CN203148603U - 具有多类型信号输出的力敏传感器信号变送器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，包括用于对力敏传感器输出的微弱信号进行调理的信号调理电路，其输入端与力敏传感器的输出端相连，其输出端与内部嵌入模数转换器的主控电路的输入端相连，主控电路的输出端分别与数模转换器、有线通信电路、无线通信电路的输入端相连。本实用新型首先通过信号调理电路对力敏传感器的输出信号实现高质量的调理，然后通过主控电路对调理后的力敏传感器信号实现相应的处理，从而获得多输出类型的变送信号。本实用新型具有适用范围广、精度高、带载能力强、抗干扰性能强等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及力敏传感器信号调理领域，尤其是一种具有多类型信号输出的力传感器信号变送器。
背景技术
力敏传感器输出的是毫伏级信号，不便于信号的远距离传输，为了提高信号的抗衰减和抗干扰能力，力敏传感器信号的远传一般采用变送器实现。目前，力敏传感器信号变送器输出的信号类型单一，比如，输出单一的4～20mA电流信号，输出单一的0～5V电压信号等。然而，在工业自动化领域，越来越要求具有多种类型信号输出的变送器出现，比如，传统的电流电压标准变送信号仍在许多的控制系统中使用；基于RS485或CAN总线的数字信号输出由于其传输距离远、抗干扰能力强及便于与智能控制系统直接互连等特点应用越来越多；无线射频信号因无需现场布线等优点在某些港口和油田等场合越来越受到重视；即使在同一个控制系统中，有时也同时需要几种类型信号输出的变送器，对于此类要求，传统的电流或电压单一信号输出的变送器已经无法满足。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有多种类型信号输出、大大提高信号变送器适用范围的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，包括用于对力敏传感器输出的微弱信号进行调理的信号调理电路，其输入端与力敏传感器的输出端相连，其输出端与内部嵌入模数转换器的主控电路的输入端相连，主控电路的输出端分别与数模转换器、有线通信电路、无线通信电路的输入端相连。
还包括隔离电源电路，隔离电源电路分别向力敏传感器、信号调理电路、主控电路、数模转换器、有线通信电路、无线通信电路供电。
所述的主控电路采用C8051F350单片机，所述的信号调理电路包括传感器接口芯片P1，其第4引脚与磁珠S1的一端相连，其第1引脚与磁珠S2的一端相连，磁珠S1的另一端通过电阻R2与精密双运放芯片U1的第3引脚相连，磁珠S2的另一端通过电阻R6与精密双运放芯片U1的第5引脚相连，二极管D1的阴极、二极管D2的阳极接在磁珠S1与电阻R2之间，二极管D1的阳极、二极管D2的阴极接在磁珠S2与电阻R6之间，精密双运放芯片U1的第2引脚与C8051F350单片机的第1引脚相连，精密双运放芯片U1的第7引脚通过电阻R7与C8051F350单片机的第2引脚相连。
所述的数模转换器包括高速光耦芯片U4、U5、U6，高速光耦芯片U4、U5、U6的第2引脚分别通过电阻R10、R12、R15接C8051F350单片机的第21引脚，高速光耦芯片U4、U5、U6的第6引脚分别与A/D转换芯片U7的第7、8、9引脚相连，A/D转换芯片U7的第19引脚通过采样电阻RX1与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极作为标准电流变送信号IO的输出端；放大器芯片U12的1、4引脚分别接在采样电阻RX1的两端，放大器芯片U12的第7引脚与电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端作为标准电压变送信号VO的输出端。
所述的有线通信电路包括光耦隔离芯片U14、U15、U16，其输入端分别与C8051F350单片机的第17、19、18引脚相连，其输出端分别与电平转换芯片U17的第4、3、1引脚相连，电平转换芯片U17的第6、7引脚分别与电阻R28、R31的一端相连，电阻R28、R31的另一端作为RS485总线接口。
所述的无线通信电路包括无线射频收发芯片U18，其第6、3、7、1、20、2引脚分别与C8051F350单片机的第25、26、16、13、15、14引脚相连，其第13引脚依次通过电感L3、L4、L5和电容C30接天线，所述的天线采用板载天线。
由上述技术方案可知，本实用新型首先通过信号调理电路对力敏传感器的输出信号实现高质量的调理，然后通过主控电路对调理后的力敏传感器信号实现相应的处理，从而获得多输出类型的变送信号：其中的传统模拟信号类型包括：0-20mA电流信号、4-20mA电流信号、4-24mA电流信号、0-5V的电压信号、1-5V的电压信号；基于RS485总线的有线数字变送信号和基于射频无线的无线数字变送信号。同时可以通过RS485总线或无线通信链路实现对力敏传感器的零点校准和满度校准、对模拟输出变送信号的控制和校准、输出信号类型的选择配置等，从而有效地拓展了其应用范围。本实用新型具有适用范围广、精度高、带载能力强、抗干扰性能强等特点。
附图说明
图1是本实用新型的电路框图。
图2、3、4、5、6分别是本实用新型中信号调理电路、主控电路、数模转换电路、有线通信电路、无线通信电路的电路原理图。
具体实施方式
一种具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，包括用于对力敏传感器输出的微弱信号进行调理的信号调理电路1，其输入端与力敏传感器的输出端相连，其输出端与内部嵌入模数转换器的主控电路2的输入端相连，主控电路2的输出端分别与数模转换器3、有线通信电路4、无线通信电路5的输入端相连。还包括隔离电源电路，隔离电源电路分别向力敏传感器、信号调理电路1、主控电路2、数模转换器3、有线通信电路4、无线通信电路5供电。如图1所示。
隔离电源电路为现场输入直流24V电源，通过隔离提供两路电源，一路为精密电源，供电给力敏传感器和主控电路2；另一路给主控电路2外围的集成电路供电。信号调理电路1实现对力敏传感器输出的弱信号进行滤波、放大、抗混叠等高质量调理，从而实现有效滤除干扰信号和扩大传感器动态测量范围。数模转换器3实现传统的电流和电压变送信号，其电流和电压变送信号受控于C8051F350单片机，并和前端的力敏传感器信号呈线性对应关系，在数模转换器3中包含高质量的电压电流转换电路(V/I)和高质量的电流电压转换电路(I/V)；有线通信电路4主要实现逻辑电平转换和逻辑通信功能，包括TTL电平到RS485逻辑电平转换电路，瞬态抑制和抗干扰等措施；无线通信电路5将数字信号转换为无线射频信号，从而实现将数字变送信号通过无线实现远程传输。
如图2、3所示，所述的主控电路2采用C8051F350单片机，所述的信号调理电路1包括传感器接口芯片P1，其第4引脚与磁珠S1的一端相连，其第1引脚与磁珠S2的一端相连，磁珠S1的另一端通过电阻R2与精密双运放芯片U1的第3引脚相连，磁珠S2的另一端通过电阻R6与精密双运放芯片U1的第5引脚相连，二极管D1的阴极、二极管D2的阳极接在磁珠S1与电阻R2之间，二极管D1的阳极、二极管D2的阴极接在磁珠S2与电阻R6之间，精密双运放芯片U1的第2引脚与C8051F350单片机的第1引脚相连，精密双运放芯片U1的第7引脚通过电阻R7与C8051F350单片机的第2引脚相连。
磁珠S1、S2实现高频抑制功能，二极管D1、D2可以有效对精密双运放芯片U1进行保护；电阻R2、电容C2、电阻R6、电容C7构成差动信号的低通滤波，抑制信号的噪声；采用精密双运放芯片U1和后续的电阻R1、R5、R7实现对力敏传感器输出信号的两倍前置放大；电容C1、C8、C4提供低通滤波和抗混叠功能。电阻R24、R25和电容C26为上电复位电路，片内模拟电路的供电通过电阻R20、电容C49、C50和C25实现低通滤波处理。C8051F350单片机集成了I/O口、UART、SPI、定时器等很多的外设，同时功耗很低，选用SOC型的C8051F350单片机可以提高集成度和精度。
如图4所示，所述的数模转换器3包括高速光耦芯片U4、U5、U6，高速光耦芯片U4、U5、U6的第2引脚分别通过电阻R10、R12、R15接C8051F350单片机的第21引脚，高速光耦芯片U4、U5、U6的第6引脚分别与A/D转换芯片U7的第7、8、9引脚相连，A/D转换芯片U7的第19引脚通过采样电阻RX1与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极作为标准电流变送信号IO的输出端；放大器芯片U12的1、4引脚分别接在采样电阻RX1的两端，放大器芯片U12的第7引脚与电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端作为标准电压变送信号VO的输出端。
传统的电流和电压变送信号直接接现场的工业设备，为提高本实用新型的抗干扰性能，通过高速光耦芯片U4、U5、U6将C8051F350单片机和现场设备进行隔离，A/D转换芯片U7为高性能4-20mA/0-20mA/4-24mA集成电路，内含16bit的高精度低温漂ADC和高线性度的V/I转换电路，通过对内部相应寄存器的配置，可实现不同类型的电流变送信号IO输出。通过采样电阻RX1、放大器芯片U12配合A/D转换芯片U7可同时实现标准电流变送信号IO和标准电压变送信号VO，二极管D4和电阻R16作为保护器件可实现对电路的电源反接和短路保护。
如图5所示，所述的有线通信电路4包括光耦隔离芯片U14、U15、U16，其输入端分别与C8051F350单片机的第17、19、18引脚相连，其输出端分别与电平转换芯片U17的第4、3、1引脚相连，电平转换芯片U17的第6、7引脚分别与电阻R28、R31的一端相连，电阻R28、R31的另一端作为RS485总线接口。有线信号通过RS485总线进行传输，电平转换芯片U17用于将TTL信号转换为RS485，为了提高C8051F350单片机的抗干扰能力，将C8051F350单片机和RS485总线通过光耦隔离芯片U14、U15、U16隔离，为提高RS485总线的带载能力，电平转换芯片U17选用了可带128个标准RS485负载的MAX3485芯片，同时增加了上拉电阻R27和下拉电阻R30，电阻R28、R31可以吸收信号在有线传输过程中反射的能量，双向瞬态抑制二极管D6 可以消除信号线的高峰值顺变信号对电路的损害。
如图6所示，所述的无线通信电路5包括无线射频收发芯片U18，其第6、3、7、1、20、2引脚分别与C8051F350单片机的第25、26、16、13、15、14引脚相连，其第13引脚依次通过电感L3、L4、L5和电容C30接天线，所述的天线采用板载天线，便于体积小型化。无线射频收发芯片U18灵敏度高、通信距离远，C8051F350单片机通过其13、14、15、16引脚即SPI口对无线射频收发芯片U18进行相关的控制，通过对无线射频收发芯片U18内部的相关寄存器配置和配合外围的电感L2～L5及电容C28～C31等分立器件可实现不同低于1GHz的标准工业频段。
综上所述，本实用新型首先通过信号调理电路1对力敏传感器的输出信号实现高质量的调理，然后通过主控电路2对调理后的力敏传感器信号实现相应的处理，从而获得多输出类型的变送信号：其中的传统模拟信号类型包括：0-20mA电流信号、4-20mA电流信号、4-24mA电流信号、0-5V的电压信号、1-5V的电压信号；基于RS485总线的有线数字变送信号和基于射频无线的无线数字变送信号。同时可以通过RS485总线或无线通信链路实现对力敏传感器的零点校准和满度校准、对模拟输出变送信号的控制和校准、输出信号类型的选择配置等，从而有效地拓展了其应用范围。本实用新型具有适用范围广、精度高、带载能力强、抗干扰性能强等特点。
Claims (6)
1.一种具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：包括用于对力敏传感器输出的微弱信号进行调理的信号调理电路（1），其输入端与力敏传感器的输出端相连，其输出端与内部嵌入模数转换器的主控电路（2）的输入端相连，主控电路（2）的输出端分别与数模转换器（3）、有线通信电路（4）、无线通信电路（5）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：还包括隔离电源电路，隔离电源电路分别向力敏传感器、信号调理电路（1）、主控电路（2）、数模转换器（3）、有线通信电路（4）、无线通信电路（5）供电。
3.根据权利要求1所述的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：所述的主控电路（2）采用C8051F350单片机，所述的信号调理电路（1）包括传感器接口芯片P1，其第4引脚与磁珠S1的一端相连，其第1引脚与磁珠S2的一端相连，磁珠S1的另一端通过电阻R2与精密双运放芯片U1的第3引脚相连，磁珠S2的另一端通过电阻R6与精密双运放芯片U1的第5引脚相连，二极管D1的阴极、二极管D2的阳极接在磁珠S1与电阻R2之间，二极管D1的阳极、二极管D2的阴极接在磁珠S2与电阻R6之间，精密双运放芯片U1的第2引脚与C8051F350单片机的第1引脚相连，精密双运放芯片U1的第7引脚通过电阻R7与C8051F350单片机的第2引脚相连。
4.根据权利要求2所述的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：所述的数模转换器（3）包括高速光耦芯片U4、U5、U6，高速光耦芯片U4、U5、U6的第2引脚分别通过电阻R10、R12、R15接C8051F350单片机的第21引脚，高速光耦芯片U4、U5、U6的第6引脚分别与A/D转换芯片U7的第7、8、9引脚相连，A/D转换芯片U7的第19引脚通过采样电阻RX1与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极作为标准电流变送信号IO的输出端；放大器芯片U12的1、4引脚分别接在采样电阻RX1的两端，放大器芯片U12的第7引脚与电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端作为标准电压变送信号VO的输出端。
5.根据权利要求2所述的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：所述的有线通信电路（4）包括光耦隔离芯片U14、U15、U16，其输入端分别与C8051F350单片机的第17、19、18引脚相连，其输出端分别与电平转换芯片U17的第4、3、1引脚相连，电平转换芯片U17的第6、7引脚分别与电阻R28、R31的一端相连，电阻R28、R31的另一端作为RS485总线接口。
6.根据权利要求2所述的具有多类型信号输出的力传感器信号变送器，其特征在于：所述的无线通信电路（5）包括无线射频收发芯片U18，其第6、3、7、1、20、2引脚分别与C8051F350单片机的第25、26、16、13、15、14引脚相连，其第13引脚依次通过电感L3、L4、L5和电容C30接天线，所述的天线采用板载天线。
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