技术领域
[0001] 本
发明涉及电
信号的测量测试领域，具体地涉及一种具有热插拔保护功能的数据采集装置及其通道卡。
背景技术
[0002] 在测量和测试技术领域中，所谓的数据采集装置，是指从
传感器和其它被测目标中自动采集信息的一种装置。它可以实现多种信号的采集，通过将数据采集装置与外部的传感器、敏感元件相连、或者直接与被测信号相连，可以采集并测量到诸如直流
电压信号、交流电压信号、直流
电流信号、交流电流信号、
频率信号、
温度信号、压
力信号、压强信号等各种被测信号。
[0003] 多通道数据采集装置是指集成有多种测量功能的数据采集装置，它具有多个通道，每一个通道可以接入不同的被测信号。如图1所示，为一种多通道数据采集装置的结构示意图，所述多通道数据采集装置100包括三大部分：主控单元101、模
块卡102和
背板单元103。
[0004] 主控单元101是一个控制整个系统工作的单元，它通过背板单元103与模块卡102相连接。主控单元101通过协调多个模块卡102完成
输入信号(即被测信号)的切换和数据采集操作。
[0005] 模块卡102通常包括通道卡1021和万用表卡1022两种，此外，还包括其它类型的模块卡，它们可以单独控制，不需要或者不能与万用表卡1022联合使用。被测信号通过外部接线接入通道卡1021中的各个通道中，主控单元101通过向通道卡1021发送控制命令，将对应通道上接入的被测信号引入至万用表卡1022中。万用表卡1022又称测量卡，或者数据采集卡，用于测量通过各种类型的通道卡连接进来的被测信号，主控单元101通过向万用表卡1022发送控制命令，控制万用表卡1022接收来自不同通道的被测信号，进行数据采集。
[0006] 背板单元103具备有多个插槽，用于插入不同的模块卡102，它起连接主控单元101和模块卡102的“
桥梁”作用，通过背板单元103上的模拟总线，可以将各个通道中的被测信号输入至万用表卡1022中；通过背板单元103上的通信总线，主控单元101可以向通道卡1021和万用表卡1022发送控制命令以及接收万用表卡1022测量的被测信号。另外，主控单元101和各个模块卡102的供电也是通过背板单元103上的电源
电路提供的。
[0007] 在进行数据采集时，主控单元101首先通过通信总线，发送控制命令到通道卡1021；通道卡1021根据控制命令接通一个相应的通道，通过该通道将被测信号输入到模拟总线上；然后主控单元101通过通信总线，发送控制命令到万用表卡1022，万用表卡1022根据该控制命令对模拟总线上的被测信号进行采集；采集完成后万用表卡1022通过通信总线将数据返回给主控单元101，此时，完成了所述通道上被测信号的数据采集过程。
[0008] 每一个通道上的被测信号可以是不同的，用户可以对多通道数据采集装置100内部的通道进行配置，设定每一个被测信号与通道的匹配关系。由于是多通道数据采集，因此，主控单元101需要对各个通道中被测信号接入万用表卡1022的次序进行控制，万用表卡1022依次对各个通道上的被测信号进行数据采集的过程，即是一种对通道的扫描过程。多通道数据采集测量装置100广泛应用于通信、医疗、工业自动化等领域，不同功能的模块卡满足了不同应用场合的测量系统搭建需求，灵活的配置模式也方便了用户的使用。
[0009] 上述模块卡式数据采集测量装置广泛应用于通信、医疗、工业自动化等领域，不同功能的模块卡满足了不同应用场合的测量系统搭建需求，灵活的配置模式也方便了用户的使用。但是，
发明人在实现本发明的过程中发现，现有的模块化的数据采集装置一般不支持热插拔，在进行电流测量时出现意外断电或模块热插拔情况，由于不能有效的保护被测器件，易造成被测器件的损坏。
发明内容
[0010] 本发明的目的在于，本发明提供了一种具有热插拔保护功能的数据采集装置及其通道卡，用于在总线结构的数据采集装置中，通道卡在测量电流信号时，由于热插拔或断电等意外情况发生时，保护电路自动启动，实现电流测量通道的闭合状态，以免由于电流测量通道的开路引起过压或过流，导致被测器件单元或被测电路模块损坏和严重的生产后果。
[0011] 为达上述目的，一方面，本发明
实施例提供了一种具有热插拔保护功能的数据采集装置的通道卡，包括至少一个电流测量通道，每一个电流测量通道包括两个输入线路，每一个输入线路包括有一个电流测量
端子和一个输出端子，其特征在于，所述通道卡设置有保护电路，所述保护电路用于在所述通道卡断电时，自动启动来实现所述通道卡的电流测量通道的闭合状态，以保护被测器件。
[0012] 为达上述目的，另一方面，本发明实施例提供了一种具有热插拔保护功能的数据采集装置，所述数据采集装置包括：依次连接的主控单元、背板单元和子卡单元，所述子卡单元包括：通道卡，所述通道卡包括至少一个电流测量通道，每一个电流测量通道包括两个输入线路，每一个输入线路包括有一个电流测量端子和一个输出端子，所述通道卡还设置有保护电路，所述保护电路用于在所述通道卡断电时，自动启动来实现所述通道卡的电流测量通道的闭合状态，以保护被测器件。
[0013] 本发明实施例提供的上述具有热插拔保护功能的数据采集装置及其通道卡的有益效果在于：通道卡在测量电流信号时，由于热插拔或断电等意外情况发生时，保护电路自动启动，实现电流测量通道的闭合状态，以免由于电流测量通道的开路引起过压或过流，导致被测器件单元或被测电路模块损坏和严重的生产后果。
附图说明
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015] 图1为现有技术的一种多通道数据采集装置的结构示意图；
[0016] 图2为本发明实施例的数据采集装置的整机结构示意图；
[0017] 图3为本发明实施例的通道卡、背板模块与万用表卡的连接关系图；
[0018] 图4为本发明实施例1的通道卡的结构示意图；
[0019] 图5为本发明实施例2的通道卡的结构示意图；
[0020] 图6为本发明实施例3的通道卡的结构示意图；
[0021] 图7为本发明实施例4的通道卡的结构示意图；
[0022] 图8为本发明实施例5的通道卡的结构示意图。
具体实施方式
[0023] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 图2为本发明实施例的一种具有热插拔保护功能的数据采集装置的整机结构示意图。如图2所示，该数据采集装置包括：数据采集装置主机部分(以下称主机)和数据采集装置子卡部分。其中，数据采集装置主机部分包括：数字主控板部分和背板部分。
[0025] 数字主控板部分(主控单元)包括：数字主控板、
接口单元、显示单元、
键盘输入单元和供电单元。
[0026] 背板部分(背板单元)包括：模拟总线部分、数字通信/控制总线和电源总线。
[0027] 子卡部分(模块卡)包括：通道卡(电流卡)、测量卡。这里所述的子卡包括通道卡和测量卡，是指子卡有两种存在方式：通道卡和测量卡，它们是相互独立的，不是共存在一个卡里。一个通道卡可以称为一个子卡，一个测量卡也可以称为一个子卡。通道卡和测量卡可以通过专用连接器与背板单元进行相连。背板单元的多个槽位设计可以同时连接数个通道卡或测量卡。其中，通道卡可以单独使用，测量卡必须和通道卡一同使用。
[0028] 进一步地，请参阅图3示出的本发明一个实施例的通道卡、背板模块与万用表卡的连接关系图。背板单元包括电流总线和电压钳位电路。电流信号线连接插入背板连接器的通道卡和测量卡，电压钳位电路实现电流信号通路的电压钳位和提供电流通路。背板连接器对应某个槽位，即每个槽位子卡通过此连接器与背板单元连接。
[0029] 在一较佳实施例中，通道卡包括通道
开关、旁路开关、电流通路电路、总线开关。通道开关用于通道电流信号的开关控制和电流通道的保护；旁路开关用于电流通道的保护，正常测量时此开关打开，非测量时此开关闭合。总线开关用于信号的测量功能开关，实现电流信号由通道卡至背板电流信号线的连通控制。电流信号测量时，开关的工作顺序为：首先旁路开关保持闭合，闭合通道开关和总线开关，然后再打开旁路开关，电流信号则按照图3所示箭头的信号流向进行。
[0030] 测量卡包括
采样电阻R和测量功能电路。根据U＝I×R，采样电阻R实现电流信号与电压信号的转换；测量功能电路用于测量采样电阻转换后的电压信号Vx。
[0031] 当数据采集装置正常运行时，突然发生断电，则通道卡的旁路开关在掉电时恢复闭合状态，保持了电流测量通道的闭合状态。而且，电流通道卡“断电”后，每个通道的通道开关和总线开关立即打开，此时通道开关与总线开关接通各自的电流通路电路，以便连接在电流通路模式，保证了测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态，有效保护被测器件。上述电路具有可靠性好，可以较好的推广应用于各种形式的电流测量场合。
[0032] 以下进一步对本发明实施例的整机结构组成进行详细说明：
[0033] 以下继续结合图3示出的本发明实施例的通道卡、背板模块与万用表卡的连接关系图，来说明本发明实施例的数据采集装置的工作原理。
[0034] 下面以测量电流信号为例，说明该数据采集装置的工作方式和原理。
[0035] 首先，将电流通道卡与测量卡分别插入主机的5个槽位中的任意两个，并将电流信号连接至通道卡的某一通道。
[0036] 然后，打开主机电源，主机启动并开始自检和扫描槽位的子卡，主机正常启动后，已经插入子卡的槽位指示灯会亮起，标识槽位的子卡已经插入并可以正常工作。
[0037] 接着，通过主机的前面板建立通道测量任务，即打开通道卡的电流信号输入的通道并进行测量，此时数字主控板部分将指令通过背板的数字通信总线发送到通道卡的处理器(图中未绘出)，然后通道卡的处理器会将根据接收到的主机指令进行相关操作。具体操作步骤为：
[0038] 1、先闭合总线开关和通道开关；其中，通道开关和总线开关可以是DPDT型的继电器或其他类型开关。
[0039] 2、然后打开旁路开关；其中，通道卡的旁路开关可以是SPDT型继电器或其他类型开关。
[0040] 则此时电流信号会通过子卡通道流向背板模拟总线，电流信号流过测量卡的采样电阻R，产生采样电压Vx。
[0041] 主机向测量卡发送测量指令，测量卡测量采样电压，并将测量值返回给数字主控板部分(主控单元)，主机获取测量结果后，将测量数据显示在前面板的显示屏上。
[0042] 以上为正常工作时的一个信号的测量操作过程。
[0043] 对于电流信号的测量，特别是电流源的电流测量应当保证任何时刻、任何情况下电流测量通道的闭合状态，即电流测量通道不能出现开路现象。
[0044] 系统断电后，通道卡的旁路开关闭合，且通道开关和总线开关会打开，此电路设计保证了电流测量通道的闭合状态，最大程度上避免系统正常断电或意外断电造成电流测量通道开路现象。所谓“断电”可能是由于以下几种情况引起的：1、通过操作主机面板电源开关导致主机和通道卡断电；2、主机供电意外断电导致通道卡断电；3、通道卡热插拔导致通道卡断电。
[0045] 另外，由于通道卡热插拔，此发明实施例的电路也可以对其进行自动保护。如果通道卡在测量过程中热插拔，通道卡断电后，通道卡的旁路开关闭合，且通道开关和总线开关会打开，此电路设计保证了电流测量通道的闭合状态。
[0046] 以下对本发明实施例的通道卡的各种结构及保护电路的构成进行详细说明。
[0047] 实施例1：
[0048] 图4为本发明实施例1的通道卡的结构示意图。图4所示的电流通道卡，相对于实施例5，电路复杂度降低，通道的开关速度也会比实施例5要快。总线开关的电路通路可以防止未测量时，对通道进行操作，通过总线开关的电流通路可以保证电流总线的闭合状态。
[0049] 以下说明实施例1的电流通道卡的结构及该电流通道卡的工作过程：
[0050] 1、每个通道上均有一个通道开关，通道开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时通道开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过本通道的电流通路电路，保证了测量通道的电流信号线的通路处于“闭合”状态，通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0051] 2、每一个电流通道卡有一个总线开关，总线开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时总线开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过电流通路电路，保证了测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态，总线开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0052] 3、在进行电流信号测量时，首先发送指令，闭合相应通道的总线开关，再发送指令，闭合相应通道的通道开关，此时进入电流的测量工作状态。
[0053] 4、该实施例1在进行电流信号测量时，闭合通道开关的瞬间会出现短暂的“开路”状态。可以通过先进行通道操作，再加入待测电流信号，可以避开短暂的“开路状态”。
[0054] 以下描述断电后，本实施例1的电流通道卡的工作过程：
[0055] 电流通道卡“断电”后，每个通道的通道开关和总线开关立即打开，此时通道开关与总线开关连接在电流通路模式，保证了测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态，并使得该电流测量通道的两个输入线路闭合。
[0056] 实施例2：
[0057] 图5为本发明实施例2的通道卡的结构示意图。以下说明本实施例2的电流通道卡的结构及该电流通道卡的工作过程：
[0058] 1、每个通道上均有一个通道开关，通道开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时通道开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过电流通路电路，保证测量通道的电流信号线的通路处于“闭合”状态，通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0059] 2、每一个电流通道卡有一个总线开关，总线开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0060] 3、在进行电流信号测量时，首先发送指令，闭合总线开关，再发送指令，闭合相应通道的通道开关，此时进入电流的测量工作状态。
[0061] 4、该实施例在进行电流信号测量时，闭合通道开关的瞬间会出现短暂的“开路”状态。可以通过先进行通道操作，再加入待测电流信号，可以避开短暂的“开路状态”。其中，所述的通道操作是指打开通道或者闭合通道。
[0062] 以下说明断电后，本实施例2的电流通道卡的工作过程：
[0063] 电流通道卡“断电”后，每个通道的通道开关和总线开关立即打开，此时通道开关连接在电流通路模式，保证了测量通道的电流信号线处于“闭合”状态。
[0064] 实施例3：
[0065] 图6为本发明实施例3的通道卡的结构示意图。图6所示的通道卡可以实现电流通路的不开路测量切换。总线开关的电路通路可以防止未测量时，对通道进行操作，通过电流通路可以保证电流总线的闭合状态。
[0066] 以下说明本发明实施例3的电流通道卡及该电流通道卡的工作过程：
[0067] 1、每个通道上均有一个旁路开关和通道开关，旁路开关在电流通道卡未工作时保持“闭合”状态。旁路开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。通道开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0068] 2、每一个电流通道卡有一个总线开关，总线开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时总线开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过电流通路电路，保证测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态，通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0069] 3、在进行电流信号测量时，首先发送指令，依次闭合总线开关和相应通道的通道开关，再发送指令，打开相应通道的旁路开关，此时进入电流的测量工作状态。
[0070] 以下说明断电后，本实施例3的电流通道卡的工作过程：
[0071] 电流通道卡“断电”后，每个通道的旁路开关立即进入“闭合”状态，且每个通道的通道开关和总线开关立即打开，此时总线开关连接在电流通路模式，保证了测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态，并使得该电流测量通道的两个输入线路之间处于“闭合”状态。
[0072] 实施例4：
[0073] 图7为本发明实施例4的通道卡的结构示意图。以下说明本发明实施例4的电流通道卡及该电流通道卡的工作过程：
[0074] 1、每个通道上均有一个旁路开关和通道开关，旁路开关在电流通道卡未工作时保持“闭合”状态。旁路开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。通道开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0075] 2、每一个电流通道卡有一个总线开关，总线开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0076] 3、在进行电流信号测量时，首先发送指令，闭合相应通道的通道开关和总线开关，再发送指令，打开相应通道的旁路开关，此时进入电流的测量工作状态。
[0077] 以下描述断电后，本实施例4的电流通道卡工作过程：
[0078] 电流通道卡“断电”后，每个通道的旁路开关立即进入“闭合”状态，且每个通道的通道开关和总线开关立即打开，保证了测量通道的电流信号线处于“闭合”状态。
[0079] 实施例5：
[0080] 本实施例5可以实现电流通路的不开路测量切换，通过旁路开关，通道开关和总线开关的电流通路电路，无论开关如何动作，均可以实现电流总线通道的“闭合”状态，更好的保护被测设备或器件，安全性优于其他方案。图8为本发明实施例5的通道卡结构示意图。
[0081] 以下描述实施例5的电流通道卡的结构及该电流通道卡的工作过程：
[0082] 图8示出的具有热插拔保护功能的数据采集装置的通道卡，包括多个电流测量通道ch1-chx，以电流测量通道ch1为例，其包括两个输入线路401、402，每一个输入线路包括有一个电流测量端子和一个输出端子，该通道卡设置有保护电路，保护电路用于在通道卡断电时，自动启动来实现通道卡的电流测量通道的闭合状态，以保护被测器件。通道卡还包括：与每一个电流测量通道的两个输入线路连接的电流总线403、404。
[0083] 保护电路包括：
[0084] 并联设置于电流测量通道的两个输入线路之间的旁路开关，用于在通道卡断电时，使两个输入线路之间闭合。该旁路开关是
常闭开关，常闭开关包括非自
锁继电器。
[0085] 保护电路还包括：与电流测量通道的两个输入线路串接的通道开关。
[0086] 保护电路还包括：与通道开关连接的第一电流通路电路，通道开关用于在通道卡断电时接通第一电流通路电路，使通道开关连接在电流通路模式以闭合两个输入线路。
[0087] 保护电路还包括：设置在电流总线上的总线开关。
[0088] 保护电路还包括：与总线开关连接的第二电流通路电路，总线开关还用于在通道卡断电时接通第二电流通路电路，使总线开关连接在电流通路模式以闭合电流总线。
[0089] 其中，旁路开关是单刀单掷开关，通道开关和总线开关是双刀双掷开关。
[0090] 1、每个通道上均有一个旁路开关和通道开关，旁路开关在电流通道卡未工作时保持“闭合”状态。旁路开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。通道开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时通道开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过电流通路电路，保证电流通路的“闭合”状态，通道开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。其中，通道开关是通过命令实现控制的。上述电流通路电路的作用是保持电流信号通路的持续性。
[0091] 2、每一个电流通道卡有一个总线开关，总线开关在电流通道卡未工作时保持“通道关断”状态。此时总线开关连接在电流通路模式，电流信号可以通过电流通路电路，保证电流通路的“闭合”状态，总线开关在电流通道卡正常工作后，可以通过相关指令执行打开或关闭动作。
[0092] 其中，电流通路模式下，该通道是闭合状态，电流信号可以形成闭合回路。对于实施例5中的通道开关，通道的OFF状态即电流通路模式。
[0093] 3、在进行电流信号测量时，首先数字主控单元发送指令，依次闭合总线开关和相应通道的通道开关，再发送指令，打开相应通道的旁路开关，此时进入电流的测量工作状态。
[0094] 以下描述在断电后，实施例5的电流通道卡的工作过程：
[0095] 电流通道卡“断电”后，每个通道的旁路开关立即进入“闭合”状态，且每个通道的通道开关和总线开关立即打开，此时通道开关与总线开关连接在电流通路模式，保证了测量通道的电流总线的通路处于“闭合”状态。
[0096] 本发明上述实施例的优点在于，通道卡在测量电流信号时，由于热插拔或断电等意外情况发生时，保护电路自动启动，实现电流测量通道的闭合状态，以免由于电流测量通道的开路引起过压或过流，导致被测器件单元或被测电路模块损坏和严重的生产后果。
[0097] 以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
