CN210721074U - 信号采集和输出电路及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及信号采集及输出技术领域，提供了一种信号采集和输出电路及装置。该信号采集和输出电路，包括：主控单元和分别与所述主控单元连接的模拟信号放大单元、开关量信号采集单元、输出单元及通讯单元。上述信号采集和输出电路可通过主控单元的内部放大器或通过模拟信号放大单元对外部模拟信号进行放大采集，也可对外部开关量信号进行采集，然后将采集到外部信号传输给上级设备，同时还可以接收上级设备的控制指令，并根据控制指令驱动第三方设备动作。该信号采集和输出电路兼容多种信号形式，可减少信号处理装置的设置，从而精简信号采集系统，提高处理效率，降低信号采集系统的故障率。

Description

信号采集和输出电路及装置

技术领域

本实用新型属于信号采集及输出技术领域，尤其涉及一种信号采集和输出电路及装置。

背景技术

城市地下综合管廊承担一座城市的电力、通信、燃气及给排水等众多管线，需建设消防、环境监测、电力控制及照明等众多系统，因此管廊内具有多种信号，包括开关量信号、模拟单端信号及模拟差分信号等。

目前，通常对于不同的信号需要不同的装置进行处理，因此导致管廊内信号的处理过程过于繁杂，处理效率低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种信号采集和输出电路及装置，以解决现有技术中管廊中的信号处理过于繁杂，处理效率低的问题。

本实用新型实施例第一方面提供了一种信号采集和输出电路，包括：主控单元和分别与主控单元连接的模拟信号放大单元、开关量信号采集单元、输出单元及通讯单元；

主控单元包括内部放大器；

当内部放大器选通时，主控单元接收外部模拟信号并通过内部放大器对外部模拟信号进行内部放大，得到内部放大后的外部模拟信号；当内部放大器未选通时，模拟信号放大单元接收外部模拟信号并对外部模拟信号进行外部放大，以及将外部放大后的外部模拟信号传输给主控单元；

开关量信号采集单元采集外部开关量信号并将采集到的外部开关量信号转换为模拟开关量信号，以及将模拟开关量信号传输给主控单元；

主控单元将内部放大后的外部模拟信号、外部放大后的外部模拟信号及模拟开关量信号通过通讯单元传输给上级设备，并通过通讯单元接收上级设备发送的控制信号，以及根据控制信号向输出单元发送驱动信号，输出单元根据驱动信号驱动第三方设备动作。

本实用新型实施例第二方面提供了一种信号采集和输出装置，包括本实用新型实施例第一方面中的任一种信号采集和输出电路。

本实用新型实施例提供了一种信号采集和输出电路及装置，可通过开关量信号采集单元采集外部开关量信号，还可以采集外部模拟信号，外部模拟信号可以为单端信号也可以为差分信号，同时可根据实际放大需求选择通过主控单元的内部放大器或通过模拟信号放大单元对外部模拟信号进行放大，实现对开关量信号及模拟信号的采集。主控单元通过通讯单元实现与上级设备的通信，同时可以接收上级设备的控制信号通过输出单元驱动第三方设备动作。

综上，本实用新型实施例能够实现同时对开关量及模拟信号的采集，同时可以控制第三方设备动作，兼容多种信号形式，避免不同的信号采用不同的装置进行处理，导致信号处理装置过多、处理过程过于繁杂、处理效率低的问题，可减少信号处理装置的设置，从而精简信号处理系统，提高处理效率，降低信号采集系统的故障率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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一种信号采集和输出电路的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的又一种信号采集和输出电路的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的模拟信号放大单元和模拟信号采集单元的电路示意图；

图4是本实用新型实施例提供的第一跟随电路的示意图；

图5是本实用新型实施例提供的第二跟随电路的示意图；

图6是本实用新型实施例提供的开关量信号采集单元的电路示意图；

图7是本实用新型实施例提供的输出单元的电路示意图；

图8是本实用新型实施例提供的主控单元的电路示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参考图1，本实用新型实施例提供了一种信号采集和输出电路，包括：主控单元11和分别与主控单元连接的模拟信号放大单元12、开关量信号采集单元13、输出单元15及通讯单元14。

主控单元11包括内部放大器；当内部放大器选通时，主控单元11接收外部模拟信号并通过内部放大器对外部模拟信号进行内部放大；当内部放大器未选通时，模拟信号放大单元12接收外部模拟信号并对外部模拟信号进行外部放大，将经过外部放大后的外部模拟信号传输给主控单元11。

开关量信号采集单元13采集外部开关量信号并将采集到的外部开关量信号转换为模拟开关量信号，以及将模拟开关量信号传输给主控单元11；主控单元11将内部放大后的外部模拟信号、外部放大后的外部模拟信号及模拟开关量信号通过通讯单元14传输给上级设备，并通过通讯单元14接收上级设备的控制信号，以及根据控制信号向输出单元15发送驱动信号，输出单元15根据驱动信号驱动第三方设备动作。

当外部信号为模拟信号时，可根据实际需求，采用主控单元11的内部放大器对外部模拟信号进行放大或采用模拟信号放大单元12对外部模拟信号进行放大。例如，主控单元11的内部放大器可实现10倍或100倍放大，当放大需求为10倍或100倍时可以采用主控单元11对外部模拟信号进行放大，而当放大需求为其他倍数时，主控单元11无法满足需求，此时可以采用模拟信号放大单元12对外部模拟信号进行外部放大。主控单元11的内部放大器的选通可通过软件控制。当外部信号为开关量信号时，开关量信号采集单元13采集外部开关量信号并将开关量信号转换为模拟开关量信号送入主控单元11内部。主控单元11将内部放大后的外部模拟信号、外部放大后的外部模拟信号或模拟开关量信号传输给上级设备，实现信号的采集发送。同时，主控单元11还可以接收上级设备发送的控制信号发送给输出单元15，驱动第三方设备动作。例如，外部模拟信号可以为传感器信号(温度传感器、湿度传感器、光线传感器等)，上述信号采集和输出电路采集传感器信号并传输给上级设备，上级设备对采集到的传感器信号进行分析，然后根据分析结果向信号采集和输出电路发送控制指令，信号采集和输出电路驱动第三方设备(加热器、风扇及电灯等)动作对环境参数进行调节。更具体的，例如信号采集和输出电路采集光线传感器的信号，当上级设备分析管廊内光线过低时，可向信号采集和输出电路发送控制信号，控制电灯打开补充光照。控制信号也可与模拟信号及开关量信号无关，上级设备根据实际需求向输出单元15发送控制信号控制第三方设备动作。

本实用新型实施例设计一种信号采集和输出电路，能够实现同时对开关量及模拟信号的采集，同时可以控制第三方设备动作，兼容多种信号形式，避免不同的信号采用不同的装置进行处理，导致信号处理装置过多、系统庞大、信号处理过程繁杂、处理效率低及不便调试和维修的问题，精简信号处理系统，提高处理效率，降低信号采集系统的故障率。

一些实施例中，参考图2，当上述信号采集和输出电路用于采集无源传感器的信号时，信号采集和输出电路还可以包括：模拟信号采集单元16。

无源传感器由能量变换元件构成，无外部电源，外部环境参数的变化引起其阻值的变化，因此，当上述信号采集和输出电路用于采集无源传感器的信号时，信号采集和输出电路还可以包括模拟信号采集单元16，通过模拟信号采集单元16将无源传感器的阻值转换为电信号(外部模拟信号)进行采集，并将外部模拟信号传输给模拟信号放大单元12和主控单元11。

一些实施例中，参考图3，模拟信号采集单元16包括：第一电阻R108、第二电阻R107及第三电阻R109。

第一电阻R108的第一端与第一电源端Aref2连接，第一电阻R108的第二端经过第三电阻R109与无源传感器的第一端连接；第二电阻R107的第一端与第一电源端Aref2连接，第二电阻R107的第二端与无源传感器的第二端连接。

第一电阻R108和第三电阻R109的连接点Out1为模拟信号采集单元16的第一输出端，第二电阻R107和无源传感器的连接点Out2为模拟信号采集单元16的第二输出端，模拟信号采集单元16的第一输出端和第二输出端均分别与模拟信号放大单元12和主控单元11连接。

无源传感器作为一个虚拟电阻和第一电阻R108、第二电阻R107及第三电阻R109组成一个桥式电路，第一电源端Aref2为桥式电路供电，获得无源传感器电阻控制的模拟差分信号，该模拟差分信号作为外部模拟信号。

一些实施例中，模拟信号采集单元16还包括：第一跟随电路；第一跟随电路的输入端与主控单元11连接，第一跟随电路的输出端与第一电源端Aref2连接。

一些实施例中，参考图4，第一跟随电路可以包括跟随器U102B，跟随器U102B的负极输入端(6脚)与输出端(7脚)连接，跟随器U102B的正极输入端(5脚)作为第一跟随电路的输入端与主控单元11连接，跟随器U102B的输出端(7脚)与第一电源端Aref2连接。第一跟随电路从主控单元11取电，通过跟随器隔离后为模拟信号采集单元16供电，从而获取无源传感器的外部模拟信号。

一些实施例中，参考图3，模拟信号放大单元12包括：放大器U105、第四电阻R112、第五电阻R111、第六电阻R115、第七电阻R113、第八电阻R114、第九电阻R110、第一电容C110及第二电容C111。

外部模拟信号的高电平通过第四电阻R112输入放大器U105的正输入端(3脚)，外部模拟信号的低电平通过第五电阻R111输入放大器U105的负输入端(2脚)；放大器U105的输出端(6脚)通过第六电阻R115与主控单元11连接；放大器U105的参考电平端(5脚)通过第七电阻R113与第二电源端Aref1连接，放大器U105的参考电平端(5脚)还通过第八电阻R114接地；放大器U105的供电端(7脚)与第三电源端VA连接，放大器U105的接地端(4脚)接地；第九电阻R110串联在放大器U105的正增益调节端(8脚)和放大器U105的负增益调节端(1脚)之间；第一电容C110和第二电容C111并联连接在第三电源端VA和接地端AGND之间。一些实施例中，放大器U105可以为AD623，AD623为典型的传感器放大器，可通过调节第九电阻R110的阻值来进行增益设置。当第九电阻R110未连接时，AD623被设置为单增益(G＝1)。在连接第九电阻R110后，AD623可编程设置增益，增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(ACCMRR)而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于CMRR在高达200HZ时仍保持恒定。它有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mv共模电压信号。它可以取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间提供很好的线性度，温度稳定性很可靠。

一些实施例中，模拟信号放大单元12还包括：第二跟随电路。第二跟随电路的输入端与主控单11连接，第二跟随电路的输出端与第二电源端Aref1连接。

一些实施例中，参考图5，第二跟随电路可以包括跟随器U102A，跟随器U102A的负极输入端(2脚)与输出端(1脚)连接，跟随器U102A的正极输入端(3脚)作为第二跟随电路的输入端与主控单元11连接，跟随器U102A的输出端(1脚)与第二电源端Aref1连接。第二跟随电路从主控单元11取电，通过跟随器隔离后为模拟信号放大单元12提供参考电平。

一些实施例中，参考图6，开关量信号采集单元13可以包括：光电耦合电路。一些实施例中，光电耦合电路可以包括：电阻R106、光电耦合器件U104、电阻R104。电阻R104的第一端与第五电源端VCC连接，电阻R104的第二端与光电耦合器件U104的正输出端连接，光电耦合器件U104的负输出端接地。电阻R106的第一端与外部开关量信号的正极连接，电阻R106的第二端与光电耦合器件U104的正输入端连接，光电耦合器件U104的负输入端与外部开关量信号的负极连接。电阻R104的第二端与主控单元11连接，向主控单元11发送模拟开关量信号。例如，光电耦合器件U104可以为TLP521-1。一些实施例中，开关量信号采集单元13还可以包括接线端子，接线端子的其中一个脚与第五电源端VCC连接，用于当外部开关量信号为无源开关量信号时将无源开关量信号转换为有源开关量信号。

一些实施例中，输出单元15可以包括：相互连接的驱动电路151及开关电路152。驱动电路151与主控单元11连接，开关电路152与第三方设备连接。

一些实施例中，驱动电路151可以包括：反相驱动器，用于驱动开关电路152。一些实施例中，例如，反相驱动器可以为MC1413BD。MC1413BD由七个硅NPN达林顿管组成。MC1413BD的每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接驱动继电器。MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可以达到500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

参考图7，当输出单元15驱动两路第三方设备时，反相驱动器U103的第一输入端A1(1脚)、第二输入端A2(2脚)及第三输入端A3(3脚)连接后作为第一控制信号输入端与主控单元11连接，反相驱动器的第四输入端A4(4脚)、第五输入端A5(5脚)及第六输入端A6(6脚)连接后作为第二控制信号输入端与主控单元11连接，反相驱动器的第七输入端A7(7脚)及接地端(8脚)接地，反相驱动器可同时接收主控单元11发送的两路控制信号。相应的，反相驱动器的第一输出端Y1(16脚)、第二输出端Y2(15脚)及第三输出端Y3(14脚)连接后作为第一驱动信号输出端与驱动开关电路152连接，反相驱动器的第四输出端Y4(13脚)、第五输出端Y5(12脚)及第六输出端Y6(11脚)连接后作为第二驱动信号输出端与驱动开关电路152连接，反相驱动器的第七输出端Y7(10脚)空置，反相驱动器的电源端(9脚)与第四电源端Vrelay连接，反相驱动器可同时向驱动开关电路152输出两路驱动信号。

一些实施例中，开关电路152可以包括：继电器。对应上述驱动电路151，参考图7，开关电路152可以包括两个继电器K101及K102，继电器K101及继电器K102的输入端分别与上述驱动开关电路152的第一驱动信号输出端及第二驱动信号输出端连接，输出端分别与两个第三方设备连接。主控单元11向驱动电路151输出两路高电平控制信号，驱动电路151根据上述两路高电平控制信号输出两路低电平驱动信号分别用于驱动两个继电器K101及K102，由于继电器的电源端与第四电源端Vrelay连接为高电平，电势差产生电磁效应，机械触点连通，开关闭合，所连接的第三方设备动作。

一些实施例中，参考图8，主控单元11可以包括主控芯片U101及外围电路。例如，主控芯片U101可以为ATMEGA32，ATMEGA32为一种高性能、低功耗的8位AVR微处理器，该微处理的内部放大器可以对信号进行10倍或100的放大。

一些实施例中，参考图5，第五电源端VCC可由外部电源供电，可以为+5V。参考图8，第三电源端VA通过电感L101隔离开与第五电源端VCC连接；参考图6，第四电源端Vrelay通过0欧姆电阻R105与第五电源端VCC连接；由此，第三电源端VA和第四电源端Vrelay均可以为+5V。参考图8，主控芯片U101的参考电平端(29脚)与第一跟随电路的输入端和第二跟随电路的输入端连接，由此，第一电源端Aref2和第二电源端Aref1可以为+3.3V。

本发明实施例还提供一种信号采集和输出装置，该信号采集和输出装置包括上述任一种信号采集和输出电路，且具有上述信号采集和输出电路所具有的优点，在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号采集和输出电路，其特征在于，包括：主控单元和分别与所述主控单元连接的模拟信号放大单元、开关量信号采集单元、输出单元及通讯单元；

所述主控单元包括内部放大器；

当所述内部放大器选通时，所述主控单元接收外部模拟信号并通过所述内部放大器对所述外部模拟信号进行内部放大，得到内部放大后的外部模拟信号；当所述内部放大器未选通时，所述模拟信号放大单元接收外部模拟信号并对所述外部模拟信号进行外部放大，以及将外部放大后的外部模拟信号传输给所述主控单元；

所述开关量信号采集单元采集外部开关量信号并将采集到的外部开关量信号转换为模拟开关量信号，以及将所述模拟开关量信号传输给所述主控单元；

所述主控单元将所述内部放大后的外部模拟信号、所述外部放大后的外部模拟信号及所述模拟开关量信号通过所述通讯单元传输给上级设备，并通过所述通讯单元接收所述上级设备发送的控制信号，以及根据所述控制信号向所述输出单元发送驱动信号，所述输出单元根据所述驱动信号驱动第三方设备动作。

2.如权利要求1所述的信号采集和输出电路，其特征在于，当所述信号采集和输出电路用于采集无源传感器的信号时，所述信号采集和输出电路还包括：模拟信号采集单元；

所述模拟信号采集单元用于采集所述无源传感器的信号，并将所述无源传感器的信号转换为所述外部模拟信号，以及将所述外部模拟信号传输给所述模拟信号放大单元和所述主控单元。

3.如权利要求2所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述模拟信号采集单元包括：第一电阻、第二电阻及第三电阻；

所述第一电阻的第一端与第一电源端连接，所述第一电阻的第二端经过所述第三电阻与所述无源传感器的第一端连接；所述第二电阻的第一端与所述第一电源端连接，所述第二电阻的第二端与所述无源传感器的第二端连接；

所述第一电阻和所述第三电阻的连接点为所述模拟信号采集单元的第一输出端，所述第二电阻和所述无源传感器的连接点为所述模拟信号采集单元的第二输出端，所述第一输出端和所述第二输出端均分别与所述模拟信号放大单元和所述主控单元连接。

4.如权利要求3所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述模拟信号采集单元还包括：第一跟随电路；所述第一跟随电路的输入端与所述主控单元连接，所述第一跟随电路的输出端与所述第一电源端连接。

5.如权利要求1所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述模拟信号放大单元包括：放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容及第二电容；

所述外部模拟信号的高电平通过所述第四电阻输入所述放大器的正输入端，所述外部模拟信号的低电平通过所述第五电阻输入所述放大器的负输入端；所述放大器的输出端通过第六电阻与所述主控单元连接；所述放大器的参考电平端通过所述第七电阻与第二电源端连接，所述放大器的参考电平端还通过第八电阻接地；所述第九电阻串联在所述放大器的正增益调节端和所述放大器的负增益调节端之间；所述放大器的供电端与第三电源端连接，所述放大器的接地端接地；所述第一电容和所述第二电容并联连接在所述电源端和所述接地端之间。

6.如权利要求5所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述模拟信号放大单元还包括：第二跟随电路；

所述第二跟随电路的输入端与所述主控单元连接，所述第二跟随电路的输出端与所述第二电源端连接。

7.如权利要求1所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述开关量信号采集单元包括：光电耦合电路。

8.如权利要求1至7任一项所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述输出单元包括：相互连接的驱动电路及开关电路；

所述驱动电路与所述主控单元连接，所述开关电路与所述第三方设备连接。

9.如权利要求8所述的信号采集和输出电路，其特征在于，所述开关电路包括：继电器。

10.一种信号采集和输出装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的信号采集和输出电路。

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