CN205301889U

CN205301889U - 一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路

Info

Publication number: CN205301889U
Application number: CN201520690271.4U
Authority: CN
Inventors: 王新华; 王建芬; 王钰俍
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2015-09-06
Filing date: 2015-09-06
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2025-09-06

Abstract

本实用新型涉及一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，包括一个接入传感器的4线接线端子、一个双4选1模拟复用器CD4052、两路AD623构成的模拟信号放大电路、一个MCU控制器STM32F103。数字或模拟传感器通过接线端子的输入/输出信号线1和2连接双4选1模拟复用器的X和Y端，MCU控制A和B选择复用器的不同通道，可连接IIC总线、SPI总线、开关量、串行JTAG仿真器等接口类型的数字传感器或设备到MCU相应端口，也可连接模拟传感器，信号经放大后再送MCU的AD转换接口。本接口电路在使用多种接口类型的传感器时能够实现统一的接口，可提高设备的通用性，减小设备的体积。

Description

一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路

技术领域

本实用新型属于电子测量技术领域，具体涉及一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路。

背景技术

随着传感器技术的发展，在电子测量技术领域除了使用传统的模拟传感器，也已经大量使用数字传感器，这种数字传感器的常用接口有单总线方式、IIC接口方式、SPI接口方式以及开关型接口等。在应用中，有时测量设备需要连接多种类型的传感器来测量不同类型的参数或者满足不同的测量范围，常见的方式是在测量设备上设计多个接口以匹配不同类型的传感器，特别是一个设备兼用模拟传感器和数字传感器时，接口一般都需要分开。这种方式会导致设备的外部接口数量较多，设备的体积和成本都变大。如果不论使用上述什么类型的传感器都能够使用统一的一个接口，那么对于设备的小型化和使用的便利性都大有益处，同时能够降低设备的成本，本实用新型即为实现此目标而提出。

发明内容

本实用新型提供了一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，使采用多种类型输入输出信号定义的传感器能连接到统一的接口，具有一定的通用性和灵活性，适用于不同的测量应用。

本实用新型的技术方案为：一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路包括一个用于连接不同传感器的4线接线端子，其中一根线作为电源线，一根作为地线，另外两根是传感器的信号输入/输出线。所述接线端子实际也可以是一个插座，外部连接的传感器可以是以下几种接口类型的数字传感器：SPI总线接口、IIC总线接口、开关量接口或单总线接口。对于SPI总线接口，这里只读取传感器的数据，所以只使用SPI的时钟信号SCLK和主输入从输出信号MISO；对于开关量接口可输入两路开关量信号，也可用于单总线数字传感器；所述接线端子也可连接两路单端输入的模拟传感器或一路差分输入模拟传感器。

接线端子信号线输入/输出1连接到双4选1模拟复用器CD4052的X引脚，输入/输出2连接到Y引脚，这里CD4052作为双1选4来使用；MCU控制器STM32F103的引脚IO3和IO4连接到CD4052的A和B引脚控制选择X和Y的4个连接通道：①当外部连接模拟传感器时，“BA”取值“00”，X被连通到OX，Y被连通到OY，分别输出模拟信号AI1和AI2到后续的两个仪表放大器AD623做放大，之后送到MCU自带的AD转换电路输入口ADC1和ADC2，实现两路模拟传感器或一路差分模拟输入传感器的AD转换；②当外部连接SPI总线传感器时，“BA”取值“01”，X被连通到1X，Y被连通到1Y，分别对应SPI时钟信号SCLK和主输入从输出信号MISO，信号送到MCU控制器的SPI总线接口，实现对传感器数据的读取；③当外部连接IIC总线传感器时，“BA”取值“10”，X被连通到2X，Y被连通到2Y，分别对应IIC总线时钟信号SCL和数据信号SDA，信号送到MCU控制器的IIC总线接口，实现对传感器的读写；④当外部连接开关量传感器或单总线传感器时，“BA”取值“11”，X被连通到3X，Y被连通到3Y，分别对应开关信号DI01和DI02，信号送到MCU控制器的I/O接口，实现对两路传感器的读写。

作为优选，上述模拟复用器的开关量信号DI01和DI02可连接到MCU控制器的串行JTAG引脚SWCLK(即JTCK脚)和SWDIO(即JTMS脚)，同时模拟复用器的引脚“BA”需要默认置成“11”以保证初始上电时通道的连通，此时所述的接线端子可以连接以串行方式工作的ARMJTAG仿真器，所述MCU控制器STM32F103不再需要额外的JTAG调试及编程接口。调试及编程完成后，MCU的初始化代码中可再定义JTAG口为通用I/O口，外部开关量传感器或单总线传感器可再正常接入。

作为优选，当外部连接一路差分输入模拟传感器时，所述接口电路只需要一路仪表放大器AD623，模拟复用器的输出信号AI1和AI2分别连接到所述仪表放大器的同相和反相输入端，实现一路差分放大。

本实用新型的优点是为多种接口类型的传感器提供了一种统一的接口电路，可使测量仪器在更换使用不同传感器时只用一个接线端子或插座，仪器设备结构能更加紧凑，体积更小，降低了设备成本，通用性强，使用灵活，适用于多种应用场合。

附图说明

图1是本实用新型构成原理框图

图2是数字模拟混合接口电路原理图

图3是MCU控制电路原理图

图4是差分模拟输入时的接口电路原理图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型所述的适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路包括一个4线接线端子、一个双4选1模拟复用器CD4052，模拟复用器工作电源电压为+5V，一路或两路由仪表放大器AD623构成的放大电路，一个MCU控制器STM32F103，MCU工作电压+3.3V。所述4线接线端子，其中一根线接电源，电源电压根据传感器的工作要求决定，可以是+5V或+3.3V；一根是地线，另外两根是传感器的信号输入/输出线，接线端子实际也可以是一个插座，外部连接的传感器可以是以下几种接口类型的数字传感器：SPI总线接口、IIC总线接口、开关量接口或单总线接口。对于SPI总线接口，选择只读取传感器的数据，只使用SPI的时钟信号SCLK和主输入从输出信号MISO；对于开关量接口可输入两路开关量信号，也可用于单总线数字传感器；所述接线端子也可连接两路单端输入的模拟传感器或一路差分输入模拟传感器。

如图2～3所示，接线端子J1的信号线IN1连接到模拟复用器U2的X引脚，信号线IN2连接到U2的Y引脚，U2作为双1选4模拟复用器来使用，这里U2可以使用CD4052；U2的通道选择引脚A和B来自于MCU控制器U1(STM32F103)的引脚PC6和PC7，控制选通U2两个公共端X和Y的4个连接通道，具体说明如下：

①当外部连接模拟传感器时，“BA”取值“00”，X被连通到OX输出模拟信号AI1，Y被连通到OY输出模拟信号AI2，信号再送入两个电压跟随器U3A和U3B(LM324)以提高信号的输入阻抗，之后送到仪表放大器U4和U5做放大，仪表放大器采用AD623时其本身的输入阻抗足够高，两个电压跟随器就不再需要，但如果使用的仪表放大器输入阻抗不高，电压跟随器是必要的。电压跟随器和仪表放大器均采用单端供电，供电电压+5V。放大之后的信号送到U1自身的AD转换电路输入口PAO和PA1。

②当外部连接SPI总线传感器时，“BA”取值“01”，X被连通到1X，Y被连通到1Y，分别对应连接SPI时钟信号SCLK和主输入从输出信号MISO，信号连接到MCU控制器U1的SPI总线接口(PA5和PA6)，可实现对传感器数据的读取。

③当外部连接IIC总线传感器时，“BA”取值“10”，X被连通到2X，Y被连通到2Y，分别对应连接IIC总线时钟信号SCL和数据信号SDA到MCU控制器U1的IIC总线接口(PB6和PB7)，由于IIC总线为开漏输出，需外接上拉电阻R5、R6，上拉电压+3.3V。此时实现对传感器的读写。

④当外部连接开关量传感器或单总线传感器时，“BA”取值“11”，X被连通到3X，Y被连通到3Y，分别对应开关信号DI01和DI02并连接MCU控制器U1的PA13和PA14引脚，实现对传感器开关信号的读写。PA13和PA14在STM32F103芯片上同时也是串行JTAG接口的SWCLK和SWDIO信号脚，接线端子可以连接ARM仿真器接口对U1做调试和编程，实现此功能要求上电时此通道必须连通，为了保证这点，在U2的通道选择引脚B和A上连接了两个上拉到+3.3V的电阻R9、R10，使“BA”的取值上电时为“11”，仿真器通道连通。

所述接口电路中R1～R4、S1～S4构成按键电路，仪器设备通过按键输入通道号，MCU控制器U1根据按下的键号控制PC6和PC7输出相应的通道选择控制信号给U2的B和A脚。

所述MCU控制器U1中包含C1、C2、Y1构成的外部晶体振荡电路。

所述接口电路中U3A和U3B(LM324)构成模拟输入信号的电压跟随器，可提高电路的输入阻抗并隔离传感器和后级仪表放大器，仪表放大器电路由U4、U5、R7、R8构成，本实施例的仪表放大器采用的AD623芯片本身的输入阻抗很高，实际电路可以不使用电压跟随器，如果使用低输入阻抗的仪表放大器则电压跟随器是必要的。放大电路的输出信号AIN1和AIN2送到U1的AD转换电路输入脚PA0和PA1，完成AD转换。

对于差分模拟输入的传感器接口，所述接口电路可以简化为图4的形式，只需要使用一个仪表放大器U4和R7构成差分放大器，经过模拟复用器U2得到的差分输入信号AI1和AI2直接连接到U4的两个输入端，得到差分放大输出AIN1，再送入AD转换器。

上述的具体实施方式是对本实用新型的精神做举例说明，相关领域的技术人员对本实用新型的电路或结构做不同的修改或采用不同的替代方案，都在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，其特征在于包括一个4线接线端子或插座，所述4线中的一根线作为电源线，一根线作为地线，另外两根线是传感器的信号输入/输出线；所述的两根信号输入/输出线连接到一个双4选1模拟复用器CD4052，其中信号线输入/输出1连接到所述模拟复用器CD4052的X引脚，输入/输出2连接到Y引脚；一个MCU控制器STM32F103，其引脚IO3和IO4分别连接到所述模拟复用器CD4052的通道选择引脚A和B来选择CD4052中X和Y分别对应的4个连接通道0X～3X和0Y～3Y；在所述的两根信号输入/输出线输入传感器的模拟信号时X被连通到0X，Y被连通到0Y，分别输出模拟信号AI1和AI2到后续的两个仪表放大器AD623放大，放大后的模拟信号送到所述MCU控制器STM32F103自带的AD转换电路输入口ADC1和ADC2，实现两路模拟传感器或一路差分模拟传感器信号的AD转换。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，其特征在于能够连接多种接口类型的传感器，包括以下接口类型的数字传感器：SPI总线接口、IIC总线接口、开关量接口、单总线接口；还包括两路单端输入的模拟传感器或一路差分输入的模拟传感器。

3.根据权利要求1或2所述的适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，其特征在于所述模拟复用器CD4052的通道3X和3Y对应的开关量信号DIO1和DIO2连接到MCU控制器的通用IO口作开关量传感器或单总线传感器通道；或连接到MCU控制器的串行JTAG引脚，此时所述的接线端子连接以串行方式工作的ARMJTAG仿真器，所述MCU控制器STM32F103不再需要额外的JTAG调试及编程接口，调试编程完成后，MCU的初始化代码中重新定义JTAG口为通用I/O口，再正常接入外部开关量传感器或单总线传感器。

4.根据权利要求1或2所述的适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，其特征在于连接模拟传感器时所述模拟复用器CD4052的通道0X和0Y对应的模拟输出信号引脚AI1和AI2之后的电路连接形式有两种，一是连接两个电压跟随器，以提高电路的输入阻抗，隔离传感器和后级仪表放大器；二是不使用电压跟随器而直接连接高输入阻抗仪表放大器AD623。

5.根据权利要求1所述的适用于多种接口类型传感器的数模混合接口电路，其特征在于当外部连接一路差分输入模拟传感器时，只需要一路所述的仪表放大器AD623，所述模拟复用器CD4052输出的模拟信号AI1和AI2分别连接到所述仪表放大器的同相和反相输入端，实现一路差分放大。