CN2681090Y - 便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器 - Google Patents

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Abstract

便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器，属于测量仪表技术领域。采用模块化的结构，包括仪器基板、传感器模块、综合显示模块、电源模块以及软件模块等几个组成部分，以仪器基板为基础，其上配置有多个传感器模块接口，以使得仪器能够同时对多种监测参量和指标进行在线实时监测，每一个传感器模块配置有一个与仪器基板同样的传感器模块接口，通过接口与仪器基板连接，以取得电源电压、模块选通信号以及向仪器基板传送测量信号。其优点是在一台仪器上实现对多传感器多种参量进行监测，并可随时替换传感器模块，仪器能自动识别传感器模块，并能确认所监测的参量或监测指标，做到即插即用，使得整个监测仪器可快速方便重组。

Description

便携式自识别可替换传感器模块的多参量 快速简易监测仪器
技术领域
本实用新型属于测量仪表技术领域，具体涉及一种便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器。
背景技术
50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基点。60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。70年代，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据或(Data Domain)测试。80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展。测量系统的主要模式，是采用机柜形式，全部通过IEEE-488总线送到一个控制品上。90年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展，这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。近年来，以Internet为代表的网络技术为测量和仪器技术带来了新的发展空间，网络化仪器已初见端倪。
纵观电子测量仪器的发展过程，大体可分为四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。
模拟仪器：如指针式万用表、晶体管电压表等。
数字化仪器：这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。
智能仪器；这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。
虚拟仪器：是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。
总之，新技术新观念正极大地推动着电子测量仪器向着智能化、微型化、系统化的方向发展，相应，测量技术也向着多参量、远程化、网络化的方向发展。
多参量多指标在线监测是电子测量仪器的重要应用领域之一，尤其在环境监测等方面，往往需要监测的参数和指标众多。
发展起来的各种总线技术和标准为多参量和多指标监测提供了重要支持。主要包括：
1)GPIB(General-Purpose Interface Bus)接口总线。
2)VXI(VMEbus eXtension for Instrumentation)总线与虚拟仪器技术，VXI是1987发展起来的将VME总线扩展到仪器。
3)PXI为PCI eXtensions for Instrumentation，PXI是1997年发展起来的将计算机PCI总线扩展到仪器。
现场总线技术FCS(Field Bus Control System)和虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)技术是现代自动控制系统和仪器技术的典型代表，也是进行多参数多指标监测的重要手段。
现场总线技术是九十年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表(包括变送器、执行器、记录仪、单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等)与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。基于现场总线FCS将取代DCS(Distributed Control System)成为控制系统的主角。
虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(National InstrumentsCorp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。
与传统仪器相比，虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能；利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理：基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器(Instrument on a Card)；基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联(Connectivity)，广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准，利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程的网络化；虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。
现场总线技术和虚拟仪器技术能够较好的解决多参数多指标监测问题。例如，在环境监测方面，目前主要的方法是利用一套自动监测仪器群和数据传输网络构成的环保监测系统进行监测，其中每一单个的监测仪器只能固定监测一到多项监测指标。
但利用现场总线技术和虚拟仪器技术构建的监测系统也存在严重的不足，利用现场总线技术和虚拟仪器技术构建的监测系统复杂，性能价格比不好。
因此，开发一种可选择、可替换传感器模块的多参量、自识别快速简易监测仪器具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器，采用模块化结构，在一台仪器上实现对多传感器多种参量进行监测，并可随时替换传感器模块，仪器能自动识别传感器模块，并能确认所监测的参量或监测指标，做到即插即用，使得整个监测仪器可快速方便重组。
本实用新型的技术方案如下：
便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器，采用模块化的结构，包括仪器基板、传感器模块、综合显示模块、电源模块以及软件模块等几个组成部分。整个监测仪器是一种以仪器基板为基础，仪器基板上配置有多个传感器模块接口，以使得仪器能够同时对多种监测参量和指标进行在线实时监测；每一个传感器模块配置有一个与仪器基板同样的传感器模块接口，通过接口与仪器基板连接，以取得电源电压、模块选通信号以及向仪器基板传送测量信号。
仪器基板是核心，包括单片机系统或DST嵌入式系统、多路A/D、多路传感器模块接口电路、传感器模块在线判别电路、综合显示接口电路以及电源接口。传感器模块接口电路定义了传感器模块和仪器基板的统一接口，其中包括传感器模块的供电、传感器模块的标识码位、选通信号位、模拟信号通道以及传感器模块的在线判断位。传感器模块接口电路的模拟通道与A/D的模拟信号输入端相连，A/D的数字转换结果输出端与单片机系统或DST嵌入式系统的输入端相连；传感器模块在线判别电路接传感器模块接口电路的在线判别位，并与单片机的输入输出端口连接。
所述组合逻辑电路由一个反向器和一个与非门构成；反向器的输出与与非门的一个输入端相连，与非门的另一输入端与传感器接口模块的传感器模块在线判断位相连；与非门的输出端与仪器基板的传感器模块标识电路的选通端相连。
所述的传感器模块由传感器、放大电路、传感器标识电路以及传感器模块接口电路组成；传感器的测量信号输出至传感器模块放大电路，再通过传感器模块接口电路输入到仪器基板；传感器模块标识电路采用总线收发器，其一端管脚与逻辑1或0连接，形成多位标识码，另一端管脚与传感器模块接口电路对应位连接，将标识码传送至仪器基板，总线收发器的选通端管脚与传感器模块在线判别电路相连，当选通为低电平时，标识码输出到传感器模块接口电路，选通信号由单片机通过传感器模块接口电路发送到传感器模块标识电路。
该监测仪器具有以下特点：
1)可在比较大的数量范围内(本专利申请以255种为例；随具体电路和软件不同，可以增加至512种或更多)，任意选择一组传感器模块(组的数量视仪器给出的插口而定)进行多参量监测；并可随时替换传感器模块(不同的传感器模块组)进行其它指标监测。
2)传感器模块替换方便，可以做到即插即用，使得整个监测仪器可快速方便重组。
3)具有传感器模块的仪器自识别功能。一旦传感器模块插接到仪器上与仪器基板连接通电后，仪器能自动识别传感器模块，并能确认所监测的参量或监测指标。
4)仪器携带方便，是一种快速简易的现场监测仪器。
5)模块化结构
附图说明
图1快速简易监测仪的组成示意图
图2仪器基板组成模块示意图
图3传感器模块
图4传感器模块标识电路
图5传感器模块的在线判断电路
图6是基板电路具体实现的原理图
图7是传感器模块电路的实现方式之一
图8是传感器模块电路的实现方式之二
图9仪器工作流程图
图10仪器软件系统框图
具体实施方式
以下结合附图详细说明本仪器的结构及工作过程：
如图1所示，本仪器采用模块化的结构，包括仪器基板、传感器模块、综合显示模块、电源模块以及软件模块等几个组成部分。整个监测仪器是一种以仪器基板为基础，仪器基板上配置有多个传感器模块接口，以使得仪器能够同时对多种监测参量和指标进行在线实时监测；每一个传感器模块配置有一个与仪器基板同样的传感器模块接口，通过接口与仪器基板连接，以取得电源电压、模块选通信号以及向仪器基板传送测量信号。
如图2所示，仪器基板是整个监测仪的核心，主要包括单片机系统、多路模数转换通道、多路传感器模块接口电路、综合显示接口电路、多路声光报警接口电路以及电源接口。图2中，单片机为整个仪器基板核心，选用51系列单片机。单片机的P1.0～P1.7以及P3.0～P3.4组成显示接口电路；P2.4～P2.7、P3.5和P3.6组成多路声光报警接口电路；传感器模块识别电路由P2.0～P2.3和P0口共同组成，其中，P0口通过传感器模块的传感器模块标识码位与外接传感器模块连接，负责接收读取传感器模块标识码，P2.0～P2.3通过传感器模块选通信号位对外接传感器模块接口进行选通控制；P0口还与多路A/D的数据输出端连接，负责读取模数转换值。多路A/D通过传感器模块接口的模拟信号位与外接传感器连接，读取传感器模块的测量信号。
仪器基板的功能：
判别当前正在正常工作的传感器模块数量，并通过传感器模块的标识值，根据软件系统的传感器模块信息库确定传感器模块的类型；
对传感器模块送来的测试信号进行模数转换；
对测试信号进行计算分析和比较，将检测值和检测参量的名称和单位数据输出至显示接口电路；
将多项检测值和检测参量的阈值分别进行比较，并确定是否启动相应的声光报警信号。
参见图3，传感器模块由传感器、放大电路、传感器标识电路以及传感器模块接口电路组成。传感器将测量信号输出至传感器模块放大电路(放大级数视具体传感器确定)，再通过传感器模块接口电路输入到仪器基板。参见图4，传感器模块标识电路采用74LS245总线收发器，其A1～A8管脚与地或电连接，形成8位标识码，B1～B8管脚与传感器模块接口电路对应位连接，以将标识码传送至仪器基板。
结合图4和图5，为了实现自动识别多个传感器模块，并能做到快速替换传感器模块以实现多参量多指标的快速监测，仪器通过硬件和软件两个方面的协调工作实现上述功能。
在硬件方面，主要包括传感器模块的传感器模块接口电路、仪器基板的传感器模块接口电路和仪器基板的传感器识别电路。传感器模块的传感器模块接口电路和仪器基板的传感器模块接口电路定义了传感器模块和仪器基板的统一接口。其中包括传感器模块的供电、传感器模块的标识码位、模拟信号通道以及传感器模块的在线判断位。具体含义分别为：
传感器模块的供电：由仪器基板向传感器模块提供+5V，+12V和-12V三种类型电源电压，为传感器模块上的传感器和其它电路供电。
传感器模块的标识码位：仪器对每一种监测不同参量或指标的传感器模块均设定了标识码，仪器基板通过传感器模块接口电路标识码位取得传感器模块的标识码。
图4中，A1～A8为传感器模块标识码，由硬件电路的连接关系确定；B1～B8为传感器模块标识码输出电路，与传感器模块接口电路对应位相连。器件74LS245的选通端管脚为第19脚，当选通为低电平时，标识码输出到传感器模块接口电路。选通信号由单片机通过传感器模块接口电路发送到传感器模块标识电路。
传感器模块的在线判断位：仪器基板上有多个传感器模块接口，每一个接口相同，可以插接任意一个定义了标识码的传感器模块，不同接口也可以插接标识码相同的传感器模块，即可以插接多个监测相同参量的传感器模块。仪器接电后，首先扫描仪器基板上的每一个传感器模块接口，判定某一个接口是否有传感器连接。其电路原理参见图5：3-8译码器与单片机P2.0～P2.3连接，由单片机发出模块选通信号对传感器模块进行选通。3-8译码器的输出与反向器输入端并与传感器模块接口的选通位相连；反向器的输出与与非门的一个输入端相连，与非门的另一输入端与传感器接口模块的传感器模块在线判断位相连；与非门的输出端与仪器基板的245选通端相连。
图5中，左上角总线收发器245-1位于传感器模块上，用于确定传感器模块的标识码并根据选通信号将标识码传送至感器模块接口标识码位，右下角总线收发器245-2位于仪器基板上，其A1～A8位固定地给出十六进制OFFH的标识码。两个收发器的选通信号由图中3-8译码器给出。
若仪器的某一传感器模块接口没有传感器模块连接，图中与非门输入端A悬空，当3-8译码器发出低电平选通信号，总线收发器245-2选通，则OFFH的标识码传送给单片机，表示该接口没有传感器连接。反之，仪器的某一传感器模块接口有传感器模块连接，图中与非门输入端A接地，当3-8译码器发出低电平选通信号，总线收发器245-1选通，则单片机得到相应传感器模块的标识码。
图6是本仪器基板的一个具体实施电路原理图，采用51系列单片机作为仪器的核心芯片，多路模数转换芯片采用4路模数转换芯片AD7824；由74LS138、74LS00、74LS04和74LS245组成传感器模块在线判别电路；51单片机的P1口和P3口和外围电路构成显示接口电路；传感器标识码通道和数据通道由51单片机的P0口和外围电路构成；仪器指令通道和报警接口电路由P2口构成；仪器基板供电有+12V、+5V和-5V三种。
图7是传感器模块电路的一种实施方式，它由标识电路74LS243、接口电路HEADER8X2和温度传感器组成，由于温度传感器模块自带有放大电路，因此本电路不需要再设放大电路，此电路供电为+5V，由仪器基板提供。
图8是传感器模块电路的另一种实施方式，它由标识电路74LS245、接口电路HEADER8X2、放大电路和传感器组成，此电路供电有+12V、+5V和-5V，有仪器基板供电，由于传感器输出为小电量信号，因此需放大电路。
仪器工作流程
仪器通过硬件电路和软件共同完成仪器的功能，参见图9，仪器工作流程包括以下几个步骤：
1.仪器带电后初始化：仪器带电后首先进行初始化，初始化的主要内容包括单片机的初始化和在线传感器模块的信息获取。
2.取得监测参量值：根据某一传感器接口的在线判别标志，读取在线传感器模块数量及测量参量的模拟值。
3.进行监测参量值的模数转换
4.监测参量值与阈值比较(若检测值大于或等于相应参量的阈值则报警)
5.监测参量值显示：通过显示装置进行监测值的显示，若监测值超过阈值，则启动声光报警装置。
进行循环监测参量的循环监测：根据在线传感器模块的数量，对每一个参量进行循环监测。
仪器软件系统
为了能够实现仪器工作流程及实现传感器模块的自识别，需要软件系统和硬件电路协调工作。图10为仪器软件系统框图。仪器软件系统设计上包括以下几个部分：
1.传感器模块接口轮询及传感器模块标识码获取模块
该模块的主要功能是在仪器上电后对传感器模块接口进行轮询，以获取当前在线传感器模块数量及传感器模块的标识码。
2.监测量信号采集模块
该模块的主要功能是根据取得的当前传感器模块的数量及标识码进行循环采集。
3.采集信号数据处理模块
该模块根据取得的传感器模块标识码，对采集的参量信息数据进行处理。包括多次采集结果平均值运算和利用参量信息库进行采集数据到具体物理量的影射运算两个主要运算模块。
参量信息库是软件系统中存储的有关传感器模块对应物理参量信息的数据库。所存储信息包括所选用传感器模块的标识码、分辨率、传感器的测量上下限、信号采集偏移量、物理偏移量、阈值及单位等。
4.报警及显示模块
根据传感器模块的标识码，进行相应测量参量的报警和显示。

Claims (5)

1、便携式自识别可替换传感器模块的多参量快速简易监测仪器，其特征在于包括仪器基板、多个传感器模块、综合显示模块、电源模块以及软件模块几个组成部分；多个传感器模块与仪器基板通过多路传感器模块接口连接，电源模块连接仪器基板，为整个仪器供电，综合显示模块通过显示模块接口与仪器基板连接：仪器基板是核心，包括单片机系统或DST嵌入式系统、多路A/D、多路传感器模块接口电路、传感器模块在线判别电路、综合显示接口电路以及电源接口；传感器模块接口电路定义了传感器模块和仪器基板的统一接口，其中包括传感器模块的供电、传感器模块的标识码位、选通信号位、模拟信号通道以及传感器模块的在线判断位；传感器模块接口电路的模拟通道与A/D的模拟信号输入端相连，A/D的数字转换结果输出端与单片机系统或DST嵌入式系统的输入端相连；传感器模块在线判别电路接传感器模块接口电路的在线判别位，并与单片机的输入输出端口连接。
2、根据权利要求1所述的多参量快速简易监测仪器，其特征在于：传感器模块在线判别电路由仪器基板上的传感器模块标识电路、译码电路和组合逻辑电路构成，组合逻辑电路的输出信号作为基板上的传感器模块标识电路的选通信号；译码电路与单片机的输入输出端口连接，由单片机发出模块选通信号对传感器模块进行选通，译码电路的输出与组合逻辑电路的一个输入端和传感器模块接口的标识码选通位相连，以确定送出板上或板外的标识码信号。
3、根据权利要求2所述的多参量快速简易监测仪器，其特征在于：组合逻辑电路由一个反向器和一个与非门构成；反向器的输出与与非门的一个输入端相连，与非门的另一输入端与传感器接口模块的传感器模块在线判断位相连；与非门的输出端与仪器基板的传感器模块标识电路的选通端相连。
4、根据权利要求1或2所述的多参量快速简易监测仪器，其特征在于：所述的传感器模块由传感器、放大电路、传感器标识电路以及传感器模块接口电路组成；传感器的测量信号输出至传感器模块放大电路，再通过传感器模块接口电路输入到仪器基板；传感器模块标识电路采用总线收发器，其一端管脚与逻辑1或0连接，形成多位标识码，另一端管脚与传感器模块接口电路对应位连接，将标识码传送至仪器基板，总线收发器的选通端管脚与传感器模块在线判别电路相连，当选通为低电平时，标识码输出到传感器模块接口电路，选通信号由单片机通过传感器模块接口电路发送到传感器模块标识电路。
5 根据权利要求1所述的多参量快速简易监测仪器，其特征在于：仪器还具有综合报警模块，连接仪器基板上的多路声光报警接口电路。
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