CN203464953U - 一种基于数字隔离的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字隔离的测量系统，该系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。本测量系统中具有多路测量电路，每路测量电路都采用单独的输入调理电路、放大电路、AD转换电路、数字隔离电路，从而实现了各测量电路之间的隔离，任意一路测量电路损坏不影响其它部分电路的正常工作；在各测量电路的输出端利用FPGA将各路数据按既定协议组帧后送给CPU，降低了CPU的负担，提高了运行速度。

Description

一种基于数字隔离的测量系统

技术领域

本实用新型属于工业测量领域，特别是对精度要求高、测试条件、测试环境恶劣的工业测量领域，具体涉及一种基于数字隔离的测量系统。

背景技术

目前常用的测量系统，一般使用以热敏电阻为基础，利用其电阻值和温度成一定函数关系的特点，把温度、压力等非电量的变化转化为阻抗的变化进行测量，转化为电学量后，利用运算放大器处理模拟量并输入处理器，再由处理器根据热敏电阻的阻抗与电压的函数关系，计算出阻抗，从而间接的得出温度、压力等。

由于系统的抗干扰性和可靠性，在工业测量和控制系统中，必须将测量系统和控制、显示系统进行电气隔离，目前测量系统的隔离部分一般都是都在电路的输入端先对模拟量隔离，隔离后的模拟量再进行调理、放大等处理，这种隔离的优势是能更好的保护后级电路的相关元件、稳定性好。但是，在前端进行隔离存在抗干扰能力差、测量精度低、稳定性差等问题；另外，目前的模拟隔离芯片输入范围都很窄，容易引入干扰，且干扰不易去除。

中国专利号201210479277.8公开了一种测量大电流的智能传感器，信号处理滤波电路对所转换的电压信号处理和滤波，送入AD芯片，AD芯片将测量信号处理滤波电路输出电压转换成数字信号，经过数字滤波后，通过数字隔离及DC/DC转换模块和主CPU及CAN通讯模块通信。上述测量电路只针对一路采集通道的数据进行处理，如果同时有多个通道同时采集处理，该测量电路中CPU需与各通道通信连接，增加了CPU的负担，使其处理速度较为缓慢，无法满足使用要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于数字隔离的测量系统，以解决现有测量系统处理速度慢的问题。为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于数字隔离的测量系统，该系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。

所述AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。

所述输入调理电路包括正、负输入端之间连接的由测量电阻和分压电阻串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，所述电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子；所述分压电阻的两端引出所述输入调理电路的正、负输出端。

本测量系统中具有多路测量电路，每路测量电路都采用单独的输入调理电路、放大电路、AD转换电路、数字隔离电路，从而实现了各测量电路之间的隔离，任意一路测量电路损坏不影响其它部分电路的正常工作；在各测量电路的输出端利用FPGA将各路数据按既定协议组帧后送给CPU，降低了CPU的负担，提高了运行速度。采用对AD转换后的数字信号隔离的方式，在AD转换电路和FPGA之间增加前后级电路的隔离，避免了任意一路测量电路损坏而影响整个测量系统的正常工作；并且前后级电路隔离电压高，隔离芯片相对于数字信号的传输是透明的，隔离对系统的测量精度和线性度均没有影响；另外，对数字信号隔离可以避免模拟隔离时由于隔离芯片的性能而引入干扰，从而造成系统测量精度和线性度的降低。该测量系统测量精度高，性能稳定，适合工业领域对精度要求高、测试环境恶劣的相关模拟量的测量。

输入调理电路的电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子，在断开两连接端子时对电压信号进行测量，如果输入是电流信号，将电流信号转换成电压信号以适合后级放大电路，并将输入信号处理成适合放大电路输入范围的电压信号，实现了输入信号的灵活转换调节。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2输入调理电路原理图；

图3精密放大电路原理图；

图4AD转换电路原理图；

图5数字隔离电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。

如图1所示为本实用新型基于数字隔离的测量系统实施例的原理框图，由图可知，该测量系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，各测量电路的输出端与用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。

本实施例的AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。

由于前端传感器输出的信号可以是电压信号或电流信号，并且输出的电压或电流信号一般范围比较宽，而后级放大电路的输入范围只取决于供电电源电压，所以首先需要对传感器输入的电压或电流信号进行处理，将电压信号处理成适合放大电路输入范围的电压信号，如果输入是电流信号，则需要将电流信号通过输入调理电路转换成电压信号以适合后级放大电路。本实施例的输入调理电路如图2所示，该电路包括正、负输入端(IN+、IN-)之间连接的由测量电阻R25、R26和分压电阻R9、R10串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，电流测量支路上串设有电阻R1和两个用于在测量电流信号时短接的连接端子1和2；分压电阻的两端引出输入调理电路的正、负输出端(OUT+、OUT-)。

输入调理电路的测量原理如下：分压电阻R9、R10和分压电阻R25、R26串联后再与电阻R1并联，串联后的R9、R10、R25、R26阻值相对于电阻R1阻值为无穷大。当跳针JP1跳到2、3时，电阻R1断开，用于测量电压输入信号；当JP1跳到1、2时电阻R1并入回路，用于测量电流输入信号，因此输入信号可以是电压信号或者是电流信号。如果输入信号是电压信号，则通过电阻R9、R10、R25、R26组成的分压电路进行分压，OUT+、OUT-之间的电压即为分得的电压，本系统的分压系数为0.8；如果输入是电流信号则通过电阻R1产生电压，由于串联后的R9、R10、R25、R26阻值相对于R1阻值为无穷大，因此R1两端的电压即为后级放大电路的输入电压。

通过调理电路后的输出信号进入精密仪表放大电路，本实施例的放大电路采用精密仪表放大器，具有测量精度高、功耗低的优点，电路的静态电流为700μA，电路采用差分输入，输入范围宽，最大可以达到±40V，放大倍数可以在1～1000之间任意调节；电路偏置电压不大于50μV,输入偏置电流不大于5nA；电路共模抑制比不小于120dB，该放大电路的供电电源输入范围可以从±2.25V到±18V。该电路可有效抑制共模干扰信号和差模干扰信号，提高电路的抗干扰性能，以适应恶劣的测量环境。

如图3所示，电容C25、C196、C129、C204用于正负电源上的滤波，放大电阻（图中未示出）用于调节仪表放大器的放大倍数，放大倍数与放大电阻的关系为：放大倍数=1+50kΩ/R_放大,放大电阻不安装时放大倍数为1。电阻R41、R42与电容C1、C2、C17组成RC滤波回路，用于滤除输入信号的共模干扰和差模干扰，根据输入信号的频率，选择合适的滤波回路的截止频率，然后根据公式

算出共模截止频率，根据公式

算出差模截止频率。其中R41=R42,C1=C2，C17的容值要求大于C1和C2的十倍，根据以上条件选择合适的电阻和电容的值。

经过精密仪表放大器放大后的信号，进入AD转换电路进行模数转换，由于工业测量电路一般要求每路之间隔离，因此该电路选用单路AD转换芯片，采用12bit的AD转换芯片，对模拟量的采样频率400ksps；电路采用单极性输入，输入范围为0～4.096V，转换后的数字信号通过SPI接口送给上级电路。除了正常工作模式，该电路有两种节能模式：小憩模式和睡眠模式，小憩模式功耗为6mW，睡眠模式功耗为30μW，从而使系统的待机功耗大大降低。

如图4所示，为了保证转换精度，本实施例采用12bit模数转换芯片，采样频率为4000kspa，模拟量的输入范围为0～4.096V。二极管D1、D2用于防止输入电压过高和过低，电压高于5V时，二极管D1导通，使输入电压保持在+5V；当输入电压低于0V时，二极管D2导通，使输入电压保持在0V。电容C33、C34、C130、C131分别用于AD芯片的电源电压和参考电压的滤波。

转换后的数字信号通过SPI信号送入接收组帧电路，为了避免干扰，本实施例在AD转换电路和数字信号接收组帧电路的数字隔离电路对数字信号进行隔离。由于应用环境的原因，测量设备容易遭受意想不到的干扰，为了不损坏与测温设备相连的其他装置，测温回路需要与后级回路隔离。隔离模块采用ISO7242，用于隔离AD芯片转换后的数字信号，使前后级电路完全隔离，外级电路受干扰损坏时不影响后级电路的正常工作。ISO7242为双方向、通道隔离芯片，可以工作在3.3V和5V两种电压下、或者一端3.3V一端5V的工作模式，隔离峰值电压为4kV，隔离前后数据最大延时不大于1ns。

数字隔离电路如图5所示，电路实现双方向隔离，前后级电路双方向隔离峰值电压为4KV，隔离电路工作电压为5V，最高工作峰值电压可达560V,隔离电路可传输的数据速率最高可达150Mbps。电路中电容C133、C134用于电源的滤波，电阻R89、R90用于将双向传输的输出使能拉高，从而使双方向的数据能够正常传输。

隔离后的SPI信号进入接收组帧电路，接收组帧电路采用可编程逻辑器件FPGA，以九路测量电路为例，九路AD转换芯片的SPI信号经隔离电路隔离后分别连接到FPGA，为了实现每路AD转换后数据同步传输，减小每路测量电路间采样差异，各路的SPI数据线不共用，每路之间数据线单独使用，从而保证了FPGA读取每路测量电路数据的实时性。FPGA接收到的每路测量数据后按照既定协议组帧，组帧后通过高速差分线将数据帧送给CPU。

CPU负责对采样过来的数据进行滤波、处理、显示、传送给相关控制设备，接收到FPGA送来的数据帧后，先将数据帧解帧，得到每路AD的数据，并对数据进行相应处理，根据限定值发相应的控制命令，同时将相应数据送到显示屏显示。

另外，由于本实用新型的测量系统可用于测量温度、湿度、压力、油温等，将非电量转换为电学量并加以量化，转换为CPU或MPU可以识别的数字信号进行处理、控制。本实施例为多路测量电路，除了前后级电路隔离，每路之间也是隔离的，因此供电电源也是模拟部分电路和数字部分电路隔离，并且每路独立使用DC-DC隔离电源供电，隔离电源电路为+5V转-5V隔离。每路的模拟采样电路的供电电源也单独使用DC-DC隔离电源，每路单独使用一块+5V转-5V电源模块，供调理电路、精密仪表放大器及AD转换电路使用。

本实用新型的工作原理和过程如下：首先对输入的模拟信号由输入调理电路进行处理，如果是电压信号，则对电压信号进行适当的缩小或放大，以适合放大电路要求的输入电压范围；如果输入信号是电流信号，则将电流信号转换为电压信号。调理后的电压信号，输入精密仪表放大器放大、滤波，使信号适合AD转换芯片的输入范围，滤除系统由输入端引入的差模干扰和共模干扰，从而提高AD转换的精度，同时将输入的双极性信号转换为单端信号，送给AD转换芯片进行模数转换，转换后的数字信号通过SPI数据线送给FPGA进行信号组帧。在AD芯片和FPGA中间的传输线上加隔离芯片将电路分为前后两级，使前后级电路在电气上隔离。FPGA将接收过来的各路数字信号按既定协议进行组帧，然后把帧信号送给CPU，CPU再对接收的帧信号进行处理，根据处理结果发控制命令、声光告警及显示。

Claims (3)

1.一种基于数字隔离的测量系统，其特征在于：该系统包括用于与一组传感器输出信号一一对应连接的一组测量电路，各测量电路均由输入调理电路、放大电路、AD转换电路和数字隔离电路顺次相连构成，所述各测量电路的输出端与一用于数字信号组帧的FPGA的信号输入端连接，FPGA的信号输出端与主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的基于数字隔离的测量系统，其特征在于：所述AD转换电路、数字隔离电路、FPGA和主控制器之间均通过SPI通信连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字隔离的测量系统，其特征在于：所述输入调理电路包括正、负输入端之间连接的由测量电阻和分压电阻串联构成的电压测量支路，还包括一个用于在测量电流信号时与电压测量支路并联的电流测量支路，所述电流测量支路上串设有两个用于在测量电流信号时短接的连接端子；所述分压电阻的两端引出所述输入调理电路的正、负输出端。

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