CN105635130B - 多协议兼容的多路信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

多协议兼容的多路信号采集系统，该系统包括信号接收单元、逻辑处理单元、信号发送单元和上位机；所兼容的信号包括EnDat协议信号、BiSS协议信号和正交增量信号三种信号；信号接收单元包括多个RS‑422/485输入接口和相应差分电路；逻辑处理单元为可编程逻辑器件；信号发送单元包括一个光纤输出接口、一个RS‑485输出接口以及相应差分电路；上位机设置各接口可接收上述三种信号中的何种信号；输入接口接收到的数据信号经可编程逻辑器件处理后，分别由RS‑485接口和光纤接口输出。本发明利用一种接口实现不同种类信号的采集，并通过两种方式输出，极大增加了数据采集系统的灵活性和实用性，可满足不同的数据采集要求。

Description

多协议兼容的多路信号采集系统
技术领域
本发明涉及一种多协议兼容的多路信号采集系统，主要应用于机电控制系统，属于信号处理技术领域。
背景技术
在大型运动控制系统中，往往需要运用不同位移传感器，如增量式光栅尺、绝对式光栅尺、容栅尺、光电位置传感器等，以得到运动系统的位置反馈。而不同传感器的接口协议不尽相同，其中绝对位置的传感器多采用EnDat协议或BiSS协议编码，而增量式传感器多采用正交增量编码，因此系统往往需要为每种信号配置相应的数据采集板卡。
在实际数据采集过程中，利用不同的数据采集板卡对不同协议接口进行数据采集，增加了电路复杂程度，扩大了板卡所占体积，成本也相应地增加。不同板卡需要传输数据给上位机，增加了上位机接口数量和软件复杂程度，也难以统一系统接收数据的时间，时钟无法对齐，造成数据处理困难。而在输出端，对于不同的系统，数据传输的速率要求不同，速度要求不高的系统多采用RS-485接口将数据输出，而需要更高传输速率的输出接口多采用光纤接口。故单一的输出端也难以满足不同系统对数据输出的要求。
发明内容
在需要位置反馈的运动控制系统中，为了利用同一数据采集板卡采集不同协议的数据，有效地增加数据采集系统的实用性，本发明提供一种多协议兼容的多路信号采集系统，使信号采集板卡利用同一输入接口，通过上位机的设置，可以用来接收不同协议的数据，并通过光纤和RS-485接口将数据输出。
本发明的技术方案如下：
所述兼容协议信号包括EnDat协议信号、BiSS协议信号和正交增量信号，其特征在于：同一接口通过上位机设置可以接收不同种类的信号；数据采集系统包括信号接收单元、逻辑处理单元和信号发送单元；其中信号接收单元包括多个RS-422/485的DB9输入接口以及相应差分电路，每个输入接口通过上位机设置决定接收相应类型的信号；信号发送单元包括一个RS-485输出接口和相关电路、一个光纤输出接口；
所述逻辑处理单元按功能模块分为顶层模块、多个数据接收子模块、数据发送第一子模块、数据发送第二子模块、使能子模块和时钟发生子模块；其中，顶层模块用于设置各子模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将逻辑处理单元的系统时钟分频以产生各模块所需的时钟，并发送给各个子模块；每个数据接收子模块包括BiSS模块、EnDat模块和增量编码模块三种解码模块，每个解码模块用于处理相应协议的信号；使能子模块通过数据发送第一子模块或数据发送第二子模块读取上位机传来的信息，并将其发送给各个数据接收子模块，用以确定各数据接收子模块使用何种解码模块；数据接收子模块数量由输入接口数量决定，每个输入接口对应一个数据接收子模块；数据接收子模块接收对应接口的数据信号，并分别输出给数据发送第一子模块和数据发送第二子模块；数据发送第一子模块将所接收到的各个接口的数据通过RS-485接口输出，数据发送第二子模块将所接收到的各个接口的数据通过光纤输出。
所述数据输入接口的数量至少为4个。
所述逻辑处理单元为可编程逻辑器件，采用FPGA或CPLD中一种。
所述上位机采用台式计算机、嵌入式计算机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。
所述逻辑处理单元的输出还包括指示信号，指示信号发送给LED灯，每个输入接口对应有3个LED灯，分别对应EnDat、BiSS和正交增量信号，不同灯亮代表不同的信号，用于确认所设置接口实际状态是否与预想一致。
所述RS-422/485的输入接口相应的差分电路为差分转单端电路，所述RS-485输出接口相应的差分电路为单端信号转差分信号的电路。
本发明具有以下优点及突出性的技术成果：本发明利用一种接口实现不同种类信号的采集，增加了数据采集系统的灵活性，使同一数据采集板卡适用于不同的应用环境；当运动控制系统更换或增加不同协议的传感器时，无需因为协议不匹配等原因更换数据采集板卡，方便系统更新，体现了此数据采集系统的实用性；采用软件控制各个端口所接收数据类型，简化了控制电路，方便操作；通过两种方式输出，适用于不同数据传输速率要求的控制系统。
附图说明
图1为本发明多路信号采集系统对应采集板卡示意图。
图2为本发明多路信号采集系统原理示意图。
图3为本发明逻辑处理单元结构框图。
图4为本发明输入接口引脚分配图。
图5为本发明单端信号转化为差分信号实施例。
图6为本发明差分信号转换为单端信号实施例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和工作过程来进一步说明本发明。
图1为本发明多路信号采集系统对应采集板卡示意图。上位机用于设置各输入接口所接收信号为EnDat协议信号、BiSS协议信号或正交增量信号；上位机的设置信息被可编程逻辑器件读取，作为其输入用于决定其用何种解码模块解码；三种协议发送的信号均为差分信号，故差分数据信号通过接口传输到数据采集板卡，经差分转单端电路后将信号传输给可编程逻辑器件；
所述可编程逻辑器件采用硬件编程语言，对数据信号处理后，由于光纤与RS-485端口传输速度不同，通过异步传输的方式，分别将信号从光纤接口和RS-485接口输出；光纤通信可以达到快速传输、有效控制的目的；RS-485接口需要单端信号转差分信号的电路；
所述可编程逻辑器件的输出还包括指示信号，指示信号发送给LED灯，每个输入接口对应有3个LED灯，分别对应EnDat、BiSS和正交增量信号，不同灯亮代表不同的信号，用于确认所设置接口实际状态是否与预想一致。
图2为本发明多路信号采集系统原理示意图。该系统包括信号接收单元、逻辑处理单元和信号发送单元和上位机；其中信号接收单元包括多个RS-422/485输入接口及相应差分电路，每个输入接口通过上位机设置决定接收相应类型的信号；逻辑处理单元为可编程逻辑器件；信号发送单元包括一个光纤输出接口、一个RS-485输出接口和相应差分电路；LED灯用于显示各输入接口对应信号的状态；
所述数据输入接口的数量至少为4个；
所述逻辑处理单元为可编程逻辑器件，采用FPGA或CPLD中一种；
所述上位机采用台式计算机、嵌入式计算机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。
图3为本发明逻辑处理单元结构框图。所述逻辑处理单元按功能模块分为顶层模块、多个数据接收子模块、数据发送第一子模块、数据发送第二子模块、使能子模块和时钟发生子模块；其中，顶层模块用于设置各子模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将逻辑处理单元的系统时钟分频以产生各模块所需的时钟，并发送给各个子模块；每个数据接收子模块包括BiSS模块、EnDat模块和增量编码模块三种解码模块，每个解码模块用于处理相应协议的信号；使能子模块通过数据发送第一子模块或数据发送第二子模块读取上位机传来的信息，并将其发送给各个数据接收子模块，用以确定各数据接收子模块使用何种解码模块；数据接收子模块数量由输入接口数量决定，每个输入接口对应一个数据接收子模块；数据接收子模块接收对应接口的数据信号，并分别输出给数据发送第一子模块和数据发送第二子模块；数据发送第一子模块将所接收到的各个接口的数据通过RS-485接口输出，数据发送第二子模块将所接收到的各个接口的数据通过光纤输出。
图4为本发明输入接口引脚分配图。EnDat协议为德国HEIDENHAIN公司提出的一种全双工同步串行通信协议，目前版本为EnDat2.2，默认接口为RS-485；BiSS协议为德国IC-Haus公司提出的一种全双工同步串行通信协议，目前版本为BiSS-C，默认接口为RS-422。两种接口电气特征完全相同，EnDat和BiSS所需时钟信号均为差分信号，故将板卡输出的钟信号经差分电路转变成差分时钟信号，通过接口传输给传感器所用的编码器；对于增量编码器不需要提供时钟，但需通过接口为其提供电源电压；三种协议发送的信号均为差分信号，故差分数据信号通过接口传输到数据采集板卡，经差分收发电路后转换为单端信号传输给可编程逻辑器件；EnDat协议信号至少需要用到DATA01、DATA02、CLK和地线，BiSS协议信号至少需要用到DATA01、CLK和地线，正交增量信号至少需要用到DATA01、DATA02、CLK、电源和地线。
图5为本发明单端信号转化为差分信号实施例，用于RS-485输出接口；其包括一个芯片AM26L-V31、一个电解电容C56，一个电容C48和一个磁珠B11(BLM21PG331)，电解电容C56和电容C48并联后与磁珠B11串联接3.3V电源，为芯片AM26L-V32供电，三相单端信号(AO1、BO1和CO1)分别输入管脚：1、7和9，则输出三相差分信号(AO_1+、AO_1-、BO_1+、BO_1-、CO_1+和CO_1-)，管脚分别为：2、3、5、6、11和10。
图6为本发明差分信号转换为单端信号实施例，用于RS-422/485输入接口；其包括一个芯片AM26L-V32、一个电解电容C54，一个电容C43和一个磁珠B9(BLM21PG331)，电解电容C54和电容C43并联后与磁珠B9串联接3.3V电源，为芯片AM26L-V32供电，三相差分信号(AI+、AI-、BI+、BI-、CI+和CI-)分别输入管脚：6、7、1、2、15和14，则输出三相单端信号(AI、BI、CI)，管脚分别为：5、3和13。

Claims (6)

1.多协议兼容的多路信号采集系统，所兼容的协议信号包括EnDat协议信号、BiSS协议信号和正交增量信号三种信号，其特征在于：该系统包括信号接收单元、逻辑处理单元、信号发送单元和上位机；其中信号接收单元包括多个RS-422/485的输入接口以及相应差分电路，每个输入接口通过上位机的设置决定接收三种信号中的何种信号；信号发送单元包括一个光纤输出接口、一个RS-485输出接口及相应差分电路；
所述逻辑处理单元按功能模块分为顶层模块、多个数据接收子模块、数据发送第一子模块、数据发送第二子模块、使能子模块和时钟发生子模块；其中，顶层模块用于设置各子模块的配置信息和实例化各子模块；时钟发生子模块用于将逻辑处理单元的系统时钟分频以产生各模块所需的时钟，并发送给各个子模块；每个数据接收子模块包括BiSS模块、EnDat模块和增量编码模块三种解码模块，每个解码模块用于处理相应协议的信号；使能子模块通过数据发送第一子模块或数据发送第二子模块读取上位机传来的信息，并将其发送给各个数据接收子模块，用以确定各数据接收子模块使用何种解码模块；数据接收子模块数量由输入接口数量决定，每个输入接口对应一个数据接收子模块；数据接收子模块接收对应接口的数据信号，并分别输出给数据发送第一子模块和数据发送第二子模块；数据发送第一子模块将所接收到的各个接口的数据通过RS-485接口输出，数据发送第二子模块将所接收到的各个接口的数据通过光纤输出。
2.根据权利要求1所述的多协议兼容的多路信号采集系统，其特征在于，所述数据输入接口的数量至少为4个。
3.根据权利要求1所述的多协议兼容的多路信号采集系统，其特征在于，所述逻辑处理单元采用FPGA或CPLD中的一种。
4.根据权利要求1所述的多协议兼容的多路信号采集系统，其特征在于，所述上位机采用台式计算机、嵌入式计算机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的多协议兼容的多路信号采集系统，其特征在于，所述逻辑处理单元的输出还包括指示信号，指示信号发送给LED灯，每个输入接口对应有3个LED灯，分别对应EnDat、BiSS和正交增量信号，不同灯亮代表不同的信号，用于确认所设置接口实际状态是否与预想一致。
6.根据权利要求1所述的多协议兼容的多路信号采集系统，其特征在于，所述RS-422/485的输入接口相应的差分电路为差分转单端电路，所述RS-485输出接口相应的差分电路为单端信号转差分信号的电路。
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