专利名称：现场智能数据采集模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用于工业现场自动化测量与控制的现场智能数据采集模块。
技术背景目前用于工业现场的数据采集模块，包括研华ADAM-4000系列远端数据采集模块、研祥ARK-14000和ARK-24000亚当系列远端采集与控制模块，适用于完成一般的模拟量信号测量，以及常规的数字量输入和输出，存在以下不足1、模拟量输入模块只能完成对传感器输出模拟量信号的单一测量，不能向传感器提供其工作所需的激励电源，从而导致与传感器的连接时需要另外配置电源，比较麻烦，使用不方便，另一方面，工业现场使用设备的增多，导致更高的故障率；2、对模拟量信号的测量受到数据采集模块内部A/D转换器输入范围的限制，不能进行更宽范围模拟量信号的测量，随着微电子技术、自动测量技术的发展，完成宽范围多量程智能测量已成为工业测量中的基本要求。
发明内容
本实用新型的目的是设计一种能向不同种类传感器提供多种激励电源，同时能自动完成宽范围多量程模拟量信号测量的现场智能数据采集模块。
应用于工业现场自动化测量与控制中传感器需要提供其工作所需的电源才能正常工作，输出电信号，通常使用的电源有线性稳压电源或开关稳压电源，并且根据传感器的供电需要由稳压器件输出不同的电压。
而在信号的测量方面，为了进行更大范围的测量，比如高、中、低电压的测量，通常使用电阻衰减网络，对高、中电压进行衰减后再进行测量，对于微小信号测量，则首先进行放大后再进行测量。
这样，可以考虑在工业现场环境的数据采集中，利用输出可调节的稳压器件向传感器提供激励电源；利用可编程数字电位计作为电阻衰减网络，实现量程的变换。
本实用新型的目的是这样实现的现场智能数据采集模块，由防护外壳、装在印刷线路板上集成有信号调理功能和模数转换功能的单片机、量程切换电路、包含有总线控制器和总线驱动器的通讯接口、可编程激励电源、端子、电源组成。
其中接入端子的外部信号首先引入量程切换电路，经过量程变换后的信号再接入单片机的模拟量输入端，程控激励电源的输出通过端子向外部传感器提供其工作所需的电源；选择单片机I/O口中的三个信号接入量程切换电路的控制输入端，以及选择单片机I/O口的另外三个信号接入程控激励电源的控制输入端；
单片机的数据/低位地址线接通讯接口中总线控制器的数据/低位地址线，单片机的读-RD、写-WR控制信号线接总线控制器的读RD、写WR端，选择单片机的一个地址线接入总线控制器的片选端；总线控制器的数据发送端TX和数据接收端RX分别接总线驱动器的数据发送端TXD和数据接收端RXD，通过总线驱动器与外部总线连接。
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。
图1为本实用新型电路组成框图。
图2为本实用新型一个实施例的电路图。
具体实施方式
现场智能数据采集模块如图1所示，它由防护外壳，电路图中未画出，装在印刷线路板上的集成有信号调理和模数转换功能的单片机[1]、量程切换[2]、程控激励电源[3]、包含总线控制器和总线驱动器的通讯接口[4]、电源[5]、连接外部现场信号的端子[6]组成。其中由量程切换[2]衰减后信号接入单片机[1]的模拟量输入端；单片机[1]的数据线、地址线和控制线分别接通讯接口[4]控制器的数据线、地址线和控制线；单片机[1]的I/O线分别接量程切换[2]和程控激励电源[3]的控制输入；电源[5]的模拟电源和数字电源输出分别接单片机[1]、量程切换[2]、程控激励电源[3]、通讯接口[4]的电源端；端子[6]一方面接入外部测量信号，另一方面向外部提供程控激励电源[3]的输出。
图2为本实用新型实施例电路图。
现场智能数据采集模块的单片机[1]采用Texas Instruments集成有信号调理和模数转换功能的单片机MSC1210、量程切换[2]采用MAXIM的MAX5474/MAX5475数字电位计、程控激励电源[3]采用MAXIM的带有DAC控制功能的DC-DC稳压模块MAX686、包含总线控制器和总线驱动器的通讯接口[4]使用PHILIPS独立CAN总线接口控制器SJA1000和总线驱动器PCA82C250、电源[5]的模拟部分和数字部分分别采用ON Semiconductor宽输入范围的集成稳压器LM2574N-005和LM2574N-3.3。
MAX5474/MAX5475数字电位计的一端接由端子[6]引入的外部信号，另一端接入单片机[1]模拟输入的公共端AINCOM，MAX5474/MAX5475数字电位计中心抽头接单片机[1]模拟输入通道AIN0，单片机[1]I/O口P1.5、P1.6、P1.7分别接数字电位计MAX5474/MAX5475的-CS、-INC、U/-D控制端；带有DAC控制功能的DC-DC稳压模块MAX686的DAC控制端接单片机[1]的I/O口P1.2、P1.3，ON/-OFF端接单片机[1]的I/O口P1.4；包含在通讯接口[4]中的总线控制器的数据/地址信号AD0～AD7接单片机[1]数据/地址信号AD0～AD7，读RD、写WR和中断INT信号分别接单片机[1]的读-RD、写-WR和中断-INT0信号，总线控制器的地址锁存信号ALE接单片机[1]的地址锁存端ALE，片选CS接单片机[1]的一个I/O引脚P2.6。
本实用新型的上述特征可作如下变化，但它们都没有偏离本实用新型的实质。如量程切换电路除采用MAX5474/MAX5475数字电位计外，还可选择其它型号或者是其它厂家所生产的数字电位计，甚至是使用电阻等元器件所设计的电阻衰减网络；程控激励电源除选用带有DAC控制功能的DC-DC稳压模块MAX686外，也可选择使用反馈电阻调节的DC-DC稳压模块，以及其它公司生产的输出可调节的电源模块；对集成有信号调理和模数转换功能的单片机，除选用TexasInstruments公司的MSC1210外，也可选择Analog Devices公司的ADuC845、ADuC834等，或者是其它厂家的其它型号的单片机；对量程切换电路和程控激励电源的控制除选择单片机P1口的信号线外，也可选择单片机其它I/O口的信号线，如选择P3口的信号线用于对量程切换电路和程控激励电源的控制；当然，也可以将量程切换电路的片选端-CS直接与数字地连接，以及将程控激励电源的关断输入端-SHDN通过上拉电阻与数字电源连接。
下面分析其工作原理。
在对量程切换电路的控制中，通过电阻“增加/减小”方式控制端U/-D和滑动触点改变控制端-INC的操作实现，在方式控制端U/-D为低电平时，每当滑动触点改变控制端-INC出现由高到低的状态变化，就减小滑动触点位置；而在方式控制端U/-D为高电平时，每当滑动触点改变控制端-INC出现由高到低的状态变化，就增大滑动触点位置。
当出现在单片机模拟输入端信号大于或接近其满量程输入时，就需要增大对输入信号的衰减，其方法是复位P1.6，使电阻“增加/减小”方式控制端U/-D为低电平，然后通过置位P1.7和复位P1.7，实现滑动触点改变控制端-INC出现一次由高到低状态变化，就减小滑动触点位置，完成对输入信号的衰减。反之，要减小对输入信号的衰减，可增大滑动触点位置。
MAX686是一种具有数/模控制功能的新型DC-DC转换器，它能把正的、宽范围的输入电压(0.8～27.5V)转换成正极性或负极性的输出电压(27.5V或-27.5V)，由于该芯片利用数/模转换技术，所以转换精度较高，可由单片机控制为传感器提供数控电源。
MAX686片内含有一个6位可逆计数器和控制输出电压的DAC，通过输出电压增大控制端UP和输出电压减小控制端DN来驱动可逆计数，从而达到控制DAC的目的，在正极性电压输出时，为了增大输出电压，可在UP引脚上加一个上升沿，使DAC输出电压减少，从而达到增加输出(VOUT)的目的；相反，为了减少输出电压，可在DN引脚上加一个上升沿，使DAC输出电压增大，从而达到减小输出电压(VOUT)的目的。
在负极性电压输出时，UP和DN引脚控制的方向倒置，输出电压大小的控制与正极性电压输出方法相同。UP上电后，DAC数据达到中间刻度，而一旦达到满刻度或零刻度，DAC计数器就不再翻转，这时，电压控制端上出现的上升沿不能引起计数器翻转，从而避免不希望的欠压和过压现象。
完成数据采集功能的单片机MSC1210，集成了一个8通道24位∑-ΔA/D转换器，采用8051兼容内核，具有对微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA编程放大、24位∑-ΔA/D转换、数字滤波、数据处理、信号校准等功能。进行数据采集时，是通过初始化工作、设置模拟输入转换时钟频率ACLK、选择基准电压和选择模拟输入通道等步骤，并将数据结果保存在数据缓冲区内。
智能数据采集模块与外部通讯是通过CAN现场总线实现的，其通讯功能则是通讯软件实现的，CAN总线通信软件分为3部分CAN初始化、数据发送和数据接收。
CAN初始化主要是设置CAN的通信参数，通过对寄存器的初始化操作来实现，这些寄存器有模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。需要注意的是，这些寄存器仅能在复位期间进行写操作，因此，在对这些寄存器初始化前，必须确保系统进入复位状态。
数据发送是把检测信号进行转换处理后，写入CAN控制器的发送缓冲区，然后启动CAN控制器发送，此时CAN控制器将自动向总线发送数据，不再需要单片机进行干预。
数据接收是在CAN控制器检测到总线上有数据时，自动接收总线上的数据，存入接收缓冲区，并向MSC1210单片机发出接收中断，启动数据接收服务程序，MSC1210通过执行数据接收服务程序，从CAN控制器的接收缓冲区读取数据，完成要求的处理工作。
权利要求1.一种现场智能数据采集模块，模块上有防护外壳，装在印刷线路板上的集成有信号调理和模数转换功能的单片机[1]、通讯接口[4]、电源[5]和连接外部现场信号的端子[6]，其特征在于印刷线路板上还有量程切换[2]和程控激励电源[3]，其中由量程切换[2]衰减后信号接入单片机[1]的模拟量输入端；单片机[1]的数据线、地址线和控制线分别接通讯接口[4]控制器的数据线、地址线和控制线；单片机[1]的I/O线分别接量程切换[2]和程控激励电源[3]的控制输入；电源[5]的模拟电源和数字电源输出分别接单片机[1]、量程切换[2]、程控激励电源[3]、通讯接口[4]的电源端；端子[6]一方面接入外部测量信号，另一方面向外部提供程控激励电源[3]的输出。
2.根据权利要求1所述的现场智能数据采集模块，其特征在于采用集成有信号调理和模数转换功能的单片机MSC1210、量程切换[2]采用MAX5474/MAX5475数字电位计、程控激励电源[3]采用带有DAC控制功能的DC-DC稳压模块MAX686、包含总线控制器和总线驱动器的通讯接口[4]使用独立的CAN总线接口控制器SJA1000和总线驱动器PCA82C250、电源[5]的模拟部分和数字部分分别采用集成稳压器LM2574N-005和LM2574N-3.3；MAX5474/MAX5475数字电位计的一端接由端子[6]引入的外部信号，另一端接到单片机[1]模拟输入的公共端AINCOM，MAX5474/MAX5475数字电位计中心抽头接单片机[1]模拟输入通道AIN0，单片机[1]的I/O口P1.5、P1.6、P1.7分别接数字电位计MAX5474/MAX5475的-CS、-INC、U/-D控制端；带有DAC控制功能的DC-DC稳压模块MAX686的DAC控制端接单片机[1]的I/O口P1.2、P1.3，ON/-OFF端接单片机[1]的I/O口P1.4；包含在通讯接口[4]中的总线控制器的数据/地址信号AD0～AD7接单片机[1]数据/地址信号AD0～AD7，读RD、写WR和中断INT信号分别接单片机[1]的读-RD、写-WR和中断-INT0信号，通讯接口[4]中总线控制器的地址锁存信号ALE接单片机[1]的地址锁存端ALE，片选CS接单片机[1]的一个I/O引脚P2.6。
专利摘要现场智能数据采集模块属于计算机自动测量领域。它由装在印刷线路板上的集成有信号调理和模数转换功能的单片机1、量程切换2、程控激励电源3、包含总线控制器和总线驱动器的通讯接口4、电源5、连接外部现场信号的端子6组成。其中由量程切换2衰减后信号接入单片机1的模拟量输入端；单片机1的数据线、地址线和控制线分别接通讯接口4控制器的数据线、地址线和控制线；单片机1的I/O线分别接量程切换2和程控激励电源3的控制输入；电源5的输出分别接单片机1、量程切换2、程控激励电源3、通讯接口4的电源端。该实用新型适宜于工业现场自动化测量与控制。
文档编号G01D21/02GK2814338SQ20042011397
公开日2006年9月6日 申请日期2004年11月2日 优先权日2004年11月2日
发明者支超有, 李瑛珺, 李霞 申请人:支超有, 李瑛珺, 李霞