CN111596599A - 一种嵌入式信息融合设备 - Google Patents

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顾进
诸雪征
王丁
法锋
王飞
张赫
徐毅
毕李坤
王琳
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Abstract

本发明提出一种嵌入式信息融合设备，包括：外壳、系统电路板、电路接口；前面板包括状况指示灯、网口和USB接口；状况指示灯用于显示电源状态、故障指示及预警信息状态；网口用于连接便携式处理终端，在线实时监测装备工作参数和状态信息；USB接口用于导出存储的各类装备数据信息；后面板包括多个电路接口：电源输入接口、电源输出接口、通讯接口、信号输入接口、保险丝和电源开关；系统电路板上包括多个电路模块，包括：装备数据外部输入接口，底板电路、信号调理卡、数据采集卡、总线通讯集成卡、预留槽位和嵌入式处理器控制单元，存储控制器、数据存储器，各电路模块之间通过总线建立连接。

Description

一种嵌入式信息融合设备
技术领域
本发明属于传感测量领域，具体涉及一种嵌入式信息融合设备。
背景技术
近年来，以美军和西方主要国家军队主导的几场信息化战争表明，各参战国军事装备功能越来越完善，自动化、智能化程度越来越高，在一定程度上成为决定战争胜负的关键因素，随之而来的是系统结构日趋复杂，某一部组件发生故障，往往导致整个系统瘫痪，造成巨大人员财产损失，这对装备使用保障、维修及管理能力提出了更高要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种嵌入式信息融合设备，可实现对于装备在现有条件下，无法获取所需部组件信息参数的情况，在所需部位加装相应类型传感器，实时获取该部组件运行时的状态数据；可通过装备控制系统获取工作信息、自检信息、状态信息和故障信息的情况，可直接接入系统数据总线，实现状态参数的实时监测功能；实现装备状态参数信息的数据采集、转换、分析和分类存储等功能。
本发明的技术方案为：一种嵌入式信息融合设备，包括：外壳、系统电路板、电路接口；外壳四个固定角各设置有一个减震脚垫，所述外壳包括前面板、后面板，在外壳后面板上设置有所述电路接口；所述系统电路板安装在外壳内；
前面板包括状况指示灯、网口和USB接口；状况指示灯用于显示电源状态、故障指示及预警信息状态；网口用于连接便携式处理终端，在线实时监测装备工作参数和状态信息；USB接口用于导出存储的各类装备数据信息；
后面板包括多个电路接口：电源输入接口、电源输出接口、通讯接口、信号输入接口、保险丝和电源开关；
系统电路板上包括多个电路模块，包括：装备数据外部输入接口，底板电路、信号调理卡、数据采集卡、总线通讯集成卡、预留槽位和嵌入式处理器控制单元，存储控制器、数据存储器，各电路模块之间通过总线建立连接。
进一步的，外壳为铝合金一体化外壳。
进一步的，电源输入接口用于连接外部电源，为数据终端提供24V直流电源；预留了一个电源输出接口，用于输出直流电压，用于给加装的传感器供电。
进一步的，通讯接口包括RS232、RS485、CAN总线接口，用于和装备控制总线连接；信号输入接口和加装传感器或预留检测口连接，用于信号检测；保险丝用于保护内部电路，电源开关用于打开或切断数据终端外部电源。
进一步的，数据采集卡和嵌入式处理器控制单元通过SPI总线连接；总线通讯集成卡与处理器控制单元之间通过底板通讯总线连接，将总线通讯集成卡集成于MCU板上；预留的槽位与嵌入式处理器控制单元之间通过底板I2C总线连接；嵌入式处理器控制单元底板建立连接。
进一步的，所述信号调理卡包括：模拟信号调理单元，用于接收模拟信号，并对信号进行滤波；数字IO隔离单元，用于接收数字信号，并对数字信号进行隔离和限流；电压电平隔离单元，用于接收直流信号，并对直流信号进行带离、转换和放大处理。
进一步的，所述数据采集卡包括：ADC芯片，用于采集多通道数据；SPI总线系统，用于和嵌入式控制单元相连。
进一步的，所述总线通讯集成卡包括：RS232接口，用于接收RS232接口数据；RS484接口，用于接收RS485接口数据；CAN总线接口，用于接收CAN总线数据；功能板，用于将RS232接口、RS485接口和CAN总线接口集成。
进一步的，所述嵌入式处理器控制单元采用iMX6Quad处理器。
进一步的，所述的存储控制器、数据存储器包括RAM存储器和Flash存储器。
有益效果：
本发明提出的一种装备嵌入式信息融合设备硬件，综合分析防化装备信息资源需求，将信息融合技术与装备有机结合，运用多传感信息融合、嵌入式、实时状态监控、逻辑分析等多种技术，将形成完善的装备基础信息获取体系，解决装备信息获取、挖掘、甄别和融合的难题。
附图说明
图1装备嵌入式信息融合设备内部结构图；
图2模拟信号输入调理电路；
图3输入输出信号隔离电路；
图4电压隔离模块电路；
图5数据采集原理；
图6iMX6Quad硬件资源；
图7CAN总线接口电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种嵌入式信息融合设备，可实现对于装备在现有条件下，无法获取所需部组件信息参数的情况，在所需部位加装相应类型传感器，实时获取该部组件运行时的状态数据；
装备控制系统获取工作信息、自检信息、状态信息和故障信息的情况，可直接接入设备中的系统数据总线，实现状态参数的实时监测功能；实现装备状态参数信息的数据采集、转换、分析和分类存储等功能。
所述嵌入式信息融合设备包括外壳、系统电路板、电路接口；
所述嵌入式信息融合设备包括铝合金一体化外壳，具有抗冲击振动能力。外壳的金属材料采用防锈、耐腐蚀的材料和进行镀涂处理。外壳四个固定角各有一个减震脚垫，可有效提高减震强度。
所述外壳包括前面板、后面板，在外壳后面板上设置有所述电路接口；
前面板包括状况指示灯、网口和USB接口。状况指示灯用于显示电源状态、故障指示及预警等信息状态；网口用于连接便携式处理终端，在线实时监测防化装备工作参数和状态信息；USB接口用于导出存储的各类装备数据信息。
后面板上的电路接口包括电源输入输出接口、通讯接口、信号输入接口、保险和电源开关。电源输入接口用于连接外部电源，为数据终端提供24V直流电源；预留了一个电源输出接口，可输出直流电压，用于给加装的传感器供电；通讯接口包括RS232、RS485、CAN总线接口，用于和装备控制总线连接；信号输入接口可以和加装传感器或预留检测口连接，用于信号检测；保险用于保护内部电路，当出现短路、断路、欠压或者过压等现象时可方便更换；电源开关可打开或切断数据终端外部电源。
设备外壳内的系统电路板如图1所示。
系统电路板上包括多个电路模块，包括：装备数据外部输入接口，底板电路、信号调理卡、数据采集卡、总线通讯集成卡、预留槽位和嵌入式处理器控制单元，存储控制器、数据存储器，各模块之间通过总线建立连接，此架构可提高数据终端的功能扩展、维修维护和故障诊断能力。数据采集卡和嵌入式处理器控制单元通过SPI总线连接；总线通讯卡与处理器模块之间通过底板通讯总线连接，将总线通讯卡集成于MCU板上；预留的槽位与嵌入式处理器控制单元之间通过底板I2C总线连接；嵌入式处理器控制单元根据自身的资源定义与底板建立连接；各功能模块可通过两边加固架从上往下插入和固定。
其中，信号调理卡用于实现信号调理功能，数据采集卡用于实现数据采集功能，存储控制器和数据存储器用于实现信息存储功能由；总线通讯集成卡用于实现总线通讯功能。具体如下：
(一)信号调理卡
所述数据调理卡设计成一块功能板，主要包括对模拟信号调理电路、和数字IO信号的隔离电路、电压电平隔离单元，具体包括8路数字IO信号隔离调理电路、4路电压信号隔离调理电路、4路流量信号隔离调理电路、4路温度信号隔离调理电路、4路压力信号隔离调理电路和4路电流信号隔离调理电路。输入信号首先经过信号隔离电路进行物理隔离，再经过调理电路将信号处理到采集模块接受范围内的模拟和数字信号，该模块通过串口总线连接到底板。
(1)模拟信号调理单元
模拟信号调理单元主要包括20路输入端电压信号调理电路，外部输入的模拟信号先要经过高精度的电阻进行分压处理，4路流量信号和4路温度信号输入电压范围为0～5V，4路压力信号输入电压范围为0～10V，4路电压信号输入电压范围为0～36V，通过模拟信号调理单元调理成0～2V的输入信号；4路电流信号输入电压范围为2.5±1V，通过模拟信号调理电路调理成1.25±0.5V的输入信号，再送到ADC完成数据采样。
由于输入信号在测试电缆传输过程中会引入一些高频噪声，这些噪声信号可能会引起测试信号的误判，严重时还可能影响整个信号调理电路的工作。因此，输入信号调理电路如图2所示，模拟信号调理电路采用低通滤波电路，可有效抑制高频干扰信号，所述低通滤波电路包括分压电阻、反馈电阻、运放、滤波电容；根据测试信号的频率选取滤波电容值(3，6)，通过调整反馈电阻(2，5)调整电路的放大增益。分压电阻1采用0.1％高精度薄膜电阻，运放4选用精密JEFT型运放AD8512，失调电压温漂为1μV/℃、低输入偏置电流(25pA)、低输入电压电流噪声(8nV/√Hz)、低失真度(0.0005％)、低噪声(0.0005％/1KHz)等特性，满足高精度的测试要求。被测量输入信号经过模拟调理电路及线路优化设计调理后，精度可以达到0.15％。
(2)数字IO隔离单元
数字IO隔离电路原理如图3所示。共设计有8路数字IO信号，采用高速光耦隔离器7(6N137)进行隔离，6N137的隔离电压最大可达5000V，开关速度达到了10MHz，将输入信号转换为TTL电平信号。不仅保护了采集模块的数字IO接口，也增强了数字IO信号的驱动能力，每路光电耦合器的输入端串入了一个500Ω的限流电阻8进行限流。
(3)电压电平隔离单元
该单元电路设计如图4所示，主要实现对直流信号的隔离、转换及放大处理，实现对模拟信号地线干扰抑制及数据隔离、采集。
隔离器采用ISO124精密隔离放大器9，连续隔离电压有效值达到1500V，电压输入范围达到100V，非线性特性最大为0.01％FSR，增益误差为0.05％/FSR，信号带宽50kHz，失调电压温漂为200μV/℃，温度系数为±10ppm/℃，工作温度范围-25℃～+85℃，存储温度范围-40℃～+85℃，且外围电路简单，使用方便。被测量信号经过电压电平隔离电路及线路优化设计调理后，精度可以达到0.1％。
电压电平隔离电路采用磁电隔离的混合电路，输入信号经过低通滤波器10滤波后进入模拟信号隔离放大器。该模块使用非常方便，不需要零点和增益调节。
(二)数据采集卡
数据采集卡主要实现将调理后的模拟信号转换成嵌入式处理器能够处理的数字信号，并将数字信号通过底板的USB通讯传送到嵌入式处理器控制单元进行处理。
为了满足采样精度和测试需求，采用高精度16位Σ-△型ADC采集芯片AD7709(11)，单片具有4个输入通道，可配置2个全差分输入通道，功耗3.84mW，具有SPI通讯接口，其有效读数为6个编码值。基准电压芯片采用ADR381，最大输出电压精度2.5V±0.06mV。ADC的单个编码值(分辨率)能够达到0.04mV，所以最低有效采集值达到了0.24mV，对于被采集的模拟电压信号，精度可达到0.01％。数据采集原理如图5所示。
ADC采集芯片AD7709(11)转换成数字信号后与SPI总线系统相连(12)，把数字信号转换为数据流，然后与MCU处理器芯片13相连。
(三)嵌入式处理器控制单元
嵌入式处理器选用飞思卡尔的iMX6Quad处理器13，i.MX6系列应用处理器是功能和性能可扩展的多核平台，包含基于ARM Cortex架构的单核、双核和四核系列产品，架构包括Cortex-A9内核、Cortex-A9+Cortex-M4内核组合以及基于Cortex-A7的解决方案，工作频率可达1.2GHz。
iMX6Quad处理器具备处理性能强劲的硬件配置和丰富的应用接口：
四核1.2GHz处理器；
1GB容量的DDR2内存；
2路LVDS显示接口；
1路I2C通讯口；
2路RS232串口；
1路SD卡槽；
2路CAN通讯口；
2路USB通讯口；
1路网络通讯口；
8GB容量Flash；
1路PCIe接口；
多路GPIO接口等。
iMX6Quad处理器的工作温度范围可达：-25℃～45℃，存放温度：-40℃～80℃,可满足工业和军品的环境适应性要求，其硬件资源如图6所示。
(四)信息存储模块
存储模块包括两部分，一部分是RAM存储器，主要保存嵌入式处理器运行的数据，负责和Flash外部存储器交换数据，可以随时读写，且速度很快，断电后数据丢失；一部分是Flash存储器，只能读出事先所存的数据，其特点是一旦存储资料后就无法更改，速度较慢，断电后数据不会丢失。
RAM存储器采用DDR2，DDR2拥有两倍于一代DDR内存预读取能力，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。采用美光的DDR2芯片MT47H128M16作为内存，每片MT47H128M16的容量为2GB，采用4片MT47H128M16可达8GB的内容容量。
Nand型FLASH以其读写速度快、存储密度大、可擦除、非易失以及命令、地址、数据线复用和接口便利等特点，被得到广泛应用。K9FAG08具有2GB容量，采用4片K9FAG08，其存储容量可达8GB。K9FAG08有8路I/O地址复用功能，该方案大大减少了引脚数并且允许系统升级到未来的密度还能保持一致性的系统模板设计。此外，K9FAG08可以被K9FBG08、K9FCG08替代，K9FBG08具有4GB存储容量，K9FCG08具有8GB容量，可以根据需要，更换存储容量，方便系统升级。
(五)总线通讯集成卡
总线通讯模块将RS232、RS485、CAN总线通讯功能集成到一块功能板上，通过底板的专用数据通讯总线连接到嵌入式处理器模块。在设计上将RS232、RS485、CAN功能模块化，可以根据需要灵活增加和裁剪。
嵌入式处理模块有多路RS232通讯接口，采用MAX232控制器将TTL接口转换成RS232标准接口，方便与外设连接。采用MAX485控制器将RS232接口转换成RS485接口；
为了满足CAN总线测试需求，设计了2路CAN总线通讯接口电路17，支持两个端口独立操作CAN网络或桥接。CAN控制器14采用SJA1000，提供总线仲裁和错误检测功能，并能够在检测到错误时自动更正并重新发送，支持CAN2.0B协议。
CAN收发器器16采用PCA82C250芯片，满足高速通讯(1Mbps)应用的设计要求。且具有抗汽车环境中的瞬间干扰，具备保护总线能力，其斜率控制可降低射频干扰(RFI)。作为差分接收器，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰(EMI)。对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，符合“ISO11898”标准。
为了进一步增强CAN总线节点的抗干扰能力，CAN控制器(14)和CAN收发器器(16)之间用隔离器(15)连接。提高了节点的稳定性和安全性。CAN总线接口电路如图7所示。
设备的电路接口为航插接口，根据信号种类和用途分为4个航插，包括电源输入航插、通讯接口航插、信号输入航插和电源输出航插。
电源输入航插用于连接外部供电电源，只有正负两个信号，采用两芯航插，型号为JY27513E08F98PN，单芯额定电流7.5A。
通讯接口航插用于总线通讯，包含RS232、RS485、CAN总线，一共有11个信号，采用13芯航插，型号为JY27513E10F35PN。
信号输入航插用于电流、电压、温度、压力、流量、数字IO等信号的检测连接，一共有30个信号，采用37芯航插，型号为JY27513E14F35PN。
电源输出航插用于给传感器供电，采用10芯航插，型号为JY27513E12F98PN。航插定义见下表。
表1设备主机航插接口定义表
Figure BDA0002572712210000071
Figure BDA0002572712210000081
Figure BDA0002572712210000091
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种嵌入式信息融合设备，其特征在于，包括：外壳、系统电路板、电路接口；外壳四个固定角各设置有一个减震脚垫，所述外壳包括前面板、后面板，在外壳后面板上设置有所述电路接口；所述系统电路板安装在外壳内；
前面板包括状况指示灯、网口和USB接口；状况指示灯用于显示电源状态、故障指示及预警信息状态；网口用于连接便携式处理终端，在线实时监测装备工作参数和状态信息；USB接口用于导出存储的各类装备数据信息；
后面板包括多个电路接口：电源输入接口、电源输出接口、通讯接口、信号输入接口、保险丝和电源开关；
系统电路板上包括多个电路模块，包括：装备数据外部输入接口，底板电路、信号调理卡、数据采集卡、总线通讯集成卡、预留槽位和嵌入式处理器控制单元，存储控制器、数据存储器，各电路模块之间通过总线建立连接。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：外壳为铝合金一体化外壳。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
电源输入接口用于连接外部电源，为数据终端提供24V直流电源；预留了一个电源输出接口，用于输出直流电压，用于给加装的传感器供电。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
通讯接口包括RS232、RS485、CAN总线接口，用于和装备控制总线连接；信号输入接口和加装传感器或预留检测口连接，用于信号检测；保险丝用于保护内部电路，电源开关用于打开或切断数据终端外部电源。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
数据采集卡和嵌入式处理器控制单元通过SPI总线连接；总线通讯集成卡与处理器控制单元之间通过底板通讯总线连接，将总线通讯集成卡集成于MCU板上；预留的槽位与嵌入式处理器控制单元之间通过底板I2C总线连接；嵌入式处理器控制单元底板建立连接。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
所述信号调理卡包括：模拟信号调理单元，用于接收模拟信号，并对信号进行滤波；数字IO隔离单元，用于接收数字信号，并对数字信号进行隔离和限流；电压电平隔离单元，用于接收直流信号，并对直流信号进行带离、转换和放大处理。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
所述数据采集卡包括：ADC芯片，用于采集多通道数据；SPI总线系统，用于和嵌入式控制单元相连。
8.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
所述总线通讯集成卡包括：RS232接口，用于接收RS232接口数据；RS484接口，用于接收RS485接口数据；CAN总线接口，用于接收CAN总线数据；功能板，用于将RS232接口、RS485接口和CAN总线接口集成。
9.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
所述嵌入式处理器控制单元采用iMX6Quad处理器。
10.根据权利要求1所述的一种嵌入式信息融合设备，其特征在于：
所述的存储控制器、数据存储器包括RAM存储器和Flash存储器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113977043A (zh) * 2021-10-13 2022-01-28 华南理工大学 一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置
CN114460876A (zh) * 2022-01-20 2022-05-10 北京大华无线电仪器有限责任公司 一种面向仪器仪表产品的一种嵌入式控制装置
CN115695573A (zh) * 2022-11-03 2023-02-03 单莉 一种多载体数据资源转换设备

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