基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块
阅读：587发布：2020-05-08
专利汇可以提供基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于RS-485的多路热 电阻 采集多路 数字量 输出模 块 ，包括A/D转换 电路 、数字量输出电路、第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、微 控制器 、RS-485收发器、第三电气隔离电路和电源电路，A/D转换电路具有多路热电阻输入通道，热电阻输入通道上设置有对 电压 信号 进行处理的抗 混叠 滤波器 ，数字量输出电路具有多路数字量输出通道，A/D转换电路通过第一电气隔离电路连接至 微控制器 ，数字量输出电路的输入端通过第二电气隔离电路连接至微控制器，RS-485收发器通过第三电气隔离电路连接至微控制器，电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。本实用新型能够测量多个热电阻阻值，适用于采集工业现场的 温度 值。，下面是基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块专利的具体信息内容。
1.一种基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：包括A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、微控制器、RS-485收发器、第三电气隔离电路和电源电路，所述A/D转换电路具有多路热电阻输入通道，所述热电阻输入通道上设置有对电压信号进行处理的抗混叠滤波器，所述数字量输出电路具有多路数字量输出通道，所述A/D转换电路通过第一电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输出电路的输入端通过第二电气隔离电路连接至微控制器，所述RS-485收发器通过第三电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
4.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述热电阻输入通道的输入类型为Pt系列热电阻或Cu系列热电阻。
6.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述第一电气隔离电路包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，所述第一数字隔离器分别与A/D转换电路、微控制器连接，所述第二数字隔离器分别与A/D转换电路、微控制器连接。
7.根据权利要求6所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述第一数字隔离器、第二数字隔离器共同连接有一位移缓存器，所述位移缓存器连接有第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关，所述第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关分别与A/D转换电路连接，所述第一模拟开关和第二模拟开关共同连接至双电流源集成芯片，所述双电流源集成芯片与第四模拟开关连接。
8.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
9.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端连接至一稳压器的输入端，所述稳压器的输出端分别连接至A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路和第二电气隔离电路，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器、数字量输出电路、第一电气隔离电路和第二电气隔离电路。
10.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块
技术领域
背景技术
很多过程控制、仪器应用以及其它的测量系统，都需要对温度进行测量，因此温度传感器的使用非常广泛。在工业现场，最常用的温度传感器是热电阻和热电阻。热电阻温度探测器(RTD)实际上是一根特殊的导体，它的电阻值随温度变化而变化。热电阻成本较低，线性良好，但在使用时需要施加外部激励，测温范围较热电阻小。目前应用得较多的热电阻材料铜、铂、镍以及镍铁合金等。
铂电阻：采用铂制成的RTD具有最佳的线性、可重复性和稳定性。工业铂电阻的测温的范围200~+850℃，铂电阻阻值与温度的关系可近似用下式表示：在0~+850℃内，R
t＝R
0（1＋At＋Bt
2）；在-200~0℃内，R
t＝R
0（1＋At＋Bt
2＋Ct
3（t－100）），式中R
0、R
t分别为铂电阻在0℃和t℃时的电阻值；A、B、C分别是三个常系数（A＝3.9083×10
-3/℃，B＝-5.775×10
-7/℃，C＝-4.183×10
-12/℃）。铂电阻的允许误差为：A级为Δt＝±（0.15＋2×10
-3t），B级为Δt＝±（0.3＋5×10
-3t）。
铜电阻：在一般的测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍采用铜热电阻来测温，它的测量范围一般为-50~150℃。铜电阻阻值和温度之间的关系可以近似用下式表示：R
t＝R
0（1＋At＋Bt
2＋Ct
3），式中的系数：A＝4.28899×10
-3/℃，B＝-2.133×10
-7/℃，C＝1.233×10
-9/℃。铜电阻的允许误差为：Δt＝±（0.3＋6×10
-3t）。
镍电阻：镍热电阻的的基本误差是最大的。目前在国际上还没有公认的镍热电阻阻值与温度的分度表。镍热电阻阻值和温度之间的关系的一种表达式为：R
t＝R
0（1＋At＋Bt
2＋Dt
4+Ft
6 ），式中的系数：A＝5.485×10×10
-3/℃，B＝6.650×10
-7/℃，D＝2.805×10
-11/℃，F＝-2.000×10
-17/℃。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，它能够。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，包括A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路、第二电气隔离电路、微控制器、RS-485收发器、第三电气隔离电路和电源电路，所述A/D转换电路具有多路热电阻输入通道，所述热电阻输入通道上设置有对电压信号进行处理的抗混叠滤波器，所述数字量输出电路具有多路数字量输出通道，所述A/D转换电路通过第一电气隔离电路连接至微控制器，所述数字量输出电路的输入端通过第二电气隔离电路连接至微控制器，所述RS-485收发器通过第三电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
进一步地，所述热电阻输入通道的输入类型为Pt系列热电阻或Cu系列热电阻。
进一步地，所述第一电气隔离电路包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，所述第一数字隔离器分别与A/D转换电路、微控制器连接，所述第二数字隔离器分别与A/D转换电路、微控制器连接。
进一步地，所述第一数字隔离器、第二数字隔离器共同连接有一位移缓存器，所述位移缓存器连接有第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关，所述第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关分别与A/D转换电路连接，所述第一模拟开关和第二模拟开关共同连接至双电流源集成芯片，所述双电流源集成芯片与第四模拟开关连接。
进一步地，还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
进一步地，所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端连接至一稳压器的输入端，所述稳压器的输出端分别连接至A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路和第二电气隔离电路，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器、数字量输出电路、第一电气隔离电路和第二电气隔离电路。
进一步地，所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：该模块具有多路热电阻输入通道，能够同时对多个热电阻的阻值进行测量，适用于采集工业现场的温度值；还具有多路数字量输出通道，可以设置为用户控制输出或对测量温度值进行超限状态指示输出。该模块针对工业应用而设计的，其内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号进行滤波处理，大大地降低了工业现场的干扰对模块正常运行的影响，使模块具有很高的可靠性，其带隔离的RS-485通信接口，避免了工业现场信号对微控制器通讯接口的影响。模块具有很高的抗ESD打击能力以及过压、过流保护功能。
图2为本实用新型实施例的微控制器的一种电路图。
图3为本实用新型实施例的A/D转换电路的一种电路图。
图4为本实用新型实施例的热电阻输入通道的一种电路图。
图5为本实用新型实施例的第一电气隔离电路的一种电路图。
图6为本实用新型实施例的位移缓存器的一种电路图。
图7为本实用新型实施例的第一模拟开关、第二模拟开关和双电流源集成芯片的一种集成电路图。
图8为本实用新型实施例的第三模拟开关和第四模拟开关的一种集成电路图。
图9为本实用新型实施例的第二电气隔离电路与数字量输出通道的一种集成电路图。
图10为本实用新型实施例的第三电气隔离电路与RS-485收发器的一种集成电路图。
图11为本实用新型实施例的看门狗电路和EEPROM存储器的一种集成电路图。
图12为本实用新型实施例的电源指示灯的一种电路图。
图13为本实用新型实施例的工作状态指示灯的一种电路图。
图14为本实用新型实施例的主电源电路的一种电路图。
图15为本实用新型实施例的二级稳压电路的一种电路图。
图16为本实用新型实施例的隔离电源电路的一种电路图。
图17为本实用新型实施例的稳压器的一种电路图。
图中标记：1、A/D转换电路；2、数字量输出电路；3、第一电气隔离电路；4、第二电气隔离电路；5、微控制器；6、RS-485收发器；7、第三电气隔离电路；8、电源电路；81、主电源电路；82、二级稳压电路；83、隔离电源电路；84、稳压器；9、看门狗电路；10、EEPROM存储器。
具体实施方式
为了让本实用新型的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本实施例提供了一种基于RS-485的多路热电阻采集多路数字量输出模块，包括A/D转换电路1、数字量输出电路2、第一电气隔离电路3、第二电气隔离电路4、微控制器5、RS-485收发器6、第三电气隔离电路7和电源电路8，A/D转换电路1具有多路热电阻输入通道，如5路热电阻输入通道，热电阻输入通道上设置有对电压信号进行处理的抗混叠滤波器，数字量输出电路2具有多路数字量输出通道，如2路数字量输出通道，A/D转换电路1通过第一电气隔离电路3连接至微控制器5，数字量输出电路2的输入端通过第二电气隔离电路4连接至微控制器5，RS-485收发器6通过第三电气隔离电路7连接至微控制器5，电源电路8为整个模块提供稳定的工作电压。
在本实施例中，微控制器5采用32位RISC CPU ARM芯片，具体采用如图2所示的LPC2134单片机，具有非常快速的数据处理能力，可以应用在高性能和高速度的应用环境中；操作系统：实时操作系统；供电电压：+10~+30
VDC，电源反接保护；工作温度范围：-40℃～+85℃；通讯接口：隔离2500
VDC，ESD、过压、过流保护，ESD ±6KV。
在本实施例中，A/D转换电路1优选但不局限于包括如图3所示的AD7794模数转换器，热电阻输入通道优选但不局限于包括如图4所示的电路图，其中抗混叠滤波器优选但不局限于PESDXL2BT芯片。模拟量输入的主要技术指标：热电阻输入通道的输入类型：Pt系列热电阻、Cu系列热电阻；热电阻类型和温度范围：Pt系列（Pt10、Pt100、Pt200、Pt500、Pt1000）：-200℃~850 ℃，Cu系列（Cu50、Cu100）：-50℃~150℃；热电阻接线方式：2线或3线制；温度分辨率：0.1℃；精度：±0.05％；采样速率：8采样点/秒；输入阻抗：1.5MΩ；周期性自校准功能；端子反接保护；可控制通道的关闭/打开；可独立控制每通道使能/禁止超限报警功能，上、下限值独立设置。
在本实施例中，如图5所示，第一电气隔离电路3包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，第一数字隔离器分别与A/D转换电路1、微控制器5连接，第二数字隔离器分别与A/D转换电路1、微控制器5连接。其中，第一数字隔离器优选但不局限于ADUM1200数字隔离器，第二数字隔离器优选但不局限于ADUM1201数字隔离器。
在本实施例中，第一数字隔离器、第二数字隔离器共同连接有一位移缓存器，位移缓存器连接有第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关，第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关分别与A/D转换电路连接，第一模拟开关和第二模拟开关共同连接至双电流源集成芯片，双电流源集成芯片与第四模拟开关连接。其中，位移缓存器优选但不局限于如6所示的74HC595位移缓存器，第一模拟开关优选但不局限于如7所示的ADG409模拟开关，第二模拟开关（如7所示）、第三模拟开关（如8所示）和第四模拟开关（如8所示）优选但不局限于ADG441BRZ模拟开关，双电流源集成芯片（如7所示）优选但不局限于REF200芯片。
在本实施例中，第二电气隔离电路和数字量输出通道优选但不局限于包括如图9所示的集成电路图，其中第二电气隔离电路包含两个光电耦合器，光电耦合器优选但不局限于HMHA281光耦。数字量输出的主要技术指标如下：数字量输出通道的输出类型：集电极开漏输出；最大负载电压：50V；最大负载电流：50mA；可配置为用户控制模式或超限报警模式；在用户控制模式下，具有安全输出功能，可软件配置安全时间和安全输出值；在超限报警模式下，可设置超限输出值。
在本实施例中，第三电气隔离电路7和RS-485收发器6优选但不局限于包括如图10所示的RSM3485CHT隔离收发器模块，RSM3485CHT隔离收发器模块是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能。
在本实施例中，该模块还包括看门狗电路9和EEPROM存储器10，看门狗电路9、EEPROM存储器10分别与微控制器5连接，采用了看门狗电路9，可以在出现意外时将模块的系统重新启动，使得系统更加稳定可靠。看门狗电路9和EEPROM存储器10优选但不局限于采用如图11所示的CAT1023监控电路，CAT1023监控电路是基于微控制器5系统的存储器和电源监控的完全解决方案。
在本实施例中，该模块还包括如图12所示的电源指示灯和如图13所示的工作状态指示灯，电源指示灯与电源电路8连接，工作状态指示灯分别与电源电路8、微控制器5连接。其中，电源指示灯为红色指示灯，灯亮时表示模块供电正常；工作状态指示灯为红绿双色指示灯，灯不亮时表示模块没有上电或没有运行，红灯亮时表示模块初始化出错，绿灯常亮时表示模块正常运行但未与主机进行过通信，绿灯闪烁时表示模块与主机建立连接且已正常通信。
在本实施例中，电源电路8包含主电源电路81、二级稳压电路82和隔离电源电路83，主电源电路81的输出端分别与二级稳压电路82的输入端、隔离电源电路83的输入端连接，隔离电源电路83的输出端连接至一稳压器84的输入端，稳压器84的输出端分别连接至A/D转换电路1、数字量输出电路2、第一电气隔离电路3和第二电气隔离电路4，二级稳压电路82的输出端分别连接至微控制器5、RS-485收发器6、数字量输出电路2、第一电气隔离电路3、第二电气隔离电路4、看门狗电路9、EEPROM存储器10、电源指示灯和工作状态指示灯等。其中，主电源电路81优选但不局限于包括如图14所示的TPS5430电源模块，二级稳压电路82优选但不局限于包括如15所示的SP6201EM5-L-3.3电源模块，隔离电源电路83优选但不局限于包括如图16所示的ZY0509FKW-1W电源模块，稳压器84优选但不局限于包括如图17所示的SPX1117稳压器。
本实施例的工作原理如下：该模块通过对热电阻阻值的测量，然后从分度表查找出对应的温度值来实现对温度的测量。恒流源流过热电阻产生与电阻成正比的电压，电压信号通过抗混叠滤波器以防止采样后频谱的混叠，ADC对滤波后的电压信号进行采样，然后传送给微控制器5，微控制器5通过计算将电阻值计算出来。
该模块具有多路热电阻输入通道，能够同时对多个热电阻的阻值进行测量，适用于采集工业现场的温度值；还具有多路数字量输出通道，可以设置为用户控制输出或对测量温度值进行超限状态指示输出；该模块针对工业应用而设计的，其内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号进行滤波处理，大大地降低了工业现场的干扰对模块正常运行的影响，使模块具有很高的可靠性，其带隔离的RS-485通信接口，避免了工业现场信号对微控制器5通讯接口的影响。模块具有很高的抗ESD打击能力以及过压、过流保护功能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
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