CN104133797A - 一种基于pc104总线的环境监测数据适配器 - Google Patents

Abstract

为了克服现有技术中检测仪器接口类型多种多样和数据格式不统一，进而不便于通信和控制的问题，本发明提供了一种基于PC104总线的环境监测数据适配器，包括：系统板、总通信板和若干子通信板，所述系统板为主控部分，所述总通信板负责数据传输，所述子通信板负责与多种环境监测仪器的接口进行适配，且所述系统板、总通信板和子通信板之间均通过PC104总线连接。其能够在保留原有硬件的基础上，通过灵活增减接口模块和驱动程序，即可对现场检测仪器进行配置，维护；具有无线网络功能，安装简易，可快速接入因特网；并可实时对现场检测仪器统一管理控制。

Description

一种基于PC104总线的环境监测数据适配器

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，具体地，涉及一种基于PC104总线的环境监测数据适配器。

背景技术

通过对国内环境监测适配器产品的分析，价格是它的主要优势，然而仪器在接口类型和数量上比较单一、有限。随着我国环境监测的快速发展，新的检测内容、检测技术、检测方法的不断更新，一旦增加新的接口检测仪器，原有的适配器就无法满足接口适配的需要。从而需要开发新的数据接口和驱动程序，导致适配器频繁变更，不利于环境监测的持续发展。国外

环境监测适配器接口类型和数量比较丰富，但是价格昂贵。因此环境监测系统迫切需要采用新的现场总线技术，实现接口和主控单元的分离，达到仪器接口灵活配置的目的。

国内外环境监测适配器都提供丰富的通讯方式，包括串行总线、

环境监测数据适配器是环境监理系统的重要组成部分。当前我国生产环境检测仪器的厂家有上千家，由于缺乏统一的规范，造成了检测仪器接口类型多种多样和数据格式不统一。在一些特殊复杂的环境监测现场，多台检测仪器联合作业就需要适配器：可以与各种现场检测设备的不同接口类型连接，能够全自动监测现场检测设备的运行状态，记录和存储设备的运行数据，并将不同标准和格式的数据转换为统一的格式进行汇总、分析、处理，并生成报表定期交付给总站。

以太网和GPRS/GSM等方式，通过对适配器的发展趋势进行分析，网络化才是适配器的必经之路。但是环境监测多在恶劣的野外环境作业，GPRS/GSM网络覆盖不到，即使能覆盖到，但运营费用昂贵；而有线网络布线成本高，机动性差，技术难度大，抗干扰和抗雷击能力弱，维护费用昂贵，这些是造成适配器网络化的难点。因此环境监测系统迫切需要采用新的网络接入技术，实现适配器快速、方便的接入到英特网，并且要求运营成本低廉。

发明内容

为了实现一种对于仪器总线接口可灵活配置的数据适配器，本发明提供了一种基于PC104总线的环境监测数据适配器，包括：系统板、总通信板和若干子通信板，所述系统板为主控部分，所述总通信板负责数据传输，所述子通信板负责与多种环境监测仪器的接口进行适配，且所述系统板、总通信板和子通信板之间均通过PC104总线连接。

进一步地，所述系统板包括PC104总线接口、可编程总线控制器、静态随机存储器、RS232总线接口、单片机和非易失性存储器，所述PC104总线接口与所述静态随机存储器通过可编程总线控制器连接到单片机，所述RS232总线接口和所述非易失性存储器通过单片机相连。

进一步地，所述总通信板包括232电平通讯模块和485电平通讯模块，分别实现两路232电平通讯和一路485电平通讯。

进一步地，所述232电平通讯的波特率和所述485电平通讯的波特率均设置在1200－38400bps范围内。

进一步地，所述若干子通信板包括信号采集模块、状态量模块、继电器模块、串口模块和网络通信模块。

进一步地，所述信号采集模块包括单片机，还包括依次相连的PC104总线接口、可编程控制器、FIFO，以及依次相连的IV转换模块、AD转换模块额程控增益模块，所述可编程控制器和AD转换模块通过单片机连接在一起。

进一步地，所述状态量模块包括PC104总线接口、CPLD、开关量输入模块和开关量输出模块，其中开关量输入模块和开关量输出模块通过CPLD相连，所述CPLD与所述PC104总线接口连接。

进一步地，所述继电器模块包括依次连接的PC104总线接口、CPLD、光耦驱动电路和继电器组。

进一步地，所述串口模块包括依次串联的PC104总线接口、CPLD、读/写FIFO、单片机、232/485电平转换电路。

进一步地，所述网络通信模块包括PC104总线接口、FPGA、PCI总线接口控制器以及PCI接口无线局域网卡，其中，所述PC104总线接口与所述PCI总线接口控制器之间还包括与所述FPGA、所述PC104总线接口和所述PCI总线接口控制器相连的存储器。

进一步地，所述IV转换电路包括：第一运算放大器、并联电阻R1和R3、串联在R1和R3之间的光耦PD1、第一运算放大器的正输入端连接在光耦PD1的负极，第一运算放大器的负极连接电阻R2的一端，该电阻R2的另一端连接在电阻R3和光耦PD1的负极之间，第一运算放大器的输出端与第一运算放大器的负输入端之间并联有电容C1，发光二极管LED、电阻R4和PNP型三极管串联后与所述第一运算放大器并联，且第一运算放大器的输出端连接所述三极管的基极，齐纳二极管反向并联于所述第一运算放大器；该IV转换电路还包括：光耦PD2，该光耦PD2的极接地，正极连接第二运算放大器的负输入端，该第二运算放大器的正输入端接地，所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间并联有彼此并联的电阻R5和电容C1。

本发明的有益效果为：本发明的基于PC104总线和无线局域网技术研制出分布式环境监测数据适配器，能够在保留原有硬件的基础上，通过灵活增减接口模块和驱动程序，即可对现场检测仪器进行配置，维护；具有无线网络功能，安装简易，可快速接入因特网；并可实时对现场检测仪器统一管理控制。

附图说明

图1示出了本发明的基于PC104总线的环境监测数据适配器的结构框图；

图2示出了系统板组成框图；

图3示出了信号采集模块的结构框图；

图4示出了状态量模块的结构框图；

图5示出了继电器模块的结构框图；

图6示出了网络通信模块的结构框图；

图7示出了IV转换电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于PC104总线的环境监测数据适配器包括：系统板、总通信板和若干子通信板，所述系统板为主控部分，所述总通信板负责数据传输，所述子通信板负责与多种环境监测仪器的接口进行适配，且所述系统板、总通信板和子通信板之间均通过PC104总线连接。这样增加新的接口类型的检测仪器时，只要安装新的接口模块就可以在保留系统板模块和通讯模块的基础上实现接口灵活配置。

系统板模块的处理器选用51核的8位单片机P89c51RD2，晶振22.1184M，因此直流信号时序和交流信号时序可以参考该单片机的技术文档。总线使用CMOS电平，提供±35mA的电流，可驱动15个LSTTL负载，且信号可以直接和TTL/CMOS电平信号兼容。输入电流只需1.0uA，最大±20mA。PC104总线电源提供±5V(最大电流3A)，±12A(最大电流0.5A)。

所述系统板包括PC104总线接口、可编程总线控制器、静态随机存储器、RS232总线接口、单片机和非易失性存储器，所述PC104总线接口与所述静态随机存储器通过可编程总线控制器连接到单片机，所述RS232总线接口和所述非易失性存储器通过单片机相连。如图2所示。

PC104总线接口设计

系统板上的PC104总线接口具有主控功能，而通用模块的PC104总线接口具有从机功能。系统板单片机发出指令，由总线功能逻辑模块解释，再经过总线驱动模块向所有的模块发送地址、数据信息；通用模块接收到信息，按照PC104协议经过译码判断之后做相应的操作。一次总线操作只有一块通用模块响应。PC104总线接口包括三部分：总线连接器，总线驱动模块，总线逻辑管理模块。PC104的总线连接器采用嵌入式工业界的标准连接器之一的PC104总线连接器。一共有64根插针和孔，PC104总线信号定义在这连接器的插孔上，与其它模块进行通讯。

总线驱动模块的作用是把总线逻辑管理模块发出的总线信号进行功率放大，提高信号的驱动能力，使系统能组合更多的模块。总线可以分为电源总线，数据总线，控制总线。其中电源总线不用驱动，数据总线和控制总线需要驱动。驱动的电气特性的设计需要按照PC104总线电气规范实施。总线逻辑管理模块通过CPLD实现总线逻辑编码、解码的功能。

3.存储器设计

存储器包括随机存贮器(RAM)和非易失性存储器(ROM)，RAM主要用来存放无线局域网协议报，TCP/IP协议报和动态数据的，具有可读可写的功能。ROM主要存放重要数据信息和系统参数，在适配器掉电的情况下，可以保护数据不丢失。

4.可编程总线控制器设计

可编程总线控制器是根据单片机指令时序对外围芯片，PC104地址空间，RAM存贮器进行选通，译码，编码操作，是单片机合理使用外部资源的纽带。

可编程总线控制器使用CPLD设计，输出PC104总线所需要的8位数据线，16位地址线，IO和存贮器读写信号。接受PC104总线中断信号，并转换成单片机的中断信号。

系统板单片机P89c51RD2的外部数据读写信号线只有一组，而PC104

总线既有I/O读写，又有存储器读写。因此，需要使用CPLD将单片机的一组读写信号复用，原理是使用单片机一根I/O线P15来选择PC104总线I/O读写有效还是存储器读写有效。

把PC104总线上的6个中断信号进行编码，并转换成一个中断信号驱动单片机。使用一个系统I/O地址保存中断向量表，能够让单片机区分中断源，从而扩展了单片机的中断资源。

所述总通信板包括232电平通讯模块和485电平通讯模块，分别实现两路232电平通讯和一路485电平通讯。

所述232电平通讯的波特率和所述485电平通讯的波特率均设置在1200－38400bps范围内。

所述若干子通信板包括信号采集模块、状态量模块、继电器模块、串口模块和网络通信模块。

所述信号采集模块包括单片机，还包括依次相连的PC104总线接口、可编程控制器、FIFO，以及依次相连的IV转换模块、AD转换模块额程控增益模块，所述可编程控制器和AD转换模块通过单片机连接在一起。

系统板模块将AD命令信息通过PC104总线写到FIFO(First-InFirst-Out)里，单片机读取FIFO里的命令后配置AD参数和增益，进行AD转换，转换的结果存入FIFO中，同时给系统板模块一个中断，系统板模块接受中断，读取FIFO里的数据。如图3所示。

所述状态量模块包括PC104总线接口、CPLD、开关量输入模块和开关量输出模块，其中开关量输入模块和开关量输出模块通过CPLD相连，所述CPLD与所述PC104总线接口连接。

控制CPLD，实现4路开关量输出和8路开关量输入，在接口和CPLD之间采用光耦，提高输出功率的同时保护电路。如图4所示。

所述继电器模块包括依次连接的PC104总线接口、CPLD、光耦驱动电路和继电器组。如图5所示。

所述网络通信模块包括PC104总线接口、FPGA、PCI总线接口控制器以及PCI接口无线局域网卡，其中，所述PC104总线接口与所述PCI总线接口控制器之间还包括与所述FPGA、所述PC104总线接口和所述PCI总线接口控制器相连的存储器。如图6所示。

所述IV转换电路包括：第一运算放大器、并联电阻R1和R3、串联在R1和R3之间的光耦PD1、第一运算放大器的正输入端连接在光耦PD1的负极，第一运算放大器的负极连接电阻R2的一端，该电阻R2的另一端连接在电阻R3和光耦PD1的负极之间，第一运算放大器的输出端与第一运算放大器的负输入端之间并联有电容C1，发光二极管LED、电阻R4和PNP型三极管串联后与所述第一运算放大器并联，且第一运算放大器的输出端连接所述三极管的基极，齐纳二极管反向并联于所述第一运算放大器；该IV转换电路还包括：光耦PD2，该光耦PD2的极接地，正极连接第二运算放大器的负输入端，该第二运算放大器的正输入端接地，所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间并联有彼此并联的电阻R5和电容C1。

采用惠普公司的线性光耦HCNR200作为电流采集的隔离器件。它是由发光二极管LED、反馈光电二极管PD1、输出光电二极管PD2组成。当LED通过驱动电流If时，发出红外光(伺服光通量)，分别照射在PD1、PD2上，反馈光电二极管吸收LED光通量的一部分，从而产生控制电流I1(I1＝0.005If)。该电流用来调节If以补偿LED的非线性。输出光电二极管PD2产生的输出电流I2与LED发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1＝I1/If，正向增益K2＝I2/If；则传输增益K3＝K2/K1＝I2/I1，K3的典型值为1。

IV转换电路如图3-7所示。输入的4～20mA直流电流信号通过5.1V稳压管Z1给单电源运放LM158供电。运放的输入输出两端分别接有PD1和LED，并构成负反馈回路。设运放的反相输入端电势不变，若同相输入端电势升高，经运放放大，输出端电势明显增加，这样流过发光二极管LED上的电流就会减少，发光强度也随之减小。而流过发光二极管PD1的光电流取决于光耦芯片内部LED的光照。LED发光减小，流过PD1和R1的电流就会减少。整个电路输入的又是直流电流信号，R1上的电流减少，R3上的电流就会增加，继而光电二极管PD1两端的电压增大。再假定运放同相端电势不变的情况下，反相端电势势必要减少，这样运放两端就形成了负反馈。两输入端相当于“虚短路”，电压恒为零。从而流过PD1两端的电流大小可表示为：

IPD1＝ILOOP*R3/(R1+R3)

隔离转换电路的输出部分是电压负反馈。输出电压为：

VOUT＝IPD2*R5

又K3＝IPD2/IPD1

综合以上各式可得：

VOUT/ILOOP＝K3*R3*R5/(R1+R3)

可以看出隔离转换电路输出电压与输入电流之间始终保持正比关系。若

改变电阻R1、R3和R5使比例关系发生变化，输出电压信号的零点(即4mA

输入电流所对应的输出电压)也跟着发生变化。因此零点的调节就变成了对

电路输入输出比例关系的调节。当这种比例关系为200时，4～20mA电流信

号就转换为常用的0.8～4V电压信号。

本发明中，各模块的指标为：

(1)系统系统板模块

·通过PC104总线接口访问控制各个功能的子模块。

·将各个模块不同格式的数据转换成统一的标准格式与数据交换器通信。

·带有RS232接口，JTAG(JointTestActionGroup)口。

·带有非易失性存储器，可存储、备份数据，容量大于256KBit。

·微处理器具有现场编程的能力，方便程序调试和在线升级。

·具有远程报警功能。

(2)通用串口模块

·实现2路232电平通讯；1路485电平通讯，半双工方式。

·隔离式数据接口，增强电磁兼容性。

·具备2路RS232通信接口，波特率从1200～38400bps可设。

·具备1路RS485通信接口，波特率从1200～38400bps可设。

(3)信号采集模块

·实现4路4～20mA电流环采集；4路4个量程电压信号采集。

·具备数据加工能力，可以有计算总和，按时间累计等功能。

·输入路数：8路单端通道。

·A/D采样率：100KHz，10微秒。

·分辨率：12位。

·输入阻抗：≥10MΩ。

·输入电压量程：0～5V，0～10V，±10V，±5V。

·输入电流量程：4～20mA。

·控制增益：1、2、4、8或1、10、100、1000档。

(4)状态量模块

·实现4路开关量采集；8路开关量输出控制。

·自带隔离电源。

·4路光电隔离式输入，8路光电隔离输出，抗电磁干扰能力强。

(5)继电器模块

·可驱动+3.3/+5V的继电器。

·并行控制10个继电器。

·线圈最小驱动电流70mA。

·额定负载在125VAC时是0.5A，在30VDC时是1A。

·带光电隔离，抗电磁干扰能力强。

(6)无线局域网模块

·实现无线局域网通讯协议。

·数据传输速率1M、2M、5.5M、11M可控制。

·传输距离室内100米，室外200-300米。

(7)TCP/IP模块

·实现TCP/IP通讯协议。

·传输距离达200米。

虽然已经通过上面的特定实施例和其用途的描述举例说明了本发明，但是读者不应将前述内容视为对本发明的范围的限制，本发明的范围由权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种基于PC104总线的环境监测数据适配器，包括：系统板、总通信板和若干子通信板，所述系统板为主控部分，所述总通信板负责数据传输，所述子通信板负责与多种环境监测仪器的接口进行适配，其特征在于，所述系统板、总通信板和子通信板之间均通过PC104总线连接。

2.根据权利要求1所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述系统板包括PC104总线接口、可编程总线控制器、静态随机存储器、RS232总线接口、单片机和非易失性存储器，所述PC104总线接口与所述静态随机存储器通过可编程总线控制器连接到单片机，所述RS232总线接口和所述非易失性存储器通过单片机相连。

3.根据权利要求1所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述总通信板包括232电平通讯模块和485电平通讯模块，分别实现两路232电平通讯和一路485电平通讯。

4.根据权利要求3所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述232电平通讯的波特率和所述485电平通讯的波特率均设置在1200－38400bps范围内。

5.根据权利要求1-4之一所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述若干子通信板包括信号采集模块、状态量模块、继电器模块、串口模块和网络通信模块。

6.根据权利要求5所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述信号采集模块包括单片机，还包括依次相连的PC104总线接口、可编程控制器、FIFO，以及依次相连的IV转换模块、AD转换模块额程控增益模块，所述可编程控制器和AD转换模块通过单片机连接在一起。

7.根据权利要求5所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述状态量模块包括PC104总线接口、CPLD、开关量输入模块和开关量输出模块，其中开关量输入模块和开关量输出模块通过CPLD相连，所述CPLD与所述PC104总线接口连接。

8.根据权利要求5所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述继电器模块包括依次连接的PC104总线接口、CPLD、光耦驱动电路和继电器组。

9.根据权利要求5所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述串口模块包括依次串联的PC104总线接口、CPLD、读/写FIFO、单片机、232/485电平转换电路。

10.根据权利要求5所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述网络通信模块包括PC104总线接口、FPGA、PCI总线接口控制器以及PCI接口无线局域网卡，其中，所述PC104总线接口与所述PCI总线接口控制器之间还包括与所述FPGA、所述PC104总线接口和所述PCI总线接口控制器相连的存储器。

11.根据权利要求6所述的环境监测数据适配器，其特征在于，所述IV转换电路包括：第一运算放大器、并联电阻R1和R3、串联在R1和R3之间的光耦PD1、第一运算放大器的正输入端连接在光耦PD1的负极，第一运算放大器的负极连接电阻R2的一端，该电阻R2的另一端连接在电阻R3和光耦PD1的负极之间，第一运算放大器的输出端与第一运算放大器的负输入端之间并联有电容C1，发光二极管LED、电阻R4和PNP型三极管串联后与所述第一运算放大器并联，且第一运算放大器的输出端连接所述三极管的基极，齐纳二极管反向并联于所述第一运算放大器；该IV转换电路还包括：光耦PD2，该光耦PD2的极接地，正极连接第二运算放大器的负输入端，该第二运算放大器的正输入端接地，所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间并联有彼此并联的电阻R5和电容C1。