一种直流电压隔离采样方法、装置及电路与流程

1.本发明属于电路采样技术领域，尤其涉及一种直流电压隔离采样方法、装置及电路。


背景技术：

2.直流电压隔离采样是通过采样隔离电路对被采样电路中的直流电压进行采样，用于获取被采样电路的直流电压值，被采样电路与采样电路电气隔离。
3.目前，直流电压隔离采样一般采用线性光藕隔离、隔离放大器隔离或串行接口隔离等方法。
4.现有的直流电压隔离采样方法不仅采样精度较低，且采样装置成本较高。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种直流电压隔离采样方法，以解决现有技术中直流电压隔离采样方法采样精度较低，采样装置成本较高的问题。
6.本发明实施例是这样实现的，提出一种直流电压隔离采样方法，包括如下步骤：获取被采样直流电压的采样脉冲；按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理；输出处理后得到的采样直流电压值。
7.本发明实施例还提供了一种直流电压隔离采样装置，包括：采样脉冲获取单元，用于获取被采样直流电压的采样脉冲；计算单元，用于按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理；输出单元，用于输出处理后得到的采样直流电压值。
8.本发明实施例还提供了一种直流电压隔离采样电路，包括：三角波调制模块，用于产生三角波调制信号；采样比较模块，与所述三角波调制模块和被采样电路连接，用于获取被采样的直流电压信号并将所述直流电压信号与所述三角波调制信号进行比较，生成初始采样脉冲；光耦隔离模块，与所述采样比较模块连接，用于将所述初始采样脉冲通过光耦隔离后形成采样脉冲；mcu模块，与所述光耦隔离模块连接，用于按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理并输出采样直流电压值。
9.在本发明实施例中，通过获取被采样直流电压的采样脉冲；按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理；输出处理后得到的采样直流电压值。通过将被采样电路的直流电压信号转换成采样脉冲，再采用算法计通过采样脉冲计算出采样直流电压值，不仅采样脉冲呈线性变化，且精度较高、速度快，采样电路简单，装置成本低。
附图说明
10.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的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
11.图1是本发明一个实施例提供的直流电压隔离采样方法的流程图；图2是本发明一个实施例提供的直流电压隔离采样方法的采样脉冲获取示意图；图3是本发明一个实施例提供的直流电压隔离采样方法采样脉冲占空比宽度计算示意图；图4是本发明另一实施例提供的直流电压隔离采样方法的流程图；图5是本发明一个实施例提供的直流电压隔离采样装置的结构框图；图6是本发明另一实施例提供的直流电压隔离采样装置的结构框图；图7是本发明一个实施例提供的直流电压隔离采样电路的电路原理图。
具体实施方式
12.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
13.在本发明实施例中，通过获取被采样直流电压的采样脉冲；按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理；输出处理后得到的采样直流电压值。通过上述直流电压隔离采样方法以解决现有技术中直流电压隔离采样方法采样精度较低，采样装置成本较高的问题。
14.图1示出了适用于本发明实施例的一种直流电压隔离采样方法流程图，包括如下步骤。
15.步骤s101，获取被采样直流电压的采样脉冲。
16.在本发明实施例中，为了保护二次设备，被采样电路中的直流电压值通常不能直接进行采样获取，需要将被采样电路与采样电路进行电气隔离。本发明为了实现直流电压的隔离采样，通过将被采样的直流电压信号转换成采样脉冲，再对该采样脉冲进行处理得到被采样的直流电压值。将被采样的直流电压信号转换成采样脉冲的方法有多种。例如，如图2所示，直流电压信号和周期三角波调制信号比较，不同的直流电压会产生不同的脉冲占空比宽度，当直流电压高时，与三角波比较得到一个占空比较窄的脉冲；当直流电压较低时，与三角波比较得到一个占空比较宽的脉冲，脉冲的占空比宽度和直流电压的高低成反比。
17.步骤s102，按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理。
18.在本发明实施例中，获取到被采样直流电压的采样脉冲后，需要对该采样脉冲进行进一步处理，才能得到被采样电路的直流电压值。为此，通过光电耦合方式把该采样脉冲进行隔离处理，再输入到mcu，mcu再通过预设的采样值转换算法对该采样脉冲进行运算处理，能得到被采样电路的直流电压值。作为本领域普通技术人员可知的是，采样值转换算法可以是一种或多种，只要能将采样脉冲转换成直流电压值的算法均在本发明的保护范围之
内。
19.优选的，采样值转换算法需要对采样脉冲的脉冲占空比宽度进行计算，本发明采用单片机定时器来计算采样脉冲的脉冲占空比宽度。使用单片机的定时器的脉冲捕获功能，在单片机内部计算采样脉冲占空比宽度就能得到电压的采样值，从而实现了直流电压信号的采样，精度高，速度快。计算采样脉冲占空比宽度的单片机的定时器只要具备捕获功能即可。优选的，该单片机可采用stm32系列。
20.优选的，为了准确的获取采样脉冲的脉冲占空比宽度，所述单片机的定时器设置为双边沿触发模式。例如，如图3所示，单片机在输入捕获模式下，设置定时为tim_icpolarity_bothedge，也就是上升沿和下降沿都触发的双边沿触发，通过检测定时器输入通道的边沿信号，在边沿信号发生跳变下降沿的时候，产生中断，将当前定时器的记数值timx_cnt清零。在边沿信号发生跳变上升沿的时候，产生中断，将读取当前定时器的记数值timx_cnt的值，这个值就是我们需要的计算脉冲占空比宽度值n。
21.优选的，因为采样脉冲的占空比宽度和被采样直流电压的大小成线性变化关系，所述采样值转换算法为：采样直流电压值= (n-n1)
×
u/( n2-n1)；其中，u为预置电压值，n1为被采样直流电压为0v时单片机定时器的读取值，n2为被采样直流电压为u时单片机定时器的读取值，n为实时被采样直流电压的单片机定时器读取值。
22.在本发明实施例中，预置电压值u可以根据采样精度进行设置，例如，在被采样电路给定被采样直流电压大小为0v时，单片机定时器读取采样脉冲占空比宽度值为n1（如果三角波最低点电压为0v时，n1值为0；如果三角波最低点是负压，则需要0v校准，这个原理同样也可以采样负电压。）,存放在单片机存储器。在直流采样端给定被采样直流电压大小为2.5v（此2.5v即为预置电压值），单片机定时器读取采样脉冲占空比宽度值为n2，存放在单片机存储器。则此时可知单位数量的n所代表的采样值刘电压值为u/( n2-n1)，当采样脉冲占空比宽度为(n-n1)时，则采样电压值为(n-n1)
×
u/( n2-n1)。
23.步骤s103，输出处理后得到的采样直流电压值。
24.在本发明实施例中，经过采样值转换算法计算得到采样直流电压值后可将其进行输出。优选的，为了更好的对采样直流电压值进行管理和分析，可将该采样直流电压值进行存储，也可输出显示或形成电压曲线输出显示。
25.综上所述，通过上述直流电压隔离采样方法将被采样电路的直流电压信号转换成采样脉冲，再采用算法计通过采样脉冲计算出采样直流电压值，不仅采样脉冲呈线性变化，且精度较高、速度快，采样电路简单，装置成本低。
26.图4示出了适用于本发明实施例的另一种直流电压隔离采样方法流程图，还包括：步骤s1011，获取被采样的直流电压信号。
27.在本发明实施例中，该直流电压信号是隔离转换前的被采样电路的直流电压信号。
28.步骤s1012，将所述直流电压信号与三角波调制信号进行比较，得到采样脉冲。
29.在本发明实施例中，三角波调制信号是预先设置好的，用于与直流电压信号进行比较。直流电压信号和三角波调制信号进行比较，在比较器的输出端就会产生一定占空比
宽度脉冲方波，再通过光耦隔离转换该脉冲占空比宽度信号得到采样脉冲，从而实现直流电压信号的采样。如图2所示，当直流电压高时，该直流电压和三角波比较得到一个占空比较窄的脉冲，当直流电压较低时得到一个占空比较宽的脉冲。脉冲的占空比宽度和电压的高低成反比且线性变化。
30.直流电压信号与三角波调制信号发生比较时，如果三角波调制信号电压比直流电压信号电压低，比较器输出低电平；如果三角波调制信号电压比直流电压信号电压高，比较器输出高电平。这样比较结果就会输出根据直流电压信号电压高低而变化的周期脉冲方波，即采样脉冲。当被采样直流电压信号越高时，n所占宽度就越宽，反之，越窄，而且是成线性变化关系。
31.图5示出了适用于本发明实施例的一种直流电压隔离采样装置的结构框图，包括：采样脉冲获取单元501，用于获取被采样直流电压的采样脉冲。
32.在本发明实施例中，为了保护二次设备，被采样电路中的直流电压值通常不能直接进行采样获取，需要将被采样电路与采样电路进行电气隔离。本发明为了实现直流电压的隔离采样，采样脉冲获取单元501通过将被采样的直流电压信号转换成采样脉冲，再对该采样脉冲进行处理得到被采样的直流电压值。将被采样的直流电压信号转换成采样脉冲的方法有多种。例如，如图2所示，直流电压信号和周期三角波调制信号比较，不同的直流电压会产生不同的脉冲占空比宽度，当直流电压高时，与三角波比较得到一个占空比较窄的脉冲；当直流电压较低时，与三角波比较得到一个占空比较宽的脉冲，脉冲的占空比宽度和直流电压的高低成反比。
33.计算单元502，用于按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理。
34.在本发明实施例中，获取到被采样直流电压的采样脉冲后，需要对该采样脉冲进行进一步处理，才能得到被采样电路的直流电压值。为此，通过光电耦合方式把该采样脉冲进行隔离处理，再输入到计算单元502，计算单元502再通过预设的采样值转换算法对该采样脉冲进行运算处理，能得到被采样电路的直流电压值。作为本领域普通技术人员可知的是，采样值转换算法可以是一种或多种，只要能将采样脉冲转换成直流电压值的算法均在本发明的保护范围之内。
35.优选的，采样值转换算法需要对采样脉冲的脉冲占空比宽度进行计算，本发明采用单片机定时器来计算采样脉冲的脉冲占空比宽度。使用单片机的定时器的脉冲捕获功能，在单片机内部计算采样脉冲占空比宽度就能得到电压的采样值，从而实现了直流电压信号的采样，精度高，速度快。计算采样脉冲占空比宽度的单片机的定时器只要具备捕获功能即可。优选的，该单片机可采用stm32系列。
36.优选的，为了准确的获取采样脉冲的脉冲占空比宽度，所述单片机的定时器设置为双边沿触发模式。例如，如图3所示，单片机在输入捕获模式下，设置定时为tim_icpolarity_bothedge，也就是上升沿和下降沿都触发的双边沿触发，通过检测定时器输入通道的边沿信号，在边沿信号发生跳变下降沿的时候，产生中断，将当前定时器的记数值timx_cnt清零。在边沿信号发生跳变上升沿的时候，产生中断，将读取当前定时器的记数值timx_cnt的值，这个值就是我们需要的计算脉冲占空比宽度值n。
37.优选的，因为采样脉冲的占空比宽度和被采样直流电压的大小成线性变化关系，所述采样值转换算法为：
采样直流电压值= (n-n1)
×
u/( n2-n1)；其中，u为预置电压值，n1为被采样直流电压为0v时单片机定时器的读取值，n2为被采样直流电压为u时单片机定时器的读取值，n为实时被采样直流电压的单片机定时器读取值。
38.在本发明实施例中，预置电压值u可以根据采样精度进行设置，例如，在被采样电路给定被采样直流电压大小为0v时，单片机定时器读取采样脉冲占空比宽度值为n1（如果三角波最低点电压为0v时，n1值为0；如果三角波最低点是负压，则需要0v校准，这个原理同样也可以采样负电压。）,存放在单片机存储器。在直流采样端给定被采样直流电压大小为2.5v（此2.5v即为预置电压值），单片机定时器读取采样脉冲占空比宽度值为n2，存放在单片机存储器。则此时可知单位数量的n所代表的采样值刘电压值为u/( n2-n1)，当采样脉冲占空比宽度为(n-n1)时，则采样电压值为(n-n1)
×
u/( n2-n1)。
39.输出单元503，用于输出处理后得到的采样直流电压值。
40.在本发明实施例中，经过采样值转换算法计算得到采样直流电压值后可经输出单元503将其进行输出。优选的，为了更好的对采样直流电压值进行管理和分析，可将该采样直流电压值进行存储，也可输出显示或形成电压曲线输出显示。
41.综上所述，通过上述直流电压隔离采样装置将被采样电路的直流电压信号转换成采样脉冲，再采用算法计通过采样脉冲计算出采样直流电压值，不仅采样脉冲呈线性变化，且精度较高、速度快，采样电路简单，装置成本低。
42.图6示出了适用于本发明实施例的另一种直流电压隔离采样装置的结构框图，该装置还包括：直流电压信号获取模块601，用于获取被采样的直流电压信号。
43.在本发明实施例中，该直流电压信号是隔离转换前的被采样电路的直流电压信号。
44.采样脉冲获取模块602，用于将所述直流电压信号与三角波调制信号进行比较，得到采样脉冲。
45.在本发明实施例中，三角波调制信号是预先设置好的，用于与直流电压信号进行比较。采样脉冲获取模块602将直流电压信号和三角波调制信号进行比较，产生一定占空比宽度脉冲方波，再通过采样脉冲获取模块602的光耦隔离转换该脉冲占空比宽度信号得到采样脉冲，从而实现直流电压信号的采样。如图2所示，当直流电压高时，该直流电压和三角波比较得到一个占空比较窄的脉冲，当直流电压较低时得到一个占空比较宽的脉冲。脉冲的占空比宽度和电压的高低成反比且线性变化。
46.直流电压信号与三角波调制信号发生比较时，如果三角波调制信号电压比直流电压信号电压低，比较器输出低电平；如果三角波调制信号电压比直流电压信号电压高，比较器输出高电平。这样比较结果就会输出根据直流电压信号电压高低而变化的周期脉冲方波，即采样脉冲。当被采样直流电压信号越高时，n所占宽度就越宽，反之，越窄，而且是成线性变化关系。
47.图7示出了适用本发明实施例的一种直流电压隔离采样电路原理图，包括：三角波调制模块1，用于产生三角波调制信号；三角波调制模块1是一个三角形的波形发生器，本发明使用尽可能少的元件实现三角波调制。例如，采用555定时器ic，2个电
阻和两个电容器构成三角波发生器电路。ic构成50%工作周期不稳定的方波振荡器电路，并从3脚输出方波信号。然后通过rc整形电路输出三角波信号。
48.当555定时器方波输出变高，c2通过r2开始充电，c2电压增加。当电路的输出变成低电平，c2开始通过r2放电，c2电压降低。在c2两端产生的波形呈三角形状。
49.采样比较模块2，与所述三角波调制模块和被采样电路连接，用于获取被采样的直流电压信号并将所述直流电压信号与所述三角波调制信号进行比较，生成初始采样脉冲；光耦隔离模块3，与所述采样比较模块连接，用于将所述初始采样脉冲通过光耦隔离后形成采样脉冲。优选的，所述光耦隔离模块的芯片型号为6n137mcu模块4，与所述光耦隔离模块连接，用于按照预设的采样值转换算法对所述采样脉冲进行处理并输出采样直流电压值。
50.通过光耦隔离模块3把初始采样脉冲转换成采样脉冲，再输入到mcu模块4，该mcu模块4采用单片机进行数据处理，使用单片机的定时器的脉冲捕获功能，在单片机内部计算采样脉冲的脉冲占空比宽度就能得到采样直流电压值。从而实现了直流电压信号的采样，精度高，速度快。
51.本领域技术人员可以理解，上述直流电压隔离采样装置或电路的描述仅仅是示例，并不构成对直流电压隔离采样装置或电路的限定，可以包括比上述描述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如可以包括输入输出设备、存储设备等。
52.上述直流电压隔离采样装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例中的全部或部分单元功能，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的功能。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。