CN210776282U - 一种数字量数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及监控设备技术领域，其目的在于提供一种数字量数据采集装置。所采用的技术方案是：一种数字量数据采集装置，包括处理器模块，所述处理器模块包括主控制器和与主控制器电连接的外围电路，所述外围电路包括时钟电路、看门狗电路和烧录接口，所述数字量数据采集装置还包括以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块，所述以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块均与主控制器电连接；所述以太网通信模块包括依次与主控制器电连接的物理层芯片、隔离变压器和通信网口。本实用新型可实现对数字量被控设备的访问、监测与控制，施工布线简单、占地面积小、可靠性高，实时性高、可维护性好。

Description

一种数字量数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及监控设备技术领域，特别是涉及一种数字量数据采集装置。

背景技术

传统污水处理厂、发电厂等大型工厂的自控系统主要采用集散型控制系统(DCS)实现，集散型控制系统利用PLC采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，来实现集中管理和分散控制的功能。

现有技术中，集散型控制系统在每个功能区设立PLC室，并安装对应的PLC柜，实现分散控制。然而，PLC柜内通常会集中安装多个PLC装置，被控设备再通过控制电缆将信号接入PLC装置内，这导致将在PLC柜和被控设备之间不可避免地会铺设大量电缆，加之电缆传输属于模拟信号传输，PLC柜和设备之间距离较远，存在线损大、电磁干扰大、成本高的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种数字量数据采集装置。

本实用新型采用的技术方案是：

一种数字量数据采集装置，包括处理器模块，所述处理器模块包括主控制器和与主控制器电连接的外围电路，所述外围电路包括时钟电路、看门狗电路和烧录接口，所述数字量数据采集装置还包括以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块，所述以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块均与主控制器电连接；所述以太网通信模块包括依次与主控制器电连接的物理层芯片、隔离变压器和通信网口。

优选地，所述数字量输入模块包括依次与主控制器电连接第二光电耦合器和数字量输入接口。

进一步优选地，所述数字量输入接口为15路开关量采集接口。

优选地，所述数字量输出模块包括依次与主控制器电连接的第三光电耦合器、继电器和数字量输出接口。

进一步优选地，所述数字量输出模块还包括电能供给电路，所述电能供给电路的输入端与控制器电连接，所述电能供给电路的输出端与第三光电耦合器的输入端电连接。

优选地，所述主控制器的型号为STM32F407VG。

本实用新型的有益效果集中体现在：

1)本实施例在实施过程中，被控设备输出的信号可经由数字量输入模块输送至主控制器，主控制器再通过以太网通信模块将工业现场的多种数字信号转换为工业以太网信号后发送至交换机，交换机可再次通过以太网通信模块向主控制器发送驱动指令，主控制器经由数字量输出模块驱动被控设备运行，便于远端用户通过以太网对被控设备进行访问、监测与控制。

2)施工布线简单、占地面积小、可靠性高。本实用新型可通过数字量输入模块和数字量输出模块与被控设备电连接，本实用新型和被控设备之间采用极短控制电缆连接，一对一安装接线清晰明了，整体对外输出仅需一根网线和一组电源线，连接线短，使得施工布线非常简单；另外，通过上述接线方式实现了分布式安装，使得无需专门的控制室即可实现对被控设备的控制，占地面积极小，节约用地成本；与此同时，分布式安装使得单个设备故障不影响其他设备的正常运行、被控设备的抗干扰能力强，可靠性得以有效提升。

3)实时性高、可维护性好。本实用新型采用以太网作为传输介质，实时性高；另外，以太网可热插拔，检修、更换无需停电作业，且不会影响其他设备的正常运行，维护方便快捷。

附图说明

图1是本实用新型的控制框图；

图2是本实用新型中主控制器和烧录接口的电路原理图；

图3是本实用新型中时钟电路的电路原理图；

图4是本实用新型中看门狗电路的电路原理图；

图5是本实用新型中物理层芯片的电路原理图；

图6是本实用新型中隔离变压器和通信网口的电路原理图；

图7是本实用新型中第二光电耦合器的电路原理图；

图8是本实用新型中数字量输入接口的电路原理图；

图9是本实用新型中第三光电耦合器、继电器、数字量输出接口和电能供给电路的电路原理图；

图10是本实用新型中电源模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1：

本实施例提供一种数字量数据采集装置，包括处理器模块，处理器模块包括主控制器U2和与主控制器U2电连接的外围电路，外围电路包括时钟电路、看门狗电路和烧录接口CN2，数字量数据采集装置还包括以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块，以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块均与主控制器U2电连接；以太网通信模块包括依次与主控制器U2电连接的物理层芯片U6、隔离变压器L4和通信网口J5。

本实施例中，主控制器U2、时钟电路、看门狗电路和烧录接口CN2、以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块均与电源模块电连接，电源模块的电路原理图如图10所示，电源模块用于向上述电路提供电力支持。

本实施例中，如图2所示为主控制器U2和烧录接口CN2的电路原理图，其中，主控制器U2的型号为STM32F407VG，其基于高性能的

Cortex^TM-M4F的32位RISC内核，工作频率可高达168MHz，核心功能支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元(FPU)；还实现了一套完整的DSP指令和内存保护单元(MPU)，从而提高应用程序的安全性。如图3所示为时钟电路的电路原理图，如图4所示为看门狗电路的电路原理图，其中，看门狗电路中主要采用型号为SP706SEN-L/TR的看门狗微处理器监控电路芯片U11实现。本实施例中，烧录接口CN2采用SW接口实现，在实施过程中，可通过烧录接口CN2配合JLink等主流下载调试器，完成装置软件调试、下载工作。

具体地，数字量输入模块用于接收被控设备在生产过程中输出的只有两种状态的开关量信号，然后将该开关量信号转换成主控制器U2可识别的信号形式后发送至主控制器U2，其中开关量信号包括被控设备的报警信号、电机的启停信号、阀门或闸门的开关信号、控制箱的自动手动信号等。数字量输出模块用于将主控制器U2输出的二进制代码来表示的开关量信号转换成能对被控设备的生产过程进行控制或显示状态的开关量信号，以实现指示灯的亮灭控制的状态显示控制，或实现电机的启停控制、阀门或闸门的开关控制、继电器(K1和K3)的通断控制等被控设备状态控制。

本实施例中，主控制器U2内自带了MAC层控制器，主控制器U2提供了RMII接口，以用于和物理层芯片U6电连接，物理层芯片U6采用支持RMII接口的型号为DP83848的物理层芯片U6实现；物理层芯片U6依次通过隔离变压器L4和通信网口J5电连接，通信网口J5可实现与交换机等网络设备的连接，由此实现主控制器U2与交换机等网络设备的通信连接。

以太网通信模块可通过网线或光纤与交换机等网络设备电连接，本实施例中，以太网通信模块通过网线与交换机等网络设备电连接，相对采用光纤连接，其具备布线成本低、可行性高、维护方便等优势，更加适用于工业应用。

具体地，物理层芯片U6的电路原理图如图5所示，隔离变压器L4和通信网口J5的电路原理图如图6所示。

物理层芯片U6定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层芯片U6在发送数据时，即将由主控制器U2输送的数据向通信网口J5发送时，接收主控制器U2过来的数据，然后将并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则对数据编码，最后将编码后的数据转换为模拟信号后输出。反之为物理层芯片U6在接收数据时的流程。物理层芯片U6还可实现CSMA/CD的部分功能，在运行时，物理层芯片U6可检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。

隔离变压器L4可把物理层芯片U6输送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到通信网口J5连接的网络设备，这样不但可使通信网口J5和物理层芯片U6之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据，同时隔离变压器L4也起到了防雷感应保护的作用，可在雷雨天气时避免物理层芯片U6和主控制器U2被烧坏。

通信网口J5采用RJ45接口、RMII接口或MII接口实现，通信网口J5用于接收网络设备发送的信息并将该信息发送至物理层芯片U6，或接收由物理层芯片U6发送的信息并将该信息传输至网络设备。

主控制器U2可通过通信网口J5采用以太网作为传输介质，并利用GOOSE协议传输，让系统响应达到毫秒级，实时性高。

本实施例中，如图7所示，数字量输入模块包括依次与主控制器U2电连接第二光电耦合器(U1、U7、U12和U13)和数字量输入接口(J1和J4)。

第二光电耦合器(U1、U7、U12和U13)采用四通道SOP封装晶体管输出光耦TLP291_4实现，其具有优异的性价比，四通道光耦能直接取代4颗单通道SSOP封装的晶体管输出光耦，能大大的增加其集成度，缩小所占PCB板的面积。

具体地，数字信号指只有两种状态的开关量，开关量为电压等级为24V的直流信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示，一般以数字1表示高电平、以数字0表示低电平，可分别实现对被控器件的断开或闭合。

进一步地，如图8所示，数字量输入接口(J1和J4)为15路开关量采集接口。其最多可采集15路数字信号，数字信号通过第二光电耦合器(U1、U7、U12和U13)隔离并转换为直流3.3V信号，然后将其输入主控制器U2，供主控制器U2采集。

本实施例中，如图9所示，数字量输出模块包括依次与主控制器U2电连接的第三光电耦合器(U14和U15)、继电器(K1和K3)和数字量输出接口J2。

本实施例在实现对被控设备的控制时，可通过主控制器U2的IO引脚控制，由主控制器U2输出的IO信号可通过第三光电耦合器(U14和U15)隔离后驱动继电器(K1和K3)输出控制信号。

本实施例中，数字量输出接口J2为2路开关量输出接口，用于输出开关量。继电器(K1和K3)采用型号为DSP2a-DC24V的松下继电器(K1和K3)实现，其具备小型、高容量，可进行实际负载通断，高灵敏度，高耐压等特点。

进一步地，数字量输出模块还包括电能供给电路，电能供给电路的输入端与控制器电连接，电能供给电路的输出端与第三光电耦合器(U14和U15)的输入端电连接。

本实施例中，第七十电阻R70和第四光电耦合器U10构成电能供给电路，当主控制器U2复位时，由于第四光电耦合器U10中的发光二极管两端电位相同，第四光电耦合器U10的集电极和发射极不导通，数字量输出模块不工作；而当主控制器U2运行，并且使第四光电耦合器U10的集电极和发射极导通后，数字量输出模块开始工作，电能供给电路的设置，可以有效减少因程序死机、跑飞等故障而引起的开关量误动作问题。

具体地，第三光电耦合器(U14和U15)和第四光电耦合器U10的型号为TLP127(TPL,U,F)。

本实施例的有益效果如下：

1)本实施例在实施过程中，被控设备输出的信号可经由数字量输入模块输送至主控制器U2，主控制器U2再通过以太网通信模块将工业现场的多种数字信号转换为工业以太网信号后发送至交换机，交换机可再次通过以太网通信模块向主控制器U2发送驱动指令，主控制器U2经由数字量输出模块驱动被控设备运行，便于远端用户通过以太网对被控设备进行访问、监测与控制。

2)施工布线简单、占地面积小、可靠性高。本实用新型可通过数字量输入模块和数字量输出模块与被控设备电连接，本实用新型和被控设备之间采用极短控制电缆连接，一对一安装接线清晰明了，整体对外输出仅需一根网线和一组电源线，连接线短，使得施工布线非常简单；另外，通过上述接线方式实现了分布式安装，使得无需专门的控制室即可实现对被控设备的控制，占地面积极小，节约用地成本；与此同时，分布式安装使得单个设备故障不影响其他设备的正常运行、被控设备的抗干扰能力强，可靠性得以有效提升。

3)实时性高、可维护性好。本实用新型采用以太网作为传输介质，实时性高；另外，以太网可热插拔，检修、更换无需停电作业，且不会影响其他设备的正常运行，维护方便快捷。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (6)

1.一种数字量数据采集装置，包括处理器模块，所述处理器模块包括主控制器和与主控制器电连接的外围电路，所述外围电路包括时钟电路、看门狗电路和烧录接口，其特征在于：所述数字量数据采集装置还包括以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块，所述以太网通信模块、数字量输入模块和数字量输出模块均与主控制器电连接；所述以太网通信模块包括依次与主控制器电连接的物理层芯片、隔离变压器和通信网口。

2.根据权利要求1所述的一种数字量数据采集装置，其特征在于：所述数字量输入模块包括依次与主控制器电连接第二光电耦合器和数字量输入接口。

3.根据权利要求2所述的一种数字量数据采集装置，其特征在于：所述数字量输入接口为15路开关量采集接口。

4.根据权利要求1所述的一种数字量数据采集装置，其特征在于：所述数字量输出模块包括依次与主控制器电连接的第三光电耦合器、继电器和数字量输出接口。

5.根据权利要求4所述的一种数字量数据采集装置，其特征在于：所述数字量输出模块还包括电能供给电路，所述电能供给电路的输入端与控制器电连接，所述电能供给电路的输出端与第三光电耦合器的输入端电连接。

6.根据权利要求1所述的一种数字量数据采集装置，其特征在于：所述主控制器的型号为STM32F407VG。

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