一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，采用CMOS多路电子开关切换多通道信号输入，共用一套信号变换、隔离、放大、A/D转换和处理电路，可大大简化数据采集模块结构，一种装置可接收测试多种信号源，同时实现了信号端与放大器间的“完全隔离”，其隔离效果好，信号传递精度高，采用当时瞬间增益K作为处理传输信号的放大倍数，可以有效的消除放大电路由于温度影响而产生的漂移，另外通过实现自动选择量程，使得放大后的信号精度更高，本发明功能全，运行起来方便灵活，测试信号精准，可以很好的实现运程无线监控与管理的功能。
【专利说明】一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数据采集和监控领域，特别涉及一种预装式电气屋的智能数据采 集和监控模块。
【背景技术】
[0002] 预装式电气屋（见图1、图2)是一种安装在户外的变（配）电、用电集成方案的产 品，是按照业主或设计方的电气屋方案将高压开关柜、低压开关柜、变压器、中低压变频器 数据采集与监视控制系统等主电气设备合理的布置在定制的可移动式钢结构房间内。同时 基于电气屋内外部的条件及要求，配置空调系统、照明系统、火警及声光报警系统等，使电 气可以满足人员日常维护及安防的需要。整个电气屋按客户需求进行设计、建造设备安装， 互联接线，整体检验调试，然后整体运输至客户现场，直接通电即可投入使用。由于矿山、铁 路、石油等大型工程，多数在野外，有时工程的工期紧，故要求设备预装好。可见此类装置需 求量越来越大。然而预装式电气屋的屋内数据采集量大，监视与控制智能化要求高。现有 技术存在以下不足：
[0003] 1)多采用模拟信号传递，易受干扰，精度低，连线复杂；采用模拟信号传递，要通 过传感器、变送器，变换成标准信号后，再传递，这样系统十分复杂，成本高；
[0004] 2)采用模拟信号传递、处理和变换时，要一个信号对应一套处理、变换器，系统更 为复杂；
[0005] 3)传统的模拟信号传递，常采用光电耦合器隔离，其线性差，也有干扰；
[0006] 4)传统的模拟信号传递、处理和变换时，其放大器受温度影响有漂移，信号传递误 差大；
[0007] 5)传统的模拟信号变换器的A/D由于位数低，其分辨率也低；
[0008] 6)传统的监测控制模块，不采用现场总线系统，使得监测控制不灵活，即无管理功 能，也无远程监控功能；
[0009] 7)传统的变电系统和用电系统和传动装置是分开设置的，其参数监测控制也分 散，使监测控制系统亟为复杂，且不能预装，使得现场安装复杂，又得现场调试，完工时间 长。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，采用CMOS多路电 子开关切换多通道信号输入，共用一套信号变换、隔离、放大、A/D转换和处理电路，可大大 简化数据采集模块结构，一种装置可接收测试多种信号源，同时实现了信号端与放大器间 的"完全隔离"，其隔离效果好，信号传递精度高，采用当时瞬间增益作为处理传输信号的放 大倍数，可以有效的消除放大电路由于温度影响产生的漂移，另外通过实现自动选择量程， 使得放大后的信号精度更高，本发明功能全，运行起来方便灵活，测试信号精准，可以很好 的实现远程无线监控与管理的功能。 toon] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
[0012] 一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，包括N个多路通用信号智能采集 模块，每一个多路通用信号智能采集模块由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大单元和 嵌入式微电脑单元依次连接组成，信号经由信号接入单元选通后进入信号变换单元，经过 信号变换单元将各种输入信号转换成标准的输出电压信号，转化后的标准输出电压信号进 入隔离放大单元，信号在隔离放大单元中放大时，在放大每一信号前，通过当时增益测试组 件U4,先测出放大器当时的瞬间放大增益K，采集的输入信号按测得的K做放大处理，可以 消除零点漂移造成的精度偏失，信号经过隔离放大单元中的电容隔离、自适应精密放大后， 进入嵌入式微电脑，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过DSP控制器作存 储、输出的处理，DSP控制器与带有现场总线功能的网络接口连接，可以实现信号的远程监 控、管理与执行；所述的电容隔离可将输入信号端与放大电路完全隔离；所述的自适应精 密放大是放大器的放大倍数可以随输入信号的大小而自动选择量程，在量程内最大限度接 近量程的放大信号；所述的当时增益测试组件U4包括ΚΙ、K2两个数字开关，启动U4,将D1 掷低电平，使数字开关K1接通，断开数字开关K2,放大电路输入端接地，测出当时的输出 VuotO ;将D1掷高电平，使数字开关K1断开，数字开关K2接通，放大电路输入端接入标准电 压Vb，测出当时的输出Voutb，则当时放大电路的实际增益是：K = (Voutb_VoutO)/Vb，将当 时测得的信号按当时瞬间增益K做放大处理。
[0013] 所述信号接入单元由ΠΝ1?ΠΝ3的3个⑶4051组成，每个⑶4051有8个信号 输入端，分别是IN11?IN18、IN21?IN28和IN31?IN38,每个信号有3个输入端，对应 3个芯片的相对的输入端，如第1个输入信号端为IN1UIN21和IN31，其余类推，QH为3个 芯片的共同选通端，D2、D1、D0为3个芯片输入端的选通信号，来自智能处理模块，信号接入 单元的信号由Al、A2和A3输出。
[0014] 所述信号变换单元包括由⑶4502构成的电压跟随器GS1?GS6、数字电位器 X9241、微电子开关S1?S7、精密电阻R1?R1U74H573锁存器SC，电压跟随器GS1?GS6 用于信号隔离，SC用于锁存S1?S7微电子开关选通信号D2、D1、D0，BX为SC的片选信号； Vout为精密基准电源MAX872模块提供的2. 5V精密基准电源，A1、A2和A3为准备变换信号 的接入端，Bl、B2和B3为信号输出端。
[0015] 所述隔离放大单元包括电容隔离组件U1、自适应放大模块、当时增益测试组件 U4, B1、B2和B3为信号输入端，Vout为输出信号。
[0016] 所述电容隔离组件U1为LT1043,是由电子开关1^11、1^12、1^21、1^22、电容(：1、 C2组成，电子开关Kell、Kcl2、Kc21、Kc22以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检 测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3 进入，电子开关Kell、Kcl2、Kc21、Kc22切换到输入时，信号给电容Cl、C2充电，开关Kell、 Kcl2、Kc21、Kc22切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离； 当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从 B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C1上的电压和电容C2 上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感 器电路与放大电路的隔离；GL为U1片选信号，D0为开关状态选通信号，当D0 = 0时，开关 向左边合，电容接收信号，当DO = 1时，开关向右边合，向C3上送出信号。
[0017] 所述自适应放大模块包括精密集成运算放大器U2、可编程数字电阻网络U3,可编 程数字电阻网络U3由数字电位器SD1，SD2和SD3所组成，此可编程数字电阻网络U3是使 用8位的数字电位器，可产生256种电阻值，用以改变放大电路的增益，数字电位器的电阻 值由嵌入式微电脑提供自适应增益控制信号。
[0018] 所述嵌入式微电脑是由DSP组成的控制器操控，包括MAX132± 18位A/D转换器、 基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，A/D转换器通过数据总线DB1和 地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB2和地址总线AB2与带 现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB3和地址总线AB3与存储器连接，DSP 控制器同时设有USB接口；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和 冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号Vout。
[0019] 与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
[0020] 1)本智能数据采集模块采用CMOS多路电子开关切换多通道信号输入，共用一套 信号变换、隔离、放大、A/D转换和处理电路，可大大简化数据采集模块结构；
[0021] 2)本智能数据采集模块中设计了一套通用的信号变换电路，可适用于电压（V和 mV)、电流（mA)、各种热电耦及热电阻信号，多数信号，可输入直接来自传感器信号，免用变 送器；
[0022] 3)采用双精密电容和数字微电子单刀双郑开关的信号切换方法，实现了信号端与 放大器间的"完全隔离"。其隔离效果好，信号传递精度高；
[0023] 4)自适应增益放大电路，采用了实测"当时瞬间增益"的方法，这是消除放大电路 "零漂"的有效措施；采用由数字电位器构成的自适应增益方法，均可显著提高放大精度；自 适应增益是连续智能控制的一项有效措施，因为使用8位的数字电位器，可产生256种电阻 值，较现有技术中只采用几个的电阻，有明显的改善，且电阻网络中，又组成粗调和细调电 路，使可自适应增益能接近连续的选择，即自动选择量程的有效方法；
[0024] 5)本智能数据采集模块中，采用了美信公司生产的MAX132,为±18位A/D，其转换 分辨率和精度均高；
[0025] 6)本智能数据米集和监控模块，配合Modus和Profibus-DP两种现场总线和GPRS 远程无线监控功能，同时还具备组态软件和管理功能，是现代预装式电气屋的合理配置。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是预装式电气屋的外形结构。
[0027] 图2是预装式电气屋功能配置图。
[0028] 图3是本发明中多路通用信号智能采集模块原理图。
[0029] 图4是本发明中信号接入单元电路原理图。
[0030] 图5是本发明中信号变换单元电路原理图。
[0031] 图6是本发明中隔离放大单元电路原理图。
[0032] 图7是本发明中隔离放大单元接入热电阻Rt时的电路原理图。
[0033] 图8是嵌入式微电脑原理图。
[0034] 图9是预装式电气屋的网络监控、管理系统原理图。
[0035] 图1中：1.支架模块2.电气屋带保温层的外墙板3.变电系统模块4.变电系统 模块空调外部热管交换器5.用电系统模块空调外部热管交换器6.用电系统模块7.用电 系统模块侧面雨搭8.扶梯
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进一步说明：
[0037] 见图9, 一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，包括N个多路通用信号 智能采集模块，每一个多路通用信号智能采集模块由信号接入单元、信号变换单元、隔离放 大单元和嵌入式微电脑单元依次连接组成，信号经由信号接入单元选通后进入信号变换单 元，经过信号变换单元将各种输入信号转换成标准的输出电压信号，转化后的标准输出电 压信号进入隔离放大单元，信号在隔离放大单元中放大时，在放大每一信号前，先测出放大 器当时的瞬间放大增益K，采集的输入信号按测得的K做放大处理，可以消除零点漂移造 成的精度偏失，信号经过隔离放大单元中的电容隔离、自适应精密放大后，进入嵌入式微电 脑，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过DSP控制器作存储、输出的处理， DSP控制器与带有现场总线功能的网络接口连接，可以实现信号的远程监控、管理与执行； 所述的电容隔离可将输入信号端与放大电路完全隔离；所述的自适应精密放大是放大器 的放大倍数可以随输入信号的大小而自动选择量程，在量程内最大限度接近量程的放大信 号。
[0038] 见图4,信号接入单元由ΠΝ1?ΠΝ3的3个CD4051组成，每个CD4051有8个信 号输入端，分别是IN11?IN18、IN21?IN28和IN31?IN38,每个信号有3个输入端，对 应3个芯片的相对的输入端，如第1个输入信号端为IN1UIN21和IN31，其余类推，QH为3 个芯片的共同选通端，D2、D1、D0为3个芯片输入端的选通信号，来自智能处理模块，信号选 通条件见表1，此时QH选通信号为0电平，信号接入单元的信号由Al、A2和A3输出。
[0039] 表 1 :
【权利要求】
1. 一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征在于，包括N个多路通用信 号智能采集模块，每一个多路通用信号智能采集模块由信号接入单元、信号变换单元、隔离 放大单元和嵌入式微电脑单元依次连接组成，信号经由信号接入单元选通后进入信号变换 单元，经过信号变换单元将各种输入信号转换成标准的输出电压信号，转化后的标准输出 电压信号进入隔离放大单元，信号在隔离放大单元中放大时，在放大每一信号前，通过当时 增益测试组件U4,先测出放大器当时的瞬间放大增益K，采集的输入信号按测得的K做放大 处理，可以消除零点漂移造成的精度偏失，信号经过隔离放大单元中的电容隔离、自适应精 密放大后，进入嵌入式微电脑，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过DSP控 制器作存储、输出的处理，DSP控制器与带有现场总线功能的网络接口连接，可以实现信号 的远程监控、管理与执行；所述的电容隔离可将输入信号端与放大电路完全隔离；所述的 自适应精密放大是放大器的放大倍数可以随输入信号的大小而自动选择量程，在量程内最 大限度接近量程的放大信号；所述的当时增益测试组件U4包括ΚΙ、K2两个数字开关，启动 U4,将D1掷低电平，使数字开关K1接通，断开数字开关K2,放大电路输入端接地，测出当时 的输出VuotO ;将D1掷高电平，使数字开关K1断开，数字开关K2接通，放大电路输入端接入 标准电压Vb，测出当时的输出Voutb，则当时放大电路的实际增益是：K = (Voutb-VoutO)/ Vb，将当时测得的信号按当时瞬间增益K做放大处理。
2. 根据权利要求1所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征在 于，所述信号接入单元由ΠΝ1?ΠΝ3的3个⑶4051组成，每个⑶4051有8个信号输入端， 分别是IN11?IN18、IN21?IN28和IN31?IN38,每个信号有3个输入端，对应3个芯片 的相对的输入端，如第1个输入信号端为IN1UIN21和IN31，其余类推，QH为3个芯片的共 同选通端，D2、D1、D0为3个芯片输入端的选通信号，来自智能处理模块，信号接入单元的信 号由A1、A2和A3输出。
3. 根据权利要求1所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征在 于，所述信号变换单元包括由⑶4502构成的电压跟随器GS1?GS6、数字电位器X9241、微 电子开关S1?S7、精密电阻R1?R1U74H573锁存器SC，电压跟随器GS1?GS6用于信号 隔离，SC用于锁存S1?S7微电子开关选通信号D2、Dl、DO, BX为SC的片选信号；Vout为 精密基准电源MAX872模块提供的2. 5V精密基准电源，A1、A2和A3为准备变换信号的接入 端，B1、B2和B3为信号输出端。
4. 根据权利要求1所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征在 于，所述隔离放大单元包括电容隔离组件U1、自适应放大模块、当时增益测试组件U4, B1、 B2和B3为信号输入端，Vout为输出信号。
5. 根据权利要求1或4所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征 在于，所述电容隔离组件U1为LT1043,是由电子开关Kell、Kcl2、Kc21、Kc22、电容Cl、C2 组成，电子开关Kell、Kcl2、Kc21、Kc22以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测 电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3 进入，电子开关Kell、Kcl2、Kc21、Kc22切换到输入时，信号给电容Cl、C2充电，开关Kell、 Kcl2、Kc21、Kc22切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离； 当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从 B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C1上的电压和电容C2 上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感 器电路与放大电路的隔离；GL为U1片选信号，DO为开关状态选通信号，当DO = 0时，开关 向左边合，电容接收信号，当DO = 1时，开关向右边合，向C3上送出信号。
6. 根据权利要求1或4所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征 在于，所述自适应放大模块包括精密集成运算放大器U2、可编程数字电阻网络U3,可编程 数字电阻网络U3由数字电位器SD1，SD2和SD3所组成，此可编程数字电阻网络U3是使用 8位的数字电位器，可产生256种电阻值，用以改变放大电路的增益，数字电位器的电阻值 由嵌入式微电脑提供自适应增益控制信号。
7. 根据权利要求1所述的一种预装式电气屋的智能数据采集和监控模块，其特征在 于，所述嵌入式微电脑是由DSP组成的控制器操控，包括MAX132± 18位A/D转换器、基准电 压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总 线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB2和地址总线AB2与带现场总 线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB3和地址总线AB3与存储器连接，DSP控制器 同时设有USB接口；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自 动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号Vout。
【文档编号】G05B19/042GK104122826SQ201410384732
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】何平, 李峰毅, 王春岩 申请人:鞍山宏源环能科技有限公司