一种信号隔离装置及信号采集系统的制作方法

本实用新型涉及数据采集领域，具体而言，涉及一种信号隔离装置及信号采集系统。

背景技术：

现场总线(Field bus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

现有的以CAN/DeviceNet网络协议为基础的开放型总线测量控制系统，是自动化技术、计算机网络技术和仪表技术发展结合的成果，实现了现场仪表与控制室之间全数字化双向多站通信，但这种控制系统一旦在工作过程中发生故障，操作人员不能很快地查找出该故障，不够方便，操作复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种信号隔离装置，通过该信号隔离装置可实现外接智能终端与传感器之间的数据传输，同时还能够检测出信号隔离装置自身与外接智能终端的连接状态，能帮助操作人员方便和有效地进行维护和过程管理，加快操作人员查找以及消除故障的速度，实现在线诊断。

本实用新型的另一目的在于提供一种信号采集系统，通过应用上述信号隔离装置，不仅能实现多路多路信号的采集与发送，同时还能够检测出信号隔离装置自身与外接智能终端的连接状态，能帮助操作人员方便和有效地进行维护和过程管理，加快操作人员查找以及消除故障的速度，实现在线诊断。

本实用新型是这样实现的：

第一方面，本实用新型提供了一种信号隔离装置，所述信号隔离装置包括信号处理单元、自检单元、通讯单元以及主控单元，所述信号处理单元、所述自检单元以及所述通讯单元分别与所述主控单元电连接；

所述信号处理单元用于接收一传感器发送的采集到的参数信息并将所述参数信息传输至所述主控单元；

所述自检单元用于检测所述信号隔离装置与一外接智能终端的连接状态，并根据所述连接状态生成检测结果，并将所述检测结果发送给所述主控单元；

所述通讯单元用于与所述外接智能终端通信连接，所述主控单元用于通过所述通讯单元将所述参数信息及所述检测结果发送至所述外接智能终端。

进一步地，述信号隔离装置还包括报警单元，所述报警单元与所述主控单元电连接，所述主控单元还用于接收到所述检测结果后，若所述检测结果为所述信号隔离装置与所述外接智能终端断开电连接时，控制所述报警单元报警。

进一步地，所述自检单元以及所述主控单元集成在一主控芯片上，所述主控芯片包括数据输出端口、数据输入端口以及控制端口，所述数据输入端口及所述控制端口分别与所述信号处理单元以及所述通讯单元电连接，所述数据输出端口与所述通讯单元电连接。

进一步地，所述信号隔离装置还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述信号隔离装置的识别信息，所述识别信息包含识别所述信号隔离装置类型的信息。

进一步地，所述信号处理单元包括信号接收模块和模数转换模块，所述信号接收模块、所述模数转换模块以及所述主控单元依次电连接，所述信号接收模块用于接收所述传感器发送的参数信息，所述参数信息为模拟信号，所述模数转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号。

进一步地，所述信号接收模块包括第一连接端子、电流转换电路、滤波电路以及供电电路，所述电流转换电路与所述滤波电路串联，所述第一连接端子分别与所述电流转换电路以及所述供电电路电连接。

进一步地，所述信号隔离装置还包括无线通信单元，所述无线通信单元与所述通讯单元通信连接，所述信号隔离装置通过所述无线通信单元与所述外接智能终端通信连接。

进一步地，所述信号隔离装置还包括电源单元，所述电源单元分别与所述信号处理单元、所述自检单元、所述通讯单元以及所述主控单元电连接。

第二方面，本实用新型提供了一种信号采集系统，所述信号采集系统包括外接智能终端、多个传感器以及信号隔离装置，每个所述传感器与一个所述信号隔离装置电连接，所述外接智能终端与所述信号隔离装置通信连接；

所述信号隔离装置包括信号处理单元、自检单元、通讯单元以及主控单元，所述信号处理单元、所述自检单元以及所述通讯单元分别与所述主控单元电连接；

所述信号处理单元用于接收一传感器发送的采集到的参数信息并将所述参数信息传输至所述主控单元；

所述自检单元用于检测所述信号隔离装置与一外接智能终端的连接状态，并根据所述连接状态生成检测结果，并将所述检测结果发送给所述主控单元；

所述通讯单元用于与所述外接智能终端通信连接，所述主控单元用于通过所述通讯单元将所述参数信息及所述检测结果发送至所述外接智能终端。

进一步地，所述外接智能终端用于接收所述主控单元通过所述通讯单元传输的所述检测结果，所述外接智能终端包括指示灯，若所述检测结果为所述信号隔离装置与所述外接智能终端正常电连接时，所述指示灯处于第一显示状态；否则，所述指示灯处于第二显示状态。

相对现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的一种信号隔离装置包括信号输入单元、主控单元以及通讯单元，一传感器通过信号输入单元、主控单元以及通讯单元与一外接智能终端通信连接，从而实现该外接智能终端与该传感器之间的数据传输，同时还能够检测出信号隔离装置自身与外接智能终端的连接状态，能帮助操作人员方便和有效地进行维护和过程管理，加快操作人员查找以及消除故障的速度，实现在线诊断。

本实用新型还提供一种信号采集系统，包括传感器、信号隔离装置以及外接智能终端，传感器依次通过信号隔离装置与外接智能终端通信连接，从而实现外接智能终端与传感器之间的数据传输，同时还能够检测出信号隔离装置自身与外接智能终端的连接状态，能帮助操作人员方便和有效地进行维护和过程管理，加快操作人员查找以及消除故障的速度，实现在线诊断。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1示出了本实用新型所提供的信号隔离装置、传感器以及外接智能终端的信息交互图。

图2示出了本实用新型所提供的一种信号隔离装置的电路连接框图。

图3示出了本实用新型所提供的信号处理模块的电路图。

图4示出了本实用新型所提供的主控单元、自检单元、通讯单元以及存储单元的的电路图。

图5示出了本实用新型所提供的电源单元的电路图。

图标：100-信号隔离装置；110-信号处理单元；112-信号接收模块；1122-电流转换电路；1124-滤波电路；1126-供电电路；114-模数转换模块；120-主控单元；130-自检单元；140-存储单元；150-通讯单元；160-无线通信单元；170-电源单元；172-第一电源模块；174-第二电源模块；180-报警单元；200-信号采集系统；210-传感器；220-外接智能终端。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，示出了本实用新型实施例所提供的一种信号采集系统200的结构框图。本实用新型实施例所提供的信号采集系统200可应用于石油钻井现场，用于采集、传输石油钻井现场的参数信息。信号采集系统200包括多个信号隔离装置100、传感器210以及外接智能终端220，传感器210以及外接智能终端220分别与信号隔离装置100通信/电连接。

传感器210与信号隔离装置100电连接，用于采集石油钻井现场的参数信息，并将该参数信息传输至信号隔离装置100。该传感器210可以是但不仅限于，钻井深度传感器、压力传感器等，该参数信息可以是但不仅限于钻井液参数、地质录井参数、测井参数等。

需要说明的是，传感器210与信号隔离装置100是一一对应的关系，一个传感器210用于与一个信号隔离装置100电连接；信号采集系统200可以包括一个传感器210也可以包括多个传感器210，具体数量根据用户需要设置。

信号隔离装置100用于接收传感器210传输的关于石油钻井现场的参数信息，并在将参数信息处理后传输至外接智能终端220，继续由外接智能终端220再次处理。

外接智能终端220与信号隔离装置100通信连接，用于接收并处理由信号隔离装置100传输的参数信息。外接智能终端220可以通过无线网络与信号隔离装置100连接，如蓝牙、wifi等，采用无线网络通信的好处在于，钻井现场更为灵活，操作人员可以不受时间、空间以及线缆的限制，同时不需要大量的工程布线，设定和维护都更为容易。外接智能终端220也可以通过现场总线与信号隔离装置100连接，现场总线具有较高的数据传输率；较高的安全性，能满足本质安全防爆要求；同时现场总线还具有较强的抗干扰能力，能解决环境适应性问题，较为可靠。

需要说明的是，一个外接智能终端220可对应多个信号隔离装置100。外接智能终端220可以是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、智能手机、平板电脑、电脑(Personal Computer，PC)等。同时，外接智能终端220包括指示灯，用于指示外接智能终端220与信号隔离装置100的连接状态。在本实施例中，指示灯的显示状态包括绿色和红色，当外接智能终端220与信号隔离装置100电连接时，指示灯显示绿色；当外接智能终端220与信号隔离装置100断开连接时，指示灯显示红色。

请参阅图2，示出了本实用新型实施例所提供的信号隔离装置100的结构框图，本实用新型实施例所提供的信号隔离装置100应用于石油钻井现场，用于接收传感器210采集的参数信息并将该参数信息传输至外接智能终端220。信号隔离装置100包括电源单元170、信号处理单元110、自检单元130、主控单元120、通讯单元150、存储单元140、无线通信单元160以及报警单元180。其中，电源单元170、信号处理单元110、自检单元130、通讯单元150、存储单元140以及报警单元180分别与主控单元120电连接，无线通信单元160与通讯单元150电连接；此外，电源单元170还分别与信号处理单元110、自检单元130、通讯单元150、存储单元140以及无线通信单元160电连接。

请参阅图3，示出了信号处理单元110的电路图。信号处理单元110包括信号接收模块112和模数转换模块114，信号接收模块112与模数转换模块114电连接，其中，信号接收模块112还与传感器210电连接，模数转换模块114还与主控单元120电连接。

信号接收模块112用于接收传感器210采集到的参数信息，并对该参数信息进行滤波、放大的操作。信号接收模块112包括第一连接端子XS1、电流转换电路1122、滤波电路1124和供电电路1126，其中第一连接端子XS1、电流转换电路1122、滤波电路1124顺次串联，供电电路1126与第一连接端子XS1电连接。

其中，第一连接端子XS1用于与传感器210电连接，传输传感器210发送的参数信息至电流转换电路1122。第一连接端子XS1包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚以及第六引脚，第一引脚与第二引脚电连接，第三引脚与第四引脚电连接，第五引脚与第六引脚电连接；同时第一引脚和第三引脚还分别与电流转换电路1122电连接，第五引脚与供电电路1126电连接。

传感器210采集到的参数信息为电流信号，电流转换电路1122用于将该包含参数信息的电流信号转换为包含参数信息的电压信号，便于模数转换模块114接收。

在本实施例中，电流转换电路1122包括第一电阻R1、第二电阻R2以及第一二极管VD1。其中，第一电阻R1与第一二极管VD1的正极、负极顺次串联后再与第二电阻R2并联，第一电阻R1与第二电阻R2的连接点接第一连接端子XS1的第三引脚，第一二极管VD1的正极接第一连接端子XS1的第一引脚。

滤波电路1124用于滤除对参数信息造成的干扰信号。在本实施例中，滤波电路1124包括第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3，第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3并联后接地，用于对接收到的由传感器210采集到的参数信息进行滤波。其中，第一电容C1以及第二电容C2为有极性的电解电容，作用是将接收到的参数信息中的低频交流信号滤走，第一电容C1用于进行第一次滤波，第二电容C2用于进行第二次滤波；第三电容C3为没有极性的陶瓷电容，其作用是把参数信息中的高频交流信号滤走。第一电容C1一端接地并与第一二极管VD1正极电连接，第一电容C1另一端接第一二极管VD1负极并输出滤波后的参数信息至模数转换模块114。

供电电路1126用于给传感器210供电。在本实施例中，供电电路1126包括三极管Q、第二二极管VD2、第四电容C4、第四电阻R4以及第五电阻R5。其中，三极管Q的发射极与第一连接端子XS1的第六引脚电连接，三极管Q的基极通过第二二极管VD2的负极、正极接地，第四电容C4与第二二极管VD2并联，三极管Q的集电极接电源，第四电阻R4一端接电源一端通过四电容C4接地。

模数转换模块114用于将经由传感器210采集后传输至信号接收模块112，再由信号接收模块112处理并传输的模拟信号转换为数字信号。

在本实施例中，模数转换模块114包括一个信号转换芯片，该信号转换芯片可用于将模拟信号转换为数字信号，信号转换芯片包括SCLK引脚、AIN引脚、GND引脚、VDD引脚、CS引脚、RSEST引脚以及DOUT引脚。其中，AIN引脚与滤波电路1124中第一电容C1的另一端电连接，用于输入模拟信号至信号转换芯片；GND引脚接地，VDD引脚接电源单元170；CS引脚接电源单元170；SCLK引脚以及DOUT引脚皆与主控单元120电连接。

请参阅图4，示出了主控单元120、自检单元130、存储单元140以及通讯单元150的电路图。主控单元120用于运行软件程序，从而执行各种功能应用以及数据处理。具体地，主控单元120用于在接收到信号处理单元110传输的包含参数信息的数字信号后，将该数字信号转变为协议数字信号，并经由协议转换器将参数信息传输至外接智能终端220。

在本实施例中，主控单元120采用DeviceNet协议对接收到数字信号进行编码将其转变为协议数字信号，并通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线将协议数字信号传输至外接智能终端220，位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，并不影响网络上的其他设备，能大大提高石油钻井现场的数据传输效率。因此与DeviceNet协议对应的，协议转换器为CAN通讯器。

自检单元130用于检测信号隔离装置100与外接智能终端220的连接状态，并生成检测结果；自检单元130还用于将该检测结果传输至主控单元120，由主控单元120将检测结果通过通讯单元150传输至外接智能终端220。检测结果分为两种：一种是外接智能终端220与信号隔离装置100正常连接，另一种是外接智能终端220与信号隔离装置100断开连接。当外接智能终端220与信号隔离装置100正常连接时，信号隔离装置100处于在线状态，此时外接智能终端220接收到监测结果后显示绿灯，表示外接智能终端220与信号隔离装置100正常连接；当外接智能终端220与信号隔离装置100断开连接时，信号隔离装置100处于离线状态，此时外接智能终端220接收到监测结果后显示红灯，表示外接智能终端220与信号隔离装置100断开连接，需要工作人员进行检修。

在本实施例中，自检单元130与主控单元120集成在一个主控芯片上。主控芯片包括数据输出端口、数据输入端口以及控制端口。数据输出端口包括P0.0-P0.7引脚，用于与通讯单元150电连接并输出协议数字信号至通讯单元150。数据输入端口包括P3.1引脚、以及P3.5引脚，P3.1引脚用于与存储单元140电连接，P3.5引脚用于与信号转换芯片的DOUT引脚电连接，用于输入数字信号。控制端口包括P1.3引脚、RST引脚、P3.2引脚、P3.6引脚、P3.7引脚、P2.7引脚、XTAL1引脚以及XTAL2引脚，P1.3引脚用于与信号转换芯片的SCLK引脚电连接，给信号转换芯片输入时钟信号；RST引脚用于接复位信号；P3.2引脚与通讯单元150电连接，用于输出中断信号至通讯单元150；P3.6引脚以及P3.7引脚与通讯单元150电连接，用于提供读/写方向时序；P2.7引脚与通讯单元150电连接，输出片选信号；XTAL1引脚以及XTAL2引脚用于接外部晶振信号。

存储单元140用于存储不同类型的信号隔离装置100的识别信息，外接智能终端220需要使用不同类型的参数信息，主控单元120通过存储在存储单元140内的识别信息决定启用对应类型的信号隔离装置100，以通过传感器210采集对应类型的参数信息。在本实施例中，信号隔离装置100包括A型模拟量4-20mA输入型、B型(泵冲)频率输入型、C型(绞车)计数输入型以及D型(流量)计数输入型。

其中，A型模拟量4-20mA输入型信号隔离装置100,提供隔离配电功能。输入为单通道两线制4-20mA模拟信号，输出为DeviceNet协议数字信号，电流数单位为uA值,数据类型为16bits整数，每段总线最大节电数64个。

B型(泵冲)频率输入型信号隔离装置100：单通道本安NAMUR标准接近开关输入，频率范围为0-1920冲/分，允许误差1冲/分，输出为频率数，单位为冲/分，数据类型为16bits整数。该接口应能滤除机械抖动和各种干扰造成的信号波动，响应时间常数t应能通过CAN总线上的主操作站进行设置。

C型(绞车)计数输入型信号隔离装置100：两通道本安NAMUR标准接近开关输入，通过CAN总线进行计数器数值的设定，同时按照两个开关输入的90度相位关系正计数或负计数，按照两个输入中的一个进行4倍频计数，误差为±1，允许通过总线进行访问的频率最高为10Hz。设定值与输出值均为计数值，单位为脉冲数，数据类型为16bits整数。

D型(流量)计数输入型信号隔离装置100：单通道本安NAMUR标准接近开关输入，频率响应<2kHz,按输入的脉冲倒计数，复位时计数值65535，每输入一个脉冲减一计数，计数值减为零后自动翻转为65535，周而复始。误差为±1，输出数据类型为16bits整数。

在本实施例中，存储单元140包括存储芯片。存储芯片包含SCK引脚、SI引脚，分别与主控单元120电连接。

通讯单元150用于实现信号隔离装置100与外接智能终端220之间的数据交换。例如，将经由主控单元120处理后得到的协议数字信号传输至外接智能终端220等。在本实施例中，通讯单元150包括通讯芯片，通讯芯片包括AD0-AD7引脚、INT引脚、CS引脚。其中，AD0-AD7引脚分别接主控芯片的P0.0-P0.7引脚，用于接收主控单元120输出的信号；INT引脚接主控芯片的P3.2引脚，用于接收中断信号；CS引脚接主控芯片的P2.7引脚，接收片选信号。

报警单元180用于当自检单元130检测到信号隔离装置100与外接智能终端220断开连接时报警，提醒操作人员进行检修。报警单元180包括报警器，报警器与主控单元120电连接，当自检单元130检测到信号隔离装置100与外接智能终端220断开连接时，报警器工作。在本实施例中，报警器为蜂鸣器，即当自检单元130检测到信号隔离装置100与外接智能终端220断开连接时，蜂鸣器鸣响，提醒工作人员进行检修。需要说明的是，在其他实施例中，报警器也可以为报警灯等。

请参阅图5，示出了电源单元170的电路图。电源单元170用于给信号处理单元110、存储单元140、主控单元120以及通讯单元150供电。具体地，电源单元170包括第一电源模块172以及第二电源模块174。

第一电源模块172用于输出VCC电压。第一电源模块172包括稳压芯片，该稳压芯片U1包括电压输入引脚Vin，电压输出引脚Vout以及接地引脚GND。稳压芯片U1的电压输入引脚Vin接8V电源并通过第五电容C5接地，稳压芯片U1的接地引脚GND接地，稳压芯片U1的电压输出引脚Vout通过第六电容C6接地，第七电容C7与第六电容C6并联。第一电源模块172的电压输出引脚Vout输出VCC电压。

第二电源模块174包括第二连接端子XS2，第二连接端子XS2包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚以及第六引脚，其中，第二引脚与转换芯片电连接；第一引脚、第三引脚以及第四引脚分别与主控芯片不同的引脚电连接，分别使不同的引脚上电；第五引脚接电源，第六引脚接地。

无线通信单元160与所述通讯单元150电连接，无线通信单元160能使信号隔离装置100通过无线网络与外接智能终端220通信连接。无线网络可以是蓝牙、wifi等，采用无线网络通信的好处在于，钻井现场更为灵活，操作人员可以不受时间、空间以及线缆的限制，同时不需要大量的工程布线，设定和维护都更为容易。

本实用新型实施例提供了一种信号隔离装置100及信号采集系统200，包括信号处理单元110、自检单元130、主控单元120以及通讯单元150，信号处理单元110、自检单元130以及通讯单元150分别与主控单元120电连接，通过通讯单元150可实现外接智能终端220与传感器210之间的数据传输，并通过增加自检单元130，能够检测出信号隔离装置100自身与外接智能终端220的连接状态，当信号隔离装置100与外接智能终端220断开电连接时，报警单元180报警，能帮助操作人员方便和有效地进行维护和过程管理，加快操作人员查找以及消除故障的速度，实现在线诊断。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。