将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块及采集系统的制作方法

本实用新型涉及工控装置的技术领域，尤其是涉及一种将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块及采集系统。

背景技术：

以推进工业物联网技术的发展为导向，实现生产制造业产业升级、实现智能制造的大背景下，很多企业投身于工业物联网的大潮之中。要实现工业现场的智能制造，其中最底层的一环是进行数据采集，对于需要将模拟量和数字量信号进行同时采集的场合，目前普遍的做法是采用多通道的模拟量模块和数字量模块组合使用。现有常用的这种采集方式的采集模块一般都装在现场的通讯柜中或采集子站中，在进行数据通讯时，模拟量模块和数字量模块均需要通过信号线连接传感器，每根信号线至少选择用4芯0.3平方的屏蔽线，由于工厂传感器数量较多、分布较广，有些传感器距离通讯柜或者采集子站较远，有些十几米，甚至几百米，那么，每个传感器通过信号线接入通讯柜或者采集子站中的模拟量模块和数字量模块中所需要的布线量巨大、况且模块上还需要设置电源，在实施过程中，材料成本和施工成本非常高、难度大。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的之一是提供一种将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块，能够布置在传感器侧，同时采集模拟量和数字量信号，具有总线通讯功能，实施过程中布线方便、施工成本较低。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：一种将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块，包括：模拟量采集单元，其输入端与传感器直连，用于不通过plc从所述传感器采集模拟量信号；数字量采集单元，其输入端与传感器直连，用于不通过plc从所述传感器采集数字量信号；cpu单元，其数字量输入端与所述数字量采集单元的输出端耦接，用于对接收的模拟量信号和数字量信号进行处理和转发；rs485总线通讯单元，其与cpu单元连接，用于将数据发送至数据接收装置；以及以太网通讯单元，其与cpu单元连接，用于将数据发送至数据接收装置。

通过采用上述技术方案，将模拟量和数字量信号采集功能集成，并具有统一的通讯端口，可以解决工业生产现场模拟量和数字量同时采集的问题，该组合功能模块能够直接安装在传感器侧，并且每个传感器均对应一个组合功能模块，从而能够绕过plc，直接从传感器上采集模拟量信号或者数字量信号，相比于传统的将采集模块放置在通讯柜中或者采集子站中，本组合功能模块只需要一根总线，便可以与所有的传感器实现通讯，克服了工业现场存在的客观问题，实施过程中布线方便、施工成本较低。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述cpu单元为基于arm的32位微控制器。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述模拟量采集单元包括第一模拟量信号采集电路和第二模拟量信号采集电路，两者均包括差分运放电路和比例放大电路，所述差分运放电路用于将差分信号转成共地信号，所述比例放大电路用于调整发送给cpu电路的模拟量信号。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：模拟量采集单元包括4-20ma、0-20ma、±10ma、0-20mv、0-75mv、0-5v、0-10v、±50mv、±100mv、±5v的其中任意一种或者任意两种及两种以上的组合的模拟量信号的采集电路。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数字量采集单元包括支持20khz及以下的数字量信号的数字量信号的采集电路。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述rs485总线通讯单元的电路中包括adm2483隔离型rs485收发器。

通过采用上述技术方案，adm2483芯片是一款隔离型的rs485收发器，内部集成了磁耦隔离技术，其具有体积小、带有电源监控功能，适用于多点总线传输线路的双向数据通信，具有高共模瞬变抗扰能力。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述rs485总线通讯单元的电路中还包括b0505lm-1系列的dc/dc转换器，其用于实现输入与输出之间1000vdc的隔离。

通过采用上述技术方案，b0505lm-1w系列产品是一款隔离1000vdc的超小型、高可靠性的dc/dc转换器，由于实现输入与输出之间1000vdc的隔离，且输出短路时间可持续1s，从而能很好的抵御高频瞬态突波的干扰。

本实用新型的目的之二是提供一种采集系统，能够同时采集模拟量和数字量信号，具有总线通讯功能，实施过程中布线方便、施工成本较低。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：一种采集系统，包括若干分布在现场不同位置的传感器；数据接收装置；以及所述的将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块；其中，每个传感器对应安装一个所述的将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块，模拟量采集单元和数字量采集单元的输入端与传感器直连，采集对应的模拟量信号或数字量信号；cpu单元通过rs485总线通讯单元或以太网通讯单元与所述数据接收装置连接。

通过采用上述技术方案，每个传感器对应安装一个组合功能模块，并且组合功能模块安装在传感器侧，通过各个组合功能模块的rs485总线通讯单元实现与rs485总线的通讯，相比于传统的将采集模块放置在通讯柜中或者采集子站中，本组合功能模块只需要一根总线，便可以与所有的传感器实现通讯，克服了工业现场存在的客观问题，实施过程中布线方便、施工成本较低。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数据接收装置包括前置服务器，所述cpu单元通过rs485总线通讯单元或以太网通讯单元与所述前置服务器通讯连接。

综上所述，本实用新型包括以下至少有益技术效果：

本实用新型的组合功能模块将模拟量和数字量信号采集功能集成并具有统一通讯端口的可以解决工业生产现场模拟量和数字量同时采集的问题；组合功能模块可以直接安装在传感器侧，并且每个传感器对应一个组合功能模块，各个组合功能模块通过一根总线实现通讯，解决了工业现场传感器数量多、分布广造成的布线量大、施工困难问题，降低了材料成本和施工成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例的将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块的示例性框图。

图2是本实用新型实施例的模拟量采集单元的电路图。

图3是本实用新型实施例的数字量采集单元的电路图。

图4是本实用新型实施例的cpu单元的电路图。

图5是本实用新型实施例的以太网通讯电路图。

图6是本实用新型实施例的rs485总线通讯电路图。

图7是本实用新型实施例的开关电源电路图。

图8是本实用新型实施例的电源保护电路图。

图9是本实用新型实施例的传感器与组合模块的示例性连接框图。

图10是本实用新型实施例的采集系统的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明，附图中的电路元器件及相互的连接关系即使没有详细说明，本领域技术人员也应当能够理解，并且根据附图中提供的详细电路图得到本实施例所阐述的内容。

图1是本实用新型实施例的将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块（以下简称：组合功能模块）的示例性框图，参照图1，该组合功能模块包括模拟量采集单元、数字量采集单元、cpu单元、rs485总线通讯单元、以太网通讯单元、开关电源单元以及电源保护单元。其中，模拟量采集单元的输入端与传感器直接连接，数字量采集单元的输入端与传感器直接连接，两者均用于不通过plc从传感器采集模拟量信号；模拟量采集单元的输出端连接cpu单元的模拟量输入端，数字量采集单元的输出端连接cpu单元的数字量输入端，cpu单元用于对采集的模拟量信号进行处理和对数据的上传转发；此处的处理和上传转发是把模拟量和数字量这两种信号转成通讯的形式；rs485总线通讯单元，其与cpu单元连接，用于将采集的数据发送至数据接收装置；以及以太网通讯单元，其与cpu单元连接，用于将采集的数据发送至数据接收装置。

图2是本实用新型实施例的模拟量采集单元的电路图，参考图2，模拟量采集单元包括0-10v模拟量信号的采集电路，0-10v模拟量信号的采集电路具有与传感器连接的正输入端exti1+和负输入端extt1-以及输出端；该采集电路中主要包括差分运放电路和比例放大电路，传感器信号进入后流经第一个芯片为lm224ad，其为差分运放，作用是使差分信号转成共地的信号，之后经过第二个芯片mcp6002，其为运放构成的比例放大器，通过调整电位器p1调整给单片机的模拟信号；另外，d2的功能主要为差压保护。模拟量信号的采集电路不仅限于0-10v一种，其根据传感器以及现场配置，可以集成4-20ma、0-20ma、±10ma、0-20mv、0-75mv、0-5v、0-10v、±50mv、±100mv、±5v的其中任意一种或者是任意两种及两种以上的组合。模拟量采集单元为独立的采集电路，而非plc及与plc关联的采集电路，其独立采集模拟量信号并发送至cpu单元。此模拟量信号的采集电路为传统的经典模拟量采集电路，本领域技术人员能够理解其原理，在此不过多赘述。

图3是本实用新型实施例的数字量采集单元的电路图，参考图3，数字量采集单元包括多条数字量信号的采集电路，数字量信号的采集电路可支持20khz及以下的数字量信号的采集，例如生产线上循环泵的状态信号、进出仓阀门的开关状态等开关量。数字量采集单元为独立的采集电路，而非plc及与plc关联的采集电路，其独立采集数字量信号并发送至cpu单元。在数字量信号的采集电路中具有输入端io_24v和hsi1、hsi2等以及输出端，其中hsi1、hsi2为防接反端。在数字量信号的采集电路中采用有ic型号为hcpl-0600的芯片t1，其是一款光电耦合门电路芯片，组合了磷砷化镓发光二极管和集成高增益光探测器。探测器ic的输出则是一个集电极开路肖特基钳位晶体管。hcpl-0600的内部屏蔽可保证在vcm=1000v条件下，其共模瞬变抗扰度达到15000v/μs。这种独特的设计提供了最大限度的ac和dc电路隔离，同时实现了ttl兼容。hcpl-0600光耦的操作参数保证温度范围为–40℃～+85℃，这些参数允许了系统的无扰运行。

图4是本实用新型实施例的cpu单元的电路图，参考图4，cpu单元包括基于arm的32位微控制器u2，该微控制器u2主要进行将采集到的模拟量信号和数字量信号处理成可通讯形式。微控制器u2在一个实例中可以选择型号为stm32f103v8t芯片。stm32f103v8t芯片的模拟量输入管脚与模拟量信号的采集电路的输出端ain1连接；stm32f103v8t芯片的数字量输入脚与数字量信号的采集电路的输出端hdi1、hdi2、hdi3以及hdi4连接。

图5是本实用新型实施例的以太网通讯电路图，参考图5，以太网通讯单元与stm32f103v8t芯片通过接插件连接，以太网通讯单元包括的以太网通讯电路具有一个eu1rx端和一个eu1tx端，stm32f103v8t芯片具有usart接口，用于与eu1rx端和eu1tx端连接，以太网通讯电路的输出端采用通信引出插座rj45接入带以太网接口的数据接收装置，例如前置服务器，从而将采集的数据存储在前置服务器中；以太网通讯电路还能够与云服务器通讯，将采集的数据存储在云服务器。

图6是本实用新型实施例的rs485总线通讯电路图，参考图6，rs485总线通讯单元包括rs485总线通讯电路，rs485总线通讯电路中包括rs485收发器u6和dc/dc转换器m7。在一个实例中，该rs485收发器u6可以采用adm2483芯片，adm2483采用了磁耦隔离技术，功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个rs485收发器。amd2483芯片的rxd、txd管脚连接至stm32f103v8t芯片的另一通道的md_rxd端和md_txd端。adm2483芯片具有光电隔离和高共模瞬变抗扰能力。dc/dc转换器m7可以采用b0505lm-1w系列产品，其用于实现输入与输出之间1000vdc的隔离，且输出短路时间可持续1s，从而能够很好地低于高频瞬态突波的干扰。rs485总线通讯电路能够连接前置服务器等相关的数据存储装置，从而将采集的数据存储在其中。

图7是本实用新型实施例的开关电源电路图，图8是本实用新型实施例的电源保护电路图，参考图7和图8，开关电源单元包括开关电源电路，开关电源电路的输出端分别与模拟量采集电路、数字量采集电路、cpu电路、rs485总线通讯电路以及以太网通讯电路的vcc端连接，从而为不同电路提供所需等级的电压。开关电源电路中包括降压开关电源芯片m1，m1可选择lm2575t-5.0芯片，还包括正向低压稳压器m2,m2可选择ams1117-3.3芯片，ams1117-3.3是一种输出电压为3.3v的正向低压降稳压器，c128和e7的作用是抑制自激振荡。电源保护单元包括电源保护电路，其用于实现对开关电源电路的欠压等保护。

上述的模拟量采集单元、数字量采集单元、rs485总线通讯单元、开关电源单元以及电源保护单元均可以通过接插件与cpu单元进行连接，从而实现其独立的单元的功能。

图9是本实用新型实施例的传感器与组合模块的示例性连接框图，图10是本实用新型实施例的采集系统的系统框图，参考图9和图10，一种采集系统包括若干分布在现场不同位置的传感器、数据接收装置、以及上述的将模拟、数字量信号集成采集的组合功能模块；其中，每个传感器对应安装一个组合功能模块，模拟量采集单元和数字量采集单元的输入端与传感器直连，采集对应的模拟量信号或数字量信号；cpu单元通过rs485总线通讯单元或以太网通讯单元与所述数据接收装置连接。

具体的，工业现场的传感器数量较多，分布范围较广，有的传感器距离通讯柜或者采集子站几十米，距离较近的甚至有上百米，传统的多通道的模拟量模块和数字量模块组合使用的方式会造成实施过程中耗费的信号电缆数量巨大，造成材料成本和施工成本高、难度大的问题。

具体的，在施工现场，根据现场传感器的实际情况配置组合功能模块，若采集现场既有传感器的数据，则查看既有传感器是否有闲置通道，若有闲置通道，则将组合功能模块接入闲置通道，不影响既有传感器与plc的正常连接；若新安装传感器，则在每个传感器的附近配置组合功能模块，通过一根rs485总线使得所有的组合功能模块实现与数据采集装置的数据通讯，优选采用标准的手拉手接线方式。数据接收装置可以包括前置服务器和/或云服务器。

本实用新型的组合功能模块将模拟量和数字量信号采集功能集成并具有统一总线通讯端口的，包含信号采集和总线通讯功能。同时，功该组合功能模块区别于传统的多通道模块，而是采用单通道，每个传感器配置一个组合功能模块，然后将所有的传感器通过总线连接，节能成本，组合功能模块能够就近安装在传感器侧，采用的信号线接线较短，从而在施工现场，方便布线，施工难度得到了降低。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。