一种分时测量控制电路的制作方法

专利名称:一种分时测量控制电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种分时测量控制电路，包括：控制器、74HC595，1G125，1N4148及外围电路、第一SPI总线和第二SPI总线，所述第一SPI总线连接在数据采集接口与各从器件的数据输出端口之间，所述第二SPI总线连接在74HC595，1G125，1N4148及外围电路与各从器件的使能引脚之间，每隔8个数据采集点对所述第一SPI总线进行信号增强，其中，一个从器件对应一个数据采集点。
【专利说明】
_种分时测量控制电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及电路领域，具体而言，涉及一种分时测量控制电路。
【背景技术】
[0002]在数据采集的应用场景中，与主器件相连的用于采集数据的从器件往往较多，并且线路较长，这样，如何提高从器件的数据输出端口的输出能力以及大量从器件的选择与控制成为现有技术中亟需解决的问题。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型提供一种分时测量控制电路，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
[0004]为达到上述目的，本实用新型提供了一种分时测量控制电路，包括:控制器、74HC595，1G125，1N4148及外围电路、第一 SPI总线和第二 SPI总线，所述第一 SPI总线连接在数据采集接口与各从器件的数据输出端口之间，所述第二SPI总线连接在74HC595，1G125，1N4148及外围电路与各从器件的使能引脚之间，每隔8个数据采集点对所述第一SPI总线进行信号增强，其中，一个从器件对应一个数据采集点。
[0005]进一步地，所述控制器采用意法半导体公司的STM32F103。
[0006]进一步地，所述从器件为温度传感器。
[0007]进一步地，所述温度传感器采用ADT7310。
[0008]本实用新型中当大量SPI总线接口的器件同时挂接到同一个SPI总线时，根据SPI总线特性，主器件只能逐一对SPI总线接口的从器件进行数据的读取。分时测量控制电路的作用是，在某一时刻只有一个从器件被使能与主器件进行通讯，提高了从器件的数据输出端口的输出能力，实现了对大量从器件的选择与控制。
【附图说明】

[0009]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1a为本实用新型一个实施例的分时测量控制电路示意图；
[0011]图1b为用于提高图1a中ADT7310数据输出端口的输出能力的电路示意图；
[0012]图2a、图2b图为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的正视图和侧视图；
[0013]图3为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的结构图；
[0014]图4为本实用新型一个实施例的控制器结构示意图；
[0015]图5为本实用新型一个实施例的温度采集器结构示意图；
[0016]图6为本实用新型一个实施例的保护管剖面图；
[0017]图7为本实用新型一个实施例的温度采集板示意图；
[0018]图8a、图Sb为本实用新型一个实施例的总线驱动能力增强电路示意图；
[0019]图8c、图8d为本实用新型一个实施例的温度采集接口电路示意图；
[0020]图Se为本实用新型一个实施例的温度传感器分时测量控制电路示意图；
[0021]图8f为用于提高图8e中ADT7310数据输出端口的输出能力的电路示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]图1a为本实用新型一个实施例的分时测量控制电路示意图；图1b为本实用新型一个实施例的用于提高ADT7310数据输出端口的输出能力的电路示意图；图1a中，所有器件构成一个SPI总线级联模组。
[0024]Ul?U8代表具有SPI总线接口的器件，并作为从器件使用。
[0025]U27(74HC595)将由主器件发来的串行片选数据转换成并行输出，分别对应相应的从器件的使能引脚，从而完成对所有从器件同一时刻的唯一性选择。
[0026]U9(1G125)用于提高从器件的数据输出端口的输出能力。由于该产品电路结构为级联模式，所以线路较长，因此采用U9(1G125)每隔8个从器件对输出数据信号进行增强。为了防止后级的从器件模组的数据信号对本级数据信号的影响，采用1G125和9个1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每个对应本级的一个具有SPI总线接口的从器件的使能信号，如果一个模组的其中的一个信号被使能，则该模组的1G125被使能，该使能信号通过DlO向其前面的模组传输，使其前面直至主器件引脚的1G125全部开通使能，该模组后面的模组的1G125全部为禁用高阻状态，防止数据总线被影响。
[0027]若大量SPI总线接口的器件同时挂接到同一个SPI总线，根据SPI总线特性，主器件只能逐一对SPI总线接口的从器件进行数据的读取。分时测量控制电路的作用是，在某一时刻只有一个从器件被使能与主器件进行通讯。
[0028]分时测量控制电路的用途是为大量SPI总线接口的器件级联时使用。
[0029]SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。SPI总线是一种高速的，全双工，同步的通信总线，可以实现是一个主设备(CPU)连接多个从设备的目的。数字型温度传感器组态灵活、运行稳定、抗干扰能力强，数据采集准确度高，满足高标准数据监测要求。
[0030]这种设计的亮点在于有效解决了大量SPI总线接口的器件个数的分时测量控制。冻土实例中，使用具有SPI总线接口的温度传感器为200个。
[0031]电路原理为结合74HC595，1G125，1N4148及外围电路完成位于SPI总线上从器件的使能信号控制，从而达到200个温度传感器位于一条SPI总线上，在某一时刻只有一个被使能与主器件进行通讯并完成数据传输的目的。
[0032]上述分时测量控制电路的优点有以下三点:
[0033]第一、从器件的个数可以扩充，在供电电源线足够粗(保证线电阻很小)的情况下，可以无限级扩充；
[0034]第二、仅用7条信号线完成大量从器件数据的采集；
[0035]第三、采用该设计方法，每个点的ID号自然形成，无需刻意设置，每个从器件所在的SPI的位置的74HC595发出的使能信号就是该从器件的ID，该ID由电路自然形成无需配置，因此大大化简了使用繁琐度。
[0036]以下为将本实用新型的分时测量控制电路应用于冻土深度传感器的实施例。
[0037]图2a、图2b图为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的正视图和侧视图；图3为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的结构图；如图所示，A为土壤，B为地表面，冻土深度传感器是用于冻土层深度的自动测量仪器，包括:控制器2、温度采集器6、保护管3、防水密封盒1、灌封材料5和控制电缆4，其中控制器2安装在防水密封盒I内；防水密封盒I固定设置在保护管3—端;保护管3的另一端埋入土壤中；温度采集器6通过灌封材料整体灌封在保护管3—侧的凹槽中，温度采集器6与保护管3—起被埋入被测土壤中；控制电缆4连接在控制器2与温度采集器6之间。图3中，外部设备201与控制器2相连，控制器2包括RS-485接口 202、处理器203 (可优选高性能低功耗处理器)、电源模块204、第一温度采集接口 205，温度采集器6包括第二温度采集接口 206及与第二温度采集接口 206相连的第I个温度采集电路板207、第2个温度采集电路板208、……、第η个温度采集电路板209和第n+1个温度采集电路板210，η为自然数。
[0038]由于安装地点的条件限制(野外、高寒)，所有元器件的均采用工业级温度标准(-40 °C?85 °C)，盒体及保护管防水等级IP65以上，据有巨大的测量深度(本实施例以2米测量深度为例)。
[0039]以下对冻土深度传感器的各部件进行详细介绍。
[0040](I)控制器
[0041]控制器为温度采集器提供电源，并对温度采集器采集的温度数据的进行读取和处理，以及与外部设备的数据通讯。控制器安装在防水等级IP65的密封盒中。
[0042]CPU选用意法半导体公司的STM32F103作为处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。因此控制器的数据处理和通讯能力非常强大。
[0043]控制器采用DC12V电压供电。电源模块采用LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压器，高效、稳定。
[0044]RS-485接口作为控制器与外设的通讯接口，采用ModBus标准协议。
[0045]控制器与温度采集器通过温度采集接口相连，接口包含SPI总线、温度传感器分时测量控制信号和供电电源。
[0046](2)温度采集器
[0047]温度采集器用于为温度数据的采集，内部带有200个温度测点，由25块采集电路板串接构成(可根据需求串接更多的采集电路板完成更深的温度采集)，可以完成高密度测量，以保证温度采集器测量精度。由于使用环境的限制，温度采集器被灌封在保护管中。其安装方式采用地埋式，将保护管连同温度采集器垂直于地表面一同埋入土壤中。深度的选择是根据被测地点的气候条件，埋入相应深度。
[0048]在一个实施例中，保护管采用长2200mm、宽40mm、高40mm的环氧树脂棒，一侧表面挖出长2000mm、宽30mm、深30mm的凹形槽，温度采集器被环氧树脂填充物和娃橡胶填充物灌封在凹形槽中。
[0049]温度采集器由25块采集电路板级联构成，两块采集电路板之间由硅橡胶排线相连接。每块采集电路板以Icm为间距平均分布8个温度传感器。
[0050]采集电路板由温度采集器接口电路、总线驱动能力增强电路、温度传感器分时测量控制电路和8个温度传感器组成。采集器接口电路用于与控制器相连和采集电路板之间的级联。总线驱动能力增强电路的作用是增强SPI总线驱动能力，实现同时驱动200个节点。温度传感器分时测量控制电路的作用是选择读取哪个温度传感器的数据。温度传感器由于检测温度传感器所在位置的温度值。
[0051]图6为本实用新型一个实施例的保护管剖面图；图7为本实用新型一个实施例的温度采集板示意图；图8a、图Sb为本实用新型一个实施例的总线驱动能力增强电路示意图；图Sc、图Sd为本实用新型一个实施例的温度采集接口电路示意图；图Se为本实用新型一个实施例的温度传感器分时测量控制电路示意图；图Sf为本实用新型一个实施例的用于提高ADT7 310数据输出端口的输出能力的电路示意图。图6中，长度的单位为毫米；图7中601为温度传感器，602为硅橡胶排线，603为采集电路板。
[0052]以下从测量原理角度进一步介绍本实用新型。
[0053]冻土深度传感器的测量原理为控制器依次读取温度采集器上的温度传感器的数值并保存在内部寄存器中。外部设备读取控制器内的寄存器数据，根据所得数据，查找测量数据O °c以下的温度传感器编号，根据温度传感器编号换算出冻土深度。
[0054](I)控制器
[0055]其工作方式是控制器以Is的时间频率循环读取温度采集器内部200个温度传感器的数据，并将数据保存在CPU内部寄存器中，当外部设备需要读取温度数据时，只需读取相应寄存器的数据即可。
[0056]若采用主从方式由外设发出测量指令，控制器再启动测量，当温度传感器数量较多时，控制器采集一轮温度数据需时较长，外设等待时间过长。这种工作方式的好处是，可以保证数据的实时性和可以快速的读取数据。
[0057]温度采集器由200个温度传感器构成，最大测量深度可达2m。
[0058](2)温度采集器
[0059]温度采集器的设计思想为利用带有SPI总线的数字型温度传感器组成一个类似于可以读取温度的标尺。SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。SPI总线是一种高速的，全双工，同步的通信总线，可以实现是一个主设备(CPU)连接多个从设备(温度传感器)的目的。数字型温度传感器组态灵活、运行稳定、抗干扰能力强，数据采集准确度高，满足高标准数据监测要求。
[0060]由于气候原因，冻土深度具有巨大的差异，有些地点的冻土深度较浅，有些地点的冻土深度较深，统一长度的温度采集器无法满足所有用户的需求。为了满足所有客户需求，温度采集器采用电路板级联安装设计模式。即温度采集器由若干采集电路板级联组成，这种设计的优点是用户可以根据被测地点的气象条件适当选择温度采集器的长度(测量点数)。在埋设温度采集器的时候，极其方便用户施工及安装，减少现场工作量。
[0061]温度采集器最大的设计亮点在于有效解决了大量测量点(温度传感器个数)的分时测量控制。分时测量控制含义是在编写程序的时候需要逐一对温度传感器进行数据的读取，此时，我们需要有一个信号来告诉挂在总线上的CPU，这些数据是哪个芯片传来的。
[0062]温度采集传感器采用双SPI总线、多组温度传感器级联的方式构成。第一条SPI总线用于各个温度传感器ADT7310的温度采集命令和温度值的传输，另一条SPI总线结合74HC595及外围电路完成位于第一条SPI总线上温度传感器的使能信号控制，从而达到200个温度传感器位于一条SPI总线上，在某一时刻只有一个被使能与单片机进行通讯并完成温度采集的目的。这样设计的优点有三:第一、温度传感器的采集点数可以扩充，在供电电源线足够粗(保证线电阻很小)的情况下，可以无限级扩充;第二、仅用7条信号线完成大量温度点的温度采集;第三、采用该设计方法，每个点的ID号自然形成，无需刻意设置，每个温度传感器所在的SPI的位置的74HC595发出的使能信号就是该温度采集点的ID，该ID由电路自然形成无需配置，因此大大化简了使用繁琐度。
[0063]图8a_图8f中，U27(74HC595)将串行片选数据转换成并行输出，分别对应相应的温度传感器芯片ADT7310的使能引脚，从而完成对所有传感器芯片同一时刻的唯一性选择。
[0064]U25、U26(74HC3G34)用于对SPI信号进行增强。由于该产品电路结构为级联模式，所以线路较长，因此采用U25、U26每隔8个温度采集点对SPI信号进行增强。
[0065]U9(1G125)用于提高ADT7310数据输出端口的输出能力，由于该产品电路结构为级联模式，所以线路较长，因此采用U9(1G125)每隔8个温度采集点对温度信号进行增强。为了防止后级的传感器模组的数据信号对本级数据信号的影响，采用1G125和9个1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每个对应本级的一个温度传感器使能信号，如果一个模组的其中的一个信号被使能，则该模组的1G125被使能，该使能信号通过DlO向其前面的模组传输，使其前面直至单片机引脚的1G125全部开通使能，该模组后面的模组的1G125全部为禁用高阻状态，防止数据总线被影响。
[0066](3)保护管
[0067]根据保护管的结构剖面图，图中所示保护管外壳材料均为导热系数比较低的材料，如果使用导热系数高的材料(例如金属材料)作为保护管，由于材料的热传递作用，那么保护管会使测量的各点温度趋于平均化，影响测量结果。
[0068]环氧树脂具有物理强度高，耐腐蚀，绝缘度高，导热系数低的特点，这样就避免了被土壤中的物质侵蚀。硅橡胶具有优良的电绝缘性能、密封性能和耐老化的性能。硅橡胶的表面能比大多数有机材料小，具有低吸湿性，与许多材料不发生粘合，填充硅橡胶使电路板与外界隔离。
[0069]经过测试，这种新型冻土传感器结构简单，成本低廉，易于实现，可操作强。大大提高了冻土检测的精度。而且使用这种结构的冻土传感器使用寿命长，不受季节限制，非常适合野外使用。
[0070]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
[0071]本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0072]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种分时测量控制电路，其特征在于，包括:控制器、74HC595，IGl25，1N4148及外围电路、第一 SPI总线和第二 SPI总线，所述第一 SPI总线连接在数据采集接口与各从器件的数据输出端口之间，所述第二SPI总线连接在74HC595，1G125，1N4148及外围电路与各从器件的使能引脚之间，每隔8个数据采集点对所述第一SPI总线进行信号增强，其中，一个从器件对应一个数据采集点。2.根据权利要求1所述的分时测量控制电路，其特征在于，所述控制器采用意法半导体公司的STM32F103。3.根据权利要求1所述的分时测量控制电路，其特征在于，所述从器件为温度传感器。4.根据权利要求3所述的分时测量控制电路，其特征在于，所述温度传感器采用ADT7310。
【文档编号】G05D23/20GK205721422SQ201620311200
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】吴永吉, 唐润庚
【申请人】哈尔滨今星微电子科技有限公司, 唐润庚