CN108981788B - 一种模块化传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化传感器电路，该电路包括稳压电路、电源隔离模块、供电电路、传感器探头、传感器组合模块以及控制芯片，控制芯片与传感器探头之间连接有模数转换器，传感器组合模块包括至少两个传感器模块，PC端的输出端与第一个传感器模块的输入端连接，第一个传感器模块的输出端与第二个传感器模块的输入端电连接，第二个传感器模块的输出端接到PC端的输入端。本发明的模块化传感器电路可以将各类别的传感器做成标准模块化结构，实现了各类别传感器的任意组合，而且可以使得每个传感器模块都自带电源隔离器给传感器探头供电，抗干扰能力高，传感器探头可以在一定的电位差的环境应用。

Description

一种模块化传感器电路

【技术领域】

本发明涉及工业控制技术领域，具体的，涉及一种模块化传感器电路。

【背景技术】

目前关于智能控制领域的传感器技术方面，其传感器的接口数量、类型往往是项目设计之初就己经确定好的，要想增加传感器数量时，往往要重新设计硬件，或者，增加对应的接口模块，这样会导致设备的灵活性降低，而且成本高昂。

而且，在电气连接方面，由于目前的多个传感器应用供电都是同一电源，造成了传感器抗干扰能力差、不能在非等电位环境应用等问题。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种不仅可以使得每个传感器模块都独立供电而且实现了各类别传感器的任意组合的模块化传感器电路。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种模块化传感器电路包括稳压电路、电源隔离模块、供电电路、传感器器探头、传感器组合模块以及控制芯片，控制芯片与传感器探头之间连接有模数转换器，供电电路为稳压电路输出电源信号，稳压电路输出稳压后的电源信号至电源隔离模块，电源隔离模块分别输出电气隔离后的电源信号至控制芯片、传感器组合模块；传感器组合模块包括至少两个传感器模块，PC端的输出端与第一个传感器模块的输入端连接，第一个传感器模块的输出端与第二个传感器模块的输入端电连接，第二个传感器模块的输出端接到PC端的输入端。

由此可见，本发明提供的模块化传感器电路可以通过多个传感器模块I/O接口之间的串联，来实现传感器模块组合，即PC端的输出端接到第一个传感器模块的输入端，第一个传感器模块的输出端接到第二个传感器模块的输入端，依此类推，一路可以接多个传感器模块，最后一个传感器模块的输出端接到PC端的输入端，最终形成了一个环路，实现了各类别传感器的任意组合。

而且，通过电源隔离模块可以使得每个传感器模块都自带电源隔离器给传感器探头供电，传感器模块的A/D转换端与供电端和通信端电气隔离，抗干扰能力高，传感器探头可以在一定的电位差的环境应用。

进一步的方案是，供电电路包括电压输入端、电压输出端、通信接口芯片，通信接口芯片的第一端、第二端分别与电压输入端电连接，通信接口芯片的第三端、第四端分别与电压输出端电连接，通信接口芯片与控制芯片之间还连接有隔离芯片。

可见，各个传感器模块通过数据线I/O接口相互串联，采用通用的通信接口芯片，使用通用的指令方式读取传感器模块数据，不限定传感器模块在串联中的具***置，可以串联多个模块，实现了各类别传感器的任意组合。

此外，隔离芯片连接于通信接口芯片与控制芯片之间，隔离芯片用于冷地、热地数据隔离传输。

进一步的方案是，稳压电路包括第一电源芯片、第一二极管、第二二极管、输出滤波电路，第一电源芯片的第一端与第一二极管的负极电连接，第一电源芯片的第二端与第二二极管的负极电连接，第一电源芯片的第三端还连接有电源指示电路，第一电源芯片的第四端与输出滤波电路之间还连接有第一电感。

更进一步的方案是，电源指示电路包括第一电阻、第一发光二极管，第一电阻与第一发光二极管串联。

可见，第一二极管为防反向二极管，可以防止输入电源反接而烧毁电路，第二二极管为续流二极管，在电路中可以起到续流的作用，电源指示电路中的发光二极管的压降电压同时供给第一电源芯片的使能脚，从而输出的稳定电压供给其他电路模块。

进一步的方案是，电源隔离模块包括第二电源芯片、隔离变压器、取样电路、第一电压基准芯片，隔离变压器初级线圈的两端与第二电源芯片的两端电连接，隔离变压器次级线圈的第一端与取样电路电连接，隔离变压器次级线圈的第二端与第一电压基准芯片之间连接有第三二极管。

更进一步的方案是，隔离变压器次级线圈的第一端与取样电路之间还连接有第一电阻、第一电容。

更进一步的方案是，取样电路包括光电耦合器、第二电压基准芯片、光电耦合器的输入端与第二电压基准芯片电连接，光电耦合器的输出端接电源正极。

可见，模块供电采用5V至24V的直流宽电压输入范围，能够适应各种应用环境，通过电源隔离模块，输出的电压为5V，为模数转换器、控制芯片、有源晶振和2.5V电源基准芯片供电。使每个传感器都独立供电，抗干扰能力高，可以在一定的电位差的环境应用。

一个优选的方案是，模块化传感器电路还包括状态指示模块，控制芯片输出状态指示信号至状态指示模块。

进一步的方案是，状态指示模块包括限流排阻以及发光二极管组，限流排阻与发光二极管组电连接。

更进一步的方案是，发光二极管组包括第二发光二极管、第三发光二极管以及第四发光二极管，第二发光二极管用于发出第一指示光信号，第三发光二极管用于发出第二指示光信号，第四发光二极管用于发出第三指示光信号。

可见，限流排阻就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出，排阻具有方向性、整齐、所占空间少的优势。另外，发光二极管组用作数据收发指示、A/D转换指示、状态故障指示等。

【附图说明】

图1是本发明一种模块化传感器电路实施例的原理图。

图2是本发明一种模块化传感器电路实施例中供电模块的电路原理图。

图3是本发明一种模块化传感器电路实施例中稳压电路的电路原理图。

图4是本发明一种模块化传感器电路实施例中电源隔离模块的电路原理图。

图5是本发明一种模块化传感器电路实施例中状态指示模块的电路原理图。

【具体实施方式】

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限用于本发明。

参见图1，本发明的一种模块化传感器电路包括稳压电路10、电源隔离模块20、供电电路30、传感器探头80、传感器组合模块40以及控制芯片50，控制芯片50与传感器探头80之间连接有模数转换器70，供电电路30为稳压电路10输出电源信号，稳压电路10输出稳压后的电源信号至电源隔离模块20，电源隔离模块20分别输出电气隔离后的电源信号至控制芯片50、传感器组合模块40。

参见图2，供电电路包括电压输入端JP1、电压输出端JP2、通信接口芯片U3、输入限流电阻R1、输入限流电阻R2、输出限流电阻R6以及输出限流电阻R7，通信接口芯片U3的第一端、第二端分别与电压输入端JP1电连接，通信接口芯片U3的第三端、第四端分别与电压输出端JP2电连接。可见，电阻R1、电阻R2、电阻R6和电阻R7用于保护通信接口芯片U3，用以限制所在支路电流的大小，以防电流过大烧坏所串联的通信接口芯片U3。所以，各个传感器模块通过数据线I/O接口相互串联，采用通用的通信接口芯片U3，使用通用的指令方式读取传感器模块数据，不限定传感器模块在串联中的具***置，可以串联多个模块，实现了各类别传感器的任意组合。优选地，通信接口芯片U3为RS422接口芯片。

另外，通信接口芯片U3与控制芯片50之间还连接有隔离芯片U5，数字隔离芯片U5连接于通信接口芯片U3与控制芯片50之间。其中，隔离芯片U5用于冷地、热地数据隔离传输。

参见图3，稳压电路10包括第一电源芯片U4、二极管D2、二极管D1、滤波电容C1、自举电容C2、电阻R8、电阻R9以及输出滤波电路，第一电源芯片U4的第一端与二极管D2的负极电连接，第一电源芯片U4的第二端与二极管D1的负极电连接，第一电源芯片U4的第四端与输出滤波电路之间还连接有存能电感L1，电阻R8与电阻R9串联。其中，输出滤波电路包括电容C6、电容C7以及电容C13，二极管D2为防反向二极管，可以防止输入电源反接而烧毁电路，二极管D1为续流二极管，在电路中可以起到续流的作用。所以，稳压电路10输出稳定电压供给其他电路模块，例如，稳压电路10可以输出3.3伏稳定电压供给通信接口芯片U3、隔离芯片U5以及电源隔离模块20。

在本实施例中，第一电源芯片U4的第三端还连接有电源指示电路，电源指示电路包括电阻R5、发光二极管D5，电阻R5与发光二极管D5串联。电源指示电路中的发光二极管D5的压降电压同时供给第一电源芯片U4的使能脚。

参见图4，电源隔离模块20包含冷地端部分与热地端部分，电源隔离模块20由第二电源芯片U9、隔离变压器T1、取样电路、第一电压基准芯片U2组成，隔离变压器T1初级线圈的两端与第二电源芯片U9的两端电连接，隔离变压器T1次级线圈的第一端与取样电路电连接，隔离变压器T1次级线圈的第二端与第一电压基准芯片U2之间连接有二极管D3。可见，模块供电采用5V至24V的直流宽电压输入范围，能够适应各种应用环境，通过电源隔离模块20，输出的电压为5V，可以为模数转换器U6、控制芯片50、有源晶振和2.5V第一电源基准芯片U2供电。使每个传感器都独立供电，抗干扰能力高，可以在一定的电位差的环境应用。

其中，电源隔离模块20还包括输出滤波电容C9、电容C10、电容C14，以及基准源滤波电容C11、电容C15，隔离变压器T1次级线圈的第一端与取样电路之间还连接有电阻R11、电容C2，电阻R11为EMC吸收电阻。

取样电路包括光电耦合器U7、第二电压基准芯片U8、光电耦合器U7的输入端与第二电压基准芯片U8电连接，光电耦合器U7的输出端接电源正极。其中，取样电路还包括电阻R14、电阻R15、电阻R5、电阻R3、电阻R13以及电容C3。

传感器组合模块40包括至少两个传感器模块，PC端90的输出端与第一个传感器模块的输入端连接，第一个传感器模块的输出端与第二个传感器模块的输入端电连接，第二个传感器模块的输出端接到PC端90的输入端。当然，传感器模块可以是一个，也可以是多个组合。

具体地，各个传感器模块通过数据线I/O接口相互串联，来实现传感器模块的组合使用，即PC端90的输出端接到第一个传感器模块的输入端，第一个传感器模块的输出端接到第二个传感器模块的输入端，第二个传感器模块的输出端接到下一个传感器的输入端，依此类推，一路最多可接多个传感器模块，最后一个传感器的输出端接到PC端90的输入端，这就形成了一个环路。其中，本实施例中可接的最多传感器模块的数量为255个。

在模块供电方面，采用5V至24V的直流宽电压输入范围，能够适应各种应用环境，每个传感器模块的功耗一般为0.2瓦，最大不超过0.5瓦，内置电源隔离模块20，传感器模块的A/D转换端与供电端和通信端电气隔离。

在模块通信方面，首先，PC端90发送引导码(启动参数)，第一个传感器模块收到引导码后，开始往第二个传感器模块发送数据码，数据码包括本模块的传感器类别、传感器编号“1”以及传感器实测模拟量数据(温度、压力等)，传输完整后转发PC端90的引导码。然后，第二个传感器模块收到第一个传感器模块所发送的数据码后，首先透传(透明传送)第一个传感器模块的数据，一直等接收到引导码后再发送自身的数据，发送完整后转发PC端90的引导码，以此类推，直到PC端90接收到本相发送的引导码为止，此时，数据读取完成。

在模块排序方面，用户在PC端90软件上设置好同一类别的第几个传感器是哪一种数据，这时，PC端90将会自动数据分组，无需要求传感器不同类别之间的排序，只需要求相同传感器类别之间的排序。例如：一台机器设备要使用到5个温度传感器，这5个温度传感器的序号从T1到T5，只需要T1位置在T2位置的前面，即T1＞T2＞T3＞T4＞T5，无需要每个传感器紧紧靠近，可以放在其它类别的传感器前面也可以放在其后面，甚至也可以放在中间。当然，对于多余的同类别传感器，则PC端90不作理会，如温度传感器有6个(T1至T6)，则***只处理T1至T5传感器的数据，传感器T6的数据则丢弃。

优选的，参见图5，模块化传感器电路还包括状态指示模块60，控制芯片50输出状态指示信号至状态指示模块60。状态指示模块60包括限流排阻R12以及发光二极管组，限流排阻R12与发光二极管组电连接。其中，发光二极管组包括发光二极管D6、发光二极管D7以及发光二极管D8，发光二极管D6用于发出第一指示光信号，发光二极管D7用于发出第二指示光信号，发光二极管D8用于发出第三指示光信号。可见，限流排阻R12就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出，排阻具有方向性、整齐、所占空间少的优势。另外，发光二极管组用作数据收发指示、A/D转换指示、状态故障指示等。

所以，本发明提供的模块化传感器电路可以通过多个传感器模块I/O接口之间的串联，来实现传感器模块组合，即PC端90的输出端接到第一个传感器模块的输入端，第一个传感器模块的输出端接到第二个传感器模块的输入端，依此类推，一路可以接多个传感器模块，最后一个传感器模块的输出端接到PC端90的输入端，最终形成了一个环路，实现了各类别传感器的任意组合。

而且，通过电源隔离模块20可以使得每个传感器模块都自带电源隔离器给传感器探头供电，传感器模块的A/D转换端与供电端和通信端电气隔离，抗干扰能力高，传感器探头可以在一定的电位差的环境应用。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化传感器电路，其特征在于，包括：

稳压电路、电源隔离模块、供电电路、传感器探头、传感器组合模块以及控制芯片，所述控制芯片与所述传感器探头之间连接有模数转换器，所述供电电路为所述稳压电路输出电源信号，所述稳压电路输出稳压后的电源信号至所述电源隔离模块，所述电源隔离模块分别输出电气隔离后的电源信号至所述控制芯片、所述传感器组合模块；

所述传感器组合模块包括至少两个传感器模块，PC端的输出端与第一个所述传感器模块的输入端连接，第一个所述传感器模块的输出端与第二个所述传感器模块的输入端电连接，第二个所述传感器模块的输出端接到所述PC端的输入端；

所述供电电路包括电压输入端、电压输出端、通信接口芯片，所述通信接口芯片的第一端、第二端分别与所述电压输入端电连接，所述通信接口芯片的第三端、第四端分别与所述电压输出端电连接，所述通信接口芯片与所述控制芯片之间还连接有隔离芯片。

2.根据权利要求1所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述稳压电路包括第一电源芯片、第一二极管、第二二极管、输出滤波电路，所述第一电源芯片的第一端与所述第一二极管的负极电连接，所述第一电源芯片的第二端与所述第二二极管的负极电连接，所述第一电源芯片的第三端还连接有电源指示电路，所述第一电源芯片的第四端与所述输出滤波电路之间还连接有第一电感。

3.根据权利要求2所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述电源指示电路包括第一电阻、第一发光二极管，所述第一电阻与所述第一发光二极管串联。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述电源隔离模块包括第二电源芯片、隔离变压器、取样电路、第一电压基准芯片，所述隔离变压器初级线圈的两端与所述第二电源芯片的两端电连接，所述隔离变压器次级线圈的第一端与所述取样电路电连接，所述隔离变压器次级线圈的第二端与所述第一电压基准芯片之间连接有第三二极管。

5.根据权利要求4所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述隔离变压器次级线圈的第一端与所述取样电路之间还连接有第一电阻、第一电容。

6.根据权利要求5所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述取样电路包括光电耦合器、第二电压基准芯片、所述光电耦合器的输入端与所述第二电压基准芯片电连接，所述光电耦合器的输出端接电源正极。

7.根据权利要求1至3任一项所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述模块化传感器电路还包括状态指示模块，所述控制芯片输出状态指示信号至所述状态指示模块。

8.根据权利要求7所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述状态指示模块包括限流排阻以及发光二极管组，所述限流排阻与所述发光二极管组电连接。

9.根据权利要求8所述的一种模块化传感器电路，其特征在于：

所述发光二极管组包括第二发光二极管、第三发光二极管以及第四发光二极管，所述第二发光二极管用于发出第一指示光信号，所述第三发光二极管用于发出第二指示光信号，所述第四发光二极管用于发出第三指示光信号。

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