一种基于数字隔离的测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于数字隔离的测量系统，该系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。本测量系统中具有多路测量电路，每路测量电路都采用单独的输入调理电路、放大电路、AD转换电路、数字隔离电路，从而实现了各测量电路之间的隔离，任意一路测量电路损坏不影响其它部分电路的正常工作；在各测量电路的输出端利用FPGA将各路数据按既定协议组帧后送给CPU，降低了CPU的负担，提高了运行速度。
【专利说明】一种基于数字隔离的测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于工业测量领域，特别是对精度要求高、测试条件、测试环境恶劣的工业测量领域，具体涉及一种基于数字隔离的测量系统。
【背景技术】
[0002]目前常用的测量系统，一般使用以热敏电阻为基础，利用其电阻值和温度成一定函数关系的特点，把温度、压力等非电量的变化转化为阻抗的变化进行测量，转化为电学量后，利用运算放大器处理模拟量并输入处理器，再由处理器根据热敏电阻的阻抗与电压的函数关系，计算出阻抗，从而间接的得出温度、压力等。
[0003]由于系统的抗干扰性和可靠性，在工业测量和控制系统中，必须将测量系统和控制、显示系统进行电气隔离，目前测量系统的隔离部分一般都是都在电路的输入端先对模拟量隔离，隔离后的模拟量再进行调理、放大等处理，这种隔离的优势是能更好的保护后级电路的相关元件、稳定性好。但是，在前端进行隔离存在抗干扰能力差、测量精度低、稳定性差等问题；另外，目前的模拟隔离芯片输入范围都很窄，容易引入干扰，且干扰不易去除。
[0004]中国专利号201210479277.8公开了一种测量大电流的智能传感器，信号处理滤波电路对所转换的电压信号处理和滤波，送入AD芯片，AD芯片将测量信号处理滤波电路输出电压转换成数字信号，经过数字滤波后，通过数字隔离及DC/DC转换模块和主CPU及CAN通讯模块通信。上述测量电路只针对一路采集通道的数据进行处理，如果同时有多个通道同时采集处理，该测量电路中CPU需与各通道通信连接，增加了 CPU的负担，使其处理速度较为缓慢，无法满足使用要求。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种基于数字隔离的测量系统，以解决现有测量系统处理速度慢的问题。为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是:一种基于数字隔离的测量系统，该系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。
[0006]所述AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。
[0007]所述输入调理电路包括正、负输入端之间连接的由测量电阻和分压电阻串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，所述电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子；所述分压电阻的两端引出所述输入调理电路的正、负输出端。
[0008]本测量系统中具有多路测量电路，每路测量电路都采用单独的输入调理电路、放大电路、AD转换电路、数字隔离电路，从而实现了各测量电路之间的隔离，任意一路测量电路损坏不影响其它部分电路的正常工作；在各测量电路的输出端利用FPGA将各路数据按既定协议组帧后送给CPU，降低了 CPU的负担，提高了运行速度。采用对AD转换后的数字信号隔离的方式，在AD转换电路和FPGA之间增加前后级电路的隔离，避免了任意一路测量电路损坏而影响整个测量系统的正常工作；并且前后级电路隔离电压高，隔离芯片相对于数字信号的传输是透明的，隔离对系统的测量精度和线性度均没有影响；另外，对数字信号隔离可以避免模拟隔离时由于隔离芯片的性能而引入干扰，从而造成系统测量精度和线性度的降低。该测量系统测量精度高，性能稳定，适合工业领域对精度要求高、测试环境恶劣的相关模拟量的测量。
[0009]输入调理电路的电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子，在断开两连接端子时对电压信号进行测量，如果输入是电流信号，将电流信号转换成电压信号以适合后级放大电路，并将输入信号处理成适合放大电路输入范围的电压信号，实现了输入信号的灵活转换调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的原理框图；
[0011]图2输入调理电路原理图；
[0012]图3精密放大电路原理图；
[0013]图4AD转换电路原理图；
[0014]图5数字隔离电路原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。
[0016]如图1所示为本实用新型基于数字隔离的测量系统实施例的原理框图，由图可知，该测量系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，各测量电路的输出端与用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。
[0017]本实施例的AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。
[0018]由于前端传感器输出的信号可以是电压信号或电流信号，并且输出的电压或电流信号一般范围比较宽，而后级放大电路的输入范围只取决于供电电源电压，所以首先需要对传感器输入的电压或电流信号进行处理，将电压信号处理成适合放大电路输入范围的电压信号，如果输入是电流信号，则需要将电流信号通过输入调理电路转换成电压信号以适合后级放大电路。本实施例的输入调理电路如图2所示，该电路包括正、负输入端(IN+、IN-)之间连接的由测量电阻R25、R26和分压电阻R9、RlO串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，电流测量支路上串设有电阻Rl和两个用于在测量电流信号时短接的连接端子I和2 ;分压电阻的两端引出输入调理电路的正、负输出端(OUT+、OUT-)。
[0019]输入调理电路的测量原理如下:分压电阻R9、RlO和分压电阻R25、R26串联后再与电阻Rl并联，串联后的R9、R10、R25、R26阻值相对于电阻Rl阻值为无穷大。当跳针JPl跳到2、3时，电阻Rl断开，用于测量电压输入信号；当JPl跳到1、2时电阻Rl并入回路，用于测量电流输入信号，因此输入信号可以是电压信号或者是电流信号。如果输入信号是电压信号，则通过电阻R9、RlO、R25、R26组成的分压电路进行分压，OUT+、OUT-之间的电压即为分得的电压，本系统的分压系数为0.8 ;如果输入是电流信号则通过电阻Rl产生电压，由于串联后的R9、RIO、R25、R26阻值相对于Rl阻值为无穷大，因此Rl两端的电压即为后级放大电路的输入电压。
[0020]通过调理电路后的输出信号进入精密仪表放大电路，本实施例的放大电路采用精密仪表放大器，具有测量精度高、功耗低的优点，电路的静态电流为700 μ A，电路采用差分输入,输入范围宽,最大可以达到±40V，放大倍数可以在I~1000之间任意调节；电路偏置电压不大于50 μ V,输入偏置电流不大于5ηΑ ;电路共模抑制比不小于120dB,该放大电路的供电电源输入范围可以从±2.25V到±18V。该电路可有效抑制共模干扰信号和差模干扰信号，提高电路的抗干扰性能，以适应恶劣的测量环境。
[0021]如图3所示，电容C25、C196、C129、C204用于正负电源上的滤波，放大电阻(图中未示出)用于调节仪表放大器的放大倍数，放大倍数与放大电阻的关系为:放大倍数=l+50kQ/R放大，放大电阻不安装时放大倍数为I。电阻R41、R42与电容Cl、C2、C17组成RC滤波回路，用于滤除输入信号的共模干扰和差模干扰，根据输入信号的频率，选择合适
的滤波回路的截止频率，然后根据公式
【权利要求】
1.一种基于数字隔离的测量系统，其特征在于:该系统包括用于与一组传感器输出信号 对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。
2.根据权利要求1所述的基于数字隔离的测量系统，其特征在于:所述AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于数字隔离的测量系统，其特征在于:所述输入调理电路包括正、负输入端之间连接的由测量电阻和分压电阻串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，所述电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子；所述分压电阻的两端引出所述输入调理电路的正、负输出端。
【文档编号】G01D21/00GK203464953SQ201320590807
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】马国红, 王振华, 陈智杰, 郭震, 赵会彬, 孙莹莹, 马仪成, 胡凯利 申请人:许继集团有限公司, 许继电气股份有限公司, 许昌许继软件技术有限公司