采集接口的比較淺析

摘 要：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備主要是對(duì)汽車(chē)、輪船和飛機(jī)上機(jī)器的開(kāi)關(guān)和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、控制和信息采集的系統(tǒng)設(shè)備。從物理角度看，數(shù)據(jù)分為模擬量和離散量；而采集信息根據(jù)用途種類(lèi)可分為電阻采集、電壓采集、28 V/開(kāi)和地/開(kāi)采集。現(xiàn)介紹以上電路的工作原理，并對(duì)它們的性能進(jìn)行比較。從比較結(jié)果可知，采集接口電路越復(fù)雜，采集精度越高，抗干擾性越強(qiáng)，性能也越可靠。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瓮ǖ溃浑p余度；模擬量；離散量；電阻采集；差分模擬量采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TM133" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0089-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.023

0" " 引言

機(jī)電管理系統(tǒng)主要進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)信息采集和機(jī)器狀態(tài)管理。一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)電管理系統(tǒng)中，采集的信息有離散量、模擬量。系統(tǒng)通過(guò)這些采集量信號(hào)來(lái)對(duì)飛機(jī)、船舶、汽車(chē)等載具進(jìn)行物聯(lián)控制。離散量的應(yīng)用場(chǎng)景主要為載具開(kāi)關(guān)、閥門(mén)、傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，模擬量主要是載具的電壓、溫度、氣流監(jiān)測(cè)和位置反饋。采集的方法不同，采集的精確度、可靠性、造價(jià)方面都有差異。

本文介紹了電阻采集、電壓采集、28 V/開(kāi)、地/開(kāi)采集四類(lèi)接口，它們每一類(lèi)都有兩種采集方法。文章通過(guò)對(duì)這些電路的機(jī)理分析來(lái)比較不同采集方法的差異，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1" " 工作原理

1.1" " 離散量采集原理

1.1.1" " 單通道離散量采集原理

離散量采集電路主要由濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路、緩沖驅(qū)動(dòng)電路、譯碼控制電路、自檢電路等組成，濾波電路通過(guò)濾波電容濾除輸入信號(hào)線上的毛刺。某機(jī)電系統(tǒng)地/開(kāi)離散量輸入接口采集原理如圖1所示。

圖1中，R1=2.7 kΩ，R2=27 kΩ，R3=10 kΩ。正常工作時(shí)，如外部激勵(lì)為“地”，則采集電壓為0.7R3/（R2+R3）≈0.19 V；如外部激勵(lì)為“開(kāi)”，則采集電壓為15R3/（R1+R2+R3）≈3.78 V；輸入大于2 V則采集結(jié)果為“1”，輸入小于0.8 V則采集結(jié)果為“0”。正常工作情況下，開(kāi)關(guān)位置如圖1所示。圖中的+5 V在做自測(cè)試時(shí)使用，增加自測(cè)試電路是為了能快速發(fā)現(xiàn)故障并定位，提高產(chǎn)品的可靠性[1]。

測(cè)試高激勵(lì)時(shí)，則將K1撥至GND，K2撥至+5 V，此時(shí)，采集端的電壓為5（R1+R2）/（R1+R2+R3）≈3.74 V，所有地/開(kāi)輸入采集結(jié)果應(yīng)全部為“1”，軟件進(jìn)行判讀，如讀到某一位為0，則說(shuō)明該通道故障；測(cè)試低激勵(lì)時(shí)，K1保持在GND位置，將K2撥回至GND，此時(shí)采集端的電壓應(yīng)為0，軟件進(jìn)行判讀，如讀到某一位為1，則說(shuō)明該通道故障。

自測(cè)試完將K1恢復(fù)至+15 V，K2恢復(fù)至GND的位置，如圖1所示。

對(duì)于28 V輸入，需在18.5～31.5 V之間檢測(cè)為邏輯1，輸入大于2 V則采集結(jié)果為“1”，輸入小于0.8 V則采集結(jié)果為“0”。正常工作時(shí)，自測(cè)試信號(hào)為三態(tài)。自測(cè)試時(shí)，可在自測(cè)試信號(hào)施加“高激勵(lì)”或“低激勵(lì)”，再通過(guò)軟件判讀，若某一路讀出信號(hào)與施加激勵(lì)信號(hào)不一致，則說(shuō)明該通道故障[2]。

28 V輸入采集公式如下，根據(jù)公式得知在18.5～31.5 V之間時(shí)采集電壓均大于2 V，如圖2所示。

U＝28R3/（R1+R2+R3）=3.71 V

U=18.5R3/（R1+R2+R3）=2.45 V

U=31.5R3/（R1+R2+R3）=4.17 V

1.1.2" " 雙余度離散量采集原理

冗余通道的離散量電路在滿(mǎn)足了電路基本需求的同時(shí)，還保證了電路的可靠性[1]。如圖3所示，該電路通過(guò)光耦將外部接口電路與內(nèi)部電路隔離，從而提高了電路的安全性和防護(hù)性。28 V激勵(lì)源除了在采集時(shí)使用，還在自測(cè)試時(shí)使用。外部離散量輸入為地時(shí)，光耦不導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)采集的數(shù)據(jù)為“1”；外部離散量輸入為開(kāi)路時(shí)，光耦導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)采集的數(shù)據(jù)為“0”。二極管V1用于防止28 V激勵(lì)源對(duì)外部輸入信號(hào)造成影響，二極管V2和V3用于防止自測(cè)試時(shí)光耦輸入端之間互相影響。選擇的光耦最大導(dǎo)通電流不能超過(guò)0.5 mA，導(dǎo)通時(shí)壓降為1.4 V。穩(wěn)壓管的壓降為3.9 V，電阻為10 kΩ。當(dāng)電壓為18～32 V，導(dǎo)通電流為0.635～1.335 mA時(shí)，光耦導(dǎo)通正常；當(dāng)外部輸入信號(hào)小于9.6 V時(shí)，光耦不導(dǎo)通。

做BIT時(shí)，分為兩種狀態(tài)。將上邊的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，給輸入電路加激勵(lì)28 V，采集到數(shù)據(jù)為“0”；將下邊的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，給輸入電路加激勵(lì)0，采集到數(shù)據(jù)為“1”。28 V電源激勵(lì)或接地的激勵(lì)不能同時(shí)接通，在BIT測(cè)試狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)只由BIT所加的激勵(lì)決定，如圖3所示。

圖4所示28 V/開(kāi)離散量采集原理和地/開(kāi)采集類(lèi)似，只是情況略有不同。當(dāng)外部離散量輸入為28 V時(shí)，光耦導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)采集的數(shù)據(jù)為“0”；外部離散量輸入為開(kāi)路時(shí)，光耦不導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)采集的數(shù)據(jù)為“1”。在28 V/開(kāi)時(shí)，穩(wěn)壓管選擇為6.2 V，它的最低導(dǎo)通電壓為0.5×10+6.2+1.4+0.7=13.3 V，當(dāng)電壓高偏為32 V時(shí)，（32-6.2-1.4-0.7）/10=2.37 mA，小于限流的5 mA，光耦正常導(dǎo)通。做BIT時(shí)，自檢原理同上。

1.2" " 模擬量采集原理

1.2.1" " 差分模擬量采集原理和單端模擬量采集原理

機(jī)電系統(tǒng)的模擬量采集，也用了雙通道接口輸入/輸出的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)[3]。差分模擬量輸入采集電路如圖5所示。GIO模塊設(shè)計(jì)一個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部模擬量的采集或BIT測(cè)試。當(dāng)BIT的控制端為0時(shí)，K1接地，電路處于外部接口數(shù)據(jù)采集工作模式；當(dāng)BIT的控制端為1時(shí)，K1接1 V的電壓參考，電路處于BIT工作模式；BIT的控制端受FPGA離散量輸出端口控制。中間的電容C2進(jìn)行差模濾波，兩邊的C1、C3進(jìn)行共模濾波。

單端模擬量電壓采集主要有以下功能：分壓、濾波、電壓跟隨。如圖6所示，通過(guò)電阻R1、R2將電壓分成1/2構(gòu)成分壓電路，將電壓控制在合適的范圍。通過(guò)電阻R3和電容C1構(gòu)成低通濾波電路，濾除后端的干擾。電壓跟隨器的用途是進(jìn)行阻抗匹配，使得信號(hào)的輸入阻抗變大，輸出阻抗變小，保證后面采集的精度。

1.2.2" " 雙線電阻采集原理和四線電阻采集原理

如圖7所示，兩線制電阻采集是使用一個(gè)精密電壓源外接精密電阻，電壓參考源的接地端使用運(yùn)放跟隨，從而保證經(jīng)運(yùn)放的同相輸入端對(duì)外接被測(cè)電阻，構(gòu)成精密恒流源激勵(lì)。通過(guò)儀表放大器芯片對(duì)恒流源激勵(lì)經(jīng)過(guò)外部被測(cè)電阻產(chǎn)生的電壓降進(jìn)行隔離放大。儀表放大器AD620通過(guò)+15 V和-15 V雙極性供電，可以將差分輸入電壓轉(zhuǎn)為單端電壓進(jìn)行放大輸出。增益電阻值25 kΩ增益系數(shù)為2.976，其增益計(jì)算公式如下：

由圖8可知，因?yàn)閷?dǎo)線可能會(huì)分走一部分電壓，從而造成被測(cè)電阻的數(shù)值產(chǎn)生偏差，于是便使用了四線電阻采集法。高精度電流源流過(guò)被測(cè)電阻，再通過(guò)采集電阻兩端的電壓計(jì)算得到電阻值。信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD620放大。增益電阻值8 kΩ增益系數(shù)為7.175，其增益計(jì)算公式如下：

2" " 工作原理比較

2.1" " 離散量采集比較

冗余通道的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)一個(gè)通道發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)通道可以保證機(jī)電系統(tǒng)的正常工作，不會(huì)像單通道一樣，一旦離散量采集電路上的某個(gè)元器件發(fā)生故障則電路無(wú)法工作。此外，單通道采集電路的元器件是不共地的，雙余度采集電路前端的元器件是共地的，這是為了防止發(fā)生共模干擾而采取的措施。共地增加了對(duì)地阻抗，避免了共模干擾。雙余度采集電路為了防止共模干擾還增加了二極管隔離干擾。從上述分析來(lái)看，雙通道的可靠性更高。

2.2" " 模擬量采集比較

單端模擬量采集電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)；而差分模擬量采集電路相對(duì)于單端模擬量采集電路更為復(fù)雜，需要的器件也更多。差分模擬量采集是根據(jù)差分放大電路原理工作的，該電路對(duì)共模信號(hào)有抑制作用，對(duì)差模信號(hào)有放大作用，所以它因?yàn)槟芨玫匾种乒材Ｐ盘?hào)而有更好的抗干擾性。相反，單端模擬量的輸出信號(hào)易受到電源、電容耦合和其他環(huán)境的干擾。

2.3" " 電阻采集比較

在使用二線法測(cè)量電阻時(shí)，由于導(dǎo)線電阻的存在，無(wú)論線路長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)被測(cè)值產(chǎn)生影響，特別是被測(cè)電阻的阻值不是很大時(shí)，線路對(duì)電阻的精確度影響很大。四線電阻測(cè)量法也稱(chēng)為開(kāi)爾文測(cè)量。四線電阻法分兩組線路，一組用于提供恒流源，另一組負(fù)責(zé)連接被測(cè)電阻，由于連接電阻的線路電流很小，所以可以忽略壓降的影響。四線電阻通過(guò)在待測(cè)電阻的兩點(diǎn)再增加一組線路而有效避免了因?qū)Ь€壓降產(chǎn)生的精度影響。

3" " 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜的采集電路相對(duì)于簡(jiǎn)單電路增加了電路的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性。復(fù)雜的電路相比于簡(jiǎn)單電路，可靠性更高，抗干擾性更強(qiáng)，采集的數(shù)據(jù)更精確。然而，復(fù)雜的電路增加了器件數(shù)量，會(huì)提高生產(chǎn)難度和造價(jià)[4]。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2024-11-19

作者簡(jiǎn)介：閆政祺（1992—），男，遼寧人，碩士研究生，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)硬件。