采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010609344.4	申请日：	2010.12.28
公开号：	CN102025364A	公开日：	2011.04.20
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H03K 19/0175申请日:20101228\|\|\|公开
IPC分类号：	H03K19/0175; H04L12/40	主分类号：	H03K19/0175
申请人：	福州大学
发明人：	吴景东
地址：	350108 福建省福州市闽侯县上街镇大学城学园路2号福州大学新区
优先权：
专利代理机构：	福州元创专利商标代理有限公司 35100	代理人：	蔡学俊
PDF下载：	PDF下载

内容摘要

本发明涉及一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的Σ-Δ模式A/D转换器、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行EEPROM和DC/DC电源转换器，所述输入处理电路的输出端与Σ-Δ模式A/D转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与Σ-Δ模式A/D转换器的A/D转换器连接，所述A/D转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接。本发明采用光电隔离的SPI数据接口，结构简洁可靠，实现了各通道之间，通道与控制设备之间完全的电气隔离，并实现了输入通道误差的数字校正和线性化，具有很高的性能价格比，为使用自动化控制设备的用户提供了极大的便利。

权利要求书

1：一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行 EEPROM 和 DC/DC 电源转换器，其特征在于：所述输入处理电路的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器的 A/D 转换器连接，所述 A/D 转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接，所述 DC/DC 电源转换器的输出与带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器及输入处理电路连接，所述内置冷端温度传感器和串行 EEPROM 分别与控制逻辑电路连接；所述串行 EEPROM 用于存放校准系数，使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正 A/D 转换数据；所述内置冷端温度传感器测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。
2：根据权利要求 1 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述控制逻辑电路还与 SPI 总线连接，所述控制逻辑电路将一组 SPI 接口扩展为多组 SPI 接口，通过光电隔离连接 A/D 转换器，每个 A/D 通道是完全独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器 A/D 转换器和 DC/DC 隔离电源。
3：根据权利要求 1 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述内置冷端温度传感器和串行 EEPROM 由逻辑电源供电。
4：根据权利要求 1 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器经 DC/DC 电源转换器由辅助电源供电。
5：根据权利要求 1 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述输入电路的输入端可以连接二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入信号。
6：根据权利要求 1 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述控制逻辑电路采用了 CPLD 或 FPGA 芯片。
7：根据权利要求 1 或 2 所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：所述二线制的电流电压和三线制的电阻输入模拟量信号通过 SPI 接口控制的 A/D 转换器及程控放大器，和再根据串行 EEPROM 的校准信息校正零点和量程，进行数字化处理；数字化的模拟量输入数据需要非线性校正时，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。

说明书

采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路
    技术领域本发明涉及一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，属于自动化装置制造的技术领域。
     背景技术自动化控制设备需要检测来自控制对象的现场信号，因此自动化控制设备与安装在控制对象上的各种传感器有电气上的连接。这往往会引入很多电气干扰信号，可能对自动化控制设备产生不良的影响，使数据采样不准确、自动化控制设备工作不稳定甚至损坏。为了克服这些电气干扰，采用通道隔离技术来隔离这些电气干扰。模拟输入信号常用的隔离技术有模拟侧隔离和数字侧隔离二种。模拟侧隔离采用模拟信号隔离设备，它的输入信号和输出信号是相等的，在电气上是隔离的，可以方便地实现通道之间，通道与控制设备之间的隔离，但价格较高。数字侧隔离一般使用光电耦合器隔离控制设备和 A/D 转换器，价格低廉，可以实现通道与控制设备之间的隔离，但实现各通道之间隔离比较困难。
     模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，影响检测精度，目前一般采用设置可调模拟器件，通过调节模拟部分的零点和放大量来校准程序进行校准精度。校准工作量较大，且容易由于可调部件的漂移影响通道的长期稳定性。
     发明内容
     本发明的目的在于提供一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，该电路采用带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器，SPI 数据接口和光电隔离技术，结构简洁可靠，实现了各通道之间，各通道与控制设备之间的完全的电气隔离，并采用数字调理技术实现了输入通道误差的数字校正和线性化，为使用者提供了极大的便利，具有很高的性能价格比。
     本发明的特征在于：一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行 EEPROM 和 DC/DC 电源转换器，其特征在于：所述输入处理电路的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器的 A/D 转换器连接，所述 A/D 转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接，所述 DC/DC 电源转换器的输出与带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器及输入处理电路连接，所述内置冷端温度传感器和串行 EEPROM 分别与控制逻辑电路连接；所述串行 EEPROM 用于存放校准系数，使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正 A/D 转换数据；所述内置冷端温度传感器测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。
     本发明的优点：本发明采用光电隔离的 SPI 数据接口，结构简洁可靠，实现了各通道之间，各通道与控制设备之间的完全的电气隔离，并采用数字调理技术实现了输入通道误差的数字校正和线性化，具有很高的性能价格比，将为使用自动化控制设备的用户提供了极大的便利。附图说明
     图 1 为本发明实施例电路框图。图 2 本发明的非线性校正折线。具体实施方式
     参考图 1 和图 2，一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于：包括控制逻辑电路（1）、光电耦合器（2）、带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器（3）、输入处理电路（4）、内置冷端温度传感器（5）、串行 EEPROM （6）和 DC/DC 电源转换器（7），所述输入处理电路（4）的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器（3）的程控放大器（3-1）连接，所述程控放大器（3-1）的输出端与 Σ-Δ 模式 A/D 转换器（3）的 A/D 转换器（3-2）连接，所述 A/D 转换器（3-2）的输出端与光电耦合器（2）连接，所述光电耦合器（2）的输出端与控制逻辑电路（1）连接，所述 DC/ DC 电源转换器（7）的输出与带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器（3）及输入处理电路（4）连接，所述内置冷端温度传感器（5）和串行 EEPROM （6）分别与控制逻辑电路连接；所述串行 EEPROM （6）用于存放校准系数，使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正 A/D 转换数据；所述内置冷端温度传感器（5）测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。上述控制逻辑电路还与 SPI 总线连接，所述控制逻辑电路将一组 SPI 接口扩展为多组 SPI 接口，通过光电隔离连接 A/D 转换器，每个 A/D 通道是完全独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器 A/D 转换器和 DC/DC 隔离电源。
     上述内置冷端温度传感器和串行 EEPROM 由逻辑电源供电。
     上述带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器经 DC/DC 电源转换器由辅助电源供电。
     上述输入电路的输入端可以连接二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入信号。
     上述控制逻辑电路采用了 CPLD 或 FPGA 芯片。
     上述二线制的电流电压和三线制的电阻输入模拟量信号通过 SPI 接口控制的 A/ D 转换器及程控放大器，和再根据串行 EEPROM 的校准信息校正零点和量程，进行数字化处理；数字化的模拟量输入数据需要非线性校正时，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。
     模拟量输入电路通过 SPI 接口与控制设备连接，使用 SCK、 MOSI 和 MISO，不使用 SPI 的从机选择信号 SS。控制逻辑电路采用了 CPLD 或 FPGA 芯片，在选择输入信号的控制下，由内部的多路数据分配器和多路数据选择器将一组 SPI 接口扩展为多组 SPI 接口。光电耦合器每个 A/D 通道配置三个，使用高速光电耦合器以光电隔离的形式传送
     SCK、 MOSI 和 MISO。采用 SPI 接口，带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器，是低价格高性能的电路。输入处理电路主要是处理二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入，量程则由 A/D 转换器中的程控放大器处理。内置冷端温度传感器采用了 SPI 接口的温度传感器，采集本地温度信息用于热电偶的冷端补偿。 EEPROM 也是采用 SPI 接口的，用于保存配置和校正信息。 DC/DC 电源转换器每个 A/D 通道配置一个，用于向前级电路提供隔离电源。
     本模拟量输入电路的每一个通道是完全独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器 A/D 转换器和 DC/DC 隔离电源，通过高速光电耦合器的隔离后与控制逻辑电路连接。因此各通道之间，各通道与控制设备之间是在电气上是完全绝缘的。控制设备的处理器通过高速光电耦合器以数字方式设置、控制和读出 A/D 转换器，实现了数字化的隔离。
     由于模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，为了确保精度，设计了校准程序进行校准。输入通道按毫伏、电阻和 5V 电压 3 种类型，分别输入零点（或 1% 量程）和满量程（或 99% 量程）信号，通过检测得到的实际数值，可以分别计算出相应的零点和量程的校准系数，并存放在电路中的 EEPROM 内长期保存。模拟量输入通道在工作过程中从 EEPROM 读出校准系数，校准 A/D 转换数据，确保 A/D 转换电路的精度。
     热电偶和热电阻信号是非线性的，采用折线校正法线性化这些输入数据。按不同的输入信号属性设置不同的校正折线，每条校正折线根据输出增量相等的原则设置 17 个折线点和 16 段折线。输入的非线性信号首先通过比较确认所属的折线段，再根据本折线段的二个端点和数据点的位置，由线性插值的方法得到校正值。本方法计算简单速度快，精度可以达到 0.1 级。内置冷端传感器采用了 SPI 接口的 AD7814，温度分辨度为 0.25℃。为了保证精度， AD7814 根据实际温度进行校准。
     具体实施如下：在采用模板形式时，用于保存配置和校正信息的串行 EEPROM 是安装在模板上的，交换模板时配置和校正信息也随之交换，实现模板配置和校正的智能化处理。控制模拟量输入电路的处理器（以下简称为处理器）向模拟量输入电路的控制逻辑提供一组 SPI 接口， N 位 GPIO 作为通道选择线，这里 N 的取值应满足（A/D 通道数 +2≤2N （此处为 2 的 N 次方））。控制逻辑电路内部的多路数据分配器和多路数据选择器将一组 SPI 接口扩展为多组 SPI 接口，用于相互独立的 A/D 通道、冷端温度传感器和 EEPROM。每个 A/D 通道配置三个光电耦合器以光电隔离的形式传送 SCK、MOSI 和 MISO，光电耦合器与控制逻辑连接部分的电源由控制逻辑使用的逻辑电源提供。需要采样速度较快时，使用 6N137 或 HCPL-0600 系列光电耦合器。如可以低速采样，使用低速的光电耦合器如 TLP521、 PL817 等。
     A/D 转换器和程控放大器应选用 SPI 接口的带有程控放大器的 Σ-Δ 模式 A/D 转换器，可使用 CIRRUS 公司的 CS552x 系列、 CS553x 系列和 CS555x 系列的，也可以使用其它类似的产品。这是一类低价格高性能的电路，主要特点包括内置可编程仪器放大器， A/D 转换的有效精度达到 18 位以上和带有数字滤波器可有效地克服困难工频干扰等。输入处理电路主要是处理二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入，量程则由 A/ D 转换器中的程控放大器处理。
     冷端温度传感器和串行 EEPROM 是所有通道共用的，由逻辑电源供电。冷端检测采用 SPI 接口的温度传感器，如 AD7814 等，采集温度信息用于热电偶的冷端补偿。串行 EEPROM 也是采用 SPI 接口的，用于保存配置和校正信息。 DC/DC 电源转换器是隔离型的，每个 A/D 通道配置一个，由辅助电源供电，隔离后的输出向 A/D 转换器、程控放大器、输入处理电路和光电耦合器与 A/D 转换器的连接部分供电。
     控制设备启动后，处理器通过 SPI 接口设置温度传感器和各个 A/D 转换器及程控放大器，读出 EEPROM 中配置和校正信息，完成初始化工作。模拟量采样工作开始后，处理器使用通道选择 GPIO 发送通道选择命令选择 A/D 通道，通过 SPI 接口控制 A/ D 转换器及程控放大器，读取 A/D 转换数据，再根据校准信息校正零点和量程，得到数字化的模拟量输入数据。如数据是非线性的需要校正，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。对于热电偶类型的输入，如需要冷端补偿，处理器通过温度传感器检测接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。
     模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，为确保精度，输入通道使用前必须先进行校准。对于通用模式的输入通道，应按毫伏、电阻和 5V 电压 3 种类型进行校准，对于单一模式的输入通道，按使用量程校准即可。校准时先输入零点（或 1% 量程）信号，根据 A/D 转换数值的偏差，计算出零点的校准系数；再输入满量程（或 99% 量程）信号，根据 A/D 转换数值计算出量程的校准系数。校准完成后，校准系数存放在电路中的 EEPROM 内长期保存，用于模拟量通道在工作过程中校准 A/D 转换数据，确保 A/D 转换电路的精度。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

资源描述

《采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。

1、10申请公布号CN102025364A43申请公布日20110420CN102025364ACN102025364A21申请号201010609344422申请日20101228H03K19/0175200601H04L12/4020060171申请人福州大学地址350108福建省福州市闽侯县上街镇大学城学园路2号福州大学新区72发明人吴景东74专利代理机构福州元创专利商标代理有限公司35100代理人蔡学俊54发明名称采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路57摘要本发明涉及一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的模式A/D转换器、。

2、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行EEPROM和DC/DC电源转换器，所述输入处理电路的输出端与模式A/D转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与模式A/D转换器的A/D转换器连接，所述A/D转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接。本发明采用光电隔离的SPI数据接口，结构简洁可靠，实现了各通道之间，通道与控制设备之间完全的电气隔离，并实现了输入通道误差的数字校正和线性化，具有很高的性能价格比，为使用自动化控制设备的用户提供了极大的便利。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图1页CN10202537。

3、8A1/1页21一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的模式A/D转换器、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行EEPROM和DC/DC电源转换器，其特征在于所述输入处理电路的输出端与模式A/D转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与模式A/D转换器的A/D转换器连接，所述A/D转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接，所述DC/DC电源转换器的输出与带有程控放大器的模式A/D转换器及输入处理电路连接，所述内置冷端温度传感器和串行EEPROM分别与控制逻辑电路连接；所述串行EEPROM用于存放校准系数，。

4、使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正A/D转换数据；所述内置冷端温度传感器测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。2根据权利要求1所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述控制逻辑电路还与SPI总线连接，所述控制逻辑电路将一组SPI接口扩展为多组SPI接口，通过光电隔离连接A/D转换器，每个A/D通道是完全独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器A/D转换器和DC/DC隔离电源。3根据权利要求1所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述内置冷。

5、端温度传感器和串行EEPROM由逻辑电源供电。4根据权利要求1所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述带有程控放大器的模式A/D转换器经DC/DC电源转换器由辅助电源供电。5根据权利要求1所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述输入电路的输入端可以连接二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入信号。6根据权利要求1所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述控制逻辑电路采用了CPLD或FPGA芯片。7根据权利要求1或2所述的采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于所述二线制的电流电压和三线制的电阻输入模拟量信号通过SPI接口。

6、控制的A/D转换器及程控放大器，和再根据串行EEPROM的校准信息校正零点和量程，进行数字化处理；数字化的模拟量输入数据需要非线性校正时，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。权利要求书CN102025364ACN102025378A1/4页3采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路技术领域0001本发明涉及一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，属于自动化装置制造的技术领域。背景技术0002自动化控制设备需要检测来自控制对象的现场信号，因此自动化控制设备与安装在控制对象上的各种传感器有电气上的连接。这往往会引入很多电气干扰信号，可能对自动化控制设备产生不良的影响，使数据采样不准。

7、确、自动化控制设备工作不稳定甚至损坏。为了克服这些电气干扰，采用通道隔离技术来隔离这些电气干扰。模拟输入信号常用的隔离技术有模拟侧隔离和数字侧隔离二种。模拟侧隔离采用模拟信号隔离设备，它的输入信号和输出信号是相等的，在电气上是隔离的，可以方便地实现通道之间，通道与控制设备之间的隔离，但价格较高。数字侧隔离一般使用光电耦合器隔离控制设备和A/D转换器，价格低廉，可以实现通道与控制设备之间的隔离，但实现各通道之间隔离比较困难。0003模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，影响检测精度，目前一般采用设置可调模拟器件，通过调节模拟部分的零点和放大量来校准程序进行校准精度。校准工作量较大，且容易由于可。

8、调部件的漂移影响通道的长期稳定性。发明内容0004本发明的目的在于提供一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，该电路采用带有程控放大器的模式A/D转换器，SPI数据接口和光电隔离技术，结构简洁可靠，实现了各通道之间，各通道与控制设备之间的完全的电气隔离，并采用数字调理技术实现了输入通道误差的数字校正和线性化，为使用者提供了极大的便利，具有很高的性能价格比。0005本发明的特征在于一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，包括控制逻辑电路、光电耦合器、带有程控放大器的模式A/D转换器、输入处理电路、内置冷端温度传感器、串行EEPROM和DC/DC电源转换器，其特征在于所述输入处理电路的。

9、输出端与模式A/D转换器的程控放大器连接，所述程控放大器的输出端与模式A/D转换器的A/D转换器连接，所述A/D转换器的输出端与光电耦合器连接，所述光电耦合器的输出端与控制逻辑电路连接，所述DC/DC电源转换器的输出与带有程控放大器的模式A/D转换器及输入处理电路连接，所述内置冷端温度传感器和串行EEPROM分别与控制逻辑电路连接；所述串行EEPROM用于存放校准系数，使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正A/D转换数据；所述内置冷端温度传感器测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。00。

10、06本发明的优点本发明采用光电隔离的SPI数据接口，结构简洁可靠，实现了说明书CN102025364ACN102025378A2/4页4各通道之间，各通道与控制设备之间的完全的电气隔离，并采用数字调理技术实现了输入通道误差的数字校正和线性化，具有很高的性能价格比，将为使用自动化控制设备的用户提供了极大的便利。附图说明0007图1为本发明实施例电路框图。0008图2本发明的非线性校正折线。具体实施方式0009参考图1和图2，一种采用数字化隔离和调理技术的模拟量输入电路，其特征在于包括控制逻辑电路（1）、光电耦合器（2）、带有程控放大器的模式A/D转换器（3）、输入处理电路（4）、内置冷端温度传感。

11、器（5）、串行EEPROM（6）和DC/DC电源转换器（7），所述输入处理电路（4）的输出端与模式A/D转换器（3）的程控放大器（31）连接，所述程控放大器（31）的输出端与模式A/D转换器（3）的A/D转换器（32）连接，所述A/D转换器（32）的输出端与光电耦合器（2）连接，所述光电耦合器（2）的输出端与控制逻辑电路（1）连接，所述DC/DC电源转换器（7）的输出与带有程控放大器的模式A/D转换器（3）及输入处理电路（4）连接，所述内置冷端温度传感器（5）和串行EEPROM（6）分别与控制逻辑电路连接；所述串行EEPROM（6）用于存放校准系数，使用前通过输入通道的零点和满量程的校准，得到。

12、并保存零点和满量程的校准系数，模拟量输入通道在工作过程中读出并使用校准系数校正A/D转换数据；所述内置冷端温度传感器（5）测量接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。0010上述控制逻辑电路还与SPI总线连接，所述控制逻辑电路将一组SPI接口扩展为多组SPI接口，通过光电隔离连接A/D转换器，每个A/D通道是完全独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器A/D转换器和DC/DC隔离电源。0011上述内置冷端温度传感器和串行EEPROM由逻辑电源供电。0012上述带有程控放大器的模式A/D转换器经DC/DC电源转换器由辅助电源供电。0013上述输入电路的输入端可以连接二线制。

13、的电流电压信号和三线制的电阻输入信号。0014上述控制逻辑电路采用了CPLD或FPGA芯片。0015上述二线制的电流电压和三线制的电阻输入模拟量信号通过SPI接口控制的A/D转换器及程控放大器，和再根据串行EEPROM的校准信息校正零点和量程，进行数字化处理；数字化的模拟量输入数据需要非线性校正时，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。0016模拟量输入电路通过SPI接口与控制设备连接，使用SCK、MOSI和MISO，不使用SPI的从机选择信号SS。控制逻辑电路采用了CPLD或FPGA芯片，在选择输入信号的控制下，由内部的多路数据分配器和多路数据选择器将一组SPI接口扩展为多组SPI接。

14、口。光电耦合器每个A/D通道配置三个，使用高速光电耦合器以光电隔离的形式传送说明书CN102025364ACN102025378A3/4页5SCK、MOSI和MISO。采用SPI接口，带有程控放大器的模式A/D转换器，是低价格高性能的电路。输入处理电路主要是处理二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入，量程则由A/D转换器中的程控放大器处理。内置冷端温度传感器采用了SPI接口的温度传感器，采集本地温度信息用于热电偶的冷端补偿。EEPROM也是采用SPI接口的，用于保存配置和校正信息。DC/DC电源转换器每个A/D通道配置一个，用于向前级电路提供隔离电源。0017本模拟量输入电路的每一个通道是完全。

15、独立的，有各自的输入处理电路，带有程控放大器A/D转换器和DC/DC隔离电源，通过高速光电耦合器的隔离后与控制逻辑电路连接。因此各通道之间，各通道与控制设备之间是在电气上是完全绝缘的。控制设备的处理器通过高速光电耦合器以数字方式设置、控制和读出A/D转换器，实现了数字化的隔离。0018由于模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，为了确保精度，设计了校准程序进行校准。输入通道按毫伏、电阻和5V电压3种类型，分别输入零点（或1量程）和满量程（或99量程）信号，通过检测得到的实际数值，可以分别计算出相应的零点和量程的校准系数，并存放在电路中的EEPROM内长期保存。模拟量输入通道在工作过程中从EEP。

16、ROM读出校准系数，校准A/D转换数据，确保A/D转换电路的精度。0019热电偶和热电阻信号是非线性的，采用折线校正法线性化这些输入数据。按不同的输入信号属性设置不同的校正折线，每条校正折线根据输出增量相等的原则设置17个折线点和16段折线。输入的非线性信号首先通过比较确认所属的折线段，再根据本折线段的二个端点和数据点的位置，由线性插值的方法得到校正值。本方法计算简单速度快，精度可以达到01级。内置冷端传感器采用了SPI接口的AD7814，温度分辨度为025。为了保证精度，AD7814根据实际温度进行校准。0020具体实施如下在采用模板形式时，用于保存配置和校正信息的串行EEPROM是安装在模。

17、板上的，交换模板时配置和校正信息也随之交换，实现模板配置和校正的智能化处理。控制模拟量输入电路的处理器（以下简称为处理器）向模拟量输入电路的控制逻辑提供一组SPI接口，N位GPIO作为通道选择线，这里N的取值应满足（A/D通道数22N（此处为2的N次方）。控制逻辑电路内部的多路数据分配器和多路数据选择器将一组SPI接口扩展为多组SPI接口，用于相互独立的A/D通道、冷端温度传感器和EEPROM。每个A/D通道配置三个光电耦合器以光电隔离的形式传送SCK、MOSI和MISO，光电耦合器与控制逻辑连接部分的电源由控制逻辑使用的逻辑电源提供。需要采样速度较快时，使用6N137或HCPL0600系列光。

18、电耦合器。如可以低速采样，使用低速的光电耦合器如TLP521、PL817等。0021A/D转换器和程控放大器应选用SPI接口的带有程控放大器的模式A/D转换器，可使用CIRRUS公司的CS552X系列、CS553X系列和CS555X系列的，也可以使用其它类似的产品。这是一类低价格高性能的电路，主要特点包括内置可编程仪器放大器，A/D转换的有效精度达到18位以上和带有数字滤波器可有效地克服困难工频干扰等。输入处理电路主要是处理二线制的电流电压信号和三线制的电阻输入，量程则由A/D转换器中的程控放大器处理。0022冷端温度传感器和串行EEPROM是所有通道共用的，由逻辑电源供电。冷端检说明书CN1。

19、02025364ACN102025378A4/4页6测采用SPI接口的温度传感器，如AD7814等，采集温度信息用于热电偶的冷端补偿。串行EEPROM也是采用SPI接口的，用于保存配置和校正信息。DC/DC电源转换器是隔离型的，每个A/D通道配置一个，由辅助电源供电，隔离后的输出向A/D转换器、程控放大器、输入处理电路和光电耦合器与A/D转换器的连接部分供电。0023控制设备启动后，处理器通过SPI接口设置温度传感器和各个A/D转换器及程控放大器，读出EEPROM中配置和校正信息，完成初始化工作。模拟量采样工作开始后，处理器使用通道选择GPIO发送通道选择命令选择A/D通道，通过SPI接口控制。

20、A/D转换器及程控放大器，读取A/D转换数据，再根据校准信息校正零点和量程，得到数字化的模拟量输入数据。如数据是非线性的需要校正，则根据校正的类型用折线校正法得到线性化的数据。对于热电偶类型的输入，如需要冷端补偿，处理器通过温度传感器检测接线端口的实时温度，与采样检测到的温差数据叠加实现冷端补偿。0024模拟量输入通道的各个器件都可能产生误差，为确保精度，输入通道使用前必须先进行校准。对于通用模式的输入通道，应按毫伏、电阻和5V电压3种类型进行校准，对于单一模式的输入通道，按使用量程校准即可。校准时先输入零点（或1量程）信号，根据A/D转换数值的偏差，计算出零点的校准系数；再输入满量程（或99量程）信号，根据A/D转换数值计算出量程的校准系数。校准完成后，校准系数存放在电路中的EEPROM内长期保存，用于模拟量通道在工作过程中校准A/D转换数据，确保A/D转换电路的精度。0025以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。说明书CN102025364ACN102025378A1/1页7图1图2说明书附图CN102025364A。

展开阅读全文