CN104897056A - 一种同步数据采集与通信电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步数据采集与通信电路，所述电路通过可编程门阵列及配套电路来实现，其特征在于，所述电路利用FPGA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，采用同一个差分同步信号源触发所有同步单元。此外，所述同步数据采集与通信电路通过模块化设计，并引入了可测试性设计和端口扩展设计。与以往单纯的数据采集或通信单元相比，能够实现所有数据的采集和上传，功能完备；模块化设计思想既减少彼此间的影响，又增强模块通信形式的多样性，而可测试性设计思想则加强了各模块与整体的工作状态监视，提高调试及故障排查效率；FPGA所有未使用端口外扩后统一管理，方便进行功能扩展。

Description

一种同步数据采集与通信电路

技术领域

本发明涉及数据采集与通信技术领域，更具体地涉及一种同步数据采集与通信电路，该电路主要用于激光跟踪仪的电控系统数据信号的采集，以及与光电探测器(PSD)测量单元、飞秒测距单元、相位测距单元、通信控制电路等的通信。

背景技术

激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、动态性能好、实时现场测量等特点，在航空航天、轨道交通、船舶制造等高端智能制造业得到了广泛应用。它不仅可对空间静态目标进行高精度三维测量，而且还可对运动目标进行跟踪测量。

同步数据采集与通信电路作为激光跟踪仪精密伺服系统的数据汇集中心，起着承上启下的重要作用，其主要功能是完成方位、俯仰电机角度的同步采集、限位信号采集、倾角传感器数据采集、温湿压传感器数据采集，实现与PSD测量单元、飞秒测距单元、相位测距单元同步触发与通信、与上位机的串口通信等。同步数据采集与通信电路设计既要考虑针对跟踪仪的专用性，又要兼顾针对电路一般调试、通信的通用性，其设计的好坏直接影响数据采集的同步性、可靠性以及调试效率。

激光跟踪仪是一种通过对角度、距离、脱靶量的同步测量以及合作目标的实时跟踪实现大尺寸三维空间坐标精密测量的仪器。同步数据采集与通信电路采集的数据种类多、通信样式不一、采集频率高、时间同步要求严格。为满足上述要求，需要同时考虑到电路单元的灵活性、稳定性和功能完备性，将同步数据采集与通信电路的设计按功能进行模块化设计，增强相对独立性，同时利用可编程门阵列(FPGA)的时钟管理单元产生标准时钟，然后通过分频产生同步时钟，利用同一个差分信号源触发多个单元，保证信号的严格同步。

目前，国内自主研发的激光跟踪仪中同步数据采集与通信电路具有以下不足：(1)数据采集与通信电路的设计通常采用双口RAM，配置不够灵活方便；(2)没有设计针对限位信号的检测电路；(3)没有设计温度湿度压力采集模块；(4)没有设计通用型的AD采集模块，实现霍尔电流采集；(5)电路可测试性设计欠缺，调试及故障排查不便；(6)通用性和扩展功能不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种同步数据采集与通信电路，从而既可以实现多种参变量的同步检测和通信，又具有易维护易扩展的特性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种同步数据采集与通信电路，所述电路通过可编程门阵列及配套电路来实现，其特征在于，所述电路利用FPGA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，采用同一个差分同步信号源触发所有同步单元。

其中，所述电路采用模块化设计。

其中，所述电路用于激光跟踪仪。

其中，所述电路在同步信号的控制下，通过对方波/正弦波信号的滤波、辨向、倍频实现对方位、俯仰电机的角度精密测量。

其中，所述电路通过霍尔电流传感器和AD转换器实现电机霍尔、电流信号的采集。

其中，所述电路通过光耦隔离模块实现对限位开关信号的采集。

其中，所述电路自定义16位数据总线、8位地址总线、10个或以上寄存器数组实现与通信控制单元的并行通信。

其中，所述电路通过差分收发接口，实现与飞秒测距单元、相位测距单元、PSD脱靶量测量单元LVDS电平的串口通信；以及

所述电路通过总线驱动器实现与倾角传感器、温度湿度压力传感器的RS485通信。

其中，所述电路设计了可测试性模块，预留了电源、时钟、输入信号的测试点；预留状态指示灯监视电路子模块和整体运行状态；预留逻辑分析仪测试模块同步监测数据、地址和控制时序信号。

其中，所述电路将FPGA所有未使用端口外扩后统一管理，以便于进行功能扩展。

由此可见，本发明与以往单纯的数据采集或通信单元相比，能够实现对激光跟踪仪所有数据的采集和上传，功能完备；克服了采用双口RAM进行通信配置的不便性，直接在软件中根据实际需要定义相应的寄存器变量数组，并将其映射到DSP的ZONE0区，按照DSP的控制时序实现与DSP的并行通信；不仅能够实现对编码器RS422信号的采集，而且能对编码器正弦信号进行识别和采集，还可以实现激光跟踪仪伺服电机霍尔电流的检测；通信接口形式丰富，既支持RS232/485/RS422通信方式，也支持LVDS/TTL等电平形式的通信，可以其他单元的通信接口实现良好匹配；采用模块化设计，电路按功能/通信形式进行划分，既减少彼此间的影响，又增强模块通信形式的多样性；引入可测试性设计，以加强各模块与整体的工作状态监视，提高调试及故障排查效率；考虑到FPGA的资源较为丰富，为兼顾通用性及扩展性，将FPGA所有未使用端口外扩后统一管理，以便进行功能扩展。

附图说明

图1是本发明的同步数据采集与通信电路的原理框图；

图2(a)～2(e)分别是本发明的FPGA引脚配置及接口设计示意图；

图3是本发明的AD采集电路的结构示意图；

图4是本发明的霍尔电流传感器采集电路的结构示意图；

图5是本发明的限位信号采集电路的结构示意图；

图6是本发明的电平转换及编码器数据采集电路的结构示意图；

图7是本发明的电路与PSD/相位测距/飞秒测距单元的接口设计示意图；

图8(a)～8(c)分别是本发明的电路与倾角、温湿压、上位机的通信接口设计示意图；

图9是本发明的电路可测试性设计示意图；

图10是本发明的IO扩展电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的同步数据采集与通信电路的设计要点包括：

(1)利用FPGA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，采用同一个差分同步信号源触发所有同步单元。

(2)在同步信号的控制下，通过对方波/正弦波信号的滤波、辨向、倍频实现对方位、俯仰电机的角度精密测量；通过霍尔电流传感器、ACS712和AD转换器实现电机霍尔、电流信号的采集；通过光耦隔离模块TPL521实现对限位开关信号的采集。

(3)自定义16位数据总线、8位地址总线、10个寄存器数组实现与通信控制单元的并行通信。通过专门设计的差分收发接口，实现与飞秒测距单元、相位测距单元、PSD脱靶量测量单元LVDS电平的串口通信；通过总线驱动器SP3485EN实现与倾角传感器、温度湿度压力传感器的RS485通信，通过SP3232实现与上位机的RS232串口通信。

(4)专门设计了可测试性模块。预留电源、时钟、输入信号的测试点；预留状态指示灯监视电路子模块和整体运行状态；预留逻辑分析仪测试模块同步监测数据、地址和控制时序信号。

(5)模块化设计，本发明的同步数据采集与通信电路划分为方位、俯仰编码器采集、电机霍尔/电流信号采集、限位开关信号采集、与通信控制单元的并行通信、与飞秒测距、相位测距、PSD探测单元的差分串口通信、与倾角传感器、温度湿度压力传感器的RS485通信、与上位机的RS232通信等模块，按功能进行独立设计。将FPGA所有未使用端口外扩后统一管理，以便进行功能扩展。

下面结合说明书附图对本发明的一个优选实施例的技术方案作进一步的阐述说明。

作为一个优选实施例，本发明的同步数据采集与通信电路主要通过FPGA和配套外围元件来实现，其中FPGA例如为采用Spartan3EXCS3500E作为核心主芯片的FPGA，主要由FPGA和接口驱动芯片、光耦隔离模块、AD模块等配套的外围器件共同组成。从功能上来说，本发明的电路主要包括方位、俯仰编码器采集、电机霍尔/电流信号采集、限位开关信号采集、与通信控制单元的并行通信、与飞秒测距、相位测距、PSD探测单元的差分串口通信、与倾角传感器、温度湿度压力传感器的RS485通信、与上位机的RS232通信等模块。其结构框图和信号流向如图1所示。

如图2(a)～2(e)所示为本发明的同步数据采集与通信电路中FPGA各引脚的接线关系，本发明的电路由FPGA自主完成芯片及电路的初始化配置工作，利用FPGA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，其电平形式可自由配置。差分信号可以在FPGA内部配置实现，例如本发明的FPGA芯片能够直接驱动信号，差分信号相对于单端信号而言，具有抑制共模干扰的优异性能。

如图3、4所示，本发明的电路由FPGA控制6路并行AD转换器，ADS8556和霍尔电流传感器ACS712实现同时对方位和俯仰电机霍尔电流信号采集，冗余2路备用。

如图5所示，本发明的电路通过光电隔离模块TPL521对方位电机左右限位信号进行采集。

如图6所示，本发明的电路将方位、俯仰电机所安装编码器产生的5V方波和正弦波差分信号转换为3.3V单端信号，通过软件滤波、方向辨识、倍频实现对方位、俯仰电机的角度精密测量。

如图7所示，本发明的电路通过差分同步时钟触发方位、俯仰驱动控制单元，启动控制闭环的数据运算及指令更新；通过差分同步时钟触发PSD测量单元、相位测距单元、飞秒测距单元，启动其数据采集、运算处理及串行通信进程，该串行通信支持多种电平形式；差分同步时钟触发与通信控制电路的并行通信，利用两个信号沿分别实现数据收发；差分同步时钟触发编码器角度与PSD测量单元、相位测距单元、飞秒测距单元数据的同步锁存；

如图8(a)、8(b)所示，本发明的电路由RS485驱动芯片SP3485EN实现对温湿压传感器和倾角传感器的数据读取，如图8(c)所示，本发明的电路由RS232驱动芯片SP3232EEN实现与上位机的通信。

如图9所示，本发明的电路采用可测试性设计，预留5V、3.3V、1.8V测试点和指示灯，预留逻辑分析仪测试接口(与并行通信一体化设计)，设计专用指示灯监视调试/工作状态，图9右图即为调试灯信号连接的示意图。本发明的电路预留了RS232串口进行辅助测试。

如图10所示，本发明的电路具备进一步扩展能力，图中预留有IO0～IO13等接口，将所有IO外扩，有新需求可以按需进行配置。此外RS485总线可以组网进行数据通信，冗余一个RS485总线驱动电路以便功能扩展，而且RS232在调试结束以后也应用于其它串口数据通信。

通过实际试用，可以发现本发明的激光跟踪仪同步数据采集与通信电路具有以下特点和有益效果：

(1)实现了激光跟踪仪方位、俯仰电机角度、驱动控制单元、飞秒测距单元、相位测距单元、PSD脱靶量测量单元、AD采集的同步触发，具体是通过利用FGPA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，用一个差分同步信号源触发所有的同步单元来实现的；

(2)实现了激光跟踪仪方位、俯仰电机的角度(方波/正弦波)、限位开关、电机霍尔/电流信号的同步采集；

(3)自定义数据总线、地址总线、寄存器数组实现与通信控制单元的并行通信。实现与飞秒测距单元、相位测距单元、PSD脱靶量测量单元LVDS电平的串口通信；实现与倾角传感器、温湿压传感器的RS485通信；实现与上位机的RS232串口通信；

(4)进行了电路板的可测试性设计，预留电源、IO测试点和状态指示灯，预留逻辑分析仪测试接口，以方便故障排查和软件调试。

(5)电路进行了模块化设计。当一个模块出现问题时，可以尽量降低其对其他模块的影响，以增强各模块的独立性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同步数据采集与通信电路，所述电路通过可编程门阵列及配套电路来实现，其特征在于，所述电路利用FPGA的时钟管理模块产生标准频率，再通过分频得到差分同步信号，采用同一个差分同步信号源触发所有同步单元。

2.如权利要求1所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路采用模块化设计。

3.如权利要求1所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路用于激光跟踪仪。

4.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路在同步信号的控制下，通过对方波/正弦波信号的滤波、辨向、倍频实现对方位、俯仰电机的角度精密测量。

5.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路通过霍尔电流传感器和AD转换器实现电机霍尔、电流信号的采集。

6.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路通过光耦隔离模块实现对限位开关信号的采集。

7.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路自定义16位数据总线、8位地址总线、10个或以上寄存器数组实现与通信控制单元的并行通信。

8.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路通过差分收发接口，实现与飞秒测距单元、相位测距单元、PSD脱靶量测量单元LVDS电平的串口通信；以及

所述电路通过总线驱动器实现与倾角传感器、温度湿度压力传感器的RS485通信。

9.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路设计了可测试性模块，预留了电源、时钟、输入信号的测试点；预留状态指示灯监视电路子模块和整体运行状态；预留逻辑分析仪测试模块同步监测数据、地址和控制时序信号。

10.如权利要求3所述的同步数据采集与通信电路，其中所述电路将FPGA所有未使用端口外扩后统一管理，以便于进行功能扩展。