RU2401419C2 - Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) - Google Patents
Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2401419C2 RU2401419C2 RU2008146214/28A RU2008146214A RU2401419C2 RU 2401419 C2 RU2401419 C2 RU 2401419C2 RU 2008146214/28 A RU2008146214/28 A RU 2008146214/28A RU 2008146214 A RU2008146214 A RU 2008146214A RU 2401419 C2 RU2401419 C2 RU 2401419C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analog
- output
- input
- conversion unit
- digital conversion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к многоканальным устройствам сбора данных и может быть использовано в системах диагностического контроля состояния оборудования по вибрационным, акустическим, температурным и другим динамическим и статическим параметрам состояния контролируемого агрегата.The present invention relates to multichannel data collection devices and can be used in diagnostic systems for monitoring the condition of equipment by vibration, acoustic, temperature and other dynamic and static parameters of the state of the monitored unit.
Известно многоканальное устройство сбора данных, содержащее в каждом из каналов интерфейсные узлы и узел аналого-цифрового преобразования, выходы которых подключены к шинам питания и цифрового управления [ЕР 1000350, G01N 29/12, 1998 г., патент US 6633822, 702-56, 2001 г. и патент US 6275781, 702-182, 1998 г.].A multi-channel data acquisition device is known that contains interface nodes and an analog-to-digital conversion node in each channel, the outputs of which are connected to the power and digital control buses [EP 1000350, G01N 29/12, 1998, patent US 6633822, 702-56, 2001 and patent US 6275781, 702-182, 1998].
Недостатком данного устройства является необходимость использования узлов аналого-цифрового преобразования в каждом из измерительных каналов. Это приводит к большим аппаратурным затратам, необходимости использования большого количества соединительных линий связи и, как следствие, к сравнительно низкой надежности такого оборудования и ее высокой стоимости. Следует принять во внимание, что такие системы при исследовании вибрационных процессов, допускающих возможность последовательного во времени анализа сигналов по каналам, является избыточной по оборудованию.The disadvantage of this device is the need to use nodes of analog-to-digital conversion in each of the measuring channels. This leads to high hardware costs, the need to use a large number of connecting communication lines and, as a result, to the relatively low reliability of such equipment and its high cost. It should be borne in mind that such systems in the study of vibration processes that allow the possibility of sequential analysis of signals over the channels over time is redundant in equipment.
Известно многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащее коммутационный блок с входами подключения датчиков, которые соединены с входами аналогового коммутатора, выходы которого через линию связи соединены с входами узла аналого-цифрового преобразования, общей шиной и шиной питания, выход узла аналого-цифрового преобразования является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом [патент US 3876997, 340-183, 1975 г.].A multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is known, comprising a switching unit with sensor inputs, which are connected to the inputs of an analog switch, the outputs of which are connected through the communication line to the inputs of the analog-to-digital conversion unit, a common bus and a power bus, and the output of the analog- Digital conversion is the output of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface [US patent 3876997, 340-183, 1975].
Недостатком данного устройства является сравнительно малый динамический диапазон, поскольку на шинах сигнала присутствует напряжение смещения, которое может существенно превосходить информативный переменный сигнал и которое поступает непосредственно на вход узла аналого-цифрового преобразования.The disadvantage of this device is the relatively small dynamic range, since the bias voltage is present on the signal buses, which can significantly exceed the informative variable signal and which goes directly to the input of the analog-to-digital conversion unit.
Наиболее близким к предложенному техническому решению и выбранным в качестве прототипа является многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащее коммутационный узел, имеющий входы для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом, сигнальная шина каждого из которых соединена с источником тока питания датчика, и аналоговый коммутатор, выход которого является выходом коммутационного узла, адресная шина, общая шина и шина питания которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной питания устройства, а также содержащиее узел аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом [DI-785 & DI-788. User's manual. Revision С. DATAQ Instruments. 2008 г.].Closest to the proposed technical solution and selected as a prototype is a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, containing a switching node having inputs for connecting sensors with a two-wire interface, the signal bus of each of which is connected to the sensor power supply, and an analog switch whose output is the output of the switching node, the address bus, the common bus and the power bus of which are connected respectively to the address bus, with a common and a power bus of the device, and further comprising an analog-digital converting unit, whose output is the output of a multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface [DI-785 & DI-788. User's manual. Revision C. DATAQ Instruments. 2008].
Недостатком данного устройства является ограниченность его функциональных возможностей. Действительно, в этом устройстве подключение входов коммутационного узла к входам аналогового коммутатора выполняется через разделительную емкость для устранения влияния постоянного смещения в выходном сигнале (для датчиков с интерфейсом IEPE типовые значения от 8 до 12 вольт). При этом, хотя влияние этой постоянной составляющей и устраняется, пропадает полезная информация, передаваемая этим смещением, свидетельствующая об исправности датчика и линии связи, поскольку по величине этого постоянного смещения, т.е. среднего значения сигнала от датчика можно контролировать исправность работы датчика и линий связи. С другой стороны, для некоторых датчиков, например датчиков давления или температуры, эта постоянная составляющая передает информацию о самой измеряемой величине.The disadvantage of this device is the limited functionality. Indeed, in this device, the inputs of the switching unit are connected to the inputs of the analog switch through a separation capacitor to eliminate the influence of constant bias in the output signal (for sensors with IEPE interface, typical values are from 8 to 12 volts). In this case, although the influence of this constant component is eliminated, the useful information transmitted by this offset disappears, indicating the health of the sensor and the communication line, since the magnitude of this constant offset, i.e. the average value of the signal from the sensor, you can control the health of the sensor and communication lines. On the other hand, for some sensors, for example pressure or temperature sensors, this constant component transmits information about the measured value itself.
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей многоканального устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом и повышение достоверности ввода данных за счет обеспечения возможности контроля по уровню постоянной составляющей для датчиков динамических сигналов.The aim of the invention is to expand the functionality of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface and increase the reliability of data entry by providing the ability to control the level of the constant component for sensors of dynamic signals.
Поставленная цель в первом варианте предлагаемого изобретения достигается тем, что в многоканальном устройстве сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащем коммутационный узел, имеющий входы для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом, сигнальная шина каждого из которых соединена с источником тока питания датчика, и аналоговый коммутатор, адресная шина коммутационного узла соединена с адресными входами аналогового коммутатора, выход которого является выходом коммутационного узла, адресная шина, общая шина и шина питания которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной питания устройства, а также содержащем узел аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, в него дополнительно введен формирователь напряжения сдвига уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с входом узла аналого-цифрового преобразования, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя соединены соответственно с выходом коммутационного узла и выходом формирователя сдвига уровня, вход которого является входом задания величины сдвига уровня, причем сигнальная шина каждого из входов коммутационного узла соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора.The goal in the first embodiment of the invention is achieved by the fact that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, containing a switching node having inputs for connecting sensors with a two-wire interface, the signal bus of each of which is connected to the sensor power supply, and an analog switch , the address bus of the switching node is connected to the address inputs of the analog switch, the output of which is the output of the switching node, the address bus, common the line and the power bus of which are connected respectively to the address bus, with the common bus and power bus of the device, as well as containing an analog-to-digital conversion unit, the output of which is the output of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, an additional level shifter is introduced into it and a differential amplifier, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion unit, and the direct and inverse inputs of the differential amplifier are connected respectively to the output of the switching node and the output of the level shifter, the input of which is the input for setting the level shift, and the signal bus of each of the inputs of the switching node is connected to the corresponding input of the analog switch.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что формирователь напряжения сдвига уровня выполнен в виде цифро-аналогового преобразователя, вход и выход которого являются входом и выходом формирователя напряжения сдвига уровня.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the level shifter is made in the form of a digital-to-analog converter, the input and output of which are the input and output of the level shifter.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что формирователь напряжения сдвига уровня содержит цифроаналоговый преобразователь и запоминающее устройство, вход и выход которого соединены соответственно с входом формирователя напряжения сдвига уровня и входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом формирователя напряжения сдвига уровня.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the level shift voltage generator contains a digital-to-analog converter and a storage device, the input and output of which are connected to the input of the level shift voltage generator and the input of the digital-analog converter, the output of which is the output of the voltage generator level shift.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что формирователь напряжения сдвига уровня содержит аналоговый мультиплексор и формирователи напряжений, выходы которых соединены с соответствующими входами аналогового мультиплексора, адресный вход и выход которого являются соответственно входом формирователя напряжения сдвига уровня и выходом формирователя напряжения сдвига уровня.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the level shifter includes an analog multiplexer and voltage generators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the analog multiplexer, the address input and output of which are the input of the level shifter and the output, respectively shaper voltage level shift.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом узла аналого-цифрового преобразования.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the analog-to-digital conversion unit contains an analog-to-digital converter, the input and output of which are the input and output of the analog-to-digital conversion unit, respectively.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь и фильтр нижних частот, вход и выход которого соединены соответственно с входом узла аналого-цифрового преобразования и входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the analog-to-digital conversion unit contains an analog-to-digital converter and a low-pass filter, the input and output of which are connected respectively to the input of the analog-to-digital conversion unit and the input of the analog-to-digital converter whose output is the output of the analog-to-digital conversion unit.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь и усилитель с программируемым коэффициентом усиления, вход и выход которого соединены соответственно с входом узла аналого-цифрового преобразования и входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the analog-to-digital conversion unit contains an analog-to-digital converter and amplifier with a programmable gain, the input and output of which are connected respectively to the input of the analog-to-digital conversion unit and the input of analog-to-digital a digital converter, the output of which is the output of the analog-to-digital conversion unit.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь, фильтр нижних частот и усилитель с программируемым коэффициентом усиления, вход и выход которого соединены соответственно с выходом фильтра нижних частот, вход которого является входом узла аналого-цифрового преобразования, и входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the analog-to-digital conversion unit contains an analog-to-digital converter, a low-pass filter and an amplifier with a programmable gain, the input and output of which are connected respectively to the output of the low-pass filter, input which is the input of the analog-to-digital conversion unit, and the input of the analog-to-digital converter, the output of which is the output of the analog-to-digital conversion unit.
Поставленная цель во втором варианте предлагаемого изобретения достигается тем, что в многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащее коммутационный узел, имеющий входы для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом, и аналоговый коммутатор, адресная шина коммутационного узла соединена с адресными входами аналогового коммутатора, выход которого является выходом коммутационного узла, адресная шина, общая шина и шина питания которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной питания устройства, которая через источник тока питания датчика соединена с выходом аналогового коммутатора, а также содержащее узел аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, в него дополнительно введен формирователь напряжения сдвига уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с входом узла аналого-цифрового преобразования, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя соединены соответственно с выходом коммутационного узла и выходом формирователя сдвига уровня, вход которого является входом задания величины сдвига уровня, а сигнальная шина каждого из входов коммутационного узла соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора.The goal in the second embodiment of the invention is achieved by the fact that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, containing a switching node having inputs for connecting sensors with a two-wire interface, and an analog switch, the address bus of the switching node is connected to the address inputs of the analog switch, the output of which is the output of the switching node, the address bus, the common bus and the power bus of which are connected respectively with the address bus, with a common the device’s power bus and bus, which is connected to the output of the analog switch through the sensor’s power supply source, and also contains an analog-to-digital conversion unit, the output of which is the output of a multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, and an additional level shifter is introduced into it and a differential amplifier, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion unit, and the direct and inverse inputs of the differential amplifier are connected respectively Actually, with the output of the switching unit and the output of the level shifter, the input of which is the input for setting the level shift, and the signal bus of each of the inputs of the switching unit is connected to the corresponding input of the analog switch.
Поставленная цель в третьем варианте предлагаемого изобретения достигается тем, что в многоканальное устройство сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, содержащее коммутационный узел, имеющий входы для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом, сигнальная шина каждого из которых соединена с источником тока питания датчика, и аналоговый коммутатор, адресная шина коммутационного узла соединена с адресными входами аналогового коммутатора, выход которого является выходом коммутационного узла, адресная шина, общая шина и шина питания которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной питания устройства, а также содержащее узел аналого-цифрового преобразования, в устройство дополнительно введен формирователь напряжения сдвига уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с входом узла аналого-цифрового преобразования, выходная шина которого соединена с входной шиной формирователь напряжения сдвига уровня, интерфейс выхода которого является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя соединены соответственно с выходом коммутационного узла и выходом формирователя сдвига уровня, вход которого является входом задания величины сдвига уровня, а сигнальная шина каждого из входов коммутационного узла соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора, и адресная шина соединена с выходом адреса формирователя сигнала сдвига уровня.The goal in the third embodiment of the invention is achieved by the fact that in a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface, containing a switching node having inputs for connecting sensors with a two-wire interface, the signal bus of each of which is connected to the sensor power supply current, and an analog switch , the address bus of the switching node is connected to the address inputs of the analog switch, the output of which is the output of the switching node, the address bus, common the bus and the power bus of which are connected respectively to the address bus, with the common bus and the power bus of the device, as well as containing an analog-to-digital conversion unit, a level shifter and a differential amplifier are additionally introduced into the device, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion unit the output bus of which is connected to the input bus by a voltage level shifter, the output interface of which is the output of a multichannel data acquisition device for sensors with two an interface, and the direct and inverse inputs of the differential amplifier are connected respectively to the output of the switching unit and the output of the level shifter, the input of which is the input of setting the level shift, and the signal bus of each of the inputs of the switching unit is connected to the corresponding input of the analog switch, and the address bus is connected with the output address of the shaper of the signal level shift.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом состоит в том, что формирователь напряжения сдвига уровня содержит цифроаналоговый преобразователь и микроконтроллер, интерфейс ввода данных которого является входной шиной формирователя напряжения сдвига уровня, интерфейс выхода которого соединен с интерфейсом передачи данных микроконтроллера, выход цифрового кода которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом формирователя напряжения сдвига уровня.Another difference of a multi-channel data acquisition device for sensors with a two-wire interface is that the level shift voltage generator contains a digital-analog converter and a microcontroller, the data input interface of which is the input bus of the level shift voltage generator, the output interface of which is connected to the microcontroller data transmission interface, the digital output whose code is connected to the input of the digital-to-analog converter, the output of which is the output of the voltage driver to move in! level.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема устройства по первому варианту исполнения. На фиг.2-4 приведены примеры возможных исполнений формирователя напряжения сдвига уровня для первого и второго вариантов исполнения устройства. На фиг.5-8 приведены примеры исполнения узлов аналого-цифрового преобразования. На фиг.9 приведена структурная схема устройства по второму варианту исполнения, а на фиг.10 приведена структурная схема устройства по третьему варианту исполнения.The proposed technical solution is illustrated by drawings. Figure 1 shows the structural diagram of the device according to the first embodiment. Figure 2-4 shows examples of possible versions of the voltage level shifter for the first and second embodiments of the device. Figure 5-8 shows examples of the execution of nodes of analog-to-digital conversion. Figure 9 shows the structural diagram of the device according to the second embodiment, and figure 10 shows the structural diagram of the device according to the third embodiment.
Многоканальное устройство сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом, как показано на фиг.1, содержит коммутационный узел 2, имеющий входы 3 для подключения датчиков с двухпроводным интерфейсом 1, сигнальная шина каждого из которых соединена с источником тока 4 питания датчика, и аналоговый коммутатор 5, адресная шина коммутационного узла соединена с адресными входами аналогового коммутатора 5, выход которого является выходом 6 коммутационного узла 2, адресная шина, общая шина и шина питания которого соединены соответственно с адресной шиной 7, с общей шиной 8 и шиной питания 9 устройства, а также содержит узел аналого-цифрового преобразования 10, выход которого является выходом 11 многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, которое также содержит формирователь напряжения сдвига уровня 12 и дифференциальный усилитель 13, выход которого соединен с входом узла аналого-цифрового преобразования 10, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя 13 соединены соответственно с выходом коммутационного узла 2 и выходом формирователя сдвига уровня 12, вход которого является входом 14 задания величины сдвига уровня, а сигнальная шина каждого из входов 3 коммутационного узла 2 соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора 5.A multi-channel data acquisition device for
Формирователь напряжения сдвига уровня 12, как показано на фиг.2, может быть выполнен в виде цифроаналогового преобразователя 15, вход и выход которого являются входом 14 и выходом формирователя напряжения сдвига уровня 12.Shaper
Формирователь напряжения сдвига уровня 12, как показано на фиг.3, содержит цифроаналоговый преобразователь 15 и запоминающее устройство 16, вход и выход которого соединены соответственно с входом 14 формирователя напряжения сдвига уровня 12 и входом цифроаналогового преобразователя 15, выход которого является выходом формирователя напряжения сдвига уровня 12.The
Формирователь напряжения сдвига уровня, как показано на фиг.4, содержит аналоговый мультиплексор 17 и формирователи напряжений 18, выходы которых соединены с соответствующими входами аналогового мультиплексора 17, адресный вход 19 и выход которого являются соответственно входом 14 формирователя напряжения сдвига уровня 12 и его выходом.The level shift voltage generator, as shown in Fig. 4, contains an
Узел аналого-цифрового преобразования 10, как показано на фиг.5, содержит аналого-цифровой преобразователь 20, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом узла аналого-цифрового преобразования 10.The analog-to-
Узел аналого-цифрового преобразования 10, как показано на фиг.6, содержит аналого-цифровой преобразователь 20 и фильтр нижних частот 21, вход и выход которого соединены соответственно с входом узла аналого-цифрового преобразования 10 и входом аналого-цифрового преобразователя 20, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования 10.The analog-to-
Узел аналого-цифрового преобразования 10, как показано на фиг.7, содержит аналого-цифровой преобразователь 20 и усилитель с программируемым коэффициентом усиления 22, вход и выход которого соединены соответственно с входом узла аналого-цифрового преобразования 10 и входом аналого-цифрового преобразователя 20, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования 10.The analog-to-
Узел аналого-цифрового преобразования 10, как показано на фиг.8, содержит аналого-цифровой преобразователь 20, фильтр нижних частот 21 и усилитель с программируемым коэффициентом усиления 22, вход и выход которого соединены соответственно с выходом фильтра нижних частот 21, вход которого является входом узла аналого-цифрового преобразования 10, и входом аналого-цифрового преобразователя 20, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования 10.The analog-to-
Многоканальное устройство сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом, как показано на фиг.9, содержит коммутационный узел 2, имеющий входы 3 для подключения датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом, и аналоговый коммутатор 5, адресная шина 7 коммутационного узла соединена с адресными входами аналогового коммутатора 5, выход которого является выходом 6 коммутационного узла 2, адресная шина 7, общая шина 8 и шина питания 9 которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной 9 питания устройства, которая через источник тока 4 питания датчика соединена с выходом аналогового коммутатора 5, а также содержит узел аналого-цифрового преобразования 10, выход которого является выходом 11 многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, которое также содержит формирователь 12 напряжения сдвига уровня и дифференциальный усилитель 13, выход которого соединен с входом узла аналого-цифрового преобразования 10, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя 13 соединены соответственно с выходом коммутационного узла 2 и выходом формирователя 12 сдвига уровня, вход которого является входом 14 задания величины сдвига уровня, а сигнальная шина каждого из входов 3 коммутационного узла 2 соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора 5.A multi-channel data acquisition device for
Многоканальное устройство сбора данных для датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом, как показано на фиг.10, содержит коммутационный узел 2, имеющий входы 3 для подключения датчиков 1 с двухпроводным интерфейсом, сигнальная шина каждого из которых соединена с источником тока 4 питания датчика, и аналоговый коммутатор 5, адресная шина 7 коммутационного узла 2 соединена с адресными входами аналогового коммутатора 5, выход которого является выходом 6 коммутационного узла 2, адресная шина 7, общая шина 8 и шина 9 питания которого соединены соответственно с адресной шиной, с общей шиной и шиной питания устройства, а также содержит узел аналого-цифрового преобразования 10, в него дополнительно введен формирователь 12 напряжения сдвига уровня и дифференциальный усилитель 13, выход которого соединен с входом узла 10 аналого-цифрового преобразования, выходная шина которого соединена с входной шиной формирователя напряжения сдвига уровня 12, интерфейс выхода 11 которого является выходом многоканального устройства сбора данных для датчиков с двухпроводным интерфейсом, а прямой и инверсный входы дифференциального усилителя 13 соединены соответственно с выходом коммутационного узла 2 и выходом формирователя 12 сдвига уровня, а сигнальная шина каждого из входов 3 коммутационного узла 2 соединена с соответствующим входом аналогового коммутатора 5, а адресная шина 7 соединена с выходом 24 адреса формирователя 12 сигнала сдвига уровня.A multi-channel data acquisition device for
Формирователь 12 напряжения сдвига уровня содержит цифроаналоговый преобразователь 15 и микроконтроллер 24, интерфейс ввода данных 25 которого является входной шиной формирователя 12 напряжения сдвига уровня, интерфейс выхода 11 которого соединен с интерфейсом передачи данных микроконтроллера 24, выход цифрового кода которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя 15, выход которого является выходом формирователя 12 напряжения сдвига уровня.The level
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Сигналы с датчиков 1, которые подключены к входам устройства, поступают на аналоговый коммутатор 5. Этот коммутатор обеспечивает подключение выбранного канала к входу узла аналого-цифрового преобразования 10. Питание датчиков осуществляется по шине передачи сигнала за счет подключенного к ней источника тока 4. В качестве такого источника удобно использовать элементы current regulator diode (или current constant diode). Эти источники могут быть подключены непосредственно к входной сигнальной шине, как показано на фиг.1 и 10, или к выходу аналогового коммутатора 5, как показано на фиг.9. В последнем случае обеспечивается снижение количества используемых элементов и, при большом числе каналов, значительно сокращается потребление энергии от источника питания, хотя при переключении каналов оказывается необходимым временная задержка, связанная с установлением рабочего режима в датчике.The signals from the
Коммутационный узел 2 может быть расположен непосредственно у контролируемого объекта. Это позволяет передавать данные от большого количества датчиков, установленных на объекте, к измерительной аппаратуре, к которой подключено устройство по небольшому количеству проводов на значительное расстояние.The
Особенностью датчиков с двухпроводным интерфейсом, например IEPE акселерометров и микрофонов, является относительно большое напряжение, смещение выходного напряжения, величина которого может меняться от 6 до 15 вольт. Использование конденсатора для развязки от постоянной составляющей хотя и позволяет исключить данную составляющую, но приводит к ряду отрицательных последствий - потере диагностической информации об исправности датчика, невозможности подключения к тому же входу датчиков с двухпроводным интерфейсом, в которых информация передается постоянной составляющей сигнала, например, термодатчиков LM135 и т.п. В предлагаемых технических решениях постоянная составляющая вычитается из сигнала, поступающего на вход без использования реактивных элементов.A feature of sensors with a two-wire interface, such as IEPE accelerometers and microphones, is a relatively large voltage, an output voltage bias, the value of which can vary from 6 to 15 volts. The use of a capacitor for decoupling from the DC component, although this component can be eliminated, leads to a number of negative consequences - loss of diagnostic information about the health of the sensor, the inability to connect sensors with a two-wire interface to the same input, in which information is transmitted by the DC component of the signal, for example, temperature sensors LM135 etc. In the proposed technical solutions, the constant component is subtracted from the signal supplied to the input without using reactive elements.
Формирователь напряжения сдвига уровня 12 обеспечивает на своем выходе формирование напряжения, которое соответствует напряжению смещения для датчиков динамических сигналов, например, акселерометров. Благодаря этому дифференциальный усилитель 13 на своем выходе формирует напряжение, соответствующее контролируемой величине, например ускорению. Это напряжение может быть существенно меньше постоянного смещения, благодаря чему узел аналого-цифрового преобразования 10 может быть выполнен с более высокой чувствительностью. При этом чувствительность узла аналого-цифрового преобразования при необходимости может подстраиваться за счет включения в его состав усилителя с программируемым коэффициентом усиления 22.The
В простейшем случае, как показано на фиг.2, формирователь напряжения сдвига уровня 12 может быть выполнен на основе цифроаналогового преобразования 15, на вход которого 14 поступает код, определяющий требуемую для данного канала в данный момент времени величину напряжения сдвига уровня сигнала, которое формируется на его выходе.In the simplest case, as shown in FIG. 2, the
Использование на входе цифроаналогового преобразователя 15 запоминающего устройства 16, как показано на фиг.3, обеспечивает более простое управление устройством, поскольку в этом случае в запоминающее устройство могут быть заранее записаны требуемые для управления цифроаналоговым преобразователем 15 коды, выборка которых выполняется заданием на входе 14 соответствующего кода выборки, например, номера канала.Using at the input of the digital-to-
Формирователь напряжения сдвига уровня 12 может быть также реализован без использования цифроаналогового преобразователя, как показано на фиг.4. В этом случае соответствующие напряжения формируются источниками опорного напряжения 18 с использованием, например, резистивных делителей или переменных резисторов, которые подключены к входам аналогового мультиплексора 17, который обеспечивает подключение к выходу соответствующего напряжения, в зависимости от кода выбранного канала, подаваемого на вход 14.The
Поскольку для эффективной работы предлагаемого устройства необходимо обеспечить возможность центрирование сигналов, поступающих от датчиков динамических сигналов с двухпроводным интерфейсом, разрядность используемых цифроаналоговых преобразователей и величина формируемого ими напряжения или величина и точность задания напряжений элементами 18 для схемы, показанной на фиг.4, должны быть достаточно большими, т.е. величина напряжения соизмерима с величиной напряжения смещения выходного напряжения датчиков 1, а точность соизмерима с точностью аналого-цифрового преобразователя 20.Since for the effective operation of the proposed device it is necessary to ensure the possibility of centering the signals from the sensors of dynamic signals with a two-wire interface, the width of the digital-to-analog converters used and the magnitude of the voltage generated by them or the magnitude and accuracy of the voltage setting by the
Узел аналого-цифрового преобразования 10 в простейшем случае, как показано на фиг.5, представляет собой аналого-цифровой преобразователь 20.The analog-to-
Для улучшения характеристик преобразования на входе аналого-цифрового преобразователя 20 может быть включены фильтр нижних частот 21 с частотой среза ниже половины частоты выборки, как показано на фиг.6, а также усилитель с управляемым коэффициентом усиления 22, как показано на фиг.7 и 8. Использование такого усилителя позволяет оптимальным образом подстроить динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя 20 в зависимости от амплитуды центрированного динамического сигнала, поступающего на вход узла аналого-цифрового преобразования 10, при анализе динамических сигналов.To improve the conversion characteristics at the input of the analog-to-
Для каналов со статическими сигналами, например каналов термодатчиков, величина напряжения смещения может быть постоянной, близкой к нулю, для пропускания сигнала на вход узла аналого-цифрового преобразования 10 или задаваться равной определенной величине, позволяющей, например, перейти от сигналов, соответствующих шкале Кельвина, к шкале Цельсия. Или вносить поправку для повышения точности измерения температуры.For channels with static signals, for example, channels of temperature sensors, the bias voltage can be constant, close to zero, to pass the signal to the input of the analog-to-
Для каналов с датчиками динамических величин корректировка напряжения сдвига уровня позволяет выполнить центрирование сигналов, поступающих на вход аналого-цифрового преобразователя.For channels with dynamic value sensors, correction of the level shift voltage allows centering of the signals received at the input of the analog-to-digital converter.
На вход узла аналого-цифрового преобразователя поступает сигналAn input to the analog-to-digital converter node receives a signal
где UADC - напряжение на входе узла аналого-цифрового преобразования в данный момент времени для текущей реализации сигнала с выбранного канала;where U ADC is the voltage at the input of the analog-to-digital conversion node at a given time for the current implementation of the signal from the selected channel;
Uканала - напряжение с выхода коммутатора в данный момент времени для текущей реализации сигнала с выбранного канала;U channel - voltage from the output of the switch at a given time for the current implementation of the signal from the selected channel;
Uсреднее канала - напряжение смещения для текущей реализации сигнала и выбранного канала, полученное по данным на предыдущей реализации. Данная величина может быть задана постоянной или динамически подстраиваться в процессе работы. Корректировка, если она необходима, может выполняться во внешнем вычислительном устройстве или в микроконтроллере 24, например, в соответствии с соотношением:U channel average is the bias voltage for the current implementation of the signal and the selected channel, obtained from the data on the previous implementation. This value can be set constant or dynamically adjusted during operation. Correction, if necessary, can be performed in an external computing device or in a
где Uj - напряжение смещения, полученное после ввода j реализации;where U j is the bias voltage obtained after input j implementation;
Uj-1 - напряжение смещения, полученное после ввода j-1 реализации;U j-1 is the bias voltage obtained after entering j-1 implementation;
UADC (ti) - выборки входного сигнала узла аналого-цифрового преобразования, используемые для расчета текущего сдвига среднего уровня сигнала.U ADC (t i ) - samples of the input signal of the analog-to-digital conversion unit used to calculate the current shift of the average signal level.
При этом информация о величине постоянного смещения во входном канале не пропадает и соответствует величине напряжения смещения, задаваемого формирователем 12. Это позволяет оценить, находится ли входное напряжение в заданных допустимых пределах или имеет место неисправность датчика 1, обрыв или замыкание линии связи. Такое сравнение может быть выполнено или в аппаратуре, к которой подключено предлагаемое устройство сбора данных, или в самом устройстве, если формирование сигналов управления формирователем напряжения сдвига уровня выполняется в самом устройстве, например, микроконтроллером 23.At the same time, the information about the constant bias value in the input channel does not disappear and corresponds to the bias voltage set by the
Задавая переменное напряжение на выходе формирователя напряжения смещения 12, можно обеспечить проверку исправности аналого-цифрового преобразования по отклику на такие изменения в выходных кодах, формируемых аналого-цифровым преобразователем 20.By setting an alternating voltage at the output of the
Отсутствие разделительного конденсатора, величина которого определяется нижней граничной частотой пропускания устройства, и использование вместо него цифроаналогового преобразователя и дифференциального усилителя позволяет существенно сократить время переходных процессов при переключении каналов, даже если в устройстве используются фильтры нижних частот 21, поскольку в последних время переходного процесса связано с верхней граничной частотой, на пропускание которой рассчитано устройство.The absence of an isolation capacitor, the value of which is determined by the lower boundary frequency of the transmission of the device, and the use of a digital-to-analog converter and a differential amplifier instead of it, can significantly reduce the time of transient processes when switching channels, even if the device uses low-
Расширение функциональных возможностей за счет предлагаемого технического решения состоит в том, что:The expansion of functionality due to the proposed technical solution is that:
- обеспечивается сбор данных о динамической составляющей сигналов, поступающих с датчиков динамических величин (например, датчиков ускорения) в оптимальном измерительном диапазоне, поскольку постоянная составляющая сигнала на входе узла аналого-цифрового преобразования скомпенсирована;- data is collected on the dynamic component of the signals coming from the sensors of dynamic quantities (for example, acceleration sensors) in the optimal measuring range, since the constant component of the signal at the input of the analog-to-digital conversion unit is compensated;
- информация о величине постоянной составляющей может быть восстановленная, поскольку величина компенсирующего напряжения известна;- information on the magnitude of the DC component can be restored, since the magnitude of the compensating voltage is known;
- компенсация величина постоянной составляющей может корректироваться в процессе эксплуатации по сигналам, поступающим на вход формирователя напряжения сдвига уровня;- compensation the value of the constant component can be adjusted during operation by the signals received at the input of the level shifter voltage generator;
- подача сигналов на вход формирователя напряжения сдвига уровня, обеспечивающих изменение его выходного сигнала, обеспечивает контроль работоспособности аналого-цифрового преобразования по отклику в его выходном сигнале;- the supply of signals to the input of the voltage level shifter, providing a change in its output signal, provides control of the operability of the analog-to-digital conversion according to the response in its output signal;
- поскольку в предлагаемом решении исключается использование разделительной емкости, ступенчатое воздействие на датчик динамических величин, например, пьезоакселерометр, приводящее к формированию однократного всплеска сигнала, не порождает за счет наличия разделительной емкости второго всплеска, что проявляется как наличие колебаний с частотой, близкой к нижней граничной частоте пропускания.- since the proposed solution excludes the use of separation capacitance, a stepwise effect on the sensor of dynamic quantities, for example, a piezo accelerometer, which leads to the formation of a single burst of signal, does not generate due to the presence of the separation capacitance of the second burst, which manifests itself as the presence of oscillations with a frequency close to the lower boundary transmission frequency.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008146214/28A RU2401419C2 (en) | 2008-11-25 | 2008-11-25 | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008146214/28A RU2401419C2 (en) | 2008-11-25 | 2008-11-25 | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008146214A RU2008146214A (en) | 2010-05-27 |
| RU2401419C2 true RU2401419C2 (en) | 2010-10-10 |
Family
ID=42680055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008146214/28A RU2401419C2 (en) | 2008-11-25 | 2008-11-25 | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2401419C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621292C1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-06-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Multiplexer of potential sensor signals |
| RU2644620C1 (en) * | 2016-10-12 | 2018-02-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Multichannel device for data collection from accelerometers |
| RU2658570C2 (en) * | 2016-10-12 | 2018-06-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Multichannel device for collecting signals from accelerometers |
| RU2684002C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-04-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр "Завод Балансировочных Машин" | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114414842B (en) * | 2022-01-18 | 2023-07-04 | 厦门乃尔电子有限公司 | Circuit capable of being used for static acceleration measurement and measuring device |
| CN117826691B (en) * | 2024-03-04 | 2024-05-07 | 吉林大学 | IEPE compatible interface data acquisition system |
-
2008
- 2008-11-25 RU RU2008146214/28A patent/RU2401419C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DI-785 & DI-788. USER'S MANUAL. REVISION C. DATAQ INSTRUMENTS. 2008. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621292C1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-06-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Multiplexer of potential sensor signals |
| RU2644620C1 (en) * | 2016-10-12 | 2018-02-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Multichannel device for data collection from accelerometers |
| RU2658570C2 (en) * | 2016-10-12 | 2018-06-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр Завод Балансировочных машин" | Multichannel device for collecting signals from accelerometers |
| RU2684002C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-04-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Технический Центр "Завод Балансировочных Машин" | Multichannel data acquisition device for sensors with a two-wire interface |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008146214A (en) | 2010-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2401419C2 (en) | Multichannel data acquisition device for sensors with two-wire interface (versions) | |
| CN110057477B (en) | Multi-channel alternating/direct current excited signal measuring system for strain type force sensor | |
| US5143452A (en) | System for interfacing a single sensor unit with multiple data processing modules | |
| CN101632222A (en) | A kind of automatic gain control circuit and system thereof and auto gain control method | |
| CN103797451A (en) | Touch sensing method and apparatus | |
| KR20060131579A (en) | Touch sensor and signal generation method thereof | |
| CN101990626A (en) | inertial force sensor | |
| CN102159922B (en) | Electronic device | |
| CN101188058A (en) | Data collection system and method based on multi-digital path and intercrossed calibration | |
| KR101209112B1 (en) | Apparatus for sensing charge of touch panel with removing low frequency noise and offset charge | |
| CN111713020A (en) | Reference noise suppression improvement based on sample and hold circuit | |
| RU2343494C1 (en) | Multichannel resistive sensors resistance - voltage converter | |
| EP3144640B1 (en) | Sensor arrangement and method for operation of a sensor | |
| JP5253110B2 (en) | Measuring equipment | |
| TWI753189B (en) | Method for processing continuous sensor signals and sensor system | |
| RU2400711C1 (en) | Strain-measuring transducer | |
| JP5522168B2 (en) | Electronic component and its failure detection method | |
| US8830108B2 (en) | Circuit arrangement for detecting and digitizing an analog input signal, and field device for process instrumentation | |
| RU2399890C1 (en) | Multichannel device for analysing spatial vector quantities (versions) | |
| US11353506B2 (en) | Safety circuit and method for testing a safety circuit in an automation system | |
| JP2009501323A (en) | Signal transmission apparatus, transmission method and measurement probe for measurement probe | |
| RU2362988C1 (en) | Device to convert capacitive and resistor sensors parametres into frequency signal | |
| RU2658570C2 (en) | Multichannel device for collecting signals from accelerometers | |
| CN114762301B (en) | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program | |
| US10348325B2 (en) | Measuring device and electrical controller |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111126 |