CN210626919U - 基于rs-485通信的高精度模拟量数据采集模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于RS‑485通信的高精度模拟量数据采集模块，包括模拟量输入电路、第一电气隔离电路、微控制器、第二电气隔离电路、RS‑485收发器和电源电路，模拟量输入电路经第一电气隔离电路与微控制器连接，模拟量输入电路包含沿模拟信号输入方向依次串联的平滑滤波器、多路模拟开关、增益调整电路和A/D转换电路，A/D转换电路与第一电气隔离电路连接，第一电气隔离电路分别与增益调整电路、多路模拟开关连接，RS‑485收发器经第二电气隔离电路与微控制器连接，电源电路为模块提供稳定的工作电压。本实用新型适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，可以避免工业现场信号对微控制器通讯接口的影响。
Description
技术领域
本实用新型属于数据采集模块技术领域，具体涉及一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块。
背景技术
在工业控制过程中，经常需要采集现场的传感器模拟量信号，以便对其分析进行现场设备的控制。而各种传感器设备的模拟量输出信号不同，常见的有电压信号和电流信号，且输出的信号范围也不同，这就需要在进行模拟量数据采集时，根据不同的信号进行不同处理。为此，有必要设计一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，包括模拟量输入电路、第一电气隔离电路、微控制器、第二电气隔离电路、RS-485收发器和电源电路，所述模拟量输入电路经所述第一电气隔离电路与所述微控制器连接，所述模拟量输入电路包含沿模拟信号输入方向依次串联的平滑滤波器、多路模拟开关、增益调整电路和A/D转换电路，所述多路模拟开关、所述增益调整电路和所述A/D转换电路集成于ADC芯片上，所述A/D转换电路与所述第一电气隔离电路连接，所述第一电气隔离电路分别与所述增益调整电路、所述多路模拟开关连接，所述RS-485收发器经所述第二电气隔离电路与所述微控制器连接，所述电源电路为所述模块提供稳定的工作电压。
优选地，所述增益调整电路包含沿模拟信号输入方向依次串联的可编程增益放大器和抗混叠滤波电路，所述可编程增益放大器与所述第一电气隔离电路连接。
优选地，所述模拟量输入电路设置有8路模拟量差分输入通道，所述模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号。
优选地，还包括数字量输出电路和第三电气隔离电路，所述数字量输出电路经所述第三电气隔离电路与所述微控制器连接。
优选地，所述数字量输出电路具有2路数字量输出通道，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开漏输出。
优选地，还包括看门狗电路，所述看门狗电路与所述微控制器连接。
优选地，还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与所述微控制器连接。
优选地，还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与所述电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与所述电源电路、所述微控制器连接。
优选地，所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与所述二级稳压电路的输入端、所述隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端分别与所述第一电气隔离电路、所述模拟量输入电路连接，所述二级稳压电路的输出端分别连接至所述微控制器、所述RS-485收发器。
优选地，所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
本实用新型具有以下有益效果：该模块在内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响，使模块具有良好的可靠性。该模块采用带隔离的RS-485通信接口，可以避免工业现场信号对微控制器通讯接口的影响，并具有ESD（Electro-Static Discharge，静电释放）、过压、过流保护。该模块适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，例如可以用于采集传感器或变送器的信号。
附图说明
图1为本实用新型实施例的原理框图。
图2为本实用新型实施例的微控制器的一种电路图。
图3为本实用新型实施例的多路模拟开关的一种电路图。
图4为本实用新型实施例的A/D转换电路和可编程增益放大器的一种连接电路图。
图5为本实用新型实施例的第一电气隔离电路的部分电路图一。
图6为本实用新型实施例的第一电气隔离电路的部分电路图二。
图7为本实用新型实施例的第三电气隔离电路与数字量输出电路的一种连接电路图。
图8为本实用新型实施例的第二电气隔离电路与RS-485收发器的一种集成电路图。
图9为本实用新型实施例的看门狗电路和EEPROM存储器的一种集成电路图。
图10为本实用新型实施例的电源指示灯的一种电路图。
图11为本实用新型实施例的工作状态指示灯的一种电路图。
图12为本实用新型实施例的主电源电路的一种电路图。
图13为本实用新型实施例的二级稳压电路的一种电路图。
图14为本实用新型实施例的隔离电源电路的一种电路图。
图15为本实用新型实施例的第一稳压器的一种电路图。
图16为本实用新型实施例的第二稳压器的一种电路图。
图17为本实用新型实施例的第三稳压器的一种电路图。
图中标记：1、模拟量输入电路；2、第一电气隔离电路；3、微控制器；4、第二电气隔离电路；5、RS-485收发器；6、电源电路；7、看门狗电路；8、EEPROM存储器；9、数字量输出电路；10、第三电气隔离电路；11、平滑滤波器；12、多路模拟开关；13、增益调整电路；131、可编程增益放大器；132、抗混叠滤波电路；14、A/D转换电路。
具体实施方式
为了让本实用新型的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本实施例提供了一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，包括模拟量输入电路1、第一电气隔离电路2、微控制器3、第二电气隔离电路4、RS-485收发器5和电源电路6，模拟量输入电路1经第一电气隔离电路2与微控制器3连接，模拟量输入电路1包含沿模拟信号输入方向依次串联的平滑滤波器11、多路模拟开关12、增益调整电路13和A/D转换电路14，平滑滤波器11实现对输入信号的滤波，增益调整电路13根据输入信号的幅值将信号调整至较合适的电压，提高对于***对信号测量的动态范围，A/D转换电路14完成最终对于信号的测量，多路模拟开关12、增益调整电路13和A/D转换电路14集成于ADC芯片上，A/D转换电路14与第一电气隔离电路2连接，第一电气隔离电路2分别与增益调整电路13、多路模拟开关12连接，RS-485收发器5经第二电气隔离电路4与微控制器3连接，电源电路6为整个模块提供稳定的工作电压。其中，增益调整电路13包含沿模拟信号输入方向依次串联的可编程增益放大器131（PGA）和抗混叠滤波电路132，可编程增益放大器131与第一电气隔离电路2连接。
在本实施例中，微控制器3采用32位RISC CPU ARM芯片，具体采用如图2所示的LPC2131单片机，具有非常快速的数据处理能力，可以应用在高性能和高速度的应用环境中；操作***：实时操作***；供电电压：+10~+30VDC，电源反接保护；工作温度范围：-20℃～+85℃；工业级塑料外壳，标准DIN导轨安装；通讯接口：隔离2500 VDC，ESD、过压、过流保护。
在本实施例中，多路模拟开关12优选但不局限于如图3所示的MAX355EWE多路选择器，A/D转换电路14优选但不局限于图4中的AD7712AR模数转换器，编程增益放大器131优选但不局限于图4中的INA118放大器。模拟量输入电路1设置有8路模拟量差分输入通道，模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号，可以采集传感器或变送器输出的电压信号或电流信号，电压输入信号，可以直接连接到输入端子上。对于电流输入信号，需要外接一个125Ω，0.1%的精密电阻。模拟量输入支持类型及测量范围：可独立配置各个通道的输入信号测量范围，电压输入范围：±10V、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±150mV；电流输入范围：±20mA，选择电流输入时，需要外接一个125Ω的精密电阻；ADC分辨率：16位；采样精度：±0.05％；采样速率：2次/秒（默认配置下，全通道）；输入低通滤波、过压保护；上下限超限报警输出，独立使能或禁止超限报警，上、下限独立配置。第一电气隔离电路2包含如图5所示的TLP281光耦、如图6所示的ADUM1200数字隔离器和ADUM1201数字隔离器，TLP281光耦分别与微控制器3、多路模拟开关12连接，ADUM1200数字隔离器、ADUM1201数字隔离器的输入端均与微控制器3连接，ADUM1200数字隔离器、ADUM1201数字隔离器的输出端均与A/D转换电路14连接。
在本实施例中，该模块还包括数字量输出电路9和第三电气隔离电路10，数字量输出电路9经第三电气隔离电路10与微控制器3连接，第三电气隔离电路10优选但不局限于TLP281光耦，数字量输出电路9（1路通道）和第三电气隔离电路10（1个TLP281光耦）优选但不局限于如图7所示的连接电路。其中，数字量输出电路9具有2路数字量输出通道，可以设置为用户控制输出或对模拟量输入采样进行超限状态指示输出，数字量输出通道的输出类型为集电极开漏输出，要在输出端口连接负载以及上拉电源，最大负载电压50V，最大负载电流50mA。数字量输出最大负载电压：50V；最大负载电流：50mA；可以选择为用户控制模式或输入通道状态指示模式；用户控制模式下，具有安全输出功能，可软件配置安全时间和安全输出值；超限报警模式下，可设置超限输出值。
在本实施例中，第二电气隔离电路4和RS-485收发器5优选但不局限于如图8所示的RSM3485C隔离收发器模块，RSM3485C隔离收发器模块是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能。
在本实施例中，该基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块还包括看门狗电路7和EEPROM存储器8，看门狗电路7、EEPROM存储器16分别与微控制器3连接，看门狗电路7和EEPROM存储器8优选但不局限于如图9所示的CAT1023监控电路，CAT1023监控电路是基于微控制器3***的存储器和电源监控的完全解决方案。采用了看门狗电路7，可以在出现意外时将模块的***重新启动，使得***更加稳定可靠。
在本实施例中，该基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块还包括如图10所示的电源指示灯和如图11所示的工作状态指示灯，电源指示灯与电源电路6连接，工作状态指示灯分别与电源电路6、微控制器3连接。其中，电源指示灯为红色指示灯，灯亮时表示模块供电正常；工作状态指示灯为红绿双色指示灯，灯不亮时表示模块没有上电或没有运行，红灯亮时表示模块初始化出错，绿灯常亮时表示模块正常运行但未与主机进行过通信，绿灯闪烁时表示模块与主机建立连接且已正常通信。
在本实施例中，电源电路6包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，隔离电源电路的输出端分别与第一电气隔离电路2、第三电气隔离电路10、模拟量输入电路1连接，二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器3、RS-485收发器5、电源指示灯、工作状态指示灯等，电压更稳定可靠；其中，主电源电路优选但不局限于如图12所示的TPS5430电源模块，二级稳压电路优选但不局限于如13所示的SP6201EM5-L-3.3电源模块，隔离电源电路优选但不局限于如图14所示的ZY0512ES-2W电源模块。
其中，隔离电源电路6的正电压输出端分别连接至如图15所示的第一稳压器（型号LM78L05）和如图16所示的第二稳压器（型号LM78L05），隔离电源电路6的负电压输出端连接至如图17所示的第三稳压器（型号MC79L05ACP），第一稳压器、第二稳压器和第三稳压器的输出端分别与ADC芯片连接，二级稳压电路的输出端和第一稳压器的输出端均分别连接至第一电气隔离电路2、第二电气隔离电路4，二级稳压电路的输出端和第一稳压器的输出端均分别连接至数字隔离器。
本实施例的工作原理如下：该模块可以同时采样8路的模拟量差分信号，采样精度高达16位，适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，例如可以用于采集传感器或变送器的信号。该模块还具有2通道的数字量输出，可以设置为用户控制输出或对输入采样进行超限状态指示输出。该模块在内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响，使模块具有良好的可靠性。该模块采用带隔离的RS-485通信接口，可以避免工业现场信号对微控制器通讯接口的影响，并具有ESD、过压、过流保护。
以上仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：包括模拟量输入电路、第一电气隔离电路、微控制器、第二电气隔离电路、RS-485收发器和电源电路，所述模拟量输入电路经所述第一电气隔离电路与所述微控制器连接，所述模拟量输入电路包含沿模拟信号输入方向依次串联的平滑滤波器、多路模拟开关、增益调整电路和A/D转换电路，所述多路模拟开关、所述增益调整电路和所述A/D转换电路集成于ADC芯片上，所述A/D转换电路与所述第一电气隔离电路连接，所述第一电气隔离电路分别与所述增益调整电路、所述多路模拟开关连接，所述RS-485收发器经所述第二电气隔离电路与所述微控制器连接，所述电源电路为所述模块提供稳定的工作电压；所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与所述二级稳压电路的输入端、所述隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端分别与所述第一电气隔离电路、所述模拟量输入电路连接，所述二级稳压电路的输出端分别连接至所述微控制器、所述RS-485收发器。
2.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：所述增益调整电路包含沿模拟信号输入方向依次串联的可编程增益放大器和抗混叠滤波电路，所述可编程增益放大器与所述第一电气隔离电路连接。
3.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：所述模拟量输入电路设置有8路模拟量差分输入通道，所述模拟量差分输入通道的输入类型为电压信号或电流信号。
4.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：还包括数字量输出电路和第三电气隔离电路，所述数字量输出电路经所述第三电气隔离电路与所述微控制器连接。
5.根据权利要求4所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：所述数字量输出电路具有2路数字量输出通道，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开漏输出。
6.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：还包括看门狗电路，所述看门狗电路与所述微控制器连接。
7.根据权利要求1或6所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与所述微控制器连接。
8.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与所述电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与所述电源电路、所述微控制器连接。
9.根据权利要求1所述的基于RS-485通信的高精度模拟量数据采集模块，其特征在于：所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
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| CN112903086A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-04 | 中国船舶重工集团公司第七O三研究所无锡分部 | 全国产化分布式振动测量*** |
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