CN1138223C - 自启动型数据采集器 - Google Patents

Abstract

自启动型数据采集器是一种计算机应用于公共安全技术防范与数据、图像采集前端设备。该装置由数据采集器、采集控制器、选路器、微机接口电路、数据存储器、电子盘存储器、总线缓冲器所组成，选路器的输入端与采集控制器、微机接口电路相接，选路器的输出端与数据存储器相接，数据采集器的数据总线与数据存储器、总线缓冲器相接、电子盘存储器的输入端接微机接口电路，其数据线与总线缓冲器及PC相接。

Description

自启动型数据采集器

本发明是一种计算机应用于公共安全技术防范与数据、图像采集前端设备，属于计算机附属设备的技术领域。

为了提高数据采集系统的自动化和智能化程度，人们设法利用各种微处理器来构成所谓的嵌入式系统。早期，由于器件的集成度不够高，需要“嵌入”的不仅是CPU本身，还要包括必要的程序存储器(如EPROM)、数据存储器(RAM)、输入/输出(I/O)接口及其它外围电路芯片，有时甚至还要加上必要的键盘和数码显示。因此，这样的系统大致可称为以单板计算机为核心的嵌入式系统。一般的程序存储器中都存有微软的操作系统ROM-BIOS+Windows3.1。

随着微电子工艺的发展，“单板机”被集成为“单片”，还出现了数值计算能力很强的数字信号处理器(DPS)，促进了以单片计算机为核心的嵌入式系统的发展。嵌入单片机的系统结构紧凑，体积小巧，硬件成本也可以低廉，而且不同的功能可通过软件编程来实现。但是，这些可编程单片机(包括DSP)在体系结构上风格各异，指令系统也截然不同。不要说不同厂家的产品不能通用，就连同一个厂家的新产品也经常不能向下兼容自己的老产品，因此，每一型号的产品常常要配备专门的开发和调试工具，设备投入量大；而且由于采用专门的汇编语言，熟悉过程长，一旦需要更换型号，硬件电路和软件程序都得重新修改和移植。这就使得单片机嵌入式系统的开发投入大，周期长，而且兼容性和通用性极差。

由于批量化大生产的推动，在智能化系统的成本结构中，硬件所占的比重越来越低，而软件的比重则越来越高，甚至远远超过了硬件，因此，直接以台式机作为数据采集和控制系统核心的产品应运而生。早期采用一些专门的总线(如STD、VMX等)，后来也有直接将通用个人计算机(PC)加固构成工业控制计算机以适应恶劣环境下的应用，但价格昂贵。

为了进一步降低成本，缩小体积，提高可靠性，市场上又出现了商品化的电子盘，将其插入PC的插槽，并把操作系统和应用程序固化在盘上，即可脱离PC的硬盘、软盘系统而单独运行，如果连显示器和键盘、鼠标等都不要的话，插入相应的数据采集卡，即构成了一种″PC嵌入式”的数据采集系统。

目前市场上通常的PC嵌入式数据采集系统中电子盘卡和数据采集卡是分离的，这样就占用了两个ISA总线插槽。由于一般希望嵌入式系统体积越小越好，多一个插槽就使体积明显增加，而且结构不够紧凑，可靠性受到影响，价格也不是最便宜。因此市场上非常需要一种将普通电子盘卡和普通数据采集卡合二为一的专用数据采集卡，以便更好地适应嵌入式系统的需要。

根据前面所述，现有技术主要存在以下主要问题：

1.利用各种微处理器CPU和存储器来直接构成的嵌入式系统开发投入大，周期长，而且兼容性和通用性极差。

2.现有的PC嵌入式系统除了微机主板外，至少还需要一块电子盘插卡和一块数据采集卡，占用了两个总线插槽，结构不够紧凑，可靠性受到影响，价格也比较贵。

本发明的目的是提供一种将电子盘和数据采集卡合二为一的具有数据采集接口的可在任何PC平台上运行的自启动型数据采集器。

本发明的自启动型数据采集器由数据采集器、采集控制器、选路器、微机接口电路、数据存储器、电子盘存储器、总线缓冲器所组成，数据采集器的数据线分别与数据存储器和总线缓冲器的数据线相接，数据采集器的控制线与采集控制器的控制线相接，选路器的地址线和控制线的输出端与采集控制器和微机接口电路的地址线及控制线的输出端相接，选路器的地址线和控制线的输出端接数据存储器的输入端，微机接口电路的地址线和控制线输出端还与电子盘存储器的输入端相接，微机接口电路、电子盘存储器、总线缓冲器的数据线与PC的总线相接。其工作原理为：

电子盘存储器中的内容分为两块，即扩展BIOS部分和虚拟盘部分。扩展BIOS部分固化了电子盘启动代码，长度一般在8KB以内。虚拟盘部分固化了操作系统和用户程序，可以达到几MB。在运行扩展BIOS中的启动代码后，虚拟盘就被映射成一个逻辑驱动器，应用程序可以象操作软、硬盘一样操作虚拟盘。扩展BIOS通过微机接口电路中的硬件译码逻辑定位在C8000H～CFFFFH中；虚拟盘也通过微机接口电路中的硬件译码逻辑定位在D0000H～EFFFFH中。对于扩展BIOS，微机可用内存读写命令直接访问。对于虚拟盘，由于它所占的存储器很大，必须用微机接口电路中的内存分页电路将电子盘存储器分成若干个64KB(或更小)的页，每页都有不同的页码，所有的页都映射到微机的D0000H～EFFFFH中相应大小的一块内存中。微机在访问虚拟盘时，必须先向指定端口发一个页码，选中电子盘存储器中的一页。然后就可以访问这块存储器。

微机上电后在加载操作系统前，必须检查D0000H～EFFFFH中的内容。如果发现有扩展BIOS代码，就执行该代码。这样电子盘就代替了原来的启动盘(一般是A盘驱动器)。然后微机从启动盘(此时已是电子盘)中加载操作系统，操作系统再从电子盘中加载用户程序。

用户程序需要完成数据采集任务。采集时，首先由微机经微机接口电路向采集控制器、发出采集命令，采集控制器收到后，产生数据采集器所需的名种控制信号，此时选路器选择采集控制器产生的控制和地址信号，也就是数据存储器由采集控制器控制，在采集控制器的控制下，数据采集器将模拟信号处理后变成数字信号，送入数据存储器：当采集完需要的数据后，采集控制器停止工作，然后微机接口电路以中断、查询或DMA方式通知微机，选路器选择微机接口电路产生的控制信号和微机地址总线。这时微机可以从数据存储器中读出数据。

数据存储器一般由微机接口电路中的硬件译码逻辑定位在D0000H～EFFFFH中，用户程序可以用内存指令读写。前面提到虚拟盘也用到了这一块内存。它们可以各自占据不同的内存；也可以分时占用相同的内存。

用户程序还可以通过RS232C串行口与外界通信，将采集的数据压缩后传送到其它微机上，外界微机可以通过同样的方式遥控数据采集器装置。目前许多微机主板上都直接带有串行口，因此硬件无需任何改动。当然根据需要，也可以通过并行口、调制解调器、网卡等部件与外界通信。

本发明的优点在于：

该自启动型数据采集器克服了单片机嵌入式系统兼容性差，开发环境简陋等问题，能够直接利用现成的PC硬件和软件“组装”自己的产品，投资省，上手快；而且产品具有通用可编程的特点，特别是通用高级语言可编程(如C++)的特点，能够快速适应市场变化，满足应用的不同需求。而且在台式机编程环境下开发的应用软件，无需任何改动即可固化在自启动型数据采集卡上使用，从而避免了重复开发，缩短了开发周期。不仅如此，利用通用主板的可扩展性，附加其它插卡，可以进一步完善数据采集系统的功能。

本发明在保留了上述PC嵌入式系统全部优点的基础上，第一次打破了“电子盘”和“数据采集卡”的界限，将二者合为一体，分时共享了同一个PC插槽，结构更加紧凑，成本也更加低廉，使得整个PC嵌入式数据采集的最小系统仅需一个“双板机”——一块通用主板，再加上一块本发明所提供的自启动型数据采集卡即可，省略了计算机硬盘、软盘、显示器和键盘、鼠标等大多数外设。

图1是本发明的总体结构框图。其中包括数据采集器1、采集控制器2、选路器3、微机接口电路4、数据存储器5、电子盘存储器6、总线缓冲器7、微型计算机8。

图2是数据采集器的电路结构框图。其中包括四路预处理器1-1、四路同步分离器1-2、四选一开关1-3、模数变换器1-4。

图3是数据采集器1的电原理图。

图4是采集控制器2选路器3微机机接口电路4的电原理图。

图5是总线缓冲器7的电路原理图。

图6是电子盘存储器6，数据存储器5的电路原理图。

本发明的实施方案如下：

本发明的自启动型数据采集器包括一个将输入模拟信号(一路或多路)进行预处理并数字化的数据采集器1、一个控制数据采集的采集控制器2、一个选择存储器地址总线的二选一选路器3、一个微机接口电路4、一个存储采集好的数据的数据存储器5、一个电子盘存储器6、一个数据总线缓冲器7七个部分构成。

数据采集器1的模拟输入端(一路或多路)接输入的模拟信号，它的输出数据线接数据存储器5的数据线，它的控制信号端接采集控制器2；二选一选路器3从采集控制器2产生的控制、地址信号与微机接口电路4产生的控制信号及微机地址总线中选择一组接数据存储器5的控制线及地址线；数据存储器5的数据线通过总线缓冲器7接微机数据总线；电子盘存储器6数据线接微机数据总线，它的地址线直接接微机地址总线；微机通过微机接口电路4控制数据采集器1工作，以及对数据存储器5和电子盘存储器6的读写。

数据采集器1根据不同类型的输入模拟信号有不同的实现方法，我们以最为复杂的多路视频采集为例。它的数据采集器1可以细化如附图2。数据采集器1由四路预处理器1-1和四路同步分离器1-2以及四选一开关1-3、模数变换器1-4所组成，四路预处理器的输出端接四选一开关的输入端，四选一开关的输出端接模数变换器的输入端，模数变换器的输出端为数据采集器的数据输出端。四路视频信号经四路预处理器1-1放大之后，由四选一开关1-3选择其中一路送入模数变换器1-4，四路同步分离器1-2从视频信号中分离出同步信号送到采集控制器2，采集控制器2根据同步信号控制模数变换器1-4将模拟信号转换为数字信号。

在电路结构方面：

预处理包含四个相同的预处理电路，以第一个预处理电路为例，它包括电容CP101-102、电阻RP101-104、运算放大器U101等。视频信号四选一开关1-3包括U201及其外围电路。四路预处理的输出即运算放大器的输出端分别与视频四选一开关1-3的四个输入端相连。模数变换器1-4由U301及其外围电路构成。视频信号四选一开关1-3的输出端通过电容CP201与模数变换器1-4的输入端即U301的“VIN”端相连。同步分离也是由四个相同的同步分离构成。同步分离(1-4)主要有电容CP401-403、电阻RP401-403及集成电路U401构成，其输出端CSN0、VSN0、O/E0分别与U502的I/O46、I/O42、I/O46、相连。对应的四路同步分离的输出端分别与U502的I/O41、I/O39、I/O44、I/O38、I/O40、I/O4、I/O37、I/O34、I/O36相连，采集控制器2是由U501、U502两片可编程逻辑器件构成。选路器3也集成在U501和U502两片可编程逻辑器件中。数据存储器5包括U701(低8位片)和U702(高8位片)两片SRAM，而电子盘存储器6是由U601-608八片EPROM构成。选路器3的输入端分别接微机的地址总线SA1-SA15以及采集控制器中的数据存储器地址发生器的输出。选路器的输出端即U501的I/O52-I/O63和U502的I/O57、I/O58、I/O54分别与与数据存储器5的地址线即U701和U702的AO-A14和电子盘存储器6的U601-U608的地址线A1-A15相连。微机接口电路4也集成在U501和U502两片可编程逻辑器件中，它包括段地址及IO口地址的译码电路和命令字译码电路，它的输入端即U501的、U502的分别接微机的A1-A19、D3-D7及IOW、IOR、MEMR等，它可以根据IO口地址接收命令字，可根据段地址及命令字将数据存储器或电子盘存储器映射到相同的内存中，还可根据命令字选择电子盘存储器中合适的页面。它的输出端即U501的I/O0-I/O6、I/O8和U502的I/O49-I/O53分别连到数据存储器输出使能端即U701和U702的“OE”端，电子盘存储器的高位地址线、片选端和输出使能端即U601-U608的A16-A18、CE和OE端。总线缓冲器7是由U801-U803三片数据缓冲器构成。低位数据存储器U701及电子盘存储器U601-U608的数据端D7-D0通过数据缓冲器U401与微机数据总线的低8位相连，高于帧存U702的数据端D7-D0通过数据缓冲器U803与微机数据总线的高8位相连，而数据缓冲器U402位于低位帧存和高位帧存的数据端之间，起到接通和关断帧存的低8位和高8位数据端的作用。

在本发明中我们采用以下具体的集成芯片来实现上述电路。

U101-U104                   OP37

U201                        ADG201

U301                        CA3318

U401-U404                   LM1881

U501、U502                  ispLSI1032

601-U608                    27C040

U701|U702                   AT38H256

U801-U803                74LS245

根据以上所述，将所有器件组装在一块线路板上就可构成本发明的自启动型数据采集器。

Claims (2)

1、一种自启动型数据采集器，由电子盘部分和数据采集部分所组成，其特征在于；该装置由数据采集器(1)、采集控制器(2)、选路器(3)、微机接口电路(4)、数据存储器(5)、电子盘存储器(6)、总线缓冲器(7)所组成，数据采集器(1)的数据线分别与数据存储器(5)和总线缓冲器(7)的数据线相接，数据采集器(1)的控制线与采集控制器(2)的控制线相接，选路器(3)的地址线和控制线的输出端与采集控制器(2)和微机接口电路(4)的地址线及控制线的输出端相接，选路器(2)的地址线和控制线的输出端接数据存储器(5)的输入端，微机接口电路(4)的地址线和控制线输出端还与电子盘存储器(6)的输入端相接，微机接口电路(4)、电子盘存储器(6)、总线缓冲器(7)的数据线与PC的总线相接。

2.根据权利要求1所述的自启动型数据采集器，其特征在于数据采集器(1)由四路预处理器(1-1)和四路同步分离器(1-2)以及四选一开关(1-3)、模数变换器(1-4)所组成，四路预处理器(1-1)的输出端接四选一开关(1-3)的输入端，四选一开关(1-3)的输出端接模数变换器(1-4)的输入端，模数变换器(1-4)的输出端为数据采集器(1)的数据输出端。

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