CN114624517B - 一种通用电阻、电压和频率信号采集模块 - Google Patents

一种通用电阻、电压和频率信号采集模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通用电阻、电压和频率信号采集模块。该模块包括：电阻信号调理单元、电压信号调理单元、频率信号调理单元、模数转换单元和微控制器；电阻信号调理单元采用比率式测量电路，包括被测电阻的测试接口和模数转换单元的连接接口；电压信号调理单元采用比率式测量电路，包括被测压力传感器的测试接口和模数转换单元的连接接口；电阻信号调理单元和电压信号调理单元通过对应的连接接口与模数转换单元连接，模数转换单元的输出端与微控制器的输入端连接；频率信号调理单元包括被测频率信号的测试接口和微控制器接口；频率信号调理单元通过微控制器接口与微控制器的输入端连接。本发明可以应用于多种模拟传感器的前端采集。

Description

一种通用电阻、电压和频率信号采集模块
技术领域
本发明涉及模拟信号采集领域，特别是涉及一种通用电阻、电压和频率信号采集模块。
背景技术
通常情况下，对于电阻、电压和频率信号的采集分别采用单独的采集模块进行采集。针对不同类型的采集方案，由于采集要求不同，需要重新设计模拟信号采集部分，硬件电路方面也被设计在同一块PCB板上，不具备通用性。对于各个类型的采集方案，由于电路空间结构的不同，选用器件类型不同，设计人员的水平与习惯也不尽相同，导致每一种模拟电路都具有特殊的模拟信号采集电路，这样无法保证各个传感器采集电路的性能。同时增加了设计人员的工作量，增长了产品的研发周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种通用电阻、电压和频率信号采集模块，以应用于多种模拟传感器的前端采集。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种通用电阻、电压和频率信号采集模块，包括：电阻信号调理单元、电压信号调理单元、频率信号调理单元、模数转换单元和微控制器；
所述电阻信号调理单元采用比率式测量电路，所述电阻信号调理单元包括被测电阻的测试接口和模数转换单元的连接接口；
所述电压信号调理单元采用比率式测量电路，所述电压信号调理单元包括被测压力传感器的测试接口和模数转换单元的连接接口；
所述电阻信号调理单元和所述电压信号调理单元通过对应的连接接口与所述模数转换单元连接，所述模数转换单元的输出端与所述微控制器的输入端连接；
所述频率信号调理单元包括被测频率信号的测试接口和微控制器接口；所述频率信号调理单元通过所述微控制器接口与所述微控制器的输入端连接。
可选的，还包括：电源管理单元；所述电源管理单元包括第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器和负载开关；所述第一低压差线性稳压器为所述微控制器供电，且处于常上电状态；所述第二低压差线性稳压器为所述电阻信号调理单元、所述电压信号调理单元、所述频率信号调理单元和所述模数转换单元供电，且处于分时可控上电状态；所述第三低压差线性稳压器经过所述负载开关后分为两路可控输出，用于为外接单元供电。
可选的，所述模数转换单元为所述电阻信号调理单元提供恒流源，所述电阻信号调理单元包括电阻测量支路和电阻参考支路；当所述电阻信号调理单元通过对应的测试接口连接被测电阻时，所述被测电阻与所述电阻信号调理单元中的内置电阻串联，形成所述电阻参考支路；所述被测电阻所在支路为所述电阻测量支路；所述电阻测量支路与所述电阻参考支路上均包括RC一阶低通滤波电路；
在所述被测电阻和所述电阻信号调理单元的内置电阻串联支路的两端设置参考电压接口，形成第一差分通道；在所述被测电阻两端设置被测电压接口，形成第二差分通道；所述第一差分通道和所述第二差分通道上均设置电容。
可选的，所述模数转换单元为所述电压信号调理单元提供恒流源，所述电压信号调理单元包括电压测量支路和电压参考支路；当所述电压信号调理单元通过对应的测试接口连接被测电压器件时，所述被测电压器件与所述电压信号调理单元中的内置电阻串联；所述电压信号调理单元的内置电阻所在支路为所述电压参考支路，所述被测电压器件所在支路为所述电压测量支路，所述电压测量支路与所述电压参考支路上均包括RC一阶低通滤波电路；
所述内置电阻的两端设置参考电压接口，形成第三差分通道；所述被测电压器件两端设置测量电压接口，形成第四差分通道；所述第三差分通道和所述第四差分通道上均设置电容。
可选的，所述频率信号调理单元包括温补晶振，所述温补晶振作为基准信号，用于对待测频率信号进行测量。
可选的，所述模数转换单元为24位Δ-Σ模数转换器。
可选的，所述微控制器的型号为MSP430FR5994。
可选的，还包括：串行通信接口；所述串行通信接口包括RS232接口和RS485接口，所述串行通信接口与所述微控制器双向通信，所述通用电阻、电压和频率信号采集模块通过所述串行通信接口与外界交互。
可选的，所述通用电阻、电压和频率信号采集模块的尺寸≤20mm×50mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用模块化设计，电阻、电压和频率信号采集模块可以集成到多种类型测量仪器中，简化仪器开发流程，测量性能统一。而且，本发明具体实施例中采用的电源管理单元可以灵活高效管理各个用电单元。此外使用的元器件均具有低功耗特性。在5V直流电源下，系统待机模式下最大电流不超过10μA，全参数工作模式下最大电流不超过10mA。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将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为本发明通用电阻、电压和频率信号采集模块的结构示意图；
图2为本发明电阻信号调理单元的电路图；
图3为本发明电压信号调理单元的电路图；
图4为本发明频率信号调理单元的电路图；
图5为本发明模数转换单元的电路图；
图6为本发明电源管理单元的电路图。
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。
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。
图1为本发明通用电阻、电压和频率信号采集模块的结构示意图，如图1所示，本发明的通用电阻、电压和频率信号采集模块包括：电阻信号调理单元1、电压信号调理单元2、频率信号调理单元3、模数转换单元4和微控制器5；电阻信号调理单元1和电压信号调理单元2的输出端均连接至模数转换单元4，模数转换单元4和频率信号调理单元3的输出端均连接至微控制器5，电阻、电压和频率之间可以单独测量或任意组合测量。
图2为本发明电阻信号调理单元的电路图，本发明的电阻信号调理单元1主要测量5KΩ～30KΩ的电阻，如图2所示，电阻信号调理单元1包括被测电阻的测试接口和模数转换单元的连接接口。图2中标号为RES1和RES2为实际工作中，连接被测电阻信号的接口位置，即测试接口；IDAC_T、REF_T+、REF_T-、AIN_T+、AIN_T-为与模数转换单元(ADC)4连接的接口，即连接接口。电阻信号调理单元1对电阻的测量采用比率式测量方法，ADC提供恒流源IDAC_T，将高精度电阻(电路图中标号R4)和被测电阻串联，以被测电阻和高精度电阻两端的REF_T+和REF_T-电压作为ADC的参考电压，采集被测电阻端的AIN_T+和AIN_T-电压。通过采集到的数字信号以及高精度电阻的电阻值，就可以计算出被测电阻的电阻值。本发明中，在每个测量支路和参考支路上添加RC一阶低通滤波(即图2中R1和C3，R5和C8，R2和C4，R3和C7)削弱共模噪声，在差分通道之间添加电容(图中C6，C5)去除差模噪声。采用这样的方法可以在很大程度上消除ADC芯片自身以及在线路中产生的温度漂移和时间漂移的影响，同时电路中产生的一些干扰信号，利用比率的方法，在很大程度上可以被抵消。电源以及电压基准不稳定造成的影响被完全消除。
图3为本发明电压信号调理单元的电路图，如图3所示，电压信号调理单元2包括被测压力传感器的测试接口和模数转换单元的连接接口。电路图中标号为P+、P-、PP+和PP-为实际工作中连接压力传感器的接口位置，即测试接口，其中P+和P-连接压力传感器的输出电压信号，PP+和PP-连接压力传感器的输入电源。IDAC_P、REF_P+、REF_P-、AIN_P+、AIN_P-为与模数转换单元(ADC)4连接的接口。ADC提供恒流源IDAC_P，将高精度电阻(图中标号R8)和压力传感器串联，以高精度电阻两端电压REF_P+和REF_P-作为ADC的参考电压，采集压力传感器输出电压信号AIN_P+和AIN_P-端的电压，由于被测电压信号很小，需使用ADC芯片内部可编程放大器放大后采集。在每个测量支路(包括参考支路)上添加RC一阶低通滤波(电路图中R7和C10，R9和C12，R10和C13，R11和C15)削弱共模噪声，在差分通道之间添加电容(电路图中C11，C14)去除差模噪声。通过采集到的数字信号以及高精度电阻的电阻值，就可以计算出被测电压。采用这样的方法可以在很大程度上消除ADC芯片自身以及在线路中产生的温度漂移和时间漂移的影响，同时电路中产生的一些干扰信号，利用比率的方法，在很大程度上可以被抵消。电源以及电压基准不稳定造成的影响被完全消除。
图4为本发明频率信号调理单元的电路图，如图4所示，频率信号调理单元3包括被测频率信号的测试接口和微控制器接口，还包括温补晶振，图中示意的为型号为XTAL1的高精度温补晶振，U13为微控制器，标号FRE_IN为连接被测频率信号的接口位置。频率信号的采集使用微控制器中内置定时器的捕获功能，使用高精度温补晶振(0.1ppm)来作为基准信号。同时启动对未知频率信号与基准信号的触发，并且同时终止两个信号的触发记录，当触发次数比较大时，两个信号的触发次数之比等于两者的频率之比。
图5为本发明模数转换单元的电路图，如图5所示，模数转换单元4采用高精度24位Δ-Σ模数转换器(ADC)ADS124S08，兼具低功耗特性与多种集成特性。模数转换单元4内置的可编程增益放大器(PGA)具备低噪声特性，可以为压力传感器微弱电压应用放大低幅值信号；模数转换单元4还包括两个可编程激励电流源(IDAC)，其中IDAC_T、REF_T+、REF_T-、AIN_T+以及AIN_T-连接电阻信号调理单元1，IDAC_P、REF_P+、REF_P-、AIN_P+以及AIN_P-连接电压信号调理单元2，AD_CS、AD_DIN、AD_CLK、AD_DOUT以及AD_DRDY连接微控制器5，完成ADC与微控制器5的通信。
微控制器5采用TI公司的超低功耗MSP430FR5994，待机功耗低至1μA。有16位计数器并内置捕获模块，可以用于频率信号采集；并且有多个异步串行接口，可以用于与外接交互。
本发明通用电阻、电压和频率信号采集模块还包括电源管理单元6，电源管理单元6管理所有单元的电源，并预留出外部其他单元的电源。图6为本发明电源管理单元的电路图，如图6所示，图中标号POWER为实际工作中外接电源。电源管理单元包括多个超低功耗的低压差线性稳压器TPS70933和负载开关TPS22976等，精准管控系统各个组成单元的电源。输入电源POWER进入电路板，通过3个低压差线性稳压器输出3路电源，分别为：VCC_3.3_NO、VCC_3.3_SEL和VCC_3.3_OUT。其中，VCC_3.3_NO用于需要一直工作的微控制器和串行通信单元，保持常上电；VCC_3.3_SEL用于可选择工作时间的信号调理(电阻信号调理单元、电压信号调理单元和频率信号调理单元)和模数转换单元，采用分时可控上电；VCC_3.3_OUT为外部其他用电单元供电，具体的，POWER经过一个TPS70933稳压输出为3.3V即VCC_3.3_OUT，然后该VCC_3.3_OUT经过负载开关后分为两路可控输出即VCC_3.3_OUT1和VCC_3.3_OUT2，为外部其他用电单元供电。在5V直流电源下，整个模块在待机模式下最大电流不超过10μA，全参数工作模式下最大电流不超过10mA。
此外，本发明通用电阻、电压和频率信号采集模块还包括串行通信接口7，包括RS232接口和RS485接口，串行通信接口7与微控制器6双向通信，整个模块通过多种类型的串行通信接口7与外界交互。
本发明的通用电阻、电压和频率信号采集模块采用两个0.8mm的板对板连接器，引出电源接口、通信接口和信号测量接口，可将整个模块方便的集成到测量仪器上。可以根据测量仪器测量参数的需要，可以在微控制器中写入算法和校准参数，直接输出物理量。通过选用的小封装元器件，设计四层板电路等方式，保证系统尺寸≤20mm×50mm。
例如，针对于当前海洋观测中，使用温盐深测量仪(CTD)远程、长时间、实时测量海水的温度、盐度、深度等基础物理参数已得到广泛应用。在预报、减灾、养殖等方面发挥着重要的作用。但是，因为不同海洋观测技术的特殊性，各种不同外型结构，应用不同平台、环境，不同扩展功能的CTD被设计制造出来，以满足相应的使用要求。面对此情况，可以独立于功能模块外的模拟信号采集方式，可以避免不同使用环境对信号采集电路的影响。目前在模拟信号采集领域中，对各种传感器模拟信号的提取主要集中在三种参数：电阻值、电压值、频率值。其他类型的信号，如电流值、电容值等也都可以通过简单的转换电路转换为上述三种信号。因此能够精确的采集这三种模拟信号，就可以适用当前市场上绝大部分类型的传感器。因此，本发明可以很好的解决上述问题，并且，本发明在实现常用的电阻、电压、频率等模拟信号的采集的基础上，尤其适用于温盐深测量仪(CTD)等传感器，采集基于负温度系数热敏电阻温度传感器的电阻值，差分电压式的压力传感器的电压值，三电极电导率传感器的频率值。还具有超低功耗、超小尺寸、可裁剪、易于集成等特点，可以应用在多种模拟传感器前端采集中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，包括：电阻信号调理单元、电压信号调理单元、频率信号调理单元、模数转换单元和微控制器；
所述电阻信号调理单元采用比率式测量电路，所述电阻信号调理单元包括被测电阻的测试接口和模数转换单元的连接接口；
所述电压信号调理单元采用比率式测量电路，所述电压信号调理单元包括被测压力传感器的测试接口和模数转换单元的连接接口；
所述电阻信号调理单元和所述电压信号调理单元通过对应的连接接口与所述模数转换单元连接，所述模数转换单元的输出端与所述微控制器的输入端连接；
所述频率信号调理单元包括被测频率信号的测试接口和微控制器接口；所述频率信号调理单元通过所述微控制器接口与所述微控制器的输入端连接；
所述模数转换单元为所述电阻信号调理单元提供恒流源，所述电阻信号调理单元包括电阻测量支路和电阻参考支路；当所述电阻信号调理单元通过对应的测试接口连接被测电阻时，所述被测电阻与所述电阻信号调理单元中的内置电阻串联，形成所述电阻参考支路；所述被测电阻所在支路为所述电阻测量支路；所述电阻测量支路与所述电阻参考支路上均包括RC一阶低通滤波电路；
在所述被测电阻和所述内置电阻串联支路的两端设置参考电压接口，形成第一差分通道；在所述被测电阻两端设置被测电压接口，形成第二差分通道；所述第一差分通道和所述第二差分通道上均设置电容；
所述模数转换单元为所述电压信号调理单元提供恒流源，所述电压信号调理单元包括电压测量支路和电压参考支路；当所述电压信号调理单元通过对应的测试接口连接被测电压器件时，所述被测电压器件与所述电压信号调理单元中的内置电阻串联；所述内置电阻所在支路为所述电压参考支路，所述被测电压器件所在支路为所述电压测量支路，所述电压测量支路与所述电压参考支路上均包括RC一阶低通滤波电路；
所述内置电阻的两端设置参考电压接口，形成第三差分通道；所述被测电压器件两端设置测量电压接口，形成第四差分通道；所述第三差分通道和所述第四差分通道上均设置电容；
所述通用电阻、电压和频率信号采集模块的尺寸≤20mm×50mm。
2.根据权利要求1所述的通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，还包括：电源管理单元；所述电源管理单元包括第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器和负载开关；所述第一低压差线性稳压器为所述微控制器供电，且处于常上电状态；所述第二低压差线性稳压器为所述电阻信号调理单元、所述电压信号调理单元、所述频率信号调理单元和所述模数转换单元供电，且处于分时可控上电状态；所述第三低压差线性稳压器经过所述负载开关后分为两路可控输出，用于为外接单元供电。
3.根据权利要求1所述的通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，所述频率信号调理单元包括温补晶振，所述温补晶振作为基准信号，用于对待测频率信号进行测量。
4.根据权利要求1所述的通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，所述模数转换单元为24位Δ-Σ模数转换器。
5.根据权利要求1所述的通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，所述微控制器的型号为MSP430FR5994。
6.根据权利要求1所述的通用电阻、电压和频率信号采集模块，其特征在于，还包括：串行通信接口；所述串行通信接口包括RS232接口和RS485接口，所述串行通信接口与所述微控制器双向通信，所述通用电阻、电压和频率信号采集模块通过所述串行通信接口与外界交互。
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一种高精度数据采集系统模拟信号调理电路的设计;陈淑芳;;长沙铁道学院学报(社会科学版)(第01期);第215-217页 *

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