CN216434149U - 基于二总线网络的多通道加速度采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于二总线网络的多通道加速度采集仪，包括CPU、通信电路、存储器、触摸屏、电源电路，所述CPU分别与所述通信电路、所述存储器、所述触摸屏、所述电源电路相连；所述CPU通过所述通信电路分别读取多个加速度传感器的数据，再将其写入所述存储器中；所述触摸屏用于用户设置参数、监测加速度数据；所述电源电路用于给该多通道加速度采集仪提供电源。本实用新型的有益效果是：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少；2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.测试通道多，多达256通道。

Description

基于二总线网络的多通道加速度采集仪

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及基于二总线网络的多通道加速度采集仪。

背景技术

加速度采集仪是一种用于测量振动信号的仪器，广泛应用在机械、汽车、建筑、航空等领域。采集仪工作时需要接上加速度传感器，传感器输出的信号一般是电流信号，用电流信号的大小表示加速度信号的大小。采集仪通过把电流信号转换为数字信号，再进行传输或存储。某型号的采集仪一般具有8通道或者16通道，每一个通道只能接入一个加速度传感器，因此可以进行8通道或者16通道的加速度测量，连接方式如图1所示。

传统加速度采集仪存在以下缺点：

1、布线多。每个单轴加速度需要2根线，如果是使用测量xyz方向加速度的3轴传感器，则速要6根线。当整个振动测量系统有很多测量点时，在测量仪与传感器之间需要大量的布线，造成布线成本高，难以维护。

2、信号易受干扰。由于传输的是模拟信号，一旦信号受到外界干扰，则信号无法恢复将导致测量效果变差。

3、测量通道少。单个采集仪最多一般仅为16通道，在进行加速度xyz 3轴测量时，仅能进行5个点的测量。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于二总线网络的多通道加速度采集仪，包括 CPU、通信电路、存储器、触摸屏、电源电路，所述CPU分别与所述通信电路、所述存储器、所述触摸屏、所述电源电路相连；所述CPU通过所述通信电路分别读取多个加速度传感器的数据，再将其写入所述存储器中；所述触摸屏用于用户设置参数、监测加速度数据；所述电源电路用于给该多通道加速度采集仪提供电源。

作为本实用新型的进一步改进，该多通道加速度采集仪还包括二总线，所述通信电路通过所述二总线分别与多个所述加速度传感器相连，所述二总线既能为传感器提供电源，也让传感器具有网络通信能力。

作为本实用新型的进一步改进，该多通道加速度采集仪包括多个节点接头，所述二总线通过所述节点接头分别与多个传感器相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述通信电路包括第一运放电路、电流采样电路、数据接收电路、接线端口，所述第一运放电路分别与所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述电流采样电路分别与所述第一运放电路、所述数据接收电路相连，所述接线端口2脚分别与所述第一运放电路、所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述接线端口1脚接地。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一运放电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻，其中，所述运算放大器1脚为数据发送端，所述运算放大器2脚分别与所述第一电阻一端、所述第二电阻一端相连，所述运算放大器4脚接地，所述运算放大器5脚接10V电源，所述运算放大器6 脚分别与所述接线端口2脚、所述第二电阻另一端、所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述运算放大器7脚分别与用于产生通讯方向信号的信号单元、所述电流采样电路相连。

所述第一电阻一端分别与所述运算放大器2脚、所述第二电阻一端相连，所述第一电阻另一端接地。

所述第二电阻一端分别与所述运算放大器2脚、所述第一电阻一端相连，所述第二电阻另一端分别与所述运算放大器6脚、接线端口2脚相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述电流采样电路包括场效应管、采样电阻，所述场效应管源极接5V电源，所述场效应管栅极分别与所述运算放大器7脚、用于产生通讯方向信号的信号单元相连，所述场效应管漏极分别与所述采样电阻一端，所述数据接收电路相连。

所述采样电阻一端分别与所述场效应管漏极、所述数据接收电路相连，所述采样电阻另一端分别所述第二电阻另一端、所述运算放大器6脚、所述接线端口2脚、所述数据接收电路相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述数据接收电路包括比较器、第六电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻，其中，所述比较器1脚分别与所述采样电阻另一端、所述第二电阻另一端、所述运算放大器6脚、所述接线端口2脚相连，所述比较器2脚、6脚接地，所述比较器3脚分别与所述第四电阻一端、所述第五电阻一端相连，所述比较器4脚接5V电源，所述比较器5脚为数据接收端。

所述第六电阻一端分别与所述采样电阻另一端、所述第二电阻另一端、所述运算放大器6脚、所述接线端口2脚相连，所述第六电阻另一端分别与所述第三电阻另一端、所述比较器1脚相连。

所述第三电阻一端分别与接地端、所述第四电阻一端相连，所述第三电阻另一端与所述第六电阻另一端、所述比较器1脚相连。

所述第四电阻一端分别与所述较器3脚、所述第五电阻一端相连，所述第四电阻另一端与接地端、所述第三电阻一端相连。

所述第五电阻一端分别与所述第四电阻、所述较器3脚相连，所述第五电阻另一端分别与所述场效应管漏极、所述采样电阻一端相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述运算放大器型号为OPA547，所述场效应管型号为AO3401，所述比较器U2型号为TLV3501。

作为本实用新型的进一步改进，所述CPU型号为STM32H743IBT6。

作为本实用新型的进一步改进，所述触摸屏采用7寸彩色液晶屏，所述触摸屏采用电容触摸输入方式；所述通信电路数量为8个；所述存储器为SD卡。

本实用新型的有益效果是：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少；2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.测试通道多，多达 256通道。

附图说明

图1是传统的加速度采集系统布线原理框图；

图2是本实用新型二总线网络布线原理框图；

图3是本实用新型二总线网络底层协议示意图；

图4是本实用新型通信帧内容示意图；

图5是本实用新型数据帧内容示意图；

图6是本实用新型加速度采集仪原理框图；

图7是本实用新型通信电路图；

图8是本实用新型CPU电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型公开了一种基于二总线网络的多通道加速度采集仪，具体包括：

一.二总线网络结构：

二总线是仅需两根线的“电源+信号”总线的简称，该总线既能为传感器提供电源，也让传感器具有网络通信能力。二总线网络是利用二总线构成的网络，能够接入多个传感器，每个接入的节点仅需2个接头，可以是树形、星型等多种拓扑机构，本案设计的二总线结构如图2所示。由图可知，仅需要一个端口，即能接入多个传感器，大大减少了布线。

二.二总线网络通信协议：

网络协议是网络通信的关键技术，优秀的协议具有高效通信效率与低的误码率。本实用新型设计的通信协议分为底层与顶层两部分，底层协议定义传感器供电、数据的发送与接收的时序，而顶层协议定义发送数据与接收数据的内容，从而实现一次具有双向传输功能的通信，通信的内容称之为通信帧。

底层协议如图3所示，在一次通信过程中，包含供电、发送数据、方向转换、接收数据4种状态。

1)供电状态。该多通道加速度采集仪向传感器供电，采用6.6V电压供电，该电压对传感器内的储能电容充电，在其他状态中储能电容再为传感器电路供电。

2)发送数据。该多通道加速度采集仪向传感器发送数据，当发送数据‘0’时，输出低电平0V，当输出数据‘1’时，输出高电平6.6V。

3)方向转换。因为总线上存在寄生电容，寄生电感，总线从发送状态转换为接收状态需要一定时间，在此阶段采集仪输出5V电压。

4)接收数据。传感器向该多通道加速度采集仪发送数据，发送数据‘0’时，通过接通两根线形成50mA的电流环路，使得该多通道加速采集仪端口的电压降为4V。当发送‘1’时两根线不接通，总线上无电流，电压为5V。

由图3可知，在一次通信过程里，各个状态定义明确，互不干扰，确保了对传感器的正常供电，也保证了数据的发送与接收的可靠性。

顶层协议是定义一个通信帧的内容，通信帧包括指令帧与数据帧。指令帧用于多通道加速度采集仪对传感器发出指令，传感器执行指令后把结果返回给采集仪。数据帧用于采集仪对总线上所有的传感器进行收集数据。指令帧如图4所示，各部分的解释如下：

(1)帧头。标识一个数据帧的开始，为十六进制0x55。

(2)传感器ID。用于标识当前帧对某一个传感器通信。ID取值范围可以是1-32。

(3)指令。该多通道加速度采集仪向传感器发送的命令代码。指令可以是启动传感器采集数据，让传感器发送数据等具体动作。

(4)参数。该多通道加速度采集仪向传感器发送指令中对应的参数。参数可以是传感器放大倍数，滤波频率等具体信息。

(5)返回值。传感器向多通道加速度采集仪发送的数值。该数值可以是加速度数据或是传感器状态等具体信息。

(6)CRC校验。用于判别通信是否存在错误。

(7)帧尾。标识一帧的结束，为十六进制0xFF。

利用上述协议，可以实现传感器的参数设定、启动与停止采集数据、加速度归零等动作。还可以在识别到传输过程中出现错误数据的情况下，要求传感器重发数据，因此传输的可靠性很高。

数据帧的格式如图5所示，本实用新型多通道加速度采集仪发送帧头 0XAA后，各个传感器接收到OXAA后，根据自身的ID进行相应的延时，在属于自己的时间段内把数据发送到总线上。采用数据帧可以最大程度的提高数据传输量。

三.二总线加速度传感器的结构：

本实用新型的多通道加速度采集仪的结构如图6所示。由CPU、8个通信电路、SD卡存储器与触摸屏组成。CPU通过通信电路读取多个加速度传感器的数据，再写入SD卡中存储。用户可通过触摸屏设置参数，监测加速度数据等功能。电源电路提供3.3V、5V、10V电压给系统使用。

四.通信电路：

本实用新型的多通道加速度采集仪有8个通信端口，相应地有8个相同的通信电路，以1号通信电路为例，电路如图7所示，由运算放大器U1、比较器U2、场效应管T1、接线端口J1以及多个电阻构成。TX1是数据发送端，来自CPU的串口发送端。RX1是数据接收端，送到串口的接收端。 DIR1是通信方向信号，为‘0’时是接收数据状态，为‘1’时是发送数据状态。

通信电路由三部分组成，第一部分是由运算放大器U1及第一电阻R2，第二电阻R6构成的数据发送电路，第二部分是由场效应管T1与采样电阻 R7构成的电流采样电路，第三部分是由比较器U2与第六电阻R8、第三电阻R9、第四电阻R10、第五电阻R11构成的数据接收电路。

(1)发送电路：运算放大器U1的型号为OPA547,这是一个高功率运放，输出电流高达500mA，因为加速度传感器的工作电流很小，约为10mA，因此足以驱动32个传感器。该运算放大器具备输出关断功能，通过引脚7 控制输出状态，当引脚7电压大于2.4V时允许输出，反之为禁止输出，此时输出端为高阻状态。运算放大器与第二电阻R2和第二电阻R6组成同相放大电路，对TX1信号进行放大，放大倍数为2。当TX1为数据‘0’时，输入电压为0V，运放输出电压为0V，当TX1为数据‘1’时，输入电压为3.3V，运放输出电压为6.6V。方向信号DIR1控制运放的输出，当DIR1为高电平时，电压为3.3V，允许运放输出信号。当DIR1为低电平时，电压为0V，运放输出为高阻抗。

(2)电流采样电路：场效应管T1的型号为AO3401,类型为P沟道，作用是接通或关断接收电流回路。当DIR1为低电平时，电压为0V，此时场效应管T1导通，接通5V电压，通过采样电阻R7向总线提供电压。当DIR1 为高电平时，电压为3.3V，此时场效应管T1截至，关断电流采样回路，避免运放输出的6.6V电压倒灌到5V电压上。采样电阻R7用于将所接收电流进行采样而转化为电压。在场效应管T1接通的情况下，当总线上有传感器发送数据‘1’时，总线的电流为50mA，此时总线上的电压VBUS1为：

5V-20Ω×5mA＝4V

当发送数据‘0’时，总线电流为0mA，总线上电压为5V。

(3)接收电路：比较器U2的型号为TLV3501，作用是通过比较总线上的电流，达到识别传感器发送数据为‘0’或‘1’的目的。在接收状态下，场效应管T1是导通的，比较器U2正相输入端3脚的电压为：

当传感器发送数据‘1’时，总线上电流为50mA，总线上电压为4V，比较器U2反相输入端1脚的电压为：

因为V+大于V-，所以比较器U2输出数据‘1’。当传感器发送数据‘0’时，总线上无电流，总线上电压为5V，1脚的电压为：

因为V+小于V-，所以比较器输出数据‘0’。

通信电路的工作过程如下：当DIR1为‘1’时，通信电路为发送状态，运放输出数据。同时场效应管T1截至，电流采样电路不影响信号输出。当发送数据‘0’时，运放输出0V，当发送数据‘1’时，运放输出6.6V。当DIR1为‘0’时，场效应管T1导通，采样电阻R7对总线电流采样。同时运算放大器U1处于高阻态，不影响采样电路工作。当传感器发送数据‘0’时，比较器U2输出数据‘0’，当发送数据‘1’时，比较器U2数据‘1’。由此可见，通信电路的功能达到设计要求。

五.CPU：

在本实用新型中对CPU的要求是具有多个串口与SD卡接口，因为数据量较大，需要较高的处理速度，符合这一要求的型号之一是 STM32H743IBT6。表1列出了该CPU与本实用新型相关的部分参数。

表1 STM32H743IBT6部分参数

STM32H743IBT6是一款高性能ARM芯片，主频高达480MHz，具有2M 空间的FLASH与2M空间的RAM。在本实用新型中，使用8个串口连接8个通信电路，实现加速度传感器通信功能。使用最后一个串口连接触摸屏，实现人机交互功能。电路图如图8所示，仅画出与本实用新型相关的引脚。

其他电路：

本实用新型的多通道加速度采集仪的其他电路包括SD卡电路，触摸屏电路，电源电路，SD卡电路用于存储加速度数据，支持2G-64G容量的SD 卡，触摸屏电路用于设置参数，显示数据等功能，采用7寸彩色液晶屏与电容触摸输入方式，触摸屏通过串口与CPU通信，实现人机交互功能。电源电路的输入电压为宽范围电压，可以接收12-24V电压，输出稳定的10V、 5V供通信电路使用，输出3.3V供CPU电路使用。

本实用新型的有益效果：1.使用二总线网络结构，使得布线大为减少； 2.使用数字方式通信，提高了信号传输可靠性；3.测试通道多，多达256 通道。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于二总线网络的多通道加速度采集仪，其特征在于：包括CPU、通信电路、存储器、触摸屏、电源电路，所述CPU分别与所述通信电路、所述存储器、所述触摸屏、所述电源电路相连；所述CPU通过所述通信电路分别读取多个加速度传感器的数据，再将其写入所述存储器中；所述触摸屏用于用户设置参数、监测加速度数据；所述电源电路用于给该多通道加速度采集仪提供电源；

该多通道加速度采集仪还包括二总线，所述通信电路通过所述二总线分别与多个所述加速度传感器相连，所述二总线既能为传感器提供电源，也让传感器具有网络通信能力。

2.根据权利要求1所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：该多通道加速度采集仪包括多个节点接头，所述二总线通过所述节点接头分别与多个传感器相连。

3.根据权利要求1所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述通信电路包括第一运放电路、电流采样电路、数据接收电路、接线端口(J1)，所述第一运放电路分别与所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述电流采样电路分别与所述第一运放电路、所述数据接收电路相连，所述接线端口(J1)2脚分别与所述第一运放电路、所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述接线端口(J1)1脚接地。

4.根据权利要求3所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述第一运放电路包括运算放大器(U1)、第一电阻(R2)、第二电阻(R6)，其中，所述运算放大器(U1)1脚为数据发送端，所述运算放大器(U1)2脚分别与所述第一电阻(R2)一端、所述第二电阻(R6)一端相连，所述运算放大器(U1)4脚接地，所述运算放大器(U1)5脚接10V电源，所述运算放大器(U1)6脚分别与所述接线端口(J1)2脚、所述第二电阻(R6)另一端、所述电流采样电路、所述数据接收电路相连，所述运算放大器(U1)7脚分别与用于产生通讯方向信号的信号单元、所述电流采样电路相连；

所述第一电阻(R2)一端分别与所述运算放大器(U1)2脚、所述第二电阻(R6)一端相连，所述第一电阻(R2)另一端接地；

所述第二电阻(R6)一端分别与所述运算放大器(U1)2脚、所述第一电阻(R2)一端相连，所述第二电阻(R6)另一端分别与所述运算放大器(U1) 6脚、接线端口(J1)2脚相连。

5.根据权利要求4所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述电流采样电路包括场效应管(T1)、采样电阻(R7)，

所述场效应管(T1)源极(S)接5V电源，所述场效应管(T1)栅极(G)分别与所述运算放大器(U1)7脚、用于产生通讯方向信号的信号单元相连，所述场效应管(T1)漏极(D)分别与所述采样电阻(R7)一端，所述数据接收电路相连；

所述采样电阻(R7)一端分别与所述场效应管(T1)漏极(D)、所述数据接收电路相连，所述采样电阻(R7)另一端分别所述第二电阻(R6)另一端、所述运算放大器(U1)6脚、所述接线端口(J1)2脚、所述数据接收电路相连。

6.根据权利要求5所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述数据接收电路包括比较器(U2)、第六电阻(R8)、第三电阻(R9)、第四电阻(R10)、第五电阻(R11)，其中，

所述比较器(U2)1脚分别与所述采样电阻(R7)另一端、所述第二电阻(R6)另一端、所述运算放大器(U1)6脚、所述接线端口(J1)2脚相连，所述比较器(U2)2脚、6脚接地，所述比较器(U2)3脚分别与所述第四电阻(R10)一端、所述第五电阻(R11)一端相连，所述比较器(U2)4脚接5V电源，所述比较器(U2)5脚为数据接收端；

所述第六电阻(R8)一端分别与所述采样电阻(R7)另一端、所述第二电阻(R6)另一端、所述运算放大器(U1)6脚、所述接线端口(J1)2脚相连，所述第六电阻(R8)另一端分别与所述第三电阻(R9)另一端、所述比较器(U2)1脚相连；

所述第三电阻(R9)一端分别与接地端、所述第四电阻(R10)一端相连，所述第三电阻(R9)另一端与所述第六电阻(R8)另一端、所述比较器(U2)1脚相连；

所述第四电阻(R10)一端分别与所述较器(U2)3脚、所述第五电阻(R11)一端相连，所述第四电阻(R10)另一端与接地端、所述第三电阻(R9)一端相连；

所述第五电阻(R11)一端分别与所述第四电阻(R10)、所述较器(U2)3 脚相连，所述第五电阻(R11)另一端分别与所述场效应管(T1)漏极(D)、所述采样电阻(R7)一端相连。

7.根据权利要求6所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述运算放大器(U1)型号为OPA547，所述场效应管(T1)型号为AO3401，所述比较器(U2)型号为TLV3501。

8.根据权利要求1所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述CPU型号为STM32H743IBT6。

9.根据权利要求1所述的多通道加速度采集仪，其特征在于：所述触摸屏采用7寸彩色液晶屏，所述触摸屏采用电容触摸输入方式；所述通信电路数量为8个；所述存储器为SD卡。

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