CN209514359U - 一种串联式测斜仪采集电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种串联式测斜仪采集电路，包括电源模块、信号调理模块、外设、电子开关、微控制器和全隔离RS485模块；所述电源模块包括隔离电源、线性稳压器和DC‑DC电源；所述信号调理模块包括模数转换器和倾角测量芯片；所述外设包括EEPROM和RTC实时时钟；所述串联式测斜仪通过所述隔离电源和所述全隔离RS485模块分别与所述电源总线和所述RS485总线连接，实现传感器与总线的物理隔离，同时内部所述微控制器通过所述RTC实时时钟的唤醒闹铃中断启动工作，并通过开启所述电子开关对所述模数转换器、所述倾角测量芯片、所述EEPROM和所述RTC实时时钟提供电源，当采集完成后，所述微控制器通过所述全隔离RS485模块发送数据，并跟主机对所述RTC实时时钟进行同步。
Description
技术领域
本实用新型涉及土木工程安全健康监测领域，尤其涉及一种串联式测斜仪采集电路。
背景技术
目前测斜仪的应用场景主要是基坑围护结构的内部位移监测、边坡滑坡监测、大坝、基础墙等，适用范围广、用量大，监测点要求高，测斜仪是当前对上述结构内部位移监测最重要的传感器之一。
目前固定杆式测斜仪的使用，多采用并行式和串联式：(1)并行式是每个被监测的测斜孔内的所有固定杆式测斜仪分别引出各自独立的信号线，并连接到数据采集仪的不同通道上，这种方式的好处是整个监测系统的可靠性高，损坏某一个传感器不会对其他传感器造成影响。但是该方法也有很大的局限性，随着监测要求布点的数量增加，由于每个传感器都要引出线，但测斜管的内径是有限的，引出线的数量受到测斜管内径的限制，从而限制了在一些要求高密度监测场景的应用，同时该方式由于每个传感器占用一个数据采集仪通道，也提高了系统监测的成本。(2)串联式是所有固定杆式测斜仪采用总线通信的方式，将供电、通信串联在一起，最终通过一根总线连接到数据采集仪上，目前这种串联式测斜仪虽然解决了高密度监测时，不受测斜管内径对传感器数量的限制，但是如果总线上出现故障传感器，将会影响所有传感器的工作。同时串联式对所有总线上的测斜仪传感器同时供电，对采集设备的电源要求高，随着总线长度的增加和传感器数量的增加，这种效应越发明显，尤其是对总线最尾端的那一部分传感器，由于压降导致测斜仪无法正常工作。
发明内容
为解决目前串联式测斜仪可靠性低，在使用过程中，某个传感器出现故障从而影响总线上所有传感器的工作，以及解决随着串联传感器数量的增加，导致的总线压降引起的传感器无法正常工作，本实用新型提供了一种串联式测斜仪采集电路，包括电源模块、信号调理模块、外设、电子开关、微控制器和全隔离RS485模块；
所述电源模块包括隔离电源、线性稳压器和DC-DC电源；
所述信号调理模块包括模数转换器和倾角测量芯片；
所述外设包括EEPROM和RTC实时时钟；
所述串联式测斜仪通过所述隔离电源和所述全隔离RS485模块分别与所述电源总线和所述 RS485总线连接，实现传感器与总线的物理隔离，同时内部所述微控制器通过所述RTC实时时钟的唤醒闹铃中断启动工作，并通过开启所述电子开关对所述模数转换器、所述倾角测量芯片、所述EEPROM和所述RTC实时时钟提供电源，当采集完成后，所述微控制器通过所述全隔离RS485模块发送数据，并跟主机对所述RTC实时时钟进行同步。
其中，所述隔离电源将所述电源总线输入的外部电源转换成提供给单板的电源电压。
其中，所述线性稳压器为所述倾角测量芯片、所述模数转换器、所述EEPROM、所述RTC 实时时钟和所述全隔离RS485模块提供稳定的电压。
其中，所述DC-DC电源为所述微控制器提供电源，保证传感器的最低静态电流。
其中，所述倾角测量芯片输出感知外部角度变化对应的电压值，所述模数转换器负责将所述电压值转换成数字量，并通过SPI接口与所述微控制器进行通信和数据传输。
其中，所述微控制器对所述模数转换器进行逻辑控制，读取转换后的倾角数据；同时响应RTC 实时时钟产生的闹铃中断信号，控制所述电子开关给所述EEPROM和所述RTC实时时钟提供电源。
其中，所述EPROM存储传感器的初始化参数，如ID编号、温度补偿系数和出厂信息。
其中，所述RTC实时时钟为传感器提供基准时间，在传感器每次唤醒后，都会与外部主机进行一次时间同步，保证本传感器的时间与其他传感器的时间同步，同时通过所述微控制器配置的闹铃时刻，在中断时刻到来时，触发所述微控制器的外部中断，所述微控制器启动外设电源，对倾角数据进行采集和传输。
其中，所述全隔离RS485模块与所述RS485总线上的主机进行数据交互，同时实现通信和电源的全隔离，保证在本传感器发生故障异常时，不会对所述RS485总线上的其他传感器造成影响。
其中，所述电子开关对所述线性稳压器输入电源的通断，受控于所述微控制器，当系统休眠时，所述微控制器先断开所述电子开关，然后再进入休眠。
本实用新型的原理：
本实用新型提供的串联式测斜仪采集电路，通过两种方案解决当前传感器式测斜仪使用中的问题和局限性：第一、采用隔离RS485驱动器和隔离电源，将每个传感器的通过隔离器件与总线在物理上分离，而在电气上保持连接；第二、每个传感器采用休眠工作方式，在任意一个传感器不工作的时候，其将进入休眠模式，休眠模式下极低的电流消耗可以忽略不计，从而不对电源造成任何负担，从而降低了总线上的电流和压降，大大提高了串联式测斜仪的数量，扩展了其应用场景和范围。
(1)隔离电源采用宽电源输入的降压型DC-DC转换器，并带有持续短路保护功能的隔离电源模块；隔离RS485驱动器也采用集成隔离芯片和RS485驱动器的模块，实现RS485模块的电源隔离和信号隔离，实现RS485通信和纵向保护于一体的RS485协议收发模块。本实用新型采用目前成熟的两款隔离模块，可以降低设计周期和设计成本，使用集成度更高的模块，也能降低传感器的体积。
(2)内部电源通过电子开关对传感器内部电路模块提供电源，除了隔离电源，其它模块传感器休眠时，微控制器通过电子开关控制其它模块电源的通断，同时微控制器自身也会进入低功耗模式运行，通过外部中断来唤醒，保证系统在不工作时，保持最低的电流消耗；隔离电源模块在负载和微控制器断开时，也具有较低的静态电流。
(3)在采集时为了实现在某一时刻，总线上只有一个传感器处在工作状态，整个系统工作为，主动上报方式，即每个传感器有一个本地RTC实时时钟，同一根测斜管、同一根测量总线上的所有传感器配置为具有相等时间间隔的唤醒时间时刻，每个传感器唤醒后将本次数据上报给采集设备，同时与采集设备进行RTC时间同步。RTC工作在闹铃模式，在定时时刻到来后，通过闹铃中断唤醒微控制器，微控制器再将各个电路模块的电子开关打开，进行数据采集，并完成数据传输和RTC实时时钟时间同步，完成后，微控制器再关断电子开关，然后微控制器再进入休眠模式。其他挂载在总线上的测斜仪按照同样的逻辑处理方式进行工作，从而实现串联式测斜仪因为数量引起的总线上对电流消耗增大的问题。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的串联式测斜仪采集电路，通过采用隔离的电源和隔离RS485驱动器设计，以及采用传感器主动上报的工作方式，提高了串联式测斜仪工作的可靠性，以及避免了对电源的要求，实际中只需要考虑驱动一个测斜仪的电源功率在考虑一定的冗余即可。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的串联式测斜仪采集电路的结构模块图；
图2是本实用新型实施例提供的串联式测斜仪采集电路中DC-DC电路图；
图3是本实用新型实施例提供的串联式测斜仪采集电路中模数转换器电路图；
图4是本实用新型实施例提供的串联式测斜仪采集电路中全隔离RS485电路图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-隔离电源，2-电子开关，3-线性稳压器，4-DC-DC电源， 5-微控制器，6-模数转换器，7-倾角测量芯片，8-EEPROM，9-RTC实时时钟，10-全隔离RS485 模块，11-RS485总线，12-电源总线。
具体实施方式
以下是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
本实用新型提供了一种串联式测斜仪采集电路，如图1～4所示，包括电源模块、信号调理模块、外设、电子开关2、微控制器5和全隔离RS485模块10；所述电源模块包括隔离电源1、线性稳压器3和DC-DC电源4；所述信号调理模块包括模数转换器6和倾角测量芯片7；所述外设包括EEPROM8和RTC实时时钟9；所述串联式测斜仪通过所述隔离电源1和所述全隔离RS485模块10分别与所述电源总线12和所述RS485总线11连接，实现传感器与总线的物理隔离，同时内部所述微控制器5通过所述RTC实时时钟9的唤醒闹铃中断启动工作，并通过开启所述电子开关2对所述模数转换器6、所述倾角测量芯片7、所述EEPROM8和所述RTC实时时钟9提供电源，当采集完成后，所述微控制器5通过所述全隔离RS485模块 10发送数据，并跟主机对所述RTC实时时钟9进行同步。
所述隔离电源1将所述电源总线12输入的外部电源转换成提供给单板的电源电压，同时具有隔离和短路保护功能，在单板发生异常时，该传感器不会影响总线其他传感器；所述线性稳压器3为所述倾角测量芯片7、所述模数转换器6、所述EEPROM8、所述RTC实时时钟9 和所述全隔离RS485模块10提供稳定的电压，所述线性稳压器3的输入通过所述电子开关2 负责通断，来实现传感器低功耗的运行；所述DC-DC电源4为所述微控制器5提供电源，保证传感器的最低静态电流，因为传感器休眠时，所述微控制器5的电源不能断开，需要持续供电，但又要求对所述微控制器5提供电源的模块有足够低的电流损耗，使用所述DC-DC电源4主要是为了提高电源的转换效率以及DC-DC的超低静态电流，实际使用的DC-DC转换器，在单片机进行休眠之后，其静态工作电流只有几十uA，完全满足休眠的电源消耗等级。所述倾角测量芯片7输出感知外部角度变化对应的电压值，所述模数转换器6负责将所述电压值转换成数字量，并通过SPI接口与所述微控制器5进行通信和数据传输；所述微控制器 5对所述模数转换器6进行逻辑控制，读取转换后的倾角数据；同时响应RTC实时时钟9产生的闹铃中断信号，控制所述电子开关2给所述EEPROM8和所述RTC实时时钟9提供电源；通过对所述全隔离RS485模块10的逻辑控制实现对RS485总线11的数据通信，同时在传感器休眠时，所述微控制器5也进入待机模式进行低功耗休眠。
所述EPROM存储传感器的初始化参数，如ID编号、温度补偿系数和出厂信息；所述RTC 实时时钟9为传感器提供基准时间，在传感器每次唤醒后，都会与外部主机进行一次时间同步，保证本传感器的时间与其他传感器的时间同步，同时通过所述微控制器5配置的闹铃时刻，在中断时刻到来时，触发所述微控制器5的外部中断，所述微控制器5启动外设电源，对倾角数据进行采集和传输。
所述全隔离RS485模块10与所述RS485总线11上的主机进行数据交互，同时实现通信和电源的全隔离，保证在本传感器发生故障异常时，不会对所述RS485总线11上的其他传感器造成影响，同一根测斜仪管里的所有传感器配置为不同的闹铃中断时刻，保证总线不冲突；所述电子开关2对所述线性稳压器3输入电源的通断，受控于所述微控制器5，当系统休眠时，所述微控制器5先断开所述电子开关2，然后再进入休眠。
以上实施例是结合具体的优选方式对本实用新型所作的进一步详细说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：包括电源模块、信号调理模块、外设、电子开关、微控制器和全隔离RS485模块；
所述电源模块包括隔离电源、线性稳压器和DC-DC电源；
所述信号调理模块包括模数转换器和倾角测量芯片；
所述外设包括EEPROM和RTC实时时钟；
所述串联式测斜仪通过所述隔离电源和所述全隔离RS485模块分别与所述电源总线和所述RS485总线连接，实现传感器与总线的物理隔离，同时内部所述微控制器通过所述RTC实时时钟的唤醒闹铃中断启动工作，并通过开启所述电子开关对所述模数转换器、所述倾角测量芯片、所述EEPROM和所述RTC实时时钟提供电源，当采集完成后，所述微控制器通过所述全隔离RS485模块发送数据，并跟主机对所述RTC实时时钟进行同步。
2.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述隔离电源将所述电源总线输入的外部电源转换成提供给单板的电源电压。
3.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述线性稳压器为所述倾角测量芯片、所述模数转换器、所述EEPROM、所述RTC实时时钟和所述全隔离RS485模块提供稳定的电压。
4.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述DC-DC电源为所述微控制器提供电源，保证传感器的最低静态电流。
5.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述倾角测量芯片输出感知外部角度变化对应的电压值，所述模数转换器负责将所述电压值转换成数字量，并通过SPI接口与所述微控制器进行通信和数据传输。
6.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述微控制器对所述模数转换器进行逻辑控制，读取转换后的倾角数据；同时响应RTC实时时钟产生的闹铃中断信号，控制所述电子开关给所述EEPROM和所述RTC实时时钟提供电源。
7.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述EPROM存储传感器的初始化参数，如ID编号、温度补偿系数和出厂信息。
8.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述RTC实时时钟为传感器提供基准时间，在传感器每次唤醒后，都会与外部主机进行一次时间同步，保证所述传感器的时间与所述RS485总线上的其他传感器的时间同步，同时通过所述微控制器配置的闹铃时刻，在中断时刻到来时，触发所述微控制器的外部中断，所述微控制器启动外设电源，对倾角数据进行采集和传输。
9.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述全隔离RS485模块与所述RS485总线上的主机进行数据交互，同时实现通信和电源的全隔离，保证在所述传感器发生故障异常时，不会对所述RS485总线上的其他传感器造成影响。
10.根据权利要求1所述的一种串联式测斜仪采集电路，其特征在于：所述电子开关对所述线性稳压器输入电源的通断，受控于所述微控制器，当系统休眠时，所述微控制器先断开所述电子开关，然后再进入休眠。
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Cited By (1)
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| WO2021121959A1 (de) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Serielle schnittstelle |
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2019
- 2019-03-05 CN CN201920275187.4U patent/CN209514359U/zh not_active Expired - Fee Related
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