CN1195367C - 一种多个多物理量传感器信号总线传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明通过单一复合总线3和多个有源接线盒2，检测大量含有多种物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器1的信号，具有传感器布线简单、节约，获取信息丰富，检测速度快，能在有源接线盒中进行电压电流转换以提高传输距离，改善频率响应和抗拒干扰和在有源接线盒中进行抗污染处理的特点。在车载故障诊断系统试验中应用效果优秀。

Description

一种多个多物理量传感器信号总线传输系统

技术领域

本发明涉及一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，它属于系统监控和测试装置。

背景技术

现有的涉及多种物理量检测和应用多个同一物理量的传感器检测和测试的系统中，有的是每一个传感器单独传输的，例如以往在单点和多点检测中大量使用的振动冲击检测的传感器；有的是对同一物理量的各个传感器的输出量进行数字化，特别是传感器的区分号码进行数字化，然后通过传感器总线进行传输的，例如数字式温度传感器18b20，它把检测的温度进行数字化，以I²C方式发送，而该类传感器中的每一个都有一个由64位激光ROM保存的唯一的编号，温度检测装置通过I²C总线，呼叫连接在总线上的某个18B20传感器的编号，对应的传感器接收到该编号后，通过I²C总线回传温度数据给温度检测装置，其他违背呼叫的传感器则不向I²C总线发送数据。典型的应用范例是现有的检测火车轴承温度的“轴温报警器”。这些技术尚不能够解决多个、多种物理量检测传感器总线传输的问题。

发明内容

本发明的目的，在于设计一种检测多种物理量的多个复合传感器信号通过传感器总线传输的技术，解决工程现场应用中由于大量使用多个、多物理量传感器单独向监测仪器传输而使用大量电缆的问题。

本发明的另一个目的在于解决与传感器总线联接的多物理量检测的复合传感器及其信号调理器的问题。

本发明的又一个目的在于解决分布比较集中的传感器与传感器总线联接的接线盒技术问题。

本发明是以如下方式实现的。

它包括传感器1，接线盒2和总线3，其特征在于：

所述传感器1是一种含有多个物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器；

所述接线盒2是一种含有多个传感器插头座20(201～20M)、计算机21、多个物理量切换开关22、通信接口23、总线插座24(241～242)的有源接线盒；

每个接线盒2通过传感器插头座20(201～20M)与等于或少于M个传感器1连接；

所述总线3是一种含有电源线31、模拟通信线32、数字通信线33、34和地线35的复合总线；

来自监测仪器的复合总线3通过插头座与任意一个有源接线盒2的总线插座24(如241)连接，该有源接线盒2的另一个总线插座(如242)通过插头座与另一个有源接线盒的总线插座(如241)通过复合总线级联。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为含有多个物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器原理图；

图3为调理器电路原理框图；

图4为调理器电路原理图；

图5为有源接线盒原理框图；

图6为电压电流转换器原理图；

图7为抗污染电路原理图。

具体实施方式

如图1-7所示：

它包括传感器1，接线盒2和总线3，其中

所述传感器1是一种含有多个物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器；

所述接线盒2是一种含有多个传感器插头座20(201～20M)、计算机21、多个物理量切换开关22、通信接口23、总线插座24(241～242)的有源接线盒；

每个接线盒2通过传感器插头座20(201～20M)与等于或少于M个传感器1连接；

所述总线3是一种含有电源线31、模拟通信线32、数字通信线33、34和地线35的复合总线；

来自监测仪器的复合总线3通过插头座与任意一个有源接线盒2的总线插座24(如241)连接，该有源接线盒2的另一个总线插座(如242)通过插头座与另一个有源接线盒的总线插座(如241)通过复合总线级联。

如图2为含有多个物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器示意图；其特征在于，该复合传感器1含有振动冲击敏感器件11，温度敏感器件12、调理器电路13和接线端子14，其中

接线端子14的电源脚141接到调理器电路的电源脚131，

接线端子14的地线脚145接到调理器电路的地线脚137，

接线端子14的模拟输出端142接调理器13的模拟输出端132，

接线端子14的增益调节端144接调理器13的增益调节端136，

接线端子14的数字IO端143接温度敏感器件12的数字IO端122，

温度敏感器件12的电源脚121接调理器13的电源输出端135，

温度敏感器件12的地线脚123接调理器13的地线端137，

振动冲击敏感器件11的两端Z2、Z1接调理器13的133、134端。

所述温度敏感器件12，可以是18B20数字温度传感器。所述振动冲击敏感器件可以是压电陶瓷或其组合。

如图3，所述调理器电路13包括基准电源138、差动电路139、灵敏度电路13A和端子131～137，电源端子131和地线端子137接到基准电路138、差动电路139、灵敏度电路13A的电源端D和地线端G，基准电路的输出端O输出的基准电压接到端子135和差动电路139的基准输入端J，差动电路的振动冲击敏感器输入端Z1、Z2接到端子134和133，差动电路139的信号输出端O0接到灵敏度电路的输入端I，灵敏度电路的输出端O1、O2接到端子132、136，在端子132、136外接一个进行灵敏度调节的电阻RL。

图4是调理器电路13的具体电路。由电阻R1、R2和稳压管Z组成基准电路，电阻R1的一端是该电路的与端子131相连的电源端D，另一端接电阻R2和稳压管Z的正端，电阻R2另一端和稳压管Z的负端接该电路的地线端G，地线端G接端子137，R1和R2的连接点即是基准电路的输出端O，接到端子135和差动电路139的基准输入端J，调理器电路13的基准电压等于稳压管的工作电压；

由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、运放N1、N2、N3(与N4为同一片四运放，使用相同的电源)组成差动电路139，其输入端口J接到基准电路的输出端O，还连接到电阻R3、R4、R6的一端，电阻R3的另一端接到运放N1的正端和Z2端口，经过Z2连接到端子133，电阻R4的另一端接运放N2的正端和Z1端口，经过Z1连接到端子134，运放N1、N2的负端接到自己的输出端，电阻R6的另一端接到运放N3的正端，运放N1的输出端经过电阻R5接到运放N3的正端，运放N2的输出端，经过电阻R7接到运放N3的负端，运放N3的负端还经过电阻R8接到其输出端，运放N3的输出端即是差动电路的输出端O0，其中电阻R5、R7的阻值相等，电阻R6、R8的阻值相等；

由电阻R9、RL和运放N4组成灵敏度电路13A，运放的电源端即是电路的电源端D，接到端子131，运放的负电源端即是电路的地线端G，接到端子137，运放的正输入端接到差动电路的基准输入端J，电阻R9的一端是所述调理器电路13的输入端I，接到差动电路的输出端O0，另一端接到运放N4的负输入端，还接到端子136，通过端子外接或内接的电阻RL接到端子132，端子132接到运放的输出端，通过改变RL/R9来改变调理器的灵敏度。

如实施例如图5所示，所述有源接线盒2是包括多个传感器插头座20(201～20M)、计算机21、切换开关22、通信接口23、总线插座24(241～242)的有源接线盒，有源接线盒的切换开关的数量，等于需要分离的来自传感器信号所含物理量个数，本例为2个，切换开关的通道数，等于或大于传感器的个数和传感器插头座20的个数M，本例的通道数为8。传感器插头座21(201～20M)与传感器端子通过电缆联接的关系，以201插座为例如下表：

连接信号内容	电源正	模拟信号	数字IO	调灵敏度	地线
						传感器端子号	141	142	143	144	145
接线盒插座脚号	2011	2012	2013		2015

本实施例的有源接线盒2的切换开关22含有模拟切换开关221、数字切换开关222；

所述模拟切换开关221的通道1～M分别与传感器插头座201～20M的脚号2012～20M2连接，该模拟切换开关221切换的模拟输出信号O1与总线插座241、242的脚号2412、2422连接，该模拟切换开关221通道地址与片选和三态控制端口K1连接到计算机21的PO0口；

数字切换开关222的通道1～M分别与传感器插头座201～20M的脚号2013～20M3连接，其切换的数字IO信号O2与计算机的PIO1口连接，其通道地址、片选和三态控制和IO方向控制端口K2也连接到计算机21的PIO1口；在计算机(21)的(PIO1)接口的通道数大于或等于所述的传感器数字信号通道数M时，直接用(PIO1)口作为数字切换开关(222)；由于计算机21可以在平时通过数字切换开关检测传感器的数字信号，在检测仪器需要时通过通信接口快速发送本接线盒所辖传感器的数字信息，极大地提高了检测速度。

计算机21的PIO2口连接到通信接口23的数据IO端，通信接口23的1条或2条通信线，连接到总线插座241、242的对应脚号2413、2423和2414、2424，

总线插座241、242的地线脚2415、2425与所有电路的地线连接，还连接到传感器插头座201～20M的地线脚号2015～20M5。

总线插座241、242的电源脚2411、2421直接或通过相应的电压调节器件调节后，连接到各电路的电源端和连接到传感器插头座201～20M的电源脚号2011～20M1。

复合总线3与有源接线盒2的总线插座241、242的连接关系见下表：

连接信号内容	电源	模拟信号	通信1	通信2	地线
						总线序号	31	32	33	34	35
总线插座脚号	2411	2412	2413	2414	2415
						总线插座脚号	2421	2422	2423	2424	2425

如图6，为了改善模拟信号远传的频率响应和抗干扰能力，增加把模拟电压信号转换为电流信号远传的电压电流转换器。该电压电流转换器串联在模拟切换开关221的输出端O1与总线插头座24的插脚2412、2422之间。所述电压电流转换器含有运放N5、N6，电阻R10～R14和二极管V1，模拟切换开关221的输出端O1接运放N5的正输入端I3，N5的输出端经过电阻R11接到N6的正输入端，N6的正输入端还经过电阻R12接地，N5的输出端还接电阻R10，R10的另一端接电阻R13和二极管V1的正端，V1的负端输出接到总线插头座24的插脚2412、2422，电阻R13的另一端接N6的负输入端，N6的负输入端经过电阻R14接到N6的输出端，N6的输出端还接到N5的负输入端；电阻R12、R14阻值相等，电阻R13、R11阻值相等，V1的输出电流I与I3的输入电压U有函数关系：I＝U(R13/R14)/R10。

如图7，为了防止传感器和插头座被污染而使传感器和数字量切换开关的数字电平受污染负载影响而失效，增加抗污染电路。所述抗污染电路并联在有源接线盒2的数字量切换开关222之前，它包括与数字量切换开关通道数M相同的、各通道输入端与数字量切换开关的通道输入端并联的、其通道地址、片选和三态控制、IO方向控制端口K3也与数字量切换开关的对应控制端口K2并联而同步工作的第二模拟切换开关25、电阻R20～R21、电容C20、运放N7和基准VCC，第二模拟切换开关25的输出端O3接到控制电阻R20、检测电阻R21的一端，R20的另一端接运放N7的输出端，R21的另一端接运放N7的负输入端，N7的负输入端到输出端还并联接入积分电容C20，N7的正输入端接基准VCC。实施例的第二模拟切换开关用DG408，R20＝0.56k，R21＝100k，C20＝0.1uf，VCC＝5V，N7使用0～10V电源。切换开关222与传感器连接的IO线的平时电平为VCC，通信时，有高频的0电平脉冲，本电路同步检测IO线电平，在IO线为VCC电平时N7输出端也为VCC电平，不影响IO线电平；当IO线出现频率为F的0电平脉冲时，时间常数R22*C20大于1/F的积分电路输出1.5VCC高电平，通过R20向IO线注入尚能够保证IO线逻辑电平合格的上拉恒电流，若IO线受到对更高电压电源漏电的污染，则由R20向IO线发送下拉恒定电流以抗拒该污染，若IO线受到对对地漏电的污染，则由R20向IO线发送上拉恒定电流以抗拒该污染。

本发明通过单一复合总线3和多个有源接线盒2，检测大量含有多种物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器1的信号，具有传感器布线简单、节约，获取信息丰富，检测速度快，能在有源接线盒中进行电压电流转换以提高传输距离，改善频率响应和抗拒干扰和在有源接线盒中进行抗污染处理的特点。在车载故障诊断系统试验中应用效果优秀。

Claims (8)

1、一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，它包括传感器(1)，接线盒(2)和总线(3)，其特征在于：

所述传感器(1)是一种含有多个物理量敏感器件并内置调理器的复合传感器；

所述接线盒(2)是一种含有多个传感器插头座(20)、计算机(21)、多个物理量切换开关(22)、通信接口(23)、总线插座(24)的有源接线盒；

每个接线盒(2)通过传感器插头座(20)与等于或少于M个传感器(1)连接；

所述总线(3)是一种含有电源线(31)、模拟通信线(32)、数字通信线(33、34)和地线(35)的复合总线；

来自监测仪器的复合总线(3)通过插头座与任意一个有源接线盒(2)的总线插座(24)连接，该有源接线盒(2)的另一个总线插座通过插头座与另一个有源接线盒的总线插座通过复合总线级联。

2、如权利要求1的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于所述传感器(1)含有振动冲击敏感器件(11)，温度敏感器件(12)、调理器电路(13)和接线端子(14)，其中：

接线端子(14)的电源脚(141)接到调理器电路的电源脚(131)，

接线端子(14)的地线脚(145)接到调理器电路的地线脚(137)，

接线端子(14)的模拟输出端(142)接调理器(13)的模拟输出端(132)，

接线端子(14)的增益调节端(144)接调理器(13)的增益调节端(136)，

接线端子(14)的数字IO端(143)接温度敏感器件(12)的数字IO端(122)，

温度敏感器件(12)的电源脚(121)接调理器(13)的电源输出端(135)，

温度敏感器件(12)的地线脚(123)接调理器(13)的地线端(137)，

振动冲击敏感器件(11)的两端(Z2、Z1)接调理器(13)的(133、134)端。

3、如权利要求2的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于所述温度敏感器件(12)是18B20数字温度传感器，所述振动冲击敏感器件是压电陶瓷。

4、如权利要求2的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于：所述调理器电路(13)由电阻(R1、R2)和稳压管(Z)组成基准电路，电阻(R1)的一端是该电路的与端子(131)相连的电源端(D)，另一端接电阻(R2)和稳压管(Z)的正端，电阻(R2)另一端和稳压管(Z)的负端接该电路的地线端(G)，地线端(G)接端子(137)，电阻(R1)和电阻(R2)的连接点即是基准电路的输出端(O)，接到端子(135)和差动电路(139)的基准输入端(J)，调理器电路(13)的基准电压等于稳压管的工作电压；

由电阻(R3、R4、R5、R6、R7、R8)、运放(N1、N2、N3)组成差动电路(139)，其输入端口(J)接到基准电路的输出端(O)，还连接到电阻(R3、R4、R6)的一端，电阻(R3)的另一端接到运放(N1)的正端和端口(Z2)，经过(Z2)连接到端子(133)，电阻(R4)的另一端接运放(N2)的正端和端口(Z1)，经过(Z1)连接到端子(134)，运放(N1、N2)的负端接到自己的输出端，电阻(R6)的另一端接到运放(N3)的正端，运放(N1)的输出端经过电阻(R5)接到运放(N3)的正端，运放(N2)的输出端，经过电阻(R7)接到运放(N3)的负端，运放(N3)的负端还经过电阻(R8)接到其输出端，运放(N3)的输出端即是差动电路的输出端(O0)，其中电阻(R5、R7)的阻值相等，电阻(R6、R8)的阻值相等；

由电阻(R9、RL)和运放(N4)组成灵敏度电路(13A)，运放的电源端即是电路的电源端(D)，接到端子(131)，运放的负电源端即是电路的地线端(G)，接到端子(137)，运放的正输入端接到差动电路的基准输入端(J)，电阻(R9)的一端是所述调理器电路(13)的输入端(I)，接到差动电路的输出端(O0)，另一端接到运放(N4)的负输入端，还接到端子(136)，通过端子外接或内接的电阻(RL)接到端子(132)，端子(132)接到运放的输出端，通过改变电阻RL与电阻R9的比值来改变调理器的灵敏度。

5、如权利要求1的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于：所述接线盒(2)是包括多个传感器插头座(20)、计算机(21)、切换开关(22)、通信接口(23)、总线插座(24)的有源接线盒，有源接线盒的切换开关的数量，等于需要分离的来自传感器信号所含物理量个数，切换开关的通道数，等于或大于传感器的个数和传感器插头座(20)的个数M；

所述切换开关(22)含有模拟切换开关(221)、数字切换开关(222)；

所述模拟切换开关(221)的通道1～M分别与传感器插头座(201～20M)的脚号(2012～20M2)连接，所述模拟切换开关(221)切换的模拟输出信号(O1)与总线插座(241、242)的脚号(2412、2422)连接，该模拟切换开关(221)通道地址与片选和三态控制端(K1)连接到计算机(21)的(PO0)口；

数字切换开关(222)的通道1～M分别与传感器插头座(201～20M)的脚号(2013～20M3)连接，该数字切换开关222切换的数字(IO)信号(O2)与计算机的(PIO1)口连接，该数字切换开关222通道地址、片选和三态控制和(IO)方向控制端口(K2)也连接到计算机(21)的(PIO1)口；在计算机(21)的(PIO1)接口的通道数大于或等于所述传感器数字信号通道数M时，直接用(PIO1)口作为数字切换开关(222)；

所述计算机(21)的(PIO2)口连接到通信接口(23)的数据(IO)端，通信接口(23)的1条或2条通信线，连接到总线插座(241、242)的对应脚号(2413、2423)和脚号(2414、2424)；

所述总线插座(241、242)的地线脚(2415、2425)与所有电路的地线连接，还连接到传感器插头座(201～20M)的地线脚号(2015～20M5)；

总线插座(241、242)的电源脚(2411、2421)直接或通过相应的电压调节器件调节后，连接到各电路的电源端和连接到传感器插头座(201～20M)的电源脚号(2011～20M1)。

6、如权利要求1的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于：所述多个物理量切换开关(22)的模拟切换开关(221)的输出端(O1)与总线插座(24)的插脚(2412、2422)之间还串联有电压电流转换器，该电压电流转换器含有运放(N5、N6)，电阻(R10～R14)和二极管(V1)，模拟切换开关(221)的输出端(O1)接运放(N5)的正输入端(I3)，运放(N5)的输出端经过电阻(R11)接到运放(N6)的正输入端，运放(N6)的正输入端还经过电阻(R12)接地，运放(N5)的输出端还接电阻(R10)，该电阻(R10)的另一端接电阻(R13)和二极管(V1)的正端，(V1)的负端输出接到总线插头座(24)的插脚(2412、2422)，电阻(R13)的另一端接运放(N6)的负输入端，运放(N6)的负输入端经过电阻(R14)接到运放(N6)的输出端，运放(N6)的输出端还接到运放(N5)的负输入端；电阻(R12、R14)阻值相等，电阻(R13、R11)阻值相等。

7、如权利要求1的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于：所述有源接线盒(2)的数字量切换开关(222)之前并联有抗污染电路，该抗污染电路包括第二模拟切换开关(25)、电阻(R20～R21)、电容(C20)、运放(N7)和基准(VCC)，所述第二模拟切换开关(25)与数字量切换开关通道数M相同，该第二模拟切换开关(25)各通道输入端与数字量切换开关的通道输入端并联，且第二模拟切换开关(25)的通道地址、片选和三态控制、IO方向控制端口(K3)也与数字量切换开关的对应控制端口(K2)并联而同步工作；第二模拟切换开关(25)的输出端(O3)接到控制电阻(R20)、检测电阻(R21)的一端，(R20)的另一端接运放(N7)的输出端，电阻(R21)的另一端接运放(N7)的负输入端，运放(N7)的负输入端到输出端还并联接入积分电容(C20)，运放(N7)的正输入端接基准(VCC)。

8、如权利要求1或7的一种多个多物理量传感器信号总线传输系统，其特征在于所述接线盒(2)的抗污染电路的第二模拟切换开关用(DG408)，电阻(R20)阻值为0.56k，电阻(R21)阻值为100k，电容(C20)电容值为0.1uf，基准(VCC)采用5V直流供电，运放(N7)使用0～10V电源。

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