CN216772413U - 一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其包括MCU芯片、数字量输入输出模块，数字量输入输出模块包括数字量输入电路、数字量输出电路和若干路DI/DO切换电路；数字量输入电路与MCU芯片的数字输入引脚电性连接；MCU芯片的数字输出引脚与数字量输出电路电性连接，MCU芯片的若干个I/O口与若干路DI/DO切换电路一一对应电性连接。设置多路DI/DO切换电路，可以通过一个接口即可实现数据输入又可实现数据输出功能，复用接口以及MCU芯片的引脚，提高MCU芯片引脚利用率；在数字量输出电路中设置位移缓存器，复用MCU芯片引脚，解决MCU芯片引脚不够用问题。

Description

一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统

技术领域

本实用新型涉及数据采集领域，尤其涉及一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统。

背景技术

人机界面交互系统广泛应用在各大领域中，例如，环保行业、电力行业和仪器仪表行业等。不仅具备采集监测仪表数据的功能，而且具备将数据传输给上级系统的能力，还可以控制检测仪表、外接设备，并能够对监测仪表、外接设备进行设置。现有的人机界面交互系统由于数据采集口占用了MCU芯片大量的引脚，导致MCU芯片引脚数量不能满足系统要求。常规做法是通过增加MCU芯片数量来实现，这种方式不仅增加了体积，而且还增加了成本。因此，为了解决上述问题，本实用新型提供一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，复用数据采集和输出接口，满足数据采集接口类型和数量的多样化的同时，兼顾多种通信方式，可适应不同领域的数据采集要求以及通讯要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，复用数据采集和输出接口，满足数据采集接口类型和数量的多样化的同时，兼顾多种通信方式，可适应不同领域的数据采集要求以及通讯要求。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其包括MCU芯片、数字量输入输出模块，数字量输入输出模块包括数字量输入电路、数字量输出电路和若干路DI/DO切换电路；

数字量输入电路与MCU芯片的数字输入引脚电性连接；MCU芯片的数字输出引脚与数字量输出电路电性连接，MCU芯片的若干个I/O口与若干路DI/DO切换电路一一对应电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，DI/DO切换电路包括接口、DI电路和DO电路；

DI电路的输入端与接口电性连接，DI电路的输出端与MCU芯片的I/O_1口电性连接；

DO电路的输入端与MCU芯片的I/O_1口电性连接，DO电路的输出端与接口电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，DI电路包括光电耦合器和电阻R758；

电阻R758的一端与电源电性连接，电阻R758的另一端与光电耦合器的发射端正极电性连接，光电耦合器的发射端负极与接口电性连接，光电耦合器的接收端集电极与MCU芯片的I/O_1口电性连接，光电耦合器的接收端发射极接地。

在以上技术方案的基础上，优选的，DO电路包括电阻R425、电阻R738、三极管Q18和MOS管Q19；

MCU芯片的I/O_1口通过电阻R738与三极管Q18的基极电性连接，三极管Q18的发射极接地，三极管Q18的集电极分别与电阻R425的一端以及MOS管Q19的栅极电性连接，电阻R425的另一端以及MOS管Q19的源极分别与电源电性连接，MOS管Q19的漏极与接口电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，数字量输入电路包括若干路光电耦合器；

若干路光电耦合器的发射端正极均与电源电性连接，光电耦合器的发射端负极分别输入若干个外部信号，若干路光电耦合器的接收端集电极分别与MCU芯片的数字输入引脚一一对应电性连接，若干路光电耦合器的接收端发射极均接地。

在以上技术方案的基础上，优选的，数字量输出电路包括位移缓存器、驱动器和若干个继电器；

位移缓存器的输入端与MCU芯片电性连接，位移缓存器的并行输出端通过驱动器与若干个继电器电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括模拟量输入模块；

模拟量输入模块与MCU芯片的数字输入端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，模拟量输入模块包括多通道的A/D转换器以及若干个放大器；

若干个放大器的输入端一一对应地输入若干个模拟量，放大器的输出端通过A/D转换器与MCU芯片的若干个数字输入引脚一一对应电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括CPU芯片、有线通信模块和无线通信模块；

有线通信模块和无线通信模块分别与CPU芯片的通信端电性连接；所述CPU芯片与MCU芯片串口连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括触摸屏控制器、触摸接口和触摸屏；

触摸屏控制器的中断引脚通过SPI口与CPU芯片电性连接；触摸屏控制器的模拟输入端通过触摸接口与触摸屏电性连接。

本实用新型的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)为了解决MCU芯片引脚不够用的问题，本实用新型做了以下改进：设置多路DI/DO切换电路，可以通过一个接口即可实现数据输入又可实现数据输出功能，复用接口以及MCU芯片的引脚，提高MCU芯片引脚利用率；在数字量输出电路中设置位移缓存器，复用MCU芯片引脚，解决MCU芯片引脚不够用的问题；

(2)为了隔离DI/DO切换电路的数字输入通道和数字输出通道，在DI电路中设置了光电耦合器，在DO电路中设置了MOS管；当DI/DO切换电路处于数字信号输出模式时，MCU芯片的I/O_1口的信号分成两路，一路进入DI电路，并输出至光电耦合器的发射端，由于光电耦合器的接收端无信号输入，因此，光电耦合器不会导通，信号无法传输至接口；另一路进入DO电路，经放大后驱动MOS管闭合，再经过接口输出；当DI/DO切换电路处于数字信号输入模式时，外部信号经过接口分成两路，一路进入DI电路，并输入至光电耦合器的接收端，光电耦合器上电并导通，将信号输出至MCU芯片的I/O_1口；另一路输出至MOS管的漏极，由于此时MOS管的栅极无电压输入，因此，MOS管截止，外部信号无法输入至MCU芯片的I/O_1口。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统的结构图；

图2为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中数字量输入输出模块和模拟量输入模块的结构图；

图3为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中数字量输入电路的电路图；

图4为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中数字量输出电路的电路图；

图5为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中DI/DO切换电路的DI电路电路图；

图6为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中DI/DO切换电路的DO电路电路图；

图7为本实用新型一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统中模拟量输入模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其包括数字量输入输出模块、模拟量输入模块、MCU芯片、CPU芯片、有线通信模块、无线通信模块、触摸屏控制器、触摸接口和触摸屏。

为了实现数据输入输出以及物联功能，本实施例采用CPU+MCU双平台，MCU芯片负责模拟信号和数字信号的采集和输出功能；CPU芯片负责物联功能和触控显示功能。

数字量输入输出模块，实现数字信号的采集和输出。其中，数字输入信号可以来自环保行业、电力行业和仪器仪表等行业中使用到的数字型传感器，或经过A/D转换后的数字信号；数字输出信号可以是需经过D/A转换后的数字信号，或者是直接输出以控制继电器的数字信号。一般的，数字量输入输出模块设置了多路采集和输出接口，占用了MCU芯片大量的I/O口资源，导致MCU芯片引脚数量不能满足系统要求。因此，为了解决这个问题本实施例在数字量输入输出模块做了改进，复用数据采集和输出接口，满足数据采集接口类型和数量的多样化。具体的，数字量输入输出模块包括数字量输入电路、数字量输出电路和若干路DI/DO切换电路。

优选的，数字量输入电路用于采集数字输入信号；数字量输入电路与MCU芯片的数字输入引脚电性连接。本实施例中，如图2所示，数字量输入电路包括若干路光电耦合器；若干路光电耦合器的发射端正极均与电源电性连接，光电耦合器的发射端负极分别输入若干个外部信号，若干路光电耦合器的接收端集电极分别与MCU芯片的数字输入引脚一一对应电性连接，若干路光电耦合器的接收端发射极均接地。优选的，如图3所示，光电耦合器选用PC847耦合器，包括4路光电耦合器。本实施例设置数字量输入电路包括八路光电耦合器，数字量输出电路也包括八路输出。图3中，J27表示接口，X1-X8表示八路外部输入信号，DI5-DI8表示四个光电耦合器的输出，其与MCU芯片的数字输入引脚一一对应电性连接。

优选的，数字量输出电路用于输出数字信号以实现对继电器的控制，而继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。本实施例中，MCU芯片的数字输出引脚与数字量输出电路电性连接。如图2所示，数字量输出电路包括位移缓存器、驱动器和若干个继电器；位移缓存器的输入端与MCU芯片电性连接，位移缓存器的并行输出端通过驱动器与若干个继电器电性连接。优选的，如图4所示，位移缓存器可以采用74HC595缓存器，在74HC595缓存器的SCK引脚输入上升沿时，串行数据由SI引脚输入到内部的8位位移缓存器，并由SQH引脚输出，而并行输出则是在RCK引脚输入上升沿时，将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端OE的控制信号为低使能时，并行输出端Q0-Q7的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。而当OE为高电位，也就是输出关闭时，并行输出端Q0-Q7会维持在高阻抗状态。优选的，驱动器可以采用ULN2803驱动器，其输入电压值为TTL或5V的CMOS值，输出可达500MA/50V，可用于驱动大电流负载，可直接驱动继电器。74HC595缓存器与ULN2803驱动器的连接关系如图4所示。图4中，Y1-Y8表示八路继电器输出，74HC595缓存器的引脚11-14分别与MCU芯片连接。

优选的，DI/DO切换电路数据输入和数据输出共用一个接口，即通过一个接口即可实现数据输入又可实现数据输出功能，复用接口以及MCU芯片的引脚，解决MCU芯片引脚不够用的问题。应用时，数据输入和数据输出不能同时使用，二选一使用。本实施例中，如图2所示，DI/DO切换电路包括接口、DI电路和DO电路；DI电路的输入端与接口电性连接，DI电路的输出端与MCU芯片的I/O_1口电性连接；DO电路的输入端与MCU芯片的I/O_1口电性连接，DO电路的输出端与接口电性连接。本实施例中，DI/DO切换电路的输入和输出不仅共用了一个接口，还共用了同一个MCU芯片的I/O口，复用MCU芯片的I/O口解决MCU芯片的I/O口不够用的问题，提高MCU芯片的I/O口利用率。优选的，本实施例中以包含了四路DI/DO切换电路为例，每路DI/DO切换电路的结构相同，因此，只介绍其中一路DI电路和DO电路。具体的，如图5所示，DI电路包括光电耦合器和电阻R758；电阻R758的一端与电源电性连接，电阻R758的另一端与光电耦合器的发射端正极电性连接，光电耦合器的发射端负极与接口电性连接，光电耦合器的接收端集电极与MCU芯片的I/O_1口电性连接，光电耦合器的接收端发射极接地。其中，光电耦合器选用PC847耦合器，包括4路光电耦合器。图5中，IO9-IO12表示四路数字信号输入；Output9-Output12表示四路数字信号输出，其分别与MCU芯片的四个I/O口电性连接。

另外，如图6所示，DO电路包括电阻R425、电阻R738、三极管Q18和MOS管Q19；MCU芯片的I/O_1口通过电阻R738与三极管Q18的基极电性连接，三极管Q18的发射极接地，三极管Q18的集电极分别与电阻R425的一端以及MOS管Q19的栅极电性连接，电阻R425的另一端以及MOS管Q19的源极分别与电源电性连接，MOS管Q19的漏极与接口电性连接。其中，本实施例用IO9表示接口，该接口与外部设备连接，用Output9表示对应的输出，同时Output9也表示MCU芯片的I/O_1口。MCU芯片的I/O_1口既可做输入也可做输出。做输入时，外部设备通过接口输入的信号经过光电耦合器隔离后输出至MCU芯片的I/O_1口，即Output9；做输出时，MCU芯片的I/O_1口输出的数字信号经过三极管Q18放大后驱动MOS管Q19闭合，输出至同一接口。

由于数字信号输入和输出共用了一个接口，为了防止DI/DO切换电路处于数字信号输入模式时，数字输入信号输入到DO电路中，本实施例在DO电路中设置了MOS管Q19。具体的，当DI/DO切换电路处于数字信号输出模式时，MCU芯片的I/O_1口的信号分成两路，一路进入DI电路，并输出至光电耦合器的发射端，由于光电耦合器的接收端无信号输入，因此，光电耦合器不会导通，信号无法传输至接口；另一路进入DO电路，经放大后驱动MOS管闭合，再经过接口输出；当DI/DO切换电路处于数字信号输入模式时，外部信号经过接口分成两路，一路进入DI电路，并输入至光电耦合器的接收端，光电耦合器上电并导通，将信号输出至MCU芯片的I/O_1口；另一路输出至MOS管的漏极，由于此时MOS管的栅极无电压输入，因此，MOS管截止，外部信号无法输入至MCU芯片的I/O_1口。通过上述方法实现了DI电路和DO电路的隔离。图6中的IO9与图5中的IO9为同一连接端子IO12，图5中IO 10-IO12表示剩余的三路DI/DO切换电路的输入端子；图6中的Output9与图5中的Output9为同一连接端子；图5中Output 10-Output12表示剩余的三路DI/DO切换电路的输出端子。

模拟量输入模块，本实施例中，模拟量输入模块包括多通道的A/D转换器以及若干个放大器；若干个放大器的输入端一一对应地输入若干个模拟量，放大器的输出端通过A/D转换器与MCU芯片的若干个数字输入引脚一一对应电性连接。本实施例在模拟量输入模块中设置了8路模拟量输入通道，因此，多通道的A/D转换器采用AD7949转换器，其包含了8路A/D转换通道，为了适配AD7949转换器，放大器也选用了4个2通道的LM358放大器，LM358放大器的外围电路如图7所示，其中，电容C143和电阻R779组成了RC滤波电路，起到滤波作用；电阻R785和电阻R786构成电阻分压电路；电阻R777和电容C315抑制LM358放大器的温漂。图7中，AD_IN0表示AD7949转换器的第一个通道，AD_IN1表示AD7949转换器的第二个通道，CHANNEL0表示与AD_IN0相对应的外部第一个模拟输入信号，CHANNEL1表示与AD_IN1相对应的外部第二个模拟输入信号。

为了适应不同领域的不同通讯方式要求，本实施例设置了有线通信模块和无线通信模块，其中有线通信模块包括RS232、RS485、CAN通讯、以太网通讯，无线通信模块包括4G模块、wifi模块。本实施例并不涉及对有线通信模块和无线通信模块的结构和通信原理的改进，可采用现有技术实现，在此不再累述。

触摸屏控制器、触摸接口和触摸屏，触摸屏控制器的中断引脚通过SPI口与CPU芯片电性连接；触摸屏控制器的模拟输入端通过触摸接口与触摸屏电性连接。本实施例在实现数据采集和物联的同时，还提供数据可视化的功能。采用触摸屏控制器控制触摸屏。本实施例并不涉及对触摸屏控制器、触摸接口和触摸屏的结构和算法改进，可采用现有技术实现，在此不再累述。

本实施例的工作原理为：本实施例提供数字信号的采集和输出，模拟信号的采集，其中，数字信号输入有两种通道，一种是通过数字量输入电路中的光电耦合器输入至MCU芯片，另一种是通过DI/DO切换电路中DI电路输入至MCU芯片，当DI/DO切换电路选择数字信号输入模式时，不能同时选择数字信号输出模式；

数字信号输出也有两种通道，一种是通过数字量输出电路，该通道适用需要控制继电器的场景，在该场景下数字信号通过驱动器驱动继电器的触点状态跳变；另一种是通过DI/DO切换电路中DO电路输出数字信号，其中，数字信号经过三极管Q18放大后驱动MOS管Q19闭合，从而将数字信号输出至外部；当DI/DO切换电路处于数字输出模式时，不能同时选择数字信号输人模式；

模拟信号的采集原理为：模拟信号经过模拟量输入模块中放大器的处理后输出至A/D转换器，由A/D转换器转换为数字信号，并输出至MCU芯片。

本实施例的有益效果为；为了解决MCU芯片引脚不够用的问题，本实施例做了以下改进：设置多路DI/DO切换电路，可以通过一个接口即可实现数据输入又可实现数据输出功能，复用接口以及MCU芯片的引脚，提高MCU芯片引脚利用率；在数字量输出电路中设置位移缓存器，复用MCU芯片引脚，解决MCU芯片引脚；

为了隔离DI/DO切换电路的数字输入通道和数字输出通道，在DI电路中设置了光电耦合器，在DO电路中设置了MOS管；当DI/DO切换电路处于数字信号输出模式时，MCU芯片的I/O_1口的信号分成两路，一路进入DI电路，并输出至光电耦合器的发射端，由于光电耦合器的接收端无信号输入，因此，光电耦合器不会导通，信号无法传输至接口；另一路进入DO电路，经放大后驱动MOS管闭合，再经过接口输出；当DI/DO切换电路处于数字信号输入模式时，外部信号经过接口分成两路，一路进入DI电路，并输入至光电耦合器的接收端，光电耦合器上电并导通，将信号输出至MCU芯片的I/O_1口；另一路输出至MOS管的漏极，由于此时MOS管的栅极无电压输入，因此，MOS管截止，外部信号无法输入至MCU芯片的I/O_1口。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，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。

Claims (10)

1.一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其包括MCU芯片、数字量输入输出模块，其特征在于：所述数字量输入输出模块包括数字量输入电路、数字量输出电路和若干路DI/DO切换电路；

所述数字量输入电路与MCU芯片的数字输入引脚电性连接；MCU芯片的数字输出引脚与数字量输出电路电性连接，MCU芯片的若干个I/O口与若干路DI/DO切换电路一一对应电性连接。

2.如权利要求1所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述DI/DO切换电路包括接口、DI电路和DO电路；

所述DI电路的输入端与接口电性连接，DI电路的输出端与MCU芯片的I/O_1口电性连接；

所述DO电路的输入端与MCU芯片的I/O_1口电性连接，DO电路的输出端与接口电性连接。

3.如权利要求2所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述DI电路包括光电耦合器和电阻R758；

所述电阻R758的一端与电源电性连接，电阻R758的另一端与光电耦合器的发射端正极电性连接，光电耦合器的发射端负极与接口电性连接，光电耦合器的接收端集电极与MCU芯片的I/O_1口电性连接，光电耦合器的接收端发射极接地。

4.如权利要求2或3所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述DO电路包括电阻R425、电阻R738、三极管Q18和MOS管Q19；

所述MCU芯片的I/O_1口通过电阻R738与三极管Q18的基极电性连接，三极管Q18的发射极接地，三极管Q18的集电极分别与电阻R425的一端以及MOS管Q19的栅极电性连接，电阻R425的另一端以及MOS管Q19的源极分别与电源电性连接，MOS管Q19的漏极与接口电性连接。

5.如权利要求1所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述数字量输入电路包括若干路光电耦合器；

若干路所述光电耦合器的发射端正极均与电源电性连接，光电耦合器的发射端负极分别输入若干个外部信号，若干路光电耦合器的接收端集电极分别与MCU芯片的数字输入引脚一一对应电性连接，若干路光电耦合器的接收端发射极均接地。

6.如权利要求1或5所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述数字量输出电路包括位移缓存器、驱动器和若干个继电器；

所述位移缓存器的输入端与MCU芯片电性连接，位移缓存器的并行输出端通过驱动器与若干个继电器电性连接。

7.如权利要求6所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：还包括模拟量输入模块；

所述模拟量输入模块与MCU芯片的数字输入端电性连接。

8.如权利要求7所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：所述模拟量输入模块包括多通道的A/D转换器以及若干个放大器；

若干个所述放大器的输入端一一对应地输入若干个模拟量，放大器的输出端通过A/D转换器与MCU芯片的若干个数字输入引脚一一对应电性连接。

9.如权利要求7所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：还包括CPU芯片、有线通信模块和无线通信模块；

所述有线通信模块和无线通信模块分别与CPU芯片的通信端电性连接；所述CPU芯片与MCU芯片串口连接。

10.如权利要求9所述的一种具备数据采集和物联功能的人机界面系统，其特征在于：还包括触摸屏控制器、触摸接口和触摸屏；

所述触摸屏控制器的中断引脚通过SPI口与CPU芯片电性连接；触摸屏控制器的模拟输入端通过触摸接口与触摸屏电性连接。

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