信号源仿真装置和系统.pdf

《信号源仿真装置和系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号源仿真装置和系统.pdf（11页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202022614781.7 (22)申请日 2020.11.12 (73)专利权人 北京群源电力科技有限公司 地址 100000 北京市北京经济技术开发区 科创十三街29号院一区2号楼13层 1302-25 (72)发明人 支源杨敏吴磊 (74)专利代理机构 成都顶峰专利事务所(普通 合伙) 51224 代理人 曾凯 (51)Int.Cl. G05B 17/02(2006.01) (54)实用新型名称 一种信号源仿真装置和系统 (57)摘要 本实用新型属于仿真控制技术领域， 公。

2、开了 一种信号源仿真装置和系统， 包括： 信号输出设 备以及控制设备， 信号输出设备上行与控制设备 通信连接； 信号输出设备包括隔离电源电路、 DAC 输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护电路以 及输出信号切换电路； 所述隔离电源电路分别与 所述DAC输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护 电路以及输出信号切换电路电连接； 所述DAC输 出电路和所述无源电流输出电路分别与所述输 出保护电路的第一端电连接， 所述输出保护电路 的第二端与所述信号切换电路电连接。 本实用新 型可以满足电压信号、 有源电流信号以及无源电 流信号多种信号的输出需求； 通过控制设备结合 信号输出设备的方式可以实现对。

3、多种类型温度 传感器的信号模拟。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 212341697 U 2021.01.12 CN 212341697 U 1.一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述装置包括： 信号输出设备以及控制设备， 所 述信号输出设备上行与所述控制设备通信连接； 所述信号输出设备包括隔离电源电路、 DAC 输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护电路以及输出信号切换电路； 所述隔离电源电路分 别与所述DAC输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护电路以及输出信号切换电路电连接； 所述DAC输出电路和所述无源电流输出电路分别与所述输出保护电路的第一端电连接， 所 述输出保护。

4、电路的第二端与所述信号切换电路电连接。 2.根据权利要求1所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述信号输出设备还包 括： 数字隔离电路， 所述数字隔离电路分别与所述隔离电源电路和所述DAC输出电路电连 接。 3.根据权利要求2所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述信号源仿真装置还包 括通道诊断模块， 所述通道诊断模块分别与所述隔离电源电路、 所述DAC输出电路以及所述 无源电流输出电路电连接。 4.根据权利要求1所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述无源电流输出电路包 括： 变送器芯片， 所述变送器芯片的IIN端口与采样电阻电连接， 所述变送器芯片的IO端口 分别与所述输。

5、出保护电路和所述信号切换电路电连接， 所述变送器芯片的V+端口、 B端口以 及E端口分别与所述输出保护电路电连接。 5.根据权利要求1所述信号源仿真装置， 其特征在于， 所述输出保护电路包括电压保护 电路、 有源电流保护电路和无源电流保护电路， 所述电压保护电路和所述有源电流保护电 路分别与所述DAC输出电路电连接， 所述无源电流保护电路与所述无源电流输出电路电连 接。 6.根据权利要求1所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述控制设备包括微控制 单元和人机交互界面， 所述微控制单元为MCU或FPGA， 所述微控制单元包括存储器和处理 器， 所述存储器、 处理器与所述人机交互界面通信连接。

6、； 所述处理器还与所述信号输出设备 通信连接。 7.根据权利要求6所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述存储器包括ROM存储 器和RAM存储器， 所述ROM存储器中配置有电压信号的分度表、 校准参数和软件代码， 系统上 电时， 所述分度表、 校准参数和软件代码自动传输到所述RAM存储器。 8.根据权利要求7所述的一种信号源仿真装置， 其特征在于， 所述仿真装置还包括校准 单元， 所述校准单元包括精度检测设备， 所述校准单元通过所述软件代码、 人机交互界面以 及所述精度检测设备生成校准表， 所述校准表存储在所述ROM存储器中。 9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种信号源仿真装置， 其。

7、特征在于， 所述信号输出 设备下行与外部信号采集设备的通道输入接口电连接。 10.一种信号源仿真系统， 其特征在于， 包括多个如权利要求1所述一种信号源仿真装 置， 多个所述信号源仿真装置的信号输出设备共用板卡背板或者多个信号输出设备的机箱 共用同步电缆， 多个所述信号输出设备间通过同步电路进行同步触发控制。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212341697 U 2 一种信号源仿真装置和系统 技术领域 0001 本实用新型属于仿真控制技术领域， 具体涉及一种信号源仿真装置和系统。 背景技术 0002 信号采集设备集成在分散控制系统(DCS)与可编程控制系统(PLC)等工业控制系 统中非常常。

8、见的一种设备。 DCS与PLC等工业控制系统在进行系统级的仿真测试验证和模块 级测试验证时， 需要多种信号源设备提供可自动控制的信号输入。 0003 传统方式中， 信号采集设备应用于对工业系统中反应堆现场的工业设备的温度检 测， 然后对温度传感器的信号进一步的进行检测分析。 然而， 此种方式在工厂无法改变现场 设备的温度， 因此无法实现信号采集设备的应用测试。 0004 随着技术的发展， 出现了能够模拟信号源仿真装置， 现有的仿真装置采用的技术 方案为： 采用单一的信号源输出信号， 然而这种方式无法实现多种类型的信号源的仿真需 求； 此外， 信号源与调理电路分开设计， 采用两级校准的校准方式，。

9、 即将信号源与调理模块 分开进行校准， 然而， 这种校准方式中的调理模块只能进行手动校准， 容易受到环境的影响 导致稳定性比较差。 实用新型内容 0005 本实用新型的目的在于提供一种信号源仿真装置和系统， 用以解决现有技术中仿 真装置的信号源输出信号单一， 无法满足多种类型信号源的输出信号应用测试且其校准方 式效果较差的技术问题。 0006 为了实现上述目的， 本实用新型采用以下的技术方案： 0007 一种信号源仿真装置， 所述装置包括： 信号输出设备以及控制设备， 所述信号输出 设备上行与所述控制设备通信连接； 所述信号输出设备包括隔离电源电路、 DAC输出电路、 无源电流输出电路、 有源。

10、电流输出电路、 电压输出电路、 输出保护电路以及输出信号切换电 路； 所述隔离电源电路分别与所述DAC输出电路、 无源电流输出电路、 有源电流输出电路、 电 压输出电路、 输出保护电路以及输出信号切换电路电连接； 所述DAC输出电路和所述无源电 流输出电路分别与所述输出保护电路的第一端电连接， 所述输出保护电路的第二端与所述 信号切换电路电连接。 0008 进一步的， 所述信号输出设备还包括： 数字隔离电路， 所述数字隔离电路分别与所 述隔离电源电路和所述DAC输出电路电连接。 0009 进一步的， 所述信号源仿真装置还包括通道诊断模块， 所述通道诊断模块分别与 所述隔离电源电路、 所述DAC。

11、输出电路以及所述无源电流输出电路电连接。 0010 进一步的， 所述无源电流输出电路包括： 变送器芯片， 所述变送器芯片的IIN端口 与采样电阻电连接， 所述变送器芯片的IO端口分别与所述输出保护电路和所述信号切换电 路电连接， 所述变送器芯片的V+端口、 B端口以及E端口分别与所述输出保护电路电连接。 0011 进一步的， 所述输出保护电路包括电压保护电路、 有源电流保护电路和无源电流 说明书 1/5 页 3 CN 212341697 U 3 保护电路， 所述电压保护电路和所述有源电流保护电路分别与所述DAC输出电路电连接， 所 述无源电流保护电路与所述无源电流输出电路电连接。 0012 进。

12、一步的， 所述控制设备包括微控制单元和人机交互界面， 所述微控制单元为MCU 或FPGA， 所述微控制单元包括存储器和处理器， 所述存储器、 处理器与所述人机交互界面通 信连接； 所述处理器还与所述信号输出设备通信连接。 0013 进一步的， 所述存储器包括ROM存储器和RAM存储器， 所述ROM存储器中配置有电压 信号的分度表、 校准参数和软件代码， 系统上电时， 所述分度表、 校准参数和软件代码自动 传输到所述RAM存储器。 0014 进一步的， 所述仿真装置还包括校准单元， 所述校准单元包括精度检测设备， 所述 校准单元通过所述软件代码、 人机交互界面以及所述精度检测设备生成校准表， 所。

13、述校准 表存储在所述ROM存储器中。 0015 进一步的， 所述信号输出设备下行与外部信号采集设备的通道输入接口电连接。 0016 本实用新型还提供一种信号源仿真系统， 包括多个如上所述的一种信号源仿真装 置， 多个所述信号源仿真装置的信号输出设备共用板卡背板或者多个信号输出设备的机箱 共用同步电缆， 多个所述信号输出设备间通过同步电路进行同步触发控制。 0017 本实用新型的有益效果为： 通过设置DAC输出电路和无源信号输出电路， 可以满足 电压信号、 有源电流信号以及无源电流信号多种类型的信号的输出需求； 同时分别在DAC输 出电路和无源信号输出端接入输出保护电路， 以保证电路不会发生短路。

14、、 过流、 过压等线路 问题； 此外， 还设有输出信号切换电路， 可以根据外部信号采集设备的需求输出相对应的信 号类型； 通过精度检测设备结合控制设备和信号输出设备的方式能够对该信号输出设备进 行校准， 校准方式简单， 准确率高； 通过控制设备结合信号输出设备的方式可以实现对多种 类型的温度传感器的信号模拟。 附图说明 0018 图1是本实用新型实施例中的信号源仿真装置的结构示意图； 0019 图2是本实用新型实施例中的信号输出设备的电路结构图； 0020 图3是本实用新型实施例中的DAC输出电路的电路结构图； 0021 图4是本实用新型实施例中的无源电流输出电路的电路结构图； 0022 图5。

15、是本实用新型实施例中的输出保护电路的电路结构图； 0023 图6是本实用新型实施例中的信号切换电路的电路结构图； 0024 图7是本实用新型实施例中的数字隔离电路的电路结构图。 具体实施方式 0025 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做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。 0026 需要说明的是， 在本文中， 诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操。

16、作与另一个实体或操作区分开来， 而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 说明书 2/5 页 4 CN 212341697 U 4 在任何这种实际的关系或者顺序。 而且， 术语 “包括” 、“包含” 或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、 方法、 物品或者设备不仅包括那些要 素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是还包括为这种过程、 方法、 物品或者设备 所固有的要素。 0027 实施例一 0028 请结合参见图1-7所示的， 一种信号源仿真装置， 所述装置包括： 信号输出设备以 及控制设备， 所述信号输出设备上行与所述控制设备通信连接； 所述信号。

17、输出设备包括隔 离电源电路、 DAC输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护电路以及输出信号切换电路； 所述 隔离电源电路分别与所述DAC输出电路、 无源电流输出电路、 输出保护电路以及输出信号切 换电路电连接； 所述DAC输出电路和所述无源电流输出电路分别与所述输出保护电路的第 一端电连接， 所述输出保护电路的第二端与所述信号切换电路电连接。 优选的， 所述信号输 出设备还包括： 数字隔离电路， 所述数字隔离电路分别与所述隔离电源电路和所述DAC输出 电路电连接。 0029 在本实用新型实施例中， 优选的， 所述信号输出设备下行与外部信号采集设备的 通道输入接口电连接。 优选的， 所述信号输。

18、出设备的输出端的接入方式包括二线制、 三线制 和四线制中的一种或多种。 其中， 当输出端的接入方式为二线制时， 端口接入V+、 V-或I+、 I-； 当输出端的接入方式为三线制时， 端口接入V+、 V-、 I-； 当输出端的接入方式为四线制 时， 端口接入V+、 V-、 I+、 I-。 0030 在本实用新型实施例中， 请参见图3， 为本实用新型实施例中DAC输出电路的电路 结构图， 所述DAC输出电路用于实现数字信号转换为模拟信号， 经过DAC芯片转换之后， 可以 输出电压信号或/和有源电流信号， 并且， 输出信号支持不同的量程选择， 例如： 10V， 0- 5V， 4-20mA， 0-20。

19、mA， 0-24mA等， 可以根据需求设置， 具体不做限定。 0031 在本实用新型实施例中， 请参见图4， 为本实用新型实施例中无源电流输入电路的 电路结构图， 所述无源电流输出电路包括： 变送器芯片， 所述变送器芯片的IIN端口与采样 电阻电连接， 所述变送器芯片的IO端口分别与所述输出保护电路和所述信号切换电路电连 接， 所述变送器芯片的V+端口、 B端口以及E端口分别与所述输出保护电路电连接。 所述无源 电流输出电路用于将电压信号转换为无源电流信号， 并输出至外部信号采集设备， 为所述 外部信号采集设备提供了多种信号输出类型。 0032 在本实用新型实施例中， 请参见图5， 为本实用新。

20、型实施例中输出保护电路的电路 结构图， 所述输出保护电路包括电压保护电路、 有源电流保护电路和无源电流保护电路， 所 述电压保护电路和所述有源电流保护电路分别与所述DAC输出电路电连接， 所述无源电流 保护电路与所述无源电流输出电路电连接。 所述输出保护电路用于提供输出电路短路、 过 流、 过压等保护功能， 同时提供输出端和接收端电气冲突时的保护功能。 0033 在本实用新型实施例中， 请参见图6， 为本实用新型实施例中信号切换电路的电路 结构图， 其中， 所述信号切换电路包括支持电压输出的切换电路、 支持有源电流输出的切换 电路以及支持无源电流输出的切换电路， 分别连接在所述电压输出端、 有。

21、源电流输出端和 无源电流输出端。 用于根据外部信号采集设备的需求提供相应类型的输出信号。 0034 在本实用新型实施例中， 请参见图7， 为本实用新型实施例中数字隔离电路的电路 结构图， 所述数字隔离电路用于提供模拟量和数字量的隔离路径， 防止通道间相互干扰。 说明书 3/5 页 5 CN 212341697 U 5 0035 在本实用新型实施例中， 所述控制设备包括微控制单元和人机交互界面， 所述微 控制单元为MCU或FPGA， 所述微控制单元包括存储器和处理器， 所述存储器、 处理器与所述 人机交互界面通信连接； 所述处理器还与所述信号输出设备通信连接。 优选的， 所述存储器 包括ROM存。

22、储器和RAM存储器， 所述ROM存储器中配置有电压信号的分度表、 校准参数和软件 代码， 系统上电时， 所述分度表、 校准参数和软件代码自动传输到所述RAM存储器。 优选的， 所述仿真装置还包括校准单元， 所述校准单元包括精度检测设备， 所述校准单元通过所述 软件代码、 人机交互界面以及所述精度检测设备生成校准表， 所述校准表存储在所述ROM存 储器中。 0036 在本实用新型实施例中， 为了满足各种输出信号的高精度模拟， 需要对输出信号 进行校准， 并建立校准表。 此处主要是对电压信号进行校准， 并建立电压信号校准表。 0037 作为本实用新型一个可实现的方式， 在对待输出的电压信号进行校准。

23、后， 进一步 的对不同类型的温度传感器进行模拟， 例如变送器、 热电偶、 热电阻等。 此处举例对热电偶 进行模拟， 且电压范围-50mV， 75mV， 因此为了兼容该信号类型， 系统特别针对热电偶输出 信号类型为电压， 不同类型的热电偶(K、 E、 S、 N、 T、 B、 R、 J)有不同的分度表， 分度表主要包括 不同温度对应的电压值， 各种类型的热电偶测温范围内输出电压范围都在-50mV， 75mV， 为了实现热电偶模拟， 需要对各种类型的热电偶进行分度表管理， 为此硬件专门设计了ROM 存储器用于固化各种类型的分度表和校准参数， 同时为了加快查找分度表查找和校准参数 计算的效率， 硬件设。

24、计了RAM存储器。 在系统上电后， 自动拷贝ROM数据到RAM。 具体的模拟过 程如下： 0038 1、 用户在人机交互界面设置模拟的热电偶类型： Type； 0039 2、 用户在人机交互界面设置模拟的热电偶温度： Temp； 0040 3、 控制设备根据Type和Temp， 调用对应的分度表， 并查找该分度标下Temp对应的 温度区间(Tm， Tm+1)， 以及该区间对应的电压范围Vm， Vm+1； 0041 4、 通过线性算法,结合Temp、 Tm， Tm+1、 Vm， Vm+1， 计算Temp的实际电压值： Vtemp； 0042 5、 查找校准表,找到最接近Vtemp电压的DAC控制。

25、值并输出。 0043 在本实用新型实施例中， 优选的， 所述信号源仿真装置还包括通道诊断模块， 所述 通道诊断模块分别与所述隔离电源电路、 所述DAC输出电路以及所述无源电流输出电路电 连接。 具体的， 所述通道诊断模块对通道输出进行检测， 主要包括电源诊断， 输出诊断等功 能。 具体的， 电源诊断包括： 对每个通道的隔离电源电压进行过压和欠压监视， 保证每个通 道的供电系统正常， 当电压超过相关阈值， 可立即实现通道故障报警； 输出诊断包括： 主要 是通过DAC自身的Fault引脚判断通道输出状态， 比如电流输出模式下的通道断路， 电压输 出模式下的通道短路等； 当Fault引脚为高时， 表。

26、示通道存在异常， 然后通过DAC命令可详细 获取具体的通道异常信息。 0044 实施例二 0045 本实用新型实施例还提供一种信号源仿真系统， 包括多个如上所述的一种信号源 仿真装置， 多个所述信号源仿真装置的信号输出设备共用板卡背板或者多个信号输出设备 的机箱共用同步电缆， 多个所述信号输出设备间通过同步电路进行同步触发控制。 0046 上述信号源仿真系统能够用于多通道的同时模拟和仿真控制， 通过板间硬同步功 说明书 4/5 页 6 CN 212341697 U 6 能， 通过以下原理实现： 0047 1、 板卡共享背板或机箱同一条同步电缆， 所有板卡可同时收到来自主控制卡发出 的同步信号；。

27、 0048 2、 设置通道输出为同步信号触发输出模式； 0049 3、 设置各通道期望值； 0050 4、 主控输出同步信号， 触发所有设置为同步输出模式的板卡输出。 0051 其中， 各通道的同步电路采用1010M高速隔离光耦设计， 同步误差1us。 0052 本实用新型不局限于上述可选实施方式， 任何人在本实用新型的启示下都可得出 其他各种形式的产品， 但不论在其形状或结构上作任何变化， 凡是落入本实用新型权利要 求界定范围内的技术方案， 均落在本实用新型的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 212341697 U 7 图1 图2 说明书附图 1/4 页 8 CN 212341697 U 8 图3 图4 说明书附图 2/4 页 9 CN 212341697 U 9 图5 说明书附图 3/4 页 10 CN 212341697 U 10 图6 图7 说明书附图 4/4 页 11 CN 212341697 U 11 。