CN203133582U - 本质安全型多功能信号转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及本质安全型多功能信号转换器，该信号转换器包括信号转换电路，信号转换电路包括微处理器、输入信号采集电路、信号输出电路和信号选择电路，输入信号采集电路包括一对模拟信号输入端子和一对数字信号输入端子，模拟信号输入端子和数字信号输入端子分别与微处理器的相应端口连接；信号输出电路包括一对模拟信号输出端子和一对数字信号输出端子，模拟信号输出端子和数字信号输出端子分别与微处理器的相应端口连接；信号选择电路通过GPIO接口与所述微处理器连接，用于通过改变内部电路的接线设置信号的采集和输出方式，解决了现有信号转换器电路结构复杂且工作不可靠的问题。

Description

本质安全型多功能信号转换器

技术领域

本实用新型涉及一种本质安全型多功能信号转换器。

背景技术

矿山智能监控系统将传感器技术、计算机技术、自动化控制技术和网络通讯技术融为一体，大大降低了煤矿企业的生产成本，减少人为因素的影响，排除设备运行维护的盲目性，充分降低意外事故的风险，其中，传感器担当重要角色，其位于监控系统末端且数量和种类众多，是整个监控系统的耳目，主要是对被监控设备或环境的各种参数进行连续监测和上传监测数据。在煤矿井下危险气体环境中的传感器的远距离传输信号要求安全、可靠。

而众多传感器的监测信号要集中处理、分析、上传至控制中心，需要用到分站。分站是一种位于传感器和监控服务器之间的监控设备，主要作用是分布在矿井的大巷中将分散在各个地方的多个传感器的信号集中显示并集中上传到地面服务器。

从监控系统末端的各种传感器（或继电器）到矿井下矿用监控分站之间的传输信号制式包括有模拟量和数字量。其中模拟量信号包括电流型信号、电压型信号、频率型信号等；数字量信号包括RS485信号、CAN信号等。为了获取这些信号代表的物理量，达到遥测数据的目的，需要一种设于传感器与井下监控分站之间的信号转换器，由信号转换器将上述信号转化为可以接收、方便处理的某种信号，并上传到地面的监控服务器。

但由于传感器的类型较多，其输出的信号类型也各不相同，而且不同类型的传感器输出相同类型的信号所代表的信息也各不相同，例如，压力传感器和温度传感器，同样输出电流型模拟信号所表示的信息是不一样的，压力传感器输出的电流信号表示的是压力信息，温度传感器输出的电流信号表示的是温度信息，而且输出的信号范围也不相同，即使相同，它们所表示的意义也不相同，所以必须要将各种不同传感器类型、信号类型、信号范围、信号表示的信息加以区分，并正确采集和输出，现有的信号转换器对信号类型、信号范围、信号表示的信息、传感器类型设置都有各自对应的电路连接，且不同信号类型之间、不同信号范围之间和不同的信号信息之间也都有各自对应的电路连接，电路结构比较复杂，工作效率低且可靠性不高。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种本质安全型多功能信号转换器，用以解决现有信号转换器电路结构复杂且工作不可靠的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案是：一种本质安全型多功能信号转换器，其信号转换电路包括微处理器、输入信号采集电路、信号输出电路和信号选择电路，所述输入信号采集电路包括一对模拟信号输入端子和一对数字信号输入端子，所述模拟信号输入端子连接所述微处理器的ADC端口，所述数字信号输入端子连接所述微处理器的数字信号输入端口；所述信号输出电路包括一对模拟信号输出端子和一对数字信号输出端子，所述模拟信号输出端子与所述微处理器的DAC端口连接，所述数字信号输出端子与所述微处理器的数字信号输出端口连接；所述信号选择电路连接所述微处理器的输入输出端口，用于通过改变内部电路的接线使其采集的输入信号与传感器的输出信号相匹配，并使其输出信号与矿用监控分站可以接收的信号相匹配。

所述信号转换电路设于电路板上，该电路板设置于防爆外壳内，所述防爆外壳上设有信号输入接口和信号输出接口，所述信号输入接口连接所述输入信号采集电路的相应端子，并用于通过输入信号通讯电缆连接到传感器，所述信号输出接口连接所述信号输出电路的相应端子，并用于通过输出信号通讯电缆连接到井下监控分站。

所述信号转换电路还包括电源转换电路，该电源转换电路连接通讯电缆，用于为所述号转换电路提供工作电源。

所述信号转换电路还包括指示/显示控制电路，该指示/显示控制电路连接所述微处理器的输入输出端口。 

所述信号转换电路还包括数据存储模块，用于存储传感器参数和信号参数。

本实用新型达到的有益效果：本实用新型设置有信号选择电路，根据传感器输出信号的类型和参数，由信号选择电路通过手动跳线的方式设置本实用新型要采集的信号范围，并由微处理器根据传感器类型，通过软件进行参数设置，实现本实用新型要采集的信号与传感器类型的匹配，通过两者的配合，实现对传感器输出信号的正确采集和正确输出，不需要对各种不同信号分别设置电路，电路结构更加简单，提高信号转换器工作的可靠性。

本实用新型主要用在矿井下传感器和矿用监控分站之间的通讯线缆上，可以根据传感器类型和输出的信号类型选择不同的采集方式和输出方式，实现对传感器和井下矿用监控分站之间通信信号截获、分析、处理并输出一种特定的可识别信号，而不会影响原有信号的传输性能，实现实时监测，无需工作人员在井下现场值守，通过远程控制操作实现煤矿井下各种传感器数据存储，降低工作人员的劳动强度，保障煤矿生产的安全进行。

附图说明

图1是本实用新型壳体结构示意图；

图2是本实用新型电路原理框图；

图3是本实用新型信号转换电路的输入接口；

图4是本实用新型信号转换电路的输出接口；

图5是信号选择电路的一种改变电路接线的实施例示意图；

图6是本实用新型现场安装的一个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1，本实用新型包括防爆外壳，该防爆外壳的壳体分为腔体和后盖两部分，壳体上设有三个引线喇叭口，其中一个喇叭口设于壳体的一侧，用于引出输出信号电缆线，另两个喇叭口并列设置于壳体的另一侧，用于连接两路输入信号电缆线，引线接口及压紧装置按照防爆要求设计为IP54防尘防水级别，可以引入线缆直径为Φ8mm~12mm。

该防爆外壳的材质采用防爆型塑胶材料，安装方式为悬挂固定或平放固定均可，适宜的工作环境条件为：环境温度0～40℃，平均相对湿度不大于95%（+25℃），大气压力80～106kPa，有甲烷、煤尘等爆炸性混合物的煤矿井下，但无显著振动和冲击的场合。

如图2，本实用新型防爆外壳壳体内部为信号转换电路，是信号转换器的核心部分，包括电源转换模块、微处理器、输入信号采集模块、信号选择电路模块、信号输出模块、指示/显示控制电路、数据存储模块和红外收发模块，信号选择电路模块通过GPIO接口与微处理器通讯连接，输入信号采集模块通过UART接口与微处理器通讯连接，数据存储模块通过I2C总线与所述微处理器通讯连接，信号输出模块通过UART接口与所述微处理器通讯连接。

电源转换模块由输入电缆线上的电源经升压、降压处理电路完成，包括缓启动、过压保护、过流保护、防反接保护、浪涌保护等功能，用于为各传感器和本实用新型信号转换器提供工作电源。

微处理器采用成熟的工业级高速处理器，能快速地对采集到的各种模拟信号或数字信号进行计算、分析和处理。

输入信号采集电路采用光耦、运算放大器、工业级带高压瞬态抑制的差分转换器，实现信号隔离和信号防抖，并进行ESD防护，采集传感器的输出信号，实现对多路数字量、模拟量信号的截获，截获的输入信号包括电流型信号（模拟量和开关量）、电压型信号（模拟量和开关量）、频率型信号、计数量、接点型信号和数字量，如表1所示，为本实用新型采集的各输入信号制式及其对应的信号类型列表，其中电流型信号范围为0mA～20mA；频率信号范围：200Hz～5000Hz（ 在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0.3ms）；开关量输入技术指标：有源输出高电平电压应不小于+3.0V(输出电流为2mA时)，有源输出低电平电压应不大于+0.5V(输出电流为2mA时)；无源输出截止状态的漏电阻应不小于100kΩ；无源输出导通状态的电压降应不大于0.5V(电流为2mA时)；模拟量信号转换处理误差不大于0.5%，信号转换时间应不大于2s；数字信号RS485传输速率在1200bps和19200bps之间可选，CAN信号速率可达1Mbps。如图3，A_in1和A_in2为模拟量输入接口，D+和D-为数字量输入接口，Vin和GND为电源接口。

信号输出电路采用推挽式频率输出、标准电流源、工业级带高压瞬态抑制的差分转换器，用于输出截获的传感器的信号，输出的信号有：频率信号、电流型信号、电压型信号、CAN信号和RS485信号，保证信号转换和2km远距离传输无失真。如表2所示，为本实用新型输出信号制式及其对应的信号类型列表，其中输出信号频率信号范围为200~5000Hz且范围可调，电流信号范围为0~20mA范围并可调，电压信号为0~5V并可调，数字信号RS485传输速率在1200~38400bps之间可选，CAN信号速率可达1Mbps。如图4，A_out1和A_out2为模拟量输出接口，D+和D-为数字量输出接口。

信号选择电路根据传感器输出的信号类型和信号参数，通过改变内部电路接线，使得本实用新型要采集的信号与传感器输出的信号范围一致，并使得本实用新型要输出的信号与井下监控分站接收的信号范围一致，同时，微处理器根据传感器的类型和参数，通过软件设置，使得本实用新型要采集的信号与传感器的类型相匹配，手动跳线和软件设置相互配合，最终确定要采集的输入信号和要输出的信号。如图5，本实施例中，信号选择电路的电路板上设置有跳线端子，通过手动跳线的方式改变电路的接线方式，从而设置输入和输出。例如，温度传感器和流量传感器，对于温度传感器来说，其输出的电流型模拟信号表示的是温度信息，信号选择电路首先根据温度传感器的电流信号范围，通过手动跳线，设置本实用新型采集的电流信号范围与之相同，但是对于流量传感器来说，其输出的电流模拟信号代表的是流量信息，因此，必须由微处理器根据温度传感器或流量传感器的参数进行参数设置，使得本实用新型要采集的电流信号代表的信息与温度传感器或流量传感器输出的电流信号代表的信息相同。所以，通过手动跳线和软件设置相配合来实现对输入信号的正确采集和输出。

数据存储模块采用外围的独立器件，通过I2C总线与微处理器通讯连接。可以存储系统参数、量程参数等信息，数据存储模块中设有看门狗电路，可以保证程序在跑飞或者供电电压过低时系统复位。

系统的指示和显示采用低功耗LED和数码管，用于指示电源、输入信号、输出信号、参数等信息。

本实用新型主要用在矿井下传感器和矿用监控分站之间的通讯线缆上，在使用时，首先确定现场的传感器和井下各分站之间的信号类型、各分站电源供电的最大电压电流、传感器类型、传感器工作的最大工作电压电流等信息；然后根据信号类型、传感器参数在信号转换器上通过跳线或参数设置的方式确定信号采集方式和信号输出方式；最后将信号转换器连接到现场，可以截获矿井下传感器和矿用监控分站之间的通讯信号，并输出到信号监控端。

如图6，某煤矿井下的某台流量传感器与井下矿用分站1连接，矿用本安型信号转换器设于流量传感器与矿用分站2之间的通讯电缆上，本实施例中，矿用分站1提供最高18V、350mA直流电源，可以接收200~1000Hz频率信号和4~20mA电流模拟信号，流量传感器输出信号为4~20mA电流型信号；井下矿用分站2为监控分站，是与井下矿用分站1完全不同的两种分站，可以接收数字信号RS485信号，矿用本安型信号转换器用于将流量传感器输出的4~20mA电流型信号转换为RS485信号，从而截获流量传感器的电流型信号并输出到井下矿用分站2。本实施例矿用本安型信号转换器在进行信号转换的过程中，首先从通讯电缆上获取电源和流量传感器输出的电流信号，确定信号转换器要采集的输入信号和要输出的信号，本实施例输入信号为4~20mA电流型模拟信号，输出为数字RS485信号，经过信号转换器实现信号转换和处理，输出到井下矿用分站2，既实现了信号监控，又不影响原有信号的传输。在其他实施例中，根据不同的传感器及其输出的信号类型，确定信号转换器的信号采集模式和信号输出模式。

本实用新型固定安装或悬挂在不会被人或车辆撞击的地方，而且要防止水淋和防止剧烈震动，不要安装在经常停电的地方和有大型电气设备频繁启动的场合，安装环境应无腐蚀性气体。

Claims (5)

1.一种本质安全型多功能信号转换器，其特征在于，其信号转换电路包括微处理器、输入信号采集电路、信号输出电路和信号选择电路，所述输入信号采集电路包括一对模拟信号输入端子和一对数字信号输入端子，所述模拟信号输入端子连接所述微处理器的ADC端口，所述数字信号输入端子连接所述微处理器的数字信号输入端口；所述信号输出电路包括一对模拟信号输出端子和一对数字信号输出端子，所述模拟信号输出端子与所述微处理器的DAC端口连接，所述数字信号输出端子与所述微处理器的数字信号输出端口连接；所述信号选择电路连接所述微处理器的输入输出端口，用于通过改变内部电路的接线使其采集的输入信号与传感器的输出信号相匹配，并使其输出信号与矿用监控分站可以接收的信号相匹配。

2.根据权利要求1所述的本质安全型多功能信号转换器，其特征在于，所述信号转换电路设于电路板上，该电路板设置于防爆外壳内，所述防爆外壳上设有信号输入接口和信号输出接口，所述信号输入接口连接所述输入信号采集电路的相应端子，并用于通过输入信号通讯电缆连接到传感器，所述信号输出接口连接所述信号输出电路的相应端子，并用于通过输出信号通讯电缆连接到井下监控分站。

3.根据权利要求2所述的本质安全型多功能信号转换器，其特征在于，所述信号转换电路还包括电源转换电路，该电源转换电路连接通讯电缆，用于为所述号转换电路提供工作电源。

4.根据权利要求1所述的本质安全型多功能信号转换器，其特征在于，所述信号转换电路还包括指示/显示控制电路，该指示/显示控制电路连接所述微处理器的输入输出端口。

5.根据权利要求1所述的本质安全型多功能信号转换器，其特征在于，所述信号转换电路还包括数据存储模块，用于存储传感器参数和信号参数。

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