一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于與一組傳感器輸出信號一一對應(yīng)連接的一組測量電路，各測量電路均由輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字隔離電路順次相連構(gòu)成，所述各測量電路的輸出端與一用于數(shù)字信號組幀的FPGA的信號輸入端連接，F(xiàn)PGA的信號輸出端與主控制器連接。本測量系統(tǒng)中具有多路測量電路，每路測量電路都采用單獨(dú)的輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)了各測量電路之間的隔離，任意一路測量電路損壞不影響其它部分電路的正常工作；在各測量電路的輸出端利用FPGA將各路數(shù)據(jù)按既定協(xié)議組幀后送給CPU，降低了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了運(yùn)行速度。
【專利說明】一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于工業(yè)測量領(lǐng)域，特別是對精度要求高、測試條件、測試環(huán)境惡劣的工業(yè)測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常用的測量系統(tǒng)，一般使用以熱敏電阻為基礎(chǔ)，利用其電阻值和溫度成一定函數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)，把溫度、壓力等非電量的變化轉(zhuǎn)化為阻抗的變化進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)化為電學(xué)量后，利用運(yùn)算放大器處理模擬量并輸入處理器，再由處理器根據(jù)熱敏電阻的阻抗與電壓的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出阻抗，從而間接的得出溫度、壓力等。
[0003]由于系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性，在工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中，必須將測量系統(tǒng)和控制、顯示系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離，目前測量系統(tǒng)的隔離部分一般都是都在電路的輸入端先對模擬量隔離，隔離后的模擬量再進(jìn)行調(diào)理、放大等處理，這種隔離的優(yōu)勢是能更好的保護(hù)后級電路的相關(guān)元件、穩(wěn)定性好。但是，在前端進(jìn)行隔離存在抗干擾能力差、測量精度低、穩(wěn)定性差等問題；另外，目前的模擬隔離芯片輸入范圍都很窄，容易引入干擾，且干擾不易去除。
[0004]中國專利號201210479277.8公開了一種測量大電流的智能傳感器，信號處理濾波電路對所轉(zhuǎn)換的電壓信號處理和濾波，送入AD芯片，AD芯片將測量信號處理濾波電路輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字濾波后，通過數(shù)字隔離及DC/DC轉(zhuǎn)換模塊和主CPU及CAN通訊模塊通信。上述測量電路只針對一路采集通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果同時(shí)有多個(gè)通道同時(shí)采集處理，該測量電路中CPU需與各通道通信連接，增加了 CPU的負(fù)擔(dān)，使其處理速度較為緩慢，無法滿足使用要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有測量系統(tǒng)處理速度慢的問題。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于與一組傳感器輸出信號一一對應(yīng)連接的一組測量電路，各測量電路均由輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字隔離電路順次相連構(gòu)成，所述各測量電路的輸出端與一用于數(shù)字信號組幀的FPGA的信號輸入端連接，F(xiàn)PGA的信號輸出端與主控制器連接。
[0006]所述AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離電路、FPGA和主控制器之間均通過SPI通信連接。
[0007]所述輸入調(diào)理電路包括正、負(fù)輸入端之間連接的由測量電阻和分壓電阻串聯(lián)構(gòu)成的電壓測量支路，還包括一個(gè)用于在測量電流信號時(shí)與電壓測量支路并聯(lián)的電流測量支路，所述電流測量支路上串設(shè)有兩個(gè)用于在測量電流信號時(shí)短接的連接端子；所述分壓電阻的兩端引出所述輸入調(diào)理電路的正、負(fù)輸出端。
[0008]本測量系統(tǒng)中具有多路測量電路，每路測量電路都采用單獨(dú)的輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)了各測量電路之間的隔離，任意一路測量電路損壞不影響其它部分電路的正常工作；在各測量電路的輸出端利用FPGA將各路數(shù)據(jù)按既定協(xié)議組幀后送給CPU，降低了 CPU的負(fù)擔(dān)，提高了運(yùn)行速度。采用對AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號隔離的方式，在AD轉(zhuǎn)換電路和FPGA之間增加前后級電路的隔離，避免了任意一路測量電路損壞而影響整個(gè)測量系統(tǒng)的正常工作；并且前后級電路隔離電壓高，隔離芯片相對于數(shù)字信號的傳輸是透明的，隔離對系統(tǒng)的測量精度和線性度均沒有影響；另外，對數(shù)字信號隔離可以避免模擬隔離時(shí)由于隔離芯片的性能而引入干擾，從而造成系統(tǒng)測量精度和線性度的降低。該測量系統(tǒng)測量精度高，性能穩(wěn)定，適合工業(yè)領(lǐng)域?qū)纫蟾摺y試環(huán)境惡劣的相關(guān)模擬量的測量。
[0009]輸入調(diào)理電路的電流測量支路上串設(shè)有兩個(gè)用于在測量電流信號時(shí)短接的連接端子，在斷開兩連接端子時(shí)對電壓信號進(jìn)行測量，如果輸入是電流信號，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號以適合后級放大電路，并將輸入信號處理成適合放大電路輸入范圍的電壓信號，實(shí)現(xiàn)了輸入信號的靈活轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型的原理框圖；
[0011]圖2輸入調(diào)理電路原理圖；
[0012]圖3精密放大電路原理圖；
[0013]圖4AD轉(zhuǎn)換電路原理圖；
[0014]圖5數(shù)字隔離電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步介紹。
[0016]如圖1所示為本實(shí)用新型基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)實(shí)施例的原理框圖，由圖可知，該測量系統(tǒng)包括用于與一組傳感器輸出信號一一對應(yīng)連接的一組測量電路，各測量電路均由輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字隔離電路順次相連構(gòu)成，各測量電路的輸出端與用于數(shù)字信號組幀的FPGA的信號輸入端連接，F(xiàn)PGA的信號輸出端與主控制器連接。
[0017]本實(shí)施例的AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離電路、FPGA和主控制器之間均通過SPI通信連接。
[0018]由于前端傳感器輸出的信號可以是電壓信號或電流信號，并且輸出的電壓或電流信號一般范圍比較寬，而后級放大電路的輸入范圍只取決于供電電源電壓，所以首先需要對傳感器輸入的電壓或電流信號進(jìn)行處理，將電壓信號處理成適合放大電路輸入范圍的電壓信號，如果輸入是電流信號，則需要將電流信號通過輸入調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號以適合后級放大電路。本實(shí)施例的輸入調(diào)理電路如圖2所示，該電路包括正、負(fù)輸入端(IN+、IN-)之間連接的由測量電阻R25、R26和分壓電阻R9、RlO串聯(lián)構(gòu)成的電壓測量支路，還包括一個(gè)用于在測量電流信號時(shí)與電壓測量支路并聯(lián)的電流測量支路，電流測量支路上串設(shè)有電阻Rl和兩個(gè)用于在測量電流信號時(shí)短接的連接端子I和2 ;分壓電阻的兩端引出輸入調(diào)理電路的正、負(fù)輸出端(OUT+、OUT-)。
[0019]輸入調(diào)理電路的測量原理如下:分壓電阻R9、RlO和分壓電阻R25、R26串聯(lián)后再與電阻Rl并聯(lián)，串聯(lián)后的R9、R10、R25、R26阻值相對于電阻Rl阻值為無窮大。當(dāng)跳針JPl跳到2、3時(shí)，電阻Rl斷開，用于測量電壓輸入信號；當(dāng)JPl跳到1、2時(shí)電阻Rl并入回路，用于測量電流輸入信號，因此輸入信號可以是電壓信號或者是電流信號。如果輸入信號是電壓信號，則通過電阻R9、RlO、R25、R26組成的分壓電路進(jìn)行分壓，OUT+、OUT-之間的電壓即為分得的電壓，本系統(tǒng)的分壓系數(shù)為0.8 ;如果輸入是電流信號則通過電阻Rl產(chǎn)生電壓，由于串聯(lián)后的R9、RIO、R25、R26阻值相對于Rl阻值為無窮大，因此Rl兩端的電壓即為后級放大電路的輸入電壓。
[0020]通過調(diào)理電路后的輸出信號進(jìn)入精密儀表放大電路，本實(shí)施例的放大電路采用精密儀表放大器，具有測量精度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，電路的靜態(tài)電流為700 μ A，電路采用差分輸入,輸入范圍寬,最大可以達(dá)到±40V，放大倍數(shù)可以在I~1000之間任意調(diào)節(jié)；電路偏置電壓不大于50 μ V,輸入偏置電流不大于5ηΑ ;電路共模抑制比不小于120dB,該放大電路的供電電源輸入范圍可以從±2.25V到±18V。該電路可有效抑制共模干擾信號和差模干擾信號，提高電路的抗干擾性能，以適應(yīng)惡劣的測量環(huán)境。
[0021]如圖3所示，電容C25、C196、C129、C204用于正負(fù)電源上的濾波，放大電阻(圖中未示出)用于調(diào)節(jié)儀表放大器的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)與放大電阻的關(guān)系為:放大倍數(shù)=l+50kQ/R放大，放大電阻不安裝時(shí)放大倍數(shù)為I。電阻R41、R42與電容Cl、C2、C17組成RC濾波回路，用于濾除輸入信號的共模干擾和差模干擾，根據(jù)輸入信號的頻率，選擇合適
的濾波回路的截止頻率，然后根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括用于與一組傳感器輸出信號 對應(yīng)連接的一組測量電路，各測量電路均由輸入調(diào)理電路、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字隔離電路順次相連構(gòu)成，所述各測量電路的輸出端與一用于數(shù)字信號組幀的FPGA的信號輸入端連接，F(xiàn)PGA的信號輸出端與主控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離電路、FPGA和主控制器之間均通過SPI通信連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于數(shù)字隔離的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述輸入調(diào)理電路包括正、負(fù)輸入端之間連接的由測量電阻和分壓電阻串聯(lián)構(gòu)成的電壓測量支路，還包括一個(gè)用于在測量電流信號時(shí)與電壓測量支路并聯(lián)的電流測量支路，所述電流測量支路上串設(shè)有兩個(gè)用于在測量電流信號時(shí)短接的連接端子；所述分壓電阻的兩端引出所述輸入調(diào)理電路的正、負(fù)輸出端。
【文檔編號】G01D21/00GK203464953SQ201320590807
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】馬國紅, 王振華, 陳智杰, 郭震, 趙會彬, 孫瑩瑩, 馬儀成, 胡凱利 申請人:許繼集團(tuán)有限公司, 許繼電氣股份有限公司, 許昌許繼軟件技術(shù)有限公司