CN219105359U - 环网通信的数据采集、输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种环网通信的数据采集、输出电路,包括供电模块、主控芯片模块、数字量采集模块、继电器输出模块、以太网通信模块、光纤环网模块、模拟量采集模块以及模拟量输出模块；所述供电模块与所述主控芯片模块连接，所述主控芯片模块分别与所述数字量采集模块、所述模拟量采集模块、所述继电器输出模块、所述模拟量输出模块以及所述以太网通信模块连接，所述以太网通信模块连接有所述光纤环网模块。本实用新型通过手拉手的连接方式组建环行以太网通信网络，组网简单，利用光纤或网线作为通信介质，以数字信号传输，采用以太网作为传输介质，让系统传输响应达到毫秒级，有助于提高数据安全性，有助于提高可靠性。

Description

环网通信的数据采集、输出电路

技术领域

本实用新型涉及控制装置技术领域，具体地，涉及一种环网通信的数据采集、输出电路。

背景技术

近年来，传统污水处理厂中的自动控制系统，得到了快速的发展，除了常用的由PLC组建的DCS系统外，分布式智能控制系统，逐渐在行业中得到应用。

PLC建立的自动控制系统，其显著的特点是将单个或多个PLC装置安装到PLC柜中，通过控制电缆将设备和PLC的信号端子连接在一起。由于被控设备通过控制电缆将信号接入PLC，这导致将在PLC和设备之间铺设大量电缆，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。

分布式智能控制系统，通过为每一个被控设备配置一套智能控制器，使被控设备在本地实现数据数字化，利用以太网传输以数字信号传输数据，具有信号就地采集、抗干扰能力强、全数字化传输、成本低的特点。

分布式智能控制系统，很好的解决了PLC系统存在的问题，但也暴露除了一些缺陷。一方面，由于智能控制器分布式安装，且节点众多，导致现场需要部署大量的工业交换机用于构建通信网络，成本较高；另一方面，交换机连接设备属于星型链接，当交换机出现故障时，会导致交换机链接的所有设备全部失联，降低了系统可靠性。

发明人认为需要提供一种施工布线简单、采集精度高、数控响应速度快、数据安全性高、系统可靠性高的环网通信的数据采集、输出电路。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种环网通信的数据采集、输出电路。

根据本实用新型提供的一种环网通信的数据采集、输出电路，包括：供电模块、主控芯片模块、数字量采集模块、继电器输出模块、以太网通信模块、光纤环网模块、模拟量采集模块以及模拟量输出模块；所述供电模块与所述主控芯片模块连接，所述主控芯片模块分别与所述数字量采集模块、所述模拟量采集模块、所述继电器输出模块、所述模拟量输出模块以及所述以太网通信模块连接，所述以太网通信模块连接有所述光纤环网模块。

优选地，所述供电模块包括依次连接的整流桥、共模电感FL2D-Z5-103、安规Y电容、隔离降压模块B2405S-2WR2、以及LM1117-3.3。

优选地，所述主控芯片模块的主控芯片为ARM Cortex-M4内核的GD32F450VET6，所述主控芯片包括用于程序烧录的SW接口、用于防止系统死机的外部看门狗电路、复位电路、时钟电路以及电源电路。

优选地，所述主控芯片包括以太网控制器，所述以太网通信模块包括以太网PHY芯片IP101，所述主控芯片通过RMII接口与所述以太网PHY芯片IP101连接。

优选地，所述光纤环网模块包括XN-5500芯片，所述光纤环网模块包括三路以太网通信接口，其中一路与所述以太网通信模块连接。

优选地，所述数字量采集模块包括11路用于采集电平信号的信号接口，任一路信号接口均依次串联有限流电阻、稳压二极管MMSZ5240BT1G以及光耦TLP291-4，所述光耦TLP291-4连接至所述主控芯片的IO引脚。

优选地，所述模拟量采集模块包括四路信号采集电路，任一路所述信号采集电路均包括依次并联的信号端、采样电阻、电压跟随器，所述电压跟随器连接至所述主控芯片的12bitADC引脚。

优选地，所述继电器输出模块包括2路继电器输出接口，任一所述接口均为一对无源节点，所述继电器输出模块包括依次串联的光耦TLP127、控制继电器DSP2A-DC24V以及所述继电器输出接口，所述主控芯片的IO引脚连接至所述光耦TLP127。

优选地，所述模拟量输出模块包括2路模拟量信号输出电路，所述模拟量输出模块包括依次连接的由LM124构建的运算放大器、S8050组成的放大器以及模拟量输出端口，所述主控芯片的12bitDAC连接至所述LM124。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型通过手拉手的连接方式组建环行以太网通信网络，组网简单，利用光纤或网线作为通信介质，以数字信号传输，完成设备的数据采集与控制，采用以太网作为传输介质，让系统传输响应达到毫秒级，有助于提高数据安全性，有助于提高可靠性。

2、本实用新型通过采用环网构建通信网络，单点故障可以快速隔离故障点，并自愈网络，影响范围极小。

3、本实用新型通过采用极短控制电缆连接，一对一安装接线清晰明了对外输出仅需一根光纤或网线，施工布线简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型主要体现环网通信的数据采集、输出电路的整体结构示意图；

图2为本实用新型主要体现供电模块的电路图；

图3为本实用新型主要体现主控芯片模块的电路图；

图4为本实用新型主要体现数字量采集模块的电路图；

图5为本实用新型主要体现继电器输出模块的电路图；

图6为本实用新型主要体现以太网通信模块的电路图；

图7为本实用新型主要体现光纤环网模块的电路图；

图8为本实用新型主要体现模拟量采集模块的电路图；

图9为本实用新型主要体现模拟量输出模块的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，根据本实用新型提供的一种环网通信的数据采集、输出电路，包括：供电模块、主控芯片模块、数字量采集模块、继电器输出模块、以太网通信模块、光纤环网模块、模拟量采集模块以及模拟量输出模块；供电模块与主控芯片模块连接，主控芯片模块分别与数字量采集模块、模拟量采集模块、继电器输出模块、模拟量输出模块以及以太网通信模块连接，以太网通信模块连接有光纤环网模块；数字量采集模块、模拟量采集模块二者的信号均传输至主控芯片模块；主控芯片模块的信号分别传输至继电器输出模块、模拟量输出模块；主控芯片模块与以太网通信模块相互传输信号，以太网通信模块与光纤环网模块相互传输信号。

本申请具有开关量采集、继电器输出、模拟量采集、模拟量输出、环网组网功能，用于满足污水处理厂就地设备数字化。本申请具有环网通信能力，提供了两个以太网通信接口，根据不同的用途通信介质可以选用网线或光纤，光纤接口用于远距离通信，网线接口用于短距离通信。具有环网通信能力的智能控制器之间，通过两个网口组成环网后，接入到污水处理厂骨干通信环网中，建立可靠的通信网络。组成的环行网络允许任意一个节点或一段线路故障，均可快速自动隔离故障，并恢复网络通信。

如图2所示，装置通过直流24V供电，通过供电模块，产生一路5V电源、2路3.3V电源。24V直流电源进入装置后，首先经过一个整流桥，避免正负极反接故障后，通过共模电感FL2D-Z5-103去除共模干扰，经过安规Y电容去除差模干扰，完成EMC治理。通过隔离降压模块B2405S-2WR2，输出一路2W的直流5V电源，最后通过LM1117-3.3产生两路3.3V电源，一路用于数字电路，一路用于模拟电路。

如图3所示，主控芯片模块，采用ARM Cortex-M4内核的GD32F450VET6作为主控芯片，其中主控芯片包含了SW接口用于程序烧录、外部看门狗电路用于防止系统死机、以及复位电路、时钟电路、电源电路等。

如图4所示，数字量采集模块提供11路信号接口，用于采集外部接入的0-24V电平信号，并利用稳压管实现信号小于10V时有效关断，成低电平，大于10V时，有效开启，成高电平。具体的，将电平信号负极接入-KM信号，和电平信号形成回路，当为高电平时，信号经过限流电阻后，经过串联的稳压二极管MMSZ5240BT1G，进入后级电路，由于稳压二极管的反向击穿特性，可确保开入信号小于10V时不导通，大于10V时导通。信号导通后经过光耦TLP291-4隔离后，送达主控芯片IO引脚。

如图5所示，继电器输出模块提供2路继电器输出接口，每个接口均为一对无源节点。主控芯片改变IO引脚的高低电平状态，经过光耦TLP127隔离后，控制继电器DSP2A-DC24V输出引脚开闭动作。此外，主控芯片选用了个IO引脚作为TLP127的电源，只有控制电源的引脚电平和开出引脚电平都正确时，才能有效开出,杜绝在装置启动或复位时产生误动作。

如图6所示，以太网通信模块用于10M/100M以太网通信，主控芯片提供了以太网控制器，利用RMII接口驱动以太网PHY芯片IP101之后，输出两对差分信号，接入光纤环网通信模块。

如图7所示，光纤环网模块具有组件光纤环网通信能力，选用的XN-5500光纤环网模块具有3路以太网通信接口，一路接入装置以太网通信模块，另外两路用于和其他设备建立光纤环网，对外两路通信接口可以根据项目需求选择电口或光口。

如图8所示，模拟量采集模块提供了4路0-20mA信号采集，兼容4-20mA信号。0-20mA信号进入装置后，经过低温漂、高精度150Ω采样电阻将信号转换为0-3V的电压信号，经过由运算放大器LM124构建的电压跟随器将信号调理后，接入到主控芯片最高1Msps转换速率的12bitADC引脚中，主控芯片以10kHz采样速率实时转换数据。

如图9所示，模拟量输出模块提供了2路0-10V模拟量信号输出。模拟量信号由主控芯片自带的12bitDAC产生，主控芯片通过DAC产生0-3.125V之间的电压信号，经过由LM124构建的同相比例运算放大器，将信号放大到0-10V，最后利用S8050组成的放大器输出到模拟量输出端口。

本申请除了上述的装置硬件部分，还包括装置软件部分。装置软件部分由硬件驱动模块、数据配置模块、数据采集模块、通信模块、数据控制模块组成。

硬件驱动模块中，IO口输入驱动用于采集IO口电平信号；IO输出驱动用于控制IO口电平变换；ADC驱动用于配置ADC以DMA方式进行转换参数，并利用DMA中断提示主动芯片读取数据，采集模拟量信号；DAC驱动用于配置DAC输出转换参数，用于控制DAC产出模拟电压；以太网驱动通过RMII接口驱动IP101实现以太网数据交互；定时器驱动，利用主控芯片定时器定时中断，运行装置所需的循环任务。

数据配置模块通过读取主控芯片中存储的配置信息，解析装置运行需要的必要参数，包含装置的通信参数、数据采集参数、数据输出映射参数等。装置通信参数包含如MAC地址、通信地址、发送间隔、校验方式等；数据采集参数包含了数字量消抖延迟、数字量电平翻转、模拟量校正系数、模拟量采样频率等；数据输出参数包含了数据和输出端口的映射关系、端口初始状态、端口脱机状态等。

数据采集模块工作于定时器中断中，装置每间隔1ms采集一次IO数字量电平信号；装置通过DMA中断获取ADC转换数据，并存入缓存中，每间隔1ms，读取缓存中的数据，利用求平均值的方式进行软件滤波，提高采样精度。最终数据采集模块调用通信模块函数，将采集的数据按通信协议打包，将数据包推送到通信模块发送缓存中。

通信模块工作于主循环中，发送软件实时读取发送缓存中的数据，并通过以太网将数据发送；接收软件实时收取网络中的数据包，并按通信协议解析数据，解析的数据根据数据配置模块提供的映射关系，驱动输出接口动作。

数据控制模块工作于定时器中断中，每间隔1ms读取一次映射的数据，根据映射的数据值，改变控制状态。继电器输出接口每间隔1ms读取映射数据值，如果数据值改变为true，则继电器输出闭合，如果数据值改变为false，则继电器输出开启。模拟量数据接口每间隔1ms读取映射数据值，DAC按数据值大小输出。

本申请通用性强，提供了自控系统中常用的IO接口，可以满足不同设备的数字化需求。本申请实时性高，采用以太网作为传输介质，让系统传输响应达到毫秒级。本申请采集精度高、效率高，装置同时高速采集模拟信号和数字信号，采样频率高，可有效的还原设备瞬时状态。本申请控制响应快，装置通过以太网数据驱动被控设备动作，利用高速的通信模块，从发出指令到解析出驱动指令，再到执行动作，仅仅需要数毫秒即可完成，极大的提高了数控响应速度。本申请组网简单，装置不依靠其他设备，通过手拉手的连接方式组建环行以太网通信网络，极大的简化了网络布线。本申请可靠性高，装置分布式方式就地安装到被监控设备，完成设备就地数字化，并利用光纤或网线作为通信介质，以数字信号传输，完成设备的数据采集与控制。通过数字信号传输，有效的提高了信号抗干扰能力，还能通过加密的方式提高数据安全性。通过数字信号传输，提高了控制信号抗干扰能力，杜绝了因干扰引起的设备误动，控制数据错乱的情况。本申请采用环网构建通信网络，单点故障可以快速隔离故障点，并自愈网络，影响范围极小。本申请施工布线简单，装置和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光纤或网线。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，包括：供电模块、主控芯片模块、数字量采集模块、继电器输出模块、以太网通信模块、光纤环网模块、模拟量采集模块以及模拟量输出模块；

所述供电模块与所述主控芯片模块连接，所述主控芯片模块分别与所述数字量采集模块、所述模拟量采集模块、所述继电器输出模块、所述模拟量输出模块以及所述以太网通信模块连接，所述以太网通信模块连接有所述光纤环网模块。

2.如权利要求1所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述供电模块包括依次连接的整流桥、共模电感FL2D-Z5-103、安规Y电容、隔离降压模块B2405S-2WR2、以及LM1117-3.3。

3.如权利要求1所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述主控芯片模块的主控芯片为ARM Cortex-M4内核的GD32F450VET6，所述主控芯片包括用于程序烧录的SW接口、用于防止系统死机的外部看门狗电路、复位电路、时钟电路以及电源电路。

4.如权利要求3所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述主控芯片包括以太网控制器，所述以太网通信模块包括以太网PHY芯片IP101，所述主控芯片通过RMII接口与所述以太网PHY芯片IP101连接。

5.如权利要求4所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述光纤环网模块包括XN-5500芯片，所述光纤环网模块包括三路以太网通信接口，其中一路与所述以太网通信模块连接。

6.如权利要求3所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述数字量采集模块包括11路用于采集电平信号的信号接口，任一路信号接口均依次串联有限流电阻、稳压二极管MMSZ5240BT1G以及光耦TLP291-4，所述光耦TLP291-4连接至所述主控芯片的IO引脚。

7.如权利要求3所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述模拟量采集模块包括四路信号采集电路，任一路所述信号采集电路均包括依次并联的信号端、采样电阻、电压跟随器，所述电压跟随器连接至所述主控芯片的12bitADC引脚。

8.如权利要求3所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述继电器输出模块包括2路继电器输出接口，任一所述接口均为一对无源节点，所述继电器输出模块包括依次串联的光耦TLP127、控制继电器DSP2A-DC24V以及所述继电器输出接口，所述主控芯片的IO引脚连接至所述光耦TLP127。

9.如权利要求3所述的环网通信的数据采集、输出电路，其特征在于，所述模拟量输出模块包括2路模拟量信号输出电路，所述模拟量输出模块包括依次连接的由LM124构建的运算放大器、S8050组成的放大器以及模拟量输出端口，所述主控芯片的12bitDAC连接至所述LM124。

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