CN210294857U - 基于rs-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于RS‑485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，包括模拟量输入电路、模拟量输出电路、数字量输入电路、数字量输出电路、微控制器、RS‑485收发器和电源电路，所述模拟量输入电路经第一电气隔离电路连接至微控制器，所述模拟量输出电路经第二电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第三电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第四电气隔离电路连接至微控制器，所述RS‑485收发器经第五电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。本实用新型适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，可以避免工业现场信号对微控制器通讯接口的影响。
Description
技术领域
本实用新型属于数据采集模块技术领域，具体涉及一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块。
背景技术
在工业控制过程中，经常需要采集现场的传感器模拟量信号，以便对其分析进行现场设备的控制。而各种传感器设备的模拟量输出信号不同，常见的有电压信号和电流信号，且输出的信号范围也不同，这就需要在进行模拟量数据采集时，根据不同的信号进行不同处理。为此，有必要设计一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，包括模拟量输入电路、模拟量输出电路、数字量输入电路、数字量输出电路、微控制器、RS-485收发器和电源电路，所述模拟量输入电路经第一电气隔离电路连接至微控制器，所述模拟量输出电路经第二电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第三电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第四电气隔离电路连接至微控制器，所述RS-485收发器经第五电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
优选地，所述模拟量输入电路包括沿模拟信号输入方向依次串联的第一平滑滤波器、多路模拟开关、第一增益调整电路以及A/D转换电路，所述第一增益调整电路包括沿模拟信号输入方向依次串联的放大器和抗混叠滤波电路，所述多路模拟开关、放大器和A/D转换电路分别与第一电气隔离电路连接。
优选地，所述模拟量输出电路包括沿模拟信号输出方向依次串联的D/A转换电路、第二增益调整电路、第二平滑滤波器以及信号转换电路，所述D/A转换电路与第二电气隔离电路连接。
优选地，所述模拟量输入电路具有4路模拟量差分输入通道或8路单端输入通道，所述模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号；所述模拟量输出电路具有2路模拟量输出通道，所述模拟量输出通道的输出类型为电压输出或电流输出；所述数字量输入电路具有2路数字量输入通道，所述数字量输入通道的输入类型为开关触点信号或电平信号；所述数字量输出通道具有2路数字量输出通道，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开路输出。
优选地，还包括看门狗电路，所述看门狗电路与微控制器连接。
优选地，还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与微控制器连接。
优选地，还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
优选地，所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端分别与第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、第三电气隔离电路、第四电气隔离电路连接，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器。
优选地，所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
本实用新型具有以下有益效果：该模块在内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响，使模块具有良好的可靠性。该模块采用带隔离的RS-485通信接口，可以避免工业现场信号对微控制器通讯接口的影响，并具有ESD（Electro-Static Discharge，静电释放）、过压、过流保护。该模块适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，例如可以用于采集传感器或变送器的信号。
附图说明
图1为本实用新型实施例的原理框图。
图2为本实用新型实施例的微控制器的一种电路图。
图3为本实用新型实施例的模拟量输入电路的一种原理框图。
图4为本实用新型实施例的模拟量输入电路的一种电路图。
图5为本实用新型实施例的多路模拟开关的一种电路图。
图6为本实用新型实施例的第一平滑滤波器的一种电路图。
图7为本实用新型实施例的A/D转换电路的一种电路图。
图8为本实用新型实施例的第一电气隔离电路和第二电气隔离电路的一种连接电路图。
图9为本实用新型实施例的模拟量输出电路的一种原理框图。
图10为本实用新型实施例的模拟量输出通道的一种电路图。
图11为本实用新型实施例的数字量隔离输入电路的一种电路图。
图12为本实用新型实施例的数字量隔离输出电路的一种电路图。
图13为本实用新型实施例的RS-485收发器和第五电气隔离电路的一种集成电路图。
图14为本实用新型实施例的看门狗电路和EEPROM存储器的一种集成电路图。
图15为本实用新型实施例的电源指示灯的一种电路图。
图16为本实用新型实施例的工作状态指示灯的一种电路图。
图17为本实用新型实施例的主电源电路的一种电路图。
图18为本实用新型实施例的二级稳压电路的一种电路图。
图19为本实用新型实施例的隔离电源电路的一种电路图。
图中标记：1、模拟量输入电路；2、模拟量输出电路；3、数字量输入电路；4、数字量输出电路；5、微控制器；6、RS-485收发器；7、电源电路；8、第一电气隔离电路；9、第二电气隔离电路；10、第三电气隔离电路；11、第四电气隔离电路；12、第五电气隔离电路；13、看门狗电路；14、EEPROM存储器；15、多路模拟开关；16、放大器；17、抗混叠滤波电路；18、A/D转换电路；19、D/A转换电路；20、信号转换电路。
具体实施方式
为了让本实用新型的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本实施例提供了一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，包括模拟量输入电路1、模拟量输出电路2、数字量输入电路3、数字量输出电路4、微控制器5、RS-485收发器6和电源电路7，所述模拟量输入电路1经第一电气隔离电路8连接至微控制器5，所述模拟量输出电路2经第二电气隔离电路9连接至微控制器5，所述数字量输入电路3经第三电气隔离电路10连接至微控制器5，所述数字量输入电路3经第四电气隔离电路11连接至微控制器5，所述RS-485收发器6经第五电气隔离电路12连接至微控制器5，所述电源电路7为整个模块提供稳定的工作电压。
在本实施例中，微控制器5采用32位RISC CPU ARM芯片，具体采用如图2所示的LPC2131单片机，具有非常快速的数据处理能力，可以应用在高性能和高速度的应用环境中；操作系统：实时操作系统；隔离耐压：1000 VDC；供电电压：+10~+30VDC，电源反接保护；工作温度范围：-40℃～+85℃；工业级塑料外壳，标准DIN导轨安装；通讯接口：隔离2500 VDC，ESD、过压、过流保护。
在本实施例中，如图3和图4所示，所述模拟量输入电路1包括沿模拟信号输入方向依次串联的第一平滑滤波器、多路模拟开关15、第一增益调整电路以及A/D转换电路18，所述第一增益调整电路包括沿模拟信号输入方向依次串联的放大器16和抗混叠滤波电路17，所述多路模拟开关15、放大器16和A/D转换电路18分别与第一电气隔离电路8连接。其中，可采用如图6所示的第一平滑滤波器实现对输入信号的滤波，多路模拟开关15可以采用如图5所示的由ADG409、ADG441BRZ和ADG508组成的电路，第一增益调整电路根据输入信号的幅值将信号调整至较合适的电压，提高对于系统对信号测量的动态范围，可采用如7所示的A/D转换电路18完成最终对于信号的测量。如图8所示，第一电气隔离电路8和第二电气隔离电路9可以共用由两个ADUM1200数字隔离器、一个ADUM1201数字隔离器组成的隔离电路。
在本实施例中，所述模拟量输入电路1具有4路模拟量差分输入通道或8路单端输入通道，所述模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号。主要技术指标如下：输入路数：4路差分输入和8路单端输入，共用接线端子；测量范围：±10V，测量电流信号时，需要在端口并联一个采样电阻，然后根据获得的电压进行计算；ADC分辨率：16位；采样精度：±0.02％；采样速率：1000次/秒（单通道）；上下限超限报警输出，独立使能或禁止超限报警，上、下限独立配置。
在本实施例中，如图9所示，所述模拟量输出电路2包括沿模拟信号输出方向依次串联的D/A转换电路19、第二增益调整电路、第二平滑滤波器以及信号转换电路20，所述D/A转换电路19与第二电气隔离电路9连接。其中，第二增益调整电路根据需要将D/A转换电路19输出信号的幅值调整至较合适的电压，第二平滑滤波器实现D/A转换电路19输出信号的滤波，而信号转换电路20（或称V/I转换电路）则将电压信号转换为电流信号，保证了模拟量输出信号的正确性以及系统的精度。
在本实施例中，所述模拟量输出电路2具有2路模拟量输出通道，如图10所示的模拟量输出通道的输出类型为电压输出或电流输出。主要技术指标如下：输出路数：2路；输出类型：电压输出：0～10V，电流输出：0～20mA或4～20mA；DAC分辨率：12位；输出精度：±0.1%；输出斜率：可配置，电压输出：0.0625V/s～1000V/s，电流输出： 0.125mA/s～2000mA/s；具有安全启动输出和紧急输出功能，各个通道独立配置；两通道具有同步输出功能。
在本实施例中，如图11所示，所述数字量输入电路3和第三电气隔离电路10组成了数字量隔离输入电路，所述数字量输入电路3具有2路数字量输入通道，所述数字量输入通道的输入类型为开关触点信号或电平信号。主要技术指标如下：输入路数：2路；输入类型：开关触点信号或电平信号；输入范围：高电平（数字1）：+3.5 V~+30V，低电平（数字0）：≤+1V；每个DI通道可配置为AO紧急输出匹配输入功能或计数器功能；使用计数器功能模式时，输入脉冲频率应小于200Hz。其中，第三电气隔离电路10可以采用TLP281光耦。
在本实施例中，如图12所示，所述数字量输出电路4和第四电气隔离电路11组成了数字量隔离输出电路，所述数字量输出通道具有2路数字量输出通道，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开路输出。主要技术指标如下：输出路数：2路；输出类型：集电极开路输出；最大负载电压：50V；最大负载电流：50mA；可以选择为用户控制模式或输入通道状态指示模式；用户控制模式下，具有安全输出功能，可配置安全输出值；超限报警模式下，可设置超限输出值。其中，第四电气隔离电路11可以采用TLP281光耦。
在本实施例中，所述RS-485收发器6和第五电气隔离电路12可以采用如图13所示的RSM3485C隔离收发器模块，RSM3485C隔离收发器模块是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能。
在本实施例中，该模块还包括看门狗电路13和EEPROM存储器14，所述看门狗电路13和EEPROM存储器14分别与微控制器5连接。其中，看门狗电路13和EEPROM存储器14可以采用如图14所示的CAT1023监控电路，CAT1023监控电路是基于微控制器5系统的存储器和电源监控的完全解决方案。采用了看门狗电路13，可以在出现意外时将模块的系统重新启动，使得系统更加稳定可靠。
在本实施例中，该模块还包括如图15所示的电源指示灯和如图16所示的工作状态指示灯，电源指示灯与电源电路7连接，工作状态指示灯分别与电源电路7、微控制器5连接。其中，电源指示灯为红色指示灯，灯亮时表示模块供电正常；工作状态指示灯为红绿双色指示灯，灯不亮时表示模块没有上电或没有运行，红灯亮时表示模块初始化出错，绿灯常亮时表示模块正常运行但未与主机进行过通信，绿灯闪烁时表示模块与主机建立连接且已正常通信。
在本实施例中，所述电源电路7包含主电源电路7、二级稳压电路和隔离电源电路7，所述主电源电路7的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路7的输入端连接，所述隔离电源电路7的输出端分别与第一电气隔离电路8、第二电气隔离电路9、第三电气隔离电路10、第四电气隔离电路11连接，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器5、RS-485收发器6、电源指示灯、工作状态指示灯等。其中，主电源电路7可以采用如图17所示的TPS5430电源模块，二级稳压电路可以采用如18所示的SP6201EM5-L-3.3电源模块，隔离电源电路7可以采用如图19所示的ZY0515IAKS-2W/SIP10电源模块。
本实施例的工作原理如下：该模块的主要功能是进行模拟量输入信号采集，模块有4路的AI差分通道，每一组差分通道也可配置为2路的单端输入通道，以满足不同场合需求，适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，采样分辨率为16位；该模块还具有模拟量输出、数字量输入和数字量输出辅助功能，2路模拟量输出通道可独立控制输出，也可进行同步输出，输出分辨率为12位，数字量输出具有2路DI和2路DO通道，其中2路DI可配置为计数器功能。该模块针对工业应用设计，在内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响，具有良好的可靠性。该模块采用带隔离的RS-485通信接口，可以避免工业现场信号对微控制器5通讯接口的影响，并具有ESD、过压、过流保护。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：包括模拟量输入电路、模拟量输出电路、数字量输入电路、数字量输出电路、微控制器、RS-485收发器和电源电路，所述模拟量输入电路经第一电气隔离电路连接至微控制器，所述模拟量输出电路经第二电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第三电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输入电路经第四电气隔离电路连接至微控制器，所述RS-485收发器经第五电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：所述模拟量输入电路包括沿模拟信号输入方向依次串联的第一平滑滤波器、多路模拟开关、第一增益调整电路以及A/D转换电路，所述第一增益调整电路包括沿模拟信号输入方向依次串联的放大器和抗混叠滤波电路，所述多路模拟开关、放大器和A/D转换电路分别与第一电气隔离电路连接。
3.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：所述模拟量输出电路包括沿模拟信号输出方向依次串联的D/A转换电路、第二增益调整电路、第二平滑滤波器以及信号转换电路，所述D/A转换电路与第二电气隔离电路连接。
4.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：所述模拟量输入电路具有4路模拟量差分输入通道或8路单端输入通道，所述模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号；所述模拟量输出电路具有2路模拟量输出通道，所述模拟量输出通道的输出类型为电压输出或电流输出；所述数字量输入电路具有2路数字量输入通道，所述数字量输入通道的输入类型为开关触点信号或电平信号；所述数字量输出通道具有2路数字量输出通道，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开路输出。
5.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：还包括看门狗电路，所述看门狗电路与微控制器连接。
6.根据权利要求1或5所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与微控制器连接。
7.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
8.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端分别与第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、第三电气隔离电路、第四电气隔离电路连接，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器。
9.根据权利要求1所述的基于RS-485的模拟量输入输出数字量输入输出模块，其特征在于：所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
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