一种自适应切换线制的信号采集装置的制作方法

1.本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种自适应切换线制的信号采集装置。


背景技术：

2.对于工业标准信号4-20ma，在工业领域有着广阔的应用。根据相关仪表运用技术的不同，可分为二线制、三线制及四线制仪表。其中二线制与四线制技术运用更为广阔。二线制仪表为只有两根线，一根为电源线，一根为信号线。四线制仪表有四根线，两根为电源线，两根为信号线，电源线与信号线独立。三线制仪表有三根线，一根电源线，一根信号线，一根公共地线。由于该信号种类多样，因此需要相关采集模块具有兼容所有信号类型的采集能力。现有技术基本都是对4-20ma信号采集口预留四个，将信号输入接口与电源输出接口完全分开，根据所要用的仪表类型，连接不同的信号接口。
3.针对现状，测量设备的每个采集通道都预留了四个信号采集口，具有独立的电源接线口与信号接线口。这样会大量占用系统设备空间，造成空间上的浪费。如对于16通道的信号采集模块，需要16*4个接线端子。实际使用时，若检测二线制的仪表，则仅会使用其中的两个接线端子口，如此会增加接线底座或端子板的空间，造成系统机柜空间的浪费，且四个接线端子在接线时，也较容易造成困扰、误接的情况。为此，需要研究新的信号采集装置。
4.如中国专利cn214097611u，公开日2021年8月31日，公开了一种直流电压电流采集记录装置，属于直流电压电流采集技术领域。其经过不断探索以及试验，装配高速32位微控制器，8路模拟量前向处理电路及ad转换器，能够满足实时采集记录数据的性能要求；进而可广泛用于各类直流设备的在线实时监测，也可作为直流电压电流传感器使用。进一步应用高速32位微控制器，数据分析处理能力强；每个被测直流量均采用差分采集，抗共模能力强，支持双极性模拟量采集；直流电流等弱性号的采集，采用仪表放大器，确保信号放大后准确不失真。进一步，8路直流信号均通过低通滤波器，有效滤除燥声和干扰；直流电压可采用0.01％精密无感采样电阻分压，分压稳定准确无漂移。但其技术方案不能降低接线难度。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题：目前缺乏能够降低接线难度的信号采集装置。公开了一种自适应切换线制的信号采集装置，能够降低信号采集时接线的难度。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种自适应切换线制的信号采集装置，包括若干个信号采集口、信号采集控制电路、信号数字转换电路、dcdc隔离电源和磁隔离器，所述信号采集口包括保护电路、信号线制切换电路、第一高压放电电路、第二高压放电电路、信号处理电路、信号输入接口a和信号输入接口b，所述信号输入接口a与二线制的正极线或者四线制的信号负极线连接，所述信号输入接口b与二线制的负极线或者四线制的信号正极线连接，所述信号输入接口a经第一高压放电电路与所述信号线制切换电路连接，所述信号线制切换电路经保护电路与所述dcdc隔离电源连接，所述信号输入接口b通过第二高压放电电路与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路与所述信号采集控制
电路连接，所述信号采集控制电路与所述信号数字转换电路连接，所述信号数字转换电路经所述磁隔离器输出采集信号。
7.作为优选，所述保护电路包括限流电路和防反接电路，所述信号线制切换电路与所述限流电路连接，所述防反接电路与所述防反接电路连接，所述防反接电路与所述dcdc隔离电源连接。
8.作为优选，所述防反电路包括电感l1、电容c2及二级管d3，电感l1一端与dcdc隔离电源正极输出端连接，电感l1另一端与二级管d3阳极及电容c2一端连接，电容c2另一端与dcdc隔离电源负极输出端连接，二级管d3阴极作为防反电路正极输出端。
9.作为优选，所述限流电路包括mos管q5、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电容c3、稳压二级管dz1和稳压二级管dz2，mos管q5漏极与二级管d3阴极连接，mos管q5栅极与稳压二级管dz1阴极连接，mos管q5栅极与信号swa连接，电阻r12与稳压二级管dz1并联，mos管q5源极与电阻r10第一端连接，电阻r10第二端与电容c3第一端连接，电容c3第二段与dcdc隔离电源负极输出端连接，电阻r11两端分别连接mos管q5源极及dcdc隔离电源负极输出端，电阻r13与电阻r11并联，稳压二级管dz2阴极与电容c3第一端连接，稳压二级管dz2阴极作为限流电路输出端正极，稳压二级管dz1阳极及稳压二级管dz2阳极均与dcdc隔离电源负极输出端连接，稳压二级管dz2阳极作为所述限流电路输出端负极。
10.作为优选，所述限流电路还包括信号swa电路，所述信号swa电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17及三极管q6，电阻r14第一端与直流电源vcc连接，三极管q6集电极与电阻r14第二端连接，三极管q6基极与电阻r16第一端连接，电阻r16第二端经电阻r15与直流电源vcc连接，电阻r16第二端与信号采集控制电路的sw_a信号端连接，电阻r17一端接地另一端与电阻r16第二端连接。
11.作为优选，所述第一高压放电电路及第二高压放电电路包括高压双向二极管d4及高压双向二极管d6，高压双向二极管d4及高压双向二极管d6并联，高压双向二极管d4第一端与信号输入接口a或信号输入接口b连接，高压双向二极管d4第二端接地，高压双向二极管d4第一端与所述信号线制切换电路或所述信号处理电路连接。
12.作为优选，还包括信号滤波电路，所述信号滤波电路连接在所述第二高压放电电路和所述信号处理电路之间，所述信号滤波电路包括二级管d1、mos管q1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、稳压二级管dz3及三极管q2，电阻r6第一端与输入信号连接，电阻r6第二端与三极管q2基极连接，三极管q2集电极经电阻r4与输入信号连接，三极管q2发射极接地，三极管q2集电极与电阻r3第一端连接，电阻r3第二端与电阻r1第一端、电阻r2第一端与稳压二级管dz3阳极连接，稳压二级管dz3阴极、电阻r1第二端及mos管q1源极均与直流电源vcc连接，mos管q1栅极与电阻r2第二端连接，mos管q1漏极与二级管d1阳极连接，二级管d1阴极作为滤波电路的输出端。
13.作为优选，所述信号处理电路包括集成运算放大器u47、电阻r24、电阻r25、电阻r26和电阻r28，集成运算放大器u47同相端与滤波电路输出端连接，集成运算放大器u47反相端与nox-a信号端连接，集成运算放大器u47输出端与电阻r25第一端连接，电阻r25第二端经电阻r26接地，电阻r25第二端经电阻r24与信号采集控制电路连接。
14.作为优选，所述信号数字转换电路包括电阻r37、电阻r38、电阻r39、电容c37及转换芯片u34，转换芯片u34的addr引脚经电阻r37与直流电源vcc连接，转换芯片u34的scl引
脚及sda引脚分别经过电阻r38及电阻r39与直流电源vcc连接，转换芯片u34的vdd引脚经电容c37接地，转换芯片u34的ain2引脚与信号采集控制电路连接，转换芯片u34的ain2引脚作为采集信号转换后的输出端。
15.作为优选，还包括mcu，所述信号数字转换电路经所述磁隔离器与mcu连接。
16.本发明的有益技术效果包括：保护电路能够保护信号采集相关的信号线制切换电路及仪表的安全，通过信号接入接口a和信号接入接口b连接被测仪表，使用信号线制切换电路适应不同线制的仪表，从而方便现场接线，不容易错接；通过信号滤波电路对要采集的信号进行滤波，滤除掉其中干扰杂波，保证采集信号的准确性和稳定性；信号采集控制电路为通过串转并器件及模拟开关，将多个输入通道的信号值进行分时采集，节约控制成本。
17.本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
附图说明
18.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
19.图1为本发明实施例信号采集装置结构示意图。
20.图2为本发明实施例限流电路原理图。
21.图3为本发明实施例高压放电电路原理图。
22.图4为本发明实施例信号swa电路原理图。
23.图5为本发明实施例信号滤波电路原理图。
24.图6为本发明实施例信号处理电路原理图。
25.图7为本发明实施例信号数字转换电路原理图。
26.其中：10、dcdc隔离电源，21、防反接电路，22、限流电路，23、信号线制切换电路，24、信号处理电路，25、第一高压放电电路，26、第二高压放电电路，30、信号采集控制电路，40、信号数字转换电路，50、磁隔离器，60、mcu。
具体实施方式
27.下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
28.在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.一种自适应切换线制的信号采集装置，请参阅附图1，包括若干个信号采集口、信号采集控制电路30、信号数字转换电路40、dcdc隔离电源10和磁隔离器50，信号采集口包括保护电路、信号线制切换电路23、第一高压放电电路25、第二高压放电电路26、信号处理电路24、信号输入接口a和信号输入接口b，信号输入接口a与二线制的正极线或者四线制的信号负极线连接，信号输入接口b与二线制的负极线或者四线制的信号正极线连接，信号输入接口a经第一高压放电电路25与信号线制切换电路23连接，信号线制切换电路23经保护电路与dcdc隔离电源10连接，信号输入接口b通过第二高压放电电路26与信号处理电路24连接，信号处理电路24与信号采集控制电路30连接，信号采集控制电路30与信号数字转换电
路40连接，信号数字转换电路40经磁隔离器50输出采集信号。信号线制切换电路23为在接二线制或四线制信号时，根据所要接的信号类型进行设置，从而是输入接口能够实现相应信号的采集。当接二线制仪表时，信号输入接口a与二线制的正极线，信号输入接口b与二线制的负极线。当连接四线制仪表时，信号输入接口a与四线制的信号负极线连接，信号输入接口b与四线制的信号正极线连接，此时，四线制的电源线由外部供电连接。二线制仪表的负极线输出检测信号，二线制仪表的正极线为仪表供电。四线制仪表的信号正极线和信号负极线均输出检测信号。
30.保护电路包括限流电路22和防反接电路21，信号线制切换电路23与限流电路22连接，防反接电路21与防反接电路21连接，防反接电路21与dcdc隔离电源10连接。保护电路为保护信号采集接口处采集电路的第一道防线；限流电路22为限制模块输出电流值的电路，放置短路烧坏电路板或相关器件。防反接电路21为防止误接情况下，有反向大电压输入，导致内部相关器件损坏。
31.请参阅附图2，防反电路包括电感l1、电容c2及二级管d3，电感l1一端与dcdc隔离电源10正极输出端连接，电感l1另一端与二级管d3阳极及电容c2一端连接，电容c2另一端与dcdc隔离电源10负极输出端连接，二级管d3阴极作为防反电路正极输出端。
32.请再次参阅附图2，限流电路22包括mos管q5、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电容c3、稳压二级管dz1和稳压二级管dz2，mos管q5漏极与二级管d3阴极连接，mos管q5栅极与稳压二级管dz1阴极连接，mos管q5栅极与信号swa连接，电阻r12与稳压二级管dz1并联，mos管q5源极与电阻r10第一端连接，电阻r10第二端与电容c3第一端连接，电容c3第二段与dcdc隔离电源10负极输出端连接，电阻r11两端分别连接mos管q5源极及dcdc隔离电源10负极输出端，电阻r13与电阻r11并联，稳压二级管dz2阴极与电容c3第一端连接，稳压二级管dz2阴极作为限流电路22输出端正极，稳压二级管dz1阳极及稳压二级管dz2阳极均与dcdc隔离电源10负极输出端连接，稳压二级管dz2阳极作为限流电路22输出端负极。
33.请参阅附图3，第一高压放电电路25及第二高压放电电路26包括高压双向二极管d4及高压双向二极管d6，高压双向二极管d4及高压双向二极管d6并联，高压双向二极管d4第一端与信号输入接口a或信号输入接口b连接，高压双向二极管d4第二端接地，高压双向二极管d4第一端与信号线制切换电路23或信号处理电路24连接。第一高压放电电路25及第二高压放电电路26为限制输入电压值，防止高电压输入导致后端相关电路损坏。
34.限流电路22还包括信号swa电路，请参阅附图4，信号swa电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17及三极管q6，电阻r14第一端与直流电源vcc连接，三极管q6集电极与电阻r14第二端连接，三极管q6基极与电阻r16第一端连接，电阻r16第二端经电阻r15与直流电源vcc连接，电阻r16第二端与信号采集控制电路30的sw_a信号端连接，电阻r17一端接地另一端与电阻r16第二端连接。
35.还包括信号滤波电路，请参阅附图5，信号滤波电路连接在第二高压放电电路26和信号处理电路24之间，信号滤波电路包括二级管d1、mos管q1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、稳压二级管dz3及三极管q2，电阻r6第一端与输入信号连接，电阻r6第二端与三极管q2基极连接，三极管q2集电极经电阻r4与输入信号连接，三极管q2发射极接地，三极管q2集电极与电阻r3第一端连接，电阻r3第二端与电阻r1第一端、电阻r2第一端与稳压二级管dz3阳极连接，稳压二级管dz3阴极、电阻r1第二端及mos管q1源极均与直流电源vcc连接，
mos管q1栅极与电阻r2第二端连接，mos管q1漏极与二级管d1阳极连接，二级管d1阴极作为滤波电路的输出端。信号滤波电路为对要采集的信号进行滤波，滤除掉其中干扰杂波，保证采集信号的准确性和稳定性。
36.请参阅附图6，信号处理电路24包括集成运算放大器u47、电阻r24、电阻r25、电阻r26和电阻r28，集成运算放大器u47同相端与滤波电路输出端连接，集成运算放大器u47反相端与nox-a信号端连接，集成运算放大器u47输出端与电阻r25第一端连接，电阻r25第二端经电阻r26接地，电阻r25第二端经电阻r24与信号采集控制电路30连接。信号处理电路24为将电流信号转换为采集的电压信号，并设置高阻器件，保证输入的高阻抗，使信号采集不易受到干扰。
37.请参阅附图7，信号数字转换电路40包括电阻r37、电阻r38、电阻r39、电容c37及转换芯片u34，转换芯片u34的addr引脚经电阻r37与直流电源vcc连接，转换芯片u34的scl引脚及sda引脚分别经过电阻r38及电阻r39与直流电源vcc连接，转换芯片u34的vdd引脚经电容c37接地，转换芯片u34的ain2引脚与信号采集控制电路30连接，转换芯片u34的ain2引脚作为采集信号转换后的输出端。信号数字转换电路40经磁隔离器50与mcu 60连接。其中，本实施例提供的信号采集控制电路30通过串转并器件及模拟开关，将多个输入通道的信号值进行分时采集，节约控制成本。信号数字转换电路40为将模拟量的信号专换为数字量的信号，并通过通讯接口转送给模块mcu 60进行处理。
38.本实施例的有益技术效果包括：保护电路能够保护信号采集相关的信号线制切换电路23及仪表的安全，通过信号接入接口a和信号接入接口b连接被测仪表，使用信号线制切换电路23适应不同线制的仪表，从而方便现场接线，不容易错接；通过信号滤波电路对要采集的信号进行滤波，滤除掉其中干扰杂波，保证采集信号的准确性和稳定性；信号采集控制电路30为通过串转并器件及模拟开关，将多个输入通道的信号值进行分时采集，节约控制成本。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

技术特征：
1.一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，包括若干个信号采集口、信号采集控制电路(30)、信号数字转换电路(40)、dcdc隔离电源(10)和磁隔离器(50)，所述信号采集口包括保护电路、信号线制切换电路(23)、第一高压放电电路(25)、第二高压放电电路(26)、信号处理电路(24)、信号输入接口a和信号输入接口b，所述信号输入接口a与二线制的正极线或者四线制的信号负极线连接，所述信号输入接口b与二线制的负极线或者四线制的信号正极线连接，所述信号输入接口a经第一高压放电电路(25)与所述信号线制切换电路(23)连接，所述信号线制切换电路(23)经保护电路与所述dcdc隔离电源(10)连接，所述信号输入接口b通过第二高压放电电路(26)与所述信号处理电路(24)连接，所述信号处理电路(24)与所述信号采集控制电路(30)连接，所述信号采集控制电路(30)与所述信号数字转换电路(40)连接，所述信号数字转换电路(40)经所述磁隔离器(50)输出采集信号。2.根据权利要求1所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述保护电路包括限流电路(22)和防反接电路(21)，所述信号线制切换电路(23)与所述限流电路(22)连接，所述防反接电路(21)与所述防反接电路(21)连接，所述防反接电路(21)与所述dcdc隔离电源(10)连接。3.根据权利要求2所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述防反电路包括电感l1、电容c2及二级管d3，电感l1一端与dcdc隔离电源(10)正极输出端连接，电感l1另一端与二级管d3阳极及电容c2一端连接，电容c2另一端与dcdc隔离电源(10)负极输出端连接，二级管d3阴极作为防反电路正极输出端。4.根据权利要求3所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述限流电路(22)包括mos管q5、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电容c3、稳压二级管dz1和稳压二级管dz2，mos管q5漏极与二级管d3阴极连接，mos管q5栅极与稳压二级管dz1阴极连接，mos管q5栅极与信号swa连接，电阻r12与稳压二级管dz1并联，mos管q5源极与电阻r10第一端连接，电阻r10第二端与电容c3第一端连接，电容c3第二段与dcdc隔离电源(10)负极输出端连接，电阻r11两端分别连接mos管q5源极及dcdc隔离电源(10)负极输出端，电阻r13与电阻r11并联，稳压二级管dz2阴极与电容c3第一端连接，稳压二级管dz2阴极作为限流电路(22)输出端正极，稳压二级管dz1阳极及稳压二级管dz2阳极均与dcdc隔离电源(10)负极输出端连接，稳压二级管dz2阳极作为所述限流电路(22)输出端负极。5.根据权利要求4所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述限流电路(22)还包括信号swa电路，所述信号swa电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17及三极管q6，电阻r14第一端与直流电源vcc连接，三极管q6集电极与电阻r14第二端连接，三极管q6基极与电阻r16第一端连接，电阻r16第二端经电阻r15与直流电源vcc连接，电阻r16第二端与信号采集控制电路(30)的sw_a信号端连接，电阻r17一端接地另一端与电阻r16第二端连接。6.根据权利要求1至5任一项所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述第一高压放电电路(25)及第二高压放电电路(26)包括高压双向二极管d4及高压双向二极管d6，高压双向二极管d4及高压双向二极管d6并联，高压双向二极管d4第一端与信号输入接口a或信号输入接口b连接，高压双向二极管d4第二端接地，高压双向二极管d4第一端与所述信号线制切换电路(23)或所述信号处理电路(24)连接。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，还包括信号滤波电路，所述信号滤波电路连接在所述第二高压放电电路(26)和所述信号处理电路(24)之间，所述信号滤波电路包括二级管d1、mos管q1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、稳压二级管dz3及三极管q2，电阻r6第一端与输入信号连接，电阻r6第二端与三极管q2基极连接，三极管q2集电极经电阻r4与输入信号连接，三极管q2发射极接地，三极管q2集电极与电阻r3第一端连接，电阻r3第二端与电阻r1第一端、电阻r2第一端与稳压二级管dz3阳极连接，稳压二级管dz3阴极、电阻r1第二端及mos管q1源极均与直流电源vcc连接，mos管q1栅极与电阻r2第二端连接，mos管q1漏极与二级管d1阳极连接，二级管d1阴极作为滤波电路的输出端。8.根据权利要求7所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述信号处理电路(24)包括集成运算放大器u47、电阻r24、电阻r25、电阻r26和电阻r28，集成运算放大器u47同相端与滤波电路输出端连接，集成运算放大器u47反相端与nox-a信号端连接，集成运算放大器u47输出端与电阻r25第一端连接，电阻r25第二端经电阻r26接地，电阻r25第二端经电阻r24与信号采集控制电路(30)连接。9.根据权利要求1至5任一项所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，所述信号数字转换电路(40)包括电阻r37、电阻r38、电阻r39、电容c37及转换芯片u34，转换芯片u34的addr引脚经电阻r37与直流电源vcc连接，转换芯片u34的scl引脚及sda引脚分别经过电阻r38及电阻r39与直流电源vcc连接，转换芯片u34的vdd引脚经电容c37接地，转换芯片u34的ain2引脚与信号采集控制电路(30)连接，转换芯片u34的ain2引脚作为采集信号转换后的输出端。10.根据权利要求1至5任一项所述的一种自适应切换线制的信号采集装置，其特征在于，还包括mcu(60)，所述信号数字转换电路(40)经所述磁隔离器(50)与mcu(60)连接。

技术总结
本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种自适应切换线制的信号采集装置，包括若干个信号采集口、信号采集控制电路、信号数字转换电路、DCDC隔离电源和磁隔离器，信号采集口包括保护电路、信号线制切换电路、第一高压放电电路、第二高压放电电路、信号处理电路、信号输入接口A和信号输入接口B，信号输入接口A经第一高压放电电路与信号线制切换电路连接，信号输入接口B通过第二高压放电电路与信号处理电路连接，信号处理电路与信号采集控制电路连接，信号采集控制电路与信号数字转换电路连接，信号数字转换电路经磁隔离器输出采集信号。本发明的有益技术效果包括：方便现场接线，不容易错接，保证采集信号的准确性和稳定性。保证采集信号的准确性和稳定性。保证采集信号的准确性和稳定性。


技术研发人员：张创勋 井俊宝 施忠民 程优清 蔡丽娜 宛帅成
受保护的技术使用者：浙江正泰中自控制工程有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/23