CN201111712Y

CN201111712Y - 连接数据采集传感器的自动切换系统

Info

Publication number: CN201111712Y
Application number: CNU200720054234XU
Authority: CN
Inventors: 苏成; 徐郁峰; 谭林; 潘志刚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2017-07-17

Abstract

本实用新型公开了连接数据采集传感器的自动切换系统。该切换系统包括与一组传感器连接的集线器和控制器；控制器与集线器连接，控制器还与采集器电信号连接，多个集线器之间串联连接，和控制器连接的集线器还与采集器电信号连接。控制器与集线器之间通过RS485数据总线连接。本实用新型通过传感器连接的自动切换系统将传感器集成后，再与采集器相连，减少采集器和导线的消耗，采用一台采集器即可，节省了大量的导线，降低监测成本，同时也提高了工作效率。

Description

连接数据采集传感器的自动切换系统

技术领域

实用新型涉及数据采集系统，特别是涉及连接数据采集传感器的自动切换系统。

背景技术

数据采集系统的主要功能是把模拟信号转换成数字信号，并通过计算机进行分析、处理、存储和显示。一般的数据采集系统由依次电信号连接的传感器、采集器和电脑组成。

电测试系统的组成主要包括传感器、测试电缆和采集器三部分。传统应力测试方法是通过接长电缆直接将传感器与采集器相连。采集系统传统连接方式为：每个传感器通过一根导线延长至采集器，一个采集器一般只能采集10～20个传感器，因此需要采集多个传感器时，就要求配置多个采集器。若要采集200个传感器，则需要200根导线以及10台采集器。传统的采集连接方法需要消耗大量的导线及采集器，这样会使采集系统的成本增加。

实用新型内容

为了克服传统采集系统需要较多导线及采集器的弊病，本实用新型提出了电信号数据采集系统中传感器连接的自动切换系统，通过传感器连接的自动切换系统将传感器集成后，再与采集器相连，减少采集器和导线的消耗，降低成本。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

连接数据采集传感器的自动切换系统包括与一组传感器连接的集线器和控制器；控制器与集线器连接，控制器还与采集器电信号连接，多个集线器之间串联连接，和控制器连接的集线器还与采集器电信号连接。

所述控制器由AT89C51单片机以及与单片机信号连接的显示输出与键盘输入模块、485通讯模块和时钟模块组成，控制器还包括电源模块，电源模块与各模块及单片机连接，为其提供电源。

所述485通讯模块与AT89C51单片机的串行通信口相连接；时钟模块的复位电路与AT89C51单片机的第9针脚相连；显示输出与键盘输入模块的键盘电路与AT89C51单片机P0口相连接，从键盘输入功能选择、参数调整，并由AT89C51单片机处理。

所述电源模块由依次连接的输入滤波电路、34063型直流一直流转换芯片和输出滤波电路组成。

所述485通讯模块主要包括MAX485芯片，AT89C51单片机的P3.0连接到MAX485芯片的RO端，AT89C51单片机的P3.1连接到MAX485芯片的DI端，AT89C51单片机的P1.7连接到MAX485芯片的RE、DE端。

所述时钟模块包括译码器、实时时钟芯片和复位控制器；译码器、实时时钟芯片和复位控制器分别与AT89C51单片机连接，译码器与实时时钟芯片连接，复位控制器与实时时钟芯片连接；译码器选用74HC138型3-8译码器，实时时钟芯片选用DS12C887型芯片，复位控制器选用CSI1161PI芯片。

所述集线器由AT89C51单片机二、两位十进制键盘、通讯电路和电源电路组成；AT89C51单片机二分别与两位十进制键盘、通讯电路和电源电路连接；电源电路还分别与两位十进制键盘和通讯电路连接，以提供电源。

所述AT89C51单片机二的P0口与两位十进制键盘相接，供电电源经过上拉电阻也连接到P0口，AT89C51单片机二的串行通讯口P3.0、P3.1与通讯电路相连接，通讯电路使用MAX485芯片。

所述集线器中AT89C51型单片机二的P20～P23管脚分别与4片74HC574型D触发器连接，AT89C51型单片机二的双向I/O口P00～P07管脚经过74HC574型D触发器和七重达林顿管阵列连接，七重达林顿管阵列与继电器组连接。

所述控制器与集线器之间通过RS485数据总线连接。

相对于现有技术，本实用新型具有如下的有益效果：本实用新型通过应用电信号数据采集系统中与传感器连接的自动切换系统，将传感器集成后，再与采集器相连，减少采集器和导线的消耗，降低成本，同时降低了监测成本，提高了工作效率。如采用本实用新型的传感器连接自动切换系统，若要同时采集200个传感器，则需要1根导线、1台采集器、1个控制器及13个集线器，这样使的采集系统的成本大大降低，同时由于现场导线较少，易于保护。

附图说明

图1为本实用新型连接数据采集传感器的自动切换系统组成示意图；

图2为控制器电路框图；

图3为控制器电源模块结构示意框图；

图4为控制器显示输出与键盘输入模块结构示意框图；

图5为控制器485通讯模块结构示意框图；

图6为控制器时钟模块结构示意框图；

图7为集线器电路框图；

图8为集线器键盘电路示意框图；

图9为集线器电源模块结构示意框图；

图10为集线器输出模块结构示意框图。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型作具体的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，连接数据采集传感器的自动切换系统包括控制器3与集线器2。三个集线器2分别与三组传感器1相连，每一组传感器1为7个传感器。该系统也可以是多个集线器2，每个集线器2对应与一组传感器1相连。控制器3与其中一个集线器2之间通过RS485数据总线连接，多个集线器2之间通过数据线和模拟信号传输线串连连接，控制器3还与采集器4电信号连接。采集器4可选用DataTaker型采集器，与集线器2连接，该集线器2同时与控制器3连接。

如图2所示，控制器3内设有电源模块21，显示输出与键盘输入模块22、485通讯模块23、时钟模块24和控制器电路20。控制器电路即为AT89C51型单片机，其他各模块分别与AT89C51型单片机20信号连接。电源模块21把输入的直流12V电压转换为单片机系统的供电电压，给系统内各模块供电；485通讯模块23与AT89C51单片机的串行通信口相连接；时钟模块24的复位电路与AT89C51单片机的第9针脚相连；显示输出与键盘输入模块22的键盘电路与AT89C51单片机P0口相连接，从键盘输入功能选择、参数调整，并由AT89C51单片机处理。

控制器电路供电有电池供电和直流12C供电两种方式。如采用12V直流供电时，如图3所示，由于系统内芯片的电源电压一般是5V，所以电源模块21使用了34063直流一直流转换芯片，对12V直流电源进行转换。具体是，12V直流电源通过输入滤波电路31滤波后，再经过34063直流一直流转换芯片32的作用进入输出滤波电路33作用成为5V直流电源。

如图4所示，控制器3主要用发光LED和七段LED进行显示，用于显示切换周期和传感器的编号。电路中，显示输出与键盘输入模块22采用74HC138型3-8译码器对地址进行译码，74HC138型3-8译码器之一41和74HC138型3-8译码器之二42分别与控制器电路20信号连接。74HC1383-8译码器之一41还与74HC574型D触发器之一43信号连接；74HC138型3-8译码器之二42与74HC541型缓冲器44信号连接，74HC574D触发器之一43和74HC54型1缓冲器还分别与控制器电路20信号连接，并与ULN2003达林顿管阵列45连接，ULN2003达林顿管阵列45分别与74HC574D触发器之一46和键盘矩阵及发光LED矩阵47连接，D触发器74HC574之二46与七段LED48信号连接。考虑到显示模块的电流相对较大，所以采用了达林顿管阵列ULN2003，增加驱动能力。

如图5所示，控制器3和集线器2之间采用485总线连接，而AT89C51单片机20的串行通信口采用的是非485的电平，所以485通讯模块23使用电平转换电路，485/422收发器MAX485芯片可以方便地实现这种转换。连接方法是把AT89C51单片机20的P3.0(RXD)连接到MAX485芯片51的RO端，AT89C51单片机20的P3.1(TXD)连接到MAX485芯片51的DI端，AT89C51单片机20的P1.7连接到MAX485芯片51的RE、DE端，作为选通信号，同时控制MAX485芯片在同一时间只能发送或接收数据。为了动态地显示数据交换过程，系统设计了简单的发送、接受指示电路。指示电路用两个9012三极管52作开关管使用，发射极各接一个发光LED，基极分别经一电阻接到AT89C51单片机20的的P3.0口和P3.1接口，这样，当这两个口是低电平(有数据发送或接收)时，三极管导通，相应的LED发光。

时钟模块24的功能包括：(1)按用户要求调整采样时间，每个采样周期产生一次中断信号，供AT89C51型单片机使用；(2)看门狗功能。如图6所示，时钟模块24包括译码器63、实时时钟芯片61和复位控制器62。译码器63选用74HC138型3-8译码器，实时时钟芯片61选用DS12C887型芯片，复位控制器62选用CSI1161PI芯片。译码器63、实时时钟芯片61和复位控制器62分别与AT89C51单片机20连接，译码器63与实时时钟芯片61连接，复位控制器62与实时时钟芯片61连接。时钟模块24中地址信号经过74HC138型3-8译码器63选择DS12C887实时时钟芯片61，该芯片内含锂电池，具有计时功能，有3个可编程中断源，可与处理器电路AT89C51单片机20的中断系统连接，计时时间到则产生中断信号至AT89C51单片机20的中断输入端INT0，采用这种方式可以保证采样周期比较准确。CSI1161PI芯片62分别与AT89C51和DS12C887实时时钟芯片61连接，为AT89C51提供看门狗功能，防止程序跑飞。

如图7所示，集线器2内设AT89C51单片机二71，两位十进制键盘72、通讯电路74和电源电路73。AT89C51单片机二71分别与两位十进制键盘72、通讯电路74和电源电路73连接；电源电路73还分别与两位十进制键盘72和通讯电路74连接，以提供电源。如图8所示，AT89C51单片机二71的P0口与两位十进制键盘81相接，供电电源经过上拉电阻也连接到P0口，两位十进制键盘是机械式的，上有两位十进制数字显示，显示的数字不一样，其连接到P0口的8位二进制编码也不一样，这样单片机通过P0读取的信息就不一样，这样就实现了用二进制键盘来设置集线器的编号，上拉电阻主要起限流的作用。AT89C51单片机二的串行通讯口P3.0和P3.1与通讯电路74相连接，通讯电路使用MAX485芯片，它可以方便地实现非485电平和485电平的转换，连接方法是把AT89C51的P3.0(RXD)连接到MAX485的RO端，P3.1(TXD)连接到DI端，P2.6连接到MAX485的RE、DE，作为选通信号，同时控制MAX485在同一时间只能发送或接收数据；为了动态地显示数据交换过程，系统还设有简单的发送、接受指示电路，指示电路用两个9012三极管作开关管使用，发射极各接一个发光LED，基极分别经一电阻接到AT89C51的P3.0口和P3.1，当这两个口是低电平(有数据发送或接收)时，三极管导通，相应的LED发光。

电源模块73如图9所示，输入直流12V经阻容Pi型滤波器91滤波后，再通过7805型稳压管92，得到5V直流电压，经过滤波电路93电容滤波后给集线器2各部分电路供电。

如图10所示，集线器中AT89C51型单片机二71的P20～P23管脚分别与4片74HC574型D触发器101的连接，AT89C51型单片机二的双向I/O口P00～P07经过74HC574型D触发器101和七重达林顿管阵列102连接，七重达林顿管阵列102与继电器组103连接。集线器2中AT89C51型单片机二71的P20～P23管脚分别用作4片74HC574型D触发器的选通信号，AT89C51型单片机二71的双向I/O口P00～P07经过74HC574型D触发器101和ULN2803型七重达林顿管阵列102增加驱动能力后，控制继电器组103，实现不同采集通道的接通或断开。

数据采集器4用于传感器的数据采集和发出启动信号激发控制器3，控制器3用于巡检与其相连接所有集线器2上的传感器1，某个时刻只能与其中的一个传感器相连接，并显示当前传感器的编号。数据采集器4同时获得当前传感器的数据和编号。假如设有M(M≤32)个监测断面，每个断面设有n(n≤16)个传感器，一个控制器最多可以连接32个集线器，实际应用时，可以根据需要设置M个集线器与一个控制器连接；一个集线器可以连接16个传感器，实际应用时，可以根据需要设置n个集线器与一个集线器连接。设传感器1连接切换的时间间隔为T，本实用新型连接切换及数据采集流程如下：

①DataTaker采集器4输出数字信号，在t＝0时刻启动控制器3，控制器3复位，并将开关打至第1个集线器2的第1个传感器；

②DataTaker采集器4在t＝T/2时刻开始采集第1个传感器的数据；

③控制器3在t＝T时刻将连接切换到第2个传感器；

④DataTaker采集器4在t＝3T/2时刻开始采集第2个传感器的数据；

⑤如此循环，直至最后一个传感器的数据采集完毕。

上述流程可以归纳为：控制器3在t＝(i-1)T时刻将连接切换到第i个传感器，采集器则在t＝(i-1/2)T时刻开始采集第i个传感器的数据，i＝1，2，…，Mn。

实施例：在实验室里将一个DataTaker采集器4、一个控制器3、四个集线器2与16个Roctest振弦式传感器1相连，组成一个小型的传感器连接自动切换系统。其中16个传感器分成4组，每组有4个传感器；每组传感器与一个集线器相连，分别连接在第2、5、6和7号(集线器)位置上，如图1所示。

连接传感器的自动切换系统自动采集16个传感器的数据，其中切换的时周期分别设为2、5、8和10秒，以检测自动切换系统在不同时间间隔下的工作稳定性。由图1可见，每个监测断面的传感器1均与一个集线器2相连。集线器2通过电子开关将单个监测断面的传感器1集成在一起，但它同一个时刻只与一个传感器相连，具体与哪个传感器相连则由其所连的控制器3决定。众多集线器通过与一个控制器串联相连接，它们也是通过电子开关相互连接，控制器3在某一时刻也只能与一个集线器2相连，但具体连接哪个集线器2以及集线器2与哪个传感器1相连则是由控制器的内制芯片决定的。通过芯片程序，可对控制器所控制的所有传感器的连接开关自动以指定时间间隔从头到尾顺序切换一次，以达到采集所有与切换系统相连传感器的目的。实验结果如表1所示。从表1中可看出，编号为1-1传感器应用本系统采集在2S的时间系统切换周期下采集的频率为790.34Hz，手动采集，也就是将采集器直接与传感器相连接，采集传感器的频率值为790.31Hz，在不同的时间间隔下，该切换系统均能正常工作，系统稳定性良好。表中还看出，利用采集器直接采集传感器的频率值(是一种将应变转化为可测的电信号)与利用本切换系统的采集的数据相差不大，均在0.1％以内。基于DataTaker采集器的传感器自动切换系统同时也是一个数据采集系统，它可以克服传统数据采集系统需配置多台采集器的缺点，只需少量采集器，且导线用量可以大幅减少，同时也可以有效地提高后续数据传输工作的效率及降低相关费用。

表1不同时间间隔下自动切换系统采集数据对比(单位Hz)

Claims

1. 连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于该切换系统包括与一组传感器连接的集线器和控制器；控制器与集线器连接，控制器还与采集器电信号连接，多个集线器之间串联连接，和控制器连接的集线器还与采集器电信号连接。

2. 根据权利要求1所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述控制器由AT89C51单片机以及与单片机信号连接的显示输出与键盘输入模块、485通讯模块和时钟模块组成，控制器还包括电源模块，电源模块与各模块及单片机连接。

3. 根据权利要求2所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述485通讯模块与AT89C51单片机的串行通信口相连接；时钟模块的复位电路与AT89C51单片机的第9针脚相连；显示输出与键盘输入模块的键盘电路与AT89C51单片机P0口相连接。

4. 根据权利要求2所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述电源模块由依次连接的输入滤波电路、34063型直流-直流转换芯片和输出滤波电路组成。

5. 根据权利要求2所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述485通讯模块主要包括MAX485芯片，AT89C51单片机的P3.0连接到MAX485芯片的RO端，AT89C51单片机的P3.1连接到MAX485芯片的DI端，AT89C51单片机的P1.7连接到MAX485芯片的RE、DE端。

6. 根据权利要求2所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述时钟模块包括译码器、实时时钟芯片和复位控制器；译码器、实时时钟芯片和复位控制器分别与AT89C51单片机连接，译码器与实时时钟芯片连接，复位控制器与实时时钟芯片连接；译码器选用74HC138型3-8译码器，实时时钟芯片选用DS12C887型芯片，复位控制器选用CSI1161PI芯片。

7. 根据权利要求1所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述集线器由AT89C51单片机二、两位十进制键盘、通讯电路和电源电路组成；AT89C51单片机二分别与两位十进制键盘、通讯电路和电源电路连接；电源电路还分别与两位十进制键盘和通讯电路连接。

8. 根据权利要求7所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述AT89C51单片机二的P0口与两位十进制键盘相接，供电电源经过上拉电阻也连接到P0口，AT89C51单片机二的串行通讯口P3.0、P3.1与通讯电路相连接，通讯电路使用MAX485芯片。

9. 根据权利要求7所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述集线器中AT89C51型单片机二的P20～P23管脚分别与4片74HC574型D触发器连接，AT89C51型单片机二的双向I/O口P00～P07管脚经过74HC574型D触发器和七重达林顿管阵列连接，七重达林顿管阵列与继电器组连接。

10. 根据权利要求1所述的连接数据采集传感器的自动切换系统，其特征在于所述控制器与集线器之间通过RS485数据总线连接。