一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器及方法

摘要

本发明公开了一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器及方法，包括通用平台母板通用平台母板包括处理器，处理器通过内部自定义总线与多个个性化数据采集模块连接，自定义总线包括数据总线和控制总线，个性化数据采集模块通过数据总线和控制总线与处理器连接，数据总线实现处理器与个性化模块之间的数据交换，控制总线用于实现对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测和控制；本发明的气体分析仪具有多通道，能够实现多组分同步测量，具有高可靠性、高稳定性、高智能化、可批量生产的特点。

权利要求

1.一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器，其特征在于，包括通用平台母板、显示板、键盘板、多种个性化数据采集模块，通用平台母板包括处理器，处理器上连接有数字量输出电路部分、数字量输入电路部分、模拟量输入电路部分、模拟量输出电路部分、数据存储电路部分、实时时钟、键盘接口电路部分、显示板接口电路部、网路通讯电路部分、RS485通讯接口、RS232通讯接口、环境检测电路部分和若干个个性化数据采集模块，个性化数据采集模块通过与其兼容的内部自定义总线与处理器连接；

自定义总线包括数据总线和控制总线，个性化数据采集模块通过数据总线和控制总线与处理器连接，数据总线实现处理器与个性化模块之间的数据交换，控制总线用于实现对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测和控制；

气体分析仪器还包括为各电路供电的电源部分；

每种个性化数据采集模块具有兼容母板内部自定义总线的接口，以及每种个性化模块具有不同的类型识别码；

所述个性化数据采集模块通过串行数据总线与处理器连接。

2.根据权利要求1所述的气体分析仪器，其特征在于，所述数字量输出电路部分和数字量输入电路部分通过并行通讯口与处理器之间建立通讯链接，模拟量输入电路部分和模拟量输出电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，数据存储电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，实时时钟通过I2C总线与处理器建立通讯连接，显示板接口电路部分通过LCD接口与处理器建立通讯连接，网路通讯电路部分通过RMII与处理器建立通讯连接，RS485通讯接口和RS232通讯接口通过UART接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分通过SPI接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分包含流量测量电路、环境温度测量电路和大气压测量电路。

3.根据权利要求1所述的气体分析仪器，其特征在于，所述个性化数据采集模块为-10V～+10V差分信号采集模块、0～+10V单端信号采集模块、mV单端信号采集模块、MV级差分信号采集模块、0～+24mA信号采集模块、-24mA～+24mA信号采集模块、μA信号采集模块、温度模块、0～+24mA信号输出模块或0～+10V信号输出模块中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的气体分析仪器，其特征在于，与处理器同时连接的个性化数据采集模块不超过八个。

5.根据权利要求1所述的气体分析仪器，其特征在于，控制总线包括CPLD电路部分，CPLD电路部分与个性化数据采集模块和处理器连接，用于处理个性化数据采集模块提供的状态信息和安装的个性化数据采集模块的类型信息，CPLD电路部分通过串行数据通讯接口与处理器建立通讯连接，并能够通过建立的串行通讯链接将解析到的状态信息、类型信息传给处理器处理，处理器通过串行数据总线与安装的个性化数据采集模块实现配置信息、采集数据和工作状态信息的数据交换。

6.一种基于权利要求1所述的气体分析仪器的气体分析方法，其特征在于，通过如下方式进行：

根据实际的需求检测的气体组分或者控制需求，安装相应的个性化数据采集模块到母板插槽，对应规格的个性化数据采集模块上具有相应的检测传感器，启动母板，母板上的处理器通过自定义总线自动检测安装的个性化模块的类型和数量，自动配置能够多通道、多组分同步测量的气体分析仪器并加载默认参数，通过安装的相应的个性化数据采集模块能够同时对多个不同组分的气体进行测量分析。

说明书

一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器及方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及环保行业的数据自动化采集与分析仪器，具体涉及污染物排放监测与测量装置，具体为一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器及方法。【背景技术】

[0002] 随着我国工业结构调整与产业技术升级的发展，面向“高能耗、高物耗、高污染”的监测和专用优化系统将有较大的市场需求。为了满足实现循环经济和节能减排的要求，钢铁、石化、电力、有色金属等企业在环境监测系统和安全监测系统的需求进一步增加。

[0003] 分析仪器领域，不仅仅涉及传统的光学、电化学、色谱、质谱类分析技术，还涉及精密机械、电子学、计算机技术、自动化、人工智能等多种核心技术，设计出一种分析仪需要很长的周期，而且分析仪器的规格种类多。

[0004] 环境监测领域测量仪器，根据应用的行业、安装的位置等需要各不相同，目前的环保测量仪器远不能适应当前环境监测工作发展的需要。主要表现为：一方面技术档次低，低水平、重复开发、重复生产严重；另一方面产品质量不高，性能不稳定；导致在线监测仪器的系统配套可生产性较低，不能适应市场的需要。另外环境监测及监测仪器不断向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展；向高技术方向发展；向全方位领域监测的方向发展；向遥感与环境监测相结合的方向发展；目前的测量装置已远远不能满足当前的发展需要；

[0005] 本领域亟需一种能够实现一种能够多通道，多组分同步测量、高可靠性、高稳定性、高智能化、可批量生产的通用监测与测量装置。【发明内容】

[0006] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器及方法，本发明的气体分析仪具有多通道，能够实现多组分同步测量，具有高可靠性、高稳定性、高智能化、可批量生产的特点。

[0007] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0008] 一种多通道、多组分同步测量的气体分析仪器，包括通用平台母板、显示板、键盘板、多种个性化数据采集模块，通用平台母板包括处理器，处理器上连接有数字量输出电路部分、数字量输入电路部分、模拟量输入电路部分、模拟量输出电路部分、数据存储电路部分、实时时钟、键盘接口电路部分、显示板接口电路部、网路通讯电路部分、RS485通讯接口、RS232通讯接口、环境检测电路部分和若干个个性化数据采集模块，个性化数据采集模块通过与其兼容的内部自定义总线与处理器连接；

[0009] 自定义总线包括数据总线和控制总线，个性化数据采集模块通过数据总线和控制总线与处理器连接，数据总线实现处理器与个性化模块之间的数据交换，控制总线用于实现对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测和控制；

[0010] 气体分析仪器还包括为各电路供电的电源部分。

[0011] 所述数字量输出电路部分和数字量输入电路部分通过并行通讯口与处理器之间建立通讯链接，模拟量输入电路部分和模拟量输出电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，数据存储电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，实时时钟通过I2C总线与处理器建立通讯连接，显示板接口电路部分通过LCD接口与处理器建立通讯连接，网路通讯电路部分通过RMII 与处理器建立通讯连接，RS485通讯接口和RS232通讯接口通过UART接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分通过SPI接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分包含流量测量电路、环境温度测量电路和大气压测量电路。

[0012] 所述个性化数据采集模块为-10V～+10V差分信号采集模块、0～+10V单端信号采集模块、 mV单端信号采集模块、MV级差分信号采集模块、0～+24mA信号采集模块、-24mA～+24mA 信号采集模块、μA信号采集模块、温度模块、0～+24mA信号输出模块或0～+10V信号输出模块中的一种或几种的 组合。

[0013] 与处理器同时连接的个性化数据采集模块不超过八个。

[0014] 每种个性化数据采集模块具有兼容母板内部自定义总线的接口，以及每种个性化模块具有不同的类型识别码。

[0015] 所述个性化数据采集模块通过串行数据总线与处理器连接。

[0016] 控制总线包括CPLD电路部分，CPLD电路部分与个性化数据采集模块和处理器连接，用于处理个性化数据采集模块提供的状态信息和安装的个性化数据采集模块的类型信息，CPLD 电路部分通过串行数据通讯接口与处理器建立通讯连接，并能够通过建立的串行通讯链接将解析到的状态信息、类型信息传给处理器处理，处理器通过串行数据总线与安装的个性化数据采集模块实现配置信息、采集数据和工作状态信息的数据交换。

[0017] 一种多通道、多组分同步测量的气体分析方法，通过如下方式进行：

[0018] 根据实际的需求检测的气体组分或者控制需求，安装相应的个性化数据采集模块到母板插槽，对应规格的个性化数据采集模块上具有相应的检测传感器，启动母板，母板上的处理器通过自定义总线自动检测安装的个性化模块的类型和数量，自动配置能够多通道、多组分同步测量的气体分析仪器并加载默认参数，通过安装的相应的个性化数据采集模块能够同时对多个不同组分的气体进行测量分析。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0020] 本发明的气体分析仪器的处理器通过自定义总线同时连接多个个性化数据采集模块，个性化数据采集模块通过自定义总线的数据总线和控制总线与处理器连接，数据总线实现处理器与个性化模块之间的数据交换，控制总线用于实现对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测和控制，因此本发明的气体分析仪器能够根据实际的需求检测的气体组分或者控制需求，安装相应的个性化数据采集模块到母板插槽，对应规格的个性化数据采集模块上具有相应的检测传感器，启动母板，母板上的处理器通过自定义总线自动检测安装的个性化模块的类型和数量，自动配置能够多通道、多组分同步测量的气体分析仪器并加载默认参数，通过安装的相应的个性化数据采集模块能够同时对多个不同组分的气体进行测量分析，因此本发明的气体分析仪器具有多通道，能够实现多组分同步测量，具有高可靠性、高稳定性、高智能化、可批量生产的特点。

[0021] 由于本发明采用了自定义的内部通讯总线及控制单元，解决了现有分析仪器不能快速满足用户的需求、和批量生产的问题，并对用户提供了灵活的应用方式和方便的维护，为用户在生产工艺或者工况的变化的情况下及时提供实用的数据。【附图说明】

[0022] 图1是本发明气体分析仪器的结构示意图。

[0023] 图2是本发明气体分析仪器的电路模块逻辑图。

[0024] 图3是本发明气体分析仪器的内部总线及管理电路部分示意图。

[0025] 图4为本发明气体分析仪器一种实施方式的结构示意图。【具体实施方式】

[0026] 下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行进一步说明。

[0027] 如图1至图4所示，本发明的气体分析仪器，包括通用平台母板、显示板、键盘板、多种个性化数据采集模块，通用平台母板包括处理器，处理器上连接有数字量输出电路部分、数字量输入电路部分、模拟量输入电路部分、模拟量输出电路部分、数据存储电路部分、实时时钟、键盘接口电路部分、显示板接口电路部、网路通讯电路部分、RS485通讯接口、RS232通讯接口、环境检测电路部分(气体流量、环境温度和大气压)和若干个个性化数据采集模块，个性化数据采集模块通过与其兼容的内部自定义总线与处理器连接；自定义总线包括数据总线和控制总线，个性化数据采集模块通过数据总线和控制总线与处理器连接，数据总线实现处理器与个性化模块之间的数据交换，控制总线用于实现对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测和控制；气体分析仪器还包括为各电路供电的电源部分；

[0028] 在气体分析时，根据实际的需求检测的气体组分或者控制需求，安装相应的个性化数据采集模块到母板插槽，对应规格的个性化数据采集模块上具有相应的检测传感器，启动母板，母板上的处理器通过自定义总线自动检测安装的个性化模块的类型和数量，自动配置能够多通道、多组分同步测量的气体分析仪器并加载默认参数，通过安装的相应的个性化数据采集模块能够同时对多个不同组分的气体进行测量分析。

[0029] 数字量输出电路部分和数字量输入电路部分通过并行通讯口与处理器之间建立通讯链接，模拟量输入电路部分和模拟量输出电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，数据存储电路部分通过SPI总线与处理器建立通讯连接，实时时钟通过I2C总线与处理器建立通讯连接，显示板接口电路部分通过LCD接口与处理器建立通讯连接，网路通讯电路部分通过RMII与处理器建立通讯连接，RS485通讯接口和RS232通讯接口通过UART接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分通过SPI接口与处理器建立通讯连接，环境检测电路部分包含流量测量电路、环境温度测量电路和大气压测量电路。

[0030] 个性化数据采集模块通过串行数据总线与处理器连接；控制总线包括CPLD电路部分， CPLD电路部分与个性化数据采集模块和处理器连接，用于处理个性化数据采集模块提供的状态信息和安装的个性化数据采集模块的类型信息，CPLD电路部分通过串行数据通讯接口与处理器建立通讯连接，并能够通过建立的串行通讯链接将解析到的状态信息、类型信息传给处理器处理，处理器通过串行数据总线与安装的个性化数据采集模块实现配置信息、采集数据和工作状态信息的数据交换。

[0031] 本发明的个性化数据采集模块接口部分针对不同的传感器或采集的信号，安装的个性化数据采集模块有：-10V～+10V差分信号采集模块、0～+10V单端信号采集模块、mV单端信号采集模块、MV级差分信号采集模块、0～+24mA信号采集模块、-24mA～+24mA信号采集模块、μA信号采集模块、温度采集模块、0～+24mA信号输出模块、0～+10V信号输出模块中的一种或多种的组合；个性化模块的规格不限于以上所述种类。

[0032] 本发明的数据总线实现通用母板控制器(处理器)与多个个性化数据采集模块之间的数据交换，控制总线实现通用母板控制器(处理器)对多个个性化数据采集模块的识别、状态监测、控制，总线的控制管理单元(CPLD电路部分)实现对内部自定义总线的管理。

[0033] 由于本发明采用了自定义的内部通讯总线及控制单元，解决了现有分析仪器不能快速满足用户的需求、和批量生产的问题，并对用户提供了灵活的应用方式和方便的维护，为用户在生产工艺或者工况的变化的情况下及时提供实用的数据。

[0034] 参照图1和图4，本发明的气体分析仪器针对不同的用户测量需求选择个性化数据采集模块其中的一种或几种；本气体分析仪器通用技术平台能够自动识别个性化模块的类型，自动加载的个性化数据采集模块检测气体的组分类型、量程、默认配置参数，并对采集的数据分析处理、通过人机交互界面显示和通讯口提供给用户，本气体分析仪器通用技术平台具有自检功能，显示事件故障信息，对用户设置的事件信息进行控制动作操作，本气体分析仪器通用技术平台具有自动标校功能，本气体分析仪器通用技术平台是一种结构合理、生产方便、操作方便的，维护方便的装置；

[0035] 本发明的个性化数据采集模块具有相同的软硬件接口，可安装在母板的任意个性化插槽；多个个性化的数据采集模块可随机组合安装在母板上；安装单个或者多个任意规格的个性化数据采集模块，可以装配出不同规格的分析仪器；

[0036] 开发了针对某种气体组分的测量个性化，或者针对某种信号规格的个性化模块，个性化模块灵活组合，每个个性化模块具有相同的总线接口和不同的类型识别码，并兼容母板内部自定义总线。

[0037] 因此本发明实现了能够多通道，多组分同步测量，具有高可靠性、高稳定性、高智能化和可批量生产的特点置，根据测量的组分需求选择其中的一个或者几个个性化数据采集模块就能实现同时对多种气体的测量。

[0038] 参照图2，本发明实现了对应组分采集电路的处理，包含信号处理、AD转换、总线接口、状态检测、控制电路、电源部分，实现了相应组分的精确测量。

[0039] 参照图3，为自定义内部总线及管理电路部分，实现了母板对任意数量的个性化数据采集模块的数据通讯、状态检测与管理，该电路包含了数据输入信号、数据输出信号、时钟信号、选通与管理信号、状态检测信号、管理控制信号，实现了通用母板与多个数量任意类个性化数据采集模块之间的通讯。CPLD电路部分处理个性化数据采集模块提供的状态信息、安装的个性化数据采集模块的类型信息，CPLD电路部分通过串行数据通讯接口与处理器建立通讯连接，并通过建立的串行通讯链接将解析到的状态信息、类型信息传给处理器处理。处理器通过串行数据总线与安装的个性化数据采集模块实现数据交换，包含配置信息、采集数据、工作状态信息。

[0040] 本发明的气体分析仪器通用技术平台能够自动识别个性化模块的类型，自动加载的个性化数据采集模块检测气体的组分类型、量程、默认配置参数，并对采集的数据分析处理、通过人机交互界面显示和通讯口提供给用户，本气体分析仪器通用技术平台具有自检功能，显示事件故障信息，对用户设置的事件信息进行控制动作操作，本气体分析仪器通用技术平台具有自动标校功能，通过配置软件实现自动标校、通讯、数据保存、数据分析、自检、控制等应用功能。

[0041] 个性化数据采集模块安装在母板的插槽中，根据测量的需要安装相应规格和数量的个性化模块，目前实现的版本，母板预留8个个性化模块插槽，因此目前版本最多同时安装8块不同规格或者相同规格的个性化模块。

[0042] 举例说明仪器的安装过程，比如需要安装测量CO、CO2、N2、H2四组分的测量仪器，首先选定测量CO、CO2、N2、H2相应的个性化数据采集模块，然后将选定的个性化数据采集模块安装在通用母板的插槽中，重新上电，通用母板自定义内部总线与安装的个性化数据采集模块通过串行数据总线建立通讯连接，通用母板上的内部总线管理单元与处理器建立串行数据通讯连接，内部总线管理单元将自动识别安装模块的类型和状态信息，并将解析的信息上传给处理器，处理器根据上传的个性化话模块的状态信息和类型信息通过与个性化模块建立的串行数据总线通讯连接下发配置信息，每个个性化模块配置成功后，反馈给处理器配置成功信息，然后处理器轮循读取个性化模块采集数据，并处理。

[0043] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。