專利名稱：采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，屬于自動(dòng)化裝 置制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自動(dòng)化控制設(shè)備需要檢測來自控制對象的現(xiàn)場信號(hào)，因此自動(dòng)化控制設(shè)備與安 裝在控制對象上的各種傳感器有電氣上的連接。這往往會(huì)引入很多電氣干擾信號(hào)，可能 對自動(dòng)化控制設(shè)備產(chǎn)生不良的影響，使數(shù)據(jù)采樣不準(zhǔn)確、自動(dòng)化控制設(shè)備工作不穩(wěn)定甚 至損壞。為了克服這些電氣干擾，采用通道隔離技術(shù)來隔離這些電氣干擾。模擬輸入 信號(hào)常用的隔離技術(shù)有模擬側(cè)隔離和數(shù)字側(cè)隔離二種。模擬側(cè)隔離采用模擬信號(hào)隔離 設(shè)備，它的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)是相等的，在電氣上是隔離的，可以方便地實(shí)現(xiàn)通道之 間，通道與控制設(shè)備之間的隔離，但價(jià)格較高。數(shù)字側(cè)隔離一般使用光電耦合器隔離控 制設(shè)備和A/D轉(zhuǎn)換器，價(jià)格低廉，可以實(shí)現(xiàn)通道與控制設(shè)備之間的隔離，但實(shí)現(xiàn)各通道 之間隔離比較困難。模擬量輸入通道的各個(gè)器件都可能產(chǎn)生誤差，影響檢測精度，目前一般采用設(shè) 置可調(diào)模擬器件，通過調(diào)節(jié)模擬部分的零點(diǎn)和放大量來校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)精度。校準(zhǔn)工 作量較大，且容易由于可調(diào)部件的漂移影響通道的長期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，該 電路采用帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器，SPI數(shù)據(jù)接口和光電隔離技術(shù)，結(jié)構(gòu) 簡潔可靠，實(shí)現(xiàn)了各通道之間，各通道與控制設(shè)備之間的完全的電氣隔離，并采用數(shù)字 調(diào)理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸入通道誤差的數(shù)字校正和線性化，為使用者提供了極大的便利，具有 很高的性能價(jià)格比。本發(fā)明的特征在于一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，包括 控制邏輯電路、光電耦合器、帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器、輸入處理電 路、內(nèi)置冷端溫度傳感器、串行EEPROM和DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述輸 入處理電路的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器的程控放大器連接，所述程控放大器的輸 出端與Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與光電耦合 器連接，所述光電耦合器的輸出端與控制邏輯電路連接，所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出 與帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器及輸入處理電路連接，所述內(nèi)置冷端溫度傳 感器和串行EEPROM分別與控制邏輯電路連接；所述串行EEPROM用于存放校準(zhǔn)系數(shù)， 使用前通過輸入通道的零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)，得到并保存零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)系數(shù)，模 擬量輸入通道在工作過程中讀出并使用校準(zhǔn)系數(shù)校正A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；所述內(nèi)置冷端溫度 傳感器測量接線端口的實(shí)時(shí)溫度，與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用光電隔離的SPI數(shù)據(jù)接口，結(jié)構(gòu)簡潔可靠，實(shí)現(xiàn)了各通道之間，各通道與控制設(shè)備之間的完全的電氣隔離，并采用數(shù)字調(diào)理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸 入通道誤差的數(shù)字校正和線性化，具有很高的性能價(jià)格比，將為使用自動(dòng)化控制設(shè)備的 用戶提供了極大的便利。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例電路框圖。圖2本發(fā)明的非線性校正折線。
具體實(shí)施例方式參考圖1和圖2，一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于包括控制邏輯電路(1)、光電耦合器(2)、帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn) 換器(3)、輸入處理電路(4)、內(nèi)置冷端溫度傳感器(5)、串行EEPROM (6)和 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器(7)，所述輸入處理電路(4)的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器
(3)的程控放大器(3-1)連接，所述程控放大器(3-1)的輸出端與Σ-Δ模式A/D 轉(zhuǎn)換器(3)的A/D轉(zhuǎn)換器(3-2)連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器(3_2)的輸出端與光電耦 合器(2)連接，所述光電耦合器(2)的輸出端與控制邏輯電路(1)連接，所述DC/ DC電源轉(zhuǎn)換器(7)的輸出與帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器(3)及輸入處 理電路(4)連接，所述內(nèi)置冷端溫度傳感器(5)和串行EEPROM (6)分別與控制邏 輯電路連接；所述串行EEPROM (6)用于存放校準(zhǔn)系數(shù)，使用前通過輸入通道的零點(diǎn) 和滿量程的校準(zhǔn)，得到并保存零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)系數(shù)，模擬量輸入通道在工作過程中 讀出并使用校準(zhǔn)系數(shù)校正A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；所述內(nèi)置冷端溫度傳感器(5)測量接線端口 的實(shí)時(shí)溫度，與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。上述控制邏輯電路還與SPI總線連接，所述控制邏輯電路將一組SPI接口擴(kuò)展為 多組SPI接口，通過光電隔離連接A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)A/D通道是完全獨(dú)立的，有各自的 輸入處理電路，帶有程控放大器A/D轉(zhuǎn)換器和DC/DC隔離電源。上述內(nèi)置冷端溫度傳感器和串行EEPROM由邏輯電源供電。上述帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器由輔助電源 {共 ο上述輸入電路的輸入端可以連接二線制的電流電壓信號(hào)和三線制的電阻輸入信號(hào)。上述控制邏輯電路采用了 CPLD或FPGA芯片。上述二線制的電流電壓和三線制的電阻輸入模擬量信號(hào)通過SPI接口控制的A/ D轉(zhuǎn)換器及程控放大器，和再根據(jù)串行EEPROM的校準(zhǔn)信息校正零點(diǎn)和量程，進(jìn)行數(shù)字 化處理；數(shù)字化的模擬量輸入數(shù)據(jù)需要非線性校正時(shí)，則根據(jù)校正的類型用折線校正法 得到線性化的數(shù)據(jù)。模擬量輸入電路通過SPI接口與控制設(shè)備連接，使用SCK、MOSI和MISO，不
使用SPI的從機(jī)選擇信號(hào)SS?？刂七壿嬰娐凡捎昧?CPLD或FPGA芯片，在選擇輸入信 號(hào)的控制下，由內(nèi)部的多路數(shù)據(jù)分配器和多路數(shù)據(jù)選擇器將一組SPI接口擴(kuò)展為多組SPI 接口。光電耦合器每個(gè)A/D通道配置三個(gè)，使用高速光電耦合器以光電隔離的形式傳送SCK、MOSI和MISO。采用SPI接口，帶有程控放大器的Σ - Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器，是 低價(jià)格高性能的電路。輸入處理電路主要是處理二線制的電流電壓信號(hào)和三線制的電阻 輸入，量程則由A/D轉(zhuǎn)換器中的程控放大器處理。內(nèi)置冷端溫度傳感器采用了 SPI接口 的溫度傳感器，采集本地溫度信息用于熱電偶的冷端補(bǔ)償。EEPROM也是采用SPI接口 的，用于保存配置和校正信息。DC/DC電源轉(zhuǎn)換器每個(gè)A/D通道配置一個(gè)，用于向前 級電路提供隔離電源。本模擬量輸入電路的每一個(gè)通道是完全獨(dú)立的，有各自的輸入處理電路，帶有 程控放大器A/D轉(zhuǎn)換器和DC/DC隔離電源，通過高速光電耦合器的隔離后與控制邏輯電 路連接。因此各通道之間，各通道與控制設(shè)備之間是在電氣上是完全絕緣的。控制設(shè)備 的處理器通過高速光電耦合器以數(shù)字方式設(shè)置、控制和讀出A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 的隔離。由于模擬量輸入通道的各個(gè)器件都可能產(chǎn)生誤差，為了確保精度，設(shè)計(jì)了校準(zhǔn) 程序進(jìn)行校準(zhǔn)。輸入通道按毫伏、電阻和5V電壓3種類型，分別輸入零點(diǎn)(或1%量 程)和滿量程(或99%量程)信號(hào)，通過檢測得到的實(shí)際數(shù)值，可以分別計(jì)算出相應(yīng)的 零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)系數(shù)，并存放在電路中的EEPROM內(nèi)長期保存。模擬量輸入通道在工 作過程中從EEPROM讀出校準(zhǔn)系數(shù)，校準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，確保A/D轉(zhuǎn)換電路的精度。熱電偶和熱電阻信號(hào)是非線性的，采用折線校正法線性化這些輸入數(shù)據(jù)。按不 同的輸入信號(hào)屬性設(shè)置不同的校正折線，每條校正折線根據(jù)輸出增量相等的原則設(shè)置17 個(gè)折線點(diǎn)和16段折線。輸入的非線性信號(hào)首先通過比較確認(rèn)所屬的折線段，再根據(jù)本 折線段的二個(gè)端點(diǎn)和數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置，由線性插值的方法得到校正值。本方法計(jì)算簡單速 度快，精度可以達(dá)到0.1級。內(nèi)置冷端傳感器采用了 SPI接口的AD7814，溫度分辨度為 0.25°C。為了保證精度，AD7814根據(jù)實(shí)際溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。具體實(shí)施如下在采用模板形式時(shí)，用于保存配置和校正信息的串行EEPROM 是安裝在模板上的，交換模板時(shí)配置和校正信息也隨之交換，實(shí)現(xiàn)模板配置和校正的智 能化處理?？刂颇M量輸入電路的處理器(以下簡稱為處理器)向模擬量輸入電路的控 制邏輯提供一組SPI接口，N位GPIO作為通道選擇線，這里N的取值應(yīng)滿足(A/D通 道數(shù)+2^2ν (此處為2的N次方))。控制邏輯電路內(nèi)部的多路數(shù)據(jù)分配器和多路數(shù)據(jù) 選擇器將一組SPI接口擴(kuò)展為多組SPI接口，用于相互獨(dú)立的A/D通道、冷端溫度傳感 器和EEPROM。每個(gè)A/D通道配置三個(gè)光電耦合器以光電隔離的形式傳送SCK、MOSI 和MISO，光電耦合器與控制邏輯連接部分的電源由控制邏輯使用的邏輯電源提供。需要 采樣速度較快時(shí)，使用6Ν137或HCPL-0600系列光電耦合器。如可以低速采樣，使用低 速的光電耦合器如TLP521、PL817等。A/D轉(zhuǎn)換器和程控放大器應(yīng)選用SPI接口的帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D 轉(zhuǎn)換器，可使用CIRRUS公司的CS55&系列、CS553x系列和CS555x系列的，也可以 使用其它類似的產(chǎn)品。這是一類低價(jià)格高性能的電路，主要特點(diǎn)包括內(nèi)置可編程儀器放 大器，A/D轉(zhuǎn)換的有效精度達(dá)到18位以上和帶有數(shù)字濾波器可有效地克服困難工頻干擾 等。輸入處理電路主要是處理二線制的電流電壓信號(hào)和三線制的電阻輸入，量程則由A/ D轉(zhuǎn)換器中的程控放大器處理。冷端溫度傳感器和串行EEPROM是所有通道共用的，由邏輯電源供電。冷端檢測采用SPI接口的溫度傳感器，如AD7814等，采集溫度信息用于熱電偶的冷端補(bǔ)償。串 行EEPROM也是采用SPI接口的，用于保存配置和校正信息。DC/DC電源轉(zhuǎn)換器是隔 離型的，每個(gè)A/D通道配置一個(gè)，由輔助電源供電，隔離后的輸出向A/D轉(zhuǎn)換器、程控 放大器、輸入處理電路和光電耦合器與A/D轉(zhuǎn)換器的連接部分供電?？刂圃O(shè)備啟動(dòng)后，處理器通過SPI接口設(shè)置溫度傳感器和各個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器及程 控放大器，讀出EEPROM中配置和校正信息，完成初始化工作。模擬量采樣工作開始 后，處理器使用通道選擇GPIO發(fā)送通道選擇命令選擇A/D通道，通過SPI接口控制A/ D轉(zhuǎn)換器及程控放大器，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再根據(jù)校準(zhǔn)信息校正零點(diǎn)和量程，得到數(shù) 字化的模擬量輸入數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)是非線性的需要校正，則根據(jù)校正的類型用折線校正法 得到線性化的數(shù)據(jù)。對于熱電偶類型的輸入，如需要冷端補(bǔ)償，處理器通過溫度傳感器 檢測接線端口的實(shí)時(shí)溫度，與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。模擬量輸入通道的各個(gè)器件都可能產(chǎn)生誤差，為確保精度，輸入通道使用前必 須先進(jìn)行校準(zhǔn)。對于通用模式的輸入通道，應(yīng)按毫伏、電阻和5V電壓3種類型進(jìn)行校 準(zhǔn)，對于單一模式的輸入通道，按使用量程校準(zhǔn)即可。校準(zhǔn)時(shí)先輸入零點(diǎn)(或1%量程) 信號(hào)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值的偏差，計(jì)算出零點(diǎn)的校準(zhǔn)系數(shù)；再輸入滿量程(或99%量 程)信號(hào)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值計(jì)算出量程的校準(zhǔn)系數(shù)。校準(zhǔn)完成后，校準(zhǔn)系數(shù)存放在 電路中的EEPROM內(nèi)長期保存，用于模擬量通道在工作過程中校準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，確保 A/D轉(zhuǎn)換電路的精度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化 與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，包括控制邏輯電路、光電耦 合器、帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器、輸入處理電路、內(nèi)置冷端溫度傳感 器、串行EEPROM和DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述輸入處理電路的輸出端與 Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器的程控放大器連接，所述程控放大器的輸出端與Σ-Δ模式A/D 轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與光電耦合器連接，所述光電耦 合器的輸出端與控制邏輯電路連接，所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出與帶有程控放大器的 Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器及輸入處理電路連接，所述內(nèi)置冷端溫度傳感器和串行EEPROM 分別與控制邏輯電路連接；所述串行EEPROM用于存放校準(zhǔn)系數(shù)，使用前通過輸入通道 的零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)，得到并保存零點(diǎn)和滿量程的校準(zhǔn)系數(shù)，模擬量輸入通道在工作 過程中讀出并使用校準(zhǔn)系數(shù)校正A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；所述內(nèi)置冷端溫度傳感器測量接線端口 的實(shí)時(shí)溫度，與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于所述控制邏輯電路還與SPI總線連接，所述控制邏輯電路將一組SPI接口擴(kuò)展為多組 SPI接口，通過光電隔離連接A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)A/D通道是完全獨(dú)立的，有各自的輸入 處理電路，帶有程控放大器A/D轉(zhuǎn)換器和DC/DC隔離電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于所述內(nèi)置冷端溫度傳感器和串行EEPROM由邏輯電源供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于所述帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器由輔助電源供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于所述輸入電路的輸入端可以連接二線制的電流電壓信號(hào)和三線制的電阻輸入信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在 于所述控制邏輯電路采用了 CPLD或FPGA芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征 在于所述二線制的電流電壓和三線制的電阻輸入模擬量信號(hào)通過SPI接口控制的A/D 轉(zhuǎn)換器及程控放大器，和再根據(jù)串行EEPROM的校準(zhǔn)信息校正零點(diǎn)和量程，進(jìn)行數(shù)字化 處理；數(shù)字化的模擬量輸入數(shù)據(jù)需要非線性校正時(shí)，則根據(jù)校正的類型用折線校正法得 到線性化的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用數(shù)字化隔離和調(diào)理技術(shù)的模擬量輸入電路，其特征在于包括控制邏輯電路、光電耦合器、帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器、輸入處理電路、內(nèi)置冷端溫度傳感器、串行EEPROM和DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，所述輸入處理電路的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器的程控放大器連接，所述程控放大器的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉(zhuǎn)換器的A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與光電耦合器連接，所述光電耦合器的輸出端與控制邏輯電路連接。本發(fā)明采用光電隔離的SPI數(shù)據(jù)接口，結(jié)構(gòu)簡潔可靠，實(shí)現(xiàn)了各通道之間，通道與控制設(shè)備之間完全的電氣隔離，并實(shí)現(xiàn)了輸入通道誤差的數(shù)字校正和線性化，具有很高的性能價(jià)格比，為使用自動(dòng)化控制設(shè)備的用戶提供了極大的便利。
文檔編號(hào)H03K19/0175GK102025364SQ20101060934
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者吳景東 申請人:福州大學(xué)