[0001] 本发明属于数据采集技术领域，具体涉及一种数据采集装置。

[0002] 振弦式传感器采集装置是一种常见的数据采集装置，其通过激发振弦式传感器中的振弦振动，然后测量振弦振动的频率，由于振弦的频率与所受的物理量(如压力、应变、位移、温度等)存在特定的关系，数据采集装置根据预先确定的数学模型将测量到的频率转换为对应的物理量数值。

[0003] 振弦类传感器一般都安装在室外，通过有线的方式接入数据采集装置的振弦传感器采集接口。室外传感器容易受到雷电影响和破坏，从而导致振弦式传感器采集装置损坏，设备失效。目前大部分振弦式传感器采集装置都内置了防雷器件或采用外部防雷器，有一定的防雷抗浪涌能力。但是，目前行业内的多通道振弦式传感器采集装置在产品设计上普遍存在如下问题：(1)浪涌脉冲能量泄放慢，只有一级的TVS(瞬态电压抑制二极管)管防护或二级的TVS加GDT(陶瓷气体放电管)防护；(2)需要对每一路振弦数据采集通道做多级同等防护，不仅成本高昂，且增加了设备体积；因此，有必要对现有技术进行改进。

[0004] 此外，现有振弦式传感器采集装置一般包括有主控模块、电源模块、起振模块、拾振模块、振弦传感器采集接口以及NTC阻值采集模块等，但是未设置有网关模块。振弦式传感器采集装置由于不具有网络连接管理、协议转换等功能，使用时需要通过外接的主控网关与监测平台或者其他设备相连，组网和通信方式较为麻烦，因此，有必要增加拓展板，以增加网关功能。

[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0047] 实施例

[0048] 如图1所示，一种数据采集装置，为振弦式传感器采集装置，其包括基板和拓展板。

[0049] 如图2所示，基板包括主控模块一和均与主控模块一相连的起振模块、拾振模块、振弦传感器采集接口模块、NTC阻值采集模块、电源模块一、RS485接口模块一、LED指示灯一、调试与烧录接口模块一。

[0050] 起振模块、拾振模块、NTC阻值采集模块均与振弦传感器采集接口模块相连。振弦传感器采集接口模块是与外部振弦式传感器连接的接口，主控模块一通过该接口读取传感器的频率信息和温度信息。具体如下，主控模块一产生不同频率的PWM脉冲，经过起振模块后，输出+5V和‑5V的脉冲，通过振弦传感器采集接口对传感器进行扫频激励，当激励脉冲的频率与传感器内的振弦频率接近时，振弦发生振动，并产生特定频率的正弦波信号，正弦波信号进入振弦传感器采集接口后，拾振模块进行运放、滤波操作，并将正弦波信号转换成电平脉冲信号，主控模块一通过对电平脉冲信号进行捕获和计算，得到频率信息。起振模块的电路原理图详见图7，拾振模块的电路原理图详见图8。主控模块一通过NTC阻值采集模块监测NTC热敏电阻的阻值，并根据NTC热敏电阻阻值与温度之间的特定关系计算出温度值。

[0051] 如图3所示，NTC阻值采集模块包括定值电阻一、定值电阻二、NTC热敏电阻以及开关模块。定值电阻一和NTC热敏电阻串联构成测试电路一，定值电阻二和NTC热敏电阻串联构成测试电路二。本实施例中，定值电阻一的阻值为10kΩ，定值电阻二的阻值为1kΩ。

[0052] 电源模块一和主控模块一均与开关模块相连，开关模块在主控模块一的控制作用下，执行通断动作，将电源模块一的输出电压加载到测试电路一或者测试电路二。本实施例中，开关模块为模拟开关，其型号为TS5A3160DBVR。主控模块的电路原理图详见图5，电源模块一的电路原理图详见图6。电源模块一将交流电转换成直流电，具备空气开关(断路器)，防止电力过大，还具备电源防雷模块，防止来自电源线的雷击浪涌对设备产生破坏，还具备交流稳压器(电源净化器)，减少交流电中的噪声和防浪涌。

[0053] NTC热敏电阻连接定值电阻一和定值电阻二的一端与主控模块一的信号采集端相连，另一端接地设置。主控模块一通过ADC采集NTC热敏电阻两端的电压。

[0054] NTC阻值采集模块的工作原理为：

[0055] 首先，主控模块一控制开关模块动作，将电源模块一的输出电压加载到测试电路一，同时，主控模块一通过ADC采集NTC热敏电阻两端的电压。由于定值电阻一的阻值为10kΩ＝10000Ω，得到公式(1)：

[0056] v/(10000+r)＝v1/r, 推导得出：vr＝v1(10000+r) (1)

[0057] 其中，v为加载在整个电路的电压值，r为NTC热敏电阻阻值，v1为串联10KΩ电阻时测得的NTC热敏电阻阻值两端电压值。

[0058] 然后，主控模块一控制开关模块动作，将电源模块一的输出电压加载到测试电路二，测试电路一断开，同时，主控模块一通过ADC采集NTC热敏电阻两端的电压。由于定值电阻二的阻值为1kΩ＝1000Ω，得到公式(2)：

[0059] v/(1000+r) ＝v2/r, 推导得出：vr＝v2(1000+r) (2)

[0060] 其中，v2为串联1KΩ电阻时测得的NTC热敏电阻阻值两端电压值。

[0061] 最后，由公式(1)和公式(2)，可推导出公式(3)、(4)、(5)、(6)：

[0062] v1(10000+r) ＝v2(1000+r) (3)

[0063] 10000*v1+v1*r＝1000*v2+v2*r (4)

[0064] 10000*v1‑1000*v2＝(v2‑v1)r (5)

[0065] 最终得出：r＝(10000*v1‑1000*v2)/(v2‑v1)(6)

[0066] 由公式(6)可看出，r计算过程中，并不需要引入v，变量只有v1和v2，而v1和v2均由同一主控模块一通过ADC采集获得，避免了器件一致性的问题。

[0067] 现有技术中，NTC阻值采集模块的测量方式为：将NTC串联一个10KΩ电阻，然后使用ADC采集落在NTC热敏电阻两端的电压，进而计算热敏电阻当前阻值。其中，v为加载在整个电路中的电压，r为当前NTC热敏电阻的阻值，v1为落在NTC热敏电阻两端的电压，根据公式U＝IR以及v＝((v‑v1)/10000)*r，推导得出：r＝10000*v/(v‑v1)。

[0068] 由此可见，计算r需要知道v和v1的值，v1可以由ADC采集得到，而v则是通过外围电路(DC‑DC降压器件)得到，由于外围电路的器件一致性的问题(例如电阻阻值的误差)，每个设备通过硬件电路得出的电压v会存在一定的偏差，但往往在编写软件的时候，v取一个固定值，导致最终计算的r与实际的NTC热敏电阻阻值存在较大误差。

[0069] 相较于现有技术，本发明不需要测出测量电路总电压v，也可测量出NTC热敏电阻的阻值，避免了现有技术采用测量电路总电压v计算NTC阻值而导致检测误差大的问题，有效提高了NTC电阻值测量的准确性。此外，本发明提出的检测电路还具有结构简单、成本低、稳定性强等优点，能够适用于各种条件下的应用场景，具有较好的实用性。

[0070] 如图2、9、10所示，基板还包括采集通道选择模块和三级防雷抗浪涌模块。振弦传感器采集接口模块具有多个采集通道，并连接有用于选择对应采集通道开启或者关闭的采集通道选择模块，采集通道选择模块与主控模块一相连。每个采集通道均可通过一定数量的信号线连接一个振弦传感器。

[0071] 三级防雷抗浪涌模块包括多个第一级TVS防护电路、第二级MOV防护电路、第三级GDT防护电路、限流器件以及接地电路。多个第一级TVS防护电路分别与多个采集通道相连。第二级MOV防护电路、第三级GDT防护电路以及限流器件并联设置，构成共用电路。共用电路连接在多个第一级TVS防护电路的后级，并与接地电路相连。

[0072] 由第一级TVS防护电路、限流器件、第二级MOV防护电路、第三级GDT防护电路组成的抗浪涌保护电路，承受与振弦式传感器相连的信号线上感应的浪涌脉冲，防止浪涌脉冲进入通道选择电路，并通过接地保护电路泄放浪涌脉冲能量。

[0073] 其中，第一级TVS防护电路包括至少两个TVS，采集通道连接有两根或者四根信号线，每根信号线均并联有TVS。本实施例中，采集通道通过四根信号线连接振弦式传感器，每根信号线均并联一个TVS。第二级MOV防护电路包括MOV，第三级GDT防护电路包括GDT，限流器件为限流电阻，MOV、GDT、限流电阻并联设置，其一端与多个采集通道的TVS相连，另一端与接地电路相连。

[0074] 三级防雷电路由GDT、MOV、限流器件并联后串联TVS组成，采集通道连接的多根信号线分别与多个TVS进行连接，由于导通响应速度TVS>MOV>GDT，当浪涌脉冲能量经过防雷抗浪涌电路时，电压首先达到TVS的钳位电压，TVS先导通，但因为有限流器件的存在，限流器件两端的电压会逐步升高，当到达MOV的钳位电压时，MOV接着导通，开始泄放浪涌脉冲能量，如能量不能再极短时间内泄放完毕，限流器件两端电压继续升高，直至到达GDT的击穿电压，此时GDT导通，泄放大量的浪涌脉冲能量。

[0075] 连接振弦式传感器的每根信号线通过并联TVS串联进第二级和第三级防护电路，因TVS的钳位电压大于振弦式传感器信号电压，所以在正常使用的时候，不会对通道选择电路产生任何影响。当信号线缠上感应的浪涌脉冲时，信号线与大地的电压高于TVS的钳位电压，TVS导通，把浪涌脉冲能量引流至第二级、第三级防护电路中，从而保护通道选择电路的安全。

[0076] 限流器件通常使用大阻值电阻，其主要作用是抬高限流器件两端电压，从而使得并联的MOV与GDT两端的电压高于MOV的钳位电压和GDT的击穿电压，从而使得第二级、第三级防护电路导通，泄放能量。

[0077] 当MOV两端电压高于MOV的钳位电压时，MOV的响应时间为几十纳秒，MOV由高阻态变为导通状态，从而使浪涌脉冲能量流入接地电路。

[0078] 当GDT两端电压高于GDT的击穿电压时，GDT的响应时间为几百纳秒，GDT由高阻态变为导通状态，从而使浪涌脉冲能量流入接地电路。GDT的响应速度慢于MOV，但泄放速度高于MOV，因此GDT作为第三级防护配合MOV进行浪涌脉冲能量的泄放。

[0079] 接地电路，用于将浪涌脉冲能量引流至大地，保护设备和线路的安全。

[0080] 通道选择模块，主控模块一根据主控网关下发的指令，控制指定的采集通道与起振模块、拾振模块进行连接，其他通道的连接则会全部断开。本实施例中，使用继电器控制信号线与数据采集装置的连接通断。在不需要振弦式传感器工作的时候，断开信号线与数据采集装置的连接，即使有浪涌脉冲能量从信号线传来，也能保障采数据采集装置的安全。当需要采集该通道的数值时，控制继电器接通对应信号线与数据采集装置的连接，采集完成后，控制继电器断开对应信号线与数据采集装置的连接。

[0081] 本发明采用三级防雷抗浪涌设计，解决振弦数据采集装置户外安装遭雷击时设备易损坏、浪涌脉冲能量泄放慢的问题，保证设备设施的安全，有效降低发生安全事故的风险。振弦传感器采集接口模块具有多个采集通道，多个采集通道共享第二级、第三级防雷保护电路，在保证功能的同时，大大降低了设备的生产成本和体积。

[0082] 下面对基板的其他模块的功能进行简单阐述：

[0083] RS485接口模块一，用于接收主控网关(拓展板)下发的指令和配置信息，其电路原理图详见图4。

[0084] LED指示灯一，用于指示工作状态，待机时慢闪，进行频率采集、NTC电阻阻值检测工作时常亮。

[0085] 调试与烧录接口模块一，用于程序调试和程序烧录。

[0086] 如图11所示，拓展板包括RS485接口模块二、以太网接口模块、4G模块、LoRa模块、主控模块二、雨量计模块、调试与烧录接口模块二、存储模块、LED指示灯二。RS485接口模块二、以太网接口模块、4G模块、LoRa模块、雨量计模块、调试与烧录接口模块二、存储模块、LED指示灯二均与主控模块二相连，RS485接口模块二与所述RS485接口模块一相连，实现基板和拓展板之间的通信。

[0087] 本发明提供的拓展板，配备有RS485接口模块二、以太网接口模块、4G模块、LoRa模块以及主控模块二，具有丰富的通信方式，用于安装在数据采集装置内作为主控网关使用，使得数据采集装置可以直接与监测平台或者其他设备相连，而不需要外接网关，能够有效解决现有振弦式传感器采集装置组网和通信不便的问题。

[0088] 为了保障RS485接口模块二的正常运行和安全，接口需要进行防雷隔离设计。防雷隔离设计可以提高系统的稳定性和可靠性，即使在遭受雷击或其他瞬态干扰时，也能保证通信的正常进行，减少设备故障和数据丢失的风险。现有技术中，RS485端口防雷浪涌保护电路包括设置在RS485串口与网卡芯片之间的一级保护电路与二级保护电路，还包括设置在RS485串口与RS485供电芯片之间的串口隔离电源。其中，一级保护电路采用陶瓷气体放电管GDT，能承受大的浪涌电流，二级保护电路采用TVS管，在PS级时间范围内对浪涌电压产生响应，电源采用DC/DC隔离模块。当雷电等浪涌到来时，TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平，如果浪涌电流大，两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地，通过该电路结构可以有效泄放浪涌电流，吸收浪涌能量，提升了整体的防浪涌等级，从而有效保护了物联网网关芯片等电子元器件，使其不会因浪涌电流受损。但是，上述RS485端口防雷浪涌保护电路由于没有设置保险丝或者熔断器等保护器件，当电流过大使得GDT保护电路(即一级保护电路)与TVS保护电路(即二级保护电路)失效时，还是会对RS485端口或者设备造成损坏，保护效果欠佳，因此有必要对现有保护电路进行改进。

[0089] 如图12‑13所示，本申请中，RS485接口模块二包括依次连接的RS485串口、GDT保护电路和TVS保护电路，还包括设置在GDT保护电路和TVS保护电路之间的自恢复保险丝。自恢复保险丝3的数量为两个，分别位于两个线路上。自恢复保险丝3的型号为SMD1206P020TF。

[0090] 在GDT保护电路和TVS保护电路的基础上增加自恢复保险丝，构成第三级保护电路，当电路电流过大时，自恢复保险丝自动断开，并经过一定时间后再自动恢复连通，确保设备及时通信。自恢复保险丝的设置，能够更好地保护后级电路，此外，其具有自动恢复功能，恢复过程不需要人工参与，减少工作人员的工作量。

[0091] 此外，RS485接口模块二还包括设置在TVS保护电路后级并与TVS保护电路相连的通信电路，通信电路与主控模块二之间连接有光电隔离电路。光电隔离电路设置有三个光耦，通信电路包括通信芯片，通信芯片的RX端、TX端以及EN端通过三个光耦分别与主控模块二的RX端、TX端以及EN端相连。如图13所示，通信芯片的标号为U11，型号为SP3485EEN。

[0092] RS485接口模块二还包括连接在RS485串口和电源模块二之间的隔离电源电路，隔离电源电路的电路原理图详见图17。

[0093] 本发明的RS485接口模块二与主控模块二之间连接有光电隔离电路，与电源模块二之间连接有隔离电源电路，进一步提高隔离效果，进而提高RS485接口模块二、主控模块二以及电源模块二的安全性。

[0094] 此外，光电隔离电路采用三个光耦，不仅结构简单，且相较于现有隔离方案，其成本更低。现有隔离方案一般使用ADUM1201器件(数字隔离器)，性能稍微优于光耦方案，但价格远高于光耦方案。ADUM1201为双通道隔离，只对信号线做了隔离，RS485收发控制引脚485EN没有做过隔离，如需隔离该引脚，还需要增加ADUM1201器件，成本较高。

[0095] 下面对拓展板的一些主要组成模块的功能进行简单阐述。

[0096] RS485接口模块二，用于与基板、智能传感器等设备进行连接通讯。

[0097] 4G模块，用于提供4G接入网络能力。

[0098] LoRa模块，用于提供LoRa通讯能力。

[0099] 主控模块二，用于统筹控制拓展板的各个硬件、模块、接口的信息，完成网关功能，其电路原理图详见图14，主控模块二为单片机，其型号为STM32F407VET6。

[0100] 以太网接口模块，用于与数据中心、监测平台进行连接，并进行信息交互，其电路原理图详见图15。

[0101] 电源模块二，用于为主控模块二和拓展板其他硬件器件供电，其电路原理图详见图16。

[0102] 存储模块，用于不断记录、存储外部传感器的数据，长达2年以上，其电路原理图详见图18。

[0103] 雨量计模块，用于提供雨量计专用接口，并能通过读取到的数据计算当前雨量信息，其电路原理图如图19所示，实际上是一种模拟量监测电路。

[0104] 调试与烧录接口模块二，用于程序调试与程序烧录。

[0105] LED指示灯二，用于指示设备的工作状态。

[0106] 在其他实施例中，该数据采集装置还包括加热器和电池模块。加热器与主控模块一相连，机箱内设置湿度传感器连接主控模块一，当机箱内湿度过高时，主控模块一控制加热器通电，加热器通电后自身会发热，驱除机箱内的潮湿空气，使机箱保持干燥。电池模块包括铅酸电池和与铅酸电池相连的充电组件及电池电量检测组件，铅酸电池作为备用电源，充电组件用于对铅酸电池进行充电，电池电量检测组件用于监控铅酸电池的电量，当电量较低时，反馈给主控模块一，主控模块一控制充电组件工作，对铅酸电池进行充电，充电完成后，充电组件停止工作。

[0107] 上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。