CN104950773B - 混合型智能数据采集处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合型智能数据采集处理装置，属于数据采集技术领域。本发明以LRM模块为载体在主处理芯片DSP和CPLD的协同工作下，通过A/D转换器完成对4mA～20mA电流信号的模拟量采集，通过CAN总线接口模块完成与CAN总线的通讯，通过RS‑422串口接口模块完成与RS422串口设备的通讯，通过网络接口模块与以太网设备通讯，通过PCI总线接口模块与PCI设备通讯，最后通过DSP外扩FLASH完成数据存储功能，其能够实现数字量与模拟量的同时采集，体积小，精度高。

Description

混合型智能数据采集处理装置
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，具体涉及一种混合型智能数据采集处理装置。
背景技术
数据采集在许多地方需要对各种各样的信息进行采集，如位移、温度、液位、加速度、频率等模拟量信号，也有网络、串口、1553B总线、CAN总线等数字量信号。在快速发展着的微电子、计算机、通信技术和现代测控技术的带动下，国内外的数据采集技术已经有了很大的发展。同时随着FPGA、DSP、ARM等处理器性能的提升，也带动着高速采集卡指标的不断提升。国外采集板卡的主流生产商有NI、安捷伦、Signatec、Ultaview等。在国外的公司中，NI无疑是全球测量领域的领导者。并始终致力于分析测量技术和数据采集技术的发展，不论从那个方面来衡量，都是当之无愧的全球行业领导者、业界标准的制定者。如PXIe-5186数据采集卡是NI公司推出的重磅产品，它的采样率高达12.5Gsps，带宽达到了5GHz，垂直分辨率为8bit。拥有两个通道，每个通道拥有512M的存储容量，与上位机的通信速率大于700Mb/S。但产品的采集类型集成度低，一种采集板只对应一种信号量。
因此，如何设计一种能够实现数字量和模拟量同时采集的数据采集处理装置成为了亟待解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种能够实现数字量和模拟量同时采集的数据采集处理装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合型智能数据采集处理装置，包括：核心板模块、A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块、PCI总线接口模块和电源模块，其中所述A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块和PCI总线接口模块为五个信号采集处理模块并由所述核心板模块统一控制，所述五个信号采集处理模块以LRM模块为载板同时工作；
所述核心板模块包括主处理芯片DSP、片外RAM、FLASH以及CPLD，片外RAM用于提高DSP的运算处理能力，FLASH用于存储采集后的信息，其中DSP、RAM和FLASH三者之间都通过地址线和数据线两种线相连，CPLD作为主控制芯片通过I/O量信号对数据采集处理装置的其余所有芯片的片选、复位、上电时序和通道逻辑控制操作进行控制；
所述A/D转换模块包括第一电阻、电子开关、放大器、A/D转换芯片、电压基准芯片以及第一光耦；A/D转换模块用于首先通过第一电阻将4mA～20mA的电流信号转换为电压信号，以及在电源模块输出的第一电压下通过两个并联的第二电阻得到一个固定值测试电压信号，然后通过电子开关在CPLD的控制下从6路模拟量电压信号和1路所述固定值测试电压信号中选通一路后经过放大器放大、滤波，送至A/D转换芯片，最后通过A/D转换芯片将模拟量信号转换为SPI串口信号通过第一光耦隔离后与DSP通讯；
所述CAN总线接口模块包括CAN总线接口芯片和电平转换芯片，CAN总线接口芯片用于将DSP内部CAN总线控制器产生的TTL电平信号转换为CAN总线电平信号，电平转换芯片用于在CAN总线接口芯片进行电平信号转换之前将DSP提供的电平转换为CAN总线接口芯片的工作电平，且用于在串口接口芯片进行电平信号转换之前将DSP提供的电平转换为串口接口芯片的工作电平；
所述RS-422串口接口模块包括2片串口接口芯片MAX490以及4片第二光耦；其中两片串口接口芯片分别用于对DSP中的两路SCI串口信号进行电平转换，所述第二光耦用于实现RS-422串口接口模块的光电隔离；
所述网络接口模块包括网络接口芯片和变压器，其中网络接口芯片用于通过地址信号线或数据信号线与DSP进行通讯，当网络接口芯片完成信号转换后通过变压器与以太网设备进行通讯；
所述PCI总线接口模块包括PCI总线接口芯片和双口RAM；所述PCI总线接口芯片用于将PCI总线电平信号转换为本地总线电平信号，并通过双口RAM与DSP通讯，双口RAM的通讯控制由DSP和CPLD实现。
优选地，DSP工作在频率150MHz时需要的1.9V的内核电压及3.3V的I/O电压由所述电源模块提供，所述电源模块包括TPS75801、逻辑电路以及TPS75833，所述TPS75801用于输出1.9V电源，所述逻辑电路用于在TPS75801输出1.9V电源时使能TPS75833输出3.3V电源，所述TPS75833用于提供3.3V电源。
优选地，所述逻辑电路包括三极管V2和V5，电阻R77，所述电阻R77一端接TPS75801输出的1.9V电压，另一端接三极管V5的基极，三极管V5的发射极接地，集电极接三极管V2的基极，三极管V2的发射极接地，集电极接TPS75833的使能端。
(三)有益效果
本发明以LRM模块为载体在主处理芯片DSP和CPLD的协同工作下，通过A/D转换器完成对4mA～20mA电流信号的模拟量采集，通过CAN总线接口模块完成与CAN总线的通讯，通过RS-422串口接口模块完成与RS422串口设备的通讯，通过网络接口模块与以太网设备通讯，通过PCI总线接口模块与PCI设备通讯，最后通过DSP外扩FLASH完成数据存储功能，其能够实现数字量与模拟量的同时采集，体积小，精度高。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构示意图；
图2为本发明实施例的装置中1.9V电源供电原理图；
图3为本发明实施例的装置中3.3V电源供电原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供了一种混合型智能数据采集处理装置，包括：核心板模块、A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块、PCI总线接口模块和电源模块，其中所述A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块和PCI总线接口模块为五个信号采集处理模块并由所述核心板模块统一控制，所述五个信号采集处理模块以LRM模块为载板同时工作，各模块之间没有影响；
参考图1所示，各部分的结构如下：
载板采用LRM模块结构，LRM是对于系统安装结构上和功能上相对独立的各类通用模块的总称。LRM模块结构小巧(233.45mm×20mm×160mm)，并且支持热插拔。
所述核心板模块包括主处理芯片DSP(F28335)、片外RAM(IS61LV25616AL)、FLASH以及CPLD(XC95144)，片外RAM用于提高DSP的运算处理能力，FLASH用于存储采集后的信息(存储容量为2G×8bit)，其中DSP、RAM和FLASH三者之间都通过地址线和数据线两种线相连(RAM对应DSP的地址空间为0X004000～0X005000(片选信号为CS0)，Flash对应DSP的地址空间为0X100000～0X200000(片选信号为CS6))，CPLD作为主控制芯片通过I/O量信号对数据采集处理装置的其余所有芯片的片选、复位、上电时序和通道逻辑控制操作进行控制；
所述A/D转换模块包括高精度500Ω电阻、电子开关、放大器、A/D转换芯片、电压基准芯片以及第一光耦(也称为光电隔离器)(ISO7221、ISO7220)；A/D转换模块用于首先通过高精度500Ω电阻将4mA～20mA的电流信号转换为电压信号，以及在电源模块输出的+15V的电压下通过两个并联的10KΩ电阻得到一个7.5V的固定值测试电压信号，然后通过电子开关AD7501SE在CPLD(I/O控制指令)的控制下从6路模拟量电压信号和1路板载7.5V固定值测试电压信号中选通一路后经过放大器CA31401:1放大、滤波，送至A/D转换芯片AD7328(AD780BR为其提供3V的基准电压)，最后通过A/D转换芯片AD7328将模拟量信号转换为SPI串口信号通过第一光耦(ISO7221、ISO7220)隔离后与DSP通讯；
所述CAN总线接口模块由CAN总线接口芯片A82C250T和电平转换芯片组成。A82C250T将DSP内部CAN总线控制器产生的TTL电平信号转换为CAN总线电平信号，但A82C250T的工作电平为5V而DSP(GPIO端)为3.3V，因此在进行信号转换前本设计首先通过SM164245对信号进行了电平转换。
RS-422串口接口模块由2片串口接口芯片MAX490以及4片光耦(ISO7221)组成。其中两片MAX490分别对DSP中的两路SCI串口信号进行电平转换。但MAX490的工作电平为5V而DSP(GPIO端)为3.3V，因此在进行信号转换前本设计首先通过SM164245对信号进行了电平转换(为了节约设计成本将此电平转换和CAN总线电平转换由一片SM164245同时完成)。其次为了防止外部数字信号或电源信号对系统内部信号进行干扰，本设计在内外电源之间以及内外数字信号之间通过ISO7221进行了光电隔离。
网络接口模块由网络接口芯片(LAN91C111I-NE)和变压器(TG110-S050N2)组成。其中LAN91C111I-NE通过地址/数据信号线与DSP进行通讯，其中LAN91C111I-NE对应DSP(F28335)的地址空间范围为0X200000～0X300000(片选信号为CS7)，当LAN91C111I-NE完成信号转换后通过变压器TG110-S050N2与网络设备进行通讯。
PCI总线接口模块由PCI总线接口芯片(PLX9054-AC50PI)和双口RAM(SM7C027)组成。PLX9054-AC50PI将PCI总线电平信号转换为本地总线电平信号，并通过SM7C027与DSP(F28335)通讯。双口RAM的通讯控制由DSP和CPLD联合控制。
在电源电路设计中由于DSP(F28335)工作在频率150MHz时需要1.9V的内核电压及3.3V的I/O电压。对于F28335芯片，如果内核先于I/O模块上电，那么I/O引脚将不会产生不稳定状态；反之，如果I/O模块先于内核上电，由于此时内核不工作，I/O输出缓冲器中的晶体管有可能打开，从而在输出引脚上产生不确定的状态，对整个系统造成影响。为了避免这种情况的发生，VDD引脚上电应早于VDDIO引脚上电或同时，以确保VDD引脚在VDDIO引脚达到0.7V之前先达到0.7V。因此在本设计使用TPS75833提供3.3V电源，使用电压输出可调的TPS75801稳定输出1.9V电源，由于这两款芯片都具有使能输入端，配合逻辑电路可控制上电顺序。TPS75833使用较为简单，无需外接反馈电阻，可直接产生稳定的3.3V输出电压。TPS75801需要外接反馈电阻，输出电压的大小与反馈电阻的取值有关，其电压输出公式为：
VO＝Vref×(1+R1/R2)
式中，Vref为芯片内部参考电压1.224V。本设计中R1(R24)取值为15KΩ，R2(R23)取值为27KΩ。1.9V供电实施方案如图2所示。
3.3V供电实施方案如图3所示。上述逻辑电路包括三极管V2和V5，电阻R77，所述电阻R77一端接TPS75801输出的1.9V电压，另一端接三极管V5的基极，三极管V5的发射极接地，集电极接三极管V2的基极，三极管V2的发射极接地，集电极接TPS75833的使能端。当TPS75801输出的1.9V电源电压正处在上升期，且未达到V5的开通电压时，三极管V5截止(三极管V5基极和发射极之间正向偏压大于0.7V时三极管开通)。V5(引脚3)电位为高，于是三极管V2导通，V2(引脚3)电位为低。由于V2(引脚3)与TPS75833使能端相连，此时不能使能TPS75833。当TPS75801输出的电源电压达到V5的开通电压时，三极管V5开通，V5(引脚3)电位为低，此时三极管V2截止，V2(引脚3)电位为高，从而使能TPS75833并开始输出3.3V电压。
可以看出，本发明以LRM模块为载体在主处理芯片DSP和CPLD的协同工作下，通过A/D转换器完成对7路4mA～20mA电流信号的模拟量采集，通过CAN总线接口模块完成与1路CAN总线信号的通讯，通过RS-422串口接口模块完成与2路带隔离功能的RS422串口设备信号的通讯，通过网络接口模块与1路通过10/100M以太网设备信号通讯，通过PCI总线接口模块与PCI设备通讯，最后通过DSP外扩2G的FLASH完成数据存储功能，其能够实现数字量与模拟量的同时采集，采集类型多元化、通过多种接口传输数据，能提供更多的辅助信息，且体积小，精度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种混合型智能数据采集处理装置，其特征在于，包括：核心板模块、A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块、PCI总线接口模块和电源模块，其中所述A/D转换模块、CAN总线接口模块、RS422串口接口模块、网络接口模块和PCI总线接口模块为五个信号采集处理模块并由所述核心板模块统一控制，所述五个信号采集处理模块以LRM模块为载体同时工作；
所述核心板模块包括主处理芯片DSP、片外RAM、FLASH以及CPLD，片外RAM用于提高DSP的运算处理能力，FLASH用于存储采集后的信息，其中DSP、片外RAM和FLASH三者之间都通过地址线和数据线两种线相连，CPLD作为主控制芯片通过I/O量信号对数据采集处理装置的其余所有芯片的片选、复位、上电时序和通道逻辑控制操作进行控制；
所述A/D转换模块包括第一电阻、电子开关、放大器、A/D转换芯片、电压基准芯片以及第一光耦；A/D转换模块用于首先通过第一电阻将4mA～20mA的电流信号转换为电压信号，以及在电源模块输出的第一电压下通过两个并联的第二电阻得到一个固定值测试电压信号，然后通过电子开关在CPLD的控制下从6路模拟量电压信号和1路所述固定值测试电压信号中选通一路后经过放大器放大、滤波，送至A/D转换芯片，最后通过A/D转换芯片将模拟量信号转换为SPI串口信号，再通过第一光耦隔离后与DSP通讯；
所述CAN总线接口模块包括CAN总线接口芯片和电平转换芯片，CAN总线接口芯片用于将DSP内部CAN总线控制器产生的TTL电平信号转换为CAN总线电平信号，电平转换芯片用于在CAN总线接口芯片进行电平信号转换之前将DSP提供的电平转换为CAN总线接口芯片的工作电平，且用于在串口接口芯片进行电平信号转换之前将DSP提供的电平转换为串口接口芯片的工作电平；
所述RS422串口接口模块包括2片串口接口芯片MAX490以及4片第二光耦；其中两片串口接口芯片分别用于对DSP中的两路SCI串口信号进行电平转换，所述第二光耦用于实现RS422串口接口模块的光电隔离；
所述网络接口模块包括网络接口芯片和变压器，其中网络接口芯片用于通过地址信号线或数据信号线与DSP进行通讯，当网络接口芯片完成信号转换后通过变压器与以太网设备进行通讯；
所述PCI总线接口模块包括PCI总线接口芯片和双口RAM；所述PCI总线接口芯片用于将PCI总线电平信号转换为本地总线电平信号，并通过双口RAM与DSP通讯，双口RAM的通讯控制由DSP和CPLD实现。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，DSP工作在频率150MHz时需要的1.9V的内核电压及3.3V的I/O电压由所述电源模块提供，所述电源模块包括TPS75801、逻辑电路以及TPS75833，所述TPS75801用于输出1.9V电源，所述逻辑电路用于在TPS75801输出1.9V电源时使能TPS75833输出3.3V电源，所述TPS75833用于提供3.3V电源。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述逻辑电路包括三极管V2和V5，电阻R77，所述电阻R77一端接TPS75801输出的1.9V电压，另一端接三极管V5的基极，三极管V5的发射极接地，集电极接三极管V2的基极，三极管V2的发射极接地，集电极接TPS75833的使能端。
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