CN110017891A - 一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，属于基于沙克总线传输协议的数字振动传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器；解决该技术问题采用的技术方案为：包括微控制器和电源模块，所述微控制器的信号输入端依次串接AD转换模块、采样保持器、信号调理模块后与振动传感器的信号输出端相连；所述微控制器通过导线还与沙克总线通信模块的SPI接口相连；所述沙克总线通信模块通过导线与路由器相连；所述电源模块分别向微控制器、AD转换模块、采样保持器、信号调理模块、振动传感器提供电源；本发明应用于数字振动传感器。
Description
技术领域
本发明一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，属于基于沙克总线传输协议的数字振动传感器技术领域。
背景技术
目前国内弹箭产品对总线系统的应用很少，即使使用其应用情况和效果也不太理想，大部分情况下使用422总线进行数据传输，极少数情况下采用1553B或CAN总线，总体而言，弹箭总线不仅普及率低，应用层次也不高，点对点数据传输模式在弹箭测量系统中还处于主导地位，尤其是基于弹箭总线传输数据的数字振动传感器，其研发制作与使用成本较高，制约着传感测量系统和整体弹箭性能的提升。
基于弹箭总线测量的振动传感器在使用上存在以下的不足及局限性：
（1）设备连接关系总体表现为树状单向串联方式，这是所有网络架构中效率和可靠性最低的一种，数据从树叶汇聚传输到树根，前端到后端一路串行传递，不具备单独访问某一台单机的能力；
（2）在该类型总线中任何一个设备出问题，都会导致整个链路数据传输故障，可靠性低；排查某一个设备的问题，必须整个链路同时工作，一个一个设备代换排查，排除故障效率低；
（3）所有设备间进行点对点的数据传输，接口独立设计，工作量大，一般不可互换；
（4）电缆网规模较大，结构复杂，需要技术人员精心设计，设计周期长，易发生设计和生产错误，最终做出的电缆网产品尺寸重量大，结构复杂，使用装配困难，故障率高，列装保障设备数量多，可靠性低；
（5）单机与系统需要多次接口匹配试验，难以做到数据传输的标准化和产品化；
（6）通讯码率低，难以满足批量噪声、图像、视频信号的传输需求；
鉴于上述弹箭总线存在的缺陷，需要对现有的数字振动传感器的采集及传输系统进行相应改进。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，包括微控制器和电源模块，所述微控制器的信号输入端依次串接AD转换模块、采样保持器、信号调理模块后与振动传感器的信号输出端相连；
所述微控制器通过导线还与沙克总线通信模块的SPI接口相连；
所述沙克总线通信模块通过导线与路由器相连；
所述电源模块分别向微控制器、AD转换模块、采样保持器、信号调理模块、振动传感器提供电源。
所述沙克总线通信模块使用的芯片为信号发送芯片U1、电缆驱动器U2、信号接收芯片U3、数据恢复器U4，所述沙克总线通信模块的电路结构为：
所述信号发送芯片U1的1脚-11脚与微控制器的信号输入端相连；
所述信号发送芯片U1的30脚串接电阻R17后接地；
所述信号发送芯片U1的31脚串接电阻R18后接地；
所述信号发送芯片U1的18脚串接电阻R20后接地；
所述信号发送芯片U1的23脚串接电阻R19后接地；
所述信号发送芯片U1的21脚并接电阻R22的一端，电阻R25的一端，电阻R26的一端后与电缆驱动器U2的2脚相连；
所述信号发送芯片U1的20脚并接电阻R22的一端，电阻R23的一端，电阻R24的一端后与电缆驱动器U2的3脚相连；
所述信号发送芯片U1的16脚依次并接信号发送芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、电容C46的一端，电容C47的一端，电容C48的一端后与3.3V输入电源相连，所述电容C46、C47、C48的另一端相互连接后接地；
所述电阻R23的另一端并接电阻R25的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述电阻R24的另一端并接电阻R26的另一端后接地；
所述电缆驱动器U2的4脚串接电阻R27后接地；
所述电缆驱动器U2的7脚并接电阻R29的一端后与电容C51的一端相连，所述电容C51的另一端与接线端子J5相连；
所述电缆驱动器U2的6脚并接电阻R28的一端后与电容C50的一端相连，所述电容C50的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R28与电阻R29的另一端相互连接后接地；
所述信号接收芯片U3的14脚-18脚，23脚-27脚与微控制器的信号输出端相连；
所述信号接收芯片U3的4脚并接信号接收芯片U3的5脚后与电阻R47的一端相连，所述电阻R47的另一端与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的1脚、8脚、9脚、22脚、20脚分别与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的2脚并接电阻R50的一端，电阻R54的一端，电阻R53的一端后与电容C66的一端相连，所述电容C66的另一端并接电阻R55的一端后与数据恢复器U4的13脚相连；
所述信号接收芯片U3的3脚并接电阻R50的另一端，电阻R51的一端，电阻R52的一端后与电容C67的一端相连，所述电容C67的另一端并接电阻R56的一端后与数据恢复器U4的14脚相连；
所述电阻R51的另一端并接电阻R53的另一端后与3.3V输入电源相连，所述电阻R52的另一端并接电阻R54的另一端后接地，所述电阻R55的另一端并接电阻R56的另一端，二极管D4的负极后后电容C68的一端相连，所述电容C68的另一端接地；
所述数据恢复器U4的7脚串接电容C69后与数据恢复器U4的6脚相连；
所述二极管D4的正极并接数据恢复器U4的4脚、1脚、2脚、电容C70的一端，电容C72的一端后与5V输入电源相连，所述电容C70的另一端并接电容C72的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的12脚并接数据恢复器U4的5脚后与电容C71的一端相连，所述电容C71的另一端接地；
所述数据恢复器U4的8脚串接电阻R59后与电容C75的一端相连，所述电容C75的另一端并接电阻R60的一端后与电阻R62的一端相连，所述电阻R62的另一端与接线端子J5相连；
所述数据恢复器U4的9脚串接电阻R58后与电容C74的一端相连，所述电容C74的另一端并接电阻R61的一端后与电阻R63的一端相连，所述电阻R63的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R60的另一端并接电阻R61的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的3脚串接电阻R57和电容C73后接地。
所述AD转换模块使用的芯片为AD转换芯片U5，所述AD转换模块的电路结构为：
所述AD转换芯片U5的4脚串接电容C55后接地；
所述AD转换芯片U5的3脚并接电容C57的一端后与电阻R32的一端相连，所述电容C57的另一端接地，所述电阻R32的另一端与采样保持器的信号输出端相连；
所述AD转换芯片U5的5脚接地；
所述AD转换芯片U5的2脚串接电容C58后接地；
所述AD转换芯片U5的6脚、7脚、8脚、9脚与微控制器的信号输入端相连；
所述AD转换芯片U5的10脚并接电容C50的一端，电容C51的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C50的另一端并接电容C51的另一端后接地；
所述AD转换芯片U5的1脚并接电容C49的一端，电容C48的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C49的另一端并接电容C48的另一端后接地。
所述微控制器使用的芯片信号为XC3S200AN-4FT256I；
所述信号发送芯片U1的型号为DS921V1023ARHBQ；
所述电缆驱动器U2的型号为CLC001；
所述信号接收芯片U3的型号为DS921V1224ARHBQ；
所述数据恢复器U4的型号为CLC014；
所述AD转换芯片U5的型号为AD7091R。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明可以克服基于传统弹箭总线测量系统存在的缺陷，提供一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，采用沙克总线传输协议对采集到的振动信号进行传输，可以将相应的数字传感器直接挂接在路由器的空闲接口上，并直接通过网络实现彼此之间的通信，数据通过网络自动寻路到达每一个设备；采用本发明的数据传输协议及控制模块，通过路由器自动侦查构建更新整个网络，使用简单，支持对采集数据的高速率传输，响应时间短，数据传输可靠，支持多种规格电缆接线，可推广使用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明沙克总线通信模块的电路图；
图3为本发明AD转换模块的电路图；
图4为本发明微控制器控制电路图；
图5为本发明微控制器配置电路图；
图中：1为微控制器、2为电源模块、3为AD转换模块、4为采样保持器、5为信号调理模块、6为振动传感器、7为沙克总线通信模块、8为路由器。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，包括微控制器（1）和电源模块（2），所述微控制器（1）的信号输入端依次串接AD转换模块（3）、采样保持器（4）、信号调理模块（5）后与振动传感器（6）的信号输出端相连；
所述微控制器（1）通过导线还与沙克总线通信模块（7）的SPI接口相连；
所述沙克总线通信模块（7）通过导线与路由器（8）相连；
所述电源模块（2）分别向微控制器（1）、AD转换模块（3）、采样保持器（4）、信号调理模块（5）、振动传感器（6）提供电源。
所述沙克总线通信模块（7）使用的芯片为信号发送芯片U1、电缆驱动器U2、信号接收芯片U3、数据恢复器U4，所述沙克总线通信模块（7）的电路结构为：
所述信号发送芯片U1的1脚-11脚与微控制器（1）的信号输入端相连；
所述信号发送芯片U1的30脚串接电阻R17后接地；
所述信号发送芯片U1的31脚串接电阻R18后接地；
所述信号发送芯片U1的18脚串接电阻R20后接地；
所述信号发送芯片U1的23脚串接电阻R19后接地；
所述信号发送芯片U1的21脚并接电阻R22的一端，电阻R25的一端，电阻R26的一端后与电缆驱动器U2的2脚相连；
所述信号发送芯片U1的20脚并接电阻R22的一端，电阻R23的一端，电阻R24的一端后与电缆驱动器U2的3脚相连；
所述信号发送芯片U1的16脚依次并接信号发送芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、电容C46的一端，电容C47的一端，电容C48的一端后与3.3V输入电源相连，所述电容C46、C47、C48的另一端相互连接后接地；
所述电阻R23的另一端并接电阻R25的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述电阻R24的另一端并接电阻R26的另一端后接地；
所述电缆驱动器U2的4脚串接电阻R27后接地；
所述电缆驱动器U2的7脚并接电阻R29的一端后与电容C51的一端相连，所述电容C51的另一端与接线端子J5相连；
所述电缆驱动器U2的6脚并接电阻R28的一端后与电容C50的一端相连，所述电容C50的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R28与电阻R29的另一端相互连接后接地；
所述信号接收芯片U3的14脚-18脚，23脚-27脚与微控制器（1）的信号输出端相连；
所述信号接收芯片U3的4脚并接信号接收芯片U3的5脚后与电阻R47的一端相连，所述电阻R47的另一端与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的1脚、8脚、9脚、22脚、20脚分别与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的2脚并接电阻R50的一端，电阻R54的一端，电阻R53的一端后与电容C66的一端相连，所述电容C66的另一端并接电阻R55的一端后与数据恢复器U4的13脚相连；
所述信号接收芯片U3的3脚并接电阻R50的另一端，电阻R51的一端，电阻R52的一端后与电容C67的一端相连，所述电容C67的另一端并接电阻R56的一端后与数据恢复器U4的14脚相连；
所述电阻R51的另一端并接电阻R53的另一端后与3.3V输入电源相连，所述电阻R52的另一端并接电阻R54的另一端后接地，所述电阻R55的另一端并接电阻R56的另一端，二极管D4的负极后后电容C68的一端相连，所述电容C68的另一端接地；
所述数据恢复器U4的7脚串接电容C69后与数据恢复器U4的6脚相连；
所述二极管D4的正极并接数据恢复器U4的4脚、1脚、2脚、电容C70的一端，电容C72的一端后与5V输入电源相连，所述电容C70的另一端并接电容C72的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的12脚并接数据恢复器U4的5脚后与电容C71的一端相连，所述电容C71的另一端接地；
所述数据恢复器U4的8脚串接电阻R59后与电容C75的一端相连，所述电容C75的另一端并接电阻R60的一端后与电阻R62的一端相连，所述电阻R62的另一端与接线端子J5相连；
所述数据恢复器U4的9脚串接电阻R58后与电容C74的一端相连，所述电容C74的另一端并接电阻R61的一端后与电阻R63的一端相连，所述电阻R63的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R60的另一端并接电阻R61的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的3脚串接电阻R57和电容C73后接地。
所述AD转换模块（3）使用的芯片为AD转换芯片U5，所述AD转换模块（3）的电路结构为：
所述AD转换芯片U5的4脚串接电容C55后接地；
所述AD转换芯片U5的3脚并接电容C57的一端后与电阻R32的一端相连，所述电容C57的另一端接地，所述电阻R32的另一端与采样保持器（4）的信号输出端相连；
所述AD转换芯片U5的5脚接地；
所述AD转换芯片U5的2脚串接电容C58后接地；
所述AD转换芯片U5的6脚、7脚、8脚、9脚与微控制器（1）的信号输入端相连；
所述AD转换芯片U5的10脚并接电容C50的一端，电容C51的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C50的另一端并接电容C51的另一端后接地；
所述AD转换芯片U5的1脚并接电容C49的一端，电容C48的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C49的另一端并接电容C48的另一端后接地。
所述微控制器（1）使用的芯片信号为XC3S200AN-4FT256I；
所述信号发送芯片U1的型号为DS921V1023ARHBQ；
所述电缆驱动器U2的型号为CLC001；
所述信号接收芯片U3的型号为DS921V1224ARHBQ；
所述数据恢复器U4的型号为CLC014；
所述AD转换芯片U5的型号为AD7091R。
本发明提供一种用于基于沙克总线传输协议的测量振动数据的传感器，其中电源模块可以提供交直流稳压电源，为振动传感器、信号调理电路、采样保持电路、AD转换器供电；所述振动传感器内部设置的振动敏感元件接收来自被测对象的振动信号，将其转换为电信号进行输出，所述信号调理模块将该电信号放大并滤波得到一个0-5V的电压信号，再经过采样保持器送进AD转换模块中对信号进行模数转换。
本发明使用的微控制器具体为FPGA控制芯片，所述微控制器负责接收所有信号采集传输指令和控制信号，控制AD转换模块进行同步模数转换为16为数字量，同时将转换后的数据发送到微控制器的FIFO缓存器中，再从沙克总线通信模块的接口输出，从而挂接在沙克总线网络上。
本发明在使用时，可以达到以下工作指标：基于LVDS双绞线介质可以实现端对端Gbps级别的传输率，全网端对端最大传输时延小于1us，全网同步精度小于100ns，支持双链路冗余，星型网络结构，最大的16端口路由器理论上可以支持50000台终端设备，自动CRC校验，终端接口可选高速SPI接口或并行接口，以接口模块形式供货。
在本发明的数据传输网络中每增加一台路由器，最多可以增加15台终端设备接入。
本发明支持自动重构传输网络：网络对用户全透明，无需对网络设备做任何配置，路由器会自动侦查构建更新整个网络，简单易用，彻底消除不同用户间的协调成本；数据传输高速率可以达到40Mbps～1Gbps，由于采用特殊设计的网络结构，可实现端对端高速率传输，而且支持网络内多端并行传输，无限提升网络总吞吐量；本发明的数据传输具备强实时性：1us/跳，远高于现在的需求，数据传输时间可控，采用与数据包等宽度的72位并行处理内核，可以实现对数据包单时钟转发，同时从物理层支持命令包的高优先级，满足强实时控制应用需求；网络系统采用双冗余链路，可以针对特殊应用将部分或全部端口配置为双冗余链路，有效提高链路连接的可靠性，也可以对网络传输负载进行平衡优化；本发明可根据项目特性选用LVDS、光纤、双绞线等作为传输介质，甚至可以混合使用，适应性极强，满足电子系统的局部改造需求；在测试阶段，可以从任何一个终端接口接入测试端口，可实现与全网所有终端通讯，快速完成全部设备的检测，彻底改变现有测试模式和效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，其特征在于：包括微控制器（1）和电源模块（2），所述微控制器（1）的信号输入端依次串接AD转换模块（3）、采样保持器（4）、信号调理模块（5）后与振动传感器（6）的信号输出端相连；
所述微控制器（1）通过导线还与沙克总线通信模块（7）的SPI接口相连；
所述沙克总线通信模块（7）通过导线与路由器（8）相连；
所述电源模块（2）分别向微控制器（1）、AD转换模块（3）、采样保持器（4）、信号调理模块（5）、振动传感器（6）提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，其特征在于：所述沙克总线通信模块（7）使用的芯片为信号发送芯片U1、电缆驱动器U2、信号接收芯片U3、数据恢复器U4，所述沙克总线通信模块（7）的电路结构为：
所述信号发送芯片U1的1脚-11脚与微控制器（1）的信号输入端相连；
所述信号发送芯片U1的30脚串接电阻R17后接地；
所述信号发送芯片U1的31脚串接电阻R18后接地；
所述信号发送芯片U1的18脚串接电阻R20后接地；
所述信号发送芯片U1的23脚串接电阻R19后接地；
所述信号发送芯片U1的21脚并接电阻R22的一端，电阻R25的一端，电阻R26的一端后与电缆驱动器U2的2脚相连；
所述信号发送芯片U1的20脚并接电阻R22的一端，电阻R23的一端，电阻R24的一端后与电缆驱动器U2的3脚相连；
所述信号发送芯片U1的16脚依次并接信号发送芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、电容C46的一端，电容C47的一端，电容C48的一端后与3.3V输入电源相连，所述电容C46、C47、C48的另一端相互连接后接地；
所述电阻R23的另一端并接电阻R25的另一端后与3.3V输入电源相连；
所述电阻R24的另一端并接电阻R26的另一端后接地；
所述电缆驱动器U2的4脚串接电阻R27后接地；
所述电缆驱动器U2的7脚并接电阻R29的一端后与电容C51的一端相连，所述电容C51的另一端与接线端子J5相连；
所述电缆驱动器U2的6脚并接电阻R28的一端后与电容C50的一端相连，所述电容C50的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R28与电阻R29的另一端相互连接后接地；
所述信号接收芯片U3的14脚-18脚，23脚-27脚与微控制器（1）的信号输出端相连；
所述信号接收芯片U3的4脚并接信号接收芯片U3的5脚后与电阻R47的一端相连，所述电阻R47的另一端与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的1脚、8脚、9脚、22脚、20脚分别与3.3V输入电源相连；
所述信号接收芯片U3的2脚并接电阻R50的一端，电阻R54的一端，电阻R53的一端后与电容C66的一端相连，所述电容C66的另一端并接电阻R55的一端后与数据恢复器U4的13脚相连；
所述信号接收芯片U3的3脚并接电阻R50的另一端，电阻R51的一端，电阻R52的一端后与电容C67的一端相连，所述电容C67的另一端并接电阻R56的一端后与数据恢复器U4的14脚相连；
所述电阻R51的另一端并接电阻R53的另一端后与3.3V输入电源相连，所述电阻R52的另一端并接电阻R54的另一端后接地，所述电阻R55的另一端并接电阻R56的另一端，二极管D4的负极后后电容C68的一端相连，所述电容C68的另一端接地；
所述数据恢复器U4的7脚串接电容C69后与数据恢复器U4的6脚相连；
所述二极管D4的正极并接数据恢复器U4的4脚、1脚、2脚、电容C70的一端，电容C72的一端后与5V输入电源相连，所述电容C70的另一端并接电容C72的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的12脚并接数据恢复器U4的5脚后与电容C71的一端相连，所述电容C71的另一端接地；
所述数据恢复器U4的8脚串接电阻R59后与电容C75的一端相连，所述电容C75的另一端并接电阻R60的一端后与电阻R62的一端相连，所述电阻R62的另一端与接线端子J5相连；
所述数据恢复器U4的9脚串接电阻R58后与电容C74的一端相连，所述电容C74的另一端并接电阻R61的一端后与电阻R63的一端相连，所述电阻R63的另一端与接线端子J5相连；
所述电阻R60的另一端并接电阻R61的另一端后接地；
所述数据恢复器U4的3脚串接电阻R57和电容C73后接地。
3.根据权利要求2所述的一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，其特征在于：所述AD转换模块（3）使用的芯片为AD转换芯片U5，所述AD转换模块（3）的电路结构为：
所述AD转换芯片U5的4脚串接电容C55后接地；
所述AD转换芯片U5的3脚并接电容C57的一端后与电阻R32的一端相连，所述电容C57的另一端接地，所述电阻R32的另一端与采样保持器（4）的信号输出端相连；
所述AD转换芯片U5的5脚接地；
所述AD转换芯片U5的2脚串接电容C58后接地；
所述AD转换芯片U5的6脚、7脚、8脚、9脚与微控制器（1）的信号输入端相连；
所述AD转换芯片U5的10脚并接电容C50的一端，电容C51的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C50的另一端并接电容C51的另一端后接地；
所述AD转换芯片U5的1脚并接电容C49的一端，电容C48的一端后与3.3V电源输入端相连，所述电容C49的另一端并接电容C48的另一端后接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于沙克总线传输协议的数字振动传感器，其特征在于：所述微控制器（1）使用的芯片信号为XC3S200AN-4FT256I；
所述信号发送芯片U1的型号为DS921V1023ARHBQ；
所述电缆驱动器U2的型号为CLC001；
所述信号接收芯片U3的型号为DS921V1224ARHBQ；
所述数据恢复器U4的型号为CLC014；
所述AD转换芯片U5的型号为AD7091R。
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