CN2684272Y

CN2684272Y - 模块化数据采集装置

Info

Publication number: CN2684272Y
Application number: CN 200420048514
Authority: CN
Inventors: 冯建涛
Original assignee: Beijing Century Real Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Century Real Technology Co Ltd
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2014-04-15

Abstract

本实用新型涉及一种模块化数据采集装置，该装置包括主控模块、环境及动力采集模块、智能数据采集模块和空调参数采集和控制模块，以及用于模块之间的数据通信的、一条连接各个功能模块的串行数据通信总线。该主控模块包含用于查看各模块参数的液晶显示器和设置各模块参数的键盘。该智能数据采集模块具有可连接不同类型的传感器的接口，通过通信的方式采集设备数据。该空调参数采集和控制模块包含由三极管和电阻元件组成的旨在遥控空调的红外遥控发射电路。该空调参数采集和控制模块通过电阻和滤波电路将一外部传感器的一空调电流信号转化为电压信号，从而采集到所需的空调参数。

Description

模块化数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种模块化思想设计的一种独特的模块组合方式的数据采集装置，属于计算机数据采集应用领域，特别是数据采集技术在远程监控以及无人值守方面的应用领域。

背景技术

目前，数据采集***广泛应用于各种监控例如机房、粮仓、冷库等应用领域。现有技术只是对特定的物理参数进行采集或者对某些特定设备的运行状态进行监测，如对中国专利申请90209039.9(1991年1月30日公告)以及专利申请91106146.0所表明的技术，分析后发现有如下不足：

1.由于其设计不是基于构件化原则，所以功能单一、通用性比较差；

2.只适合测点少、距离近、规模较小的环境；

3.自动化程度低、智能化水平低，很难实现在恶劣环境下的数据采集，更难实现远程长期无人值守的数据采集；

4.连接线多、工作不可靠、通用性差。

5、采集现场无法查看具体传感器的参数数据。

6、对于现场存在的空调设备不能进行控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种模块化数据采集装置，以克服现有技术上述之弱点，实现一种较为灵活、能够适用各种规模大小的数据采集***，同时提供两种串行通讯的接口，以适合不同场合，各种距离的数据采集，达到远程监控和无人值守的目的。为此，设计了该种模块化组合式的数据采集***。该***数据采集的范围包括环境参数如温度、湿度、门禁、地湿等参数，动力参数如电流、电压、功率因数等，以及各种设备例如空调、电源、发电机等的各种运行参数。该装置连接简单，工作可靠，通用性强。

***包括主控模块、环境及动力采集模块、智能数据采集模块、空调参数采集和控制模块，这些模块通过一条数据通信总线连接，每个***只有一个主控模块，其它模块可以根据规模按需要进行添加。

如图1所示。方案如下：

1.该装置包括主控模块、环境及动力采集模块、智能数据采集模块和参数采集和控制模块，以及用于模块之间的数据通信的、一条连接各个功能模块的串行数据通信总线。

2.该装置中的所述主控模块进一步包含用于查看各模块参数的液晶显示器LCD和设置各模块参数的键盘KEYBOARD。

3.所述的智能数据采集模块具有可连接不同类型的传感器的接口。所述传感器接口可以由元件1N4148(如图8中的D400)、1N4148(如图8中的D416)、0.1μf(如图8中的C400)和250Ω(如图8中的R400)构成。由二极管1N4148、1N4148、组成电压保护电路，要求输入电压不能高于5.7v，也不能低于-0.7v，起到稳压保护的作用；0.1μf的电容和250Ω的电阻构成滤波电路，过滤掉噪声。

4.所述的智能数据采集模块包括串口扩展芯片16C550-PLCC、光电耦合芯片4N25、4N25、4N25、电平转换芯片MAX487和MAX232，由串口扩展芯片出来的信号经过光电耦合后，分别进入MAX487和MAX232，将TTL电平转化为RS485和RS232两种电平，对外部智能设备提供RS485(MAX485)和RS232(MAX232)两种电气接口(如图10)。该模块通过串口与主控模块进行通讯，采集设备数据。

5.所述空调参数采集和控制模块包含由三极管和电阻元件组成的旨在遥控空调的红外遥控发射电路，可包括：所述的三极管为两只8050(如图11中的Q2和Q3)；所述的电阻排布则如图11中R19、R20、R21、R22、R23和R25所表现。

6.空调参数采集模块通过电阻R3至R9和电容组成滤波电路将外部传感器的空调电流信号转化为电压信号(如图11)，采集空调参数。

采用上述方案后，本实用新型具有以下优点：

1.***结构模块化，可以根据实际需求对模块数量自由配置；

2.采用通用传感器接口，可以配接不同类型的传感器，实现了采集参数的灵活搭配，并且传感器数量可以按需要进行配置；

3、模块之间、智能数据采集模块与智能设备之间采用串行数据通信总线连接，传输距离远，能够适应不同***规模的需求；

4、大大减少了***内连线，提高了***可靠性和通用性；

5、能够现场查看数据和运行参数，并能够对运行参数进行设置；

6、模块全部采用智能微处理器设计，大大提高了***的自动化和智能化程度，能够适应长期恶劣环境，并且无需人工参与运行过程。

7、能够采集空调参数并对空调进行控制。

附图说明

图1是本实用新型的数据采集***的概括性总图；

图2是主控模块结构图；

图3是环境动力采集模块；

图4是智能数据采集模块；

图5是空调参数采集控制模块；

图6是主控模块原理图；

图7是环境动力采集模块中CPU构件原理图；

图8是环境动力采集模块中模拟量输入构件原理图；

图9是环境动力采集模块中模拟电源构件原理图；

图10是智能数据采集模块原理图；

图11是空调参数采集控制模块原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型所述的装置，以及其中的模块进行较为详细的描述：

(一)主控模块

该模块用于完成监控中心与监控终端各子模块通讯、控制监控终端各子模块等功能。它由微处理器MCU、数据存储器RAM、液晶显示LCD和键盘KEYBOARD、上行通信接口、数据通信总线接口等构成，如图2所示。上行通信接口用于和上层控制网络(如监控中心或者本地管理)进行通信，以实现更大规模、更大范围的监控***；液晶显示器LCD和键盘实现人机交互的功能，用于查询，显示***参数和对***(包括本模块或者下级模块)的参数进行设置、控制；数据通信总线用于连接各种数据采集模块，实现MCU与下级子模块的通讯以及设备级连。详细电路原理图见图6。

本电路设计选择的MCU是SST公司的微处理器SST89C58，该电路板最多可连接14个不同类型的数据采集终端模块，既有同上位机的通讯，又有同多个下位机的通讯，还有键盘输入和中文液晶显示输出，SST89C58内含36K(32K的BLOCK0+4K的BLOCK1)的FLASH闪存储器。

为保证***在出现故障的短时间内自动恢复到正常工作状态，***复位电路选择了看门狗复位芯片CAT1162，该芯片具有如下优点：

1.复位控制器，具有高低两种电平复位输出引脚，本实用新型选择高电平输出引脚RST作为MCU的复位输入；

2.精确的电源电压监测功能，具有多达5个复位门槛电压；

3.2K字节的标准I2C串行E2PROM，可以保存***参数在掉电后不丢失；

4.***电路简单，占用资源少。

该电路提供高、低两种复位电平，只需在低电平复位管脚加上拉电阻，在高电平复位管脚加下拉电阻，在I2C总线SCL和SDA上加上拉电阻，只占用MCU的2根空闲的I/O口线。

MCU单片机的地址低8位与数据线共用P0口，访问采用分时复用方式，外接一个8位锁存器74HC573芯片。

在通讯***中，一要实现数据的传送，二要实现数据的转换。通用异步收发器实现的是数据转换的功能。由于MCU只有一个串口，且设计用于与下级个子模块的通讯，要想实现MCU与上位机的通讯，采用串口扩展芯片16C550进行串口扩展，完成通讯中的并口转串口，串口转并口功能。16C550提供了先进先出(FIFO)工作方式，其内部独立的16字节发送、接收缓冲区，可编程分频和波特率发生器，可通过查询或中断两种方式进行发送和接收。值得一提的是，16C550还提供了两个TTL电平管脚输出，TTL电平可通过写寄存器的方式改变。在设计中，这两个管脚输出可以在MCU的I/O口不够的时候，考虑使用。

由于本电路的MCU要实现上下位机的通讯，键盘的输入和中文液晶显示(LCD)的输出，存储、传输的数据量比较大，采用32K的数据存储器CY62256。

本电路采用4×3矩阵式键盘和自带汉字库的中文液晶显示模块(LCD)。键盘输入可以进行本地地址、工作参数的设置和报警状态、历史数据的查询。LCD可以对工作状态、报警参数等进行显示。键盘输入采用缓冲存储器74HC541进行缓冲。

地址译码和逻辑控制采用两片可编程门阵列器件GAL16V8来实现，GAL16V8可在线用电擦除多次，数据可保存20年，与TTL兼容、具有可编程的保密位、灵活、可靠、稳定等特点，可以满足我们对***设计的需要。

RS-232电平转换接口芯片为MAX202，这种芯片具有与MAX232、ICL232一样的性能，且***电容可以用0.1μ的独石电容，使***电路体积更小。

本电路有声、光、继电器触点三级报警输出和MCU状态运行指示输出，利用MC1413芯片做驱动。

(二)环境、动力采集模块

本模块完成的功能主要是对16路模拟信号输入并进行采集，并提供传感器的电源(12V或24伏)，将采集回来的信息进行协议转换后，通过总线上传到上位机，如图3所示。该模块是基于构件化的思想设计的。主要包括CPU构件、模拟量的输入构件、模拟电源的输出构件、串行通讯构件等。由微处理器、数据存储器、AD采样电路，多路选择电路、传感器接口电路，串口等构成。传感器接口电路用于连接各种类型的参数传感器，如温度、湿度、门禁、地湿等以及动力参数电流、电压、功率因数等。由多路选择电路和AD采样电路对各传感器参数转换为数字量，通过数据通信总线传输到主控模块，由主控模块再传回到监控中心。详细原理图见图7-图9。

图7是CPU构件。MCU选用的是SST89C58单片机，完成对本***的控制，以及与外部的串行通讯功能，包括对A/D采集的控制，模拟电源的选通控制。同时在内部包括对RAM的操作及看门狗的控制和处理。

数据存储器采用32K的CY62256型RAM，地址译码和逻辑控制单元采用一片可编程门阵列器件GAL16V8来实现，还包括一个该采集***的地址选择部分。

多路选择开关可选用CD4051，AD采样可选用TLV1549。将多路模拟信号，经多多路选择开关CD4051，AD转换成给CPU的串行数据信号。

传感器电路提供16路的模拟量输入接口(采用RJ45的方式)每个接口包括两个功能：模拟量的输入和传感器电源(12伏或者24伏)供电电压选择采用内部跳线的方式选择(参考图8)。

图9是模拟电源构件，完成12伏或24伏直流电源的输出。由CPU的选通信号经过缓冲器TPIC6B273DW来控制模拟电源的输出。

本设备提供一个UART串行通信接口，用于和上位机进行通信。这个通信接口采用3线制的RS232物理接口，与串行通讯总线都属于并联方式的连接。采用DB9M和双排插针座的两种方式。

(三)智能数据采集模块

该模块由微处理器MCU、数据存储器RAM、设备通信接口和上行串口、状态指示器构成，如图4所示。该模块用于接入外部智能设备。其主要功能是完成和其它厂家的智能设备的控制协议到本公司的设备控制协议的转换，同时要求其对外部智能设备提供RS232和RS485两种接口，所以它也可以实现物理接口的转换。原理见图10，该模块以SST89C58单片机为核心，配有看门狗，时钟电路，由16C550扩展一个串行接口，输出信号经过光电耦合后，进入电平转换芯片，用户通过选择RS232或者RS485接口，与智能设备通讯，进行数据采集。

MCU选用的是SST89C58单片机，完成本***的控制以及与外部智能设备和主控制模块的串行通讯功能，同时在内部包括对SRAM的操作及看门狗的控制和处理。

在通讯***中，MCU一方面要完成与外部智能设备的数据传送，一方面要完成与主控模块的通讯。MCU只有一个串口，在此采用16C550进行串口扩展，完成通讯中的并口转串口，串口转并口功能。

设备通信接口连接到外部设备的智能通信口，这一通信接口使用标准UART通信方式，其通信波特率兼容1200BPS到19200BPS之间的各种波特率。它对外的物理接口方式为两种，一种为RS232方式，一种为RS485方式，这两种方式应可以通过跳针进行选择。功能是提取设备的各种运行参数，如电源、发电机的运行参数。

上行通信接口用于通过协议扩展底板连接到主板的外部设备接口。这一通信接口使用标准UART通信方式，它和协议扩展底板之间使用的TTL电平连接，要求使用的波特率为9600BPS。经过格式变换后形成与数据通信总线兼容的数据包，通过数据通信总线传输到主控模块。

状态指示有一下几个：

“RUN”指示灯：用于指示程序的运行状态，如果程序正常运行，这一指示灯则一秒亮一秒灭反复闪烁。

“ERXD”指示灯：用于指示有信息通过外部智能设备接口发出，如果正在发出信息则这一指示灯应闪烁。

“ETXD”指示灯：用于指示通过外部智能设备接口接收到外部智能设备的信息，如果正在接收信息则这一指示灯应闪烁。

“PTX”指示灯：用于指示有信息通过上行通信接口发送给主板，如果正在发出信息则这一指示灯应闪烁。

“PRX”指示灯：用于指示通过上行通信接口接收到主板发来的信息，如果正在接收信息则这一指示灯应闪烁。

(四)空调参数采集和控制模块

该模块由微处理器、数据存储器、AD采样电路、空调参数传感器接口、红外遥控信号发射电路、数据通信总线接口等构成，如图5所示。空调参数传感器接口外接空调参数传感器，采集的参量经AD采样电路数字化后，由微处理器传送到数据通信总线并传输到主控模块。主控模块的空调控制命令经数据通信总线传输到微处理器，产生红外遥控编码信号，经红外遥控信号发射电路发射，由空调的红外接收器接收并执行相应的控制。原理见图11，该模块以SST89C58单片机为核心，配有看门狗，时钟电路，采集信号经过多路控制选择开关CD4051进入AD转换芯片，为处理器将采集到的信号上传主控模块，，并接受主控模块的命令，通过红外发射电路遥控空调。

MCU选型时采用了具有ISP功能微处理器SST89C58，SST89C58内部具有两块分别为32Kbyte(BANK0)和4KByte(BANK1)的FLASHROM闪存，其中一块作为程序存储器，一块用来存储红外学习的数据。

为了兼容不具有ISP功能的MCU，使用了一片型号为AT24C128的E2PROM。AT24C128的容量为128K Bit，与MCU使用为I2C接口进行数据读写，可用来保存红外学习的数据。

由于空调遥控器大多采用PWM方式进行编码，且不同空调遥控器的指令长度和对逻辑0、1的脉冲宽度定义都不相同，为了保证对各型空调都能够由较好的学习结果，因此在学习会产生大量的数据。故增加一片62C256作为外部数据存储器，保存要进行分析的数据。

用的模数转换IC MAX1136有4个模拟量输入通道可对2路空调的电压、电流共4个模拟量进行转换；使用GAL16V8对2路空调遥控的控制信号进行控制；使用SST89C58上的2个I/O引脚控制两个继电器的动作，使得模块由2路干节点输出；以达到一个空调遥控模块控制2路空调的目的。

通过对MCU对外部扩展IO的赋值来设置控制2路继电器的吸合、断开，达到提供节点输出的目的。由于继电器的输出需要保持，因此增加一片6B273来进行锁存。由于继电器触点通过的电流较大，因此要在常开触点间并联一个电容进行灭弧。

使用传感器将2路空调电流转换为4～20mA的电流信号，输入到空调遥控模块中。由于模数转换IC MAX1136的模拟量输入为电压信号，需通过串接电阻将输入的电流信号变换为电压信号，又因为MAX1136的内部参考电压为4.096V，因此串接的电阻值为200，将输入的4～20mA的电流输入转换为0.8V～4V的电压输入；通过模数转换后，由软件根据所得到空调的电流的值，判断空调的工作状态；

使用传感器将2路非遥控的空调电压转换为4～20mA的电流信号，输入到空调遥控模块中。由于模数转换IC MAX1136的模拟量输入为电压信号，需通过串接电阻将输入的电流信号变换为电压信号，又因为MAX1136的内部参考电压为4.096V，因此串接的电阻值为200，将输入的4～20mA的电流输入转换为0.8V～4V的电压输入；通过模数转换后，由软件根据所得到空调的电压的值，判断非遥控空调的开关状态。

从空调遥控模块设计有供红外接收管输入的接口，将红外接收管将解调后的输入信号及经过74HC14反相的信号分别连接至SST89C58的外部中断输入引脚INT0、INT1，当空调遥控器发出命令的有逻辑发生变化时SST89C58会产生INT0和INT1中断，以供软件对空调遥控器的指令进行分析，达到学习的目的。

在本模块采用了集成数十个品牌的100种型号的空调遥控器指令的遥控IC，在要对空调进行控制时，遥控IC输出的红外遥控信号和SST89C58输出的红外遥控信号分别与逻辑控制单元的控制信号相与，再进行或运算后，当被控制空调的类型在遥控IC的所能控制的类型内时，由逻辑控制单元关断SST89C58的红外输出。遥控IC的输出经由红外发射管，实现控制空调的目的。

逻辑控制由一片GAL16V8来完成，使用GAL16V8对由遥控IC和SST89C58发出的控制信号进行调制(载波38K)，根据空调的类型决定由遥控IC还是SST89C58来控制空调，再根据上位机的命令决定控制2路空调中的某一路。

在设计中采用CAT1161作为看门狗，CAT1161的SDA引脚连接至SST89C58的I/O引脚上。在模块正常运行期间SDA上的电平会不断发生变化，当出现程序跑飞时SDA高电平保持1.6S不变时，CAT1161与SST89C58复位端相连的的引脚就会输出高电平并保持200mS，使SST89C58可靠复位，程序正常运行。

以下就本实用新型的模块化数据采集装置，再简要阐述其中各部分之间关联及所解决的技术问题：

本实用新型的模块化数据采集装置，该装置包括主控模块、环境及动力采集模块、智能数据采集模块和空调参数采集和控制模块，模块之间由一条串行数据通信总线连接，主控模块通过串行数据通信总线采集其它模块的数据和控制信息。参见图1。模块的数量可以根据实际需要进行增加或减少，以克服传统设计的功能单一、通用性差的缺点。

本实用新型所述的模块化数据采集装置，还有如下特征：该装置中的所述主控模块进一步包含用于查看各模块参数的液晶显示器和设置各模块参数的键盘。液晶显示器和键盘采用CN101组件实现。通过键盘和液晶显示器可以浏览各个模块的数据和运行参数，并对各个模块的运行参数进行设置和修改，解决了现场无法查看和设置传感数据的问题。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，所述的智能数据采集模块具有可连接不同类型的传感器的接口，接口由D400-D431、C400-C415、R400-R415构成。接口可以配接不同类型的传感器，解决了传统设计中模块功能单一、通用性差的问题。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，所述传感器接口由二极管D400-D431组成电压保护电路，保护输入电压不高于5.7v，不低于-0.7v，起到电路保护的作用；电容C400-C415构成滤波电路，过滤外部干扰噪声；电阻R400-R415构成电流电压变换电路，将外部传感器的电流信号转换为电压信号。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，所述的智能数据采集模块包括串口扩展芯片U10、光电耦合芯片U5-U7、电平转换芯片U1和U2，由串口扩展芯片出来的信号经过光电耦合后，分别进入U1和U2，将TTL电平转化为RS485和RS232两种电平，对外部智能设备提供RS485和RS232两种电气接口。该模块通过串口与主控模块进行通讯，采集设备数据。串口扩展芯片U10采用16C550、U5-U7采用4N25、U1采用MAX487、U2采用MAX232实现。接口可以连接多个设备，并且传输距离较远，解决了测点少、距离近、规模小的问题。通过总线方式连接，大大减少了***连线，增加了***可靠性和通用性。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，所述空调参数采集和控制模块包含由三极管和电阻元件组成的红外遥控发射电路，用于对空调进行红外遥控。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，包括所述的三极管为两只8050(Q2和Q3)、电阻(R19、R20、R21、R22、R23和R25)。

本实用新型所述的模块化数据采集装置中，所述的空调参数采集和控制模块通过电阻(R3至R9)和滤波电路将一外部传感器的一空调电流信号转化为电压信号，从而采集到所需的空调参数。以配合实现空调控制的功能。

Claims

1.一种模块化数据采集装置，其特征在于：该装置包括主控模块、环境及动力采集模块、智能数据采集模块、空调参数采集和控制模块，模块之间由一条串行数据通信总线连接，主控模块通过串行数据通信总线采集其它模块的数据和控制信息。

2.如权利要求1所述的模块化数据采集装置，其特征在于：该装置中的所述主控模块进一步包含用于查看各模块参数的液晶显示器和设置各模块参数的键盘。

3.如权利要求1或者2所述的模块化数据采集装置，其特征在于：所述的智能数据采集模块具有可连接不同类型的传感器的接口。

4.如权利要求3所述的模块化数据采集装置，其进一步特征在于：所述传感器接口由二极管(D400至D431)组成电压保护电路，保护输入电压不高于5.7v，不低于-0.7v，起到电路保护的作用；电容(C400至C415)构成滤波电路，过滤外部干扰噪声；电阻(R400-R415)构成电流电压变换电路，将外部传感器的电流信号转换为电压信号。

5.如权利要求1所述的模块化数据采集装置，其特征在于：所述的智能数据采集模块包括串口扩展芯片(U10)、光电耦合芯片(U5至U7)、电平转换芯片(U1和U2)，由串口扩展芯片出来的信号经过光电耦合后，分别进入(U1和U2)，将TTL电平转化为RS485和RS232两种电平对外部智能设备提供RS485和RS232两种电气接口；所述的智能数据采集模块通过串口与主控模块进行通讯，采集设备数据。

6.如权利要求1、2或者5所述的模块化数据采集装置，其特征在于：所述空调参数采集和控制模块包含由三极管和电阻元件组成的红外遥控发射电路，用于对空调进行红外遥控。

7.如权利要求6所述的模块化数据采集装置，其特征在于包括：

所述的三极管为两只8050(Q2和Q3)；

所述的电阻(R19、R20、R21、R22、R23和R25)。

8.如权利要求1所述的模块化数据采集装置，其特征在于：所述的参数采集和控制模块通过电阻(R3至R9)和滤波电路将一外部传感器的一电流信号转化为电压信号，从而采集到所需的参数。