CN209543083U - 具有can总线接口的多类型信号输出的数据采集模块 - Google Patents

具有can总线接口的多类型信号输出的数据采集模块 Download PDF

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罗少轩
李瑜庆
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Abstract

本实用新型公开了一种具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，包括有主控MCU，分别与主控MCU连接的信号调理及模数转换电路、标准电流变送信号电路、标准电压变送信号电路、CAN总线接口电路和RS485总线接口电路。本实用新型由主控MCU经过处理变换后控制标准电流、电压变送信号的产生，同时配置RS485总线及CAN总线接口，适用于不同的数据采集应用场合。

Description

具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块
技术领域
本实用新型涉及工业自动化现场数据采集领域，具体是一种具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块。
背景技术
在工业自动化检测领域，通常需要传感器对现场数据进行采集变换后按照具体的方式对外进行传输，便于与其他控制设备进行互连。通常情况下，对外传输的数据信号类型有标准的模拟信号如0~5V和4~20mA等,还有常用的一种为经过变换处理后按照数字量的方式通过标准通信接口对外传输。绝大多数的数据采集终端一般只配置其中的一种，但由于工业现场的控制设备接口的多样性，单一的数据信号类型输出通用性不足，另外，在数字接口输出类型中，目前最常用的是基于RS232或RS485的通信接口，对于RS23接口类型来说，一般用于短距离的点对点低速通信，而对于RS485而言，虽然可以组建通信网络，但一般只用于单主多从的拓扑结构，数据传输效率较为低下。相比于RS485总线，CAN总线具有明显的优势，且开发成本同样不高，由于采用了多主竞争的总线仲裁方式，可以保证各个节点间能够自由通信，且理论上节点数量不受限制，在同等条件下，CAN总线的通信距离和通信速率远超RS485总线，被公认为极具应用前景的现场总线之一。虽然在总体性能上RS485不如CAN总线，但是由于RS485总线简单易用，目前仍然得到广泛的应用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，由主控MCU经过处理变换后控制标准电流、电压变送信号的产生，同时配置RS485总线及CAN总线接口，适用于不同的数据采集应用场合。
本实用新型的技术方案为：
具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，包括有主控MCU，分别与主控MCU连接的信号调理及模数转换电路、标准电流变送信号电路、标准电压变送信号电路、CAN总线接口电路和RS485总线接口电路；
所述的信号调理及模数转换电路包括有差动电桥式传感器接口P2、模数转换芯片U14、以及若干电阻和电容，所述的差动电桥式传感器接口P2与模数转换芯片U14的模拟信号输入端连接，模数转换芯片U14的数字信号输出端与主控MCU对应的引脚连接；
所述的标准电流变送信号电路包括有电流源DAC芯片U2、NPN三极管Q1、以及若干电阻和电容，所述的主控MCU的LATCH、SCK_2、SDI_2引脚分别与电流源DAC芯片U2的LATCH、SCK、SDIN引脚一一对应连接，三极管Q1的基极连接电流源DAC芯片U2的IOUT引脚，NPN的集电极通过电阻连接模拟电源Vin1, NPN的发射极输出标准的电流变送信号IOUT；
所述的标准电压变送信号电路包括有DA转换器U1、双运放U3、以及若干电阻和电容，双运放U3包括有运算放大器U3A和运算放大器U3B，所述的主控MCU的SDI_1、SLK_1、SYNC引脚分别与DA转换器U1的SDI、SLK、SYNC引脚一一对应连接, DA转换器U1的VFB、VO引脚分别与运算放大器U3A的同相输入端连接，运算放大器U3A的反相输入端与运算放大器U3B的输出端连接，运算放大器U3A的输出端输出标准的电压变送信号VOUT，运算放大器U3B的同相输入端与参考电压VREF连接，运算放大器U3B的反相输入端和输出端之间连接有并联的反馈电容C6和反馈电阻R3；
所述的CAN总线接口电路包括有CAN总线收发器U11、浪涌瞬态抑制器U12、以及若干电阻和电容，CAN总线收发器U11的RXD、TXD引脚分别与主控MCU的CAN_R、CAN_T引脚一一对应连接，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚输出CAN总线信号，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚均通过浪涌瞬态抑制器U12接地；
所述的RS485总线接口电路包括有RS485逻辑电平转换U13、浪涌瞬态抑制器U14、以及若干电阻, RS485逻辑电平转换U13的DE、RE引脚均与主控MCU的DIR引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的D引脚与主控MCU的TXD引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的R引脚与主控MCU的RXD引脚对应连接, RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚输出RS485通信信号，RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚均通过浪涌瞬态抑制器U14接地。
所述的数据采集模块的外供电源为直流15-40V电源，经过电源调节模块产生模拟电源VIN1、12V直流电源、-12V直流电源和3.3V模拟电源AVCC和3.3V数字电源VCC，所述的电源调节模块包括有外供直流电源接口P4、开关电源芯片U6、三端稳压器U4、三端稳压器U5、负电压产生芯片U8、电源管理芯片U9、以及若干电阻和电容，所述的外供直流电源接口P4输出的直流电源VIN经自恢复保险丝F1和二极管D2后输出模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输入端连接模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输出端输出12V直流电源，三端稳压器U4和三端稳压器U5的输入端均与12V直流电源连接，三端稳压器U4的输出端输出3.3V数字电源VCC，三端稳压器U5的输出端输出3.3V模拟电源AVCC，负电压产生芯片U8的输入端与12V直流电源连接，负电压产生芯片U8的输出端输出-12V直流电源，电源管理芯片U9的输入端与12V直流电源连接，电源管理芯片U9的输出端输出2.5V的参考电压VREF。
所述的模数转换芯片U14上连接有多个隔离电阻，用于将模拟电路和数字电路进行隔离。
所述的差动电桥式传感器接口P2通过无源低通滤波电路与模数转换芯片U14的模拟信号输入端连接。
所述的主控MCU选用基于RISC体系结构的工业级单片机PIC18F25K80。
本实用新型的优点：
本实用新型由高精度的模数转换器对传感器输出的模拟信号进行AD转换，转换结果由主控MCU读取，主控MCU对读取的AD转换值进行相应的变换处理后，控制数模转换器实现DA转换，再通过相应的V/V变换及V/I变换得到标准的电压和电流信号，同时将主控MCU的处理结果由RS485总线及CAN总线接口对外传输，适用于不同的数据采集应用场合，可以方便地与各种接口的控制设备进行互连，适用面可得到极大的扩展。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图。
图2是本实用新型电源调节模块的电路图。
图3是本实用新型的主控MCU 的引脚图。
图4是本实用新型信号调理及模数转换电路的电路图。
图5是本实用新型标准电流变送信号电路的电路图。
图6是本实用新型标准电压变送信号电路的电路图。
图7是本实用新型CAN总线接口电路的电路图。
图8是本实用新型RS485总线接口电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
见图1，具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，包括有主控MCU 1(基于RISC体系结构的工业级单片机PIC18F25K80)，分别与主控MCU 1连接的信号调理及模数转换电路2、标准电流变送信号电路3、标准电压变送信号电路4、CAN总线接口电路5和RS485总线接口电路6；
见图1和图2，数据采集模块的外供电源为直流15-40V电源，经过电源调节模块7产生模拟电源VIN1、12V直流电源、-12V直流电源和3.3V模拟电源AVCC和3.3V数字电源VCC，电源调节模块包括有外供直流电源接口P4、开关电源芯片U6(LM2576)、三端稳压器U4、三端稳压器U5、负电压产生芯片U8、电源管理芯片U9(REF5025)、以及若干电阻和电容，外供直流电源接口P4输出的直流电源VIN经自恢复保险丝F1和二极管D2后输出模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输入端连接模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输出端输出12V直流电源，三端稳压器U4和三端稳压器U5的输入端均与12V直流电源连接，三端稳压器U4的输出端输出3.3V数字电源VCC，三端稳压器U5的输出端输出3.3V模拟电源AVCC，外供电源地PGND和数字电源地由0欧电阻R10进行隔离，数字电源地和模拟电源地AGND由0欧姆电阻R11隔离，负电压产生芯片U8的输入端与12V直流电源连接，负电压产生芯片U8的输出端输出-12V直流电源，电源管理芯片U9的输入端与12V直流电源连接，电源管理芯片U9的输出端输出2.5V的参考电压VREF，其中，12V直流电源和-12V直流电源为标准电压变送信号电路的双运放U3提供正负电源；
见图3和图4，信号调理及模数转换电路包括有差动电桥式传感器接口P2、模数转换芯片U14、以及若干电阻和电容，差动电桥式传感器接口P2通过无源低通滤波电路(电阻R28、电容C30、电阻R32、电容C34)与模数转换芯片U14的模拟信号输入端连接，模数转换芯片U14的数字信号输出端与主控MCU对应的引脚(AD_SDO、AD_SCK、AD_PW)连接，模数转换芯片U14上连接有多个隔离电阻（R24-R25、R27、R29），用于将模拟电路和数字电路进行隔离；
见图3和图5，标准电流变送信号电路包括有电流源DAC芯片U2、NPN三极管Q1、以及若干电阻和电容，主控MCU的LATCH、SCK_2、SDI_2引脚分别与电流源DAC芯片U2的LATCH、SCK、SDIN引脚一一对应连接，三极管Q1的基极连接电流源DAC芯片U2的IOUT引脚，NPN的集电极通过电阻连接模拟电源Vin1, NPN的发射极输出标准的电流变送信号IOUT；
见图3和图6，标准电压变送信号电路包括有DA转换器U1、双运放U3、以及若干电阻和电容，双运放U3包括有运算放大器U3A和运算放大器U3B，主控MCU的SDI_1、SLK_1、SYNC引脚分别与DA转换器U1的SDI、SLK、SYNC引脚一一对应连接, DA转换器U1的VFB、VO引脚分别与运算放大器U3A的同相输入端连接，运算放大器U3A的反相输入端与运算放大器U3B的输出端连接，运算放大器U3A的输出端输出标准的电压变送信号VOUT，运算放大器U3B的同相输入端与参考电压VREF连接，运算放大器U3B的反相输入端和输出端之间连接有并联的反馈电容C6和反馈电阻R3；
见图3和图7，CAN总线接口电路包括有CAN总线收发器U11、浪涌瞬态抑制器U12、以及若干电阻和电容，CAN总线收发器U11的RXD、TXD引脚分别与主控MCU的CAN_R、CAN_T引脚一一对应连接，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚输出CAN总线信号，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚均通过浪涌瞬态抑制器U12接地；
见图3和图8，RS485总线接口电路包括有RS485逻辑电平转换U13、浪涌瞬态抑制器U14、以及若干电阻, RS485逻辑电平转换U13的DE、RE引脚均与主控MCU的DIR引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的D引脚与主控MCU的TXD引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的R引脚与主控MCU的RXD引脚对应连接, RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚输出RS485通信信号，RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚均通过浪涌瞬态抑制器U14接地。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，其特征在于：包括有主控MCU，分别与主控MCU连接的信号调理及模数转换电路、标准电流变送信号电路、标准电压变送信号电路、CAN总线接口电路和RS485总线接口电路；
所述的信号调理及模数转换电路包括有差动电桥式传感器接口P2、模数转换芯片U14、以及若干电阻和电容，所述的差动电桥式传感器接口P2与模数转换芯片U14的模拟信号输入端连接，模数转换芯片U14的数字信号输出端与主控MCU对应的引脚连接；
所述的标准电流变送信号电路包括有电流源DAC芯片U2、NPN三极管Q1、以及若干电阻和电容，所述的主控MCU的LATCH、SCK_2、SDI_2引脚分别与电流源DAC芯片U2的LATCH、SCK、SDIN引脚一一对应连接，三极管Q1的基极连接电流源DAC芯片U2的IOUT引脚，NPN的集电极通过电阻连接模拟电源Vin1, NPN的发射极输出标准的电流变送信号IOUT；
所述的标准电压变送信号电路包括有DA转换器U1、双运放U3、以及若干电阻和电容，双运放U3包括有运算放大器U3A和运算放大器U3B，所述的主控MCU的SDI_1、SLK_1、SYNC引脚分别与DA转换器U1的SDI、SLK、SYNC引脚一一对应连接, DA转换器U1的VFB、VO引脚分别与运算放大器U3A的同相输入端连接，运算放大器U3A的反相输入端与运算放大器U3B的输出端连接，运算放大器U3A的输出端输出标准的电压变送信号VOUT，运算放大器U3B的同相输入端与参考电压VREF连接，运算放大器U3B的反相输入端和输出端之间连接有并联的反馈电容C6和反馈电阻R3；
所述的CAN总线接口电路包括有CAN总线收发器U11、浪涌瞬态抑制器U12、以及若干电阻和电容，CAN总线收发器U11的RXD、TXD引脚分别与主控MCU的CAN_R、CAN_T引脚一一对应连接，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚输出CAN总线信号，CAN总线收发器U11的CANH、CANL引脚均通过浪涌瞬态抑制器U12接地；
所述的RS485总线接口电路包括有RS485逻辑电平转换U13、浪涌瞬态抑制器U14、以及若干电阻, RS485逻辑电平转换U13的DE、RE引脚均与主控MCU的DIR引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的D引脚与主控MCU的TXD引脚对应连接，RS485逻辑电平转换U13的R引脚与主控MCU的RXD引脚对应连接, RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚输出RS485通信信号，RS485逻辑电平转换U13的A、B引脚均通过浪涌瞬态抑制器U14接地。
2.根据权利要求1所述的具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，其特征在于：所述的数据采集模块的外供电源为直流15-40V电源，经过电源调节模块产生模拟电源VIN1、12V直流电源、-12V直流电源和3.3V模拟电源AVCC和3.3V数字电源VCC，所述的电源调节模块包括有外供直流电源接口P4、开关电源芯片U6、三端稳压器U4、三端稳压器U5、负电压产生芯片U8、电源管理芯片U9、以及若干电阻和电容，所述的外供直流电源接口P4输出的直流电源VIN经自恢复保险丝F1和二极管D2后输出模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输入端连接模拟电源VIN1，开关电源芯片U6的输出端输出12V直流电源，三端稳压器U4和三端稳压器U5的输入端均与12V直流电源连接，三端稳压器U4的输出端输出3.3V数字电源VCC，三端稳压器U5的输出端输出3.3V模拟电源AVCC，负电压产生芯片U8的输入端与12V直流电源连接，负电压产生芯片U8的输出端输出-12V直流电源，电源管理芯片U9的输入端与12V直流电源连接，电源管理芯片U9的输出端输出2.5V的参考电压VREF。
3.根据权利要求1所述的具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，其特征在于：所述的模数转换芯片U14上连接有多个隔离电阻，用于将模拟电路和数字电路进行隔离。
4.根据权利要求1所述的具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，其特征在于：所述的差动电桥式传感器接口P2通过无源低通滤波电路与模数转换芯片U14的模拟信号输入端连接。
5.根据权利要求1所述具有CAN总线接口的多类型信号输出的数据采集模块，其特征在于：所述的主控MCU选用基于RISC体系结构的工业级单片机PIC18F25K80。
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