CN103226346A

CN103226346A - 一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统

Info

Publication number: CN103226346A
Application number: CN2013100917410A
Authority: CN
Inventors: 周永明; 叶朝辉
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-07-31

Abstract

本发明涉及一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统，属于多路模拟和数字信号采集技术领域，主要由基于PSoC芯片的以太网通信板和通过I²C总线连接的一个或多个基于PSoC芯片的传感器采集板所组成；该以太网通信板通过I²C总线控制传感器采集板进行数据采集，通过I²C总线读取传感器采集板的采集结果，并通过以太网使用TCP协议将采集的传感器数据实时上传，从而完成对多路传感器的远程监测。该系统基于可编程片上系统PSoC的优势，具有集成度高、可配置、可扩展、单芯片可采集信号的路数多、数据可传输到远程计算机等优点。

Description

一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统

技术领域

本发明属于多路模拟和数字信号采集技术领域，特别涉及一种基于可编程片上系统的可配置的多路模拟和数字信号采集系统。

背景技术

信号采集系统的发展使系统中的传感器逐渐增多，如果一个系统中传感器特别多，受一般单片机资源的限制，需要多片单片机级联才可完成任务，这样增大了系统的复杂性，降低了系统的集成度和可靠性。基于FPGA的多路信号采集系统，充分利用了FPGA I/O口多、可编程的优势，用单核即可完成多路信号采集，但是由于FPGA本身不能处理模拟信号，因此在含模拟信号的系统中，需要外接模拟多路选择器和模数转换器来实现系统功能，系统也比较复杂。

多路信号采集系统不仅系统复杂，而且专用性强，只能连接特定的传感器，比如温度、流量传感器等，如果传感器的种类发生变化，就需要重新进行整个系统的硬件设计，不利于系统的更新和升级。

比如名称为“多路检测系统”的实用新型专利，授权号为CN201688896U，涉及一种多路采集系统，系统由模拟信号多路选择模块、模数转换模块、控制模块和存储模块组成，多路模拟信号经过多路选择模块的选择后进入模数转换模块进行模数转换，转换成的数字信号传送到控制模块，最后传送到存储模块进行存储。该系统存在以下不足：

1．上述专利硬件组成模块较多、系统比较复杂；

2.上述专利只能测量模拟的气体质量流量信号，并且能够采集的通道数确定，不可配置，通用性较差；

3.上述专利的采集结果不能进行远程传送，必须到现场才能取得采集结果。

Cypress公司的可编程片上系统（Programmable System on Chip，简称PSoC），在单个芯片上集成微控制器(MCU)、存储器、模拟外设和数字外设，并且PSoC内部的模拟资源和数字阵列可以根据需求，通过PSoC Creator集成开发环境进行配置，而且可从任意通用输入输出引脚路由至任意数字或模拟外设，可以简化系统设计，提高系统集成度。比如名称为“基于可编程片上系统的通用串行总线密码锁”的发明专利，公开号为CN101325492A，就涉及了可编程片上系统PSoC在电子和信息安全技术领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统，该系统基于可编程片上系统的优势，具有集成度高、可配置、可扩展、单芯片可采集信号的路数多、数据可传输到远程计算机等优点。

本发明提出的一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统，其特征在于，主要由基于PSoC芯片的以太网通信板和通过I²C总线连接的一个或多个基于PSoC芯片的传感器采集板所组成；该以太网通信板通过I²C总线控制传感器采集板进行数据采集，也通过I²C总线读取传感器采集板的采集结果，并且，以太网通信板根据远程上位机的指令，通过SPI接口与以太网控制芯片进行通信，进而通过以太网使用TCP协议将采集的传感器数据实时上传，从而完成对多路传感器的远程监测。

所述每个传感器采集板主要由第一PSoC芯片，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以及多个传感器接线端子所组成；其中，第一PSoC芯片，用于对与传感器接口相连的所有传感器的信号进行读取；电平转换芯片为传感器采集板各电路供电。晶振为第一PSoC芯片提供时钟信号；JTAG接口用于电路板与JTAG仿真器连接。采用本发明系统，传感器输出的模拟或数字信号直接与第一PSoC芯片的输入输出引脚相连，因此每个传感器采集板包含可以插接传感器的接线端子，接线端子的引脚与第一PSoC芯片的输入输出引脚相连。

传感器采集板用于对与其相连的所有传感器输出的数据进行采集，每个传感器采集板可同时采集57路模拟信号或者67路数字信号，各种类型的传感器通过导线（0～200米长）插接到传感器采集板的接线端子上，与第一PSoC芯片U1的输入输出引脚直接相连。

该发明提出的多路信号采集系统是可配置的，具体来讲，就是可以根据传感器的种类和数量，通过PSoC creator集成开发环境对第一PSoC芯片进行编程，配置其内部使用的数字或模拟外设，并配置响应的参数，从而使系统适应不同的应用环境：如果连接的是多路模拟信号，使用第一PSoC芯片内部的多路选择器模块和模数转换器模块，并配置多路选择器模块的通道数和模数转换器的精度、采样率、参考电压等参数；如果连接的是多路数字脉冲信号，使用第一PSoC芯片内部的脉冲计数模块，并配置计数器的位数等参数。第一PSoC芯片通过I²C总线与第二PSoC芯片进行通信，以固定的格式，将采集的传感器数据上传给第二PSoC芯片。

所述以太网通信板主要由第二PSoC芯片，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以太网控制芯片和以太网口所组成；其中，第二PSoC芯片，用于读取、存储第一PSoC芯片上传的传感器数据，并且能够响应远程上位机通过以太网发送的指令，通过以太网将传感器数据上传至远程上位机；第二PSoC芯片通过SPI接口与以太网控制芯片相连。以太网控制芯片为带有标准SPI接口的独立以太网控制器；以太网口内部集成有一个发送和一个接收变压器，还集成了两个指示LED，将绿色的LED配置为连接状态指示，当系统接入以太网时，该LED亮，否则该LED灭，将黄色的LED配置为数据包接收指示，每接收到一个数据包，黄色的LED闪烁一次。

所述以太网通信板用于系统的过程控制、数据的存储和上传至远程上位机。

本发明的特点有：

1.本发明提出的多路信号采集系统，CPU采用可编程片上系统PSoC芯片，在进行多路采集时，不需要外接多路选择器芯片、模数转换芯片等外设，电路体积小、集成度高。

2.本发明提出的多路信号采集系统，PSoC内部的模拟资源和数字阵列可以根据需求，通过PSoC Creator集成开发环境进行配置，并且可从任意通用输入输出口路由至任意数字或模拟外设，因此，在不改变硬件的情况下，每一路传感器接口既能测量模拟信号，又能测量数字信号，使该发明具有很好的通用性。

3.本发明提出的多路信号采集系统，单个CPU芯片可同时测量的传感器路数较多，PSoC芯片共有72个输入输出口，根据内部资源的限制，一片PSoC芯片可同时采集57路模拟信号或者可同时采集67路数字信号。

4.本发明提出的多路信号采集系统，如果单CPU芯片不能满足通道数的要求，可在I²C总线上挂接更多的相同的采集板，使系统具有很好的可扩展性。

5.本发明提出的多路信号采集系统，可以通过以太网将传感器数据传送至远程的上位机，可以实现对多路信号的远程监测。

附图说明

图1为本发明在挂接多个传感器采集板时的结构框图；

图2为本发明在挂接一个传感器采集板时的结构详图。

具体实施方式

本发明提出的一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明的可配置的多路模拟和数字信号采集系统，基于Cypress公司的可编程片上系统PSoC芯片，采用模块化设计方案，结构如图1所示，主要由以太网通信板和通过I²C总线连接的一个或多个相同的传感器采集板组成。

当一个传感器采集板不能完成所有的传感器测量时，可以如图1所示，在I²C总线上挂接多个传感器采集板，因此可以根据传感器的多少灵活的确定传感器采集板的数量，使得系统具有很好的可扩展性。

本发明的太网通信板和传感器采集板的具体结构如图2所示，分别说明如下：

每个传感器采集板主要由第一PSoC芯片U1，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以及多个传感器接线端子所组成。其中，第一PSoC芯片，用于对与传感器接口相连的所有传感器的信号进行读取。电平转换芯片采用AMS1117‐5和AMS1117‐3.3，将输入的7.5V电压转换为5V和3.3V，为传感器采集板的各电路供电。晶振采用25M的无源晶振，为第一PSoC芯片U1提供时钟信号。JTAG接口采用10针的封装，用于电路板与JTAG仿真器连接。传感器接线端子用于电路板与传感器连接。

根据连接的传感器种类和数量，可使用PSoC creator集成开发环境配置第一PSoC芯片U1内部的数字或模拟模块，并配置各内部模块的参数（PSoC creator是一种可视化的软硬件协同设计集成开发环境，通过PSoC Creator，可以使用包含众多预建组件和布尔基元的资料库，可以方便的修改系统级设计）。使用PSoC creator对第一PSoC芯片U1进行配置的具体方法为：如果连接的是多路模拟信号，使用PSoC芯片内部的多路选择器模块和模数转换器模块，并配置多路选择器模块的通道数和模数转换器的精度、采样率、参考电压等参数；如果连接的是多路数字脉冲信号，使用PSoC芯片内部的脉冲计数模块，并配置计数器的位数等参数。

传感器采集板的配置只需在新环境下的第一次使用前进行配置，配置完成以后就可以周期性的采集传感器数据，并将采集的数据通过I²C总线上传给以太网通信板。

以太网通信板主要由第二PSoC芯片U2，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以太网控制芯片和以太网口所组成。其中，电平转换芯片、晶振、JTAG部分与传感器采集板相应的部分型号和功能相同。以太网控制芯片采用ENC28J60芯片，该ENC28J60芯片是Microchip公司生产的一款带有标准SPI接口的独立以太网控制器，并且仅有28个引脚，非常适合与微控制器配合使用。该公司提供相应的TCP/IP协议栈，易于开发。以太网口采用HanRun公司的HR911105A，该以太网口内部集成一个发送和一个接收变压器，而且集成了两个指示LED，通过程序将绿色的LED配置为连接状态指示，当系统接入以太网时，该LED亮，否则该LED灭，将黄色的LED配置为数据包接收指示，每接收到一个数据包，黄色的LED闪烁一次。

以太网通信板用于系统的过程控制、数据的存储和上传至远程上位机，它通过I²C总线控制传感器采集板进行数据采集，也通过I²C总线读取传感器采集板的采集结果，并在第二PSoC芯片U2内部Flash中进行存储，同时第二PSoC芯片U2内部移植了TCP/IP协议栈，运行以太网通信程序，因此以太网通信板可以根据上位机的指令，通过SPI接口与以太网控制芯片进行通信，进而通过以太网使用TCP协议将采集的传感器数据实时上传，从而完成对多路传感器的远程监测。

Claims

1.一种可配置的多路模拟和数字信号采集系统，其特征在于，主要由基于PSoC芯片的以太网通信板和通过I²C总线连接的一个或多个基于PSoC芯片的传感器采集板所组成；该以太网通信板通过I²C总线控制传感器采集板进行数据采集，并通过I²C总线读取传感器采集板的采集结果；以太网通信板根据上位机的指令，通过SPI接口与以太网控制芯片进行通信，进而通过以太网使用TCP协议将采集的传感器数据实时上传，从而完成对多路传感器的远程监测。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述每个传感器采集板主要由第一PSoC芯片，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以及多个传感器接线端子所组成；其中，第一PSoC芯片，用于对与传感器接口相连的所有传感器输出的信号进行读取；电平转换芯片为传感器采集板各电路供电；晶振为第一PSoC芯片提供时钟信号；JTAG接口用于电路板与JTAG仿真器连接；传感器接线端子用于电路板与传感器连接。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述传感器采集板用于对与其相连的所有传感器输出的数据进行采集，每个传感器采集板可同时采集57路模拟信号或者67路数字信号，各种类型的传感器通过导线插接到传感器采集板的接线端子上，与第一PSoC芯片U1的输入输出引脚直接相连。

4.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述第一PSoC芯片U1，根据连接的传感器种类和数量，选用该第一PSoC芯片内部的相应模块及配置相应的参数：如果连接的是多路模拟信号，使用第一PSoC芯片内部的多路选择器模块和模数转换器模块，并配置多路选择器模块的通道数和模数转换器的精度、采样率、参考电压等参数；如果连接的是多路数字脉冲信号，使用第一PSoC芯片内部的脉冲计数模块，并配置计数器的位数等参数。

5.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述以太网通信板主要由第二PSoC芯片，与该芯片相连的电平转换芯片、晶振和JTAG接口，以太网控制芯片和以太网口所组成；其中，第二PSoC芯片，用于读取、存储第一PSoC芯片上传的传感器数据，并且能够响应远程上位机通过以太网发送的指令，通过以太网将传感器数据上传至远程上位机；以太网控制芯片为带有标准SPI接口的独立以太网控制器；以太网口内部集成有一个发送变压器、一个接收变压器和两个指示LED。