CN205027378U - 一种多通道振弦式传感器数据采集模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于工程安全监测技术领域，公开了一种多通道振弦式传感器数据采集模块，包括MCU、通讯驱动电路、激振电路、拾振电路和通道选择电路，所述通讯驱动电路将接收到的上位机指令传输给MCU，MCU根据指令驱动通道选择电路，使通道选择电路调整到合适的通道上，MCU驱动激振电路，激振电路产生脉冲信号经过通道选择电路激振该通道上连接的一个或多个振弦式传感器，使振弦式传感器将产生振荡信号，振弦式传感器将产生的振荡信号经过通道选择电路和拾振电路反馈给MCU，经拾振电路的放大整形处理后，MCU计算出频率值。本实用新型解决了由电阻和电感组成的感抗引起的电流上升慢，激振强度，激振效果不好的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于工程安全监测技术领域，具体涉及一种多通道振弦式传感器数据采集模块。
背景技术
振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。其输出为频率信号，便于远距离传输，因而在土木、水利、矿山等领域得到广泛运用。其工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可以在拾振线圈中感应出电势,感应电势的频率就是振弦的共振频率。根据共振频率的变化，计算出被测工程内部的应变、应力和位移的变化。振弦式传感器数据采集模块就是采集振弦式传感器的频率信号，并将频率值发送给上位机。
一般多通道振弦式传感器数据采集模块的电路多由激振电路、拾振电路、温度测量电路、处理器和通讯电路组成。而激振、拾振的方法在各种多通道振弦式传感器数据采集模块各不一样，处理器的差别也较大。
目前，通常的振弦式传感器数据采集在内部控制和测量方法上，主要有激振电路、频率测量方法和通道选择。通道选择包括单点多次测量和多点单次测量。一般的数据采集模块只能测量一种特性的振弦式传感器。对于单线圈传感器，测量的一般步骤是：1、选择某一通道的激振通道，发扫频激振信号，激发共振；2、切换到该传感器的拾振通道，信号经放大、滤波、比较输出方波脉冲信号；3、开启定时器，连续n个脉冲后停止计时器，读取时间间隔，计算频率；4、通过通讯电路，向上位机发送频率数据。
振弦式传感器数据采集模块的一般的激振电路，使用三极管控制继电器，电感产生的感抗使电流上升慢，继电器响应时间长，激振强度和激振效果不好。在激振控制方法上一般采用定时器间隔时长来控制扫频的周期，用定时中断来控制，前一个定时中断到，再改变定时常数，重新开始定时中断。这种方法在处理中断，重置时间参数时会耗去一定时间，通过扫频的整个周期，需要几百甚之上千次的定时器中断，会延长总的激振时间，对需要短时间内完成激振产生不好的影响。
振弦式数据采集模块的拾振电路中，信号处理及其重要，一般的采集模块，采用简单的信号处理方法，简单的低通滤波或高通滤波，并不能将信号中的噪声降到理想的地步。并且，采集模块的模拟地和数字地相互影响，特别是数字地噪声比较大，往往会影响模拟地，导致模拟信号的非真实变化。
一般的多通道振弦式传感器数据采集模块，其处理器的I/O口相当有限，需要附加特殊的I/O扩展电路，这样既增加了材料成本，又增加了数据采集模块的复杂性，同样也增加了不可靠性。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有的振弦式传感器数据采集模块振荡反馈效果不好，反应时间长的问题，提供了一种多通道振弦式传感器数据采集模块。
技术方案：本实用新型所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，其目的是这样实现的，
一种多通道振弦式传感器数据采集模块，包括MCU(微控制单元)、通讯驱动电路、激振电路、拾振电路和通道选择电路，所述通讯驱动电路将接收到的上位机指令传输给MCU，MCU根据指令驱动通道选择电路，使通道选择电路调整到合适的通道上，MCU驱动激振电路，激振电路产生脉冲信号经过通道选择电路激振该通道上连接的振弦式传感器，使振弦式传感器产生振荡信号，振弦式传感器将产生的振荡信号经过通道选择电路和拾振电路反馈给MCU，经拾振电路的放大整形处理后，MCU计算出频率值，并将计算出的频率值通过通讯驱动电路传递给上位机。
所述多通道振弦式传感器数据采集模块还包括温度测量电路，所述温度测量电路与MCU连接，测量带有温度修正的振弦式传感器的负特性热敏电阻的阻值，并向MCU输出采样后的阻值数据。
所述激振电路包括三极管、N-channelMOS管，所述三极管的b极连接MCU，三极管的c极连接N-channelMOS管的G极，三极管的e极接地，N-channelMOS管的S极接地，N-channelMOS管的D极连接通道选择电路，通过MCU发出的PWM脉冲宽度调制输出驱动激振电路。本实用新型在激振电路中采用N-channelMOS管，具有低栅极电荷，采用高性能的沟槽技术使MOS管具有超低导通电阻，开关速度高，这样可确保在最短时间内让激振电流到达最大值，保证了激振强度，解决了由电阻和电感组成的感抗引起的电流上升慢，激振强度，激振效果不好的问题，同时采用PWM脉冲宽度调制输出，改变定时常数，不需要通过中断处理，而是MCU的PWM硬件自动在周期内同时完成，省去了中断处理时间，确保用最短的时间内完成扫频激振，并且抗干扰能力强，获取最佳激振效果。
所述拾振电路包括依次连接的低通滤波放大电路、二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路、线性放大电路、正反馈迟滞比较电路，所述通道选择电路连接低通滤波放大电路，所述正反馈迟滞比较电路连接MCU，采用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器，有效地，最大程度地抑制各种干扰信号。
所述拾振电路还包括光电隔离电路，所述光电隔离电路设于正反馈迟滞比较电路和MCU之间，采用光电隔离电路接入MCU中断，使模拟地和数字地不在一个地平面，解决了数字信号对模拟信号干扰的问题。
所述MCU为ARM公司生产的Cortex-M3构架的处理器，该MCU采用LQFP144器件封装，具有112个I/O接口，最多可控制32路的振弦式传感器，不需要另外的I/O扩展电路，解决了普通MCU控制I/O口不够，要增加I/O口扩展电路的问题。
有益效果：本实用新型所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，在激振电路中采用N型N-channelMOS管，具有低栅极电荷，采用高性能的沟槽技术使MOS管具有超低导通电阻，开关速度高，这样可确保在最短时间内让激振电流到达最大值，保证了激振强度，解决了由电阻和电感组成的感抗引起的电流上升慢，激振强度，激振效果不好的问题；在控制方法上采用扫频激振，使用PWM脉冲宽度调制输出，确保用最短的时间完成扫频激振，抗干扰能力强，获取最佳激振效果。在拾振电路中，本实用新型在信号处理时，采用二阶低通滤波器和二阶高通滤波器，有效地，最大程度地抑制各种干扰信号。在拾振电路中，输出信号通过光电隔离电路接入MCU中断，使模拟地和数字地不在一个地平面，解决了数字信号对模拟信号干扰的问题。本实用新型采用ARMCortex-M332位MCU,采用LQFP144器件封装，具有112个I/O口，控制32路振弦式传感器，不需要附加的I/O扩展电路，解决了普通MCU控制I/O口不够，要增加I/O口扩展电路的问题。
附图说明
图1是本实用新型的电路连接原理图；
图2是本实用新型中激振电路的电路连接示意图。
具体实施方式
为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。
参见图1所示，一种多通道振弦式传感器数据采集模块，包括MCU2、通讯驱动电路1、激振电路3、拾振电路4和通道选择电路5，所述MCU1为ARM公司生产的Cortex-M3构架的处理器，采用LQFP144器件封装，具有112个I/O接口，最多可控制32路的振弦式传感器。
所述通讯驱动电路1将接收到的上位机指令传输给MCU2，MCU2根据指令驱动通道选择电路5，使通道选择电路5调整到合适的通道上，MCU2驱动激振电路3，激振电路3产生脉冲信号经过通道选择电路5激振该通道上连接的振弦式传感器，使振弦式传感器产生振荡信号，振弦式传感器将产生的振荡信号经过通道选择电路5和拾振电路4反馈给MCU2，经拾振电路4的放大整形处理后，MCU2计算出频率值，并将计算出的频率值通过通讯驱动电路1传递给上位机。
所述拾振电路4包括依次连接的低通滤波放大电路6、二阶高通滤波电路7、二阶低通滤波电路8、线性放大电路9、正反馈迟滞比较电路10和光电隔离电路11；所述通道选择电路5连接低通滤波放大电路6；所述正反馈迟滞比较电路10经过电隔离电路11连接MCU2。
所述多通道振弦式传感器数据采集模块还包括温度测量电路12，所述温度测量电路12与MCU2连接，测量带有温度修正的振弦式传感器的负特性热敏电阻的阻值，并向MCU2输出采样后的阻值数据。
参见图2所示，所述激振电路包括三极管13、N-channelMOS管14，所述三极管13的b极连接MCU2，三极管13的c极连接N-channelMOS管14的G极，三极管13的e极接地，N-channelMOS管14的S极接地，N-channelMOS管14的D极连接通道选择电路，通过MCU2发出的PWM脉冲宽度调制输出驱动激振电路3。本实用新型在激振电路3中采用N-channelMOS管14，具有低栅极电荷，采用高性能的沟槽技术使MOS管具有超低导通电阻，开关速度高，这样可确保在最短时间内让激振电流到达最大值，保证了激振强度，解决了由电阻和电感组成的感抗引起的电流上升慢，激振强度，激振效果不好的问题，同时采用PWM脉冲宽度调制输出，改变定时常数，不需要通过中断处理，而是MCU的PWM硬件自动在周期内同时完成，省去了中断处理时间，确保用最短的时间内完成扫频激振，并且抗干扰能力强，获取最佳激振效果。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多通道振弦式传感器数据采集模块，其特征在于，包括MCU(2)、通讯驱动电路(1)、激振电路(3)、拾振电路(4)和通道选择电路(5)，所述通讯驱动电路(1)将接收到的上位机指令传输给MCU(2)，MCU(2)根据指令驱动通道选择电路(5)，使通道选择电路(5)调整到合适的通道上，MCU(2)驱动激振电路(3)，激振电路(3)产生脉冲信号经过通道选择电路(5)激振该通道上连接的振弦式传感器，使振弦式传感器产生振荡信号，振弦式传感器将产生的振荡信号经过通道选择电路(5)和拾振电路(4)反馈给MCU(2)，经拾振电路(4)的放大整形处理后，MCU(2)计算出频率值，并将计算出的频率值通过通讯驱动电路(1)传递给上位机。
2.根据权利要求1所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，其特征在于，所述多通道振弦式传感器数据采集模块还包括温度测量电路(12)，所述温度测量电路(12)与MCU(2)连接，测量带有温度修正的振弦式传感器的负特性热敏电阻的阻值，并向MCU(2)输出采样后的阻值数据。
3.根据权利要求1所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，其特征在于，所述激振电路(3)包括三极管(13)、N-channelMOS管(14)，所述三极管(13)的b极连接MCU(2)，三极管(13)的c极连接N-channelMOS管(14)的G极，三极管(13)的e极接地，所述N-channelMOS管(14)的S极接地，N-channelMOS管(14)的D极连接通道选择电路(5)，通过MCU(2)发出的PWM脉冲宽度调制输出驱动激振电路(3)。
4.根据权利要求1所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，其特征在于，所述拾振电路(4)包括依次连接的低通滤波放大电路(6)、二阶高通滤波电路(7)、二阶低通滤波电路(8)、线性放大电路(9)、正反馈迟滞比较电路(10)；所述通道选择电路(5)连接低通滤波放大电路(6)；所述正反馈迟滞比较电路(10)连接MCU(2)。
5.根据权利要求4所述的多通道振弦式传感器数据采集模块，其特征在于，所述拾振电路(4)还包括光电隔离电路(11)，所述光电隔离电路(11)设于正反馈迟滞比较电路(10)和MCU(2)之间。
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