微功耗多功能集成数据采集单元制造技术

本发明专利技术公开一种高集成度、方便更换维修安装、高防护等级的微功耗多功能集成数据采集单元，它包括微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、RS485信号扩展模块微功耗数据采集器通过IDC灰排线和IDC插座将模拟信号扩展模块与RS485信号扩展模块级联，并通过10W/18V太阳能电池板对锂电池进行充电；微功耗数据采集器通过信号开关对4～20mA信号调理模块和±10V电压信号调理模块的切换，实现一个通道能够测量多种物理量的功能；RS485防护电路接口通过RS485信号共模滤波器与微功耗数据采集器的非隔离RS485对内接口进行通信；微控制器通过全隔离RS485对外接口与DTU数传模块与云服务器进行通信。

【技术实现步骤摘要】
微功耗多功能集成数据采集单元
本专利技术涉及土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业，尤其涉及一种微功耗多功能集成数据采集单元。
技术介绍
近一两年以来，特长、大型桥梁除了需要进行部署健康监测系统外，目前很多城市和省道中小型桥梁健康监测需求也增多起来，一方面，中小型桥梁属于易忽视桥梁，甚至养护盲区桥梁。另一方面，中小型桥梁，数量众多，分布分散，很难承担起来完整监测系统造价，那么这种情况下，中小桥梁的针对性解决方案，或者说功能模块化的解决方案，可能是目前的一个比较符合实际情况的解决方案。而现有的中小桥梁解决方案主要存在以下问题：1、采集设备功能单一，外形尺寸大，供电外置分散，如果要装配采集箱，由于需要组合导致防护箱体积大，箱体内部布置难以规范标准统一，产品生产必须每次根据项目不同临时装配采集防护箱，供货效率低，质量难以把控。2、集成传输采用集中模式，施工布线距离过大，在一些稍长的桥梁上施工过于繁琐，效率不高，集中模式还可能因DTU或者供电问题导致整体系统失效。3、数据采集模块更换测试困难；主要体现在产品后期维护的过程中，当需要更换采集模块时，拆卸与安装十分困难，给现场技术人员带来了极大的困难。同时在现场测试以及传感器接线都非常不便，现场测试必须携带电脑或让远端网络在线人员协助查看数据，增加了不必要的步骤。4、数据采集模块集成度不高，体积庞大，功能单一；当前数据采集箱内模块布局不是很合理，浪费了一些不必要的空间导致采集箱体积庞大，且功能单一。5、数据采集仪发生问题后基本上是需更换整台采集设备，也没有现场维修测试的便利性条件；现场设备维护当需要更换采集设备时，是整台设备更换，更换后设备存储、设备信息都要重新刷新，增加了系统维护成本。6、数据采集箱内走线布置不规范，调试困难；走线混乱，容易导致线缆接错也给接线人员带来一定的困扰。7、数据采集箱生产组装过程繁琐；采集箱生产流程较复杂，消耗了不必要的人力物力，重复性测试工作较多。8、数据采集箱防水、防尘、防潮、防雷击效果差。9、无故障自诊断，不便于技术人员排查问题。当前产品测试和问题判断完全依靠测试人员主动排查，对测试人员要求太高，人机交互性也高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种高集成度、方便更换维修安装、高防护等级的微功耗多功能集成数据采集单元。为了实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案为：设计一种微功耗多功能集成数据采集单元，它包括微功耗数据采集器、模拟信号扩展模块、RS485信号扩展模块、IDC灰排线、IDC插座、锂电池、DTU数传模块、开关电源、天线、10W/18V太阳能电池板、信号开关、4～20mA信号调理模块、±10V电压信号调理模块、仪表放大器、激励模块、恒流源激励模块、工频滤波器、抗混叠滤波器、模数转换器、微控制器、RTC实时时钟、EEPROM、以太网接口、USB接口、全隔离RS485对外接口、非隔离RS485对内接口、I2C防护电路、电源管理模块、锂电池管理模块、电源状态监控模块、外部电源抗浪涌接口、抗浪涌信号接口、LED通道状态指示灯、RS485信号共模滤波器、IO扩展器、多路复用器、对外电路防护接口、RS485防护电路接口、DC-DC隔离电源。微功耗数据采集器通过IDC灰排线和IDC插座将模拟信号扩展模块与RS485信号扩展模块级联，并通过10W/18V太阳能电池板对锂电池进行充电；微功耗数据采集器通过信号开关对4～20mA信号调理模块和±10V电压信号调理模块的切换，实现一个通道能够测量多种物理量的功能；RS485防护电路接口通过RS485信号共模滤波器与微功耗数据采集器的非隔离RS485对内接口进行通信；微控制器通过全隔离RS485对外接口与DTU数传模块与云服务器进行通信。激励模块对外部4～20mA型传感器提供电源，并通过4～20mA信号调理模块进行调理，再经过模数转换器进行采集。微控制器通过信号开关实现对外部电压信号的测量，并通过内部±10V电压信号调理模块进行电压转换，再经过模数转换器进行采集。振弦传感器通过抗浪涌信号接口再经过信号开关切换后连接仪表放大器，并通过工频滤波器和抗混叠滤波器调理后送给模数转换器进行采集。微控制器通过电源管理模块内部的电子开关，对外设进行低功耗管理。本专利技术的有益效果在于：本设计所提出的微功耗多功能集成数据采集单元可提高设备的野外恶劣环境下的生存能力。同时采集单元能够兼容多种物理量的测量，其中振弦信号、电压信号、4～20mA电流信号为模拟信号采集板，能够一个通道通过功能配置，实现振弦信号、电压信号、4～20mA电流信号三种信号的切换测量，极大地提高了系统的灵活性和组合性。RS485信号单独为一个全隔离的数字信号采集板，能够兼容RS485接口的所有类型传感器。这样，单独一个采集单元的功能就非常丰富而且灵活，相比于当前的单一功能的数据采集单元，本专利技术极大地使系统的性价比达到最佳，以最低的成本实现更多的功能和更小的体积以及可靠性，非常适合轻量化系统的快速部署和实施。本专利技术专利解决了目前工程应用中，在进行不同物理量监测对象测量时，系统集成困难、系统复杂、体积大、需要考虑不同厂家的传感器集成、系统维护困难、成本高等问题。本系统只需要一个数据采集单元，即可解决各类物理量传感器的测量，同时对于外部电源的要求不高，适合在无法提供市电的场景中应用，本系统通过使用不同类型物理量的采集模块(模拟信号、RS485信号)集成在一个数据采集单元内，极大的提高了系统的集成度，也大大减少了成本(实施、维护)，同时每个采集模块可以混搭，模拟信号采集模块的同一通道可以通过配置实现三种物理量信号的测量，极大的提高了系统灵活性，为实现轻小型集成系统提供了可靠的低成本方案，提高了系统的市场竞争力和适用性。附图说明图1为本专利技术的微功耗多功能数据采集单元框图；图2为本专利技术中的微功耗数据采集器电气原理框图；图3为本专利技术中的模拟信号扩展模块框图；图4为本专利技术中的S485信号扩展模块框图；图5为本专利技术中的微功耗数据采集器内部的电压信号测量电路示意图；图6为本专利技术中的微功耗数据采集器内部的4～20mA电流信号测量电路示意图；图7为本专利技术中的微功耗数据采集器内部DC-DC转换电路示意图；图8为本专利技术中的微功耗数据采集器内部电源状态监控电路模块示意图；图9为本专利技术中的模拟信号扩展模块和RS485信号扩展模块的I2C接口的IO扩展器示意图；图10为本专利技术中的RS485信号扩展模块内置的隔离电源示意图；图11为本专利技术中的微功耗数据采集器内部的激励模块示意图；图12为本专利技术中的微功耗数据采集器与模拟信号扩展模块的信号与接地回路示意图；图13为本专利技术中的微功耗数据采集器与RS485信号扩展模块的信号与接地回路示意图；图14为本专利技术中的微功耗多功能集成数据采集单元的低功耗逻辑框图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微功耗多功能集成数据采集单元，它包括微功耗数据采集器(1)、模拟信号扩展模块(2)、RS485信号扩展模块(3)、IDC灰排线(4)、IDC插座(5)、锂电池(6)、DTU数传模块(7)、开关电源(8)、天线(9)、10W/18V太阳能电池板(10)、信号开关(11)、4～20mA信号调理模块(12)、±10V电压信号调理模块(13)、仪表放大器(14)、激励模块(15)、恒流源激励模块(16)、工频滤波器(17)、抗混叠滤波器(18)、模数转换器(19)、微控制器(20)、RTC实时时钟(21)、EEPROM(22)、以太网接口(23)、USB接口(24)、全隔离RS485对外接口(25)、非隔离RS485对内接口(26)、I2C防护电路(27)、电源管理模块(28)、锂电池管理模块(29)、电源状态监控模块(30)、外部电源抗浪涌接口(31)、抗浪涌信号接口(39)、LED通道状态指示灯(42)、RS485信号共模滤波器(43)、IO扩展器(44)、多路复用器(45)、对外电路防护接口(46)、RS485防护电路接口(47)、DC-DC隔离电源(48)；/n其特征在于：微功耗数据采集器(1)通过IDC灰排线(4)和IDC插座(5)将模拟信号扩展模块(2)与RS485信号扩展模块(3)级联，并通过10W/18V太阳能电池板(10)对锂电池(6)进行充电；微功耗数据采集器(1)通过信号开关(11)对4～20mA信号调理模块(12)和±10V电压信号调理模块(13)的切换，实现一个通道能够测量多种物理量的功能；RS485防护电路接口(47)通过RS485信号共模滤波器(43)与微功耗数据采集器(1)的非隔离RS485对内接口(26)进行通信；微控制器(20)通过全隔离RS485对外接口(25)与DTU数传模块(7)与云服务器进行通信。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微功耗多功能集成数据采集单元，它包括微功耗数据采集器(1)、模拟信号扩展模块(2)、RS485信号扩展模块(3)、IDC灰排线(4)、IDC插座(5)、锂电池(6)、DTU数传模块(7)、开关电源(8)、天线(9)、10W/18V太阳能电池板(10)、信号开关(11)、4～20mA信号调理模块(12)、±10V电压信号调理模块(13)、仪表放大器(14)、激励模块(15)、恒流源激励模块(16)、工频滤波器(17)、抗混叠滤波器(18)、模数转换器(19)、微控制器(20)、RTC实时时钟(21)、EEPROM(22)、以太网接口(23)、USB接口(24)、全隔离RS485对外接口(25)、非隔离RS485对内接口(26)、I2C防护电路(27)、电源管理模块(28)、锂电池管理模块(29)、电源状态监控模块(30)、外部电源抗浪涌接口(31)、抗浪涌信号接口(39)、LED通道状态指示灯(42)、RS485信号共模滤波器(43)、IO扩展器(44)、多路复用器(45)、对外电路防护接口(46)、RS485防护电路接口(47)、DC-DC隔离电源(48)；
其特征在于：微功耗数据采集器(1)通过IDC灰排线(4)和IDC插座(5)将模拟信号扩展模块(2)与RS485信号扩展模块(3)级联，并通过10W/18V太阳能电池板(10)对锂电池(6)进行充电；微功耗数据采集器(1)通过信号开关(11)对4～20m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辅宋，刘付鹏，张志文，郝文哲，邹全锦，刘练文，黄斌斌，
申请(专利权)人：江西飞尚科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36