CN102346453A - 基于工业以太网的模拟量数据采集模块 - Google Patents

基于工业以太网的模拟量数据采集模块 Download PDF

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李萌
马晶
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Abstract

本发明为基于工业以太网的模拟量数据采集模块，由主控制模块、以太网通讯模块、电源模块和AD数据采集模块构成，主控制模块由以太网控制器ARM处理器芯片，标准JTAG电路及外围电路构成，标准JTAG电路与ARM处理器相连，以太网通讯模块由网络变压器、集成PHY层的网络芯片和RJ45网络接口构成，电源模块为以太网通讯模块和AD数据采集模块提供电源和参考电压，AD数据采集模块实现模拟量数据的采集及信号转换，本发明将工业现场的多种模拟信号转换为工业以太网信号，构成工业以太网的基本部件，便于实现远端用户通过Internet对数据采集卡进行访问与监测。

Description

基于工业以太网的模拟量数据采集模块
技术领域
    本发明涉及一种现场总线远程检测模块，特别涉及一种基于工业以太网的模拟量数据采集模块。
背景技术
    工业现场中许多信号量都是模拟量，如温度、湿度、浓度、流量等。将传统的模拟量传感器和工业以太网相结合，可以大大降低工业以太网控制系统的成本，加快其推广和应用。因此，具有底层模拟量数据采集能力和以太网总线接口的智能控制节点是组成工业以太网的基本部件，智能节点的开发是工业以太网走向具体应用的关键。
工业以太网成为新的发展方向，具有应用广泛、成本低廉、技术资源丰富、可靠性高、传输速度快、用户基础广泛等显著优点，现正在逐渐向工业现场应用的传感器层发展，研制具有以太网接口的模拟量数据采集模块，便于实现远端用户通过Internet 对数据采集卡进行访问与监测。
发明内容
    本发明的目的是将工业现场的模拟信号转换成EPA总线信号，模拟输出设备和EPA设备共存于同一个系统中，便于对模拟信号的监控。
    本发明采用的技术方案为：基于工业以太网的模拟量数据采集模块由主控制模块、以太网通讯模块、电源模块和AD数据采集模块构成，其特征是：主控制模块由ARM处理器芯片、标准JTAG电路及外围电路构成，ARM处理器芯片与芯片MAX3232连接，标准JTAG电路与ARM处理器芯片相连，以太网通讯模块由网络变压器、集成PHY层的网络芯片和RJ45网络接口构成，以太网通讯模块通过MII接口与ARM处理器芯片相连，网络变压器分别与网络芯片、RJ45网络接口连接，通过网络变压器实现网络信号与片上通讯信号的隔离；电源模块为以太网通讯模块和AD数据采集模块提供电源和参考电压；AD数据采集模块实现模拟量数据的采集及信号转换。
    所述主控制模块中的ARM处理器芯片为AT91SAM7x256：主电路模块的工作电压为3.3V；所述标准JTAG电路与ARM处理器芯片AT91SAM7x256连接作为仿真调试接口；通过芯片MAX3232配备有一个RS232接口。
    所述以太网通讯模块中的网络芯片为DM9161BIEP；网络变压器为HR911105A，网络变压器HR911105A分别与网络芯片DM9161BIEP、RJ45网络接口连接；主电路模块电源通过RJ45网线从工业交换机的RJ45网络接口4、5脚获取+24V电源，从7、8脚获取GND。
所述电源模块采用总线24V供电，利用EUP3410芯片将总线的24V电源转换为5V，再利用SG2001-3.3V芯片将5V电压转换为3.3V固定电压，为ARM处理器芯片及网络芯片供电。
    AD采集端采用RC滤波器对模拟信号进行低通滤波，滤除高频谐波信号。
    AD数据采集模块实现8通道数据采集，对模拟输入信号进行高通和低通滤波，将模拟信号传送给ARM处理器芯片，ARM处理器芯片对信号进行周期性采集及信号处理，并进行网络传输。
     ARM处理器芯片AT91SAM7x256预制软件系统移植有嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式网络TCP/IP协议，实现以太网的信息传输，利用AT91SAM7x256芯片的ADC模拟-数字信号转换器实现8通道模拟信号采集。
    本发明的有益效果是：将工业现场的多种模拟信号转换为工业以太网信号，构成工业以太网的基本部件，便于实现远端用户通过Internet 对数据采集卡进行访问与监测。
附图说明
    图1是本发明的电路结构框图；
图2是本发明的ARM处理器芯片电路；
图3是本发明的集成PHY层的网络芯片及其外围电路；
图4是电源电路及AD数据采集电路；
图5是本发明的软件流程图。
具体实施方式
    为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：
    如图1至4所示，基于工业以太网的模拟量数据采集模块主要由集成有MAC层和网络控制器的ARM处理器芯片AT91SAM7x256、集成PHY层的网络芯片DM9161BIEP、网络变压器HR911105A、标准JTAG电路、RS232接口芯片MAX3232、RJ45网络接口及外围电路构成、电源电路、AD信号输入滤波电路构成。
    主电路模块的工作电压是3.3V，ARM处理器芯片VDDIO端输入电压为3.3V；ARM内核的工作电压是1.8V，1.8V电压由该芯片的VDDOUT输出，给自身的内核供电，CPU的晶振采用的频率为18.432MHz；标准JTAG电路通过连接ARM处理器芯片AT91SAM7x256实现仿真调试和程序下载；ARM处理器芯片CPU与网络芯片DP83848I通过MII接口实现通信；ARM处理器芯片与RS232芯片MAX3232连接作为上位机前期调试接口；集成PHY层的网络芯片DM9161BIEP，其外接晶振为25MHz；网络变压器HR911105A分别与集成PHY层的网络芯片DM9161BIEP、RJ45网络接口连接；AD数据采集模块对模拟信号进行滤波，与ARM处理器芯片的信号采集接口相连；电路由总线供电，利用EUP3410和SG2001-3.3V芯片将电压进行转换，为主控制模块、以太网通讯模块和AD数据采集模块供电。
    图2是ARM处理器芯片电路，采用AT91SAM7x256，这是一款集成有MAC层和网络控制器的ARM芯片。整个芯片的工作电压是3.3V，ARM内核的工作电压是1.8V，1.8V电压由该芯片的VDDOUT输出，给自身的内核供电，其余IO部分和外围设备控制器是3.3V供电。CPU的晶振采用18.432MHz，经过PLL控制器分频倍频后产生48MHz的频率作为ARM主频。仿真调试部分采用标准的JTAG电路，可以调试及下载程序，同时为了方便开发人员调试板卡，通过MAX3232配备有一个RS232接口，有助于前期开发。AT91SAM7x256与网络芯片DM9161BIEP通过MII接口实现，MII的接口个数一共为15个管脚，由AT91SAM7x256利用DMA接口实现MAC层以上的网络数据收发。
    如图3所示，为AD采集信号的网络发送部分，其中DM9161BIEP为集成PHY层的网络芯片，其外接晶振为25MHz，其通过MII接口与AT91SAM7x256连接。HR911105A为网络变压器，其分别与RJ45网络接口和DM9161BIEP连接。RJ45的网络接口的4、5脚通过工业交换机得到24V电源，7、8脚也与工业交换机相连得到GND，实现总线供电。
    如图4所示为电源电路及AD数据采集电路，由于采用总线24V供电，所以需要EUP3410芯片，将总线的24V电源转换为5V，再利用SG2001-3.3V芯片将5V电压转换为3.3V固定电压，为ARM处理器芯片及网络芯片供电。AD供8个数据采集通道，AD采集端采用RC滤波器对模拟信号进行低通滤波，滤除高频谐波信号，采集的信号送给ARM处理器芯片的AD采集引脚，由ARM处理器芯片进行信号采集、滤波，转换为网络数据并进行发送。
    如图5所示为该模块的软件流程，系统周期性的采集模拟输入信号，整个软件系统移植有嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式网络TCP/IP协议，将采集的模拟信号转换为数字信号，并添加以太网协议报头进行网络发送。
    在该模块上电后，程序首先进行整个硬件系统的初始化，使能 ARM和网络芯片，设置时钟和外围控制器，然后初始化嵌入式操作系统uC/OS-II和嵌入式TCP/IP网络协议，利用嵌入式操作系统uC/OS-II设置AD信号采集时间，周期性的采集输入信号，根据参考电压将模拟信号转换为数字信号，转换完成后产生中断，对多次采集信号进行软件滤波，发送信号给网络发送线程，网络发送线程在转换结果前添加TCP/IP协议报头，发送到以太网中，以供远程监测。
    根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (5)

1.基于工业以太网的模拟量数据采集模块由主控制模块、以太网通讯模块、电源模块和AD数据采集模块构成，其特征是：主控制模块由ARM处理器、标准JTAG电路及外围电路构成，ARM处理器与芯片MAX3232连接，标准JTAG电路与ARM处理器相连，以太网通讯模块由网络变压器、集成PHY层的网络芯片和RJ45网络接口构成，以太网通讯模块通过MII接口与ARM处理器相连，网络变压器分别与网络芯片、RJ45网络接口连接，通过网络变压器实现网络信号与片上通讯信号的隔离；电源模块为以太网通讯模块和AD数据采集模块提供电源和参考电压；AD数据采集模块实现模拟量数据的采集及信号转换。
2.如权利要求1所述基于工业以太网的模拟量数据采集模块，其特征是：所述主控制模块中的ARM控制器为AT91SAM7x256：主电路模块的工作电压为3.3V；所述标准JTAG电路与ARM处理器AT91SAM7x256连接作为仿真调试接口；通过芯片MAX3232配备有一个RS232接口。
3.如权利要求1所述基于工业以太网的模拟量数据采集模块，其特征是：所述以太网通讯模块中的网络芯片为DM9161BIEP；网络变压器为HR911105A，网络变压器HR911105A分别与网络芯片DM9161BIEP、RJ45网络接口连接；主电路模块电源通过RJ45网线从工业交换机的RJ45网络接口4、5脚获取+24V电源，从7、8脚获取GND。
4.如权利要求1所述基于工业以太网的模拟量数据采集模块，其特征是：所述电源模块采用总线24V供电，利用EUP3410芯片将总线的24V电源转换为5V，再利用SG2001-3.3V芯片将5V电压转换为3.3V固定电压，为ARM处理器及网络芯片供电。
5.如权利要求1所述基于工业以太网的模拟量数据采集模块，其特征是：AD采集端采用RC滤波器对模拟信号进行低通滤波，滤除高频谐波信号。
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