一種電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統的製作方法
2023-10-24 02:14:52 2
專利名稱：一種電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統，尤其涉及一種用於數位訊號向模擬信號轉換的電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統，該電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統可應用於風力發電機組。
背景技術：
(Γ20/Γ20毫安電流環是工業應用中傳送模擬信號的常用方式，和(Tl0V/±10V相比，具有傳輸距離更遠、抗幹擾更好的特點。由於現在工業級儀表多為智能儀表，且均為數位訊號，而將數位訊號轉換為(Γ20/Γ20毫安電流模擬模擬信號通常需要採用數模轉換器DAC、信號調理電路、電壓-電流轉換電路等共同配合作用方可實現信號轉換傳輸；另外，在現實的設計應用中，往往採用將數模轉換器DAC、信號調理電路、電壓-電流轉換電路等集成到一塊PCB板上，且一路數位訊號需要配合在PCB板上設計相應的數模轉換器DACJf 號調理電路、電壓-電流轉換電路等電路，如存在多路數位訊號的情況下，就需要要在PCB板上設計多個相應的數模轉換器DAC、信號調理電路、電壓-電流轉換電路等電路才能完成多路信號的轉換；同時，工業級儀表因有耐壓要求，電路設計時需要將數位訊號與外部信號隔離電路相隔離，隔離電路加入將進一步加大PCB面積，對於不同用途、不同外形的設備，整個電路的布局、布線均會受板型限制而有所改變，從而產生不同的耐壓強度、精度誤差、電磁幹擾。
實用新型內容本實用新型的目的是針對上述背景技術存在的缺陷，提供一種用於可將數位訊號轉換成對應的0-20毫安或者4-20毫安的電流模擬信號的電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統。為實現上述目的，本實用新型之一的電流環隔離變送集成模塊外部連接有一數字電源、一模擬電源、一微處理器單元MCU及外部PCB電路，該電流環隔離變送集成模塊用於將二路數位訊號轉換後輸出0-20毫安及4-20毫安的電流模擬信號，其包括一數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器、一數字電源接口、一模擬電源接口、兩電流環輸出接口及一 SPI總線接口 ；所述數字隔離器用於將數模轉換器DAC、雙路信號調理電路、雙路電壓-電流轉換電路與微處理器單元MCU隔離開來；所述數模轉換器DAC用於將經過數字隔離器隔離後的電壓數位訊號轉換為相應的電壓模擬信號並發送給雙路信號調理電路；所述雙路信號調理電路用於對經數模轉換器DAC轉換後的雙路電壓模擬信號進行放大，並將對應輸出的電壓模擬信號傳送給雙路電壓-電流轉換電路；所述雙路電壓-電流轉換電路用於將雙路信號調理電路送入的電壓模擬信號轉換為電流模擬信號；所述數字電源接口用於外接數字電源以實現對數字隔離器進行電能的供給；所述模擬電源接口用於外接模擬電源以實現對數模轉換器DAC、雙路信號調理電路及雙路電壓-電流轉化器進行電能的供給；所述電流環輸出接口用於輸出經過雙路電壓-電流轉換電路轉換後的0-20毫安或者4-20毫安電流模擬信號。本實用新型之二基於電流環隔離變送集成模塊的多路電流變送系統，該多路電流變送系統用於將多路數位訊號轉換為相應的0-20毫安或4-20毫安的電流模擬信號並輸出，其包括若干個電流環隔離變送集成模塊、一數字電源、一模擬電源、一微處理器單元MCU、一外部PCB電路及一 SPI總線；所述微處理器單元MCU進一步包括一 SPI總線接口、若干片選IO 口及內置解碼晶片；所述微處理器單元MCU的SPI總線接口外接所述SPI總線，所述若干電流環隔離變送集成模塊通過所述SPI總線接口以並聯方式掛接在SPI總線，所述微處理器單元MCU的片選IO 口與所述各電流環隔離變送集成模塊的CS片選口通過走線實現相互連接；(一)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊為一個或者二個時，所 述微處理器單元MCU可直接通過片選IO 口作為片選來激活選定的電流環隔離變送集成模塊；同時，所述微處理器單元MCU通過SPI總線向選定的電流環隔離變送集成模塊發送數位訊號數據，送入到選定的電流環隔離變送集成模塊的數位訊號經過轉換後以電流模擬信號的形式輸出；(二)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊多於兩個時，需要微處理器單元MCU額外掛接外置解碼晶片，微處理器單元MCU同時利用微處理器單元MCU的內置解碼晶片和外置的解碼晶片來產生2N個片選信號用以選擇並控制相應的2N個電流環隔離變送集成模塊的數位訊號向相應的0-20毫安或4-20毫安的電流模擬信號轉換輸出。綜上所述，本實用新型之一的電流環隔離變送集成模塊的數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器元器件因被封裝到微型封裝模塊後，故可使本實用新型電流環隔離變送集成模塊的電路耐壓強度，精度誤差、抗電磁幹擾水平也同時確定，從而可有效避免因整個電路布局與布線對電流環隔離變送集成模塊的影響，且可有效地節約PCB的面積和設計研發時的設計難度。本實用新型之二的多路電流變送系統可利用較少的微處理器單元MCU而實現擴展多路隔離的0-20毫安及4-20毫安的電流模擬信號。
圖I為本實用新型電流環隔離變送集成模塊的示意圖。圖2為多路電流變送系統的不意圖。
具體實施方式
為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特徵、所達成目的及效果，以下茲例舉實施例並配合附圖詳予說明。 請參閱圖I及圖2，本實用新型一種電流環隔離變送集成模塊100外部連接有一數字電源200、一模擬電源300、一微處理器單元MCU400及外部PCB電路500。所述微處理器單元MCU400進一步包括一 SPI總線接口及一片選IO 口。所述微處理器單元MCU400通過一 SPI總線700與本實用新型電流環隔離變送集成模塊100實現連接。請續參閱圖I及圖2，本實用新型一種電流環隔離變送集成模塊100包括一數模轉換器DAC1、一雙路信號調理電路2、一雙路電壓-電流轉換電路3、一數字隔離器4、一數字電源接口 5、一模擬電源接口 6、兩電流環輸出接口 7及一 SPI總線接口 8。[0014]所述SPI總線接口 8進一步包括一 CS片選口(chip select)(圖中未標示)。本實用新型一種電流環隔離變送集成模塊100可用於將二路數位訊號轉換後對應輸出兩路0-20暈安或者兩路4-20暈安的電流模擬信號。本實用新型電流環隔離變送集成模塊100中，數模轉換器DACl用於將經過數字隔離器4隔離後的數位訊號轉換為相應的電壓模擬信號並發送給雙路信號調理電路2。本實用新型電流環隔離變送集成模塊100的數字隔離器4用於將數模轉換器DAC1、雙路信號調理電路2、雙路電壓-電流轉換電路3與微處理器單元MCU400相隔離，使數模轉換器DAC1、雙路信號調理電路2、雙路電壓-電流轉換電路3與微處理器單元MCU400有信號通路而沒有電氣連接。具體的，所述數字隔離器4中具有電氣隔離屏障(圖中未標示)，該電氣隔離屏障能將使用模擬電源200的數模轉換器DAC1、雙路信號調理電路2、雙路電壓-電流轉換電路3與使用數字電源300的微處理器單元MCU400隔離開，使數模轉換器 DAC1、雙路信號調理電路2、雙路電壓-電流轉換電路3與微處理器單元MCU400之間保持信號通路，卻沒有電氣連接。具體實施例中，所述電氣隔離屏障的耐壓程度為2500V。在優選實施例中，本實用新型電流環隔離變送集成模塊100所使用的數模轉換器DACl為一 12位雙通道的數模轉換器DAC。所述雙路信號調理電路2用於對經數模轉換器DACl轉換後的雙路電壓模擬信號進行放大，提高帶載能力，並將對應輸出的電壓模擬信號傳送給雙路電壓-電流轉換電路3。所述雙路電壓-電流轉換電路3用於將雙路信號調理電路2送入的雙路電壓模擬信號轉換為雙路電流模擬信號，所述電流模擬信號共有兩路。所述雙路電壓-電流轉換電路3為電流串聯負反饋電路。所述數字電源接口 5用於外接數字電源200以實現對數字隔離器4進行電能的供給。具體地，所述數字電源200通過數字電源接口 5向數字隔離器供應3V至5V的直流電。所述模擬電源接口 6用於外接模擬電源300以實現對數模轉換器DAC1、雙路信號調理電路2及雙路電壓-電流轉換器3進行電能的供給。具體地，模擬電源300通過模擬電源接口 6向數模轉換器DAC1、雙路信號調理電路2及雙路電壓-電流轉化器3供應24V的直流電。所述電流環輸出接口 7用於輸出經過雙路電壓-電流轉換電路3轉換後的電流模擬信號。一電流環輸出接口分別輸出兩路電流模擬信號中的其中一路。本實用新型一種電流環隔離變送集成模塊100的工作原理如下所述電流環隔離變送集成模塊100的SPI總線接口 8所包含的CS片選口在被所述微處理器單元400選定使用時被拉到低電平時，將需要轉換的2組12位數據從高字節到低字節的順序依次從SPI總線接口 8寫入電流環隔離變送集成模塊100，所述2組12位數據通過數字隔離器4後進入數模轉換器DACl，數模轉換器DACl將2組12位碼字範圍為(Γ4000的數據線性轉換為O. 00(T4. 000V的雙路電壓模擬信號(碼字範圍為4001 4095的數據不允許被使用)，由於數模轉換器DACl的輸出阻抗較高，不足以驅動雙路電壓-電流轉換電路3，故需要加入雙路信號調理電路2，用於對經數模轉換器DACl轉換後的雙路電壓模擬信號進行放大，提高帶載能力，而後將對應輸出的電壓模擬信號傳送給雙路電壓-電流轉換電路3，雙路電壓-電流轉換電路3為電流串聯負反饋電路，所述電流串聯負反饋電路的互導增益設定為5mS，以實現將O. 00(T4. OOOV的電壓模擬信號轉換為O. 00^20. OOmA或者4. 00^20. OOmA電流模擬信號。本實用新型一種電流環隔離變送集成模塊100將數模轉換器DAC1、一雙路信號調理電路2、一雙路電壓-電流轉換電路3、一數字隔離器4集成到一呈塊體狀的微型封裝模塊中，且以SIP引腳來替換所述數字電源接口 5、模擬電源接口 6、兩電流環輸出接口 7及SPI總線接口 8方式實現與外部PCB電路500的電性連接。具體實施例中，本實用新型電流環隔離變送集成模塊100採用SIP-Il單列直插式引腳。具體實施例中，本實用新型電流環隔離變送集成模塊100的數模轉換器DAC1、一雙路信號調理電路2、一雙路電壓-電流轉換電路3、一數字隔離器4元器件一旦封裝到微型封裝模塊中後，則本實用新型電流環隔離變送集成模塊100的電路耐壓強度，精度誤差、抗電磁幹擾水平也同時確定，從而可有效避免因整個電路布局與布線對電流環隔離變送集成模塊100的影響。請參閱圖2，一種應用電流環隔離變送集成模塊100的多路電流變送系統600包 括若干個電流環隔離變送集成模塊100、一數字電源200、一模擬電源300、一微處理器單兀MCU400、一外部PCB電路500及一 SPI總線700。本實用新型多路電流變送系統600用於將多路數位訊號轉換為相應的0-20毫安或者4-20毫安的模擬電流信號並輸出。所述微處理器單元MCU400進一步包括一 SPI總線接口 401及一若干片選IO 口402及內置解碼晶片403。所述數字電源200、模擬電源300用於向所述電流環隔離變送集成模塊100供應電倉泛。所述微處理器單元MCU400的SPI總線接口 401外接一 SPI總線700，所述若干電流環隔離變送集成模塊100通過所述SPI總線接口 7以並聯方式掛接在SPI總線700，所述微處理器單元MCU400的片選IO 口 402與所述各電流環隔離變送集成模塊100的CS片選口(chip select)通過走線實現相互連接。當多路電流變送系統600掛接的電流環隔離變送集成模塊100多於兩個時，需要微處理器單元MCU400額外掛接外置解碼晶片(圖中未示)。本實用新型多路電流變送系統600的工作原理如下(一)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊100為一個或者二個時，所述微處理器單元MCU400可直接通過片選IO 口作為片選來激活選定的電流環隔離變送集成模塊100 ;同時，所述微處理器單元MCU400通過SPI總線700向選定的電流環隔離變送集成模塊100發送數位訊號數據，送入到選定的電流環隔離變送集成模塊100的數位訊號經過轉換後以電流模擬信號的形式輸出。(二)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊100多於兩個時，即所述微處理器單元MCU400的片選IO 口數量無法滿足激活超過兩個的電流環隔離變送集成模塊100，此時，可利用微處理器單元MCU400內的內置解碼晶片和外接的外置解碼晶片(圖中未示)來產生2N個片選信號用以選擇並控制相應的2N個電流環隔離變送集成模塊100的數位訊號向模擬信號轉換輸出。綜上所述，本實用新型之一的電流環隔離變送集成模塊100的數模轉換器DAC1、一雙路信號調理電路2、一雙路電壓-電流轉換電路3、一數字隔離器4元器件因採用單一的模塊設計且被封裝到微型封裝模塊後，故可使本實用新型電流環隔離變送集成模塊100的電路耐壓強度，精度誤差、抗電磁幹擾水平也同時確定，從而可有效避免因整個電路布局與布線對電流環隔離變送集成模塊100的影響，且可有效地節約PCB的面積和設計研發時的設計難度。本實用新型之二的多路電流變送系統600可利用較少的微處理器單元MCU400而實現擴展多路隔離的0-20毫安或者4-20毫安的電流模擬信號。以上所述的技術方案僅為本實用新型電流環隔離變送集成模塊100的較佳實施 例，任何在本實用新型電流環隔離變送集成模塊100基礎上所作的等效變換或替換都包含在本專利的權利要求的範圍之內。
權利要求1.一種電流環隔離變送集成模塊，外部連接有一數字電源、一模擬電源、一微處理器單元MCU及外部PCB電路，該電流環隔離變送集成模塊用於將二路數位訊號轉換後輸出0-20毫安或4-20毫安的電流模擬信號，其包括 一數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器、一數字電源接口、一模擬電源接口、兩電流環輸出接口及一 SPI總線接口 ； 所述數字隔離器用於將數模轉換器DAC、雙路信號調理電路、雙路電壓-電流轉換電路與微處理器單元MCU隔離開來； 所述數模轉換器DAC用於將經過數字隔離器隔離後的電壓數位訊號轉換為相應的電壓模擬信號並發送給雙路信號調理電路； 所述雙路信號調理電路用於對經數模轉換器DAC轉換後的雙路電壓模擬信號進行放大，並將對應輸出的電壓模擬信號傳送給雙路電壓_電流轉換電路； 所述雙路電壓-電流轉換電路用於將雙路信號調理電路送入的電壓模擬信號轉換為電流模擬信號； 所述數字電源接口用於外接數字電源以實現對數字隔離器進行電能的供給； 所述模擬電源接口用於外接模擬電源以實現對數模轉換器DAC、雙路信號調理電路及雙路電壓-電流轉化器進行電能的供給； 所述電流環輸出接口用於輸出經過雙路電壓-電流轉換電路轉換後的0-20毫安或者4-20毫安電流模擬信號。
2.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於數模轉換器DAC為一 12位雙通道的數模轉換器DAC。
3.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於所述電流環隔離變送集成模塊的SPI總線接口進一步包括一 CS片選口。
4.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於模擬電源通過模擬電源接口向數模轉換器DAC、雙路信號調理電路及雙路電壓-電流轉換器供應24V的直流電。
5.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於所述數字電源通過數字電源接口向數字隔離器供應3V至5V的直流電。
6.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於所述數字隔離器中存在電氣隔離屏障，該電氣隔離屏障用於將使用模擬電源的數模轉換器DAC、雙路信號調理電路、雙路電壓-電流轉換電路與使用數字電源的微處理器單元MCU隔離開。
7.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於所述雙路電壓-電流轉換電路為電流串聯負反饋電路，該電流串聯負反饋電路的互導增益設定為5mS。
8.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器集成到一呈塊體狀的微型封裝模塊中，且以SIP引腳的方式來替換所述數字電源接口、模擬電源接口、兩電流環輸出接口及SPI總線接口來實現與外部PCB電路的電性連接。
9.根據權利要求I所述的電流環隔離變送集成模塊，其特徵在於所述電流環隔離變送集成模塊的SIP引腳採用SIP-Il單列直插式引腳。
10.一種應用權利要求I中所述電流環隔離變送集成模塊的多路電流變送系統，該多路電流變送系統用於將多路數位訊號轉換為相應的0-20毫安或4-20毫安的電流模擬信號並輸出，其包括若干個電流環隔離變送集成模塊、一數字電源、一模擬電源、一微處理器單元MCU、一外部PCB電路及一 SPI總線； 所述微處理器單元MCU進一步包括一 SPI總線接口、若干片選IO 口及內置解碼晶片；所述微處理器單元MCU的SPI總線接口外接所述SPI總線，所述若干電流環隔離變送集成模塊通過所述SPI總線接口以並聯方式掛接在SPI總線，所述微處理器單元MCU的片選IO口與所述各電流環隔離變送集成模塊的CS片選口通過走線實現相互連接； (一)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊為一個或者二個時，所述微處理器單元MCU可直接通過片選IO 口作為片選來激活選定的電流環隔離變送集成模塊；同時，所述微處理器單元MCU通過SPI總線向選定的電流環隔離變送集成模塊發送數位訊號數據，送入到選定的電流環隔離變送集成模塊的數位訊號經過轉換後以電流模擬信號的形式輸出； (二)當SPI總線上掛接的電流環隔離變送集成模塊多於兩個時，需要微處理器單元MCU額外掛接外置解碼晶片，微處理器單元MCU同時利用微處理器單元MCU的內置解碼晶片和 外置的解碼晶片來產生2N個片選信號用以選擇並控制相應的2N個電流環隔離變送集成模塊的數位訊號向相應的0-20毫安或4-20毫安的電流模擬信號轉換輸出。
專利摘要本實用新型之一公開了一種電流環隔離變送集成模塊及其多路電流變送系統，外部連接有一數字電源、一模擬電源、一微處理器單元MCU及外部PCB電路，該電流環隔離變送集成模塊用於將二路數位訊號轉換後輸出0-20毫安及4-20毫安的電流模擬信號，其包括一數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器、一數字電源接口、一模擬電源接口、兩電流環輸出接口及一SPI總線接口。本實用新型之電流環隔離變送集成模塊的數模轉換器DAC、一雙路信號調理電路、一雙路電壓-電流轉換電路、一數字隔離器元器件因被封裝到微型封裝模塊，從而可有效避免因整個電路布局與布線對電流環隔離變送集成模塊的影響，且可有效地節約PCB的面積。
文檔編號G01R15/14GK202676779SQ201220163828
公開日2013年1月16日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者李泳林 申請人:成都阜特科技股份有限公司