CN1655202A - Rs485+i多路模拟信号总线发送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于包括一个电源电路和随时接收巡检主机(上位机)发出的模拟信号总线发送器的地址编码指令和巡检工作指令的接收电路，一个电平变换电路，一个译码器电路，一个控制待机和巡检工作的电路，一个巡检计数电路，一个巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路，一个100uA精密恒流源电路，一个换向、调向及V/I变换电路和输出控制电路。本发明与目前仓储粮温度检测系统相比较，在提高精度的同时，彻底解决了通讯冲突、A/D变换分散，一致性差等的问题，同时减少电子元器件90－95％，大大降低了系统的故障率、维护费用和减少了维修难度。可在更多的领域里推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量与控制，尤其涉及大面积多点集中的温度测量与控制。
背景技术
RS485+I多路模拟信号总线发送器的发明，来自于《大型筒仓群中粮食温度检测系统的研究》，是仓储粮温度检测系统的一部分，叫分机。它等同于采用模拟温度传感器的现有仓储粮温度检测系统的分机。不同的是，现有仓储粮温度检测系统的分机是在单片机的控制下工作，向上接受计算机通过通讯主机或总线控制器或数据采集卡发出的选分机的地址编码指令和读取数据指令的控制，传送温度数据给计算机；向下发出选分线器的地址编码指令和读取分线器内的温度数据指令或控制分线器的巡检指令。现有仓储粮温度检测系统的系统结构如框图所示。
现有采用模拟传感器的仓储粮温度检测系统的分机大致有两种：
一种是，在单片机的控制下向下发出选取分线器的地址编码指令和读取分线器内的温度数据指令的分机。它内部不带A/D变换电路，传感器信号的模拟量在分线器内的单片机的控制下转换成数字量。效果是，能完成向下读取温度数据，向上传送温度数据的功能。优点是，任务明确、功能简单、连线少，无需调试模拟信号。缺点是，分机与分线器的RS485、分机与通讯主机或总线控制器或数据采集卡的RS485总线驱动、接收电路都是在单片机的控制下，工作在半双工状态，常因单片机的控制失常造成通讯冲突的故障；分机的下位机A/D变换电路多，可调器件多，单片机电路多，电子元器件多，长期使用因可调器件和其他电子元器件的电参数变化，造成A/D变换失常的故障，电子元器件损坏等故障也多。维修、维护时必须是专业技术人员才能胜任。
另一种，也是在单片机的控制下向下发出选分线器的地址指令的分机。与前者不同的是，它内部带A/D变换电路，直接控制分线器巡检。传感器的电压信号在分线器内变成电流信号送给分机。效果是，能控制分线器完成巡检，能完成传感器信号的A/D变换，能完成向上传送温度数据的功能。优点是，任务明确、功能相对集中、连线少，比较前者，系统的A/D变换电路少，可调器件少，因可调器件和其他电子元器件的电参数变化，造成A/D变换失常的故障少，RS485总线半双工通讯冲突故障少。缺点是，每个分机都必须调试模拟信号。分线器内电子元器件多的问题仍然存在。维修、维护时也必须是专业技术人员才能胜任。
发明内容
本发明旨在用一种不带A/D变换电路，不带单片机和其他靠程序运行的智能电路，在上位机RS485总线信号的控制下直接巡检512点以内反并联PN结温度传感器(其他传感器256个)的模拟信号总线发送器，代替大面积多点集中检测系统的分机，取消分机的下位机-分线器内的所有电子元器件。解决目前仓储粮温度检测系统，因在现场恶劣环境中工作的电子元件多、A/D变换电路多、可调器件多、靠程序运行的智能电路多，而故障率高，维修、维护难度大的问题。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种靠接收巡检主机(上位机)的RS485总线指令，对512个以内的反并联PN结温度传感器(其他传感器256个)进行逐个巡检，并将每个传感器的电压信号变成电流信号与RS485总线的高电平驱动线构成电流环的三线制的RS485+I多路模拟信号总线发送器(以下简称模拟信号总线发送器)。
组成模拟信号总线发送器的功能电路有：
一个具有抗雷击能力的RS485总线信号接收电路，随时接收上巡检主机发出的模拟信号总线发送器的地址编码指令和巡检指令；
一个电平变换电路，将RS485总线信号接收电路输出的5V供电电平变成与模拟信号总线发送器其他电路相匹配的电平；
一个译码器电路，随时译出巡检主机发出的模拟信号总线发送器的编码指令；
一个能控制模拟信号总线发送器待机或巡检工作的电路，随时根据译码电路输出的状态进入巡检工作；
一个计数电路，记录巡检主机发出的巡检点的数量，并控制模拟开关阵列电路巡检；
一个巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响的电路，根据计数器输出控制阵列进行巡检和消除模拟开关电阻温度漂移；
一个100uA精密恒流源电路，给选中的传感器提供100uA工作电流；
一个100uA的换向、调向和V/I变换电路，输出控制电路，对反并联PN结温度传感器进行供电控制；将反并联PN结温度传感器中的反相温度信号也变成正相信号；将传感器电压信号变成电流信号输出与RS485总线的高电平驱动线构成电流环的三线制总线；只允许模拟信号总线发送器输出电流信号不允许输入电流信号；
一个电源电路，为模拟信号总线发送器内的功能电路供电。
本发明的技术解决方案还包括：
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的电平变换电路，其特征在于所述的电平变换电路由RS485总线标准通讯信号接收集成电路，三极管，三极管基极限流电阻和三极管集电极负载电阻所组成，两个输入端A、B工作在差分状态，接收巡检主机发出的＞200mv的差动编码信号，输出通过电阻限流控制三极管工作在开关状态，实现+5V和+12V的电平变换。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的译码器电路，其特征在于所述的译码器电路由多路译码器集成电路芯片MC145027和外围电路中的两个电阻和两个电容所组成，芯片引脚A1~A5是译码器的3态地址编码器输入控制端，当C端(9脚)接收的串行编码的顺序与本机译码电路的顺序相同时，D端(11脚VT)输出高电平，控制分机进入巡检工作状态。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的控制待机和巡检的工作电路，其特征在于所述的控制待机和巡检的工作电路由一个RS触发器和一个三极管以及三极管的基极限流电阻所组成，在RS触发器和计数器的输出控制下通过三极管的导通与截止实现待机与巡检的转换。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的计数器电路，其特征在于所述的计数器电路乃是一块12位行波计数器电路芯片CD4040，其中，9脚(Q1)输出控制反并联传感器的换向开关和V/I变换输入换向开关；Q2、Q3、Q4、Q5输出控制矩阵行开关；Q6、Q7、Q8、Q9输出控制矩阵列开关；Q10输出控制RS触发器。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路，其特征在于所述的巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路是由四个16选1模拟开关集成电路CD4067组成，其中，控制行和列巡检电路各用一片，消除行和列模拟开关导通电阻温漂影响的电路各一片，在计数器的控制下，每个16选1模拟开关中始终保持一个开关导通，对应选中一个温度传感器。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的100uA精密恒流源电路，其特征在于所述的100uA精密恒流源电路由电阻R1、R2，高精度集成稳压芯片WD和运算放大器A组成，电路中的开关K以三极管代替，待机时导通，100uA电流对地断路，分机被选中时三极管截止，100uA电流通过换向开关和矩阵开关给传感器供电。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路，其特征在于所述的换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路系指传感器供电电流换向电路和V/I变换输入信号调向电路，由两片CMOS四双向模拟开关CD4066集成电路芯片组成；V/I变换电路和输出控制电路采用两个运算放大器A1、A2和电阻R所组成；二极管D构成输出单向控制电路，其中，KA1、KA2、KA3、KA4组成了控制100uA恒流电流给反并联PN结温度传感器供电的换向电路；KB1、KB2、KB3、KB4组成了控制PN结温度传感器电压信号极性送入V/I变换电路的换向电路。
所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器的电源电路，其特征在于所述的电源电路是由220V电源变压器，二极管全波整流电路，低频滤波电容，高频滤波电容，5V三端稳压集成电路LM7805、12V三端稳压集成电路LM7812所组成，交流220V电压通过电源变压器变成交流15V，经全波整流和滤波后送给5V三端稳压集成电路LM7805和12V三端稳压集成电路LM7812进行稳压和高频滤波，输出+12V和+5V直流电压。
与现有技术相比较本发明提出的模拟信号总线发送器的优点表现在：
1、彻底解决了目前仓储粮温度检测系统的分机在单片机的控制下，靠RS485总线驱动与接收电路与上位机内的RS485总线驱动与接收电路，和下设分线器的RS485总线驱动与接收电路进行半双工通讯收发数据通讯冲突的问题；
2、彻底解决了目前仓储粮温度检测系统的分机或分线器内A/D变换电路在现场的恶劣环境中长期分散使用，因可调器件和其他电子元器件的电参数变化，造成变换失常的问题；
3、减少仓储粮温度检测系统的电子元器件90～95％(400点以上系统)，降低了测温系统中电子元器件在恶劣的环境中使用的故障率。
4、利用反并联PN结温度传感器钳位的特性，提高了模拟信号总线发送器的抗雷击的能力。同时，解决了PN结温度传感器单向导电不耐雷击的问题。
4、降低了仓储粮温度检测系统因电子元器件多、单片机多、A/D变换电路多的维修、维护难度。同时，也大大降低了系统的故障率和使用维护费用；5、降低了仓储粮温度检测系统的生产成本和调试的工作量。
附图说明
图1是本发明的控制原理框图。
图2是本发明的电路结构原理图。
图3为电源电路。
图4为RS485总线信号接收电路和电平变换电路。
图5为译码器电路。
图6为100uA精密恒流源电路。
图7为待机和巡检控制电路。
图8为巡检计数电路。
图9为巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路。
图10为换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路。
图11为现有仓储粮温度检测系统的系统结构框图。
图2为本发明的说明书摘要附图。
图中，1为传感器阵列，2为矩阵开关电路，3为换向和调向开关电路，4为V/I变换和输出单向控制电路，5为本机地址译码电路，6和7为待机和巡检控制电路，8为100uA电流源电路，9为计数器电路，10为电平变换电路，11为RS485总线信号接收电路，12为二极管电流环的电流回路电路。
具体实施方式
如图所示的一种利用地址译码器、计数器、模拟开关等电路，实现了在上位机RS485总线的直接控制下，采集每一个分机512点以内的传感器信号的模拟信号总线发送器。通过利用RS485总线驱动接收电路的输入保护电路，实现了用三条线既能接收RS485总线信号，又能上传电流信号的功能。即模拟信号总线发送器的输出用一条线与上位机相连，再与上位机的RS485总线高电平驱动线构成电流环。同时，通过对反并连PN结温度传感器的控制，实现了矩阵布线的行线×列线×2(16×16×2＝512)的控制传感器空间；以及通过利用运算放大器输入虚短的特性，实现了悬浮传感器的单电源供电的零幅度放大的全运放V/I变换功能。
下面对该模拟信号总线发送器的功能电路进一步加以介绍：1.电源电路
电源电路是由220V电源变压器、二极管全波整流电路、低频滤波电容、高频滤波电容、5V三端稳压集成电路LM7805、12V三端稳压集成电路LM7812等组成。如图3，其工作原理是：交流220V电压通过电源变压器变成交流15V，经全波整流和滤波后送给5V三端稳压集成电路LM7805和12V三端稳压集成电路LM7812进行稳压和高频滤波，输出+12V和+5V直流电压。
2.RS485总线信号接收电路和电平变换电路
RS485总线标准通讯信号接收电路和电平变换电路，由RS485总线标准通讯信号接收集成电路(以下简称RS485电路)、三极管、三极管基极限流电阻、三极管集电极负载电阻组成。如图4所示，其工作原理是：RS485电路是一种半双工接收和发射的功能电路。设计时，利用RS485电路的施能端将其锁定在接收的工作状态，两个输入端A、B工作在差分状态，能接收巡检主机发出的＞200mV的差动编码信号，输出通过电阻限流控制三极管工作在开关状态以实现+5V和+12V的电平变换。图4中的输出C与图5和图8的C连接。
3.译码器电路
采用多路译码器集成电路芯片MC145027，外围电路有两个电阻和两个电容组成。如图5所示，芯片引脚A1～A5是译码器的3态地址编码输入控制端。通过对A1～A5引脚的不同连接可组合出35＝243种不同编码。每个分机对应一种编码，当C端(9脚)接收的串行编码的顺序与本机译码电路的编码顺序相同时D端(11脚VT)输出高电平控制分机进入巡检工作状态。图中的D端输出与图6的D端输入连接。
4.100uA精密恒流源电路
100uA精密恒流源电路是为PN结温度传感器设计的。由电阻R1、R2，高精度集成稳压芯片WD和运算放大器A组成。如图6所示电路中的K是由图7中的三极管代替，待机时导通，100uA电流对地断路，分机被选中时三极管截止，100uA电流通过换向开关、矩阵开关给传感器供电。
100uA电流源的工作原理是，根据运算放大器A的两个输入端虚短的特性，
得电阻R2两端电压降UR2等于集成稳压芯片WD的两端电压降UWD，通过R2的电流
IR2＝UWD/R2＝100uA
5.待机和巡检控制电路
控制分机进入巡检工作的电路是一个RS触发器和一个三极管以及三极管的基极限流电阻组成。如图7所示，分机上电瞬间RS触发器的S端在电容的作用下被置位为高电平“1”，R端在译码器的作用下为低电平“0”，三级管导通，100uA电流对地断路，V/I变换电路输出电流为零。RF输出控制计数器复位，当译码器电路接收到的编码信号与本电路编码相同时VT输出D为高脉冲，RS触发器被复位，三级管截止分机，进入巡检工作状态，图8计数器开始计数，当计数到513时，计数器的Q10输出高电平，RS触发器的S端得到高电平脉冲，三级管导通，分机进入待机状态。
6.巡检计数电路
控制巡检的计数电路采用12位行波计数电路芯片CD4040，如图8所示，其中，9脚(Q1)输出控制反并联传感器的换向开关和V/I变换输入换向开关；Q2、Q3、Q4、Q5输出控制矩阵行开关，Q6、Q7、Q8、Q9输出控制矩阵列开关；Q10输出控制RS触发器。
当本机译码电路的D端(11脚VT)输出高电平脉冲时，RS触发器控制计数器CD4040开始计数。当计数器的Q10输出为高电平时，RS触发器控制计数器CD4040复位，表示分机在主机的控制下完成一次巡检工作。进入待机状态。
7.巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路
巡检控制和消除控制电路电阻温度漂移影响的电路，是由四个16选1模拟开关集成电路CD4067组成。如图9所示，其中，控制行和列巡检电路各用一片，消除行和列模拟开关导通电阻温度漂移影响的电路各用一片。四个16选1模拟开关在计数器的控制下，每个16选1模拟开关中始终保持一个开关导通。对应选中一个温度传感器。
100uA的电流通过换向开关和行(或列)开关到PN结温度传感器，再通过列(或行)开关构成回路。在PN结温度传感器和连线上产生的电压信号，通过另两个16选1模拟开关取回，再通过信号调向模拟开关送给V/I变换电路。利用V/I变换电路的高输入阻抗特性，使取回的电压信号时通过模拟开关的电流小于nA级，因此，电压信号通过模拟开关产生的压降可忽略不计，从而解决模拟开关导通电阻温度漂移对测温信号的影响。
8.换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路
传感器供电电流换向电路和V/I变换输入信号调向电路采用来两片CMOS四双向模拟开关CD4066集成电路芯片组成；V/I变换电路和输出控制电路采用两个运算放大器A1、A2和电阻R组成；二极管D构成输出单向控制电路。如图10所示，
其中，KA1、KA2、KA3、KA4组成了控制100uA恒流电流给反并联PN结温度传感器供电的换向电路；KB1、，KB2、KB3、KB4组成了控制PN结温度传感器电压信号极性送入V/I变换电路的换向电路。
100uA恒流电流通过KA1(或KA4)到PN结温度传感器，再通过KA2(或KA3)到运算放大器A2的输出端。PN结温度传感器和连线电阻的电压信号的正，通过KB1(或KB4)到运算放大器A1的同相输入端；PN结温度传感器和连线电阻的电压信号的负，通过KB2(或KB3)到运算放大器A2的同相输入端。电阻R采用精密电阻，通过外电路构成回路。根据运算放大器的两个输入端虚短的特性，得电阻R两端压降UR等于PN结温度传感器和连线电阻的电压。因此，通过电阻R的电流IR与PN结温度传感器和连线电阻的电压信号成正比。并与外电路形成电流环。
为了解决分机间电流环传输温度信号相互影响的问题，电阻R的回路中串二极管D控制电流单向输出。
Claims (9)
1.一种带RS485总线的RS485+I多路模拟信号总线发送器，包括一个电源电路和随时接收巡检主机(上位机)发出的模拟信号总线发送器的地址编码指令和巡检工作指令的接收电路，其特征在于该RS485+I多路模拟信号总线发送器还包括：
一个电平变换电路
一个译码器电路
一个控制待机和巡检工作的电路
一个巡检计数电路
一个巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路
一个100uA精密恒流源电路
一个换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路。
2.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的电平变换电路由RS485总线标准通讯信号接收集成电路，三极管，三极管基极限流电阻和三极管集电极负载电阻所组成，两个输入端A、B工作在差分状态，接收巡检主机发出的＞200mv的差动编码信号，输出通过电阻限流控制三极管工作在开关状态，实现+5V和+18V的电平变换。
3.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的译码器电路由多路译码器集成电路芯片MC145027和外围电路中的两个电阻和两个电容所组成，芯片引脚A1~A5是译码器的3态地址编码器输入控制端，当C端(9脚)接收的串行编码的顺序与本机译码电路的顺序相同时，D端(11脚VT)输出高电平，控制分机进入巡检工作状态。
4.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的控制待机和巡检的工作电路由一个RS触发器和一个三极管以及三极管的基极限流电阻所组成，在RS触发器和计数器的输出控制下通过三极管的导通与截止实现待机与巡检的转换。
5.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的计数器电路乃是一块12位行波计数器电路芯片CD4040，其中，9脚(Q1)输出控制反并联传感器的换向开关和V/I变换输入换向开关；Q2、Q3、Q4、Q5输出控制矩阵行开关；Q6、Q7、Q8、Q9输出控制矩阵列开关；Q10输出控制RS触发器。
6.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的巡检控制和消除控制电路电阻温漂影响电路是由四个16选1模拟开关集成电路CD4067组成，其中，控制行和列巡检电路各用一片，消除行和列模拟开关导通电阻温漂影响的电路各一片，在计数器的控制下，每个16选1模拟开关中始终保持一个开关导通，对应选中一个温度传感器。
7.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的100uA精密恒流源电路由电阻R1、R2，高精度集成稳压芯片WD和运算放大器A组成，电路中的开关K以三极管代替，待机时导通，100uA电流对地断路，分机被选中时三极管截止，100uA电流通过换向开关和矩阵开关给传感器供电。
8.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的换向、调向和V/I变换电路、输出控制电路系指传感器供电电流换向电路和V/I变换输入信号调向电路，由两片CMOS四双向模拟开关CD4066集成电路芯片组成；V/I变换电路和输出控制电路采用两个运算放大器A1、A2和电阻R所组成；二极管D构成输出单向控制电路，其中，KA1、KA2、KA3、KA4组成了控制100uA恒流电源给反并联PN结温度传感器供电的换向电路；KB1、KB2、KB3、KB4组成了控制PN结温度传感器电压信号极性送入V/I变换电路的换向电路。
9.根据权利要求1所述的RS485+I多路模拟信号总线发送器，其特征在于所述的电源电路是由220V电源变压器，二极管全波整流电路，低频滤波电容，高频滤波电容，5V三端稳压集成电路LM7805、12V三端稳压集成电路LM7812所组成，交流220V电压通过电源变压器变成交流15V，经全波整流和滤波后送给5V三端稳压集成电路LM7805和12V三端稳压集成电路LM7812进行稳压和高频滤波，输出+12V和+5V直流电压。
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