一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器论文和设计-乔爱民

全文摘要

本实用新型公开了一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器，包括有嵌入式MCU、电源变换电路、多路模数转换电路和RS485通信转换电路，所述的电源变换电路包括有数字电源电路、电压转换电路和激励电源转换电路。本实用新型通过高精度的电源变换电路获得传感器的激励电源、以及嵌入式MCU和ADC的电源。本实用新型中的每路模数转换电路采用24位高性价比的Σ‑Δ型ADC，可实现较高速度的多通道的并行数据采集，嵌入式MCU采用高速CIP‑51内核的C8051F340嵌入式MCU，采用拨码开关设置关键串行通信参数的方式可避免由于不知道默认的关键通信参数如波特率、地址、数据帧格式等而造成的无法通信的问题，可以保证用户快速可靠实现异步串行通信。

主设计要求

1.一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器，其特征在于：包括有嵌入式MCU、电源变换电路、多路模数转换电路和RS485通信转换电路，所述的电源变换电路包括有数字电源电路、电压转换电路和激励电源转换电路；所述的数字电源电路包括有自恢复保险丝F1、二极管D3、二极管D5、电容C42、电容C43和电解电容C92，自恢复保险丝F1的一端与24V电源连接，二极管D3的正极与自恢复保险丝F1的另一端连接，电容C42的一端、电容C43的一端、电解电容C92的正极均与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极输出24V直流电源，电容C42的另一端、电容C43的另一端、电解电容C92的负极均与数字地24VGND连接，数字地24VGND通过二极管D5与24V电源接地端连接；所述的电压转换电路包括有AC\/DC电源变换器U1、电阻R19、电阻R20、电容C40、电容C35、二极管D4、电感L1、电解电容C90、电解电容C91、电容C44、LDO直流变换器U3和LDO直流变换器U4，AC\/DC电源变换器U1的BOOT脚与PH脚之间连接有电容C35，电阻R19的一端、电阻R20的一端均与AC\/DC电源变换器U1的VSENSE脚连接，电阻R20的另一端连接与数字地24VGND连接，电容C40的一端、AC\/DC电源变换器U1的VIN脚均与24V直流电源连接，二极管D4的正极、电感L1的一端均与AC\/DC电源变换器U1的PH脚连接，电解电容C90的正极、电解电容C91的正极、电容C44的一端、电阻R19的另一端、LDO直流变换器U3的输入端、LDO直流变换器U4的输入端均与电感L1的另一端连接且电感L1的另一端输出5V稳压直流电源，AC\/DC电源变换器U1的GND脚、电容C40的另一端、二极管D4的负极、电解电容C90的负极、电解电容C91的负极、电容C44的另一端均接地，LDO直流变换器U3的输出端和LDO直流变换器U4的输出端均输出为3.3V直流电源；所述的激励电源转换电路即低通滤波电路，5V稳压直流电源通过低通滤波电路产生传感器5V激励电源；每路模数转换电路均包括有24位的Σ-Δ型ADC、两路二阶无源低通滤波电路和若干电阻和电容，一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN+端连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN-端连接，一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN+脚连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN-脚连接，Σ-Δ型ADC的输出端与嵌入式MCU的两线同步串行接口连接；所述的RS485通信转换电路包括有TTL和RS485电平转换芯片U5、RS485接口P3、TVS二极管D1、TVS二极管D2和若干电阻和电容，TTL和RS485电平转换芯片U5的DE脚、脚均与嵌入式MCU的DIR脚连接，TTL和RS485电平转换芯片U5的D脚与嵌入式MCU的TXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的R脚与嵌入式MCU的RXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的A脚和B脚均与RS485接口P3连接。

设计方案

技术领域

本实用新型涉及工业自动化现场数据采集领域，具体是一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器。

背景技术

在工业自动化应用领域，现场多种物理量的数据采集是实现自动控制功能的重要一环，一般而言，将非电学物理量或者不宜直接被自动控制系统直接处理的电学物理量一般由传感器按照一定规律将其转换为便于处理的电学量，对传感器的输出信号进行调理及传输是现场数据采集的重点。多通道的数据采集系统一般用于传感器应用数量较多的场合，目前，基于嵌入式微控制的多通道数据采集一般采用采用串行的方式，其优点是节省成本，但由于采用对多通道依次轮询的方式，通道数越多则轮询时间较长，导致效率较为低下。而在一些多通道的数据采集应用中，对转换速率、转换效率等有着较高的要求，采用串行方式进行数据采集显然难以胜任。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器，采用并行采集方式对多个传感器的输出信号进行滤波、数模转换等处理，并由嵌入式MCU对采集到的数据进行处理后，通过标准的RS485总线将采集结果对外传输，并可依靠标准的RS485总线接口和其他的智能设备进行数据交互。

本实用新型的技术方案为：

一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器，包括有嵌入式MCU、电源变换电路、多路模数转换电路和RS485通信转换电路，所述的电源变换电路包括有数字电源电路、电压转换电路和激励电源转换电路；所述的数字电源电路包括有自恢复保险丝F1、二极管D3、二极管D5、电容C42、电容C43和电解电容C92，自恢复保险丝F1的一端与24V电源连接，二极管D3的正极与自恢复保险丝F1的另一端连接，电容C42的一端、电容C43的一端、电解电容C92的正极均与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极输出24V直流电源，电容C42的另一端、电容C43的另一端、电解电容C92的负极均与数字地24VGND连接，数字地24VGND通过二极管D5与24V电源接地端连接；所述的电压转换电路包括有AC\/DC电源变换器U1、电阻R19、电阻R20、电容C40、电容C35、二极管D4、电感L1、电解电容C90、电解电容C91、电容C44、LDO直流变换器U3和LDO直流变换器U4，AC\/DC电源变换器U1的BOOT脚与PH脚之间连接有电容C35，电阻R19的一端、电阻R20的一端均与AC\/DC电源变换器U1的VSENSE脚连接，电阻R20的另一端连接与数字地24VGND连接，电容C40的一端、AC\/DC电源变换器U1的VIN脚均与24V直流电源连接，二极管D4的正极、电感L1的一端均与AC\/DC电源变换器U1的PH脚连接，电解电容C90的正极、电解电容C91的正极、电容C44的一端、电阻R19的另一端、LDO直流变换器U3的输入端、LDO直流变换器U4的输入端均与电感L1的另一端连接且电感L1的另一端输出5V稳压直流电源，AC\/DC电源变换器U1的GND脚、电容C40的另一端、二极管D4的负极、电解电容C90的负极、电解电容C91的负极、电容C44的另一端均接地，LDO直流变换器U3的输出端和LDO直流变换器U4的输出端均输出为3.3V直流电源；所述的激励电源转换电路即低通滤波电路，5V稳压直流电源通过低通滤波电路产生传感器5V激励电源；每路模数转换电路均包括有24位的Σ-Δ型ADC、两路二阶无源低通滤波电路和若干电阻和电容，一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN+端连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN-端连接，一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN+脚连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN-脚连接，Σ-Δ型ADC的输出端与嵌入式MCU的两线同步串行接口连接；所述的RS485通信转换电路包括有TTL和RS485电平转换芯片U5、RS485接口P3、TVS二极管D1、TVS二极管D2和若干电阻和电容，TTL和RS485电平转换芯片U5的DE脚、RE脚均与嵌入式MCU的DIR脚连接，TTL和RS485电平转换芯片U5的D脚与嵌入式MCU的TXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的R脚与嵌入式MCU的RXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的A脚和B脚均与RS485接口P3连接。

所述的并行信号采集数字变送器还包括有拨码开关接口电路，拨码开关接口电路包括有8位拨码开关S1和八个上拉电阻，8位拨码开关S1的每一位均通过对应的上拉电阻与嵌入式MCU的I\/O口连接。

所述的并行信号采集数字变送器还包括有USB接口电路，USB接口电路包括有全速USB接口USB1，全速USB接口USB1的引脚1-3分别与嵌入式MCU的D+脚、D-脚、VBUS脚一一对应连接。

所述的激励电源转换电路为两路，即包括有两路低通滤波电路，每路低通滤波电路均输出5V激励电源。

所述的两路二阶无源低通滤波电路的接地端均为模拟地AGND，所述的数字地24VGND、模拟地AGND和电源地通过0欧电阻R38及R39进行隔离，即电阻R38的一端、电阻R39的一端均与数字地24VGND连接，电阻R38的另一端与模拟地AGND连接，电阻R39的另一端与电源地连接。

所述的两路二阶无源低通滤波电路中均连接有对应的双向瞬态抑制二极管，每路二阶无源低通滤波电路均包括有串联的第一阶无源低通滤波电路和第二阶无源低通滤波电路，第一阶无源低通滤波电路的输出端和第二阶无源低通滤波电路的输入端均与双向瞬态抑制二极管的一端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端连接模拟地AGND。

所述的嵌入式MCU选用型号为C8051F340的嵌入式MCU。

所述的并行信号采集数字变送器包括有八路模数转换电路，供八个传感器进行模数信号转换。

本实用新型的优点：

本实用新型通过高精度的电源变换电路获得传感器的激励电源、以及嵌入式MCU和ADC的电源；每路模数转换电路可以根据传感器的输出信号大小选择是否对传感器的输出信号进行幅值变换，并对传感器的信号进行低通及抗混叠滤波等处理后送高性价比的24位ADC进行模数转换，转换结果由嵌入式MCU进行处理。MCU对ADC的转换结果进行变换及处理，并将处理结果通过RS485总线接口对外传输，在RS485通信参数配置上，关键的通信参数如波特率、串行数据帧格式，数字变送器地址等可采用拨码开关进行设置，便于用户快速实现通信功能，其他的一些系统参数及功能如满度校准、零点校准等可通过其他的上位机利用RS485或USB接口进行相应操作和配置。

本实用新型中的每路模数转换电路采用24位高性价比的Σ-Δ型ADC，在保证成本的基础上，可实现较高速度的多通道的并行数据采集，嵌入式MCU采用高速CIP-51内核的C8051F340单片机，采用拨码开关设置关键串行通信参数的方式可避免由于可能不知道默认的关键通信参数如波特率、地址、数据帧格式等而造成的无法通信的问题，可以保证用户快速可靠实现异步串行通信，实用方便，同时每路模数转换电路可实现最高24位的模数转换精度。本实用新型模数转换电路的最大通道数可达13路，当需要更多的通道时，可以通过嵌入式MCU双串口中的一个或者USB总线进行扩展。

附图说明

图1是本实用新型数字电源电路的电路图。

图2是本实用新型电压转换电路的电路图。

图3是本实用新型激励电源转换电路的电路图。

图4是本实用新型每路模数转换电路的电路图。

图5是本实用新型嵌入式MCU的电路图。

图6是本实用新型RS485通信转换电路的电路图。

图7是本实用新型拨码开关接口电路的电路图。

图8是本实用新型USB接口电路的电路图。

图9是本实用新型数字地24VGND、模拟地AGND和电源地的隔离电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器，包括有嵌入式MCU、电源变换电路、八路模数转换电路、RS485通信转换电路、拨码开关接口电路和USB接口电路，电源变换电路包括有数字电源电路、电压转换电路和激励电源转换电路；

见图1，数字电源电路包括有自恢复保险丝F1、二极管D3、二极管D5、电容C42、电容C43和电解电容C92，自恢复保险丝F1的一端与24V电源连接，二极管D3的正极与自恢复保险丝F1的另一端连接，电容C42的一端、电容C43的一端、电解电容C92的正极均与二极管D3的负极连接，二极管D3的负极输出24V直流电源，电容C42的另一端、电容C43的另一端、电解电容C92的负极均与数字地24VGND连接，数字地24VGND通过二极管D5与24V电源接地端连接；

见图2，电压转换电路包括有AC\/DC电源变换器U1、电阻R19、电阻R20、电容C40、电容C35、二极管D4、电感L1、电解电容C90、电解电容C91、电容C44、LDO直流变换器U3和LDO直流变换器U4，AC\/DC电源变换器U1的BOOT脚与PH脚之间连接有电容C35，电阻R19的一端、电阻R20的一端均与AC\/DC电源变换器U1的VSENSE脚连接，电阻R20的另一端连接与数字地24VGND连接，电容C40的一端、AC\/DC电源变换器U1的VIN脚均与24V直流电源连接，二极管D4的正极、电感L1的一端均与AC\/DC电源变换器U1的PH脚连接，电解电容C90的正极、电解电容C91的正极、电容C44的一端、电阻R19的另一端、LDO直流变换器U3的输入端、LDO直流变换器U4的输入端均与电感L1的另一端连接且电感L1的另一端输出5V稳压直流电源，AC\/DC电源变换器U1的GND脚、电容C40的另一端、二极管D4的负极、电解电容C90的负极、电解电容C91的负极、电容C44的另一端均接地，LDO直流变换器U3的输出端和LDO直流变换器U4的输出端均输出为3.3V直流电源；U1为高效率的基于PWM调制的AC\/DC电源变换器，电流输出可最大至3安培，通过电阻R19、R20及D4、L1和C90等器件组成的电路将24V直流电源输入调节为5V稳压直流电源；

见图3，激励电源转换电路包括有两路低通滤波电路，5V稳压直流电源分别通过每路低通滤波电路产生传感器5V激励电源；

见图4和图5，每路模数转换电路均包括有24位的Σ-Δ型ADC、两路二阶无源低通滤波电路和若干电阻和电容，一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN+端连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输入端与传感器输出的差分信号1IN-端连接，一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN+脚连接，另一路二阶无源低通滤波电路的输出端与Σ-Δ型ADC的AIN-脚连接，Σ-Δ型ADC的输出端与嵌入式MCU的两线同步串行接口连接；其中，两路二阶无源低通滤波电路中均连接有对应的双向瞬态抑制二极管(TV7和TV8)，每路二阶无源低通滤波电路均包括有串联的第一阶无源低通滤波电路和第二阶无源低通滤波电路，第一阶无源低通滤波电路的输出端和第二阶无源低通滤波电路的输入端均与双向瞬态抑制二极管的一端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端连接模拟地AGND,TV7和TV8可防止过高的脉冲干扰损坏器件；J1为传感器模拟差分信号输出接口，当将VIN1-与AGND连接时，同样适用于单极性的模拟信号输入；通过二阶无源低通滤波后送入24位的Σ-Δ型ADC进行AD转换，ADC内部集成由可编程增益放大器，最大增益可配置为128倍，转换的数字量通过两线同步串行接口由嵌入式MCU读取；

见图5和图6，RS485通信转换电路包括有TTL和RS485电平转换芯片U5、RS485接口P3、TVS二极管D1、TVS二极管D2和若干电阻和电容，TTL和RS485电平转换芯片U5的DE脚、RE脚均与嵌入式MCU的DIR脚连接，TTL和RS485电平转换芯片U5的D脚与嵌入式MCU的TXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的R脚与嵌入式MCU的RXDO脚连接,TTL和RS485电平转换芯片U5的A脚和B脚均与RS485接口P3连接。

见图5和图7，拨码开关接口电路包括有8位拨码开关S1和八个上拉电阻(R52-R59)，8位拨码开关S1的每一位均通过对应的上拉电阻与与嵌入式MCU的I\/O口连接；S1为8位的拨码开关，其中的三位用于串口波特率设置，另外5位用于数字变送器的地址设置，通过上拉电阻与嵌入式MCU的I\/O口连接，通过拨码开关设置关键的串口通信参数可有效避免在由软件设置通信参数可能导致的通信连接不上的情况。

见图5和图8，USB接口电路包括有全速USB接口USB1，全速USB接口USB1的引脚1-3分别与嵌入式MCU的D+脚、D-脚、VBUS脚一一对应连接。

其中，两路二阶无源低通滤波电路的接地端均为模拟地AGND，见图9，数字地24VGND、模拟地AGND和电源地通过0欧电阻R38及R39进行隔离，即电阻R38的一端、电阻R39的一端均与数字地24VGND连接，电阻R38的另一端与模拟地AGND连接，电阻R39的另一端与电源地连接。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

设计图

一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器论文和设计

一种多通道高精度的并行信号采集数字变送器论文和设计-乔爱民

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