和继电器的控制端。

2.如权利要求1所述的信号自适应采集端子，其特征在于，所述的接线端子为4引脚单排型或双排型，其第1引脚连接继电器的输出端，第2~4引脚连接开关切换电路，所述的信号调理电路包括正压偏置电路、可调电阻、电桥、放大器和反相器，所述的开关切换电路输出端有三个分支，第一分支直接连接正压偏置电路的输入端，第二分支通过可调电阻接入正压偏置电路的输入端，第三分支依次连接电桥、放大器和反相器，所述正压偏置电路和反相器的输出端分别接入ADC采样电路，所述控制器的控制信号线具体接入的是信号调理电路的可调电阻。

3.如权利要求2所述的信号自适应采集端子，其特征在于，其自适应的传感器类型包括：外供电的电压传感器、内供电的电压传感器、电流传感器和三线制温度电阻传感器，当接入的是外部供电的电压传感器时，传感器的两根输出线分别连接接线端子第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、V+、V-、NC；当接入的是内部供电的电压传感器时，传感器的电源线和两根输出线分别连接接线端子第1~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应电源线、V+、V-、NC；当接入的是电流传感器时，传感器的两根输出线分别连接的第2~3引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、I+、I-、NC；当接入的是三线制温度电阻传感器时，传感器电阻一端的单根输出线连接第2引脚，另一端的双根同色输出线分别连接第3~4引脚，即此时接线端子的第1~4引脚的分别对应NC、A、B、B，其中A代表单根颜色端，B代表双根同色端。

4.如权利要求3所述的信号自适应采集端子，其特征在于，正压偏置电路的偏置电压由出厂时设定，其大小应保证当正压偏置电路有输入信号时，该输入信号加上偏置电压后的输出电压信号始终为正。

5.如权利要求4所述的信号自适应采集端子，其特征在于，所述的内部电源包括-24V恒压源和2mA恒流源两种，且默认设置下内部电源和第1引脚之间是断开的。

6.一种信号自适应采集方法，其特征在于，包括权利要求5的自适应采集端子，具体包括如下步骤：

S1、通过控制器将开关切换电路接通信号调理电路的第三分支，若ADC采样电路输出值为负的电压值，则输入信号为温度电阻信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束，否则将开关切换电路接通信号调理电路的第二分支；

S2、通过控制器改变可调电阻的大小，若输出值变化明显，则输入信号为电流信号，保持开关切换电路的开关位置，自适应调整结束；若输出值无明显变化，则判断输入信号为电压信号，将开关切换电路接通信号调理电路的第一分支；

S3、判断若输出值和偏置电压的关系，若输出值不等于偏置电压自身，说明输入为外供电的电压信号，自适应调整结束，若输出值始终等于偏置电压自身，说明输入为内供电的电压信号；

S4、通过控制器控制继电器接通内部电源，首先提供2mA恒流源，若输出信号为10~12V，则表示符合该传感器供电要求，自适应调整结束，否则提供-24V恒压源，此时输入电压信号为开关量信号，自适应调整结束。

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