基於can總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡的製作方法

2023-07-29 04:49:41

專利名稱：基於can總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種信號採集卡，尤其涉及一種採用CAN總線的多通道振弦式傳 感器信號採集卡。
技術背景傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學 診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域，由此可見，傳感器技術在發展經濟、推 動社會進步方面的重要作用。現有的傳感器種類繁多，振弦式傳感器以其結構簡單、堅固耐 用、長期穩定性好、精度和解析度高著稱，被廣泛應用於巖土工程、橋梁建築等工程中。該傳 感器輸出為頻率信號，可接長電纜，便於遠距離傳輸，一直受到工程界的注目。但由于振弦 式傳感器自身的特點，使得測量電路較一般傳感器複雜，因此需採用專用儀器對其進行測 量。國外比較有代表性的有美國基康公司生產的振弦傳感器及其振弦式讀數儀，國內 有長沙的金馬科技公司等。但這些公司生產的振弦傳感器測量儀器只能對振弦傳感器進行 測量，在實際工程中當需要多種類型的傳感器對被測對象的多種參量同時測量時，上述儀 器則不能實現
實用新型內容
本實用新型針對現有技術的不足，提供了一種基於CAN總線的多通道振弦式傳感 器信號採集卡。為實現以上目的，本實用新型採用的技術方案是基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，由傳感器激振電路模塊、傳感 器拾振電路模塊、等精度測頻電路模塊、CAN總線通信電路模塊、多通道切換電路模塊、主控 單元組成；傳感器激振電路模塊通過多通道切換電路模塊與振弦式傳感器輸入端相連，傳 感器激振電路模塊產生的振蕩信號激勵振弦式傳感器內部的鋼弦振動，然後輸出信號；傳 感器拾振電路模塊與振弦式傳感器輸出端相連，對振弦式傳感器輸出信號放大、整形後，得 到一標準方波信號；傳感器拾振電路模塊與等精度測頻電路模塊相連，將得到標準方波信 號傳輸給等精度測頻電路模塊進行頻率測量；CAN總線通信電路模塊通過總線收發器在主 控單元與系統主控卡之間收發頻率值；主控單元通過電路分別控制傳感器激振電路模塊、 多通道切換電路模塊、等精度測頻電路模塊和CAN總線通信電路模塊，分別用於對整個採 集卡各部分電路實現控制，具體為調整傳感器激振電路模塊的激振周期T，控制多通道切換 電路模塊對通道的選擇，等精度測頻電路模塊對頻率f的測量以及控制CAN總線通信電路 模塊的工作。所述的傳感器激振電路模塊由300V高壓脈衝形成電路、觸發電路、信號輸入電路 組成。所述的主控單元採用89S52微處理器。[0009]本實用新型與現有技術相比具有以下優點採集卡可分為激振電路、拾振電路、等 精度測頻電路、以及採用基於SJA1000的CAN總線通信電路、多通道切換電路五個模塊，實 現了與主控卡相互通信的智能節點設計，具有所獲信號質量好、測量精度高、測量通道多、 可靠性高等優點；採用振弦式傳感器信號採集卡作為一個嵌入式智能單元，可實現根據不 同應用需要與其他種類的傳感器採集卡自由組合，構成一個靈活的集成數據採集系統硬體
D ο

圖1為本實用新型原理框圖；圖2為本實用新型傳感器激振電路圖；圖3為本實用新型傳感器拾振電路圖；圖4為本實用新型等精度測頻電路圖；圖5為本實用新型CAN總線通信電路圖；圖6為本實用新型多通道切換電路圖；圖7為本實用新型主控單元電路具體實施方式
如圖1所示，基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，由傳感器激振電路 模塊1、傳感器拾振電路模塊2、等精度測頻電路模塊3、CAN總線通信電路模塊4、多通道切 換電路模塊5、主控單元6組成；傳感器激振電路模塊1通過多通道切換電路模塊5與振弦 式傳感器輸入端相連，傳感器激振電路模塊1產生的振蕩信號激勵振弦式傳感器內部的鋼 弦振動，然後輸出信號；傳感器拾振電路模塊2與振弦式傳感器輸出端相連，對振弦式傳感 器輸出信號放大、整形後，得到一標準方波信號，然後傳輸給等精度測頻電路模塊3進行頻 率測量；CAN總線通信電路模塊4通過總線收發器在主控單元6與系統主控卡之間收發頻 率值，該電路模塊的作用是在單片機控制下，將測得的頻率值f發送至CAN總線上，然後主 控卡再通過CAN總線接收頻率值f ；主控單元6通過電路分別控制傳感器激振電路模塊1、 多通道切換電路模塊5、等精度測頻電路模塊3和CAN總線通信電路模塊4，分別用於對整 個採集卡各部分電路實現控制，具體為調整傳感器激振電路模塊1的激振周期T，控制多通 道切換電路模塊5對通道的選擇，等精度測頻電路模塊3對頻率f的測量以及控制CAN總 線通信電路模塊4的工作。如圖2所示，振弦式傳感器與一般傳感器不同，需要先用外部激發信號激勵其內 部的鋼弦振動，然後才能輸出信號。傳感器激振電路模塊1由300V高壓脈衝形成電路、觸 發電路、信號輸入電路組成，高壓脈衝電路由帶施密特觸發器的與非門TOA、TOC、三極體Qp 升壓脈衝變壓器T1、二極體Dp D2等組成。其中振蕩電路產生的振蕩信號經三極體Q1的驅 動後送入脈衝變壓器T1初級，通過變壓器升壓、D5的整流及對C33的充電，在C33兩端形成 300V高壓。在C33兩端形成300V高壓的同時，脈衝變壓器次級也經R6(1、C23> D19對C23充電，在 C23兩端形成左正右負的300V高壓，此時振弦傳感器中無電流。當我們在可控矽S1的控制 極加入觸發信號，使可控矽導通，則C23兩端的電荷經放電迴路迅速洩放，形成放電電流12。
4由於原先C23兩端電壓很高，所以流過振弦傳感器的洩放電流I2也很大，從而在磁芯線圈中 產生很強磁場，將鋼弦吸合，電流消失則鋼弦釋放，於是鋼弦就振動起來。傳感器輸入電路由振弦傳感器C34、R4、D19組成，是一個RLC充放電迴路，作用是形 成鋼弦振動後的正弦波信號。工作原理是由於鋼弦振動後切割磁力線，鋼弦兩端就產生了 感生電動勢，該感生電動勢通過RLC迴路對C34充電。充電結束後，C34又對振弦傳感器放電， 形成自由振蕩，從而產生正弦波信號。因為RLC迴路中有電阻存在，所以該正弦波是一個逐 步衰減的信號，持續時間約2秒左右。如圖3所示，由于振弦式傳感器激振輸出信號幅度太低，其值多在300μ V ImV 之間，易受外界的幹擾，所以採用帶通有源濾波器對信號濾波。根據振弦傳感器信號的頻率 範圍一般為500HkHz 6kHz的特點，我們在設計帶通有源濾波器時，帶通選為0. 4 7kHz 較為合適。另外因為振弦式傳感器激振輸出信號比較微弱，所以採用圖中U8C、U8A 二級運 算放大器對信號放大，然後送入由施密特觸發器U5D組成的整形電路，整形後得到一標準 方波信號，送至等精度測頻電路3進行頻率測量。如圖4所示，Y3為20MHZ有源晶振，作為標準頻率源提供時標脈衝。U3為8位計 數器，在這裡作為分頻器使用，實現對被測信號f。ut的計數分頻。U21為8位計數器，與單片 機內部定時/計數器TO中的TLO、THO共同組成24位計數器，對時標脈衝計數。U17為鎖 存器，實現對計數器U21的數據鎖存，以便作為低8位數據被單片機讀入。單片機對讀入的 24位數據進行運算處理，得到頻率值f。設在一次測量時間中對被測信號的計數值為N1,對標準頻率信號的計數值為N2, 則下式成立 N1Tx = N2Tr所以被測信號頻率fx = N^yN2測量的解析度K =被測頻率fx/ —次測量周期中時標f；個數例如fx = 5KHZ，時標fr = 20MHZ,分頻係數N1 = 16，則測量的解析度K= 麼 -0.1/fe如圖5所示，該智能節點由微處理器89S52、CAN通信控制器SJA1000、高速光電耦 合器6N137、CAN總線收發器82C250等部分組成。高速光電耦合器6附37實現了收發器與 控制器之間的電氣隔離，保護智能節點核心電路安全工作，並實現了總線上各CAN節點間 的電氣隔離。CAN總線收發器82C250作為SJA1000和物理傳輸線路之間的接口，對總線提 供差動發送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。該電路模塊的作用是在單片機控制下，將測得的頻率值f發送至CAN總線上，然後 主控卡再通過CAN總線接收頻率值f。如圖6所示，該模塊由UlO的74LS138解碼器、U20驅動電路及八個繼電器組成， 用於對八路通道的八個不同的振弦式傳感器切換，實現循環激振和巡測。 如圖7所示，主控單元6採用89S52微處理器，用於對整個採集卡各部分電路實現 控制。具體為調整激振電路的激振周期T，控制多通道切換電路對通道的選擇，還有等精度 測頻電路對頻率f的測量以及控制CAN總線通信電路的工作。 本實用新型具有結構合理、功能齊全、穩定性好等優點，可應用於巖土工程、橋梁 建築等工程中，配以無線傳輸功能，還可實現遠程測量和監控，具有極大的推廣價值。
權利要求1.基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，其特徵在於傳感器激振電路模 塊通過多通道切換電路模塊與振弦式傳感器輸入端相連；傳感器拾振電路模塊與振弦式傳 感器輸出端相連；傳感器拾振電路模塊與等精度測頻電路模塊相連；CAN總線通信電路模 塊通過總線收發器在主控單元與系統主控卡之間收發頻率值；主控單元通過電路分別控制 傳感器激振電路模塊、多通道切換電路模塊、等精度測頻電路模塊和CAN總線通信電路模 塊。
2.根據權利要求1所述的基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，其特徵在 於所述的傳感器激振電路模塊由300V高壓脈衝形成電路、觸發電路、信號輸入電路組成。
3.根據權利要求1所述的基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，其特徵在 於所述的主控單元採用89S52微處理器。
專利摘要本實用新型公開了基於CAN總線的多通道振弦式傳感器信號採集卡，傳感器激振電路模塊通過多通道切換電路模塊與振弦式傳感器輸入端相連；傳感器拾振電路模塊與振弦式傳感器輸出端相連；傳感器拾振電路模塊與等精度測頻電路模塊相連；CAN總線通信電路模塊通過總線收發器在主控單元與系統主控卡之間收發頻率值；主控單元通過電路分別控制傳感器激振電路模塊、多通道切換電路模塊、等精度測頻電路模塊和CAN總線通信電路模塊，本實用新型採集卡作為一個嵌入式智能單元，可實現根據不同應用需要與其他種類的傳感器採集卡自由組合，構成一個靈活的集成數據採集系統硬體平臺，可應用於巖土工程、橋梁建築等工程中。
文檔編號H04L12/40GK201787958SQ20102050446
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年8月18日
發明者繆曉中 申請人:無錫職業技術學院