CN210833594U - 一种4~20mA输出的传感器信号采集装置 - Google Patents

一种4~20mA输出的传感器信号采集装置 Download PDF

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罗明明
黄双茂
詹顺川
杨永达
黄鹏程
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Abstract

一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,涉及传感器信号采集领域。包括依次连接的模拟信号采集调理模块、A/D转换模块、单片机处理模块和通信模块;模拟信号采集调理模块采用至少一路传感器输入通道,传感器将采集到的物理量转化为4~20mA电流,模拟信号采集调理模块用于将传感器传输的电流信号经I/V电路转换为电压信号,再经RC滤波调理后将模拟信号输入A/D转换模块;A/D转换模块用于将模拟信号转换成数字信号,并传输到单片机处理模块;单片机处理模块用于将数字信号进行分析处理,并将处理后的信号传输到通信模块;通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号传输到用户终端。适用于工业生产中广泛用到的4~20mA传感器对温度、压力、速度、角度等物理量的测量。

Description

一种4~20mA输出的传感器信号采集装置
技术领域
本实用新型涉及传感器信号采集领域,尤其涉及一种4~20mA输出的传感器信号采集装置。
背景技术
工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、角度等,都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上,工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
工业上使用的传感器将各类非电物理量转化为4~20mA电流输出,其采集物理量的大小与输出电流成正比,采用电流信号的原因是不容易受干扰、并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米。各类传感器输出上限取20mA是因为防爆的要求,20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯,下限没有取0mA的原因是为了能检测断线,正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路,环路电流降为0,常取2mA作为断线报警值。因此,4~20mA的信号输出一般不容易受干扰而且安全可靠、所以工业上普遍使用的都是二线制4~20mA的电源输出信号。
目前,4~20mA输出的传感器信号采集装置,精度不高、数据采集速率不高、系统性能不够稳定、抗干扰能力差,不具有隔离功能,且无法通过采集模块时时观测到采集转换后的数据。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题,提供一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,在工业生产过程中实现对各种工业参数进行检测与控制,进而提高生产效率、降低成本、保证产品质量,使生产系统能够处于最佳运行状态而获得最大的效益。
为达到上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,包括依次连接的模拟信号采集调理模块、A/D转换模块、单片机处理模块和通信模块;
所述模拟信号采集调理模块采用至少一路传感器输入通道,传感器将采集到的物理量转化为4~20mA电流,模拟信号采集调理模块用于将传感器传输的电流信号经I/V电路转换为电压信号,再经RC滤波调理后将模拟信号输入A/D转换模块;
所述A/D转换模块用于将接收到的模拟信号转换成数字信号,并将数字信号传输到单片机处理模块;
所述单片机处理模块用于将A/D转换模块转换的数字信号进行分析处理,并将处理后的信号传输到通信模块;
所述通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号传输到用户终端。
所述通信模块包括隔离RS485通信模块和RS232通信模块;所述隔离RS485通信模块用于远距离传输;所述RS232通信模块通过DB-9连接器连接用户终端,RS232通信模块用于短距离传输。
所述隔离RS485通信模块通过双绞线连接远处用户终端。
所述隔离RS485通信模块采用总线拓扑方式挂接多个设备,隔离RS485通信模块通过MODBUS通信协议与所述设备传递信息。
所述隔离RS485通信模块采用SN65176芯片,所述RS232通信模块采用MAX232A芯片。
本发明还包括显示模块,所述显示模块与单片机处理模块连接,显示模块用于将单片机处理模块处理后的数据实时显示。
所述显示模块采用OLED屏幕,显示模块与单片机处理模块之间采用IIC通信方式。
所述模拟信号采集调理模块采用4路传感器输入通道,所述A/D转换模块可同时接收4路模拟量的输入和模数转换。
所述A/D转换模块采用ADS1115芯片。所述单片机处理模块采用STM32F103C8T6微处理器。
相对于现有技术,本实用新型技术方案取得的有益效果是:
本实用新型可采集4路传感器信号,当传感器正确接入模拟信号采集调理模块的输入端,其输出可产生4~20mA电流,电流流过一个精密采样电阻,将电流信号转变为电压信号,该电压信号经RC滤波电路将高频杂波滤除掉后模拟信号到达A/D转换模块中,在A/D转换模块中将信号进行放大、量化、编码等步骤,将模拟信号转变为单片机处理模块可接收处理的数字信号。单片机处理模块内部将接收到的数据经存储、计算后可通过隔离RS485通信模块或RS232通信模块与用户计算机或PLC等设备进行通信,同时该数字信号经处理后亦可传输到显示模块中进行显示。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图;
图2为模拟信号采集调理模块的电路图;
图3为A/D转换模块的电路图;
图4为隔离RS485通信模块的电路图;
图5为RS232通信模块的电路图;
图6为单片机处理模块的电路图;
图7为显示模块的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白,以下结合附图和实施例,对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示,本实用新型实施例包括模拟信号采集调理模块、A/D转换模块、单片机处理模块、通信模块和显示模块;
所述模拟信号采集调理模块的输入端连接传感器,模拟信号采集调理模块的输出端连接A/D转换模块的输入端,A/D转换模块的输出端连接单片机处理模块,单片机处理模块的输出端连接显示模块,通信模块与单片机处理模块相连接。
所述模拟信号采集调理模块采用至少一路传感器输入通道,传感器将采集到的物理量转化为4~20mA电流,模拟信号采集调理模块用于将传感器传输的电流信号经I/V电路转换为电压信号,再经RC滤波调理后将模拟信号输入A/D转换模块;
所述A/D转换模块用于将接收到的模拟信号转换成数字信号,并将数字信号传输到单片机处理模块;
所述单片机处理模块用于将A/D转换模块转换的数字信号进行分析处理,并将处理后的信号传输到通信模块;
所述通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号传输到用户终端。
如图2所示,所述模拟信号采集调理模块采用4路传感器输入通道,可同时满足接入4路传感器对不同物理量的数据采集,传感器将采集到的物理量转化为4~20mA电流,经过模拟信号采集调理模块I/V电路,将电流信号转换为电压信号,再经RC滤波调理后将信号输入A/D转换模块。对于两线制传感器,传感器VS+端接模拟信号采集调理模块VCC端,OUT端接模拟信号采集调理模块AI+端;对于三线制传感器,传感器VS+端接模拟信号采集调理模块VCC端,VS-端接模拟信号采集调理模块AGND端,OUT端接模拟信号采集调理模块AI+端。当传感器正确接入模拟信号采集调理模块后,传感器OUT端输出4~20mA电流信号,流经100欧姆采样电阻R11、R19、R25、R35,使电流信号转变为0.4~2V电压信号,再经RC低通滤波电路,将频率高于截止频率fc=1/2πRC的成分滤除掉,其中MOS管2N7002的作用为当采样后的电压信号由于干扰或其他因素使该电压高于5V时MOS管的漏极与源极断开,采样电阻两端的电压降到0V,起到保护后级电路安全。
如图3所示,所述A/D转换模块接收模拟信号采集调理模块调理后的模拟信号,A/D转换模块采用TI公司的ADS1115芯片,该芯片可同时接收4路模拟信号输入和模数转换,其内部集成一个4路复用开关、一个可编程运算放大器FPGA,可通过编程实现接通哪一路开关并根据信号大小进行适当的放大,使信号达到A/D转换的最佳量程,保证转换精度。该芯片核心为16位Delta-Sigma模拟数字转换器,该转换器能实现过采样、抽取滤波和量化噪声整形,实现了高分辨率和优秀的抗混叠滤波性能。
所述通信模块包括隔离RS485通信模块和RS232通信模块;所述隔离RS485通信模块用于远距离传输;所述RS232通信模块通过DB-9连接器连接用户终端,RS232通信模块用于短距离传输。
所述隔离RS485通信模块通过一对双绞线连接远处用户终端,比如远处用户计算机、PLC等设备;所述隔离RS485通信模块也可采用总线拓扑方式挂接多个设备,隔离RS485通信模块通过MODBUS通信协议实现与多台设备的信息交流。采用隔离RS485通信模块,通信距离可达1200米,满足用户多相距较远设备控制的需求。由于工业环境复杂,电磁干扰强烈,采用光耦隔离的方式能将电磁干扰及外部强电与本系统内部有效隔离,达到系统稳定运行。
如图4所示,所述隔离RS485通信模块采用TI公司的SN65176芯片,该芯片1、4引脚实现与单片机处理模块的数据收发功能,隔离RS485通信模块与单片机处理模块的连接中间采用高速光耦TLP114A,既能实现高速的数据收发功能,又可实现外部电磁干扰、各种强电干扰与内部系统的隔离,实现系统的稳定性,芯片2、3引脚连接到一起,实现与单片机处理模块发送数据与接收数据的半双工通信,即发送数据与接收数据不能同时进行,因而没必要用高速光耦,本实施例采用普通光耦EL357B实现外部设备与本系统的隔离。
如图5所示,所述RS232通信模块采用MAXIM公司的MAX232A芯片,该芯片通过7引脚发送数据、通过8引脚接收数据,再引出一条地线,这三根线连接到DB-9连接器中,将DB-9连接器一端连接RS232通信模块,另一端连接用户PC,实现短距离与用户计算机进行全双工数据通信,RS232通信速率较高,满足用户对多种通信需求。
如图6所示,所述单片机处理模块采用意法半导体公司的STM32F103C8T6微处理器,该单片机处理模块内部集成通用GPIO引脚、USART、SPI、IIC、CAN、USB通信端口、flash、DMA功能模块等,满足对各类数据的接收、存储、计算及传输功能;A/D转换模块、显示模块通过IIC通信方式与单片机进行通信,隔离RS485通信模块、RS232通信模块通过USART串口实现与单片机处理模块串行通信。
如图7所示,所述显示模块与单片机处理模块连接,显示模块用于将单片机处理模块处理后的数据实时显示。所述显示模块采用OLED屏幕,显示模块与单片机处理模块之间采用IIC通信方式将单片机处理后的数据传输至OLED屏幕中,让用户能时时看到所接入传感器所测量物理量大小。所述OLED屏幕采用0.96寸的屏幕,无需背光,显示模块能自发光,占用IO口少,采用两个引脚,一根时钟线、一个数据线实现单片机处理模块处理后的数据发送至OLED屏幕显示。
本实用新型适用于工业生产中广泛用到的4~20mA传感器对温度、压力、速度、角度等物理量的测量。

Claims (9)

1.一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:包括依次连接的模拟信号采集调理模块、A/D转换模块、单片机处理模块和通信模块;
所述模拟信号采集调理模块采用4路传感器输入通道,传感器将采集到的物理量转化为4~20mA电流,模拟信号采集调理模块用于将传感器传输的电流信号经I/V电路转换为电压信号,再经RC滤波调理后将模拟信号输入A/D转换模块;
所述A/D转换模块用于将接收到的模拟信号转换成数字信号,并将数字信号传输到单片机处理模块;所述A/D转换模块可同时接收4路模拟量的输入和模数转换;
所述单片机处理模块用于将A/D转换模块转换的数字信号进行分析处理,并将处理后的信号传输到通信模块;
所述通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号传输到用户终端。
2.如权利要求1所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述通信模块包括隔离RS485通信模块和RS232通信模块;所述隔离RS485通信模块用于远距离传输;所述RS232通信模块通过DB-9连接器连接用户终端,RS232通信模块用于短距离传输。
3.如权利要求2所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述隔离RS485通信模块通过双绞线连接远处用户终端。
4.如权利要求2所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述隔离RS485通信模块采用总线拓扑方式挂接多个设备,隔离RS485通信模块通过MODBUS通信协议与所述设备传递信息。
5.如权利要求2所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述隔离RS485通信模块采用SN65176芯片,所述RS232通信模块采用MAX232A芯片。
6.如权利要求1所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:还包括显示模块,所述显示模块与单片机处理模块连接,显示模块用于将单片机处理模块处理后的数据实时显示。
7.如权利要求6所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述显示模块采用OLED屏幕,显示模块与单片机处理模块之间采用IIC通信方式。
8.如权利要求1所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述A/D转换模块采用ADS1115芯片。
9.如权利要求1所述的一种4~20mA输出的传感器信号采集装置,其特征在于:所述单片机处理模块采用STM32F103C8T6微处理器。
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