CN113049987A - 一种实时监测传感器在线状态的监测模块 - Google Patents

一种实时监测传感器在线状态的监测模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时监测传感器在线状态的监测模块，包括第一电压比较器、第二电压比较器、负压电源、正压电源、响应单元和若干个电阻，第一电压比较器和第二电压比较器的正向输入端均连接传感器的正向信号输出端，第一电压比较器的输出端与第二电压比较器的反向输入端连接；通过调整电阻大小可以改变监测电压范围的上限值和下限值，当传感器断开或传感器输出电压不在监测电压范围内时，输出正压电平信号，当传感器输出电压处在监测电压范围内时，输出负压电平信号，从而达到监测传感器是否在线及其工作状态的目的。本发明可以及时发现数据采集系统中各类传感器是否在线，及其工作状态，并且结构简单，成本低，容易实现，具有较好的使用价值。

Description

一种实时监测传感器在线状态的监测模块
技术领域
本发明属于数据监测领域，特别是涉及一种实时监测传感器在线状态的监测模块。
背景技术
在数据采集系统中传感器是否在线及其工作状态是否正常，将直接影响系统的测量结果，甚至会导致数据采集系统的上一级系统瘫痪，因此需要在传感器状态异常后及时做出处理动作，避免不必要的损失。目前基本都是通过ADC对传感器进行数据采样，然后将采样的数据传输给微处理器，微处理器通过算法判断传感器信号是否异常，并给出相应的动作。该过程需要一系列动作，需要较多的电子元器件配合才能实现，并且时效性相对有限。
如何能够简单有效的实时监测传感器是否在线以及工作状态是否正常，已经成为本领域的研究重点。
发明内容
本发明提出了一种实时监测传感器在线状态的监测模块，仅使用2个电压比较器和5个电阻，组成一种可以实时监测传感器在线状态的监测模块，简单有效的实现监测传感器是否在线及工作状态是否正常的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种实时监测传感器在线状态的监测模块，包括第一电压比较器（U1）、第二电压比较器（U2）、反向电压（V-）、正向电压（V+）、响应单元（RU）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）和第五电阻（R5）；
所述第一电压比较器（U1）的正向输入端和所述第二电压比较器（U2）的正向输入端均与所述传感器（SEN）的正向信号输出端（SEN+OUT）连接；
所述第一电压比较器（U1）的反向输入端通过所述第一电阻（R1）与所述传感器（SEN）的反向信号输出端（SEN-OUT）连接，并通过所述第二电阻（R2）与所述反向电压（V-）连接，所述第一电压比较器（U1）的输出端与所述第二电压比较器（U2）的反向输入端连接；
所述第二电压比较器（U2）的反向输入端通过所述第三电阻（R3）接地，并通过所述第四电阻（R4）与所述正向电压（V+）连接，所述第二电压比较器（U2）的输出端与所述响应单元（RU）连接；
所述第五电阻（R5）的一端与所述响应单元（RU）连接，另一端与所述正向电压（V+）连接。
优选的，所述第一电压比较器（U1）和所述第二电压比较器（U2）均采用集电极开路输出的电压比较器。
优选的，所述集电极开路输出的电压比较器为LM339A。
优选的，所述第一电压比较器（U1）和所述第二电压比较器（U2）均采用非集电极开路输出的电压比较器。
优选的，所述监测模块还包括第一PNP型三极管（PNP1）和第二PNP型三极管（PNP2）；
所述第一PNP型三极管（PNP1）的基极与所述第一电压比较器（U1）的输出端连接，所述第一PNP型三极管（PNP1）的集电极与所述第二电压比较器（U2）反向输入端连接，所述第一PNP型三极管（PNP1）的发射极接地；
所述第二PNP型三极管（PNP2）的基极与所述第二电压比较器（U2）的输出端连接，所述第二PNP型三极管（PNP2）的集电极与所述响应单元（RU）连接，所述第二PNP型三极管（PNP2）的发射极接地。
优选的，所述第一电阻（R1）、所述第二电阻（R2）、所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）均为可调电阻。
优选的，所述监测模块的监测电压范围的下限值通过调整所述第一电阻（R1）和所述第二电阻（R2）的大小得到，所述监测模块的监测电压范围的上限值通过调整所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）的大小得到。
优选的，所述响应单元（RU）为电平响应单元，用于根据所述第二电压比较器（U2）的输出端的电平信号产生不同响应信号。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种实时监测传感器在线状态的监测模块，仅使用了2个电压比较器和5个电阻，通过调整电阻大小获得监测电压范围的上限值和下限值，可以适应不同的传感器；通过输出的高低电平信号，即可判断传感器是否在线及传感器输出电压是否正常，从而简单有效的实现实时监测传感器是否在线及其工作状态的目的，同时本发明可以实时监测数据采集系统中各类传感器的状态，并且结构简单，电子元器件少，成本低，容易实现，具有较好的使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例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性的前提下，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1的监测模块的结构示意图；
图2为本发明实施例2的监测模块的结构示意图；
图3为本发明实施例1中当传感器断开时监测模块的工作状态原理示意图；
图4为本发明实施例1中电压比较器的内部原理示意图。
附图标记：U1、第一电压比较器；U2、第二电压比较器；SEN、传感器；IN、检测模块输入端；RU、响应单元；V-、反向电压；V+、正向电压； R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；R5第五电阻；PNP1、第一PNP型三极管；PNP2、第二PNP型三极管；I1、第一静态电流；I2、第二静态电流；I3、第三静态电流；OUT、电压比较器输出；SEN+OUT、传感器正向信号输出端；SEN-OUT、传感器反向信号输出端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种实时监测传感器在线状态的监测模块，包括第一电压比较器U1、第二电压比较器U2、反向电压V-、正向电压V+、响应单元RU、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5。
在本实施例一中，第一电压比较器U1和第二电压比较器U2均采用集电极开路输出的LM339A。
第一电压比较器U1的正向输入端和第二电压比较器U2的正向输入端均与传感器正向信号输出端SEN+OUT连接；
第一电压比较器U1的反向输入端通过第一电阻R1与传感器反向信号输出端SEN-OUT连接，同时通过第二电阻R2与反向电压V-连接，第一电压比较器U1的输出端与第二电压比较器U2的反向输入端连接；
第二电压比较器U2的反向输入端通过第三电阻R3接地，同时通过第四电阻R4与正向电压V+连接，第二电压比较器U2的输出端与响应单元RU连接；
第五电阻R5的一端与响应单元RU连接，另一端与正向电压V+连接。
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4均为可调电阻；监测模块的监测电压范围的下限值通过调整第一电阻R1和第二电阻R2的大小得到，监测模块的监测电压范围的上限值通过调整第三电阻R3和第四电阻R4的大小得到。
响应单元RU为电平响应单元，用于根据第二电压比较器U2的输出端的电平信号产生不同响应信号。
在本实施例一中，可选的，当传感器信号为电流信号时，可加装采样电阻将电流转换为电压之后再进行监测。
实施例二
如图2所示，一种实时监测传感器在线状态的监测模块，包括第一电压比较器U1、第二电压比较器U2、反向电压V-、正向电压V+、响应单元RU、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5。
在本实施例二中，第一电压比较器U1和第二电压比较器U2均采用非集电极开路输出的电压比较器，则需要在两个电压比较器的输出端各加一级三极管，构造一个集电极开路的输出级，即第一电压比较器U1的输出端与第一PNP型三极管PNP1的基极连接，第一PNP型三极管PNP1的集电极与第二电压比较器U2反向输入端连接，发射极接地；第二电压比较器U2的输出端与第二PNP型三极管PNP2的基极连接，第二PNP型三极管PNP2的集电极与响应单元RU连接，发射极接地。
第一电压比较器U1的正向输入端和第二电压比较器U2的正向输入端均与传感器正向信号输出端SEN+OUT连接；
第一电压比较器U1的反向输入端通过第一电阻R1与传感器反向信号输出端SEN-OUT连接，同时通过第二电阻R2与反向电压V-连接，第一电压比较器U1的输出端与第二电压比较器U2的反向输入端连接；
第二电压比较器U2的反向输入端通过第三电阻R3接地，同时通过第四电阻R4与正向电压V+连接，第二电压比较器U2的输出端与响应单元RU连接；
第五电阻R5的一端与响应单元RU连接，另一端与正向电压V+连接。
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4均为可调电阻；监测模块的监测电压范围的下限值通过调整第一电阻R1和第二电阻R2的大小得到，监测模块的监测电压范围的上限值通过调整第三电阻R3和第四电阻R4的大小得到。
响应单元RU为电平响应单元，用于根据第二电压比较器U2的输出端的电平信号产生不同响应信号。
本发明检测模块的工作原理如图3所示，可以看出U1的反向输入端的电压由V-、R1及R2决定，用于获得对传感器SEN监测电压范围的下限Udown。U2的反向输入端的电压因U1为集电极开路输出，因此只要U1的正向输入端的电压大于U1的反向输入端的电压，则U1输出级三极管截止，所以U2的反向输入端的电压由V+、R3及R4决定用于获得电压上限Uup。当电路的输入电压即传感器SEN的输出电压UIN为Udown≤UIN≤Uup时，U1输出三极管截止，对输出信号无影响，由LM339A的性质，U2的输出UOUT为低电平。当UIN≥Uup时，U1输出三极管仍然截止，对输出信号无影响，此时U2输出三极管也截止，U2的输出UOUT为高电平；当输入电压UIN≤Udown时，U1输出三极管饱和导通，将U1的输出端电压也就是U2的反向输入端的电压拉为V-，则此时U2输出三极管截止，U2输出电压信号UOUT为高电平。当传感器从回路中断开，U1输出三极管截止，对输出信号无影响，由于U2的偏置电压作用，导致U2的正向输入端的电压略大于U2的反向输入端的电压，使U2输出电压信号UOUT为高电平。可见，当输入信号在设置的电压范围内时，U2输出电压信号UOUT为低电平，当输入信号在设置的电压范围外或传感器断开时，U2输出电压信号UOUT为高电平，从而达到监测传感器状态及其是否在线的目的。
具体的，如图3所示，当传感器处于断开状态时，因为传感器正常工作时上限电压一定是大于下限电压即Udown＜Uup,所以当传感器断开时，监测模块中的电路的三个静态电流I1、I2、I3的方向如图3所示，由图4可知，此时U1的同向输入端三极管应截止，因此I1的大小应等于U1的同向输入端三极管的漏电流，其值很小，根据三极管特性应该是pA级的，I2、I3的值应为LM339的偏置电流，根据LM339数据手册，其值应该在25nA～250nA之间，根据图4电路可知，此时U2的同向端三极管应接近截止，而反向端三极管应饱和导通，所以U2输出端三极管应处于截止状态。该状态下图4的UIN+≈UIN-+1.4V,即U2的正向输入端的电压应比U2的反向输入端的电压高大约1.4V，即Uup+1.4V,此时U1和U2的输出级三极管均截止，U2的输出电压Uout在上拉电阻的作用下应为高电平。因此当传感器断开时，监测模块输出高电平，与传感器输出电压超限状态一致。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，包括第一电压比较器（U1）、第二电压比较器（U2）、反向电压（V-）、正向电压（V+）、响应单元（RU）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）和第五电阻（R5）；
所述第一电压比较器（U1）的正向输入端和所述第二电压比较器（U2）的正向输入端均与传感器（SEN）的正向信号输出端（SEN+OUT）连接；
所述第一电压比较器（U1）的反向输入端通过所述第一电阻（R1）与所述传感器（SEN）的反向信号输出端（SEN-OUT）连接，并通过所述第二电阻（R2）与所述反向电压（V-）连接，所述第一电压比较器（U1）的输出端与所述第二电压比较器（U2）的反向输入端连接；
所述第二电压比较器（U2）的反向输入端通过所述第三电阻（R3）接地，并通过所述第四电阻（R4）与所述正向电压（V+）连接，所述第二电压比较器（U2）的输出端与所述响应单元（RU）连接；
所述第五电阻（R5）的一端与所述响应单元（RU）连接，另一端与所述正向电压（V+）连接。
2.根据权利要求1所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述第一电压比较器（U1）和所述第二电压比较器（U2）均采用集电极开路输出的电压比较器。
3.根据权利要求2所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述集电极开路输出的电压比较器为LM339A。
4.根据权利要求1所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述第一电压比较器（U1）和所述第二电压比较器（U2）均采用非集电极开路输出的电压比较器。
5.根据权利要求4所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，监测模块还包括第一PNP型三极管（PNP1）和第二PNP型三极管（PNP2）；
所述第一PNP型三极管（PNP1）的基极与所述第一电压比较器（U1）的输出端连接，所述第一PNP型三极管（PNP1）的集电极与所述第二电压比较器（U2）反向输入端连接，所述第一PNP型三极管（PNP1）的发射极接地；
所述第二PNP型三极管（PNP2）的基极与所述第二电压比较器（U2）的输出端连接，所述第二PNP型三极管（PNP2）的集电极与所述响应单元（RU）连接，所述第二PNP型三极管（PNP2）的发射极接地。
6.根据权利要求2或4所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述第一电阻（R1）、所述第二电阻（R2）、所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）均为可调电阻。
7.根据权利要求6所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述监测模块的监测电压范围的下限值通过调整所述第一电阻（R1）和所述第二电阻（R2）的大小得到，所述监测模块的监测电压范围的上限值通过调整所述第三电阻（R3）和所述第四电阻（R4）的大小得到。
8.根据权利要求1所述的实时监测传感器在线状态的监测模块，其特征在于，所述响应单元（RU）为电平响应单元，用于根据所述第二电压比较器（U2）的输出端的电平信号产生不同响应信号。
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