專利名稱：一種模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種基于RS485通訊和研華ADAM控制模塊的模擬量、數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置及方法。該裝置具有波特率可調(diào)、采集點多、采集信號種類多、穩(wěn)定性好等特點。
背景技術(shù)：
數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制領(lǐng)域最為常見的一種技術(shù)手段，數(shù)據(jù)采集為技術(shù)分析和控制
策略提供了依據(jù)。隨著工況復(fù)雜程度的提高，數(shù)據(jù)采集也面臨著數(shù)據(jù)類型不斷增加，采集速
度要求不斷提高的問題，這就要求數(shù)據(jù)采集技術(shù)適應(yīng)工況發(fā)展的要求。 RS-485是串行通訊的首選，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps3。 RS-485接口具有良好
的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其廣泛的應(yīng)用到各種工業(yè)場合
中。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)， 一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞
線傳輸。RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，RS485和
RS232的基本的通訊機理是一致的，它的優(yōu)點在于彌補了 RS232通訊距離短，不能進行多臺
設(shè)備同時進行聯(lián)網(wǎng)管理的缺點。 目前，有關(guān)數(shù)據(jù)采集方面的專利不斷增多，但正如前面提到，隨著技術(shù)的進步，工況的復(fù)雜度也越來越高，對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求也越來越高。例如中國發(fā)明專利申請，名稱為"一種基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)"，申請?zhí)枮?00310122762，該發(fā)明涉及一種基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，包括傳感器和執(zhí)行器的一次儀表層、二次儀表層和數(shù)據(jù)記錄與顯示層，其特點是，二次儀表層的二次儀表均采用智能儀表，并置有統(tǒng)一的CAN通信接口 ，構(gòu)成智能儀表CAN節(jié)點層，數(shù)據(jù)記錄與顯示層構(gòu)成數(shù)據(jù)采集和控制層，它亦均置有CAN通信接口構(gòu)成總線配置、數(shù)據(jù)采集、控制層，總線配置、數(shù)據(jù)采集、控制層與智能儀表CAN節(jié)點層之間及各層次內(nèi)部通過CAN總線通訊， 一次儀表層的信號通過智能二次儀表層轉(zhuǎn)換成CAN線性總線數(shù)據(jù)，傳給總線配置、數(shù)據(jù)采集、控制層的上位機，完成數(shù)據(jù)采集和控制。但該發(fā)明所涉及的系統(tǒng)需要進行數(shù)據(jù)的層間轉(zhuǎn)換，不利于數(shù)據(jù)的高速實時采集。名稱為"一種分布式數(shù)據(jù)采集儀"、申請?zhí)枮?00720154114的實用新型涉及一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，特別是適用于橋梁、大壩等大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測的分布式數(shù)據(jù)采集儀，包括計算機、智能控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和傳感器；智能控制模塊通過總線連接一個或多個數(shù)據(jù)采集模塊，在計算機
的控制下控制數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，并將從數(shù)據(jù)采集模塊接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機；數(shù)據(jù)采集模塊連接有至少一個傳感器，并對傳感器的數(shù)據(jù)信息進行采集，隨后將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到智能控制模塊。該實用新型智能控制模塊將接收到的計算機發(fā)出的控制命令數(shù)據(jù)進行解析，通過總線分別向各數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送控制命令，使數(shù)據(jù)采集模塊同時并行工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集。該實用新型適用于橋梁、大壩等大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測的分布式數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用領(lǐng)域有限，不具有通用性。中國發(fā)明專利"基于無線移動通信公網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方法及裝置"(申請?zhí)枮?2149230)公開了一種基于無線移動通信公網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方法及裝置，由數(shù)據(jù)采集中心通過無線移動通信公網(wǎng)向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送包含數(shù)據(jù)采集命令的消息；數(shù)據(jù)采集終端響應(yīng)數(shù)據(jù)采集命令，從數(shù)據(jù)終端獲取目標數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集終端對目標數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和封裝處理，并將封裝后的目標數(shù)據(jù)經(jīng)無線移動通信公網(wǎng)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集中心。裝置包括 微處理器，以及通過總線與該微處理器連接的無線移動通信終端接口 、存儲器、協(xié)議棧和數(shù) 據(jù)采集終端接口。該發(fā)明通過無移動公網(wǎng)進行組網(wǎng)和通信，不通過計算機網(wǎng)絡(luò)線、電話線、 電力線等線路形式進行組網(wǎng)和通信。該發(fā)明專利依賴于無線通訊公網(wǎng)，要發(fā)生相關(guān)費用，數(shù) 據(jù)采集穩(wěn)定性和可靠性不高。
綜上所述，現(xiàn)有相關(guān)專利及實用新型產(chǎn)品的不足之處主要表現(xiàn)在 1)數(shù)據(jù)采集的速度有限，不能很好的滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求。 2)應(yīng)用場合單一，適應(yīng)能力不強，無法滿足數(shù)據(jù)采集技術(shù)對采集點普適的需求。 3)數(shù)據(jù)采集成本過高，不利于成本控制。 4)采集穩(wěn)定性不強。穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中不能很好滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求、適應(yīng)能力不強、穩(wěn)定
性不理想和成本過高的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求、 適應(yīng)力強、穩(wěn)定性好而且成本低的模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置及方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置包括 模擬量處理模塊，由第一 二模擬量采集電路和第一 二模擬量輸出電路組成， 其中第一 二模擬量采集電路與工業(yè)信號相連；第一 二模擬量輸出電路與外部受控設(shè) 備相連； 離散量處理模塊，由第一 二離散量采集電路和第一 二離散量輸出電路組成， 其中第一 二離散量采集電路接收離散量信號；第一 二離散量輸出電路與外部受控設(shè) 備相連； 邏輯功能可編程控制器，正負信號通訊端分別與模擬量處理模塊中第一 二模擬 量采集電路及第一 二模擬量輸出電路的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù) 傳輸；邏輯功能可編程控制器正負信號通訊端還分別與離散量處理模塊中第一 二離散量 采集電路及第一 二離散量輸出電路的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳 輸； 電源模塊，分別與模擬量處理模塊及離散量處理模塊的電源端及地相連； 所述工業(yè)信號包括+/_1伏、+/_2. 5伏、+/_5伏、+/-10伏、+/-100毫伏、+/-500
毫伏、+/-20毫安、+4 20毫安電流信號；所述電源模塊采用24V直流電源； 本發(fā)明模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集方法包括如下步驟 系統(tǒng)啟動，若啟動失敗則停機，否則進行檢測； 檢測外接設(shè)備是否存在初始沒有歸零，若存在，則啟動報警，等待人工置零；否則 進行數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)采集開始，分別掃描模擬量、離散量輸入端口 ，調(diào)用數(shù)據(jù)輸入指令，采集模擬 量、離散量數(shù)據(jù)； 判斷數(shù)據(jù)異常否，在有數(shù)據(jù)異常情況下報警，結(jié)束程序；在無數(shù)據(jù)異常情況下判斷 數(shù)據(jù)是否超過允許范圍；
判斷數(shù)據(jù)是否超過允許范圍，沒有超過允許范圍，則調(diào)用模擬量、離散量輸出指令、根據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)輸出；如超過允許范圍則將尖峰數(shù)據(jù)去除，再根據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)用模擬量、離散量輸出指令進行數(shù)據(jù)輸出； 返回數(shù)據(jù)采集步驟，繼續(xù)以上過程的循環(huán)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1.穩(wěn)定性好。本發(fā)明邏輯功能可編程控制器采用ADAM系列工業(yè)控制模塊(研華公司研發(fā))，是久經(jīng)市場考驗的工業(yè)控制模塊，具有良好穩(wěn)定性能。 2.可靠性高。本發(fā)明數(shù)據(jù)采集處理模塊采用的ADAM系列，數(shù)據(jù)采集模塊通道之間本身具有數(shù)據(jù)隔離功能，防止了相互干擾，增強了數(shù)據(jù)的可靠性。 3.本發(fā)明的實施具有廣泛的適應(yīng)能力?？梢圆杉男盘柗N類有+/_lV、+/-2. 5V， 、+/-5V、+/-10VV、+/-100mV、+/-500mV的電壓信號；+/_20mA、+4 20mA的電流信號，可滿足大部分復(fù)雜的工業(yè)場合需要。 4.通訊能力強。本發(fā)明采用RS485通訊可以適應(yīng)9600 57600之間的波特率，能
滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求。 5.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低。


圖1本發(fā)明裝置電路原理圖。
圖2本發(fā)明方法控制程序流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明對進一步詳細說明。
如圖1、2所示，本發(fā)明模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置，包括 模擬量處理模塊，由第一 二模擬量采集電路U2 U3 (本實施例采用ADAM4117)和第一 二模擬量輸出電路U4 U5 (本實施例采用ADAM4024)組成，其中第一 二模擬量采集電路U2 U3經(jīng)模擬量輸入端子26與工業(yè)場合常見的信號類型相連，包括+/_1伏、+/-2. 5伏、+/_5伏、+/-10伏、+/-100毫伏、+/-500毫伏、+/-20毫安、+4 20毫安電流信號，幾乎涵蓋了目前所有工業(yè)場合常見的信號類型；第一 二模擬量輸出電路U4 U5分別經(jīng)模擬量輸出端子27與外部受控設(shè)備相連。 離散量處理模塊，由第一 二離散量采集電路U6 U7 (本實施例采用ADAM4150)和第一 二離散量輸出電路U8 U9(本實施例采用ADAM4168)組成，其中第一 二離散量采集電路U6 U7經(jīng)離散量輸入端子28接收離散量信號如開關(guān)、繼電器的離散量信號；第一 二離散量輸出電路U8 U9分別經(jīng)離散量輸出端子29與外部受控設(shè)備相連。
邏輯功能可編程控制器Ul (本實施例采用ADAM4500)，正負信號通訊端分別與模擬量處理模塊中第一 二模擬量采集電路U2 U3及第一 二模擬量輸出電路U4 U5的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸；邏輯功能可編程控制器U1的正負信號通訊端還分別與離散量處理模塊中第一 二離散量采集電路U6 U7及第一 二離散量輸出電路U8 U9的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸；
5
電源模塊，采用24V直流電源，分別經(jīng)雙絞線或兩芯電源線與模擬量處理模塊中 第一 二模擬量采集電路U2 U3及第一 二模擬量輸出電路U4 U5及離散量處理模塊 中第一 二離散量采集電路U6 U7及第一 二離散量輸出電路U8 U9的電源端VSS+及 地GND相連，提供電源； 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以RS485為通訊手段(邏輯功能可編程控制器Ul分正負信號通 訊端)，完成數(shù)據(jù)采集和控制之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS485通訊的波特率的范圍為9600 57600， 可以根據(jù)具體要求調(diào)節(jié)波特率，改變通訊速率。模擬量處理模塊可以根據(jù)具體工況場合的 信號類型進行調(diào)整，具有良好的靈活性和適應(yīng)能力。離散量處理模塊自身具有光電隔離功 能，具有良好的濾波性能。邏輯功能可編程控制器U1中運行控制程序。
邏輯功能可編程控制器Ul所采用的ADAM4500芯片特點是ADAM4500芯片是工 業(yè)控制場合普遍適用的可編程控制器，為各種復(fù)雜的工業(yè)控制提供了一個良好的與IBM PC 機兼容的硬件平臺。ADAM4500是一個緊湊的計算機系統(tǒng)，運行D0S操作系統(tǒng)，包括一個 80188CPU、256KBFlash R0M、256KB SRAM，此外還配備兩個通訊通道C0M1、 COM2和一個程序 下載通道。ADAM4500可以運行各種高級語言，如C或C++， ADAM4500支持RS232和RS484兩 種通訊方式。 第一 二模擬量采集電路所采用的ADAM4117芯片是一種4通道模擬量采集模塊， 其可以采集的信號種類有+/_lV、 +/-2. 5V， 、 +/-5V、 +/-10VV、 +/-100mV、 +/_500mV的電壓 信號；+/_20mA、 +4 20mA的電流信號；ADAM4117支持9600 57600之間的通訊波特率。
第一 二模擬量輸出電路所采用的ADAM4024芯片具有12位的精度，可以輸出的 電流信號和電壓信號0 20mA、4 20mA電流信號，± 10V的電壓信號，支持9600 57600 之間的通訊波特率。 第一 二離散量采集電路所采用的ADAM4150芯片是8通道隔離的數(shù)字量輸入 模塊，有兩種工作模式，模式0的門限電壓是+1V，模式1的電壓范圍為+3. 5 30V，支持 9600 57600之間的通訊波特率。 第一 二離散量輸出電路所采用的ADAM4168芯片是8通道數(shù)字量輸出模塊，可以 輸出開關(guān)量控制受控設(shè)備，支持9600 57600之間的通訊波特率。 如圖1所示的模擬量處理模塊最多可提供8路模擬量輸入、8路模擬量輸出，可以 滿足同時采集電壓信號和電流信號的要求，某些通道也可以閑置不用，具有良好的適應(yīng)能 力。離散量處理模塊最多可提供16路離散量輸入、16路離散量輸出，可以滿足大部分的工 業(yè)控制場合。 本發(fā)明裝置的即控制方法通過存儲于邏輯功能可編程控制器U1內(nèi)的控制程序?qū)?現(xiàn)，其具體流程(參見圖2)如下 系統(tǒng)啟動，若啟動(即自檢)失敗則停機；否則進行檢測； 系統(tǒng)啟動后，首先檢測與其連接的外接設(shè)備是否存在初始沒有歸零，若存在，則啟 動報警，等待人工將其置零；否則進行數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)采集開始，分別掃描模擬量、離散量輸入端口 ，調(diào)用數(shù)據(jù)輸入指令，采集模擬 量、離散量數(shù)據(jù)； 判斷數(shù)據(jù)異常否，在有數(shù)據(jù)異常情況下報警，結(jié)束程序； 在無數(shù)據(jù)異常情況下判斷數(shù)據(jù)是否超過允許范圍，沒有超過允許范圍，則根據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)用模擬量、離散量輸出指令進行數(shù)據(jù)輸出；如超
過允許范圍則將尖峰數(shù)據(jù)去除，再根據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)用模擬
量、離散量輸出指令進行數(shù)據(jù)輸出； 返回數(shù)據(jù)采集步驟，繼續(xù)以上過程的循環(huán)。
權(quán)利要求
一種模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于包括模擬量處理模塊，由第一～二模擬量采集電路(U2～U3)和第一～二模擬量輸出電路(U4～U5)組成，其中第一～二模擬量采集電路(U2～U3)與工業(yè)信號相連；第一～二模擬量輸出電路(U4～U5)與外部受控設(shè)備相連；離散量處理模塊，由第一～二離散量采集電路(U6～U7)和第一～二離散量輸出電路(U8～U9)組成，其中第一～二離散量采集電路(U6～U7)接收離散量信號；第一～二離散量輸出電路(U8～U9)與外部受控設(shè)備相連；邏輯功能可編程控制器(U1)，正負信號通訊端分別與模擬量處理模塊中第一～二模擬量采集電路(U2～U3)及第一～二模擬量輸出電路(U4～U5)的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸；邏輯功能可編程控制器(U1)正負信號通訊端還分別與離散量處理模塊中第一～二離散量采集電路(U6～U7)及第一～二離散量輸出電路(U8～U9)的正負信號通訊端相連，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸；電源模塊，分別與模擬量處理模塊及離散量處理模塊的電源端及地相連。
2. 按照權(quán)利要求1所述模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述工業(yè)信號包 括+/_1伏、+/_2. 5伏、+/_5伏、+/_10伏、+/_100毫伏、+/_500毫伏、+/_20毫安、+4 20 毫安電流信號。
3. 按照權(quán)利要求1所述模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述電源模塊采 用24V直流電源。
4. 一種模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于包括如下步驟 系統(tǒng)啟動，若啟動失敗則停機，否則進行檢測；檢測外接設(shè)備是否存在初始沒有歸零，若存在，則啟動報警，等待人工置零；否則進行 數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)采集開始，分別掃描模擬量、離散量輸入端口 ，調(diào)用數(shù)據(jù)輸入指令，采集模擬量、離 散量數(shù)據(jù)；判斷數(shù)據(jù)異常否，在有數(shù)據(jù)異常情況下報警，結(jié)束程序；在無數(shù)據(jù)異常情況下判斷數(shù)據(jù) 是否超過允許范圍；判斷數(shù)據(jù)是否超過允許范圍，沒有超過允許范圍，則調(diào)用模擬量、離散量輸出指令、根 據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)輸出；如超過允許范圍則將尖峰數(shù)據(jù)去 除，再根據(jù)數(shù)據(jù)大小形成模擬量、離散量輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)用模擬量、離散量輸出指令進行數(shù) 據(jù)輸出；返回數(shù)據(jù)采集步驟，繼續(xù)以上過程的循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集裝置及方法，裝置包括由第一～二模擬量采集電路和第一～二模擬量輸出電路組成的模擬量處理模塊，分別與工業(yè)信號及外部受控設(shè)備相連；由第一～二離散量采集電路和第一～二離散量輸出電路組成的離散量處理模塊，分別接收離散量信號，輸出至外部受控設(shè)備；正負信號通訊端分別與模擬量處理模塊、與離散量處理模塊的正負信號通訊端相連的邏輯功能可編程控制器，進行相應(yīng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸；采用24V直流電源的電源模塊，為模擬量處理模塊及離散量處理模塊供電。本發(fā)明具有能滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求、適應(yīng)力強、穩(wěn)定性好和成本低等特點。
文檔編號G05B19/048GK101750987SQ20081022966
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者孫凱, 秦寶成 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所