一种模块化多功能多通道传感器采集电路

1.本发明属于传感器采集技术领域，特别是一种模块化多功能多通道传感器采集电路。


背景技术：

2.随着技术的发展，传感器在工业生产、日常生活中得到越来越广泛的运用，在工业生产中需要大量的传感器来采集现场设备的电压、电流和温度等数据来确保生产的正常进行，在日常生活中也会使用传感器来监测家中气温、光照、气体含量等数据，而大部分传感器输出的信号都是电压电流信号。而随着传感器成本的降低，阵列化排布的传感器开始受到大量使用，相较于单个传感器，阵列化传感器可以获取更加精确、范围更广、具有更多细节的数据。因此，对于大量的电压、电流和温度信号的数据采集是现代工业与生活中不可或缺的一部分。
3.对于电压信号的采集多采用a/d变换，即模数转换，对于电流和温度的采集则需要将其通过一定方式转换为电压，再进行模数转换。因此，对于不同的信号需要采用不同的电路，而不同电路的电源电压要求、输出范围可能不互相匹配。目前的模数转换芯片通道数较少，通常最多为8通道，对于数量较多的传感器阵列就需要大量的模数转换芯片，占用大量的pcb面积。
4.目前存在的多通道电压采集模块虽然也有易扩展的优点，但是只能采集电压，而对于电流、温度这样常用的物理量无法采集，需要采集时仍需设计新的电路。而对于普通的电流、温度采集电路则不具备多通道采集的优点，需要采集大量数据时往往会占用大量的电路面积。此外，上述电路都存在着当一部分通道空置时，其电路仍然运作，导致功耗较高的问题。
5.因此，如何通过统一的接口更换电压采集、电流采集和温度采集这三种不同功能的模块，从而在有限的面积上实现多种数据转换，并降低功耗，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种模块化多功能多通道传感器采集电路，通过该电路可以通过统一的接口更换多种数据采集模块，从而在有限的面积上实现多种数据转换，并降低功耗。
7.本发明实施例提供了一种模块化多功能多通道传感器采集电路，包括：信号处理板和数据采集模块；
8.所述信号处理板包括stm32芯片、模拟开关和电源电路；所述stm32芯片包括adc1引脚和gpio引脚；所述模拟开关通过所述gpio引脚与所述stm32芯片连接；
9.所述信号处理板通过多个接口与所述数据采集模块连接；每个所述接口包括：所述adc1引脚的1个通道、3个分别连接至gpio引脚的模拟开关选择信号端口、1对电源线，以及1个模块使能信号端口。
10.进一步地，所述多个接口分别从所述信号处理板的四周出线；每个所述接口均采用杜邦线或软排线连接。
11.进一步地，所述模块使能信号端口用于识别对应接口位置处是否接入模块；
12.当对应接口位置处没有接入模块时，所述模块使能信号端口通过所述信号处理板中的下拉电阻实现电平拉低；
13.当对应接口位置处接入模块时，所述模块使能信号端口通过所述数据采集模块中的上拉电阻实现电平拉高。
14.进一步地，所述模块使能信号端口连接至所述信号处理板上的模拟开关，或连接至所述stm32芯片的输入端口。
15.进一步地，所述数据采集模块包括电压数据采集模块、电流数据采集模块和温度数据采集模块；
16.所述电压数据采集模块、电流数据采集模块和温度数据采集模块均包括一个模拟开关和8路信号转换电路；
17.所述信号转换电路用于将所述数据采集模块采集的电压信号、电流信号和温度信号均转换为预设电压信号。
18.进一步地，所述电压数据采集模块的转换电路为电压跟随器。
19.进一步地，所述电流数据采集模块的转换电路为芯片max44284f。
20.进一步地，所述温度数据采集模块的转换电路为芯片tc1047；所述芯片tc1047通过软排线或软导线连接至所述温度采集模块。
21.与现有技术相比，本发明记载的一种模块化多功能多通道传感器采集电路，具有如下有益效果：
22.本发明可以通过统一的接口更换不同的数据采集模块，从而在有限的电路面积上实现多种功能。同时多个接口之间互不冲突，可以混合使用任意一种功能。
23.本发明中的每个接口通过数据采集模块中的模拟开关可以扩展至8个通道，因此可以读取总计80个通道的传感器数据；大大减少了电路面积。
24.本发明对于没有连接数据采集模块的接口，数据采集板在初始化时不会启动相对应的adc通道，从而降低功耗，提高系统工作效率。
25.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
26.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
28.图1为本发明实施例提供的模块化多功能多通道传感器采集电路框架示意图。
29.图2为本发明实施例提供的信号处理板上的stm32芯片原理图。
30.图3为本发明实施例提供的信号处理板上的模拟开关原理图。
31.图4为本发明实施例提供的信号处理板和数据采集模块的接口示意图。
32.图5为本发明实施例提供的数据采集模块上的模拟开关原理图。
33.图6为本发明实施例提供的数据采集模块上的电压跟随器。
34.图7为本发明实施例提供的数据采集模块上的温度—电压转换电路。
35.图8为本发明实施例提供的数据采集模块上的电流—电压转换电路。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
37.参见图1所示，本发明实施例提供了一种模块化多功能多通道传感器采集电路，用于采集多个通道的电压信号、电流信号和温度信号，具有功能多、模块化使用和自动识别通道数的优点。并通过下述技术方案实现：
38.包括：信号处理板和数据采集模块；如图2和图3所示，信号处理板包括stm32芯片、模拟开关和电源电路；stm32芯片包括adc1引脚和gpio引脚；模拟开关通过gpio引脚与stm32芯片连接；信号处理板通过多个接口与数据采集模块连接，参照图4所示；每个接口包括：adc1引脚的1个通道、3个分别连接至gpio引脚的模拟开关选择信号端口、1对电源线，以及1个模块使能信号端口；当对应接口位置处没有接入模块时，模块使能信号端口通过信号处理板中的下拉电阻实现电平拉低；当对应接口位置处接入模块时，模块使能信号端口通过数据采集模块中的上拉电阻实现电平拉高；
39.该模块使能信号端口连接至信号处理板上的模拟开关，在信号处理板刚开始运行时，stm32芯片通过模拟开关扫描接入的数据采集模块的数量；在信号处理板运行过程中，信号处理板发出模拟开关选择信号至所有连接的数据采集模块，从而选择模块中要读取的通道，实现读取数据采集模块中不同通道的功能。最终，所有数据采集模块的所有通道都会经过信号处理板处理后，由stm32芯片上的usart串口发送至pc或通信模块等；
40.该模块使能信号端口还可以直接连接到stm32芯片的输入端口；在信号处理板初始化时，stm32芯片通过模拟开关扫描接入的数据处理模块数量，并初始化相对应的端口和adc通道；而没有接入的端口则不工作，从而降低功耗、提升运行效率。
41.在本发明实施例中，信号处理板通过10个相同的接口连接三种不同的数据采集模块；这10个接口分别从信号处理板的四周出线，从而方便接线和理线；每个接口均采用杜邦线或软排线连接。
42.本发明实施例中的三种数据采集模块分别为电压数据采集模块、电流数据采集模块和温度数据采集模块；且每种数据采集模块均包括一个模拟开关和8路信号转换电路；具体为利用模拟开关转换，比如gpio输入的信号为000(三个低电平)，模拟开关公共输出端就输出0通道，001为1通道，以此类推；具体参见图5-图8所示，信号转换电路用于将所述数据采集模块采集的电压信号、电流信号和温度信号均转换为预设电压信号；基于此，通过数据采集模块中的模拟开关选择后，可以由stm32片上adc将电压信号转换为数字信号，储存在内部存储器中。最终，所有数据采集模块的所有通道都会经过信号处理板处理后，由stm32芯片上的usart串口发送至pc或通信模块等。
43.其中，电压数据采集模块的转换电路为电压跟随器；电压数据采集模块中利用电压跟随器输入阻抗高而输出阻抗低的特点，保证在输入信号阻抗高时，输出电压仍然与输入电压相等，减小信号阻抗引起的干扰。电流数据采集模块的转换电路为芯片max44284f；温度数据采集模块的转换电路为芯片tc1047；芯片tc1047通过软排线或软导线连接至温度采集模块，从而可以使温度数据采集模块方便地贴在各种待测物体上。
44.本发明实施例提供了一种模块化多功能多通道传感器采集电路，包括信号处理板和数据采集模块；在信号处理板初始化时，stm32芯片通过模拟开关扫描接入的数据采集模块数量，如果该通道为低电平，则说明对应接口没有接入数据采集模块，反之则初始化相对应的端口和adc通道。在信号处理板运行时，信号处理板发出模拟开关选择信号至所有连接的数据采集模块，从而选择数据采集模块中要读取的通道，从而实现读取数据采集模块中不同通道的功能。数据采集模块中的转换电路将电压、电流和温度信号均转换为预设电压信号，通过模拟开关选择后，由stm32芯片上的adc转换为数字信号，储存在内部存储器中。最终，所有模块的所有通道都会经过信号处理板处理后，由stm32芯片上的usart串口发送至pc或通信模块等。
45.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。