CN201993124U - 多通道物理量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多通道物理量测量装置，包括多个传感器、多个信号滤波器、一多路模拟开关、一信号调理电路、一模数转换器以及一微控制器。该多路模拟开关可连接各信号滤波器，根据来自微控制器的控制信号将来自多个信号滤波器的电信号分时地切换输出，每一时刻只输出一个电信号。信号调理电路连接该多路模拟开关，以接收多路模拟开关输出的单个电信号，并进行滤波、以及放大或衰减。然后经模数转换器将电信号转换为数字信号。微控制器发出该控制信号以切换到一信号滤波器后，通过该模数转换器采集对应该信号滤波器的数字信号，并根据该数字信号计算所测量的物理量。通过多路模拟开关的切换，本实用新型可复用硬件电路，因而节省成本。

Description

多通道物理量测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量装置，尤其是涉及一种多通道物理量测量装置。

背景技术

在许多工业领域都需要测量对象的物理参数，例如压力、温度、速度等参数，从而得知对象的状态。在涉及控制的领域，这些参数作为变量，参与到控制机制中。电子和计算机技术发展至今，这些参数被测量后，都会转化成电信号，进行后续的处理。相应的，一个典型的测量装置通常包括传感器以及与之适配的测量电路。传感器负责将所检测的物理量转化为电信号，而测量电路负责对信号进行放大、滤波、校准、量化等诸多处理，以获得所期望的高精度测量结果。

理想的测量系统应当具有测量精度高、测量范围大、实现简单、成本低等特点。并且，期望该测量系统有额外的特点，以适应特定场合的需求。例如，当同时对多路物理量进行测量时，需要测量系统具有多通道测量能力。一般地，每一测量通道都会占用测量系统的一路测量和处理电路。这会使测量系统变得庞大，并且成本大幅上升。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多通道物理量测量装置，以复用多通道的某些处理资源。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种多通道物理量测量装置，包括多个传感器、多个信号滤波器、一多路模拟开关、一信号调理电路、一模数转换器以及一微控制器。多个传感器用于测量物理量，并获得表征该物理量的模拟信号。多个信号滤波器一一对应地连接各传感器，用于滤除该模拟信号中的干扰信号。多路模拟开关连接各信号滤波器，该多路模拟开关根据一控制信号将来自多个信号滤波器的模拟信号分时地切换输出，每一时刻只输出一个模拟信号。信号调理电路连接该多路模拟开关，以接收多路模拟开关输出的单个模拟信号，并进行滤波、以及放大或衰减。模数转换器，连接该信号调理电路，以将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号。微控制器连接该模数转换器和该多路模拟开关，该微控制器发出该控制信号以切换到一信号滤波器，且通过该模数转换器采集对应该信号滤波器的模拟信号，并根据经该模数转换器转换获得的数字信号计算所测量的物理量。

在上述的多通道物理量测量装置中，还包括多个过压保护电路，一一对应地连接在各传感器和各信号滤波器之间。

在上述的多通道物理量测量装置中，至少部分传感器所输入的信号为差分信号。

在上述的多通道物理量测量装置中，该信号调理电路具有差分信号-单端信号转换电路。

在上述的多通道物理量测量装置中，该信号调理电路还包括：正向放大/衰减电路，对正向信号进行放大或衰减，并将负向信号箝位为零；以及负向放大/衰减电路，对负向信号进行反向，以及放大或衰减，并将正向信号箝位为零。

在上述的多通道物理量测量装置中，至少部分传感器为热电偶。对应地，多通道物理量测量装置中还可包括冷端温度测量电路，测量热电偶的冷端温度，并输入至微控制器。

在上述的多通道物理量测量装置中，还包括热电偶断路检测电路，连接在各信号滤波器的输入端，用以检测信号滤波器所在的通道上是否连接有热电偶。

在上述的多通道物理量测量装置中，该热电偶断路检测电路包括第一信号源和第二信号源。第一信号源叠加于热电偶的其中一输入端，该第一信号源具有一第一电压和一第一内阻，该第一内阻与该热电偶的内阻的比例大于10000∶1。第二信号源叠加于热电偶的另一输入端，该第二信号源具有一第二电压和一第二内阻，该第二电压与该第一电压之差的绝对值大于该热电偶的输出电压峰值的绝对值，该第二内阻与该热电偶的内阻的比例大于10000∶1。其中微控制器根据所检测到的输入信号是否超出热电偶的输出电压范围，来确定热电偶是否连接。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，可通过多路通道的切换，使得信号调理电路和模数转换器等器件可以得到复用，因此节省了装置的硬件开销。此外，本实用新型具有热电偶断路检测功能，可以避免因热电偶未接入造成的误检，提高系统可靠性。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本实用新型一实施例的多通道物理量测量装置示意图。

图2示出本实用新型另一实施例的多通道物理量测量装置示意图。

图3示出基于差分信号输入的过压保护电路和信号滤波器。

图4示出多路模拟开关的一个实施例。

图5示出信号调理电路的一个实施例。

图6示出热电偶断路检测电路示意图。

图7示出图6的等效电路。

具体实施方式

本实用新型下面将参照附图描述一个或多个实施例。在本实用新型中，物理量可以指压力、温度、速度、加速度、电压、电流或者其他物理参数。在测量非电信号的场合中，传感器是指能将其他信号转变为电信号的器件，例如压力传感器、加速度传感器等。在测量电信号的场合中，传感器是指能进行电流和电压采集的器件，例如以感应方式获得电流和电压信号的器件，或者是取样电阻。

图1示出本实用新型一实施例的多通道物理量测量装置示意图。参照图1所示，测量装置的一个实施例包含多个传感器11-1，11-2，...，11-n，与这些传感器对应的过压保护电路12-1，12-2，...，2-n，以及信号滤波器13-1，13-2，...，13-n。其中，n为正整数。每一传感器、过压保护电路、信号滤波器构成一路测量通道。每一测量通道可以测量相同的物理参数，也可以测量不同的物理参数。例如，传感器11-1所在的通道测量温度，而传感器11-2所在的通道测量压力。各个传感器所输出信号均为表征各物理量的模拟信号。

各传感器11-1，11-2，...，11-n通过接插件与装置连接后，输入的信号就送入装置了。由于传感器连接线所处的外界环境可能很恶劣，可能会出现过电压等可能损坏设备的现象，因此将输入信号首先输入各个过压保护电路12-1，12-2，...，12-n，进行限压保护。当外界电压超过一定阈值的时候，过压保护电路就会起作用，把电压箝位在允许的安全范围之内，确保输入内部的信号不会出现高压，进而损坏装置内部电路。

经过各过压保护电路12-1，12-2，...，12-n的信号进入各信号滤波器13-1，13-2，...，13-n。由于存在诸如电磁干扰等因素，或者由于传感器地线与其他电路相连，因此信号存在诸多干扰信号。各信号滤波器13-1，13-2，...，13-n可对输入的信号进行滤波，消除叠加在有用信号上的干扰信号，还原出真实的被测信号。

由于干扰大多是高频的，因此各信号滤波器通常为低通滤波电路。关于滤波电路的截止频率，需要根据其表征的物理量，判断被测信号可能存在的最高频率，并留下充分的余量，把其余高频信号滤除。例如，对温度信号来说，它是变化比较缓慢的物理信号，因此在一实施例中，低通滤波截止频率设置在100Hz以下，也就是只需要100Hz以下的信号能够通过滤波电路输入。

由于外部输入信号往往与本测量装置使用的不是同一个信号地，因此在图3所示的一个较佳实施例中，采用双端差分输入的方式，将外部信号输入至各个过压保护电路12-1，12-2，...，2-n中。

当然可以理解，双端差分输入的方式也可以用于外部输入信号与本测量装置使用同一个信号地的场合。

到目前为止，每一个被测参数对应一个测量通道。如果将经过上述处理的电压信号直接送入后续的信号调理电路15，则信号调理电路15上就需要根据电压信号的路数来配置相应套数的信号调理电路和模数(A/D)转换器。然而高质量的信号调理电路成本很高，而且对设计时的电路板设计也有很高的要求，给开发带来额外的难度，而且微控制单元(Micro Control Unit)往往没有那么多数据采集端口。

为应对上述的情形，在本实施例中采用多路模拟开关14。多路模拟开关可以把经过滤波后的n路(在只有部分通道工作时小于n路)模拟信号，根据MCU16的控制信号分时切换到同一个信号调理电路15中去。每一时刻，只有一个模拟信号输出至信号调理电路15。这样就巧妙的降低了系统成本，也减小了电路板设计的难度。

MCU 16在控制时，首先输出一控制信号，将多路模拟开关14接通到某一测量通道(如图4的通道1)，并延时一段时间，让整个电路进入稳定状态。在此过程中，当前接通的测量通道的模拟信号将输入到A/D转换器17。然后MCU 16控制A/D转换器17将模拟信号转换为数字信号，此时得出的结果就对应当前接通通道。MCU 16获得对应当前接通通道的这一数字信号。

完成采集以后，MCU 16再将多路模拟开关14接通到下一测量通道(如图4的测量通道2)，……，以此类推。当完成最后一个通道的测量转换以后，MCU16再控制重新从第一通道开始测量。由此，MCU 16可获得由各个通道的模拟信号转换后的数字信号，它反映这些模拟信号的峰值。

图4示出多路模拟开关的一个实施例。参照图4所示，共设置n路开关。每一信号输入通道对应一个开关。在任何时刻，多路模拟开关都最多只有一路开关接通。在刚刚开始工作时，系统将通道1的开关接通，其余断开，则通道1的电压信号送至多路模拟开关的输出端，且输出至信号调理电路15。接下来多路模拟开关14的控制器控制将通道1开关关闭，然后打开通道2开关，再将通道2的电压信号送至多路模拟开关的输出端，输出至信号调理电路。依次类推，至通道n。这样所有的电压信号就公用了一个信号调理电路15和A/D转换器17。

信号调理电路15的作用是将上述多路模拟开关的输出信号，去除共模信号、放大或衰减、滤波，使之成为适合于MCU 16的A/D转换器17采集的模拟电压信号。

在使用双端差分方式输入外部信号的实施例中，此处需要考虑应对双端信号的信号调理和后续的A/D转换。尽管存在可处理双端信号的信号调理电路和A/D转换器，但是在一实施例中，为了降低电路复杂度，将双端差分模拟电压信号转换成单端模拟电压信号。

图5示出信号调理电路的一个实施例，如图5所示，转换电路51将双端差分模拟电压信号转换成单端模拟电压信号。然后滤波电路52再进行一次滤波，去除电路板上各个电路对信号的干扰。接下来，调整输入信号的极性和峰值。滤波后的信号同时输入2路放大电路：一路处理输入信号是正电压的情况，该正向放大/衰减电路53将输入电路直接放大或衰减，送入A/D转换电路17的其中一路。另外一路处理输入信号是负电压的情况，该负向放大/衰减电路54将输入信号反向，并放大或衰减然后送入A/D转换器17的另一路。

当被测信号为正电压时，正向电路得到正电压，这正是我们需要的。负向电路得到的是负电压，但是同时在负向电路端有箝位电路，使得负电压被箝位到0V。

当被测信号为负电压时，与上述的情况正好想反，正向电路得到0V，负向电路得到我们需要的正电压。

这样无论输入电压是正电压还是负电压，经过信号调理电路15以后，A/D转换器17总能得到适合采集的正电压峰值。并且可以根据该正电压出现在正向电路还是反向电路判断该电压的正负极性。

A/D转换器17将上述被调理好的模拟信号进行模拟-数字转换，这样我们就获得了某一通道信号调理以后的电压大小。

MCU 16可进行数据的处理和保存。A/D转换器17可以是集成在MCU 16中，也可以是分立的器件。

另外，MCU 16可外接其他器件，以实现扩展功能。例如，MCU可以通过通讯接口18与电脑等外部设备进行通讯，根据外部设备的要求将所需通道的测量结果传输出去。

在本实用新型中，通讯协议的种类包括但不限于：串口通讯、CAN总线通讯、以及USB通讯。

另外，额外的显示电路可将各个通道的参数、设备地址、故障检测结果等状态实时显示。

图2给出本实用新型的物理量测量装置用于温度测量的一个实施例。本实施例与前一实施例相同的部分，如过压保护电路22-1，22-2，...，22-n，信号滤波电路24-1，24-2，...，24-n，多路模拟开关25信号调理电路26等，在此不再赘述，下面主要描述差别之处。在此实施例中，使用热电偶21-1，21-2，...，21-n作为温度传感器。

根据从A/D转换器28得到的各个热电偶信号放大以后的电压值，转换得到热电偶实际的电压。一般该电压很微弱，每个热电偶2个输入端之间只有几微伏到几十毫伏左右的微弱电压。

对于测量的是热电偶信号的情况，本实施例中设有额外的冷端温度测量电路27。该电路是依据热电偶测量的原理而设计的。

具体地说，计算每个被测点实际温度需要测量两个物理量：1、热电偶的电压；2、热电偶线与PCB电路板连接点(被称为“冷端”)的温度值(被称为“冷端温度”)，也就是说：

被测点温度＝f(热电偶的电压，冷端温度)

因此要获得n个被测点温度就需要测量n路热电偶电压，和n路热电偶的“冷端温度”。尽管并非不可行，但实际上分别测量n路热电偶的“冷端温度”成本很高。因此较佳地是将n个“冷端”都在电路板上紧密排布在一起，而且通过电路设计，使这些点的温度十分接近，几乎相等。然后在这里放置温度测量芯片作为冷端温度测量电路27，测量该点的温度。由此得到冷端温度。

冷端温度测量芯片可能的输出包括模拟电压输出和数字输出。如果是模拟电压输出，则信号送入MCU 29的A/D转换器28，由MCU 29获取其输出电压大小，并由此计算出冷端温度值。如果是数字输出，则MCU 29直接就获得其温度数值。

得到以上热电偶的电压、冷端温度两个数据以后，再通过电压-温度曲线，计算热电偶所在点的实际温度，并存储于MCU 29内部。

MCU 29处理后将热电偶所在点的温度计算出来，用显示器(图未示)显示，并可通过通讯接口30传输给电脑上的软件，用于记录和曲线显示。

对于被测信号是热电偶的情况，热电偶断路检测电路23-1，23-2，...，23-n能够识别热电偶是否接入。否则在热电偶没有接入的情况下，差分两端因为没有信号输入得到0电压，装置会认为热电偶所处的温度和冷端温度一样，从而得出一个错误的温度数值。

图6示出热电偶断路检测电路的示意图。在此，无需添加任何额外的控制和额外的监测电路，只需在每个通道上叠加一个信号，利用原有的信号调理电路26、A/D转换器28就能够检测出热电偶是否接入。具体方法如下：

热电偶信号的输出范围一般在-100mV～+100mV之间。我们在热电偶信号的2个输入端叠加两个信号，其电压之差的绝对值显著大于该热电偶电压信号峰值的绝对值，且信号内阻很大。

在图7所示的等效电路图中，叠加信号的内阻R1、R2很大，理想信号源的输出信号为固定的直流电压，则叠加在热电偶输入端两端的电压V_diff＝V1-V2，该电压的绝对值超出热电偶信号的正常输出时的电压峰值的绝对值。这使得该电压与正常电压有明显的区别。举例来说，V_diff的绝对值超过热电偶信号的电压输出峰值的绝对值10倍以上，即大于1000mV。

热电偶的输出内阻Ri很小，远小于R1、R2。这可以使叠加信号对热电偶信号的影响尽量小，从而使系统保持所期望的精度。例如，信号内阻R1、R2与热电偶的输出内阻Ri的比例可以均大于10000∶1。

当热电偶不连接的时候，输入端A、B断路，输出端C、D的电压就等于该叠加信号V_diff＝V1-V2，该信号经过后续的信号调理电路26的滤波、放大等，进入A/D转换器28。MCU 29测量发现热电偶的输入信号大于正常范围，据此判断该通道没有接入热电偶。

当热电偶连接时，CD两端的电压V_CD＝Vi-Vi*Ri/(R1+R2+Ri)+(V1-V2)*Ri/(R1+R2+Ri)，由于R1+R2＞＞Ri，所以Ri/(R1+R2+Ri)≈0，因此V_CD≈Vi-Vi*0+(V1-V2)*0＝Vi。也就是说，信号叠加电路对热电偶信号几乎没有影响，输入给后续电路的信号就等于是热电偶信号。MCU 29测量发现热电偶的输入信号在正常范围内，据此判断该通道已接入热电偶。

因此，通过以上简单的电路，就可以容易地实现热电偶是否连接的检测，从而，装置不会产生错误的检测。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种多通道物理量测量装置，其特征在于包括：

多个传感器，用于测量物理量，并获得表征该物理量的模拟信号；

多个信号滤波器，一一对应地连接各传感器，用于滤除该模拟信号中的干扰信号；

多路模拟开关，连接各信号滤波器，该多路模拟开关根据一控制信号将来自多个信号滤波器的模拟信号分时地切换输出，每一时刻只输出一个模拟信号；

信号调理电路，连接该多路模拟开关，以接收多路模拟开关输出的单个模拟信号，并进行滤波、以及放大或衰减；

模数转换器，连接该信号调理电路，以将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号；以及

微控制器，连接该模数转换器和该多路模拟开关，该微控制器发出该控制信号以切换到一信号滤波器，且通过该模数转换器采集对应该信号滤波器的模拟信号，并根据经该模数转换器转换得到的数字信号计算所测量的物理量。

2.如权利要求1所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，还包括多个过压保护电路，一一对应地连接在各传感器和各信号滤波器之间。

3.如权利要求1所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，至少部分传感器所输入的信号为差分信号。

4.如权利要求3所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，该信号调理电路具有差分信号-单端信号转换电路。

5.如权利要求4所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，该信号调理电路还包括：

正向放大/衰减电路，对正向信号进行放大或衰减，并将负向信号箝位为零；以及

负向放大/衰减电路，对负向信号进行反向，以及放大或衰减，并将正向信号箝位为零。

6.如权利要求1所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，至少部分传感器为热电偶。

7.如权利要求6所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，还包括冷端温度测量电路，测量热电偶的冷端温度，并输入至微控制器。

8.如权利要求6所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，还包括热电偶断路检测电路，连接在各信号滤波器的输入端，用以检测信号滤波器所在的通道上是否连接有热电偶。

9.如权利要求7所述的多通道物理量测量装置，其特征在于，该热电偶断路检测电路包括：

第一信号源，叠加于热电偶的其中一输入端，该第一信号源具有一第一电压和一第一内阻，该第一内阻与该热电偶的内阻的比例大于10000∶1；

第二信号源，叠加于热电偶的另一输入端，该第二信号源具有一第二电压和一第二内阻，该第二电压与该第一电压之差的绝对值大于该热电偶的输出电压峰值的绝对值，该第二内阻与该热电偶的内阻的比例大于10000∶1；

其中所述微控制器根据所检测到的输入信号是否超出热电偶的输出电压范围，来确定热电偶是否连接。

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