CN208506561U - 一种模拟量输出板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟量输出板卡，包括：用于发送输出指令的控制模块、用于根据输出指令输出相应电压信号的电压输出模块和用于根据输出指令输出相应电流信号的电流输出模块；其中，电流输出模块和电压输出模块均分别与控制模块连接。本实用新型公开的模拟量输出板卡，将电流和电压信号两种输出功能集成在一起，降低了维护成本，提高了通道资源利用率。

Description

一种模拟量输出板卡

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制领域，尤指一种模拟量输出板卡。

背景技术

在火电、化工等传统工控行业普遍需要通过输出0-10V电压或4-20mA电流两种模拟量信号来进行实时控制现场设备，因此需要能够输出0-10V和4-20mA的输出模块。

图1为传统的控制系统对电机进行监控的架构示意图，如图1所示，控制器模块将输出指令发送给电压或电流输出模块，分布式控制系统(Distributed Control System，简称DCS)或可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)等控制系统，电流输出模块仅能输出8通道4-20mA电流信号，电压输出模块仅能输出8通道0-10V电压。然而目前的电压输出模块和电流输出模块两种模块的输出信号互相不兼容，在现场仅用少量几个通道的情况下，模块通道资源利用率低，造成浪费，维护成本也较大。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种模拟量输出板卡，将电流和电压信号两种输出功能集成在一起，降低了维护成本，提高了通道资源利用率。

为了达到本实用新型目的，本实用新型提供了一种模拟量输出板卡，包括：用于发送输出指令的控制模块、用于根据所述输出指令输出相应电压信号的电压输出模块和用于根据所述输出指令输出相应电流信号的电流输出模块；其中，

所述电流输出模块和所述电压输出模块均分别与所述控制模块连接。

进一步地，在上述实施例中，所述控制模块为MCU芯片，所述电压输出模块和所述电流输出模块均为DA芯片。

进一步地，在上述实施例中，所述DA芯片为N个，N为大于或等于1的正整数；其中，

所有DA芯片的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个DA芯片的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接，每一个DA芯片的输出端输出一路电压或电流信号。

进一步地，在上述实施例中，所述模拟量输出板卡还包括：隔离模块，所述隔离模块分别与所述DA芯片和所述MCU芯片连接；其中，

所述隔离模块包括：N个用于电源隔离的电源隔离模块，每一个DA芯片和所述MCU之间设置一个电源隔离模块，其中，每一个电源隔离模块的输出端与一个DA芯片连接，所有电源隔离模块的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个电源隔离模块的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接。

进一步地，在上述实施例中，所述电源隔离模块为DC-DC电源隔离模块。

进一步地，在上述实施例中，所述隔离模块还包括：N个用于信号隔离的光耦芯片或磁耦隔离芯片，每一个DA芯片和所述MCU之间设置一个与电源隔离模块并联的光耦芯片或磁耦隔离芯片；其中，

每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输出端与一个DA芯片连接，所有光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接。

进一步地，在上述实施例中，每一个DA芯片上设置有用于向所述MCU芯片反馈自身输出状态的SPI接口。

进一步地，在上述实施例中，所述模拟量输出板卡还包括：N个自恢复保险；其中，

每一个自恢复保险的一端与一个DA芯片的输出端连接，另一端作为所述模拟量板卡的输出端。

进一步地，在上述实施例中，所述模拟量输出板卡还包括：N个低温漂电阻元件；其中，

每一个低温漂电阻元件的一端与一个DA芯片的输出端连接，所有低温漂电阻元件的另一端均与所述MCU芯片连接，每一个低温漂电阻元件的另一端均与所述MCU芯片的不同管脚连接。

与现有技术相比，本实用新型提供的模拟量输出板卡，具有以下有益效果：1.将电流、电压两种输出类型集成在一个模块中，提高资源利用率。2.输出精度从千分之一提高至万分之五。3.输出状态能够回读给控制器模块，可用于模拟量输出板卡的自检。4.电源及通讯每个通道之间路路隔离。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为传统的控制系统对电机进行监控的架构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的模拟量输出板卡的结构示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的模拟量输出板卡的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡配套端子排的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡端子接线的示意图；

图6为本实用新型实施例三提供的模拟量输出板卡的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图2为本实用新型实施例一提供的模拟量输出板卡的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的模拟量输出板卡，包括：用于发送输出指令的控制模块21、用于根据输出指令输出相应电压信号的电压输出模块22和用于根据输出指令输出相应电流信号的电流输出模块23；其中，

电流输出模块23和电压输出模块22均分别与控制模块21。

具体的，本实施例中提供的模拟量输出板卡可以分别与DCS、PLC等控制系统中的控制器模块和现场仪表连接，在需要将数字量转化为模拟量来控制现场仪表的驱动电路时，控制系统中的控制器模块向模拟量输出板卡发送输出控制指令，以指示需要输出的模拟量信号。模拟量输出板卡中的控制模块21接收该输出控制指令，并将该输出控制指令解析为具体输出何种模拟信号(比如输出电流信号和/或电压信号)的输出指令，并将该输出指令发送给相应的电流输出模块23或电压输出模块22。电流输出模块23根据该输出指令，输出相应的电流信号，电压输出模块22根据该输出指令，输出相应的电压信号。本实施例提供的输出模块将电压信号和电流信号两种输出功能集成在一起，根据需求输出相应的电压和电流信号，电压和电流两种模拟输出信号可以由同一个模块输出，即可以共用同一通道进行输出，降低了维护成本互，提高了通道资源利用率低。且简化了DCS、PLC等控制系统结构。

本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡，将电压信号和电流信号两种输出功能集成在一起，根据需求可以输出相应的电压和电流信号，也即，电压和电流两种模拟输出信号可以由同一个模拟量输出板卡输出，提高了通道资源利用率低，降低了维护成本互。且简化了DCS、PLC等控制系统结构。

进一步地，在上述实施例中，控制模块21可以为微控制单元(MicrocontrollerUnit，简称MCU)芯片，电流输出模块23和电压输出模块22均可以为数模转换(Digital toAnalog，简称DA)芯片。其中，电流输出模块23和电压输出模块22可以为同一输出模块，其均为DA芯片。具体的，MCU芯片可以接收控制系统中的控制器模块发送的输出控制指令，并将该输出控制指令解析为具体输出何种模拟信号的输出指令，并将该输出指令发送给DA芯片。DA芯片根据该输出指令将数字信号转换为相应的电压或电流的模拟信号，并输出转化后的电压或电流信号。DA芯片将数字信号转换为相应的电压或电流的模拟信号具体可以为：DA芯片将控制器模块或MCU芯片发送的数字信号转换为与该数字信号成对应比例的电压或电流信号。

图3为本实用新型实施例二提供的模拟量输出板卡的结构示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，DA芯片为N个，N为大于或等于1的正整数；其中，所有DA芯片的输入端均与MCU芯片连接，每一个DA芯片的输入端与MCU芯片的不同管脚连接，每一个DA芯片的输出端输出一路电压或电流信号。

具体的，本实施例可以设置N个DA芯片，通过DA芯片的转换通道，每一个DA芯片输出一路电压或电流信号。通过N个DA芯片的N个转换通道，可以输出N通道的电压或电流信号，实现模拟量输出板卡输出多通道的电压或电流信号。

需要说明的是，本实施例中每一个DA芯片的输入端具体与MCU芯片的哪个管脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片分别对每一个DA芯片进行控制即可。本实施例中MCU芯片控制DA芯片的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

可选的，N的取值可以根据控制系统在现场使用的控制通道而定，N可以小于或等于现场使用的控制通道数量。本实施例可以充分利用现场使用的控制通道，进一步提高通道资源利用率低，避免造成通道浪费。

可选的，N＝8。本实施例提供的模拟量输出板卡，可以实现输出8通道的电压或电流信号。

可选的，每一个DA芯片输出一路包括0～10V，0～5V，0～20mA，4～20mA的任一种模拟信号。本实施例提供的模拟量输出板卡，可以输出0～10V，0～5V，0～20mA和4～20mA四种模拟量。需要说明的是，本实施例可以但并仅限于这四种模拟量，其具体输出的模拟量可以根据实际中控制现场仪表驱动电路所需的标准信号量而定，本实施例在此不进行赘述。

本实施例中模拟量输出板卡的型号为P2-AO01，外形尺寸为35mm(宽)×120(高)×100mm(深)。P2-AO01板卡配套的预制电缆为P2-DB25，其配套端子排为P2-TB42，其外形尺寸为100mm(宽)×50mm(高)，端子排P2-TB42通过预制电缆连接到P2-AO01板卡中。图4为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡配套端子排的示意图，如图4所示，本实施例提供的模拟量输出板卡端子排对外共提供32个端子，其中每一通道对应使用四个端子实现模拟量输出板卡通道输出电压或电流信号。其中，端子排各端子的功能可以如表1所示，具体见表1。

表1

在实际应用中，可以通过端子接线的方式完成模拟量输出板卡通道输出信号类型的改变。图5为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡端子接线的示意图，如图5所示，模拟量输出板卡作为电流输出时，将通道电流输出正端(I+)连接到现场设备(如现场仪表)正端，将电压、电流输出负端(GND)接到现场设备负端。模拟量输出板卡作为电压输出时，将通道电压输出正端(V+)连接到现场设备正端，将电压、电流输出负端(GND)接到现场设备负端。

需要说明的是，本实施例中的控制模块可以采用集成有MCU芯片的EDPF－NT分散控制系统，通过NT系统可以将输出通道配置成电压或电流输出模式中的任何一种，一块P2-AO01卡件的各个输出通道可以配置成相同模式，也可以配置成不同模式。比如，可以将所有输出通道配置成电流输出模式，也可以将部分输出通道配置成电流输出模式，剩余的输出通道配置成电压输出模式。

其中，EDPF－NT分散控制系统是一个融计算机、网络、数据库和自动控制技术为一体的工业自动化产品，实现自动控制与信息管理一体化设计。具有开放式结构和良好的硬件兼容性和软件的可扩展性。可广泛应用于火电站、水电站、冶金、化工、造纸、水泥和污水处理等行业的过程自动化控制和信息监视与管理。EDPF-NT分散控制系统适用于各类大型、复杂的工业过程控制应用，也可构成简单系统，满足小规模、低成本应用的要求。EDPF-NT是面向整个生产过程的先进过程控制系统。

本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡，设置N个DA芯片，可以输出N通道的电压或电流信号，实现模拟量输出板卡输出多通道的电压或电流信号。N的取值根据控制系统在现场使用的控制通道而定，可以充分利用现场使用的控制通道，进一步提高通道资源利用率低，避免造成通道浪费。

图6为本实用新型实施例三提供的模拟量输出板卡的结构示意图，图7为本实用新型实施例提供的模拟量输出板卡的电路原理图，如图6和图7所示，模拟量输出板卡还包括：隔离模块24，隔离模块24分别与DA芯片和MCU芯片连接；其中，

隔离模块24包括：N个用于电源隔离的电源隔离模块，每一个DA芯片和MCU之间设置一个电源隔离模块，其中，每一个电源隔离模块的输出端与一个DA芯片连接，所有电源隔离模块的输入端均与MCU芯片连接，每一个电源隔离模块的输入端与MCU芯片的不同管脚连接。

需要说明的是，本实施例中每一个电源隔离模块的输入端具体与MCU芯片的哪个管脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片分别对每一个电源隔离模块和DA芯片进行控制即可。本实施例中MCU芯片控制电源隔离模块和DA芯片的实现原理，以及电源隔离模块进行电源隔离的实现原理均与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

可选的，电源隔离模块为DC-DC电源隔离模块。其中，DC-DC(也可称为DC/DC，或DCDC)表示的是将高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源。

具体的，本实施例中，可以通过为每一个通道设置一个电源隔离模块，实现每个通道之间电源的路路隔离，使得某一通道的电源坏了，但不影响其他通道的电源使用。

进一步地，如图6和图7所示，隔离模块24还可以包括：N个用于信号隔离的光耦芯片或磁耦隔离芯片，每一个DA芯片和MCU之间设置一个与电源隔离模块并联的光耦芯片或磁耦隔离芯片；其中，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输出端与一个DA芯片连接，所有光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端均与MCU芯片连接，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端与MCU芯片的不同管脚连接。

具体的，本实施例中，隔离模块24可以包括：N个用于电源隔离的电源隔离模块和N个用于信号隔离的信号隔离芯片，信号隔离芯片可以包括光耦芯片和/或磁耦隔离芯片。每一个DA芯片和MCU之间设置一个电源隔离模块和一个信号隔离芯片，每一个DA芯片和MCU之间的电源隔离模块和信号隔离芯片并联。通过为每一个通道设置一个电源隔离模块，以及一个光耦芯片和/或磁耦隔离芯片，可实现电源及通讯每个通道之间路路隔离，使得某一通道的通讯坏了，不影响其他通道的通讯使用。

进一步地，在上述实施例中，隔离模块24可以只包括：N个用于信号隔离的信号隔离芯片，每一个DA芯片和MCU之间设置一个信号隔离芯片，信号隔离芯片可以包括光耦芯片和/或磁耦隔离芯片。其中，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输出端与一个DA芯片连接，所有光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端均与MCU芯片连接，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端与MCU芯片的不同管脚连接。本实施例中，通过为每一个通道设置一个光耦芯片和/或磁耦隔离芯片，实现每个通道之间通讯的路路隔离，使得某一通道的通讯坏了，不影响其他通道的通讯使用。

需要说明的是，上述实施例中每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端具体与MCU芯片的哪个管脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片分别对每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片和DA芯片进行控制即可。本实施例中MCU芯片控制光耦芯片或磁耦隔离芯片和DA芯片的实现原理，以及光耦芯片或磁耦隔离芯片进行信号隔离的实现原理均与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

进一步地，如图7所示，每一个DA芯片上设置有用于向MCU芯片反馈自身输出状态的SPI接口。

具体的，本实施例中，每一个DA芯片上可以设置有串行外设接口(SerialPeripheral Interface，简称SPI接口)，DA芯片通过该SPI接口可将自身的输出状态，比如输出报错，反馈给MCU芯片，可实现将每一个DA芯片的输出状态回读给MCU芯片。

相应地，MCU芯片可基于SPI协议读取每一个DA芯片上的SPI接口，以获取并识别每一个DA芯片的输出状态，并将识别的每一个DA芯片的输出状态发送给控制器模块，能够将模拟量输出板卡的输出状态回读给控制器模块，可用于模拟量输出板卡的自检。

进一步地，如图7所示，模拟量输出板卡还可以包括：N个自恢复保险；其中，每一个自恢复保险的一端与一个DA芯片的输出端连接，另一端作为模拟量板卡的输出端。

具体的，本实施例中，每一个DA芯片的输出端可以设置有一个独立自恢复保险，即每一路输出信号设有独立自恢复保险，对输出的每一路电压或电流进行自恢复保护。可选的，自恢复保险为自恢复保险丝。

需要说明的是，可在模拟量输出板卡的保护电路板中预先设置自恢复保险的焊接位置，通过焊接将自恢复保险焊接上去即可。

进一步地，如图7所示，模拟量输出板卡还可以包括：N个低温漂电阻元件；其中，每一个低温漂电阻元件的一端与一个DA芯片的输出端连接，所有低温漂电阻元件的另一端均与MCU芯片连接，每一个低温漂电阻元件的另一端均与MCU芯片的不同管脚连接。

具体的，本实施例中，可以通过MCU芯片控制低温漂电阻元件，实现模拟量输出板卡输出精度的校准。使用低温漂电阻元件可使模拟量输出板卡的输出精度达到0.05％，从而实现模拟量输出板卡的输出精度从千分之一提高至万分之五。

需要说明的是，本实施例中每一个低温漂电阻元件的另一端具体与MCU芯片的哪个管脚连接，本实施例在此不进行限定，只要能够实现MCU芯片分别对每一个低温漂电阻元件进行控制即可。本实施例中MCU芯片控制低温漂电阻元件的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

需要说明的是，本实施例可基于用户提供的标准或模拟量输出板卡的出厂默认标准校准。在校准时，MCU芯片中可配置相应的校准软件，以控制低温漂电阻元件进行校准。其中，MCU芯片中配置的校准软件采用现有校准软件或方法，本实施例在此不进行赘述。

需要说明的是，图7中MCU芯片U1、磁耦隔离芯片U2和DA芯片U10之间的连接通过正常的连接关系进行连接，光耦芯片U32和DC-DC电源隔离模块U17与MCU芯片U1和DA芯片U10之间的连接通过电气标号连接的简化示意连接。

进一步地，在上述实施例中，本实用新型提供的模拟量输出板卡具有如表2所示的技术指标，具体见表2。

表2

进一步地，在上述实施例中，本实用新型提供的模拟量输出板卡上还设置有指示灯，其中，指示灯说明可以如表3所示，具体见表3。

表3

本实用新型提供的模拟量输出板卡，具有以下有益效果：1.将电流、电压两种输出类型集成在一个模块中，提高资源利用率。2.输出精度从千分之一提高至万分之五。3.输出状态能够回读给控制器模块，可用于模拟量输出板卡的自检。4.电源及通讯每个通道之间路路隔离。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种模拟量输出板卡，其特征在于，包括：用于发送输出指令的控制模块、用于根据所述输出指令输出相应电压信号的电压输出模块和用于根据所述输出指令输出相应电流信号的电流输出模块；其中，

所述电流输出模块和所述电压输出模块均分别与所述控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述控制模块为微控制单元MCU芯片，所述电压输出模块和所述电流输出模块均为数模转换DA芯片。

3.根据权利要求2所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述DA芯片为N个，N为大于或等于1的正整数；其中，

所有DA芯片的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个DA芯片的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接，每一个DA芯片的输出端输出一路电压或电流信号。

4.根据权利要求3所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述模拟量输出板卡还包括：隔离模块，所述隔离模块分别与所述DA芯片和所述MCU芯片连接；其中，

所述隔离模块包括：N个用于电源隔离的电源隔离模块，每一个DA芯片和所述MCU之间设置一个电源隔离模块，其中，每一个电源隔离模块的输出端与一个DA芯片连接，所有电源隔离模块的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个电源隔离模块的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接。

5.根据权利要求4所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述电源隔离模块为DC-DC电源隔离模块。

6.根据权利要求4所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述隔离模块还包括：N个用于信号隔离的光耦芯片或磁耦隔离芯片，每一个DA芯片和所述MCU之间设置一个与电源隔离模块并联的光耦芯片或磁耦隔离芯片；其中，

每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输出端与一个DA芯片连接，所有光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端均与所述MCU芯片连接，每一个光耦芯片或磁耦隔离芯片的输入端与所述MCU芯片的不同管脚连接。

7.根据权利要求3-6任一项所述的模拟量输出板卡，其特征在于，每一个DA芯片上设置有用于向所述MCU芯片反馈自身输出状态的串行外设接口SPI接口。

8.根据权利要求3-6任一项所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述模拟量输出板卡还包括：N个自恢复保险；其中，

每一个自恢复保险的一端与一个DA芯片的输出端连接，另一端作为所述模拟量板卡的输出端。

9.根据权利要求3-6任一项所述的模拟量输出板卡，其特征在于，所述模拟量输出板卡还包括：N个低温漂电阻元件；其中，

每一个低温漂电阻元件的一端与一个DA芯片的输出端连接，所有低温漂电阻元件的另一端均与所述MCU芯片连接，每一个低温漂电阻元件的另一端均与所述MCU芯片的不同管脚连接。