CN203786221U - 一种具有两路rs485接口的能效数据采集终端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种具有两路RS485接口的能效数据采集终端，包括CPU模块，压力感应模块，流量感应模块，模数AD转换模块，以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口，按键输入模块，液晶显示屏以及电量采集模块，所述CPU模块采用ATMEL公司生产的型号为AT91RM9200的嵌入式ARM微处理器，进一步包括互为备份的两路RS485接口电路，AD转换模块的输出端通过SPI总线与AT91RM9200连接。本实用新型用以通过采用高性能的嵌入式ARM微处理器的同时采用双备份的RS485接口以供设备进行485通信，确保了能效数据采集终端485通信的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于能源监测设备技术领域，特别地涉及一种具有两路RS485接口的能效数据采集终端。
背景技术
能效是指设备实际出力与实际消耗的能量之比。它与设备自身效率，工作点、传动损失等因素有关。现有实现技术中，可通过分别测量设备用电量和设备出力，再将设备用电量和设备出力集中至某个服务器进行集中的处理，这样的处理方式会使得能效数据获取不够实时，且对于服务器来说，因为要处理大量的数据，存在效率和准确度不高的问题。对于实现能效的实时采集，难点在于设备能源数据采集，对于电量的采集技术较为成熟。
能效数据采集终端作为数据采集终端的同时，需要可以级联同类能源数据采集终端和其它具有485上行通道的智能仪表，因此很有必要进行485接口的设置，但是只设置一路485接口在接口运行故障的时候将对设备之间数据接收和发送造成影响，因此实有必要进行RS485接口的备份设置。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种具有两路RS485接口的能效数据采集终端，用以通过采用高性能的嵌入式ARM微处理器，使得在采集电量和能源数据的同时可进行设备能效的获取，同时采用双备份的RS485接口以供设备进行485通信，确保了能源数据采集终端485通信的可靠性。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：
一种具有两路RS485接口的能效数据采集终端，包括CPU模块，压力感应模块，流量感应模块，模数AD转换模块，以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口，按键输入模块，液晶显示屏，以及电量采集模块，所述CPU模块采用ATMEL公司生产的型号为AT91RM9200的嵌入式ARM微处理器，进一步包括互为备份的两路RS485接口电路，所述压力感应模块的输出端连接AD转换模块的一路输入端，所述流量感应模块的输出端连接AD转换模块的另一路输入端，AD转换模块的输出端通过SPI总线与AT91RM9200连接；所述电量采集模块采集的电流和电压信号输出端与AT91RM9200的输入端连接；所述以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口连接AT91RM9200对应的以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口端；用于能源数据采集终端的参数设置的所述按键输入模块的输出端通过串行总线连接AT91RM9200的输入端；所述AT91RM9200的输出端通过串行总线连接用于显示设置的参数、当前压力和流量数据、能源信号的值的所述液晶显示模块。
优选地，单路RS485接口电路的结构如下，采用SN65LBC184D作为主芯片，1管脚R0接收端通过第一光耦隔离单元连接CPU模块的数据接收端，4管脚DI发送端通过第二光耦隔离单元连接CPU模块的数据发送端，自动使能模块连接管脚2和3；6管脚接485总线A端；7管脚接485总线的B端。
优选地，进一步包括与CPU模块所在主板分离设置的GPRS模块，所述GPRS模块通过排针与主板连接。
优选地，所述GPRS模块采用双频纯数据工业无线模块的有方生产的M590作为主芯片。
优选地，所述压力感应模块进一步包括压力传感器，第一负载电阻和第一运算放大器，所述压力传感器具有4～20mA的标准电流信号输出端口，所述压力传感器的标准电流信号输出端串接第一负载电阻后输入至第一运算放大器，第一运算放大器的输出端连接AD转换模块的一路输入端，
优选地，所述流量感应模块进一步包括流量计，第二负载电阻和第二运算放大器，所述流量计具有4-20mA的标准电流信号输出端口，流量计的标准电流信号输出端串接第二负载电阻后输入至第二运算放大器，第二运算放大器的输出端连接AD转换模块的另一路输入端，
优选地，所述AD转换模块采用六通道16位的A/D转换器AD73360。
优选地，所述AD73360的第1管脚VINP2和第2管脚VINN1作为一路输入端连接第一运算放大器的输出端；第3管脚VINP1和第4管脚VINN1作为另一路输入端连接第二运算放大器的输出端；第6管脚REFCAP串接一端接地的第一电容C1；第7管脚ADD2接3.3V电源同时并接一端接地的第二电容C2；第8管脚AGND2串接一端接地的第一电阻R1；第9管脚DGND接地；第10管脚DVDD并接一端接地的第三电容C3和第四电容C4同时串接一端接3.3V电源的第二电阻R2，第三电阻与第五电容串联，第三电阻的另一端连接3.3V电源，第五电容另一端连接第三电容和第四电容的接地端；第11管脚RESET连接一端接3.3V电压的第四电阻同时并接一端接地的第六电容；第13管脚MCLK连接一端接地的第七电容；第14管脚连接AT91RM9200的PA1脚；第17管脚连接AT91RM9200的PA0脚；第18管脚SE串接一端接3.3V电源的第五电阻；第20管脚AVDD1接3.3V电源并串接一端接地的第八电容和第九电容。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)通过设置双备份的RS485接口以供设备进行485通信，确保了能源数据采集终端485通信的可靠性；
(2)通过采用专门针对工业应用的双频的纯数据GSM/GPRS无线模块，可提供高精度稳定的远程数据上传功能；
(3)GPRS模块采用插针与主板连接的方式进行设置，使得拆卸和维修更为方便；
(4)通过采用高性能的嵌入式ARM微处理器AT91RM9200，通过简单的外设电路即可实现多通道的数据采集和提高能源数据的处理精度；
(5)采用模块化设计的AD转换模块，使得系统在需检测的能源数据发生变化时，只需在CPU模块上设置相应的解析模式即可获得相应的能量信号，无需进行硬件上的改变；
(6)采用与能源数据采集模块中使用的AD转换模块相类似的AD转换模块获取电量数据的采集，使得电路结构的实现更为简单；
(7)能效采集终端可同时具备电量采集，能源数据采集和能效数据采集的多种功效，大大节约了用户的成本。
附图说明
图1为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端的结构框图；
图2为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端的CPU模块的AT91RM9200PQFP嵌入式ARM微处理器的电路引脚框图；
图3为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端的RS485接口的电路结构图；
图4为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端的GPRS模块的电路图；
图5为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端的AD转换模块的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。
参见图1，所示为本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能源数据采集终端的结构框图，其包括CPU模块101，压力感应模块102，流量感应模块103，模数AD转换模块111，以太网接口104，RS232接口106，红外模块107，USB接口108，按键输入模块109，液晶显示屏110，以及电量采集模块112，其中CPU模块101采用ATMEL公司生产的型号为AT91RM9200的嵌入式ARM微处理器，图2为AT91RM9200PQFP嵌入式ARM微处理器的电路引脚框图，进一步包括互为备份的两路RS485接口电路112，压力感应模块102的输出端连接AD转换模块111的一路输入端，流量感应模块103的输出端连接AD转换模块111的另一路输入端，AD转换模块111的输出端通过SPI总线与AT91RM9200连接；以太网接口104，RS232接口106，红外模块107，USB接口108双向连接AT91RM9200对应的以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口的接口端；用于能源数据采集终端的参数设置的按键输入模块109的输出端通过串行总线连接AT91RM9200的输入端；电量采集模块112采集的电流和电压信号输出端与AT91RM9200的输入端连接；AT91RM9200的输出端通过串行总线连接用于显示设置的参数、当前压力和流量数据、能源信号的值的所述液晶显示模块。其工作过程如下：其中RS232接口106，红外模块107，USB接口108用于能源数据采集终端的本地调试。压力感应模块102用于能源数据信号包括汽、气、油的压力标准电流信号的采集并将其转换成可输入至AD转换模块的电压信号，流量感应模块103用于能源数据包括汽、气、油的流量标准电流信号的采集并将其转换成可输入至AD转换模块的电压信号，AD转换模块111用于将表征压力和流量的电流信号转换成数字信号，CPU模块用于将数字信号进行处理，主要是将压力信号和流量信号进行乘积后对时间积分再乘以一个常数，从而获得能源数据信号。电量采集模块采集到设备的用电数据，通过CPU模块将设备的能源数据信号与用电数据相处即可得到设备的能效数据。以太网接口104用于采用有线电缆的方式将采集到的能源数据的向置于Internet网络上的服务器传输，RS485接口模块可级联同类能源数据采集终端和其它具有485上行通道的智能仪表。
以上实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，通过设置双备份的RS485接口以供设备进行485通信，确保了能源数据采集终端485通信的可靠性。
参见图3，所示为一具体应用实例中单路RS485接口电路的结构图，采用SN65LBC184D作为主芯片，1管脚R0接收端通过第一光耦隔离单元连接CPU模块的数据接收端，4管脚DI发送端通过第二光耦隔离单元连接CPU模块的数据发送端，自动使能模块连接管脚2和3；6管脚接485总线A端；7管脚接485总线的B端。光耦隔离单元用于电气隔离，保护CPU模块，防止CPU模块的损坏。
在其他的应用实例中，具有两路RS485接口的能源数据采集终端进一步包括与CPU模块所在主板分离设置的GPRS模块105，GPRS模块105通过排针与主板连接。在一具体应用实施例中，参见图4为本实用新型实施例的基于GPRS的远程抄表能源数据采集终端的GPRS模块的电路图，可知GPRS模块采用双频纯数据工业无线模块的有方M590作为主芯片。其中，2，3管脚VCC_MAIN为模块主电源输入端；5管脚LIGHT为工作状态指示管脚，在此管脚上通过一三极管V6的集电极连接一绿色LED，通过V6控制LED的导通用于指示GPRS模块工作状态；7管脚RXD为模块接受数据端，通过一三极管V2控制一双色二极管的导通或关断，8管脚TXD为模块发送数据通过一三极管V1控制一双色二极管的导通或关断，双色二极管闪烁用于指示GPRS的数据收发状态，14管脚SIMVCC为SIM卡电源输出管脚，连接型号为LK-1016的SIM卡模块的1，1’管脚和4，4’管脚；18管脚EMERGOFF为紧急关机引脚，连接一三极管V5控制其紧急关机，19管脚ON/OFF为开关机控制引脚，低电平开机，通过一三极管V4控制其开关机。同时，M590和SIM卡槽通过15X2插针与主板相连。通过以上GPRS模块，即可实现远端服务器对能源数据采集终端的远程抄表。
在一具体应用实施例中，压力感应模块进一步包括压力传感器，第一负载电阻和第一运算放大器，压力传感器具有4～20mA的标准电流信号输出端口，所述压力传感器的标准电流信号输出端串接第一负载电阻后输入至第一运算放大器，第一运算放大器的输出端连接AD转换模块的一路输入端，通过第一负载电阻和运算放大器，即可将压力传感器输出的标准电流信号转换成电压信号。
在一具体应用实施例中，流量感应模块进一步包括流量计，第二负载电阻和第二运算放大器，流量计具有4-20mA的标准电流信号输出端口，流量计的标准电流信号输出端串接第二负载电阻后输入至第二运算放大器，第二运算放大器的输出端连接AD转换模块的另一路输入端，通过第一负载电阻和运算放大器，即可将压力传感器输出的标准电流信号转换成电压信号。
在一具体应用实例中，AD转换模块采用六通道16位的A/D转换器AD73360，参见图5所示为AD转换模块的电路图，AD73360的第1管脚VINP2和第2管脚VINN1作为一路输入端连接第一运算放大器的输出端；第3管脚VINP1和第4管脚VINN1作为另一路输入端连接第二运算放大器的输出端；第6管脚REFCAP串接一端接地的第一电容C1；第7管脚ADD2接3.3V电源同时并接一端接地的第二电容C2；第8管脚AGND2串接一端接地的第一电阻R1；第9管脚DGND接地；第10管脚DVDD并接一端接地的第三电容C3和第四电容C4同时串接一端接3.3V电源的第二电阻R2，第三电阻R3与第五电容C5串联，第三电阻R3的另一端连接3.3V电源，第五电容C5另一端连接第三电容C3和第四电容C4的接地端；第11管脚RESET连接一端接3.3V电压的第四电阻R4同时并接一端接地的第六电容C6；第13管脚MCLK连接一端接地的第七电容C7；第14管脚连接AT91RM9200的PA1脚；第17管脚连接AT91RM9200的PA0脚；第18管脚SE串接一端接3.3V电源的第五电阻R5；第20管脚AVDD1接3.3V电源并串接一端接地的第八电容C8和第九电容C9。AD73360的具有六通道A/D转换器，每个通道均同步采样以确保通道间几乎不存在时间(相位)延迟，因此适用多通道模拟输入。通过以上设置的AD转换模块，可将压力信号和流量信号转换成CPU模块可处理的信号。
电量采集的技术较为成熟，因此本实用新型实施例在此不再赘述。在具体实现过程中，其使用的AD转换模块也可参见以上描述的实现方式，使得本实用新型实施例的AD转换模块可以模块化，既可适用于电量采集中的AD转换，也可适用于能源数据采集中的AD转换实现，将电源板上电网电压、电流分别经过电阻分压网络、电流互感器(TA)与电阻取样网络进行信号调理，再经6通道同步ADC转换器AD73360L完成三相电压、电流信号实时同步采样。电压、电流模拟信号的调理分别由电阻分压网络和TA电阻取样网络来实现，得到适中的调理信号，根据A/D输入要求，调整信号应800mV。为有效抑制高频电磁干扰信号对数据采样的影响，电压、电流调理通道的后级接入参数相同的RC低通滤波器(截止频率1591Hz，满足21次谐波采样)，保持采样前后电压、电流间的相位差一致。采样数据送至嵌入式微处理器数据处理单元，对电流、电压波形数据进行频谱分析，分离出基波分量及各次谐波分量，凭借其高速处理能力完成电参量测量、谐波分析、谐波电能计量等任务。
以上设置的能源数据采集终端，通过采用完全围绕ARM920T ARM Thumb处理器构建的系统的AT91RM9200，具有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而提供了一种低功耗、低成本、高性能单片能源数据采集终端的解决方案。AT91RM9200集成了许多标准接口，包括USB2.0全速主机和设备端口及与多数外设和在网络层广泛使用的10/100Base-T以太网媒体访问控制器(MAC)，此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、Flash卡红外线及智能卡中使用，使得可方便添加如上的RS232接口106，红外模块107，USB接口108，GPRS模块105和以太网接口104。通过以上采用AT91RM9200设置的能源数据采集终端，电路结构简单，数据处理功能强大。
在一具体应该实例中，本实用新型实施例的具有两路RS485接口的能效数据采集终端用于采集水泵的能效。其同时采集水泵的流量AI1，出口压力AI2，进口压力AI3，在采集终端内部的CPU中将水泵的出口对进口的压力差(AI2-AI3)乘以流量AI1，再对时间积分，就是水泵的出力：P＝∫(AI2-AI3)*AI1*dt，水泵用电数据Q，则水泵的能效为η＝P/Q。其具有RS485接口可级联同类能源数据采集终端和其它具有485上行通道的智能仪表，同时通过GPRS接口，设备的用电数据Q，能源数据P，以及能效η以无线方式上传至远端的数据服务器。
在另一具体应用实例中，应用于风机出力的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，流量计采用具有4-20mA标准电流信号输出的旋进旋涡流量计进行空气流量的检测，本领域内技术人员应该可以理解的是，另外的，如采用孔板加差压流量变送器，涡街流量计，阿牛巴流量计，热式气体流量计，质量流量计具有4-20mA标准电流信号输出的适用于空气流量检测的流量计即可用于本实用新型实施例中。压力传感器用来测量风机的空气压力，AD转换模块一路采集流量计的流量信号，一路用于采集压力信号，嵌入式未处理器模块内部通过流量与压力进行时间积分并乘以效率常数，即可得到风机出力的能量信号，同时再通过电量采集模块再获取风机的用电量，即可实时的测算出风机的能效数据。其具有RS485接口可级联同类能源数据采集终端和其它具有485上行通道的智能仪表，同时通过GPRS接口，设备的用电数据，能源数据，以及能效可通过GPRS接口以无线方式上传至远端的数据服务器。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，包括CPU模块，压力感应模块，流量感应模块，模数AD转换模块，以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口，按键输入模块，液晶显示屏，以及电量采集模块，所述CPU模块采用ATMEL公司生产的型号为AT91RM9200的嵌入式ARM微处理器，进一步包括互为备份的两路RS485接口电路，所述压力感应模块的输出端连接AD转换模块的一路输入端，所述流量感应模块的输出端连接AD转换模块的另一路输入端，AD转换模块的输出端通过SPI总线与AT91RM9200连接；所述电量采集模块采集的电流和电压信号输出端与AT91RM9200的输入端连接；所述以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口连接AT91RM9200对应的以太网接口，RS232接口，红外模块，USB接口端；用于能源数据采集终端的参数设置的所述按键输入模块的输出端通过串行总线连接AT91RM9200的输入端；所述AT91RM9200的输出端通过串行总线连接用于显示设置的参数、当前压力和流量数据、能源信号的值的所述液晶显示模块。
2.根据权利要求1所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，单路RS485接口电路的结构如下，采用SN65LBC184D作为主芯片，1管脚R0接收端通过第一光耦隔离单元连接CPU模块的数据接收端，4管脚DI发送端通过第二光耦隔离单元连接CPU模块的数据发送端，自动使能模块连接管脚2和3；6管脚接485总线A端；7管脚接485总线的B端。
3.根据权利要求1所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，进一步包括与CPU模块所在主板分离设置的GPRS模块，所述GPRS模块通过排针与主板连接。
4.根据权利要求3所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，所述GPRS模块采用双频纯数据工业无线模块的有方生产的M590作为主芯片。
5.根据权利要求1所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其 特征在于，所述压力感应模块进一步包括压力传感器，第一负载电阻和第一运算放大器，所述压力传感器具有4～20mA的标准电流信号输出端口，所述压力传感器的标准电流信号输出端串接第一负载电阻后输入至第一运算放大器，第一运算放大器的输出端连接AD转换模块的一路输入端。
6.根据权利要求1至5任一所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，所述流量感应模块进一步包括流量计，第二负载电阻和第二运算放大器，所述流量计具有4-20mA的标准电流信号输出端口，流量计的标准电流信号输出端串接第二负载电阻后输入至第二运算放大器，第二运算放大器的输出端连接AD转换模块的另一路输入端。
7.根据权利要求1至5任一所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，所述AD转换模块采用六通道16位的A/D转换器AD73360。
8.根据权利要求7所述的具有两路RS485接口的能效数据采集终端，其特征在于，所述AD73360的第1管脚VINP2和第2管脚VINN1作为一路输入端连接第一运算放大器的输出端；第3管脚VINP1和第4管脚VINN1作为另一路输入端连接第二运算放大器的输出端；第6管脚REFCAP串接一端接地的第一电容C1；第7管脚ADD2接3.3V电源同时并接一端接地的第二电容C2；第8管脚AGND2串接一端接地的第一电阻R1；第9管脚DGND接地；第10管脚DVDD并接一端接地的第三电容C3和第四电容C4同时串接一端接3.3V电源的第二电阻R2，第三电阻与第五电容串联，第三电阻的另一端连接3.3V电源，第五电容另一端连接第三电容和第四电容的接地端；第11管脚RESET连接一端接3.3V电压的第四电阻同时并接一端接地的第六电容；第13管脚MCLK连接一端接地的第七电容；第14管脚连接AT91RM9200的PA1脚；第17管脚连接AT91RM9200的PA0脚；第18管脚SE串接一端接3.3V电源的第五电阻；第20管脚AVDD1接3.3V电源并串接一端接地的第八电容和第九电容。
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|---|---|---|---|---|
| CN105404257A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-03-16 | 苏州新宏博智能科技股份有限公司 | 模块化数据采集装置 |
| CN111262173A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-09 | 重庆西威电气有限公司 | 一种多功能显控仪表及配电柜 |
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