一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是一种用户能够通过计算机软件进行功能配置的数据采集传输装置。
本发明涉及数据采集技术领域，尤其是一种具有将多通道的模拟信号转变成数字信号并打包发送的数据采集传输装置。
背景技术
在数据采集和自动化控制领域中，会使用到各种模拟量传感器，在进行系统设计时，要求就近对传感器数据采集，然后将采集数据统一打包发送出去；但由于不同的模拟量传感器有不同信号输入方式，通道采集次数可能不同，每个通道数据上下限不同；而且在数据传输时，会涉及到传输数据格式要求不同，发送的波特率和间隔时间，数据传输方式不同；要求一种数据采集装置能够通过软件配置，适应不同输入传感器信号接口要求，发送间隔时间可以改变，波特率可以改变，数据格式可以改动，每个通道数据上下限可以调整，可以选择不同的传输方式进行数据传输，能够满足不同应用场景的需要，极大降低系统设计的硬件成本和时间成本。而现有的数据采集装置，不具备上述功能，输入通道为固定的方式，可拓展性差，数据格式不可更改，数据传输方式单一，线性度和精度低，在实际使用中，大大增加的系统的成本和复杂度，具有功能单一、成本高、开发周期长等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法，支持0-20mA、4-20mA、0-5V、0-10V模拟量信号输入，能够通过串口调试助手或上位机软件，对ASCII/HEX数据格式选择、通道上下限调整、通道数据采集次数设置、发送时间间隔设置、波特率可设置、传输方式选择，具有线性度高、精度高、可拓展、成本低、集成度高、易于操作等优点。
为解决上述问题，提供一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法，包括用户输入传感器、计算机客户端软件、数据采集单元，所述数据采集单元包括电平转换电路、电源电路、通讯模块、LED指示灯电路、存储单元、嵌入式软件、无线模块、单片机；具有配置模式和工作模式，当在配置模式时，可以通过计算机客户端软件进行用户参数配置，单片机接收到用户配置数据，经过数据校验后存储在存储单元中；当在工作模式时，在程序初始化阶段读取存储单元中用户参数配置，选择0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V模拟量信号输入，选择ASCII/HEX数据格式、不同通道上下限设置、不同通道数据采集次数设置,选择RS232/RS485/WireLess数据传输方式,选择MODBUS协议或出厂默认协议、数据格式设置、发送时间间隔设置、波特率设置，然后按照用户参数设置运行程序，进行数据采集和数据传输，从而实现设计的功能；具有线性度好、精度高、可拓展、成本低、集成度高、配置方便优点，能够满足数据采集技术领域产品性能要求。
本发明用户输入传感器为用户根据实际需要选择的传感器，其输出信号为0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V模拟量信号,输入信号的选择可以通过计算机客户端软件进行配置。
本发明能够选择MODBUS协议或标准协议，支持数据格式设置，支持发送时间间隔设置，支持波特率设置，能够选择RS232、RS485、WireLess数据传输方式，实现上述之功能可以通过计算机客户端软件进行配置。
优选的，提供一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法，包括用户输入传感器、计算机客户端软件、数据采集单元组成，所述数据采集单元包括电平转换电路、电源电路、通讯模块、LED指示灯电路、存储单元、嵌入式软件、无线模块、单片机；具有工作和配置两种模式，初始上电后默认为工作模式，通过计算机客户端软件发送配置命令，进入用户参数配置模式。
优选的，所述用户输入传感器为用户自选之传感器，其信号输出为0-20mA、4-20mA、0-5V、0-10V四种之一；所述电平转换电路，包括8个通道电平转换电路组成，每个通道输入信号切换是通过继电器实现。
优选的，所述电源电路，采用9-35V直流供电，具有防过流、放过压和防反接保护，使用两级线性降压提供+12V和+5V电源，+5V电源一路经过线性稳压器提供+3.3V电源，另一路经过精密稳压电路提供ADC采样基准电源。
优选的，所述存储单元，采用非易失性存储器，使用IIC接口与单片机连接，用于存储用户设置参数。
优选的，所述单片机，是一款内置有ADC转换器、支持外部基准电压、具有多路个IIC接口、多个IO接口、两个以上UART接口的工业级单片机。
优选的，所述通讯模块，用于传输采集数据，由RS232通讯模块和RS485通讯模块组成，他们使用同一个UART，共用TXD信号引脚，单片机控制模拟选择器选通RXD信号到对应工作模块；所述无线模块，用于传输采集数据，使用+3.3V供电，使用一个UART接口与单片机进行通讯。
优选的，所述LED指示灯电路，包括通道信号输入指示灯、通讯指示灯、工作状态指示灯、电源指示灯；其中通道信号输入指示灯包括输入信号为电流的8个指示灯、输入信号为电压的8个指示灯。
优选的，所述计算机客户端软件，是安装在本地电脑上的企业自研的计算机应用软件，通过RS232/RS485与单片机进行通讯，用于通道参数配置、传输方式设置、配置设备ID、实时数据监控；所述嵌入式软件，是由企业设计并编译后，下载在单片机中的软件，用于控制数据采集传输装置的运行。
本发明的有益效果为：提供一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法，包括用户输入传感器、计算机客户端软件、数据采集单元组成，所述数据采集单元包括电平转换电路、电源电路、通讯模块、LED指示灯电路、存储单元、嵌入式软件、无线模块、单片机；可以通过软件进行用户参数配置，实现0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V模拟量信号输入的选择，选择RS232/RS485/WireLess数据传输方式，选择MODBUS协议或标准协议，数据格式设置，发送时间间隔设置，选择ASCII/HEX数据格式，设备ID设置，信号输入通道总数设置，不同通道上下限设置，不同通道数据采集次数设置，波特率设置；具有线性度好、精度高、可拓展、成本低、集成度高、配置方便优点，能够满足数据采集技术领域产品性能要求，作为系统集成中的关键部件，大大缩短了开发时间和成本，能够带来更多的经济效益。
附图说明
图1是本发明装置的摘要附图。
图2是本发明装置的实施例1的整机原理框图。
图3是本发明装置的实施例1的嵌入式软件工作流程图。
图4是本发明装置的实施例1的嵌入式软件中采样通道数据工作流程图。
图5是本发明装置的实施例1的电源电路原理图。
图6是本发明装置的实施例1的接口电路和通道一电平转换电路原理图。
图7是本发明装置的实施例1的 LED指示灯电路原理图。
图8是本发明装置的实施例1的用户参数配置图。
图9是本发明装置的实施例1的单片机和外围电路原理图。
图10是本发明装置的实施例1的通讯模块电路原理图。
图11是本发明装置的实施例1的计算机客户端软件工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，提供一种支持用户配置的多路数据采集传输装置及实现方法，包括用户输入传感器、计算机客户端软件、数据采集单元组成，所述数据采集单元包括电平转换电路、电源电路、通讯模块、LED指示灯电路、存储单元、嵌入式软件、无线模块、单片机；所述电源电路采用24V直流供电，经过降压电路产生+5V电源和VCC电源，+5V电源经过基准稳压电路产生Vref电源；用户输入传感器信号经过电平转换电路后，送至单片机AD输入引脚，单片机内部的AD转换器进行模数转换；通讯模块包括RS232和RS485电路，通过UART与单片机进行连接，用于数据传输；无线模块通过另一个UART和单片机连接，用于数据传输，可以根据用户配置参数选择是否使能；存储单元通过IIC接口与单片机进行连接，用于用户设置参数存储；单片机通过IO口控制LED指示灯电路，实现状态指示。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，应当理解，下面所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明装置的实施例1的整机原理框图，有8路用户输入传感器信号及对应8路电平转换电路、单片机、通讯模块、LED指示灯电路、嵌入式软件、存储单元、无线模块、电源电路、计算机客户端软件构成，电源电路采用24V输入，经过线性降压电路产生+5V和+3.3V，+5V经过基准电压电路产生+2.5V的基准电压，存储单元选用FM24CL64B-GTR芯片，这是一颗容量为64Kbit的铁电存储器,通过IIC接口与单片机连接，无线模块通过UART与单片机相连，LED指示灯电路通过IO口与单片机相连，通讯模块包括RS232通讯模块和RS485通讯模块，使用UART与单片机相连，通过单片机的IO口控制选择器进行切换，计算机客户端软件通过RS232/RS485接口与通讯模块连接。
如图3所示，本发明装置的实施例1的嵌入式软件工作流程图，开始运行后默认处于工作模式，读取FRAM存储器中数据并将数据放置于单片机内存中，判读数据是否有效，若无效采用默认的参数配置，直接跳到采集通道数据步骤；若为有效数据，依次按照流程图进行工作；当发送时间到时，按照要求对数据进行整理后打包发送；判读是否接收到配置请求，如果接收到进入用户参数配置步骤，执行用户参数配置程序，直至收到配置结束命令，否则继续执行采集通道数据步骤。
如图4所示，本发明装置的实施例1的嵌入式软件采样通道数据工作流程图，开始之后首先读取单片机内存中配置数据，采集次数为Count[i]，对通道缓冲数据TData[i]清零，当前通道采样次数Len清零等操作；然后按照流程图运行步骤，按照通道采样次数，依次对通道进行采样。
如图5所示，本发明装置的实施例1的电源电路原理图，连接端子J2的1、2脚，分别连接24V输入的负极（GND）和正极（+24VIN），自恢复保险丝F1和稳压二极管D37构成过压和过流保护电路，二极管D2构成输入防反接电路；+24V经过二极管D2，电容C3、C4滤波，至线性稳压器U2的1脚，U2的2脚接GND，U2的3脚输出+12V电压，经过电容C1、C12滤波后，至线性稳压器U3的1脚，U3的2脚接GND，U3的3脚输出+5V电压，C2、C17为+5V滤波电容；+5V经过电容C22滤波后，至线性稳压器U11的3脚，U11的1脚接地，U11的2、4脚输出+3.3VCC，C23、C28、C30为+3.3VCC滤波电容，+3.3VCC经过电阻R47产生+3.3V，提供给单片机和其他模块工作电源；+5V经过电阻R27、电容C18至精密稳压芯片U4（TL431BI）的1脚，U4的1脚经电阻R26至U4的8脚，GND经过电阻R39产生GND2,至U4的2、3、6、7脚，如此产生基准电压+2.5Vref。
如图6所示，本发明装置的实施例1的接口电路和通道一电平转换电路原理图，
电流/电压输入信号I1+～I8+经过端子J1的2、3、4、5、8、9、10、11脚，分别接到电阻R8、R7、R6、R5、R4、R3、R2、R1，得到信号AIN1+～AIN8+；AIN1+经过电阻R12和R14分别连接继电器K1的1NC和1NO脚，K1的1COM与2COM相连产生信号1IN+，2NC和2NO分别连接电阻R20、R19，R20、R19另一端接GND，K1的A1脚接二极管D7的阳极和三极管Q1的3脚，K1的 A2脚接二极管D7的阴极和+12V，来自单片机的信号CTRL_CH1经过电阻R17接三极管Q1的1脚，Q1的2脚接地，当CTRL_CH1为高电平时，继电器K1吸合，为电流输入信号，当CTRL_CH1为低电平时，继电器K1断开，为电压输入信号；1IN+信号经过电阻R38和电容C5，产生信号1N1送至单片机的ADC引脚；其他七路信号电平转换和通道一电平转换工作原理类似，在此不再做赘述。
如图7所示，本发明装置的实施例1的 LED指示灯电路原理图，包括8只输入电压信号（0-5V/0-10V）指示灯、8只输入电流信号（0-20mA/4-20mA）指示灯、一个通讯指示灯、一个双色工作状态指示灯和一个电源指示灯，输入电流指示灯D9、D17、D20、D23、D16、D18、D21、D24的阳极分别经过排阻R54、R55接+3.3V，阴极分别连接来自单片机的ILED1～8信号；输入电压指示灯D25、D27、D31、D33、D26、D28、D32、D34的阳极分别经过排阻R66、R67接+3.3V，阴极分别连接来自单片机ULED1～8信号；+3.3V经过电阻R9到电源指示灯D1的阳极，D1的阴极连GND；+3.3V到通讯指示灯D4的阳极，D4的阴极经过电阻R6连接单片机的COMM_LED信号；+3.3V连接双色工作状态指示灯D6的公共阳极，D6的两个阴极分别经过电阻R23、R24连接单片机的ST_LED1、ST_LED2信号。
如图8所示，本发明装置的实施例1的用户参数配置图，对通讯协议、数据格式、通讯接口、通道采样次数、发送时间间隔、波特率、无线模块使能与否、通道参数设置进行了定义。
如图9所示，是本发明装置的实施例1的单片机和外围电路原理图，单片机U5选用ATMEGA64,具有4K的SRAM，64K 字节的系统内可编程Flash，8路10位的ADC，两路UART和一路IIC接口；晶振Y1、电容C20、C21接U5的23、24引脚，给单片机产生时钟信号；+3.3V、电阻R46、二极管D15和电容C25，产生信号，接U5的20脚，供单片机复位使用；+3.3V经过去耦电容C10、C26给单片机供电，+3.3V、电容C11、C16、电感L1产生AVCC电压，连接U5的64脚；+2.5Vref和GND2经过C24滤波后，连接U5的62、63脚，提供ADC采样基准电压；U5的61、60、59、58、57、56、55、54脚是单片机ADC输入引脚，分别连接IN1～8信号；U5的35、36、37、38、39、40、41、42脚是输入通道电平转换控制引脚，产生CTRL_CH1～8信号；U5的51、50、49、48、47、46、45、44脚是电流信号指示灯控制引脚，产生ILED1～8信号；U5的43、34、4、5、6、7、8、9脚是电压信号指示灯控制引脚，产生ULED1～8信号；U5的19、18脚是工作状态指示灯控制引脚，产生ST_LED1和ST_LED2信号；U5的33脚是通讯状态指示灯控制引脚，产生COMM_LED信号；U5的2、3脚,产生WIRE_RXD0、WIRE_TXD0信号连接无线模块；U5的27、28、30脚，产生COM_RXD、COM_TXD、信号，连接通讯模块；U5的25、26脚，产生IIC1_SCL、IIC1_SDA信号，连接铁电存储器U13的7、6脚；U5的17脚，产生PB7_SECL信号，用于作为U12（SGM3157）的控制信号，选通RS232/RS485工作。
如图10所示，是本发明装置的实施例1的通讯模块电路原理图，U1为MAX3232芯片，U42为MAX3485芯片，U1的10脚和U42的4脚共用COM_TXD信号，U12为模拟选择开关，来自单片机的COM_RXD信号至U12的4脚，来自单片机的PB7_SECL信号接U12的6脚，当PB7_SECL信号为高电平时，COM_RXD信号接到COM_RXD2信号,RS232通讯模块工作，当PB7_SECL信号为低电平时，COM_RXD信号接到COM_RXD1信号,RS485通讯模块工作；J3为RS232接口端子，瞬态抑制器（SMBJ12CA）D3、D5和电阻R10、R11构成RS232接口保护电路；J4为RS485接口端子，瞬态抑制器（SMBJ6.8CA）D10、D11、D12、D14和电阻R41、R44、R45、空气放电管D13构成RS485接口保护电路。
如图11所示，是本发明装置的实施例1的计算机客户端软件工作流程图，首先读取数据采集单元的设备ID，其次读取数据采集单元的配置参数，再次读取数据采集单元的采集数据，然后修改配置参数，若选择发送配置参数时，则将修改的配置参数发送给数据采集单元，发送完成后返回读取设备ID的步骤；当选择不发送配置参数时，返回读取采集数据步骤。
