CN201667011U - 一种嵌入式多输入多输出数据采集模板 - Google Patents

一种嵌入式多输入多输出数据采集模板 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,它包括用于核心控制的单片机、分别与单片机的IO接口相连接的多路模拟量输入模块、多路模拟量输出模块、多路数字量输入模块、多路数字量输出模块、编码器输入模块、通讯接口模块、显示模块以及键盘输入模块,且各输入模块与单片机之间以及单片机与各输出模块之间分别设置有隔离电路。可根据需求使用该模板的全部或部分功能,并且所有的输入输出都进行了隔离,即使某部分坏掉,也不会影响其他部分的工作,能很好的起到抗干扰的作用,从而实现了一般工业场合的通用性,可立刻应用到项目中,有效提高开发效率,缩短开发周期。

Description

一种嵌入式多输入多输出数据采集模板
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种工业控制用数据采集装置,尤其涉及利用单片机进行核心控 制的输入输出电路结构。
背景技术
[0002] 现有技术中,在一些工控场合,通常需要利用单片机输入输出电路对待控制对象 提供控制信号源,如电流、电压、数字脉冲等,而这些单片机输入输出电路通常根据功能需 求而进行特定功能的设定,这样,对于不同的被控对象,需要不同的输入输出电路来实现, 因此,开发成本较高,效率较低。
实用新型内容
[0003] 本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种可供一般工控场合通用 的嵌入式多输入多输出数据采集模板。
[0004] 为达到上述目的,本实用新型采用的技术方案是:一种嵌入式多输入多输出数据 采集模板,它包括用于核心控制的单片机、分别与所述的单片机的IO接口相连接的多路模 拟量输入模块、多路模拟量输出模块、多路数字量输入模块、多路数字量输出模块、编码器 输入模块、通讯接口模块、显示模块以及键盘输入模块,且所述的各输入模块与单片机之间 以及单片机与各输出模块之间分别设置有隔离电路。
[0005] 由于上述技术方案的运用,本实用新型与现有技术相比具有下列优点:本实用新 型数据采集模板具有模拟量及数字量输入输出及编码器采集以及通讯模块,所有的功能都 通过模块化的方式封装起来,可根据需求使用该模板的全部或部分功能,并且所有的输入 输出都进行了隔离,即使某部分坏掉,也不会影响其他部分的工作,能很好的起到抗干扰的 作用,从而实现了一般工业场合的通用性,可立刻应用到项目中,有效提高开发效率,缩短 开发周期。
附图说明
[0006] 附图1为本实用新型电路框图;
[0007] 附图2为本实用新型键盘和数码管显示模块;
[0008] 附图3为本实用新型模拟量输入模块;
[0009] 附图4为本实用新型模拟量输出模块;
[0010] 附图5为本实用新型数字量输出模块;
[0011] 附图6为本实用新型数字量输入模块;
[0012] 附图7为本实用新型编码器输入模块;
[0013] 附图8为本实用新型485通讯模块;
[0014] 其中:1、模拟量输入模块;2、模拟量输出模块;3、数字量输入模块;4、数字量输出 模块;5、编码器输入模块;6、通讯接口模块;7、显示模块;8、键盘输入模块8 ;9、电源模块;
3具体实施方式
[0015] 下面结合附图、举例详细说明本实用新型的具体内容:
[0016] 如图1所示的嵌入式单片机多输入多输出数据采集模板,其电路结构主要包括单 片机MCU,模拟量输入模块1、模拟量输出模块2,数字量输入模块3、数字量输出模块4,编码 器输入模块5,通讯接口模块6、数码管显示模块7、键盘输入模块8以及电源模块9,所述的 模拟量输入模块1具有4路电流和4路电压模拟信号输出,所述的模拟量输出模块2具有 2路电流和2路电压模拟信号输出,所述的数字量输入模块3具有8路数字信号输出,所述 的数字量输出模块4也具有8路数字量输出。
[0017] 所述的模拟量输入模块1包括模拟量切换电路及AD转换电路,所述的模拟量切换 电路由两个四选一模拟开关形成的电压或电流选择输入通道,所述的AD转换电路将采集 的电压或电流模拟信号转换为数字信号后通过隔离芯片输出至单片机。
[0018] 所述的通讯接口模块6为2路基于485总线的MODBUS通信接。
[0019] 所述的电源模块9由至少一个变压器和稳压器组成,所述的每个变压器具有多路 电源输出。
[0020] 上述各功能模块与单片机IO接口之间分别设置有隔离电路(图中未显示)。所有 模块均与单片机的IO 口相连,在本实施例中,单片机采用型号为MSP430F149芯片,下面分 别对各功能模块进行说明:
[0021] 图2为本实施例键盘输入模块8和数码管显示模块7电路,其中键盘输入电路包 括按键和锁存器电路,按键一端接上拉电阻,另一端接电源地,而接上拉电阻的一端再接 锁存器,然后接入单片机IO 口。数码管显示模块电路包括了数码管,锁存器和放大电路,以 及限流电阻限流,锁存器与其他外部模块共用一组单片机IO 口,2个4位数码管用同一组 IO 口,并且2个数码管的位选使用了同一组4位位选,而一般的电路需要8位位选,最大程 度的节省IO 口。
[0022] 图3为本实施例模拟量输入模块1电路,包括了模拟量切换电路和AD转换电路, 模拟量切换电路由电压转电流的电阻和两个四选一的模拟开关组成电压和电流的输入组 合,再经过八选一模拟量开关选择是采集电压还是采集电流。然后将信号流入AD转换模 块,在进入AD之前,先经过以及跟随缓冲,并在跟随器的输出端和反馈之间加一电阻限流, 在进入AD之前再加一滤波电容来提高信号的稳定性。
[0023] 图4为本实施例模拟量输出模块2电路,包括了 0到IOV电压输出电路和4到20mA 电流输出电路。电压输出电路由DA输出0到4. 096V的电压,后经过同向放大,再经过一级 跟随器输出,保证能够承受足够的负载。电流输出电路先由DA输出0到4. 096V的电压,而 后利用跟随器产生一个IV的固定电压,然后经过一个加法器与DA输出电压相加,产生1到 5. 096V的输出,最后通过电压转电流电路来产生4到20mA电流输出。
[0024] 图5为本实施例数字量输出模块4电路,由锁存器和光耦以及ULN2803,5V供电的 继电器组成。该电路由两个电阻串联分压,光耦输入端和其中一个电阻并联,光耦输出端C 极由发光二极管和电阻串联接正电源,并在C极接一个电阻,再接入单片机IO 口,光耦输出 端E极接地。
[0025] 图6为本实施例数字量输入模块3电路,由于外接高电平一般为24V,为了能保护光耦不受损坏,可使用2个电阻串联分压,将光耦输入两端与其中一个电阻并联的方式来 使光耦输入端的两端电压始终能够保持在正常水平,当然具体阻值要根据外界输入电压来 计算。光耦输出端的集电极与一个上拉电阻和发光二极管连接,集电极同时连接一个电阻 再接入锁存器来输入给单片机的IO 口,射极直接接地。
[0026] 图7为本实施例编码器输入模块5电路,该电路由输入光耦和反向器以及D触发 器组成,A,B,Z相经过反向器整形后经过D触发器产生一个方向信号,当A比B超前时输出 高电平,当A比B滞后时输出低电平,由此可确定速率和旋转方向。
[0027] 图8为本实施例通讯接口模块6电路,该电路通讯接口采用了 485通讯总线,由 ADUM2483和SMBJ6组成带有隔离电路的通讯接口模块。其通讯稳定,抗干扰能力强,能够达 到115200的波特率。并且由一路单独的电源来为其供电,有效排除外界干扰。
[0028] 电源模块9通过2个变压器实现,每个变压器输出3路电源,电源输出后级经过 高效的稳压器件输出,并可采用负压芯片来产生负压,为后端运放供电,实现电能的最大利 用,有效降低无功功率损耗。
[0029] 本实施例采用了多种扩展电路,为了提高效率,使用了锁存器的方式来扩展,键盘 和数字量输入使用了锁存器接到同一组I/O 口,并且在模拟量输入上使用模拟开关接法, 占用最少的IO 口。用一组电压转电流电路和一组电压转换电路来实现8路模拟信号的转 换,不仅节省了 AD芯片,也节省了外围电路。
[0030] 具体工作过程如下:首先可通过键盘选择设置或显示不同的数据,在IO 口有限的 情况下,通过三八译码器实现三个IO 口产生7个不同的控制信号,分别用来控制DA的4路 片选以及键盘和数字量输入,2个串口外接2个电源隔离的485转换芯片,另外通过八选一 的模拟开关控制模拟通道的输入,然后经过同向放大,而后由跟随器产生一个0. 5V的固定 电压,与经过同向放大的电压相减,再经过反向放大输出给AD转换部分。模拟量输出范围 为0到4. 096V,经过跟随器产生的IV固定电压与输出电压相加,再经过反向放大,而后经 过一个电压转电流的电路来产生所需的4到20mA电流。无论是AD还是DA都使用了电压 参考芯片,其能够稳定保持在4. 096V,使电压输出更稳定。编码器使用了经过严格验证的 整形,调理电路,能够根据编码器的A和B两相脉冲信号产生一个方向识别的信号,而后将 A相信号直接接到单片机的时钟输入引脚来实现计数。
[0031] 上述实施例只为说明本实用新型的技术构思和特点,其目的在于让熟悉此项技术 的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施,并不能以此限制本实用新型的保护范围, 凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本实用新型的保护范围 之内。

Claims (5)

  1. 一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,其特征在于:它包括用于核心控制的单片机MCU、分别与所述的单片机MCU的IO接口相连接的多路模拟量输入模块(1)、多路模拟量输出模块(2)、多路数字量输入模块(3)、多路数字量输出模块(4)、编码器输入模块(5)、通讯接口模块(6)、显示模块(7)以及键盘输入模块(8),且所述的各输入模块与单片机MCU之间以及单片机MCU与各输出模块之间分别设置有隔离电路。
  2. 2.根据权利要求1所述的一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,其特征在于:所述 的模拟量输入模块(1)具有4路电流和4路电压模拟信号输出,所述的模拟量输出模块(2) 具有2路电流和2路电压模拟信号输出,所述的数字量输入模块(3)具有8路数字信号输 出,所述的数字量输出模块(4)也具有8路数字量输出。
  3. 3.根据权利要求2所述的一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,其特征在于:所述 的模拟量输入模块(1)包括模拟量切换电路及AD转换电路,所述的模拟量切换电路由两个 四选一模拟开关形成的电压或电流选择输入通道,所述的AD转换电路将采集的电压或电 流模拟信号转换为数字信号后通过隔离芯片输出至单片机。
  4. 4.根据权利要求1所述的一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,其特征在于:所述 的通讯接口模块(6)为2路基于485总线的MODBUS通信接口。
  5. 5.根据权利要求1所述的一种嵌入式多输入多输出数据采集模板,其特征在于:它还 包括电源模块(9),所述的电源模块(9)由至少一个变压器和稳压器组成,所述的每个变压 器具有多路电源输出。
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