CN201787958U - 基于can总线的多通道振弦式传感器信号采集卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，传感器激振电路模块通过多通道切换电路模块与振弦式传感器输入端相连；传感器拾振电路模块与振弦式传感器输出端相连；传感器拾振电路模块与等精度测频电路模块相连；CAN总线通信电路模块通过总线收发器在主控单元与***主控卡之间收发频率值；主控单元通过电路分别控制传感器激振电路模块、多通道切换电路模块、等精度测频电路模块和CAN总线通信电路模块，本实用新型采集卡作为一个嵌入式智能单元，可实现根据不同应用需要与其他种类的传感器采集卡自由组合，构成一个灵活的集成数据采集***硬件平台，可应用于岩土工程、桥梁建筑等工程中。

Description

基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡

技术领域：

本实用新型涉及一种信号采集卡，尤其涉及一种采用CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡。

背景技术：

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用。现有的传感器种类繁多，振弦式传感器以其结构简单、坚固耐用、长期稳定性好、精度和分辨率高著称，被广泛应用于岩土工程、桥梁建筑等工程中。该传感器输出为频率信号，可接长电缆，便于远距离传输，一直受到工程界的注目。但由于振弦式传感器自身的特点，使得测量电路较一般传感器复杂，因此需采用专用仪器对其进行测量。

国外比较有代表性的有美国基康公司生产的振弦传感器及其振弦式读数仪，国内有长沙的金马科技公司等。但这些公司生产的振弦传感器测量仪器只能对振弦传感器进行测量，在实际工程中当需要多种类型的传感器对被测对象的多种参量同时测量时，上述仪器则不能实现。

实用新型内容：

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：

基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，由传感器激振电路模块、传感器拾振电路模块、等精度测频电路模块、CAN总线通信电路模块、多通道切换电路模块、主控单元组成；传感器激振电路模块通过多通道切换电路模块与振弦式传感器输入端相连，传感器激振电路模块产生的振荡信号激励振弦式传感器内部的钢弦振动，然后输出信号；传感器拾振电路模块与振弦式传感器输出端相连，对振弦式传感器输出信号放大、整形后，得到一标准方波信号；传感器拾振电路模块与等精度测频电路模块相连，将得到标准方波信号传输给等精度测频电路模块进行频率测量；CAN总线通信电路模块通过总线收发器在主控单元与***主控卡之间收发频率值；主控单元通过电路分别控制传感器激振电路模块、多通道切换电路模块、等精度测频电路模块和CAN总线通信电路模块，分别用于对整个采集卡各部分电路实现控制，具体为调整传感器激振电路模块的激振周期T，控制多通道切换电路模块对通道的选择，等精度测频电路模块对频率f的测量以及控制CAN总线通信电路模块的工作。

所述的传感器激振电路模块由300V高压脉冲形成电路、触发电路、信号输入电路组成。

所述的主控单元采用89S52微处理器。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：采集卡可分为激振电路、拾振电路、等精度测频电路、以及采用基于SJA1000的CAN总线通信电路、多通道切换电路五个模块，实现了与主控卡相互通信的智能节点设计，具有所获信号质量好、测量精度高、测量通道多、可靠性高等优点；采用振弦式传感器信号采集卡作为一个嵌入式智能单元，可实现根据不同应用需要与其他种类的传感器采集卡自由组合，构成一个灵活的集成数据采集***硬件平台。

附图说明：

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型传感器激振电路图；

图3为本实用新型传感器拾振电路图；

图4为本实用新型等精度测频电路图；

图5为本实用新型CAN总线通信电路图；

图6为本实用新型多通道切换电路图；

图7为本实用新型主控单元电路图；

具体实施方式：

如图1所示，基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，由传感器激振电路模块1、传感器拾振电路模块2、等精度测频电路模块3、CAN总线通信电路模块4、多通道切换电路模块5、主控单元6组成；传感器激振电路模块1通过多通道切换电路模块5与振弦式传感器输入端相连，传感器激振电路模块1产生的振荡信号激励振弦式传感器内部的钢弦振动，然后输出信号；传感器拾振电路模块2与振弦式传感器输出端相连，对振弦式传感器输出信号放大、整形后，得到一标准方波信号，然后传输给等精度测频电路模块3进行频率测量；CAN总线通信电路模块4通过总线收发器在主控单元6与***主控卡之间收发频率值，该电路模块的作用是在单片机控制下，将测得的频率值f发送至CAN总线上，然后主控卡再通过CAN总线接收频率值f；主控单元6通过电路分别控制传感器激振电路模块1、多通道切换电路模块5、等精度测频电路模块3和CAN总线通信电路模块4，分别用于对整个采集卡各部分电路实现控制，具体为调整传感器激振电路模块1的激振周期T，控制多通道切换电路模块5对通道的选择，等精度测频电路模块3对频率f的测量以及控制CAN总线通信电路模块4的工作。

如图2所示，振弦式传感器与一般传感器不同，需要先用外部激发信号激励其内部的钢弦振动，然后才能输出信号。传感器激振电路模块1由300V高压脉冲形成电路、触发电路、信号输入电路组成，高压脉冲电路由带施密特触发器的与非门U6A、U6C、三极管Q₁、升压脉冲变压器T₁、二极管D₁、D₂等组成。其中振荡电路产生的振荡信号经三极管Q₁的驱动后送入脉冲变压器T₁初级，通过变压器升压、D₅的整流及对C₃₃的充电，在C₃₃两端形成300V高压。

在C₃₃两端形成300V高压的同时，脉冲变压器次级也经R₆₀、C₂₃、D₁₉对C₂₃充电，在C₂₃两端形成左正右负的300V高压，此时振弦传感器中无电流。当我们在可控硅S₁的控制极加入触发信号，使可控硅导通，则C₂₃两端的电荷经放电回路迅速泄放，形成放电电流I₂。由于原先C₂₃两端电压很高，所以流过振弦传感器的泄放电流I₂也很大，从而在磁芯线圈中产生很强磁场，将钢弦吸合，电流消失则钢弦释放，于是钢弦就振动起来。

传感器输入电路由振弦传感器C₃₄、R₄、D₁₉组成，是一个RLC充放电回路，作用是形成钢弦振动后的正弦波信号。工作原理是由于钢弦振动后切割磁力线，钢弦两端就产生了感生电动势，该感生电动势通过RLC回路对C₃₄充电。充电结束后，C₃₄又对振弦传感器放电，形成自由振荡，从而产生正弦波信号。因为RLC回路中有电阻存在，所以该正弦波是一个逐步衰减的信号，持续时间约2秒左右。

如图3所示，由于振弦式传感器激振输出信号幅度太低，其值多在300μV～1mV之间，易受外界的干扰，所以采用带通有源滤波器对信号滤波。根据振弦传感器信号的频率范围一般为500HkHz～6kHz的特点，我们在设计带通有源滤波器时，带通选为0.4～7kHz较为合适。另外因为振弦式传感器激振输出信号比较微弱，所以采用图中U8C、U8A二级运算放大器对信号放大，然后送入由施密特触发器U5D组成的整形电路，整形后得到一标准方波信号，送至等精度测频电路3进行频率测量。

如图4所示，Y3为20MHZ有源晶振，作为标准频率源提供时标脉冲。U3为8位计数器，在这里作为分频器使用，实现对被测信号f_out的计数分频。U21为8位计数器，与单片机内部定时/计数器T0中的TL0、TH0共同组成24位计数器，对时标脉冲计数。U17为锁存器，实现对计数器U21的数据锁存，以便作为低8位数据被单片机读入。单片机对读入的24位数据进行运算处理，得到频率值f。

设在一次测量时间中对被测信号的计数值为N₁，对标准频率信号的计数值为N₂，则下式成立   N₁T_x＝N₂T_r

所以被测信号频率 f_x＝N₁f_r/N₂

测量的分辨率K＝被测频率f_x/一次测量周期中时标f_r个数

例如f_x＝5KHZ，时标f_r＝20MHZ，分频系数N₁＝16，则测量的分辨率

$K=\frac{f_x}{N_1(f_r/f_x)}\≈0.1\mathrm{Hz}$

如图5所示，该智能节点由微处理器89S52、CAN通信控制器SJA1000、高速光电耦合器6N137、CAN总线收发器82C250等部分组成。高速光电耦合器6N137实现了收发器与控制器之间的电气隔离，保护智能节点核心电路安全工作，并实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。CAN总线收发器82C250作为SJA1000和物理传输线路之间的接口，对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。

该电路模块的作用是在单片机控制下，将测得的频率值f发送至CAN总线上，然后主控卡再通过CAN总线接收频率值f。

如图6所示，该模块由U10的74LS138译码器、U20驱动电路及八个继电器组成，用于对八路通道的八个不同的振弦式传感器切换，实现循环激振和巡测。

如图7所示，主控单元6采用89S52微处理器，用于对整个采集卡各部分电路实现控制。具体为调整激振电路的激振周期T，控制多通道切换电路对通道的选择，还有等精度测频电路对频率f的测量以及控制CAN总线通信电路的工作。

本实用新型具有结构合理、功能齐全、稳定性好等优点，可应用于岩土工程、桥梁建筑等工程中，配以无线传输功能，还可实现远程测量和监控，具有极大的推广价值。

Claims (3)

1.基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，其特征在于：传感器激振电路模块通过多通道切换电路模块与振弦式传感器输入端相连；传感器拾振电路模块与振弦式传感器输出端相连；传感器拾振电路模块与等精度测频电路模块相连；CAN总线通信电路模块通过总线收发器在主控单元与***主控卡之间收发频率值；主控单元通过电路分别控制传感器激振电路模块、多通道切换电路模块、等精度测频电路模块和CAN总线通信电路模块。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，其特征在于：所述的传感器激振电路模块由300V高压脉冲形成电路、触发电路、信号输入电路组成。

3.根据权利要求1所述的基于CAN总线的多通道振弦式传感器信号采集卡，其特征在于：所述的主控单元采用89S52微处理器。

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