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参赛作品《无源型直流4~20mA信号智能隔离模块》
谁解棋中味
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发表于Tue May 29 17:13:20 CST 2018   |  只看该作者 1# 电梯直达

【报名阶段需要填写的内容】


1. 参赛者姓名(必填项):赵明


2. 单位或学校名称(选填项):


3. 当前职务或职称(选填项):工程师


4. 参赛作品的名字(必填项):无源型直流4~20mA信号智能隔离模块


5. 简要陈述您的idea和作品(必填项):一种体积非常小(30mm*30mm*15mm内)的隔离模块,其无需外部独立供电电源,低成本、低功耗实现工业4~20mA信号到4~20mA信号的高精度隔离传输,同时可将输入的4~20mA信号转化为数字信号以Uart接口输出。


6. 拟用到的立创商城在售物料(必填项):STM32L011,运放、光耦、电阻、电容、电感、三极管、贴片LED、轻触开关等;


7. 拟用到的非立创商城物料或其它补充(必填项):外壳,接线端子等;


8. 拟用到的EDA工具软件名称(必填项):Altium Designer,立创EDA


【作品正式发表(报名成功后进入设计阶段)需要填写的内容】


一、作品简介

例如,可以包括但不局限于以下内容:

1.作品的整机外观图片或焊接组装好的PCBA图片;

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PCB实物图和焊接成品图见:(一)作品简介


2.作品的研究背景、目的和功能、市场应用前景;

在当前许多工业现场及实验室,都涉及到多台设备间的数据传输,而许多有线性规律的数据多采用4~20mA直流电流的方式进行传输,为避免两台设备间相互干扰,一般会使用4~20mA的信号隔离器进行隔离。而目前市场上的信号隔离器普遍存在如下问题:

1. 使用昂贵的隔离器件,普遍价格偏高;

2. 所使用的隔离电路带有隔离电源,而隔离电源电路不但增加成本,还会占用大片的PCB面积,导致信号隔离器的体积普遍偏大,不利于集成。

针对现有技术存在的以上问题,本作品的主要目的便是发明一种可使用常见低价元器件实现的4~20mA信号隔离电路,有效的降低信号隔离器的材料成本,且体积要求尽可能小,便于集成。而若达到体积小、成本低的目的,本作品所要发明的电路就不能含有隔离电源模块,需使用窃电技术,并使输入输出的等效阻抗尽可能的低,适用电压范围尽可能的广。

本作品原则上可使用到所有使用4~20mA直流信号隔离器的场合,其市场应用面是比较可观的。



3.作品在创新性、趣味性、实用性甚至公益性方面,有哪些亮点可体现?

本作品相对现有技术,有如下优点:

1. 性价比高,本作品实验的材料成本约20元,优化后,量产的成本约为15元,远远低于现有的信号隔离器的成本。而本作品目前的传输精度约为0.1%~0.2%FS,这个精度已经接近市场上的中端产品;

2. 体积小,本作品为模块形式,其体体积远远小于市场上常规的信号隔离器,非常便于集成,实际的尺寸见(一)作品简介;

3. 本作品不但可以实现模拟信号到模拟信号的隔离传输;还可实现数字信号到模拟信号的隔离传输;模拟信号到数字信号的非隔离传输,后续可优化为模拟信号到数字信号的隔离传输;

另外,本作品目前支持1路模拟量输入,1路模拟量输出,后续可方便的扩展为1入2出,且成本仅增加不到5元;


二、系统构架图

用流程图或思维导图等形式,描述您的作品的组成构架,即方案图。

 点击查看大图

三、硬件部分的描述

1.附上原理图&PCB实物图的图片或者源文件(官方建议大家尽量用源文件上传),如果是图片,请确保图片是清晰可辨的;

 点击查看大图

 

 

2.用文字把该作品的实现原理、系统的工作过程大致讲解一下。

    因模拟信号的隔离器件普遍价格较高,价格低的隔离效果普遍不好,相比之下,数字信号的处理技术可谓花样繁多,且数字信号比模拟信号要稳定得多。故本发明的思路是将模拟信号转换为数字信号,然后对数字信号进行处理,进而隔离传输,最后或在输出端将数字信号还原为模拟信号,或直接处理数字信号,可视应用环境而定。
    本作品使用窃电电路从外部设备的4~20mA信号的输出端窃取能量以供内部电路工作,并将输入的电流信号IAI转换成对应的电压信号UA,然后经放大电路后输送到MCU进行AD转换,得到IAI对应的数字值DA,到这里,AD转换已经完成,事实上如果应用场合拥有数字信号的接收功能,可以使用Uart或者其它数字信号传输的方式发送得到的数字值DA即可;
    进一步的,考虑到应用场合只适用于模拟信号的情况,可将数字值DA转换为对应占空比为AT的PWM差分信号,然后将此PWM信号经光耦隔离后发送到可控恒流源电路,其可控制可控恒流源电路产生占空比为AT、幅度为IAOM的脉冲电流信号,很显然其平均值必与输入的电流信号IAI成线性对应关系,故经LC滤波电路后便可得到与IAI成线性关系的平滑的输出信号IAO。
    为节约成本并缩小体积,本作品舍去了一般隔离电路所必须的供电电路,取代以轻量化的并联稳压源,利用并联稳压源分流稳压的特性,为本发明所描述的电路供电。而输出端则引入可控二端口恒流源模型,用以与外部电流输入电路、外部电源形成电流环,并控制电流环的电流,来达到输出指定电流信号的目的。

     需要注意的是,本电路如需与外部设备进行串口通信,必须使用光耦隔离电路,参考电路如下:

  

以上电路需要集成到本隔离模块需要服务的数字信号目标设备中;


3.注明所用到的EDA工具软件名称并附上设计链接。

使用立创EDA进行设计:https://lceda.cn/editor#id=4936714e67274ef8a3ec6d9ee0e65939|71abfb1842f446f0a5a75c143fe47ea5|937ff4a8f8e14f3fa4653eb87582969a|b14bb62343664694817532f87fcfb1a2

使用AD18完成拼版;


四、材料清单(BOM列表)

列出您这个作品所用到的主要器件(关键器件即可),比如单片机&ARM芯片、专用集成芯片(ASIC)、传感器、功能模块等。

如果所列出的芯片是来自我们立创商城上的,最好能写出该器件的商品编号或附上对应购买链接。

 

五、软件部分的描述(选填)

如果您的作品涉及到软件,请列出作品对应的软件工作流程图,及关键部分的例程、源码(如果您想开源的话请上传全部源码)。

 


AD转换:

 

获取AD值:

 

 

PWM配置:

 


PWM输出:

   


六、作品演示

请上传您的作品的功能演示到腾讯视频,并编辑到本楼(或附上视频链接)。按要求上传视频可获得10分,具体详见活动规则。

https://v.qq.com/x/page/d0756kepsjl.html


七、总结

例如您在完成该作品过程中的一些体会、碰到的技术问题或调试经验、作品的未来规划,及对我们主办方的建议和意见等。


1. 因模拟信号的干扰因素众多,调试往往是寻找其中的一个均衡点,如此使很费时间的。因此在对模拟信号处理时可先思考一下解决方案,能通过数字信号进行间接处理有时也是极好的。

2. 世上无难事,只怕有心人。

3. 现作品只是试验比较理想,下一步将会小批量试产,测试作品的性能一致性。同时寻找合伙人以备量产、开发市场。

4. 立创EDA确实有许多可圈可点之处,比如布线、选择器件等就比Alutim Designer好用,但也有一些功能不完备,比如设计规则检查、拼版等功能,就不如Alutim Designer好用,建议立创发动群众,共同搭建中国人自己的EDA平台。

5. 立创商城里面的好多器件都没有封装库,建议立创采用器件选型工程师的模式,再设立一个兼职封装完善工程师的职位,让广大电子爱好者共同完善EDA平台的基础库,在封装库完善的情况下,也可为立创的PCB打样业务增砖添瓦。

  该帖子已被谁解棋中味于Mon Aug 20 21:45:43 CST 2018编辑过
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立创工程小...
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发表于Tue May 29 18:09:56 CST 2018   |  只看该作者 2#

恭喜您已经报名成功!

您现在就可以开始进行设计工作了,后期相关内容请在一楼编辑进行完善。

当前所有参赛选手分值统计表及活动详细介绍见:http://club.szlcsc.com/article/details_12591_1.html

同时,您设计的PCBA板或者模块也可以参与立创商城第二期PCB方案验证板活动(相当于“搭顺风车”),详情请看:http://club.szlcsc.com/article/details_11599_1.html

立创商城电子制作节(审核专员)
立创小星
【官方工作人员】
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发表于Wed May 30 09:56:14 CST 2018   |  只看该作者 3#
温馨提示:报名成功后至6月20日前的任意时间打开链接:http://club.szlcsc.com/article/details_12591_1.html,无分组转发至朋友圈,并截图(朋友圈首页截图)回复在报名帖下方即可获得3分。【注:请保持微信朋友圈动态至评审结束(8月24日),供官方核查

该回复已删除! 4#
谁解棋中味
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发表于Wed May 30 11:32:03 CST 2018   |  只看该作者 5#
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谁解棋中味
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发表于Mon Jun 04 13:35:46 CST 2018   |  只看该作者 6#
立创小星 发表于 Wed May 30 09:56:14 CST 2018  3# 温馨提示:报名成功后至6月20日前的任意时间打开链接:http://c...
我已经传播了,为啥不给分?
立创小星
【官方工作人员】
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发表于Mon Jun 04 14:12:55 CST 2018   |  只看该作者 7#
恭喜您传播成功,获得3分。当前所有参赛选手分值统计表及活动详细介绍见:http://club.szlcsc.com/article/details_12591_1.html
立创小星
【官方工作人员】
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发表于Mon Aug 06 17:14:08 CST 2018   |  只看该作者 8#
楼主,咱们这次制作节设计截止时间是2018年8月20日23时59分59秒,时间有点紧了,记得及时在1楼编辑更新!冲刺20000元大奖(注:超时更新无效)
谁解棋中味
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发表于Sun Aug 19 21:17:54 CST 2018   |  只看该作者 9#
立创小星 发表于 Mon Aug 06 17:14:08 CST 2018  8# 楼主,咱们这次制作节设计截止时间是2018年8月20日23时59分59秒...
更新完毕~
立创小星
【官方工作人员】
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发表于Mon Aug 27 12:04:14 CST 2018   |  只看该作者 10#

在这激动人心的时刻,恭喜楼主获得第三届立创电子制作节优秀奖,点击查看获奖名单:http://club.szlcsc.com/article/details_36337_1.html
同时,“最佳人气奖”正在投选中,识别下方二维码,为您喜爱的作品投上宝贵的一票吧!

 

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