专利名称：工业控制中的模拟量采集方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到可编程控制器的一种模拟量采集方法，该方法不仅可用于可编程控制器具有模拟量采集功能的模块，还可应用于其他工业控制领域的模拟量采集。
背景技术：
在工业控制领域，往往需要将模拟信号转换成数字信号进行采集，从而有利于对所控对象进行监视、控制。在环境恶劣的工业控制领域，模拟量(例如压力、温度等)的采集精度和稳定性往往受环境电磁干扰的影响很大，造成所采集模拟量的数值漂移。这种非电量的采集误差往往会影响到控制系统的可靠性，造成误动作等。传统的模拟量数据采集方法为了滤除干扰，会采用信号调理电路中加滤波器(有源滤波器或其他形式)的方法。这种方法虽然能对干扰起到一定抑制作用，但很难适应各种不同工作环境。因为不同种类的滤波器对特定类型的干扰有较好的抑制效果，而对其他类型的噪声不起作用或者作用不明显。采用传统的方法很难获得较好的模拟量采集效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种可编程控制器模拟量采集方法，采用本方法以及相应模拟量采集模块可以大大提供模拟量采集的稳定性、降低漂移， 提高系统的可靠性。在复杂工业环境中影响模拟量采集的因素很多，其中电磁干扰是最主要的因素。 在不同的工业环境中电磁干扰的情况也不同，但通常的干扰使以交变信号的形式叠加在所采集的信号中。本发明的技术方案如下一种工业控制中的模拟量采集方法，非采集状态时，把采集电容的两端与外部输入信号回路相连，完成对采集电容的充电；采集状态时，把采集电容的两端连接到AD转换电路的输入端，获取采集电容两端电压，再通过AD转换得到对应电压的码值。所述采集电容的两端与外部输入信号回路以及AD转换电路的输入端之间通过单刀双掷开关连接；该单刀双掷开关的动作由CPU系统控制，AD转换电路的输出信号连接所述CPU系统，且CPU系统控制AD转换电路的工作状态。对于多通道的外部输入信号，每个通道设有对应的采集电容，所有采集电容对应一个AD转换电路；受CPU系统控制，当一个通道对应的采集电容处于采集状态时，其它采集电容处于非采集状态，CPU系统由AD转换电路得到相应通道的模拟量。CPU系统的工作步骤包括1)初始化；2)把所有采集电容的两端与对应通道连接，为采集电容充电；3)将被选择通道对应的采集电容两端与AD转换电路连接，采集相应通道的信号电压；4)启动AD转换电路，得到经AD转换到对应电压的码值；5)如果转换结束，则对来自AD转换电路的数据进行处理；6)进行下一通道的信号采集。一种实现上述方法的装置，包括采集电容、两只单刀双掷开关、AD转换电路和CPU 系统；所述采集电容的两端分别通过一只单刀双掷开关连接在输入信号和AD转换电路的输入端之间；所述单刀双掷开关由CPU系统控制；所述AD转换电路的输出信号送给CPU系统，且AD转换电路的工作状态由CPU系统控制。所述AD转换电路的前端设有运算放大器，所述采集电容的两端分别受控与运算放大器连接。所述采集电容以及对应的两只单刀双掷开关有多组，分别对应不同的输入信号的输入通道；各个采集电容的两只单刀双掷开关受CPU系统控制连接同一 AD转换电路。所述输入信号经过信号调理电路调理后再经采集电容采集。本发明的原理是，根据外界干扰信号多为交变信号的特点，利用电容“隔直流通交流”的原理设计了一种有效的模拟量采集方法(如图1-1和1-2)。该方法可以用于多通道模拟量采集系统中，初始状态时，采集电容通过单刀双掷开关与外部信号回路相连，完成对采集电容的充电。当对该通道进行采集时，通过开关切换将采集电容加到AD转换电路的两端，通过差分运算电路获取采集电容两端电压，再通过AD转换得到对应电压的码值。从整个采集过程可以看到，在AD转换期间，转换电路和外部信号回路是隔离的， 这样可以最大限度的将外部干扰信号隔离在外围，避免对采集过程的影响。上述采集过程中需要CPU、AD和选择开关进行有效的时序配合才能正确地完成整个采集过程。在CPU采集软件的设计过程中，要充分考虑开关闭合与断开时间、AD转换时间等时间段因素，设计出完全相匹配的时序关系来控制多通道的数据采集。(图2为程序框图， 可以比较清楚描述整个采集过程的时序关系。)本发明提出的基于“飞度”电容的模拟量采集方法，可以最大限度的一致干扰、提高采集的稳定性和可靠性，和传统方法相比效果明显。与现有技术相比，本发明所采用的模拟量采集方法和传统的方法相比，最明显的改进是即在对模拟量进行模数转换时，将外部信号和内部采集电路进行分离，从而有效地避免外部信号电路干扰对采集精度的影响。本方法采用的电容飞度方法，通过电容充电的原理，将外部信号的大小通过电容储能的形式将模拟量信号“飞度”到AD采集回路，这样可以有效地保证所采集模拟量的精度和数值稳定性。用于“飞度”的多路开关的选择可采用模拟多路开关、固态继电器、机械继电器，根据不同的信号类型和采集速度的要求，可选择不同切换开关相适应。本发明不仅可以适用于可编程控制器模拟量的采集，还适应于其他恶劣工业环境 (如电力、冶金、化工等)的模拟量采集。
图1-1和1-2是本方法的原理示意图，其中，图1-1是非状态下，采集电容接线示意图；图1-2是采集状态下，采集电容接线示意图。图2是本方法的采集过程示意图。图3是本实施例中，应用本方法的系统框图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明如图1-1和1-2，一种工业控制中的模拟量采集方法，非采集状态时，把采集电容的两端与外部输入信号回路相连，完成对采集电容的充电；采集状态时，把采集电容的两端连接到AD转换电路的输入端，获取采集电容两端电压，再通过AD转换得到对应电压的码值。所述采集电容的两端与外部输入信号回路以及AD转换电路的输入端之间通过单刀双掷开关连接；该单刀双掷开关的动作由CPU系统控制，AD转换电路的输出信号连接所述CPU系统，且CPU系统控制AD转换电路的工作状态。如图3，对于多通道的外部输入信号，每个通道设有对应的采集电容，所有采集电容对应一个AD转换电路；受CPU系统控制，当一个通道对应的采集电容处于采集状态时，其它采集电容处于非采集状态，CPU系统由AD转换电路得到相应通道的模拟量。如图2，CPU系统的工作步骤包括1)初始化；2)把所有采集电容的两端与对应通道连接，为采集电容充电；3)将被选择通道对应的采集电容两端与AD转换电路连接，采集相应通道的信号电压；4)启动AD转换电路，得到经AD转换到对应电压的码值；5)如果转换结束，则对来自AD转换电路的数据进行处理；6)进行下一通道的信号采集。如图1-1和1-2，一种实现上述方法的装置，包括采集电容、两只单刀双掷开关、AD 转换电路和CPU系统；所述采集电容的两端分别通过一只单刀双掷开关连接在输入信号和 AD转换电路的输入端之间；所述单刀双掷开关由CPU系统控制；所述AD转换电路的输出信号送给CPU系统，且AD转换电路的工作状态由CPU系统控制；所述AD转换电路的前端设有运算放大器，所述采集电容的两端分别受控与运算放大器连接。如图3，所述采集电容以及对应的两只单刀双掷开关有多组，分别对应不同的输入信号的输入通道；各个采集电容的两只单刀双掷开关受CPU系统控制连接同一 AD转换电路。所述输入信号经过信号调理电路调理后再经采集电容采集。
由于可编程控制器广泛应用于各种不同工业控制领域，要求各种模块具有高可靠性和良好的环境使用能力。本方法应用于可编程控制器模拟量输入模块中，结构框图如图 3所示。主要包括模块CPU部分、总线、AD转换、信号调理等几部分。
权利要求
1.一种工业控制中的模拟量采集方法，其特征是非采集状态时，把采集电容的两端与外部输入信号回路相连，完成对采集电容的充电；采集状态时，把采集电容的两端连接到AD转换电路的输入端，获取采集电容两端电压，再通过AD转换得到对应电压的码值。
2.根据权利要求1所述的工业控制中的模拟量采集方法，其特征是所述采集电容的两端与外部输入信号回路以及AD转换电路的输入端之间通过单刀双掷开关连接；该单刀双掷开关的动作由CPU系统控制，AD转换电路的输出信号连接所述CPU系统，且CPU系统控制AD转换电路的工作状态。
3.根据权利要求3所述的工业控制中的模拟量采集方法，其特征是对于多通道的外部输入信号，每个通道设有对应的采集电容，所有采集电容对应一个AD转换电路；受CPU系统控制，当一个通道对应的采集电容处于采集状态时，其它采集电容处于非采集状态，CPU系统由AD转换电路得到相应通道的模拟量。
4.根据权利要求3所述的工业控制中的模拟量采集方法，其特征是CPU系统的工作步骤包括1)初始化；2)把所有采集电容的两端与对应通道连接，为采集电容充电；3)将被选择通道对应的采集电容两端与AD转换电路连接，采集相应通道的信号电压；4)启动AD转换电路，得到经AD转换到对应电压的码值；5)如果转换结束，则对来自AD转换电路的数据进行处理；6)进行下一通道的信号采集。
5.一种实现权利要求1所述方法的装置，包括采集电容、两只单刀双掷开关、AD转换电路和CPU系统；所述采集电容的两端分别通过一只单刀双掷开关连接在输入信号和AD转换电路的输入端之间；所述单刀双掷开关由CPU系统控制；所述AD转换电路的输出信号送给 CPU系统，且AD转换电路的工作状态由CPU系统控制。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述AD转换电路的前端设有运算放大器，所述采集电容的两端分别受控与运算放大器连接。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征是所述采集电容以及对应的两只单刀双掷开关有多组，分别对应不同的输入信号的输入通道；各个采集电容的两只单刀双掷开关受 CPU系统控制连接同一 AD转换电路。
8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征是所述输入信号经过信号调理电路调理后再经采集电容采集。
全文摘要
一种工业控制中的模拟量采集方法及装置，模拟量包括电流型、电压型、热电阻、热电偶等多种不同类型的信号。本发明根据电容充放电的原理和电容本身的电气特性，设计了高抗干扰性的模拟量采集方法在非采集时间，将电容连接到外部信号电路中，完成对电容的充电；在采集时间，通过模拟开关或继电器将充电后的电容连接到AD转换回路中，完成对模拟信号的采集。本发明利用电容隔直流通交流的特性及工业现场干扰多为交流信号的特点，可以最大限度的抑制干扰、降低采集值的飘移，提高模拟量采集的稳定性与可靠性。
文档编号G05B19/05GK102269981SQ20111006057
公开日2011年12月7日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者王善永, 陈宇彦, 陈思宁 申请人:南大傲拓科技江苏有限公司