CN211149240U - 一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，包括故障设置PCB模块、信号采集PCB模块和485通讯模块；故障设置PCB模块和信号采集PCB模块均采用485通讯模块进行通讯，故障设备PCB模块包括第一主控单元，信号采集PCB模块包括第二主控单元，485通讯模块包括485通讯单元和第二光耦单元；485通讯单元的RO接口与第二光耦单元的阴极接口连接，第二光耦单元的VO接口与第一主控单元和第二主控单元的输入端口连接，第一主控单元和第二主控单元的DI接口与第二光耦单元的VO接口连接，第二光耦单元的阴极端口与第一主控单元和第二主控单元的输出端口连接。通过485总线通讯，接收服务器的设置故障命令，实现故障设置状态采集与回复，故障点信号的上传。

Description

一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置

技术领域

本实用新型涉及实训教学技术领域，特别是涉及一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

现阶段国家制造业发展迅速，对于高技能人才需求越来越强烈。随着国家对于职业教育的重视程度越来越高，智能化的实训设备需求也越来越强烈。现有教学设备故障大部分设置采用手动操作方案，设置过程繁琐且无法确认是否设置成功；部分支持自动故障设置的实训设备不具备信号采集系统，导致学生动手测量需要排队进行，严重影响教学效率。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置。基于教学用实训设备，提出的故障设置与信号采集装置，故障设置PCB板与信息采集PCB板通过硬线连接实训教学设备，基于485总线实现与故障设置PCB板、信息采集PCB板和wifi模块的通讯。wifi模块通过广域网与服务器连接，并且将服务器下达的命令传输给485总线网络里面的故障设置PCB板和信息采集PCB板，也能将故障设置PCB板和信息采集PCB板采集的信息返回给服务器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，包括：故障设置PCB模块、信号采集PCB模块和485通讯模块；

所述故障设备PCB模块包括第一主控单元、第一光耦单元、继电器驱动单元和继电器；所述第一主控单元通过GPIO接口与第一光耦单元的阴极端相连；第一光耦单元通过集电级接口与继电器驱动单元的输入端相连；继电器驱动单元的输出端与继电器的输入控制端相连；

所述信号采集PCB模块包括第二主控单元，所述第二主控单元包括AD采集电路，对实训教学设备电压信号进行采集；

所述故障设置PCB模块和信号采集PCB模块分别通过第一主控单元和第二主控单元与wifi模块组成485总线，wifi模块通过广域网与服务器进行通讯。

作为可能的一些实现方式，所述485通讯模块包括485通讯单元和第二光耦单元；

所述485通讯单元的RO接口与第二光耦单元的阴极接口连接，第二光耦单元的VO接口均与第一主控单元和第二主控单元的输入端口连接，第一主控单元和第二主控单元的DI接口与第二光耦单元的VO接口连接，第二光耦单元的阴极端口与第一主控单元和第二主控单元的输出端口连接。

作为可能的一些实现方式，所述第一主控单元和第二主控单元均采用STC8单片机，具体采用型号为STC8A8K64S4A12的主控芯片。

作为可能的一些实现方式，所述第一光耦单元采用型号为TP521-4的光耦芯片；所述继电器驱动单元采用型号为ULN2803的继电器驱动芯片；所述继电器采用型号为SRD-24VDC-SL-C的继电器。

作为可能的一些实现方式，所述485通讯模块还包括电源隔离单元，所述电源隔离单元采用B2405电源隔离芯片；所述电源隔离单元给485通信模块供电，配合第二光耦芯片连接第一主控单元和第二主控单元的串行通信接口。

作为可能的一些实现方式，所述485通讯单元采用MAX485通讯芯片，所述第二光耦单元采用6N137高速光耦芯片。

作为可能的一些实现方式，该装置还包括WIFI通讯模块，所述WIFI通讯模块通过485接口将服务器的指令数据传输给故障设置PCB模块和信息采集PCB模块，将故障设置PCB模块和信息采集PCB模块采集的数据传输给服务器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型为实训教学设备配有通用化的故障设置模块与信号采集模块，且通过wifi模块可实时访问广域网接收上层服务器的设置故障命令，同时也可实现故障设置状态采集与回复，故障点信号采集并上传。教师与学生可随时通过服务器-WIFI模块-485总线访问此装置，查询实训教学设备的故障实时状态与实时信号状态。

本实用新型可支持执行上位机软件发出的实训项目故障设置，并且反馈故障设置状态，同时通过485总线上传采集到的电信号供实训测试使用。

本实用新型可以支持操作人员通过上位机软件人机界面进行故障设置，命令通过服务器传达到故障设置模块自动执行且反馈故障是否设置成功；信号采集模块可支持随时进行信号测量，提高教学效率，提升教学效果。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型装置结构图；

图2为故障设置PCB模块的第一光耦单元电路原理图；

图3为故障设置PCB模块的继电器驱动单元电路原理图；

图4为485通讯模块电路原理图；

图5为485通讯模块中电源隔离单元电路原理图；

图6为信号采集PCB模块的AD采集电路原理图；

图7为WIFI通讯模块电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

本实用新型提供一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，包括：故障设置PCB模块、信号采集PCB模块和WIFI通讯模块；

所述故障设备PCB模块包括主控单元、第一光耦单元、继电器驱动单元和继电器；

所述主控单元通过GPIO接口与第一光耦单元的阴极端相连；第一光耦单元通过集电级接口与继电器驱动单元的输入端相连；继电器驱动单元的输出端与继电器的控制输入端相连。

所述故障设置PCB板主控单元采用STC8位单片机，具体采用型号为STC8A8K64S4A12的主控芯片；

所述第一光耦单元采用型号为TP521-4的光耦芯片；继电器驱动单元采用型号为ULN2803的继电器驱动芯片；继电器采用松乐继电器的型号为SRD-24VDC-SL-C的继电器。

将单片机的P2^0～P2^7、P7^0～P7^7、P0^0～P0^7、P6^0～P6^7共32口，分别连接到8个光耦芯片TP521-4的Pin2、Pin4、Pin6、Pin8管脚，即阴极Cathode管脚；光耦芯片TP521-4的Pin15、Pin13、Pin11、Pin9管脚，即集电级Collector管脚连接到继电器驱动芯片ULN2803的输入端，继电器驱动芯片ULN2803的输出管脚接到松乐继电器SRD-24VDC-SL-C的控制输入端；

当单片机的IO端口输出低电平时，TP521光耦导通，继电器驱动单元ULN2803输入端收到24V电压信号后，输出端做灌电流输出，继电器线圈得电，间接地实现了I/O口控制继电器的开闭，实现设备的故障设置功能。其中，TP521-4光耦芯片起到隔离保护的作用，ULN2803保证了芯片管脚的带载能力。

所述信号采集PCB模块包括主控单元，所述主控单元包括AD采集电路，对实训教学设备电压信号进行采集。

所述信号采集PCB模块可实时进行设备信号采集，所述主控单元仍采用STC8单片机，具体采用型号为STC8A8K64S4A12的主控芯片。利用该单片机自带的15路10位AD采集通道对设备的电压信号采集，量程支持0～30V。为了增大AD采集的输入阻抗减小对输入信号的影响，保证AD转换的精度，部分采集通道前面增加了电压跟随器。

故障设置PCB模块和信号采集PCB模块的通讯电路和通讯协议设置一致。

故障设置PCB模块和信号采集PCB模块均采用485通讯模块进行实时通讯，对外通讯协议则使用串行通信协议MODBUS，该协议支持对32路继电器状态进行设置、查询等功能。

所述485通讯模块包括485通讯单元、第二光耦单元和电源隔离单元，所述485通讯单元采用MAX485通讯芯片，所述第二光耦单元采用6N137高速光耦芯片，所述电源隔离单元采用B2405电源隔离芯片；

所述485通讯单元的RO接口与第二光耦单元的阴极接口连接，第二光耦单元的VO接口均与故障设置PCB模块和信号采集PCB模块的主控单元的输入端口连接，主控单元的DI接口与第二光耦单元的VO接口连接，第二光耦单元的阴极端口与主控单元的输出端口连接；

所述电源隔离单元(B2405)单独给485通信模块供电，配合第二光耦芯片(6N137)连接单片机串行通信口(RXD2、TXD2)，确保通信信号的稳定性。

在本实施例中，MAX485通讯芯片的RO(PIN1)连接6N137(U7)的阴极(PIN3)，6N137(U7)的VO(PIN6)连接主控芯片的RXD2(PI^0)；485芯片DI(PIN4)连接6N137(U8)的VO(PIN6)，6N137(U8)的阴极(PIN3)连接主控芯片的TXD2(P1^1)；

MAX485通讯芯片RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以它们都接在6N137(U6)的VO(PIN6)。6N137(U6)的阴极(PIN3)接单片机的IO口(P5^3)，这种通讯电路设计可以增强485通讯的抗干扰能力。

该装置还包括WIFI通讯模块，所述WIFI通讯模块通过485接口将广域网服务器下达的命令传输给485总线网络里面的故障设置PCB板和信息采集PCB板，也能将故障设置PCB板和信息采集PCB板采集的信息返回给广域网；

所述WIFI通讯模块可以直接通过网线连接互联网作为WIFI热点(AP模式)，也可通过无线连接路由器进而连接到互联网(STA模式)，实现与服务器的通讯。

所述故障设置PCB板与信息采集PCB板通过硬线连接实训教学设备，WIFI模块只通过485接口实现与故障设置PCB板、信息采集PCB板的通讯。在实训教学过程中，故障设置板用来设置实训用故障并且反馈故障设置状态，信息采集板用来采集各个故障点信息，并且上传。WIFI模块则作为一个信息中继站，实现设备与服务器之间的通讯功能。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，包括：故障设置PCB模块、信号采集PCB模块和485通讯模块；

所述故障设置PCB模块包括第一主控单元、第一光耦单元、继电器驱动单元和继电器；所述第一主控单元通过GPIO接口与第一光耦单元的阴极端相连；第一光耦单元通过集电级接口与继电器驱动单元的输入端相连；继电器驱动单元的输出端与继电器的输出端相连；

所述信号采集PCB模块包括第二主控单元，所述第二主控单元包括AD采集电路，对实训教学设备电压信号进行采集；

所述故障设置PCB模块和信号采集PCB模块分别通过第一主控单元和第二主控单元与485通讯模块的连接与服务器进行通讯。

2.如权利要求1所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述485通讯模块包括485通讯单元和第二光耦单元；

所述485通讯单元的RO接口与第二光耦单元的阴极接口连接，第二光耦单元的VO接口均与第一主控单元和第二主控单元的输入端口连接，第一主控单元和第二主控单元的DI接口与第二光耦单元的VO接口连接，第二光耦单元的阴极端口与第一主控单元和第二主控单元的输出端口连接。

3.如权利要求2所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述485通讯单元采用MAX485通讯芯片，所述第二光耦单元采用6N137高速光耦芯片。

4.如权利要求2所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述485通讯模块还包括电源隔离单元，所述电源隔离单元采用B2405电源隔离芯片；所述电源隔离单元给485通讯模块供电，配合第二光耦单元连接第一主控单元和第二主控单元的串行通信接口。

5.如权利要求1所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述第一主控单元和第二主控单元均采用STC8单片机，具体采用型号为STC8A8K64S4A12的主控芯片。

6.如权利要求1所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述第一光耦单元采用型号为TP521-4的光耦芯片；

所述继电器驱动单元采用型号为ULN2803的继电器驱动芯片；

所述继电器采用型号为SRD-24VDC-SL-C的继电器。

7.如权利要求1所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述485通讯模块的对外通讯协议采用串行通信协议MODBUS。

8.如权利要求1所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

该装置还包括WIFI通讯模块，所述WIFI通讯模块通过485接口将服务器的指令数据传输给故障设置PCB模块和信息采集PCB模块，将故障设置PCB模块和信息采集PCB模块采集的数据传输给服务器。

9.如权利要求8所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述WIFI通讯模块通过网线连接互联网作为WIFI热点，

或，通过无线方式连接路由器进而连接到互联网。

10.如权利要求8所述的一种基于实训教学设备的故障设置与信号采集装置，其特征在于，

所述故障设置PCB模块与信息采集PCB模块通过硬线连接实训教学设备，WIFI模块通过485接口与故障设置PCB板、信息采集PCB板的进行通讯。

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