專利名稱：一種新型的模擬量輸入電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型的模擬量輸入電路，屬于自動化裝置制造的技術領域。
背景技術：
自動化控制設備需要檢測來自控制對象的現(xiàn)場信號，因此自動化控制設備與安裝 在控制對象上的各種傳感器有電氣上的連接。這往往會引入很多電氣干擾信號，可能對自 動化控制設備產生不良的影響，使數(shù)據(jù)采樣不準確、自動化控制設備工作不穩(wěn)定甚至損壞。 為了克服這些電氣干擾，采用通道隔離技術來隔離這些電氣干擾。模擬輸入信號常用的隔 離技術有模擬側隔離和數(shù)字側隔離二種。模擬側隔離采用模擬信號隔離設備，它的輸入信 號和輸出信號是相等的，在電氣上是隔離的，可以方便地實現(xiàn)通道之間，通道與控制設備之 間的隔離，但價格較高。數(shù)字側隔離一般使用光電耦合器隔離控制設備和A/D轉換器，價格 低廉，可以實現(xiàn)通道與控制設備之間的隔離，但實現(xiàn)各通道之間隔離比較困難。模擬量輸入通道的各個器件都可能產生誤差，影響檢測精度，目前一般采用設置 可調模擬器件，通過調節(jié)模擬部分的零點和放大量來校準程序進行校準精度。校準工作量 較大，且容易由于可調部件的漂移影響通道的長期穩(wěn)定性。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種新型的模擬量輸入電路，該電路采用帶有程控放 大器的Σ-Δ模式A/D轉換器，SPI數(shù)據(jù)接口和光電隔離技術，結構簡潔可靠，實現(xiàn)了各通 道之間，各通道與控制設備之間的完全的電氣隔離，并采用數(shù)字調理技術實現(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，具有很高的性能價格比。本實用新型的特征在于一種新型的模擬量輸入電路，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轉換器、輸入處理電路、內置冷端溫 度傳感器、串行EEPROM和DC/DC電源轉換器，所述輸入處理電路的輸出端與Σ-Δ模式A/ D轉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轉換器的A/D轉換 器連接，所述A/D轉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電源轉換器的輸出與帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉換器及 輸入處理電路連接，所述內置冷端溫度傳感器和串行EEPROM分別與控制邏輯電路連接。本實用新型的優(yōu)點本實用新型采用光電隔離的SPI數(shù)據(jù)接口，結構簡潔可靠，實 現(xiàn)了各通道之間，各通道與控制設備之間的完全的電氣隔離，并采用數(shù)字調理技術實現(xiàn)了 輸入通道誤差的數(shù)字校正和線性化，具有很高的性能價格比，將為使用自動化控制設備的 用戶提供了極大的便利。

圖1為本實用新型實施例電路框圖。圖2本實用新型的非線性校正折線。
具體實施方式
參考圖1和圖2，一種新型的模擬量輸入電路，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轉換器(3)、輸入處理電路(4)、內 置冷端溫度傳感器(5)、串行EEPROM (6)和DC/DC電源轉換器(7)，所述輸入處理電路(4) 的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉換器(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轉換器(3)的A/D轉換器(3-2)連接，所述A/D轉換器(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電源轉換器(7)的輸出與帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉換器(3)及輸入處理 電路(4 )連接，所述內置冷端溫度傳感器(5 )和串行EEPROM (6 )分別與控制邏輯電路連接。上述控制邏輯電路還與SPI總線連接，將一組SPI接口擴展為多組SPI接口。上述內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轉換器經DC/DC電源轉換器由輔助電源供 H1^ ο上述輸入電路的輸入端可連接有二線制的電流電壓信號和三線制的電阻輸入信號。上述控制邏輯電路采用了 CPLD或FPGA芯片。采用使用SPI接口、帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉換器。輸入處理電路主 要是處理二線制的電流電壓信號和三線制的電阻輸入，量程則由A/D轉換器中的程控放大 器處理。使用控制邏輯電路將一組SPI接口擴展為多組SPI接口，通過光電隔離連接A/D 轉換器。每個A/D通道是完全獨立的，有各自的輸入處理電路，帶有程控放大器A/D轉換器 和DC/DC隔離電源。各通道之間，各通道與控制設備之間是在電氣上是完全絕緣的。設置用于存放校準系數(shù)的串行EEPR0M，使用前通過輸入通道的零點和滿量程的校 準，得到并保存零點和滿量程的校準系數(shù)，模擬量輸入通道在工作過程中讀出并使用校準 系數(shù)校正A/D轉換數(shù)據(jù)。對于需要線性化的非線性數(shù)據(jù)，采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，如需要冷端補償，處理器通過內置的冷端溫度傳感器測量接線端口的實時溫 度，與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實現(xiàn)冷端補償。模擬量輸入電路通過SPI接口與控制設備連接，使用SCK、MOSI和MIS0，不使用 SPI的從機選擇信號SS。控制邏輯電路采用了 CPLD或FPGA芯片，在選擇輸入信號的控制 下，由內部的多路數(shù)據(jù)分配器和多路數(shù)據(jù)選擇器將一組SPI接口擴展為多組SPI接口。光 電耦合器每個A/D通道配置三個，使用高速光電耦合器以光電隔離的形式傳送SCK、M0SI和 MIS0。采用SPI接口，帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉換器，是低價格高性能的電路。 輸入處理電路主要是處理二線制的電流電壓信號和三線制的電阻輸入，量程則由A/D轉換 器中的程控放大器處理。內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電源轉換器每個A/D通道配置一個，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通道是完全獨立的，有各自的輸入處理電路，帶有程
4控放大器A/D轉換器和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，各通道與控制設備之間是在電氣上是完全絕緣的?？刂圃O備的處理 器通過高速光電耦合器以數(shù)字方式設置、控制和讀出A/D轉換器，實現(xiàn)了數(shù)字化的隔離。由于模擬量輸入通道的各個器件都可能產生誤差，為了確保精度，設計了校準程 序進行校準。輸入通道按毫伏、電阻和5V電壓3種類型，分別輸入零點(或1%量程)和滿量 程(或99%量程)信號，通過檢測得到的實際數(shù)值，可以分別計算出相應的零點和量程的校準 系數(shù)，并存放在電路中的EEPROM內長期保存。模擬量輸入通道在工作過程中從EEPROM讀 出校準系數(shù)，校準A/D轉換數(shù)據(jù)，確保A/D轉換電路的精度。熱電偶和熱電阻信號是非線性的，采用折線校正法線性化這些輸入數(shù)據(jù)。按不同 的輸入信號屬性設置不同的校正折線，每條校正折線根據(jù)輸出增量相等的原則設置17個 折線點和16段折線。輸入的非線性信號首先通過比較確認所屬的折線段，再根據(jù)本折線段 的二個端點和數(shù)據(jù)點的位置，由線性插值的方法得到校正值。本方法計算簡單速度快，精度 可以達到0.1級。內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)實際溫度進行校準。具體實施如下在采用模板形式時，用于保存配置和校正信息的串行EEPROM是安 裝在模板上的，交換模板時配置和校正信息也隨之交換，實現(xiàn)模板配置和校正的智能化處 理?？刂埔环N新型的模擬量輸入電路的處理器(以下簡稱為處理器)向一種新型的模擬量輸 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的取值應滿足(A/ D通道數(shù)+2 ( 2N(此處為2的N次方))。控制邏輯電路內部的多路數(shù)據(jù)分配器和多路數(shù)據(jù) 選擇器將一組SPI接口擴展為多組SPI接口，用于相互獨立的A/D通道、冷端溫度傳感器和 EEPR0M。每個A/D通道配置三個光電耦合器以光電隔離的形式傳送SCK、MOSI和MIS0，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，使用6W37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 TLP52UPL817 等。A/D轉換器和程控放大器應選用SPI接口的帶有程控放大器的Σ - Δ模式A/D轉 換器，可使用CIRRUS公司的CS55&系列、CS553x系列和CS55&系列的，也可以使用其它 類似的產品。這是一類低價格高性能的電路，主要特點包括內置可編程儀器放大器，A/D轉 換的有效精度達到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和三線制的電阻輸入，量程則由A/D轉換器中的程 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電源轉換器是隔離型的，每個A/ D通道配置一個，由輔助電源供電，隔離后的輸出向A/D轉換器、程控放大器、輸入處理電路 和光電耦合器與A/D轉換器的連接部分供電?？刂圃O備啟動后，處理器通過SPI接口設置溫度傳感器和各個A/D轉換器及程控 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轉換器及程控 放大器，讀取A/D轉換數(shù)據(jù)，再根據(jù)校準信息校正零點和量程，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，如需要冷端補償，處理器通過溫度傳感器檢測接線端口的實時溫度， 與采樣檢測到的溫差數(shù)據(jù)疊加實現(xiàn)冷端補償。模擬量輸入通道的各個器件都可能產生誤差，為確保精度，輸入通道使用前必須 先進行校準。對于通用模式的輸入通道，應按毫伏、電阻和5V電壓3種類型進行校準，對于 單一模式的輸入通道，按使用量程校準即可。校準時先輸入零點(或1%量程)信號，根據(jù)A/D 轉換數(shù)值的偏差，計算出零點的校準系數(shù)；再輸入滿量程(或99%量程)信號，根據(jù)A/D轉換 數(shù)值計算出量程的校準系數(shù)。校準完成后，校準系數(shù)存放在電路中的EEPROM內長期保存， 用于模擬量通道在工作過程中校準A/D轉換數(shù)據(jù)，確保A/D轉換電路的精度。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型申請專利范圍所做的均 等變化與修飾，皆應屬本實用新型的涵蓋范圍。
權利要求1.一種新型的模擬量輸入電路，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轉換器、輸入處理電路、內置冷端溫度傳感器、串行EEPROM和 DC/DC電源轉換器，所述輸入處理電路的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉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轉換器的A/D轉換器連接，所述A/D轉換 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 電源轉換器的輸出與帶有程控放大器的Σ-Δ模式A/D轉換器及輸入處理電路連接，所述 內置冷端溫度傳感器和串行EEPROM分別與控制邏輯電路連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型的模擬量輸入電路，其特征在于所述控制邏輯電 路還與SPI總線連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種新型的模擬量輸入電路，其特征在于所述內置冷端溫 度傳感器和串行EEPROM由邏輯電源供電。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種新型的模擬量輸入電路，其特征在于所述帶有程控放 大器的Σ-Δ模式A/D轉換器經DC/DC電源轉換器由輔助電源供電。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種新型的模擬量輸入電路，其特征在于所述輸入電路的 輸入端可連接二線制的電流電壓信號和三線制的電阻輸入信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種新型的模擬量輸入電路，其特征在于所述控制邏輯電 路采用了 CPLD或FPGA芯片。
專利摘要本實用新型涉及一種新型的模擬量輸入電路，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轉換器、輸入處理電路、內置冷端溫度傳感器、串行EEPROM和DC/DC電源轉換器，所述輸入處理電路的輸出端與Σ-Δ模式A/D轉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轉換器的A/D轉換器連接，所述A/D轉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。本實用新型采用光電隔離的SPI數(shù)據(jù)接口，結構簡潔可靠，實現(xiàn)了各通道之間，通道與控制設備之間完全的電氣隔離，并實現(xiàn)了輸入通道誤差的數(shù)字校正和線性化，具有很高的性能價格比，將為使用自動化控制設備的用戶提供了極大的便利。
文檔編號G05B19/05GK201926894SQ201020684518
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權日2010年12月28日
發(fā)明者吳景東 申請人:福州大學