智能型電阻信號隔離柵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵和裝置，包括：順序連接的傳感器輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器、隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及限能電路。微控制器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間采用數(shù)據(jù)同步、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的三線串行連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出通道可以為一路、兩路或兩路以上。微控制器與各路輸出的通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間的接口可以共用時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線；微控制器若干通用輸入/輸出口作為數(shù)據(jù)同步，分別連接各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。當(dāng)某一通道的數(shù)據(jù)同步被置低時(shí)，其它通道的數(shù)據(jù)同步置高時(shí)，輸出數(shù)據(jù)被送入相應(yīng)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的寄存器。優(yōu)點(diǎn)是：可滿足用戶對單輸入，多輸出電阻信號隔離柵的需求，填補(bǔ)了市場的空缺。
【專利說明】智能型電阻信號隔離柵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及工業(yè)危險(xiǎn)場所的二次儀表，尤其涉及本安系統(tǒng)中的一種電阻輸入輸出安全柵。
[0002]電阻輸入電阻輸出型安全柵具有快速響應(yīng)功能，輸出非線性小，輸出穩(wěn)定性好，溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0003]安全柵是本安系統(tǒng)中危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域電氣儀表設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)設(shè)備，該設(shè)備通過使用保護(hù)電路和保護(hù)元件，以限制危險(xiǎn)場所的電路能量，隔絕危險(xiǎn)區(qū)域可能發(fā)生的爆炸，燃燒，高溫等能量向安全區(qū)域的傳播，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)設(shè)備的防爆。當(dāng)本安儀表發(fā)生故障或者失效時(shí)，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全閾值以內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場設(shè)備，人員和生產(chǎn)的安全。安全柵廣泛的應(yīng)用于防爆領(lǐng)域的工業(yè)儀表前端信號處理，對提高工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性有非常重要的作用。
[0004]電阻信號安全柵產(chǎn)品在應(yīng)用時(shí)，常需要將同一輸入信號對應(yīng)的輸出信號連接至不同的場合，如數(shù)字顯示儀表或者集散控制系統(tǒng)DCS，因此，安全柵有必要做成單輸入，多路輸出的形式。
[0005]目前市場上的電阻信號安全柵使用模擬電路對輸入信號進(jìn)行處理，僅能做到一個(gè)輸入信號對應(yīng)一個(gè)輸出信號，因此在某些需要對輸出信號進(jìn)行多種處理或者測量的場合，一入一出的電阻信號安全柵產(chǎn)品無法滿足現(xiàn)場要求，對輸入電阻信號使用微控制器處理，使其具有多路相同輸出勢在必行。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的安全柵，一般采用純模擬電路，將客戶現(xiàn)場的電阻信號值輸入隔離柵后，通過硬件電路將引入的引線電阻消除，然后使用恒定電流激勵(lì)電阻信號，使其產(chǎn)生的成比例的電壓信號并通過隔離器件(如光耦器件等)進(jìn)行1:1隔離轉(zhuǎn)換，輸出電路再將隔離后的電壓信號還原為電阻信號。取用外部輸出端口的電流信號進(jìn)行1:1隔離，通過輸出信號隔離后的反饋建立輸入激勵(lì)電流源，將輸入輸出電路整個(gè)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)電路。從輸出端看，整個(gè)電路可以等效成一個(gè)電阻，從而實(shí)現(xiàn)了電阻信號從輸入到輸出電路的隔離性的傳輸。
[0007]現(xiàn)有安全柵技術(shù)的主要缺點(diǎn)是:只能做到一個(gè)輸入信號對應(yīng)一個(gè)輸出信號，無法滿足對一個(gè)輸入電阻信號的輸出進(jìn)行多項(xiàng)處理的需求，即不具備對單一輸出信號做多輸出的擴(kuò)展性，只能將產(chǎn)品擴(kuò)展為二入二出，三入三出等形式，無法配置為一入二出，一入三出等形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對上述現(xiàn)有電阻信號安全柵技術(shù)存在的無法將單輸入信號擴(kuò)展為多輸出的不足，提供一種可以自由配置輸入輸出對應(yīng)形式的電阻信號安全柵，除了能將其配置為單輸入單輸出的形式外，還能將其配置為多輸入多輸出，單輸入多輸出的形式，即一路輸入對應(yīng)多路相同的輸出。[0009]本發(fā)明針為解決上述問題而提出的技術(shù)方案是:智能型電阻信號隔離柵，包括:順序連接的傳感器輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器、隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及限能電路。
[0010]微控制器通過軟件算法消除傳感器引線電阻，并對傳感器輸入電路采集的信號進(jìn)行線性化的處理；限能電路為限壓限流網(wǎng)絡(luò)，用于將能量限制在安全值以內(nèi)；隔離單元為光耦隔離，用于微控制器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間的通訊線連接。
[0011]微控制器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間采用數(shù)據(jù)同步、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的三線串行連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出通道可以為一路、兩路或兩路以上。微控制器與各路輸出的通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間的接口可以共用時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線；微控制器若干通用輸入/輸出口作為數(shù)據(jù)同步，分別連接各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。當(dāng)某一通道的數(shù)據(jù)同步被置低，其它通道的數(shù)據(jù)同步置高時(shí)，輸出數(shù)據(jù)被送入相應(yīng)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的寄存器。
[0012]與現(xiàn)有電阻信號安全柵技術(shù)相比，采用本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是:
[0013]1.可滿足用戶對單輸入，多輸出電阻信號隔離柵的需求，填補(bǔ)目前市場的空缺。
[0014]2.擴(kuò)展性強(qiáng)，只要微控制器的資源滿足，根據(jù)本方案，可以在單輸入的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出多個(gè)輸出通道。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面對本說明書附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明:
[0016]圖1是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的較佳實(shí)施例的原理框圖。
[0017]圖2是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖3是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的較佳實(shí)施例的軟件流程圖。
[0019]圖4是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的去傳感器引線電阻的原理圖。
[0020]圖5是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的輸入信號處理的相關(guān)電路。
[0021]圖6是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的輸出信號處理的相關(guān)電路。
[0022]圖7是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的輸入、輸出通道之間的隔離電路。
[0023]圖8是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的預(yù)穩(wěn)壓電路。
[0024]圖9是本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的變壓器電路。
[0025]圖中包括:電阻溫度傳感器RTD、傳感器輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、微控制器MCU、外圍電路、通訊接口、隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、限能電路、變壓器電路、預(yù)穩(wěn)壓電路。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的實(shí)施例，包括:順序連接的電阻溫度傳感器RTD、傳感器輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、微控制器MCU、隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，以及限能電路。微控制器MCU通過軟件算法消除傳感器引線電阻，并對傳感器輸入電路采集的信號進(jìn)行線性化的處理；限能電路為限壓限流網(wǎng)絡(luò)，用于將能量限制在安全值以內(nèi)；隔離單元為光耦隔離，用于微控制器MCU和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC之間的通訊線連接；微控制器MCU與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC之間采用數(shù)據(jù)同步SYNC、時(shí)鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDIN的三線串行連接。[0028]數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的輸出通道可以為一路、兩路或兩路以上；微控制器MCU與各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC之間的接口可以共用時(shí)鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDIN ;微控制器MCU的若干通用輸入/輸出口 GPIO作為數(shù)據(jù)同步SYNC，分別連接各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0當(dāng)某一通道的數(shù)據(jù)同步SYNC被置低時(shí)，其他通道的數(shù)據(jù)同步SYNC需置高，輸出數(shù)據(jù)被送入相應(yīng)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的寄存器。
[0029]一.基本原理
[0030]本發(fā)明智能型電阻信號隔離柵的實(shí)施例，原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要組成部件為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和微控制器MCU集成的微處理芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，以及限能電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入通道可以為一路、兩路或兩路以上。
[0031]該實(shí)施例的輸入信號處理部分，采用32位ARM7TDMI內(nèi)核微處理芯片ADuC7061作為處理單元，該微處理芯片峰值性能高達(dá)10MIPS，為完全集成的8kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在微處理芯片內(nèi)集成高性能多信道Σ - Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、16位/32位微控制器MCU，內(nèi)置兩個(gè)差分對或四個(gè)單端通道的主模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和內(nèi)置七個(gè)通道的輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，可以工作在單端輸入模式或差分輸入模式下。微處理芯片內(nèi)集成4kB SRAM和32kB非易失性Flash/EE存儲器。
[0032]該實(shí)施例的輸出信號處理部分，采用ADI公司的AD5444精密12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，
2.5V至5.5V供電，典型工作狀態(tài)下電流低至4uA，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC具有雙緩沖，與SPT、QSPI
等接口兼容的三線串行接口。
[0033]ADuc7061微處理芯片與AD5444數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用三線串行連接，三線定義如下
表:
【權(quán)利要求】
1.智能型電阻信號隔離柵，其特征是，包括:順序連接的傳感器輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器(MCU)、隔離單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以及限能電路； 所述微控制器(MCU)通過軟件算法消除傳感器引線電阻，并對傳感器輸入電路采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化的處理； 所述限能電路為限壓限流網(wǎng)絡(luò)，用于將能量限制在安全值以內(nèi)； 所述隔離單元為光耦隔離，用于微控制器(MCU)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之間的通訊線連接; 所述微控制器(MCU)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之間采用數(shù)據(jù)同步(SYNC)、時(shí)鐘線(SCLK)和數(shù)據(jù)線(SDIN)的三線串行連接； 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出通道可以為一路、兩路或兩路以上； 所述微控制器(MCU)與各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之間的接口可以共用時(shí)鐘線(SCLK)和數(shù)據(jù)線(SDIN)； 所述微控制器(MCU)的若干通用輸入/輸出口(GPIO)作為數(shù)據(jù)同步(SYNC)，分別連接各路輸出通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)； 當(dāng)某一通道的數(shù)據(jù)同步(SYNC)被置低，其它通道的數(shù)據(jù)同步(SYNC)置高時(shí)，輸出數(shù)據(jù)被送入相應(yīng)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的寄存器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入通道可以為一路、兩路或兩路以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述順序連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器(MCU)，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和微控制器(MCU)集成的微處理芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述傳感器輸入電路的端口連接有三線制或兩線制輸入的電阻溫度傳感器(RTD)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述光耦隔離的次級使用邏輯門電路對信號進(jìn)行整形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述限能電路由電源部分供電，電源部分包括:順序連接的預(yù)穩(wěn)壓電路和變壓器電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述預(yù)穩(wěn)壓電路包括順序連接的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、共模濾波器、電源調(diào)整芯片和穩(wěn)壓配置電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述變壓器電路包括順序連接的多諧振蕩單元、變壓器和整流濾波單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述微控制器(MCU)的外圍電路包括復(fù)位電路和去耦電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能型電阻信號隔離柵，其特征是: 所述微控制器(MCU)的通訊接口包括串口通訊口，用于與上位機(jī)通訊。
【文檔編號】G05B19/042GK103543679SQ201310516304
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】卓巍, 高海濤 申請人:深圳萬訊自控股份有限公司