CN111897248A - 一种多通道数字量采集板卡 - Google Patents

一种多通道数字量采集板卡 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道数字量采集板卡，包括：用于将N个并行信号转化为一个串行信号的并转串模块，以及用于将串行信号输出的控制模块；其中，并转串模块与控制模块连接，N为大于1的整数。本发明实施例公开的多通道数字量采集板卡，增加了数字量输入的通道数量。

Description

一种多通道数字量采集板卡
技术领域
本发明涉及工业自动化控制领域，更具体地，涉及一种多通道数字量采集板卡。
背景技术
随着自动化程度的不断提高，越来越多的领域采用自动化控制来进行本领域的工业控制。数据采集，是指从传感器或其他待测设备等模拟量或数字量被检测单元自动采集信息的过程。
目前，在绝大多数工业自动化控制中都会涉及数字量采集的问题，数字量信号采样的准确可靠性对于整个测控系统能否正常稳定可靠地工作，起着重要的作用。然而，现有的数字采集装置存在可处理的数字量通道数量少，处理能力相对不足。
发明内容
本发明实施例提供了一种多通道数字量采集板卡，增加了数字量输入的通道数量。
本发明实施例提供的多通道数字量采集板卡，包括：用于将N个并行信号转化为一个串行信号的并转串模块，以及用于将所述串行信号输出的控制模块；其中：
所述并转串模块与所述控制模块连接，N为大于1的整数。
进一步地，在上述实施例中，所述控制模块为MCU，所述并转串模块为移位寄存器。
进一步地，在上述实施例中，所述并转串模块包括4个8位的移位寄存器，其中：
4个移位寄存器串联，其中一个移位寄存器的输出端与所述MCU的第一输入引脚连接。
进一步地，在上述实施例中，所述多通道数字量采集板卡还包括：N个用于信号隔离的信号隔离模块，其中：
N个信号隔离模块并联，每一个信号隔离模块的输入端用于采集一个所述并行信号，每一个信号隔离模块的输出端分别与所述并转串模块的一个输入端连接。
进一步地，在上述实施例中，所述信号隔离模块为光耦隔离芯片。
进一步地，在上述实施例中，所述多通道数字量采集板卡还包括：N个用于将所述并行信号转化为矩形脉冲信号的整形模块，每一个信号隔离模块的输出端均通过一个所述整形模块与所述并转串模块连接，其中：
N个整形模块并联，每一个整形模块的输入端与一个所述信号隔离模块的输出端连接，每一个整形模块的输出端分别与所述并转串模块的一个输入端连接。
进一步地，在上述实施例中，所述整形模块为施密特触发器。
进一步地，在上述实施例中，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于电源隔离的电源隔离模块，其中，所述电源隔离模块与所述光耦隔离芯片的供电电压引脚连接。
进一步地，在上述实施例中，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于采集并行信号的DB37接口，所述DB37接口有N个采集端口，其中：
每一个信号隔离模块的输入端分别与所述DB37接口的一个采集出端口连接。
进一步地，在上述实施例中，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于监测现场电源的监测模块、用于提供通信RS485接口的通讯模块、以及用于提供下载调试SWD接口的下载调试模块，其中：
所述监测模块与所述MCU的第二输入引脚连接；
所述通讯模块与所述MCU的输出引脚连接；
所述下载调试模块与所述MCU的第三输入引脚连接。
与现有技术相比，本发明至少一个实施例提供的多通道数字量采集板卡，具有以下有益效果：将多个并行信号转化为一个串行信号，可以有效减少控制模块的I/O口的使用数量，保留有效资源供其他用途使用，增加了数字量输入的通道数量。
本发明实施例的一些实施方式中，还可以达到以下效果：1、在并转串模块和N个并行输入信号之间设置多个信号隔离模块，抗干扰性能高，静电抗扰度测试可以达到3级。2、体积小，功耗低。3、通过选焊模式可以实现24/48V现场电源可选。4、干、湿接点信号可以兼容接入。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例一提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图；
图4为本发明实施例四提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图。
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，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1为本发明实施例一提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的多通道数字量采集板卡，包括：用于将N个并行信号转化为一个串行信号的并转串模块1，以及用于将串行信号输出的控制模块22。其中，并转串模块1与控制模块2连接，N为大于1的整数。
具体的，本实施例中提供的多通道数字量采集板卡可以分别与控制系统(如DCS或PLC)中的中心控制器设备(上位机)和现场仪表(如传感器)连接，将现场仪表输出的数字量的多个并行信号转换为一个串行信号，以及将转换后的串行信号输出给控制系统中的上位机。
本实施例中，在多通道数字量采集板卡与一个或多个现场仪表连接后，多通道数字量采集板卡实时采集现场仪表输出的数字量信号。其中，并转串模块1用于采集现场仪表输出的多个数字量并行信号，并将采集的多个并行信号转化为一个串行信号后，发送给控制模块2；控制模块2将并转串模块1输出的一个串行信号经过滤波或格式转换等操作后，发送给控制系统中的上位机监控。
其中，本实施中，并行信号可以是电压信号，本实施例在此不进行限定和赘述。
本发明实施例提供的模拟量输入板卡，将多个并行信号转化为一个串行信号，可以有效减少控制模块2的I/O口的使用数量，保留有效资源供其他用途使用，增加了数字量输入的通道数量。
进一步地，在上述实施例中，控制模块2可以为微控制单元(MicrocontrollerUnit，简称MCU)，并转串模块1可以为移位寄存器。
具体的，移位寄存器用于采集现场仪表输出的多个数字量并行信号，并将采集的多个并行信号转化为一个串行信号后，发送给控制模块2；MCU将移位寄存器输出的一个串行信号发送给控制系统中的上位机监控。
其中，MCU可以采用STM32单片机，其采用用途非常广泛的Arm内核，集成了非常丰富的接口、通信模块以及其他功能模块，具有优异的实时性能，杰出的功耗控制，极低的开发成本，为开发设计提供了很多方便。
进一步地，在上述实施例中，并转串模块1可以包括-4个-8位的移位寄存器，其中，4个移位寄存器串联，其中一个移位寄存器的输出端与MCU的第一输入引脚连接。
可选的，N＝32。
具体的，本实施例并转串模块1采用4个8位的移位寄存器，可以一次可以采集32个数字量输入信号，将采集的32个并行信号转换为一个串行信号进行处理，即一次可以提供32个输入通道，增加了数字量输入的通道数量的同时，使得本实施例数字量输入卡件一共可以提供32个通道，可以有效减少现场数字量输入卡件的数量，进而减少成本。
本实施例中，MCU和移位寄存器的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。
进一步地，在上述实施例中，多通道数字量采集板卡还可以包括：N个用于信号隔离的信号隔离模块，其中，N个信号隔离模块并联，每一个信号隔离模块的输入端用于采集一个并行信号，每一个信号隔离模块的输出端分别与并转串模块1的一个输入端连接。
可选的，信号隔离模块可以为光耦隔离芯片。
本实施例中，在并转串模块1和N个并行输入信号之间可以设置多个信号隔离模块，每一个输入信号通过一个信号隔离模块输入到并转串模块1的一个输入端，信号隔离模块将外部干扰源信号与易受干扰的部分光电隔离开，从而保证数据的完整性。由于数字量输入信号单向传输，完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
具体的，图2为本发明实施例二提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图，如图2所示，并转串模块1可以包括第一移位寄存器、第二移位寄存器、第三移位寄存器和第四移位寄存器，第一移位寄存器、第二移位寄存器、第三移位寄存器和第四移位寄存器串联，每一个信号隔离模块3的输入端用于采集一个并行信号，每一个信号隔离模块3的输出端分别与第一移位寄存器、第二移位寄存器、第三移位寄存器和第四移位寄存器的一个输入端连接，第四移位寄存器的输出端与MCU的第一输入引脚连接。
其中，本实施例中MCU的第一输入引脚是MCU的任一个输入引脚，第二移位寄存器的输出端具体与MCU芯片的哪个输入引脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片获取并转串模块1发送的串联信号即可。
图3为本发明实施例三提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的多通道数字量采集板卡还可以包括：N个用于将并行信号转化为矩形脉冲信号的整形模块4，每一个信号隔离模块3的输出端均通过一个整形模块4与并转串模块1连接。其中，N个整形模块4并联，每一个整形模块4的输入端与一个信号隔离模块3的输出端连接，每一个整形模块4的输出端分别与并转串模块1的一个输入端连接。
可选的，整形模块4可以为施密特触发器。
具体的，采集的数字输入信号在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，本实施例采用整形模块4整形后，获得较理想的矩形脉冲，有效地提高多通道数字量采集板卡的抗干扰能力。
图4为本发明实施例四提供的多通道数字量采集板卡的结构示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的多通道数字量采集板卡还可以包括：用于采集并行信号的DB37接口5，DB37接口5有N个采集端口。其中，每一个信号隔离模块3的输入端分别与DB37接口5的一个采集出端口连接。
具体的，为了减少多通道数字量采集板卡的体积，本实施例提供的多通道数字量采集板卡不采用目前常用的端子模式引出32个通道的接口的方式，而是通过设置DB37接口5，通过一根DB37线缆把32个通道信号引到一个端子板上面，通过端子板的端子接线接入现场的数字量信号，实现数字量信号的采集。同时通过端子板上端子接线方式的不同，可以接入干接点信号或者湿接点信号。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于监测现场电源的监测模块6，其中，监测模块6与MCU的第二输入引脚连接。
具体的，为了提高多通道数字量采集板卡的可靠性，采用监测进行现场电源的监视，在现场电源出故障时，由MCU把报警信息通过冗余485通道上传到上位机，由操作人员进行实时监视。
其中，本实施例中MCU的第二输入引脚是MCU中不同于第一输入引脚的任一个输入引脚，监测模块6具体与MCU芯片的哪个输入引脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片获取监测模块6发送的监测信号即可。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于提供通信RS485接口的通讯模块7，其中，通讯模块7与MCU的输出引脚连接。
其中，通讯模块7可以是冗余串口485通讯模块7。
具体的，通讯模块7通过物理接口RS485进行组网，从而实现MCU与中心控制器设备的数据交换，方便扩展和工业控制。
其中，本实施例中MCU的输出引脚是MCU中的任一个输出引脚，通讯模块7具体与MCU芯片的哪个输出引脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片输出串行信号即可。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于提供下载调试串行线调试(Serial Wire Debug，简称SWD)接口的下载调试模块8，其中，下载调试模块8与MCU的第三输入引脚连接。
具体的，MCU下载调试接口采用SWD模式，引线只占用2根，减少空间的同时，也方便了PCB布线。
其中，本实施例中MCU的第三输入引脚是MCU中不同于第一输入引脚和第二输入引脚的任一个输入引脚，下载调试模块8具体与MCU芯片的哪个输入引脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片与下载调试模块8之间进行下载调试信号的通信即可。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于电源隔离的电源隔离模块9，其中，电源隔离模块9与光耦隔离芯片的供电电压引脚连接。
其中，电源隔离模块9可以为直流-直流(DC-DC)的24V电源隔离芯片。DC-DC(也可称为DC/DC，或DCDC)表示的是将高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源。
具体的，工业现场的数字量输入模块多为24V或者48V，为了兼容这两种信号，通过一个DC/DC模块可以实现24V到48V的转换。如果现场采用24V信号，则可选择DC/DC模块不焊接；如果采用48V的数字量信号，则选择DC/DC焊接，增强了灵活性，也大大降低了多通道数字量采集板卡的成本。
其中，电源隔离模块9可以为N个，每一个电源隔离模块9分别与一个光耦隔离芯片的供电电压引脚连接。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于提供电源的电源模块10，其中，电源模块10与多通道数字量采集板卡中的各个模块连接。
具体的，电源模块10主要利用欧式插针提供的5V的电源转为3.3V，以供整个多通道数字量采集板卡使用，为多通道数字量采集板卡中的各个模块提供电源。
可选的，电源模块10可以是低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，简称LDO)电源。其中，采用低压差线性稳压器为多通道数字量采集板卡中的各个模块提供电源，可以实现低功耗。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：用于校时的时钟模块11，其中，时钟模块11与MCU的时钟引脚连接。
其中，时钟模块11可以是全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)时钟模块11。
具体的，时钟模块11通过多通道数字量采集板卡底座上的GPS接收实时时钟信息，为多通道数字量采集板卡的数字量输入(DIGITAL INPUT，简称DI)事件提供准确对时功能。
进一步地，如图4所示，多通道数字量采集板卡还可以包括：复位模块12，其中，复位模块12与MCU的复位引脚连接。
具体的，在MCU出现故障时，可以通过复位模块12实现MCU的复位，可有效地保证多通道数字量采集板卡上电正确复位。
进一步地，在上述实施例中，多通道数字量采集板卡的各个模块的实现原理均与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。
本发明提供的多通道数字量采集板卡，具有抗干扰能力强、体积小、功耗低的多通道数字量输入量卡件，其具体具有以下有益效果：1、增加了数字量输入的通道数量。2、抗干扰性能高，静电抗扰度测试可以达到3级。3、体积小，功耗低。4、通过选焊模式可以实现24/48V现场电源可选。5、干、湿接点信号可以兼容接入。
在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为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，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，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为准。

Claims (10)

1.一种多通道数字量采集板卡，其特征在于，包括：用于将N个并行信号转化为一个串行信号的并转串模块，以及用于将所述串行信号输出的控制模块；其中：
所述并转串模块与所述控制模块连接，N为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述控制模块为微控制单元MCU，所述并转串模块为移位寄存器。
3.根据权利要求2所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述并转串模块包括4个8位的移位寄存器，其中：
4个移位寄存器串联，其中一个移位寄存器的输出端与所述MCU的第一输入引脚连接。
4.根据权利要求1所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述多通道数字量采集板卡还包括：N个用于信号隔离的信号隔离模块，其中：
N个信号隔离模块并联，每一个信号隔离模块的输入端用于采集一个所述并行信号，每一个信号隔离模块的输出端分别与所述并转串模块的一个输入端连接。
5.根据权利要求4所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述信号隔离模块为光耦隔离芯片。
6.根据权利要求4或5所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述多通道数字量采集板卡还包括：N个用于将所述并行信号转化为矩形脉冲信号的整形模块，每一个信号隔离模块的输出端均通过一个所述整形模块与所述并转串模块连接，其中：
N个整形模块并联，每一个整形模块的输入端与一个所述信号隔离模块的输出端连接，每一个整形模块的输出端分别与所述并转串模块的一个输入端连接。
7.根据权利要求6所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述整形模块为施密特触发器。
8.根据权利要求5所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于电源隔离的电源隔离模块，其中，所述电源隔离模块与所述光耦隔离芯片的供电电压引脚连接。
9.根据权利要求4或5所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于采集并行信号的DB37接口，所述DB37接口有N个采集端口，其中：
每一个信号隔离模块的输入端分别与所述DB37接口的一个采集出端口连接。
10.根据权利要求2所述的多通道数字量采集板卡，其特征在于，所述多通道数字量采集板卡还包括：用于监测现场电源的监测模块、用于提供通信RS485接口的通讯模块、以及用于提供下载调试串行线调试SWD接口的下载调试模块，其中：
所述监测模块与所述MCU的第二输入引脚连接；
所述通讯模块与所述MCU的输出引脚连接；
所述下载调试模块与所述MCU的第三输入引脚连接。
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