构建一款集测量、PID 控制和运动控制于一体的紧凑型数据采集系统，可简化工业和实验室的设置

在许多实验室和工业环境中，构建一个完整的测试或控制系统通常意味着要将多个独立的设备组合在一起：

•用于测量的数据采集系统

•一个用于逻辑控制和 PID 控制的控制器(如 PLC 或类似设备)

•一个运动控制器或驱动接口

虽然这种方法行之有效，但往往会带来更多的复杂性——更多的线路连接、更多的配置工作以及更多的可能出现故障的环节。

在电气干扰严重的环境中，这还可能会导致系统不稳定以及出现不可预测的故障。

这个想法

该项目探索了一种更为集成的解决方案——将测量、控制和运动功能整合到一个紧凑的单一平台上。

其目标并非是组装多个盒子，而是要简化系统架构，同时保持其灵活性和可靠性。

系统概述

该系统的作用是什么

这个数据采集平台集多种功能于一身：

•数据采集(模拟和数字输入/输出)

•内置 PID 控制

•运动控制输出(脉冲宽度调制 / 脉冲方向)

•独立通信(USB 和 RS485)

•为模拟部分和数字部分分别设置独立的电源域

这种方法降低了系统的复杂性，尤其是在实际应用环境中，因为需要多个子系统协同工作且必须保持稳定运行。

示例应用

电机与执行器测试

•控制电机转速或位置

•监测电压和传感器反馈

•采用闭环 PID 控制

环境与传感器测试

•读取多个模拟传感器的数据

•记录温度和湿度

•检测异常情况

实验室自动化

•将测量与控制相结合

•减少外部设备

•简化布线

电力监测

•分析系统在负载情况下的运行状况

•分析电压稳定性

系统架构详情

该系统整合了通常存在于独立设备中的多个子系统：

•混合信号数据采集

•嵌入式控制(PID)

•运动输出接口

•孤立的通信层

一个关键的设计决策是采用独立的模拟和数字电源域，这有助于减少混合信号环境中的噪声耦合，尤其是在处理电机和开关负载时更是如此。

实际环境中的噪音表现

在实际的工业系统中，电气噪声是一个至关重要的因素，尤其是在与电机和开关负载协同工作时更是如此。

示波器的捕获图像展示了在这些条件下系统的运行情况。尽管信号中存在大量噪声，但数据采集平台仍能保持稳定运行并可靠地进行数据采集。

尽管存在如此程度的干扰，但信号依然保持稳定，能够用于测量和控制等用途。

这种稳定性是通过以下方式实现的：

•模拟电源域与数字电源域的分离

•精心的印刷电路板布局和接地策略

•模拟前端中的信号调理

原理图概述

以下图表突出了系统设计的关键部分：

USB 接口、隔离以及微控制器核心

这一部分包含 USB 接口、隔离阶段以及负责系统控制和通信的主要微控制器。

脉冲和方向输出驱动器

采用分立晶体管构成的输出电路，用于生成驱动外部运动装置的脉冲和方向信号。

模拟前端

用于信号调理和差分测量的高精度模拟前端，位于 ADC 输入之前。

电源设计

多阶段电源设计包括直流-直流转换、调节和滤波，以确保系统稳定运行。

数字输出接口

采用逻辑集成电路实现缓冲式数字输出，以与外部系统进行连接并提高信号完整性。

当前状况

•硬件原型已经完成并且能够正常运行了。

•该系统已在实际环境中进行了测试。

•固件和用户界面仍在开发中。

该设计会根据测试结果和反馈信息不断进行改进和完善。

本文编译自hackster.io