CN215599342U

CN215599342U - 一种低功耗高精度4~20mA的信号检测装置

Info

Publication number: CN215599342U
Application number: CN202121477134.4U
Authority: CN
Inventors: 荣宏伟; 李蕃; 马常松
Original assignee: Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry
Current assignee: Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2031-06-29

Abstract

本实用新型公开了一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，包括N路信号预处理单元、主控单元、显示单元、通讯单元和电源管理单元；每一信号预处理单元的输入端与一个电流信号传感器的电流输出端通讯连接，所述信号预处理单元将4～20mA电流信号转换为0～3V电压信号，所述信号预处理单元的电压输出端与所述主控单元通讯连接，所述主控单元将0～3V电压信号转换为电流值与所述显示单元相连接以显示电流值，所述主控单元与所述通讯单元相连接以将电流值发送给用户。本实用新型检测精度高，能耗低。

Description

一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置

技术领域

本实用新型涉及传感检测技术领域，特别是涉及一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置。

背景技术

传感器是工业监控***的重要组成部件之一，它通常安装在特定区域，将压力、流量、温度等物理信号转换成标准电流(4～20mA)、电压信号。与电压信号相比，电流信号具有衰减损耗小、抗干扰能力强、稳定性好等优点。因此，4～20mA输出型传感器在工业现场得到了广泛应用。

然而，市场上专用4～20mA信号检测装置不仅种类少，而且存在测量精度低、准确性差、功耗大、检测通道少等缺点。目前通常采用电流采集卡将4～20mA电流信号转换为模拟电压信号，再通过PLC模拟量输入接口完成信号的处理与转换。该方式存在以下缺点：(1)PLC、电流采集卡与通讯模块价格昂贵，不符合工业化应用经济性要求。(2)许多电流采集卡缺少校准机制，随着使用时间变长、环境温度变化、元器件老化等因素影响，测量准确性会变差。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中信号检测装置存在的成本高、精度低的问题，而提供一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，包括N路信号预处理单元、主控单元、显示单元、通讯单元和电源管理单元；

每一信号预处理单元的输入端与一个4～20mA输出型传感器的电流输出端连接，所述信号预处理单元将4～20mA电流信号转换为0～3V电压信号，所述信号预处理单元的电压输出端与所述主控单元通讯连接，所述主控单元将0～3V电压信号转换为电流值与所述显示单元相连接以显示电流值，所述主控单元与所述通讯单元相连接以将电流值发送给用户，所述电源管理单元分别与所述信号预处理单元、主控单元、显示单元、通讯单元电连接以供电。

在上述技术方案中，所述信号预处理单元的个数为四个。

在上述技术方案中，所述信号预处理单元所选芯片的型号为LM324DT，所述主控单元所选芯片的型号为STM8L151，所述显示单元为EINK水墨屏，所述通讯单元选用RS-485转换芯片JME8871。

在上述技术方案中，所述电源管理单元设有+5V供电接口，并将+5V转换为+3.3V。

在上述技术方案中，+5V电压与信号预处理单元、显示单元、通讯单元连接供电，+3.3V电压与所述主控单元连接供电。

在上述技术方案中，所述信号预处理单元中，R1分别连接所述电流输入端的正负引脚；R3分别接GND和LM324DT的5引脚；R4分别接电流负输入端和LM324DT的6引脚；R5分别接LM324DT的6、7引脚；R6分别接LM324DT的3、7引脚；R14分别接GND和LM324DT的3引脚；R7分别接LM324DT的1、2引脚；R8分别接LM324DT的2引脚和LM324DT的13、14引脚；R9分别接LM324DT的1、10引脚；R10分别接+5V和LM324DT的12引脚；R11分别接LM324DT的12引脚和GND；R12分别接GND和LM324DT的9引脚；R13分别接LM324DT的8、9引脚；LM324DT的4引脚接+5V；11引脚接GND；8引脚为0～3V电压输出引脚接主控单元的AD转换接口。

在上述技术方案中，所述STM8L151的6、16、23、24引脚为A/D采样接口，分别接四路信号预处理单元的电压输出引脚；所述STM8L151的27、28引脚为UART接口，分别接RS-485的发送接收端；所述STM8L151的21引脚为GPIO接口用于连接RS-485的方向控制接口；所述STM8L151的17、18、19、20为SPI接口，接入所述显示单元。

在上述技术方案中，所述通讯单元用于检测装置与用户的数据交互。连接关系如下：通讯单元为RS-485转换芯片JME8871，JME8871的1引脚接STM8L151的28引脚；JME8871的2、3引脚接STM8L151的21引脚；JME8871的4引脚接STM8L151的27引脚；JME8871的5、8引脚分别接GND和+5V；JME8871的6、7引脚分别为RS-485的发送、接收接口。

在上述技术方案中，所述显示单元用于四路电流值的实时显示。连接关系如下EINK水墨屏的1、2、3、4引脚分别接STM8L151的20、19、18、17引脚；EINK水墨屏的5、6引脚分别接+5V和GND。

在上述技术方案中，所述电源管理单元为电源转换芯片ASM117-3.3，连接关系如下：ASM117的3引脚为+5V输入端、ASM117的1引脚接GND、2引脚为+3.3V输出端；C1分别接+5V和GND；C2分别接+3.3V和GND。

本实用新型的另一方面，所述低功耗高精度4～20mA的信号检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，根据信号预处理单元可知：

CH＝(I_in*R₁-V_O)*K/V_ref*2¹²

其中，CH为AD采样值；I_in为4～20mA输出型传感器的输出电流值，I_in∈(4mA,20mA)；R₁为高精度电阻，R₁＝100Ω；V_o为电压跟随电路输出电压值，V_O＝0.4V；K为运算放大电路放大倍数，K＝1.8；V_ref为AD采样基准电压，V_ref＝3V。

因此，传感器输出电流值

I_in＝(CH*V_ref/K/2¹²+V_O)/R₁

步骤2，标定：

(1)在4～20mA范围内，间隔2mA记录电流值标准数组buf1[9]＝{4，6，8，10，12，14，16，18，20}；

(2)通过FLUKE 754过程信号校验仪对装置进行标定(校验仪精度为0.001mA)，每间隔2mA记录装置实测电流值，并建立实测数组buf2[9]＝{I₀，I₁，I₂，......，I₇，I₈}，I_n为实测电流值，保留3位小数；

(3)将(2)中buf1[9]中数组元素与(3)buf2[9]中实测数组元素一一对应做差，记录error值，即Buf3[9]＝{error₀，error₁，error₂，......，error₇，error₈}；

(4)以Buf2[9]中的元素为横坐标，Buf3[9]中的元素为纵坐标，利用最小二乘法做一次拟合，并得到拟合方程error＝k₁*I+k₀，其中，I为实测电流值，error为偏差值，k₀、k₁系数常量；

步骤3，步骤1得到的I_in加上步骤2得到的标定值error，即为最终检测检测值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.通过本实用新型的信号检测装置，用户可通过通讯接口完成检测装置的标定，不仅设计成本低，同时兼具高精度等优点。

2.结合本实用新型的4～20mA信号检测与传输电路，和针对该检测电路的标定方法，提高了信号检测的准确性。

3.本实用新型通过选取低功耗主控芯片、通讯芯片、显示屏与信号处理芯片等器件，实现了4通道4～20mA信号的低功耗采集与传输，并且能够将检测到的4～20mA电流信号通过显示屏显示出来。

附图说明

图1为电流信号转换原理图；

图2为装置结构框图；

图3为信号预处理单元2示意图；

图4为主控单元4示意图；

图5为通讯单元5示意图；

图6为显示单元3示意图；

图7为电源管理单元6示意图；

图8为数据处理流程图；

图9为数据标定算法框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，包括N路信号预处理单元2、主控单元4、显示单元3、通讯单元5和电源管理单元6；每一信号预处理单元2的输入端与一个4～20mA输出型传感器1的电流输出端连接，由于主控单元只能识别0～3V电压信号，无法识别4～20mA信号。信号预处理单元的功能是将4～20mA信号转换为0-2.88V电压，以供主控单元进一步识别，所述信号预处理单元2的电压输出端与所述主控单元4通讯连接(当N＝4时，检测装置通过4路信号预处理单元，将4～20mA电流信号转换为0～3V电压信号)，所述主控单元4将0～3V电压信号转换为电流值与所述显示单元3相连接以显示电流值，所述主控单元4与所述通讯单元5相连接以将电流值发送给用户，所述电源管理单元6分别与所述信号预处理单元2、主控单元4、显示单元3、通讯单元5电连接以供电。主控单元4负责将0～3V电压转换为数字信号，并计算出当前电流值，该电流值一方面通过SPI接口发送到显示单元3，完成数值显示，另一方面通过通讯单元5发送给用户，用于电流值的进一步计算。在检测装置中主控单元采用+3.3V供电，信号预处理单元、显示单元、通讯单元采用+5V供电。电源管理单元的功能是将电池的+5V电压转换为+3.3V的电压，+3.3V用于主控单元供电，+5V用于信号预处理单元、显示单元、通讯单元供电。

实施例2

作为优选的，所述信号预处理单元2的个数为四个，通过芯片LM324DT实现，所述主控单元4所选芯片型号为STM8L151，STM8L151为超低功耗8位MCU，在低功耗运行模式下只有5.4uA；所述显示单元3的型号为EINK水墨屏，显示单元选用EINK水墨屏，刷新功耗50mW，休眠电流小于0.01μA；所述通讯单元5选择RS-485转换芯片JME8871。JME8871为低功耗芯片，支持2.5～5.5V供电，接收模式下电流典型值1.7μA，发送模式电流典型值70μA。另外，本实用新型的检测装置在未接4～20mA信号下，运行电流≤50mA、运行功耗≤0.6W。本实用新型的各单元均为低功耗芯片，而现有技术中，比如上海鹏合电子科技有限公司TD-4017+型电流采集卡功耗消耗2W。

作为优选的，所述电源管理单元6设有+5V供电接口和+3.3V供电接口，+5V电压与信号预处理单元2、显示单元3、通讯单元5连接供电，+3.3V电压与所述主控单元4连接供电。本装置既可通过两节+5V干电池供电，也可通过+5V电源供电，并通过AMS1117-3.3转化为+3.3V电压。在检测装置中主控单元采用+3.3V供电，信号预处理单元、显示单元、通讯单元采用+5V供电。电源管理单元的功能是将+5V电压转换为+3.3V的电压，+3.3V用于主控单元供电，+5V用于信号预处理单元、显示单元、通讯单元供电。

作为优选的，在所述信号预处理单元2中，R1分别连接所述电流输入端的正负引脚；R3分别接GND和LM324DT的5引脚；R4分别接电流负输入端和LM324DT的6引脚；R5分别接LM324DT的6、7引脚；R6分别接LM324DT的3、7引脚；R14分别接GND和LM324DT的3引脚；R7分别接LM324DT的1、2引脚；R8分别接LM324DT的2引脚和LM324DT的13、14引脚；R9分别接LM324DT的1、10引脚；R10分别接+5V和LM324DT的12引脚；R11分别接LM324DT的12引脚和GND；R12分别接GND和LM324DT的9引脚；R13分别接LM324DT的8、9引脚；LM324DT的4引脚接+5V；11引脚接GND；8引脚为0～3V电压输出引脚接主控单元4的AD转换接口。

本实施例中R1＝100Ω0.1％，R2＝10k，R3＝10k，R4＝10k，R5＝10k，R6＝10k，R14＝10k，R7＝10k，R8＝10k；R9＝10k；R10＝6k，；R11＝4k，R12＝10k，R13＝8k。

信号预处理单元2采用低功耗、四通道运算放大器LM324DT芯片进行搭建。如图1所示，LM324DT的A通道为减法电路；B通道为电流转换电路，C通道为放大电路；D通道为跟随电路。在电流转换电路中，R1为100Ω高精度电阻，即：

V_o1＝R₁*i＝100Ω*(4～20mV) (1)

因此，V_o1∈{0.4V,2V}

电压跟随电路采用分压原理，输出电压V_o2可调，典型值V_o2＝0.4V。

将V_o1、V_o2接入减法电路，该减法电路是由反向输入和同向输入相结合的放大电路，在理想情况下电路满足虚短、虚断现象。

根据虚断，可得节点方程：

(V_O1-V_P)/R₂＝(V_P-0)/R₃ (2)

(V_O2-V_n)/R₆＝(V_n-V_o3)/R₇ (3)

根据虚短，可得节点方程：

V_p＝V_n (4)

由式(1)、(2)、(3)可得：

本实用新型所选的电阻R₂＝R₃＝R₆＝R₇，可得：

V_O3＝V_O1-V_O2即V_O3∈{0V,1.6V}

放大电路用于将V_O3放大。在理想情况下同样满足虚短、虚断现象。

根据虚断，可得节点方程：

根据虚短，可得节点方程：

V_O3＝V_P1＝V_n1 (7)

由式(6)、(7)可得：

本实用新型所选的电阻R₁₀＝8k，R₉＝10k，V_out＝1.8*V_O3，即V_o3∈{0,2.88V}，因此，信号预处理单元2将4～20mA信号转换为0～2.88V电压。

作为优选的，所述STM8L151的6、16、23、24引脚为A/D采样接口，分别接四路信号预处理单元2的电压输出引脚；所述STM8L151的27、28引脚为UART接口，分别接JME8871的1、4引脚；所述STM8L151的21引脚为GPIO接口，用于连接JME8871的2、3引脚；所述STM8L151的17、18、19、20为SPI接口，接入所述显示单元3。STM8L151拥有多个电源管理模式，其中包括5.4μA低功耗运行模式、3.3μA低功耗待机模式、1μA主动停止模式和350nA停止模式，可以在4μs内从停止模式唤醒，支持频繁使用最低功耗模式。另外，STM8L151支持UART、SPI通讯与模拟信号采集功能，通过软件可配置12位4通道、采样频率1MHz的采样模式。

作为优选的，所述通讯单元5用于检测装置与用户的数据交互。连接关系如下：通讯单元5为RS-485转换芯片JME8871，JME8871的1引脚接STM8L151的28引脚；JME8871的2、3引脚接STM8L151的21引脚；JME8871的4引脚接STM8L151的27引脚；JME8871的5、8引脚分别接GND和+5V；JME8871的6、7引脚分别为通讯的发送、接收接口。JME8871是一款低功耗RS-485通讯接口芯片，支持2.5～5.5V宽工作电压，接收模式电流典型值1.7μA，发送模式电流典型值70μA，A/B端ESD耐压可达±15V，无自激励现象，最高通讯速率可达64Kbps。

作为优选的，所述显示单元3用于四路电流值的实时显示。连接关系如下EINK水墨屏的1、2、3、4引脚分别接STM8L151的20、19、18、17引脚；EINK水墨屏的5、6引脚分别接+5V和GND。EINK采用“微胶囊电泳显示”技术进行图像显示，其基本原理是悬浮在液体中的带电纳米粒子受到电场作用而产生迁移，不需要背光，靠反射环境光来显示图案，具有低功耗、低成本等优点，且EINK外部采用3.3/5V供电，通过SPI接口与外界通讯，刷新功耗50mW，休眠电流小于0.01μA。

作为优选的，所述电源管理单元6负责将+5V电压转换为+3.3V。所述电源管理单元6为电源转换芯片ASM117-3.3，连接关系如下：ASM117的3引脚为+5V输入端、ASM117-3.3的1引脚接GND、2引脚为+3.3V输出端；C1分别接+5V和GND；C2分别接+3.3V和GND。本实施例中，C1＝10μf，C2＝1μf。AMS1117-3.3是一种正向低压降稳压器，内部集成过热保护和限流电路，输出误差小于1.5％，是电池供电和便携式设备的最佳选择。

实施例2

如实施例1所述的一种低功耗高精度信号检测装置的标定方法，包括电流换算、数据标定两部分。

4～20mA信号检测装置软件包括数据处理模块和数据标定模块两部分(均通过对主控单元内编程完成)。数据处理模块主要完成AD采集、处理与换算；数据标定模块用于检测装置的校准，以提高测量的准确性，具体流程如下：

S1：开始。

S2：***时钟初始化：开启SPI、UART、GPIO等外设时钟。

S3：UART初始化：完成UART波特率、停止位、奇偶校验位等参数配置。

S4：SPI初始化：完成时钟线、控制位、写入、读取引脚配置。

S5：AD转换单元初始化：完成A/D转换速率、采样频率等参数配置。

S6：读取AD采样值：主控单元读取信号预处理单元的AD采样值。

S7：判断采样值是否正确。如果正确执行S8，否则返回到S6。

S8：计算当前电流值：根据采样原理，计算得到电流值。

S9：电流值校准：根据数据标定算法，完成电流值校准。

图7为数据标定算法流程图，具体步骤如下：

S10：创建理论数组BUF1[9]：在4～20mA范围内，间隔2mA记录标准数组buf1[9]＝{4，6，8，10，12，14，16，18，20}。

S11：创建实测数组BUF2[9]：通过FLUKE 754过程信号校验仪对装置进行标定(校验仪精度为0.001mA)，每间隔2mA记录装置实测电流值，并建立实测数组buf2[9]＝{I₀，I₁，I₂，......，I₇，I₈}，I_n为实测电流值，保留3位小数。

S12：BUF1[9]、BUF2[9]对应做差，得到数组BUF3[9]：将buf1[8]中数组元素与buf2[8]中实测数组元素一一对应做差，记录error值，即Buf3[9]＝{error₀，error₁，error₂，......，error₇，error₈}。

S13:利用BUF2[9]、BUF3[9]建立拟合曲线，得到拟合方程：以Buf2[9]中的元素为横坐标，Buf3[9]中的元素为纵坐标，利用最小二乘法做一次拟合，并得到拟合方程error＝k1*I+k0(I为实测电流值，error为偏差值，k0、k1系数常量)。

S14：将拟合方程代入电流计算公式，完成校准：在S9中I_in值计算时，应在实测阻值(未校准之前的电流值)I_in基础上加上标定值error，即为最终检测检测值。

实施例3

市场上电流采集卡随着使用时间变长，准确性会慢慢变差，用户通常会换用新电流采集卡或返厂对其重新校准。而本实用新型给出检测装置配套的软件校准方法，无需更换或者返厂，仅需修改拟合方程，即可完成校准。另外，市场上的电流采集卡存在能耗高的问题，比如现有上海鹏合电子科技有限公司TD-4017+型电流采集卡功耗消耗2W；深圳市中创智合科技有限公司ZH-4023A-14D2电流采集卡功耗1w。

而本实用新型的检测装置功耗低、精度高，利用本实用新型的检测装置检测到的结果数据，如下表所示：

在统计学中，均值通常代表该组数据的平均水平，标准差代表该组数据的离散程度。经计算，装置检测偏差值的均值＝0.007mA，标准差＝0.003，功耗的均值＝0.18w，标准差＝0，电流最大检测偏差≤|0.01mA|，且功耗约为0.18w。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，包括N路信号预处理单元、主控单元、显示单元、通讯单元和电源管理单元；

每一信号预处理单元的输入端与一个4～20mA输出型传感器的电流输出端连接，所述信号预处理单元将4～20mA电流信号转换为0～3V电压信号，所述信号预处理单元的0～3V电压输出端与所述主控单元连接，所述主控单元将0～3V电压信号转换为电流值与所述显示单元相连接以显示电流值，所述主控单元与所述通讯单元相连接以将电流值发送给用户，所述电源管理单元分别与所述信号预处理单元、主控单元、显示单元、通讯单元电连接以供电。

2.如权利要求1所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述信号预处理单元的个数为四个。

3.如权利要求2所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述信号预处理单元所选芯片的型号为LM324DT，所述主控单元的所选芯片型号为STM8L151，所述显示单元选用EINK水墨屏，所述通讯单元选用RS-485转换芯片JME8871。

4.如权利要求1所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述电源管理单元设有+5V供电接口，并将+5V转换为+3.3V。

5.如权利要求4所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，+5V电压与信号预处理单元、显示单元、通讯单元连接供电，+3.3V电压与所述主控单元连接供电。

6.如权利要求2所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述信号预处理单元中，R1分别连接所述电流输入端的正负引脚；R3分别接GND和LM324DT的5引脚；R4分别接电流负输入端和LM324DT的6引脚；R5分别接LM324DT的6、7引脚；R6分别接LM324DT的3、7引脚；R14分别接GND和LM324DT的3引脚；R7分别接LM324DT的1、2引脚；R8分别接LM324DT的2引脚和LM324DT的13、14引脚；R9分别接LM324DT的1、10引脚；R10分别接+5V和LM324DT的12引脚；R11分别接LM324DT的12引脚和GND；R12分别接GND和LM324DT的9引脚；R13分别接LM324DT的8、9引脚；LM324DT的4引脚接+5V；11引脚接GND；8引脚为0～3V电压输出引脚接主控单元的AD转换接口。

7.如权利要求6所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述STM8L151的16、16、23、24引脚为A/D采样接口，分别接四路信号预处理单元的电压输出引脚；所述STM8L151的27、28引脚为UART接口，分别接RS-485的发送接收端；所述STM8L151的21引脚为GPIO接口用于连接RS-485的方向控制接口；所述STM8L1051的17、18、19、20为SPI接口，接入所述显示单元。

8.如权利要求7所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述通讯单元用于检测装置与用户的数据交互。连接关系如下：通讯单元为RS-485转换芯片JME8871，JME8871的1引脚接STM8L151的28引脚；JME8871的2、3引脚接STM8L151的21引脚；JME8871的4引脚接STM8L151的27引脚；JME8871的5、8引脚分别接GND和+5V；JME8871的6、7引脚分别为RS-485的发送、接收接口。

9.如权利要求8所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述显示单元用于四路电流值的实时显示，EINK水墨屏的1、2、3、4引脚分别接STM8L151的20、19、18、17引脚；EINK水墨屏的5、6引脚分别接+5V和GND。

10.如权利要求9所述的低功耗高精度4～20mA的信号检测装置，其特征在于，所述电源管理单元为电源转换芯片ASM117-3.3，连接关系如下：ASM117的3引脚为+5V输入端、ASM117的1引脚接GND、2引脚为+3.3V输出端；C1分别接+5V和GND；C2分别接+3.3V和GND。