CN104020691B - 适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡 - Google Patents
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Abstract
适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，属于高精度运动控制的信号采集领域，本发明为解决目前市场上的多数信号采集板卡基于单一PCI、PXI或者ISA总线的方式，没有可以兼容多种总线协议的信号采集板卡的问题。本发明包括FPGA模块、DSP模块、m个RS422模块、通用扩展接口、第一电平转换模块、第二电平转换模块、n个光纤收发芯片、n个光纤接口模块、p个AD采集芯片、总线接口模块、PCI总线转接电路板、PXI总线转接电路板、ISA总线转接电路板和VME总线转接电路板；便于同其他信号采集单元通信或者将其他传感器模块的扩展。同时该信号采集板卡还预留了自定义总线的接口，便于用户根据自己需要自定义总线。
Description
技术领域
本发明涉及工控机机箱板卡，尤其适用于VME总线的信号采集板卡，属于高精度运动控制的信号采集领域。。
背景技术
目前市场上的信号采集板卡多采用PCI总线或ISA总线。其中陕西海泰电子有限责任公司的张恩全等人申请的中国专利《基于PXI总线的多通道动态信号采集卡》的公开号为CN103324132A，公开日为2013年9月25日，该专利采用PXI总线的方式，北京理工大学刘满国等人申请的中国专利《双模式信号采集板》的公开号为CN101587498，公开日为2009年11月25日，该专利采用PCI总线的方式，上海航天控制工程研究所张程等人申请的中国专利《一种基于Compact PCI总线的信号采集板卡》的公开号为CN102890726A，公开日为2013年1月23日，该专利采用PCI总线的方式。但都没有可以兼容多种总线协议的信号采集板卡。PCI总线支持32位和64位总线宽度，一般频率为33M/s，但是抗干扰、稳定性和实时性等性能上远比不上VME总线。在军工、高精度加工和半导体制造等领域，VME总线是很好的选择方式。VME64x总线运行频率在20M，是异步传输总线，它通过与板卡的信号握手来完成数据传输，本身具有较强的信号稳定和抗干扰能力，而且还有较完备的错误处理优先级中断和仲裁机制，并且最多可以接入20多块以上的板卡，因此它具有稳定性和分布式处理能力，方便同一时刻多个任务目标处理。
目前国内市场上的信号采集板卡，其主要采集芯片AD，大多数接口设计是将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号采用并行的方式输出给数字信号处理器(DSP)或者是单片机等微处理器，占用微处理器等管脚资源。
目前国内市场上的信号采集板卡，其主要采集芯片AD的输出结果，大部分采用串口的形式传输给运动控制板卡，而控制板卡需要采用串口中断的方式进行数据接收，占用控制板卡微处理器的资源，降低效率，难以实现高精度控制。
发明内容
本发明目的是为了解决目前市场上的多数信号采集板卡基于单一PCI、PXI或者ISA总线的方式，没有可以兼容多种总线协议的信号采集板卡的问题，提供了一种适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡。
本发明所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，它包括FPGA模块、DSP模块、m个RS422模块、通用扩展接口、第一电平转换模块、第二电平转换模块、n个光纤收发芯片、n个光纤接口模块、p个AD采集芯片、总线接口模块、PCI总线转接电路板、PXI总线转接电路板、ISA总线转接电路板和VME总线转接电路板；
FPGA模块的数据传输端与DSP模块的数据传输端相连；
每个RS422模块的输入输出端均与FPGA模块的一个双口RAM的输入输出端相连；
通用扩展接口的输入输出端与FPGA模块的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个光纤接口模块均通过一个光纤收发芯片及第一电平转换模块与FPGA模块的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个AD采集芯片的输入输出端均与FPGA模块的一个双口RAM的输入输出端相连；
PCI总线转接电路板、PXI总线转接电路板、ISA总线转接电路板和VME总线转接电路板的输入输出端均与总线接口模块的第一输入输出端相连；总线接口模块的第二输入输出端通过第二电平转换模块与FPGA模块的一个双口RAM的输入输出端相连；
m、n和p均为正整数。
本发明的优点：该板卡不但提供16个高速AD信号采集，还扩展了RS422接口模块、光纤接口模块，便于同其他信号采集单元通信或者将其他传感器模块的扩展。同时该信号采集板卡还预留了自定义总线的接口，便于用户根据自己需要自定义总线。解决了目前多数信号采集板卡扩展接口少的问题。解决了市场上多数信号采集板卡将数字信号输出结果采用并行的方式直接传输给信号采集板卡上的微处理器，占用微处理器管脚资源的问题；解决了目前市场上多数将信号采集板卡的数字信号输出结果采用串口的形式，传输到运动控制板卡，占用控制板卡微处理器的资源，降低效率的问题。提高了整个信号采集板卡数据处理的效率。
附图说明
图1是本发明所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡的原理框图；
图2是FPGA模块的内部结构及与DSP模块的逻辑控制图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，它包括FPGA模块1、DSP模块2、m个RS422模块3、通用扩展接口4、第一电平转换模块5、第二电平转换模块6、n个光纤收发芯片7、n个光纤接口模块8、p个AD采集芯片9、总线接口模块11、PCI总线转接电路板12、PXI总线转接电路板13、ISA总线转接电路板14和VME总线转接电路板15；
FPGA模块1的数据传输端与DSP模块2的数据传输端相连；
每个RS422模块3的输入输出端均与FPGA模块1的一个双口RAM的输入输出端相连；
通用扩展接口4的输入输出端与FPGA模块1的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个光纤接口模块8均通过一个光纤收发芯片7及第一电平转换模块5与FPGA模块1的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个AD采集芯片9的输入输出端均与FPGA模块1的一个双口RAM的输入输出端相连；
PCI总线转接电路板12、PXI总线转接电路板13、ISA总线转接电路板14和VME总线转接电路板15的输入输出端均与总线接口模块11的第一输入输出端相连；总线接口模块11的第二输入输出端通过第二电平转换模块6与FPGA模块1的一个双口RAM的输入输出端相连；
m、n和p均为正整数。
PCI总线转接电路板12、PXI总线转接电路板13、ISA总线转接电路板14和VME总线转接电路板15是根据各自总线的机械结构而设计出来的，以便于和工控机不同总线需求匹配。利用FPGA模块1的可编程能力，用户可以根据PCI、VME、ISA等总线协议设计各种总线接口，一端口和信号采集板卡相连接。利用FPGA可编程能力，用户可以通过FPGA实现相应的总线协议，总线转接板的另一端可以插拔在用户的工控机箱里。
本实施方式还设计了通用扩展接口4，利用FPGA模块1的可编程能力特点，通过扩展接口转接板，用户可以根据自己需求扩展接口。
FPGA模块1有大量的引脚，与众多的外围电路进行交互，节省了DSP模块2的引脚，本实施方式与DSP模块2直接和m个RS422模块3、n个光纤接口模块8、p个AD采集芯片9连接相比，减小和对DSP模块2的管脚、资源的占用，提高了整个信号采集板卡数据处理的效率。
m个RS422模块3、n个光纤接口模块8、p个AD采集芯片9输入的模拟信号写入FPGA模块1内置的双口RAM里，DSP模块2可以通过地址线、数据线、控制线实时读取双口RAM里的数字量，在DSP模块2中处理后，再通过双口RAM发送给m个RS422模块3、n个光纤接口模块8、p个AD采集芯片9RS422模块，输出。
RS422模块式3为全双工，采用差分传输数据，抗干扰能力强，信号采集板卡扩展m个RS422模块，可以连接其他传感器或者信号采集装置的数据输出，在DSP模块2里对数据进行处理。RS422模块3还用来与支持某一总线的工控机或其他运动控制装置或者数据采集单位进行数据通信。信号采集板卡的RS422接口可以直接与海德汉公司的数字量增量式光栅尺接口匹配、和霍尔传感器数据采集模块相匹配，进一步增强系统的扩展能力。此外，信号采集板卡的RS422模块3采用雷莫头作为接口，和传统的直接采用DB9接口相比，具有更强的抗干扰能力、稳定性和耐用性。
RS422模块3是全双工接口，发送和接收可以同步进行，分别建立发送缓存和接收缓存，避免数据同时进入缓存发生冲突，提高通信效率。在FPGA模块1里编写通信协议，实现对串口数据的收发。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括时钟模块16，时钟模块16为FPGA模块1、DSP模块2和n个光纤接口模块8提供时钟信号。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，它还包括调试接口10，调试接口10同时与p个AD采集芯片9的数据输入输出端相连。
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至三任一实施方式作进一步说明，DSP模块2设置有EMIFA模块；FPGA模块1内部构建有三态门1-1、多路选择器1-2、地址解析单元1-3和q个双口RAM1-4；
每个双口RAM1-4的数据输出端均与多路选择器1-2的输入端相连；多路选择器1-2的输出端与三态门1-1的输入端相连；三态门1-1的输出端与EMIFA模块的数据输入端相连；
三态门1-1的输出端还同时与每个双口RAM1-4的数据输入端相连；
EMIFA模块的三态门使能信号输出端与三态门1-1的使能信号输入端相连；
EMIFA模块的地址选择信号输出端与多路选择器1-2的地址选通端相连；
EMIFA模块的地址选择信号输出端还与地址解析单元1-3的地址选择信号输入端相连；
EMIFA模块的读写控制信号输出端与地址解析单元1-3读写控制信号输入端相连；
地址解析单元1-3的地址选择信号输出端同时与每个双口RAM1-4的地址选择信号输入端相连；
地址解析单元1-3的读写控制信号输出端同时与每个双口RAM1-4的读写控制信号输入端相连；
q为正整数。
DSP模块2的外部通信接口有外部存储接口选用64位的EMIFA模块，自设计EMIFA接口，通过存储器作为缓存与各个模块进行通信。其流程是，在FPGA模块1里设置双口RAM1-4作为缓存，外设的数据发送到缓存，EMIFA模块从缓存读取数据，DSP模块2进行数据处理，DSP模块2将处理完成的数据通过EMIFA模块发送到缓存，外设从缓存读取数据并发送。外设包括m个RS422模块3、n个光纤接口模块8、p个AD采集芯片。
根据DSP模块2的EMIFA协议，自行设计了EMIFA接口逻辑模块，使用三态门的形式，避免同时读写数据发生冲突，，只需使用DSP模块2的数据线、地址线、读写控制线就可以对2a个、内存为2b的双口RAM进行读写，其中a+b＝23。
以q＝15为例，结合图2进行说明：
EMIFA模块的AEA[10∶3]和双口RAM的地址线连接，AEA[14∶11]通过多路选择器1-2用于15个双口RAM1-4的片选(读操作)。三态门1-1用于防止读数据和写数据发生冲突，通过控制三态门的开关，当有效(低电平)时，双口RAM1-4数据可以置于数据线上，EMIFA读取。当无效时(高电平)，双口RAM1-4数据被阻挡，EMIFA模块写数据可以置于数据线上进行写操作。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一至四任一实施方式作进一步说明，第一电平转换模块5和第二电平转换模块6均采用EPM3512A芯片来实现。比如，当为VME总线信号时5V的TTL电平，而FPGA模块1的I/O引脚信号为3.3V的LVTTL电平，采用具有多电平兼容能力的CPLD。由于5V的TTL电平和3.3V的LVTTL电平是可以兼容的，即高低电平不会发生错乱。因此采用耐5V电平的EPM3512A芯片作为电平兼容芯片。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一至五任一实施方式作进一步说明，DSP模块2采用TI公司6000系列的TMS320C6414来实现。最高主频达到1000MHZ，可以进行32位浮点运动，外部总线宽度达到64位，具有较高的工作频率和高速的计算处理能力。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式一至六任一实施方式作进一步说明，FPGA模块1采用Altera公司的EP2S60F1020I4N来实现。其I/O口数量大，可以满足大量引脚的接入。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式一至七任一实施方式作进一步说明，光纤接口模块8采用HBR5302接口模块。FPAG模块1为可编程逻辑器件，通过硬件编程的方式，实现光纤接口的逻辑设计，实现通过光纤接口模块8的数据的收发。光纤通信速度高，一般都在1G/s以上，抗干扰能力强。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式一至八任一实施方式作进一步说明，光纤收发芯片7包括用于发送的并串转换芯片CY7B923和用于接收的串并转换CY7B933。
对于发送端，来自FPGA模块1的8位并行数据以20MHz的频率传送到并串转换芯片CY7B923，在CY7B923内部经过8B/10B编码后十倍频串行发送到HBR5302的发送端，然后进入光纤链路。对于接收端，来自光纤链路的串行信号进入HBR5302的接收端，串并转换CY7B933接收该串行信号，进行8B/10B解码并转换成8位并行数据，最后以20MHz的频率发送到FPGA模块1。如此设计，消除了电路中的高频信号，增加了控制卡的稳定性。
在FPGA模块1里编写光纤通信协议，实现对光纤数据的收发，将接收到的数据或者需要发送的数据实时存储在双口RAM1-4里，DSP模块2只需从双口RAM1-4里读取接收到数据，或者将需要发送的数据存储在双口RAM1-4里即可，减小对DSP资源和管脚的占用，提高处理效率。
本实施方式的光纤接口模块8可以用于同其他信号采集单元进行通信，增强了系统的扩展能力。
具体实施方式十：本实施方式对实施方式一至九任一实施方式作进一步说明，AD采集芯片9采用型号ADC7606的芯片来实现。
AD7606作为模数转换芯片，具有八通道同时采样，16位输出的特点，是一款高分辨率、双极性输入、同步采样的高性能模数转换芯片.输入范围为+10V到-10V在FPAG模块1里编写对AD芯片的时序控制，并将转换的数字结果实时存储在双口RAM1-4里，这样DSP模块2可以实时读取转换结果。设置了AD采样芯片的测试接口10，便于调试。
本实施方式的AD采集芯片9可以对16路模拟信号进行同时采样。并使用雷莫头接口，抗干扰能力强。
具体实施方式十一：给出一个具体实施例：m＝5，n＝2，p＝2，q＝15。
信号采集板卡可以通过16个高速AD采样通道直接采集负10V到正10V间的模拟信号，并将转换后的数据结果实时存储在双口RAM1-1里，DSP模块2可以实时读取双口RAM1-4里的数据结果，并在DSP模块2中对数据进行处理，包括滤波等。也可以将数据通过CCS软件导出，在Matlab软件里直观的观察数据曲线，便于调试。
AD采样芯片9采集到的模拟信号，其转换结果实时存储在双口RAM1-4里，DSP模块实时读取双口RAM1-4里的数据，并通过VME总线将数据发送给下位机(基于PowerPC的嵌入式IC6板卡)，下位机将数据按照网络通信协议打包发送给上位机，上位机软件解析收到的数据，并实时直观的显示到采集到的数据曲线，便于调试。
通用扩展接口4、5个RS422模块3可以同其他采集单元通信，例如光栅尺可以实时反馈直线电机的位置，RS422模块3可以与光栅尺译码卡连接，在双口RAM1-4里，通过DSP模块2实时读取光栅尺的数据，在DSP模块2里可以对数据进行处理，并将处理的数据通过VME总线发送给运动控制板卡，对直线电机进行控制。
通用扩展接口4、5个RS422模块3，可以根据对方的通信协议在FPGA里编写相应的光纤通信接收程序或者RS422串口通信接收程序，对接收到的数据进行解析，将得到的数据实时存储在双口RAM1-4里。
Claims (9)
1.适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，它包括FPGA模块（1）、DSP模块（2）、m个RS422模块（3）、通用扩展接口（4）、第一电平转换模块（5）、第二电平转换模块（6）、n个光纤收发芯片（7）、n个光纤接口模块（8）、p个AD采集芯片（9）、总线接口模块（11）、PCI总线转接电路板（12）、PXI总线转接电路板（13）、ISA总线转接电路板（14）和VME总线转接电路板（15）；
FPGA模块（1）的数据传输端与DSP模块（2）的数据传输端相连；
每个RS422模块（3）的输入输出端均与FPGA模块（1）的一个双口RAM的输入输出端相连；
通用扩展接口（4）的输入输出端与FPGA模块（1）的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个光纤接口模块（8）均通过一个光纤收发芯片（7）及第一电平转换模块（5）与FPGA模块（1）的一个双口RAM的输入输出端相连；
每个AD采集芯片（9）的输入输出端均与FPGA模块（1）的一个双口RAM的输入输出端相连；
PCI总线转接电路板（12）、PXI总线转接电路板（13）、ISA总线转接电路板（14）和VME总线转接电路板（15）的输入输出端均与总线接口模块（11）的第一输入输出端相连；总线接口模块（11）的第二输入输出端通过第二电平转换模块（6）与FPGA模块（1）的一个双口RAM的输入输出端相连；
m、n和p均为正整数；
DSP模块（2）设置有EMIFA模块；FPGA模块（1）内部构建有三态门（1-1）、多路选择器（1-2）、地址解析单元（1-3）和q个双口RAM（1-4）；
每个双口RAM（1-4）的数据输出端均与多路选择器（1-2）的输入端相连；多路选择器（1-2）的输出端与三态门（1-1）的输入端相连；三态门（1-1）的输出端与EMIFA模块的数据输入端相连；
三态门（1-1）的输出端还同时与每个双口RAM（1-4）的数据输入端相连；
EMIFA模块的三态门使能信号输出端与三态门（1-1）的使能信号输入端相连；
EMIFA模块的地址选择信号输出端与多路选择器（1-2）的地址选通端相连；
EMIFA模块的地址选择信号输出端还与地址解析单元（1-3）的地址选择信号输入端相连；
EMIFA模块的读写控制信号输出端与地址解析单元（1-3）读写控制信号输入端相连；
地址解析单元（1-3）的地址选择信号输出端同时与每个双口RAM（1-4）的地址选择信号输入端相连；
地址解析单元（1-3）的读写控制信号输出端同时与每个双口RAM（1-4）的读写控制信号输入端相连；
q为正整数。
2.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，它还包括时钟模块（16），时钟模块（16）为FPGA模块（1）、DSP模块（2）和n个光纤接口模块（8）提供时钟信号。
3.根据权利要求1或2所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，它还包括调试接口（10），调试接口（10）同时与p个AD采集芯片（9）的数据输入输出端相连。
4.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，第一电平转换模块（5）和第二电平转换模块（6）均采用EPM3512A芯片来实现。
5.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于， DSP模块（2）采用TI公司6000系列的TMS320C6414来实现。
6.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，FPGA模块（1）采用Altera公司的EP2S60F1020I4N来实现。
7.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，光纤收发芯片（7）包括用于发送的并串转换芯片CY7B923和用于接收的串并转换CY7B933。
8.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，光纤接口模块（8）采用HBR5302接口模块。
9.根据权利要求1所述适用于多总线协议、多扩展接口的信号采集板卡，其特征在于，AD采集芯片（9）采用型号ADC7606的芯片来实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Yang Inventor after: Li Li Inventor after: Xu Jiayan Inventor after: Fu Zhenxian Inventor after: Tan Jiubin Inventor before: Chen Xinglin Inventor before: Xu Jiayan Inventor before: Liu Yang Inventor before: Fan Wenchao Inventor before: Zhang Zhiwan Inventor before: Wei Kai Inventor before: Yan Fei |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |