阅读说明：本技术 一种矩阵式多功能信号隔离变送器 (Matrix type multifunctional signal isolation transmitter ) 是由 赵明 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种矩阵式多功能信号隔离变送器,属于信号隔离传输技术领域。本发明包括信号隔离采集单元阵列、内部数字信号隔离单元阵列和信号隔离转换单元阵列；信号隔离采集单元负责采集模拟输入信号并转换成数字值并提供外部隔离数字通信接口；信号隔离转换单元负责根据数字值生成模拟输出信号并提供外部隔离数字通信接口；内部数字信号隔离单元阵列负责各信号隔离采集单元和各信号隔离转换单元的内部隔离通信。本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器可实现输入信号到输出信号的点对点传输、点对多点传输、多点对点传输和多点对多点传输,且可实现无需独立供电电源便可正常工作,其电路结构简单,易于集成,便于生产。(The invention relates to a matrix type multifunctional signal isolation transmitter, belonging to the technical field of signal isolation transmission. The invention comprises a signal isolation acquisition unit array, an internal digital signal isolation unit array and a signal isolation conversion unit array; the signal isolation acquisition unit is used for acquiring an analog input signal, converting the analog input signal into a digital value and providing an external isolation digital communication interface; the signal isolation conversion unit is used for generating an analog output signal according to the digital value and providing an external isolation digital communication interface; the internal digital signal isolation unit array is responsible for internal isolation communication of each signal isolation acquisition unit and each signal isolation conversion unit. The matrix type multifunctional signal isolation transmitter can realize point-to-point transmission, point-to-multipoint transmission, multipoint-to-point transmission and multipoint-to-multipoint transmission from an input signal to an output signal, can normally work without an independent power supply, and has the advantages of simple circuit structure, easy integration and convenient production.)

一种矩阵式多功能信号隔离变送器

技术领域

涉及信号隔离领域，具体而言涉及一种矩矩阵式多功能信号隔离变送器。

背景技术

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；

3. 功能比较单一，单品适用范围较窄。

基于以上问题，本人的专利ZL201821089454.0和专利ZL201821089455.5已经给出解决方案，但所提及的方案有如下不足：

1. 专利ZL201821089454.0所提及的4~20mA信号多功能隔离变送器的输出端温度适用范围较窄且温漂偏大；

2. 专利ZL201821089455.5仅可适用于模拟信号转数字信号的场合；

由此，本发明基于专利ZL201821089455.5重新打造了一款矩阵式多功能信号隔离变送器。

发明内容

本发明解决上述技术问题采用技术方案如下：

一种矩阵式多功能信号隔离变送器，包括信号隔离采集单元阵列、内部数字信号隔离单元阵列和信号隔离转换单元阵列。

所述信号隔离采集单元阵列由k个信号隔离采集单元组成，内部数字信号隔离单元阵列由m个内部数字信号隔离单元组成，所述信号隔离转换单元阵列由n个信号隔离转换单元组成。

所述k,m,n为正整数。

所述信号隔离采集单元负责将源设备输出的模拟电流信号转换为相应数字信号、与数字信号设备及内部其它信号隔离采集单元和信号隔离转换单元进行数据交互，所述内部数字信号隔离单元阵列负责隔离信号隔离采集单元阵列及各信号隔离转换单元阵列任意元素间的数字通信，所述信号隔离转换单元负责与数字信号设备及内部其它信号隔离采集单元或信号隔离转换单元进行数据交互，并将交互数据中相应的数字信号转换为相应的模拟电流信号传输给目标设备。

所述源设备指通过模拟电流信号发送数据的设备，下同。

所述数字信号设备指通过数字信号与信号隔离采集单元或信号隔离转换单元进行数据交互的设备，下同。

所述目标设备指接收模拟电流信号的设备，下同。

所述模拟电流信号指直流电流信号，下同。

所述信号隔离采集单元沿用专利ZL201821089455.5所提及的技术方案，并在其基础上做如下改进：

在专利ZL201821089455.5所描述的方案中增加电源适配单元，并且在专利ZL201821089455.5所描述的核心处理单元中增加一组数字通信接口和一路PWM输出端口，用于与内部数字信号隔离单元阵列对接。

所述的信号隔离转换单元内置微处理器及电流检测负反馈电路，微处理器可运行温度补偿算法，再辅以电流检测负反馈电路，将大大改善产品的温度适用范围及温漂特性。

本发明的有益效果

1) 拥有专利ZL201821089454.0和专利ZL201821089455.5的所有优点；

2) 相对于专利ZL201821089454.0所提及的技术方案，温漂可控性更好；

3) 可实现任何输入接口到任何输出接口的点对点隔离传输、点对多点隔离传输、多点对点隔离传输以及多点对多点隔离传输；

4) 其中多点对点和多点对多点传输模式可实现扫描传输、叠加传输等多种整合方式的隔离传输；

5) 其中模拟信号到数字信号、数字信号到模拟信号的隔离传输可同时进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能根据这些附图获得其他的附图。

图1:为本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器的原理框图及应用说明框图1；

图2:为本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器的原理框图及应用说明框图2；

图3：为本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器的顶层电路原理图1；

图4：为本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器的顶层电路原理图2；

图5：为本发明基于专利ZL201821089455.5修改后的信号隔离采集单元的顶层原理图；

图6：为本发明基于专利ZL201821089455.5修改后的核心处理单元的电路原理图；

图7：为本发明基于专利ZL201821089455.5增加的电源适配单元的电路原理图；

图8：为本发明所述的内部数字信号隔离单元的电路原理图；

图9：为本发明所述的信号隔离转换单元的顶层电路原理图；

图10：为本发明所述的信号隔离转换单元中数字信号隔离单元的电路原理图；

图11：为本发明所述的信号隔离转换单元中小信号放大单元的电路原理图；

图12：为本发明所述的信号隔离转换单元中电流调整稳压单元的电路原理图；

图13：为本发明所述的信号隔离转换单元中采样单元的电路原理图；

图14：为本发明所述的信号隔离采集单元的主要控制流程图；

图15：为本发明所述的信号隔离转换单元的主要控制流程图；

图16：为本发明所述的模拟信号输出程序主要控制流程图；

其中：

图1和图2中的实线箭头示意电流流动，点画线箭头示意信号流动；

在图1和图2中，源设备指指通过模拟电流信号发送数据的设备，目标设备指接收模拟电流信号的设备。

具体实施方式

关于本发明创造的详细内容及技术说明，现以两种实施例来作进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅为用于示例说明，而不应被解释为本发明创造实施的限制。

实施方式_甲子：

参考图1所示一种4-20mA信号隔离电路的原理框图及应用说明框图1，本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器包括k个信号隔离采集单元、m个内部数字信号隔离单元和n个信号隔离转换单元，k个信号隔离采集单元和n个信号隔离转换单元组成一主多从式通信架构，其中第一个信号隔离采集单元作为主机端，其它信号隔离采集单元和全部信号隔离转换单元作为从机端。

如图1所示，电流隔离采集单元对经过的电流IAI进行测量并输出相应的数字值Idata0到与其连接的数字信号设备，同时可接收该数字信号设备发出的数字信息Ddata0以及经内部数字信号隔离单元阵列发来的数字信息Ddata1x，再将Idata0、数字信息Ddata0和数字信息Ddata1x整理合并成数字信息Data0，其中第一个信号隔离采集单元将Data0经m个内部数字信号隔离单元传输到其它信号隔离采集单元和n个信号隔离转换单元，其它的信号隔离采集单元将Data0经内部数字信号隔离单元传输到第一个信号隔离采集单元；而与信号隔离转换单元连接的数字信号设备也可发送数字信息Ddata1和设定电流值Idata1到相应的信号隔离转换单元，信号隔离转换单元将接收的数字信息Data0和Ddata1进行综合处理：将Ddata1和Idata1合并为Data1经相应的内部数字信号隔离单元发送到第一个信号隔离采集单元，在Data0中提取出需要的信息Idata0和Ddata0，并将Idata0和Idata1根据需要进行输出，将Ddata0根据需要发送到与其连接的数字信号设备。

为便于理解，本处使用实施例对本发明进行阐述，其电路结构使用了层次化设计，将整套电路划分为三层：顶层、中层和底层。顶层电路限定了各子单元电路的接口及各接口之间的衔接关系；中层电路对内部数字信号隔离单元电路进行了内部设计，并对信号隔离转换单元进行了子单元设计；底层电路对信号隔离采集单元的部分子单元和信号隔离转换单元的全部子单元电路进行了内部设计。

实施例_甲子：

如图3所示的一种矩阵式多功能信号变送器的顶层电路原理图，其包括2个信号隔离采集单元、3个内部数字信号隔离单元和2个信号隔离转换单元，即：k=2，m=3，n=2，描述如下：

所述信号隔离采集单元的电流流入端口IIN+和电流流出端口IIN-作为一对电流采样端口分别连接到相应源设备的电流输出端和电流回流端，gTX、gRX和GNDW端口作为一组隔离数字通信端口分别连接到相应的数字信号设备对应数字信号端口的RX端、TX端和信号地端，第一个信号隔离采集单元的VCC、InnerRX、InnerTX和GND端口作为一组非隔离数字通信端口分别连接到三个内部数字信号隔离单元的数字通信端口组甲的VCC1、TXIN、RXOUT和GND1，第二个信号隔离采集单元的VCC、InnerRX、InnerTX和GND端口作为一组非隔离数字通信端口分别连接到第三个内部数字信号隔离单元的由VCC2、TXOUT、RXIN和GND2端口组成的数字通信端口乙组；所述第一个和第二个内部信号隔离单元的VCC2、TXOUT、RXIN和GND2组成数字通信端口乙组连接到相应信号隔离转换单元的非隔离数字通信端口组的VCC、InnerTX、InnerRX和GND；所述信号隔离转换单元的电压输入端口VIN连接到对应的目标设备的电源正极输出端，电流输出端口AO连接到对应的目标设备的模拟信号输入端，隔离数字通信端口组的gTX、gRX和GNDW端口分别连接到相应数字信号设备的数字通信端口组的RX、TX和信号地端。

所述目标设备所提供的电源电压需小于其对应信号隔离转换单元相应端口所能承受的最大电压，且大于等于其内部采样电阻及对应信号隔离转换单元的满量程压降之和，例如：所述目标设备的内部采样电阻为100欧，对应的信号隔离转换单元的满量程压降为5.1V，相应端口能承受的最大电压为24V，则目标设备所提供的电源电压应该在5.1V~24V之间。

中层及底层电路描述如下：

【信号隔离采集单元描述开始】

中层电路描述如下：

所述信号隔离采集单元基于专利ZL201821089455.5所描述的方案修改，在原方案基础上增加电源适配单元，并在原核心处理单元的基础上增加一组非隔离数字通信端口和一路PWM输出端口，非隔离数字通信端口用于与所述内部数字信号隔离单元通信，PWM输出端口用于控制电源适配单元产生内部数字信号隔离单元工作所需要的电压和电流，修改后的顶层原理图和核心处理单元原理图分别如图5和图6所示，连接关系重新描述如下：

如图5所示的信号隔离采集单元的顶层原理图，其由窃电分流采样单元、小信号放大单元、核心处理单元、信号隔离单元和电源适配单元组成，对外连接端口包括：电流流入端口IIN+，电流流出端口IIN-，由隔离数字发送端口gTX、隔离数字接收接口gRX及隔离信号地GNDW组成的隔离数字通信端口组和由电源输出端口VCC、非隔离数字发送端口InnerTX、非隔离数字接收端口InnerRX和非隔离信号地端口GND组成的非隔离数字通信端口组。

所述窃电分流采样单元的IIN+和IIN-端口分别连接到电流流入端口IIN+和电流流出端口IIN-，VOUT-端口接地，VOUT+端口连接到所述电源适配单元的VDD端口、核心处理单元的VDD端口、小信号放大单元的VS+端口及信号隔离输出单元的VDD端口，IVOUT端口连接到所述小信号放大单元的AFIN端口；所述小信号放大单元的VS-端口接地，AFOUT端口连接到所述核心处理单元的AFIN端口；所述核心处理单元的InnerRX接口、InnerTX端口和VSS端口分别连接到非隔离数字通信端口组的非隔离数字发送端口InnerTX、非隔离数字接收端口InnerRX和非隔离信号地端口GND，其中VSS端口还接地，Tx端口和Rx端口分别连接到信号隔离输出单元的TXIN端口和RXOUT端口；所述信号隔离输出单元的VSS端口接地，GNDW端口、TXOUT端口和RXIN端口分别连接到隔离数字通信端口组的隔离数字发送端口gTX、隔离数字接收接口gRX及隔离信号地GNDW。

底层电路描述如下：

所述核心处理单元由微控制器U1h、电阻R1h~R2h和电容C1h~C3h组成，对外连接端口包括：公共端口VSS、PWM输出端口PWMOUT、模拟信号输入端口AFIN、电源端口VDD、第一数字发送端口TX、第一数字接收端口RX、第二数字发送端口InnerTX和第二数字接收端口InnerRX。

所述微控制器U1h的1脚经电阻R1h接公共端口VSS，4脚经电容C1h接公共端口VSS，5脚接PWM输出端口PWMOUT，7脚经电阻R2h接模拟信号输入端口AFIN，9脚接公共端口VSS，10脚接电源端口VDD，11脚接第一数字发送端口TX，12脚接第一数字接收端口RX、13脚接第二数字接收端口InnerRX，14脚接第二数字发送端口InnerTX；所述电容C2h接在所述微控制器U1h的9脚与10脚之间；所述电容C3h接在所述微控制器U1h的7脚和9脚之间。

所述微处理器U1h采用型号为STM32L011的低功耗单片机。

本发明所述核心处理单元应具有AD采样功能、PWM输出功能、温度检测功能、参数存储功能及不少于两路的Uart异步通信功能，因本实施例中所采用的微处理器具备以上全部功能，故所述核心处理单元在本发明的实例中仅为一片微处理器芯片及其完成工作所必须的***电路。

所述电源适配单元由二极管D1p~D2p和电容C1p~C2p组成，对外连接端口包括：电源输入端口VDD、电源输出端口VCC、PWM输入端口PWMIN和公共端口GND。

所述二极管D1p的阳极接电源输入端口VDD，阴极接二极管D2p的阳极；所述二极管D2p的阴极接电源输出端口VCC；所述电容C1p接在二极管D1p与D2p的交点和PWM输入端口PWMIN之间；所述电容C2p接在电源输出端口VCC和公共端口GND之间。

所述窃电分流采样单元、小信号放大单元和信号隔离单元维持专利ZL201821089455.5中的描述不变。

【信号隔离采集单元描述结束】

【内部数字信号隔离单元描述开始】

所述内部数字信号隔离单元由隔离芯片U1g、缓冲器U2g、电阻R1g~R2g和电容C1g~C2g构成，对外连接端口包括：由第一电源输入端口VCC1、发送输入端口TXIN、接收输出端口RXOUT及第一公共端口GND1组成的数字通信端口组甲和由第二电源输入端口VCC2、发送输出端口TXOUT、接收输入端口RXIN和第二公共端口GND2组成的数字通信端口组乙。

所述隔离芯片U1g的1脚接第一电源输入端口VCC1，2脚接所述缓冲器U2g的2脚，3脚接发送输入端口TIN，4脚接第一公共端口GND1，5脚接第二公共端口GND2，6脚接发送输出端口TOUT，7脚接接收输入端口RIN，8脚接第二电源输入端口VCC2；所述缓冲器U2g的1脚悬空，3脚接第一公共端，4脚接接收输出端口ROUT，5脚接第一电源输入端口VCC1；所述电容C2g接于隔离芯片U1g的5脚与8脚之间；所述电容C1g接于隔离芯片U1g的1脚与4脚之间；所述电阻R1g接于隔离芯片U1g的1脚与3脚之间，所述电阻R2g接于缓冲器U2g的4脚和5脚之间。

所述隔离芯片U1g的型号为：π122U31。

所述缓冲器U2g的型号为：17SZ07。

【内部数字信号隔离单元描述结束】

【信号隔离转换单元描述开始】

中层电路描述如下：

如图9所示的电流信号隔离转换单元的顶层电路原理图，所述信号隔离转换单元由数字信号隔离单元、核心处理单元、电流调整稳压单元、小信号放大单元和采样单元组成，对外连接端口包括：由隔离数字发送端口gTX、隔离数字接收接口gRX及隔离信号地GNDW组成的隔离数字通信端口组，由电源输出端口VCC、非隔离数字发送端口InnerTX、非隔离数字接收端口InnerRX和非隔离信号地GND组成的非隔离数字通信端口组，电源输入端口VIN和电流输出端口AO。

所述数字信号隔离单元的GND1端口、核心处理单元的GND端口、小信号放大单元的GND端口、电流调整稳压单元的GND端口和采样单元的Iin端口连接到非隔离信号地端口，所述电流调整稳压单元的Vin端口连接到电源输入端口VIN，VCC端口和数字信号隔离单元的VCC1端口连接到非隔离数字通信端口组的电源输出端口VCC，VDD端口连接到核心处理单元的VDD端口和小信号放大单元的VDD端口，vf端口连接到核心处理单元的AFIN端口和小信号放大单元的AFOUT端口，PWMDA端口连接到核心处理单元的PWMOUT端口；所述核心处理单元的RX端口和TX端口分别连接到数字信号隔离单元的ROUT端口和TIN端口，InnerTX端口和InnerRX端口分别连接到非隔离数字通信端口组的非隔离数字发送端口InnerTX和非隔离数字接收端口InnerRX；所述小信号放大单元的AFIN端口以及所述采样单元的IOUT端口连接到电流输出端口AO。

底层电路描述如下：

所述数字信号隔离单元由隔离芯片U1g、电阻R1g、电容C1g~C2g和二极管D1g组成；对外连接端口包括：由第一电源输入端口VCC1、发送输入端口TXIN、接收输出端口RXOUT及第一公共端口GND1组成的数字通信端口组甲和由第二电源输入端口VCC2、发送输出端口TXOUT、接收输入端口RXIN和第二公共端口GND2组成的数字通信端口组乙。

所述隔离芯片U1g的1脚接第一电源输入端口VCC1，2脚接接收输出端口RXOUT，3脚接发送输入端口TIN，4脚接第一公共端口GND1，5脚接第二公共端口GND2，6脚接发送输出端口TOUT，7脚接接收输入端口RIN，8脚接第二电源输入端口VCC2；所述二极管D1g的阳极接接收端输入端口RIN，阴极接所述隔离新U1g的8脚；所述电容C2g接于隔离芯片U1g的5脚与8脚之间；所述电容C1g接于隔离芯片U1g的1脚与4脚之间；所述电阻R1g接于隔离芯片U1g的1脚与3脚之间。

所述隔离芯片U1g的型号为：π122U31。

所述数字信号隔离单元中的数字通信端口乙使用信号线窃电的方式或者独立供电的方式获取能量，以供所述数字信号隔离单元内部相应的电路正常工作，使用信号线窃电的方式时，要求与之连接的数字信号源设备能够在相应的信号线上提供合适的电压和电流。

所述小信号放大单元由放大器U1f、电容C1f~C2f和电阻R1f~R2f组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口VDD、公共端口GND、小信号输入端口AFIN和放大信号输出端口AFOUT。

所述放大器U1f的1脚和2脚接公共端口GND，3脚经电阻R1f接小信号输入端口AFIN，4脚经电阻接放大信号输出端口AFOUT，5脚接电源正极端口VDD；电容C2f接于放大器U1f的2脚与5脚之间；电阻R2f与电容C1f并联后接于放大器U1f的3脚与4脚之间。

所述放大器U1f需能够正常工作于小信号输入端口AFIN的电平比电源负端口VS-的电平低的情况，本实施例采用型号为TP5531U-CR的精密低压运放。

所述核心处理单元同信号隔离采集单元中的同名物质。

所述电流调整稳压单元由放大器U1t、线性串联稳压源U2t、并联稳压源U3t、电阻R1t~R6t、电容C1t~C8t和P-MOS管Q1t组成；对外连接端口包括：电源输入正极端口Vin、电源输出第一端口VCC、电源输出第二端口VDD、反馈信号输入端口Vf、PWM电流调整信号输入端口PWMDA和公共端口GND。

所述线性稳压源U2t的电源输入引脚Vin接电源输入正极端口Vin，公共引脚GND接公共端口GND，电源输出引脚Vout接电源输出第一端口VCC、P-MOS管Q1t的源极和放大器U1t的5脚；所述放大器U1t的1脚经电阻R7t接到反馈信号输入端口Vf，2脚接公共端口GND，3脚经电阻R1f、R2f和R3f串联后接PWM电流调整信号输入端口PWMDA，4脚接P-MOS管Q1t的控制极；所述P-MOS管Q1t的漏极接电源输出第二端口VDD和并联稳压源U3t的阴极；所述并联稳压源U3t的阳极接公共端口GND；所述电阻R4t并接于P-MOS管Q1t的源极和漏极之间；所述电阻R5t并接于并联稳压源U3t的阴极和参考极之间；所述电阻R6t并接于并联稳压源U3t的阳极和参考极之间；所述电容C1t并接于线性串联稳压源U1t的电源输入脚Vin和公共引脚GND之间；所述电容C2t并接于放大器U2t的3脚和4脚之间；所述电容C3t并接于线性串联稳压源U1t的电源输出脚Vout和公共引脚GND之间；所述电容C4t并接于放大器的3脚和2脚之间；所述电容C5t并接于电阻R1t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C6t并接于电阻R3t与R2t的节点和公共端口GND之间；所述电容C7t并接于并联稳压源U3t的阴极和公共端口GND之间；所述电容C8t并接于放大器的1脚和2脚之间。

所述线性串联稳压源U2t的耐压值应尽可能大，最小压降应尽可能小，本实施例采用的型号为HT7550。

所述采样单元由电阻R1y和电容C1y组成；对外连接端口包括电流输入端口IIN和电流输出端口IOUT。

所述电阻R1y和电容C1y并联后接于电流输入端口IIN和电流输出端口IOUT之间。

所述电阻R1y采用高精度低温漂电阻，其阻值应远远小于小信号放大单元中的电阻R1f。

【信号隔离转换单元描述结束】

实施例_甲子：举例结束。

实施方式_甲子：介绍结束。

实施方式_甲丑：

参考图2所示一种4-20mA信号隔离电路的原理框图及应用说明框图2，本发明所述的矩阵式多功能信号隔离变送器包括k个信号隔离采集单元、m个内部数字信号隔离单元和n个信号隔离转换单元，k个信号隔离采集单元和n个信号隔离转换单元经m个内部数字信号隔离单元组成环形通信架构。

如图2所示，电流隔离采集单元对经过的电流IAI进行测量并输出相应的数字值Idata0到与其连接的数字信号设备，同时可接收该数字信号设备发出的数字信息Ddata0以及经内部数字信号隔离单元发来的数字信息Ddata1x，再将Idata0、数字信息Ddata0和数字信息Ddata1x整理合并成数字信息Data0并经内部数字信号隔离单元传输到下一个信号隔离采集单元或信号隔离转换单元；而与信号隔离转换单元连接的数字信号设备也可发送数字信息Ddata1和设定电流值Idata1到其对应的信号隔离转换单元，信号隔离转换单元将接收的数字信息Data0和Ddata1进行综合处理：将Ddata1和Idata1合并为Data1经内部数字信号隔离单元发送到下一个信号隔离转换单元或信号隔离采集单元，在Data0中提取出需要的信息Idata0和Ddata0，并将Idata0和Idata1根据需要进行输出，将Ddata0根据需要发送到与其连接的数字信号设备。

为便于理解，本处使用实施例对本发明进行阐述，其电路结构使用了层次化设计，将整套电路划分为三层：顶层、中层和底层。顶层电路限定了各子单元电路的接口及各接口之间的衔接关系；中层电路对内部数字信号隔离单元电路进行了内部设计，并对信号隔离转换单元进行了子单元设计；底层电路对信号隔离采集单元的部分子单元和信号隔离转换单元的全部子单元电路进行了内部设计。

实施例_甲丑：

如图4所示的一种矩阵式多功能信号变送器的顶层电路原理图，其包括2个信号隔离采集单元、4个内部数字信号隔离单元和2个信号隔离转换单元，即：k=2，m=4，n=2，2个信号隔离采集单元和2个信号隔离转换单元的非隔离数字通信端口组经内部数字信号隔离单元通过首尾相接的方式形成环形连接，描述如下：

所述信号隔离采集单元的电流流入端口IIN+和电流流出端口IIN-作为一对电流采样端口分别连接到源设备的电流输出端和电流回流端，gTX、gRX和GNDW作为一组隔离数字通信端口分别连接到数字信号设备对应数字信号端口的RX端、TX端和信号地端，非隔离数字通信端口组中的VCC、InnerTX和GND端口分别连接到下一个内部数字信号隔离单元的数字通信端口组甲的VCC1、TXIN和GND1，非隔离数字通信端口组中的VCC、InnerRX和GND端口分别连接到上一个内部数字信号隔离单元的数字通信端口组乙的VCC2、TXOUT和GND；所述信号隔离转换单元的电压输入端口VIN连接到对应的目标设备的电源正极输出端，电流输出端口AO连接到对应的目标设备的模拟信号输入端，隔离数字通信端口组的gTX、gRX和GNDW端口分别连接到对应的数字信号设备的数字通信端口组的RX、TX和信号地端，非隔离数字通信端口组中的VCC、InnerTX和GND端口分别连接到下一个内部数字信号隔离单元的数字通信端口组甲的VCC1、TXIN和GND1，非隔离数字通信端口组中的VCC、InnerRX和GND端口分别连接到上一个内部数字信号隔离单元的数字通信端口组乙的VCC2、TXOUT和GND。

所述目标设备所提供的电源电压需小于其对应信号隔离转换单元相应端口所能承受的最大电压，且大于等于其内部采样电阻及对应信号隔离转换单元的满量程压降之和，例如：所述目标设备的内部采样电阻为100欧，对应的信号隔离转换单元的满量程压降为5.1V，相应端口能承受的最大电压为24V，则目标设备所提供的电源电压应该在5.1V~24V之间。

中层及底层电路描述如下：

所述信号隔离采集单元同实施例_甲子中的同名物质。

所述内部数字信号隔离单元同实施例_甲子中的同名物质。

所述信号隔离转换单元同实施例_甲子中的同名物质。

实施例_甲丑：举例结束。

实施方式_甲丑：介绍结束。

本发明的工作原理：

整体工作原理：

分别利用输入输出电流环路中的能量可实现相应信号转换电路的正常工作。利用数字信号便于处理及隔离的优势，可将输入的模拟信号通过微处理器先转换为数字信号，再对数字信号进行处理及隔离传输，然后将数字信号通过微处理器还原为相应的模拟信号。

进一步的，在AD采集单元和DA转换单元中植入数字信号隔离器，并合理的利用数字通信线路窃电技术，便可在基于模拟信号与数字信号互相转换的基础上，实现AD采集单元和DA转换单元使用数字信号与外界的隔离通信。

进一步的，将AD采集单元、DA转换单元及相应的数字信号隔离单元分别扩展到多个，其中AD采集单元和DA转换单元通过相应的数字信号隔离器实现直接通信或间接通信，再利用微处理器的数字信息再加工能力，便可实现任意输入到任意输出的点对点传输、点对多点传输及多点对点传输，如此便实现了矩阵式多功能信号变送器。

关于信号隔离采集单元的工作原理：模拟信号转数字信号的原理同专利ZL201821089455.5，在信号隔离采集单元的微处理器中运行如图14所示的主要任务流程，即：在准备工作完成后，循环执行主要任务流程——进入模拟信号采集程序，将模拟信号转换为相应的数字信息数据Idata0；然后分别接收外部设备发来的数字信息Ddata0和内部信号隔离采集单元阵列传来的数字信息Ddatax；再对Idata0、Ddata0和Ddatax进行一系列的解析及整合处理；再将所得结果根据情况分别发送到外部设备或者内部数字信号隔离单元阵列。

关于信号隔离转换单元的工作原理：通过数字信号隔离单元与外部设备和内部其它单元模块进行数字信号交互，以达到电气隔离的目的。同时可根据情况将来自外部设备和内部其它单元模块的数字信息转换为模拟信号输出，其主要任务流程如图15所示：在准备工作完成后，循环执行主要任务流程——首先分别接收外部设备发来的数字信息Ddata2和内部信号隔离采集单元阵列传来的数字信息Ddatax；对Ddata2和Ddatax进行一系列的解析及整合处理，同时根据不同的输出模式将从Ddata2和Ddatax中解析出来的相应数据整合成待输出模拟信号的源数据Idata1；然后将所得到的数字信息根据情况分别发送到外部设备或者内部数字信号隔离单元阵列；再将Idata1转换为相应的模拟信号进行输出。

数模转换的工作原理：使用双运放构成V/I变换电路，其中第一个运放A1搭建电流调整电路，第二个运放A2搭建负压反馈电路；使用微处理器将设定电流值IdataS转换成相应的PWM信号，使该PWM信号通过低通滤波器后便可产生相应的参考电压信号Vdata1，V/I变换电路中的第一个运放及匹配电路构成电流调整电路，其根据参考电压信号Vdata1产生相应的电流信号Idata1，再加上整个电路自身的消耗电流Idata0，便是流过该电路的总电流Idata，即Idata=Idata0+Idata1。

然后将采样电阻R1y至于公共端之下，也就是在采样电阻的另一端产生负压，这样便可确保电路中所有的电流，也就是Idata几乎全部流过采样电阻，便会产生一个电压值很小的反馈信号Vf（其相对于公共端呈负极性），将该电压通过一个远远大于采样电阻R1y的电阻R1f连接到第二个运放A2的负输入端使其放大N倍，得到反馈电压Vaf并反馈到第一运放使Idata1保持稳定，同时将Vaf送到微处理器进行AD转换，得到相应的电压数字值Vdataf，微处理器再根据Vdataf计算相应的电流Idataf，公式为：Idataf=k*Vdataf+b，其中k、b为事先校准好的线性系数。

综合图6和图9~图13的电路图可以看到，整个隔离后端电路的电流全部经采样电阻R1y和反馈电阻R1f流回目标设备，而R1f远远小于R1y，所以流过R1y的电流可忽略不计，便有Idataf=Idata0+Idata1；而Idata1是由微处理器控制的，固只要按照图16的控制流程实现模拟信号输出程序，令微处理器实时计算Idataf的值，并根据Idataf的值调整PWM的占空比，进而调整Idata1，确保Idataf=IdataS，便可实现使用数字信号控制输出恒定电流的目的。

进一步的，因为隔离后端电路的自身工作电流也流过采样电阻R1y，可被实时监测，固整个隔离后端电路便可以电流环的方式串入目标设备相应的采样通道中，使用目标设备的电源，而不必单独设定电源接口，如此便可实现更友好的接线方式和匹配范围。