CN106230947B - 一种易拓展数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于工业现场易拓展的数据传输装置。该数据传输装置包含有主控模块、以太网模块、GPRS模块、GPS模块、三轴加速度模块、SD卡模块、CAN模块等，是一个功能全面的数据传输装置。所采用的模块均达到工业级水准，能够承受工业现场的工作环境。具有易拓展、维护、低成本、方便统一控制等特点。

Description

一种易拓展数据传输装置

技术领域

本发明涉及诸多嵌入式技术，包含有GPRS无线通信、以太网络通信、GPS数据采集、三轴加速度数据采集、SD卡数据读写、CAN总线技术以及通信协议设计等，是工业控制现场数据传输装置完整的解决方案。

背景技术

目前数据传输装置种类较多。但是符合工业级的数据传输设备的一般都具有以下几个缺点：

1、功能单一。设备一般都是定向设计的，符合某个特定的应用场合，可移植性较差，直接的结果是产品的生产量少，设计成本高，提高了平均每个设备的成本。

2、拓展性不高。单体设备对传感器数量有比较严格的限制，随着规模的扩大，传感器的数量增长，需要的数据传输设备也要求增多，从而增加成本。

3、性能冗余。个体传输设备所具有的性能比实际上需要的性能高出很多，造成功耗上的浪费以及成本的增加。

4、系统臃肿，维护难。目前工业现场控制采用PLC组装，随着工业现场规模的扩大，需求的增加，会导致系统臃肿不易控制，而且成本很高。

发明内容

本发明是为了克服传统数据传输装置系统各个缺点，提供了一种新型的数据传输装置，该模块只要进行简单的安装就可以监测工业现场的数据并实现控制，在后续的功能拓展中只需要简单的挂载新的采集模块就可以满足需求。

本发明所采取的具体技术方案：

本发明包括可用于工业控制场景的主控模块、以太网模块、GPRS模块、GPS模块、三轴加速度模块、SD卡模块、CAN模块组网。

所述的主控模块为产品型号LPC1768FET100的NXP单片机。以太网接口ENET_TX_EN连接以太网模块的Tx_EN，以太网接口ENET_TXD0连接以太网模块的TXD_0,以太网接口ENET_TXD1连接以太网模块的TXD_1，以太网接口ENET_RXD0连接以太网模块的RXD0，以太网接口ENET_RXD1连接以太网模块的RXD1，以太网接口ENETMDIO连接以太网模块的MDIO，以太网接口ENET_MDC连接以太网模块的MDC，以太网接口ENET_RST连接以太网模块的RESET_N，以太网接口ENET_RX_ER连接以太网模块的RX_ER。请求发送接口RTS1连接GPRS模块的GPIO1，串行通信接口TXD1连接GPRS模块的GPIO3，USB接口USB_PWRD连接GPRS模块的GPIO4，数据准备就绪接口DSR1连接GPRS模块的DSR，接收终端接口RI1连接GPRS模块的RI，载波检测接口DCD1连接GPRS模块的DCD，数据终端就绪接口DTR连接GPRS模块的DTR，请求发送接口RTS1连接GPRS模块的RTS，清除发送接口CTS1连接GPRS模块的CTS，串行通信接口TXD1连接GPRS模块的TXD，串行通信接口RXD1连接GPRS模块的RXD，I2C接口SDA0连接GPRS模块的SDA，I2C接口SCL0连接GPRS模块的SCL。I2C接口SDA连接GPS模块的SDA，I2C接口SCL0连接GPS模块的SCL，USB控制接口USB_PPWR连接GPS模块的TIMEPULSE，USB控制接口USB_PWRD连接GPS模块的EXTIN，串行通信接口RXD2连接GPS模块的TXD，串行通信接口TXD2连接GPS模块的RXD。串行通信接口TXD3连接三轴加速度模块的SCX，串行通信接口RXD3连接三轴加速度模块的SDX。I2S接口TD2连接CAN模块的TXD，CAN接口RD2连接CAN模块的RXD。从机选择接口SSEL0连接SD卡模块的D3接口，SPI通信接口MOSI0连接SD卡模块的CMD接口，SPI通信接口SCK0连接SD卡模块的CLK接口，SPI通信接口MISO0连接SD卡模块的D0接口，主控模块的P2_1引脚连接SD卡模块的CD接口。VDD接口接3.3V电源，GND接地。

所述的以太网模块是型号为DP83848Q以太网模块。IOVDD33和IO_VDD互联与AVDD33分开连接3.3V电源并用一个电感互联。IOVDD33使用两个并联的0.01uF电容滤波，AVDD33使用1个0.01UF电容滤波。AGND、DGND、DAP、IOGND接地。晶振接口X1连接50MHz的有源晶振。网口接口TD+连接以太网模块的TD+，网口接口TD-连接以太网模块的TD-，网口接口RD+连接以太网模块的RD+，网口接口RD-连接以太网模块的RD-。LED接口LED_LINK连接ENET0_LINKLED1。PFBIN1和PFBIN2分别串联一个100nF电容后接地，PFBOUT使用10uF、100nF电容并联接地。

所述的GPRS模块是型号为UBX_SARA-G1的u-blox芯片。电源接口VCC串联电感后连接3.8V电压并联56pF、两个15pF、100nF、330uF滤波电容，电源接口GND接地。重启引脚RESET-N串联一个电感，并联47pF、100nF的滤波电容，然后和SN74LVC1G07DCK芯片的OUT接口连接。ANT接口串联33pF电容后并联一个接齐纳二极管和27pF滤波电容的电感，然后与天线连接。语音输入接口MIC_P连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLP，语音输入接口MIC_N连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLN。音频输出接口I2S_WA连接音频解码芯片MAX9860ETG+的LRCLK，音频输出接口I2S_TXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDIN，音频输出接口I2S_CLK连接音频解码芯片MAX9860ETG+的BCLK，音频接收接口I2S_RXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDOUT。音频输出接口SPK_N连接J5的SPK_OUT-，音频输出接口SPK_P连接J5的SPK_OUT+。SIM卡接口SIMRST连接SIM卡的CCRST，SIM卡接口SIMDET连接SIM卡的CCDET2，SIM卡接口SIMCLK连接SIM卡的CCCLK，SIM卡接口SIMIO连接SIM卡的CCIO，SIM卡接口VSIM连接SIM卡的CCVCC给SIM卡供电。所有与SIM卡连接的接口，除了CCDET2使用470欧姆下拉电阻以外，其余接口都要使用47pF下拉滤波电容，并用齐纳二极管下拉。

所述的GPS模块是型号为UBX_MAX-7Q的u-blox芯片。电源接口VCC、VCCIO连接3.3V电源并用47pF和100nF的电容并联滤波，电源接口GND接地。射频天线接口RF_IN与SMA接口的天线连接。

所述的三轴加速度传感器是型号为BMI055由Bosch Sensorte公司的加速度传感器芯片。电源接口VDD、VDDIO连接3.3V电源并用1271000nF和128100nF的电容并联滤波，电源接口GND、GNDIO接地。它一共提供了20个接口，主要使用两个接口，SCX和SDX，它们都需要接4.7K上拉电阻，这两个接口提供I2C协议的数据输出。

所述的SD卡模块采用了TF卡的卡托，使用时直接将SD卡插入其中。SD卡模块一共提供了13个引脚，电源引脚VDD接3.3V电源，VSS和GND1~GND4接地。引脚1和引脚8悬空，引脚2~8和引脚9与主控模块相连，其中除了引脚6作为SD卡模块的时钟引脚由主控模块提供时钟源，其余引脚都接10K电阻上拉。

所述的CAN模块是型号为TJA1042T/3的高速CAN收发器。电源引脚VCC连接5V电源用100nF电容滤波，VIO连接3.3V电源用100nF电容，GND接地。CAN总线通信接口CANH和CANL分别并联60欧姆的下拉电阻、并联接地的齐纳二极管。引脚1、4、8和主控芯片连接。

与背景技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明基于多种嵌入式技术，包括GPRS无线通信技术、GPS定位技术、三轴加速度技术、CAN总线技术，将底层前端数据采集的数据、GPS信号、重力感应数据接收处理后用过通过485总线、GPRS分发给其他设备，同时将数据存储一份到本地SD卡。对工业控制场景的数据进行实时监控。

(2)本发明装置稳定性好、功耗低、成本低，而且十分小巧灵活，采用了CAN总线技术在扩展数据采集设备时非常简单方便，极大地降低了以后在设备扩展方面的成本。

(3)本发明通过GPRS技术将数据上传到服务器，实现了和互联网的对接，不论何时何地都可以查看到系统的运行数据并进行监控，现场和远程控制实现统一。

附图说明

图1为本发明中工业控制场景的数据传输装置结构示意图；

图2为本装置中主控模块示意图；

图3为本装置中以太网模块示意图；

图4为本装置中GPRS模块示意图；

图5为本装置中GPS模块示意图；

图6为本装置中三轴加速度模块示意图；

图7为本装置中SD卡模块示意图；

图8为本装置中CAN模块示意图；

图9为数据传输装置使用场景的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括的数据传输装置由主控模块LPC1768FET100、以太网模块DP83848DQ、GPS模块MAX-7Q、GPRS模块SAEA-G1、三轴加速度模块Accelerator BMI055、SD卡模块以及CAN模块构成。

如图2所示，所述的主控模块是型号为LPC1768FET100的NXP单片机，这是ARMCortex-M3硬件内核的器件，具有丰富的片内资源和强大的功能。主控模块为其他连接模块提供了连接接口，其连线方式在发明内容中已有详述。对于数据采集节点而言，则可以直接挂载到CAN总线上就可以实现数据的采集和监控。

如图3所示，所述的以太网模块是型号为DP83848Q以太网模块。IOVDD33和IO_VDD互联与AVDD33分开连接3.3V电源并用一个电感互联。IOVDD33使用两个并联的0.01uF电容滤波，AVDD33使用1个0.01UF电容滤波。AGND、DGND、DAP、IOGND接地。晶振接口X1连接50MHz的有源晶振。网口接口TD+连接以太网模块的TD+，网口接口TD-连接以太网模块的TD-，网口接口RD+连接以太网模块的RD+，网口接口RD-连接以太网模块的RD-。LED接口LED_LINK连接ENET0_LINKLED1。PFBIN1和PFBIN2分别串联一个100nF电容后接地，PFBOUT使用10uF、100nF电容并联接地。

如图4所示，所述的GPRS模块是型号为UBX_SARA-G1的u-blox芯片。电源接口VCC串联电感后连接3.8V电压并联56pF、两个15pF、100nF、330uF滤波电容，电源接口GND接地。重启引脚RESET-N串联一个电感，并联47pF、100nF的滤波电容，然后和SN74LVC1G07DCK芯片的OUT接口连接。ANT接口串联33pF电容后并联一个接齐纳二极管和27pF滤波电容的电感，然后与天线连接。语音输入接口MIC_P连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLP，语音输入接口MIC_N连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLN。音频输出接口I2S_WA连接音频解码芯片MAX9860ETG+的LRCLK，音频输出接口I2S_TXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDIN，音频输出接口I2S_CLK连接音频解码芯片MAX9860ETG+的BCLK，音频接收接口I2S_RXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDOUT。音频输出接口SPK_N连接J5的SPK_OUT-，音频输出接口SPK_P连接J5的SPK_OUT+。SIM卡接口SIMRST连接SIM卡的CCRST，SIM卡接口SIMDET连接SIM卡的CCDET2，SIM卡接口SIMCLK连接SIM卡的CCCLK，SIM卡接口SIMIO连接SIM卡的CCIO，SIM卡接口VSIM连接SIM卡的CCVCC给SIM卡供电。所有与SIM卡连接的接口，除了CCDET2使用470欧姆下拉电阻以外，其余接口都要使用47pF下拉滤波电容，并用齐纳二极管下拉。

如图5所示，所述的GPS模块是型号为UBX_MAX-7Q的u-blox芯片。电源接口VCC、VCCIO连接3.3V电源并用47pF和100nF的电容并联滤波，电源接口GND接地。射频天线接口RF_IN与SMA接口的天线连接。

如图6所示，所述的三轴加速度模块是型号为BMI055由Bosch Sensorte公司生产的加速度传感器芯片。电源接口VDD、VDDIO连接3.3V电源并用1271000nF和128100nF的电容并联滤波，电源接口GND、GNDIO接地。它一共提供了20个接口，主要是用2两个接口，SCX和SDX，它们都需要接4.7K上拉电阻，这两个接口提供了I2C协议的数据输出。

如图7所示，所述的SD卡模块采用了TF卡的卡托，使用时直接将SD卡插入其中就可以了。SD卡模块一共提供了13个引脚，电源引脚VDD接3.3V电源，VSS和GND1~GND4接地。引脚1和引脚8悬空，引脚2~8和引脚9与主控芯片相连，其中除了引脚6作为SD卡的时钟引脚由主控模块提供时钟源，其余引脚都接10K电阻上拉。

如图8所示，所述的CAN模块是型号为TJA1042T/3的高速CAN收发器。电源引脚VCC连接5V电源用100nF电容滤波，VIO连接3.3V电源用100nF电容，GND接地。CAN总线通信接口CANH和CANL分别并联60欧姆的下拉电阻、并联接地的齐纳二极管。引脚1、4、8和主控模块连接。

如图9所示，本发明的工作过程为：前端数据采集节点不断地采集到工业现场的数据，并通过CAN模块传输给数据传输装置。数据传输装置通过GPS模块获取位置信息，通过三轴加速度模块获取装置的运动状态。主控模块对所有这些数据进行一定的处理，使用本地SD卡模块进行备份，同时按照特定的协议打包好通过以太网模块分发给控制终端或者GPRS模块分发给服务器。

Claims (1)

1.一种易拓展数据传输装置，包括可用于工业控制场景的主控模块、以太网模块、GPRS模块、GPS模块、三轴加速度模块、SD卡模块和CAN模块组网，其特征在于：

所述的主控模块为产品型号LPC1768FET100的NXP单片机；以太网接口ENET_TX_EN连接以太网模块的Tx_EN，以太网接口ENET_TXD0连接以太网模块的TXD_0,以太网接口ENET_TXD1连接以太网模块的TXD_1，以太网接口ENET_RXD0连接以太网模块的RXD0，以太网接口ENET_RXD1连接以太网模块的RXD1，以太网接口ENETMDIO连接以太网模块的MDIO，以太网接口ENET_MDC连接以太网模块的MDC，以太网接口ENET_RST连接以太网模块的RESET_N，以太网接口ENET_RX_ER连接以太网模块的RX_ER；请求发送接口RTS1连接GPRS模块的GPIO1，串行通信接口TXD1连接GPRS模块的GPIO3，USB接口USB_PWRD连接GPRS模块的GPIO4，数据准备就绪接口DSR1连接GPRS模块的DSR，接收终端接口RI1连接GPRS模块的RI，载波检测接口DCD1连接GPRS模块的DCD，数据终端就绪接口DTR连接GPRS模块的DTR，请求发送接口RTS1连接GPRS模块的RTS，清除发送接口CTS1连接GPRS模块的CTS，串行通信接口TXD1连接GPRS模块的TXD，串行通信接口RXD1连接GPRS模块的RXD，I2C接口SDA0连接GPRS模块的SDA，I2C接口SCL0连接GPRS模块的SCL；I2C接口SDA连接GPS模块的SDA，I2C接口SCL0连接GPS模块的SCL，USB控制接口USB_PPWR连接GPS模块的TIMEPULSE，USB控制接口USB_PWRD连接GPS模块的EXTIN，串行通信接口RXD2连接GPS模块的TXD，串行通信接口TXD2连接GPS模块的RXD；串行通信接口TXD3连接三轴加速度模块的SCX，串行通信接口RXD3连接三轴加速度模块的SDX；I2S接口TD2连接CAN模块的TXD，CAN接口RD2连接CAN模块的RXD；从机选择接口SSEL0连接SD卡模块的D3接口，SPI通信接口MOSI0连接SD卡模块的CMD接口，SPI通信接口SCK0连接SD卡模块的CLK接口，SPI通信接口MISO0连接SD卡模块的D0接口，主控模块的P2_1引脚连接SD卡模块的CD接口；VDD接口接3.3V电源，GND接地；

所述的以太网模块是型号为DP83848Q以太网模块；IOVDD33和IO_VDD互联与AVDD33分开连接3.3V电源并用一个电感互联；IOVDD33使用两个并联的0.01uF电容滤波，AVDD33使用1个0.01UF电容滤波；AGND、DGND、DAP、IOGND接地；晶振接口X1连接50MHz的有源晶振；网口接口TD+连接以太网模块的TD+，网口接口TD-连接以太网模块的TD-，网口接口RD+连接以太网模块的RD+，网口接口RD-连接以太网模块的RD-；LED接口LED_LINK连接ENET0_LINKLED1；PFBIN1和PFBIN2分别串联一个100nF电容后接地，PFBOUT使用10uF、100nF电容并联接地；

所述的GPRS模块是型号为UBX_SARA-G1的u-blox芯片；电源接口VCC串联电感后连接3.8V电压并联56pF、两个15pF、100nF、330uF滤波电容，电源接口GND接地；重启引脚RESET-N串联一个电感，并联47pF、100nF的滤波电容，然后和SN74LVC1G07DCK芯片的OUT接口连接；ANT接口串联33pF电容后并联一个齐纳二极管和27pF滤波电容的电感，然后与天线连接；语音输入接口MIC_P连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLP，语音输入接口MIC_N连接音频解码芯片MAX9860ETG+的MICLN；音频输出接口I2S_WA连接音频解码芯片MAX9860ETG+的LRCLK，音频输出接口I2S_TXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDIN，音频输出接口I2S_CLK连接音频解码芯片MAX9860ETG+的BCLK，音频接收接口I2S_RXD连接音频解码芯片MAX9860ETG+的SDOUT；音频输出接口SPK_N连接J5的SPK_OUT-，音频输出接口SPK_P连接J5的SPK_OUT+；SIM卡接口SIMRST连接SIM卡的CCRST，SIM卡接口SIMDET连接SIM卡的CCDET2，SIM卡接口SIMCLK连接SIM卡的CCCLK，SIM卡接口SIMIO连接SIM卡的CCIO，SIM卡接口VSIM连接SIM卡的CCVCC给SIM卡供电；所有与SIM卡连接的接口，除了CCDET2使用470欧姆下拉电阻以外，其余接口都使用47pF下拉滤波电容，并用齐纳二极管下拉；

所述的GPS模块是型号为UBX_MAX-7Q的u-blox芯片；电源接口VCC、VCCIO连接3.3V电源并用47pF和100nF的电容并联滤波，电源接口GND接地；射频天线接口RF_IN与SMA接口的天线连接；

所述的三轴加速度模块采用型号为BMI055的加速度传感器芯片；电源接口VDD、VDDIO连接3.3V电源并用1271000nF和128100nF的电容并联滤波，电源接口GND、GNDIO接地；它一共提供了20个接口，主要使用两个接口，SCX和SDX，它们都需要接4.7K上拉电阻，这两个接口提供I2C协议的数据输出；

所述的SD卡模块采用了TF卡的卡托，使用时直接将SD卡插入其中；SD卡模块一共提供了13个引脚，电源引脚VDD接3.3V电源，VSS和GND1~GND4接地；引脚1和引脚8悬空，引脚2~8和引脚9与主控模块相连，其中除了引脚6作为SD卡模块的时钟引脚由主控模块提供时钟源，其余引脚都接10K电阻上拉；

所述的CAN模块是型号为TJA1042T/3的高速CAN收发器；电源引脚VCC连接5V电源用100nF电容滤波，VIO连接3.3V电源用100nF电容，GND接地；CAN总线通信接口CANH和CANL分别并联60欧姆的下拉电阻、并联接地的齐纳二极管；引脚1、4、8和主控芯片连接。