CN114398302B - Poe供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空管设备数据采集领域，公开了一种空管设备数据采集单元。该空管设备数据采集单元外体为1U标准机箱，内部包含嵌入式控制板与对外接口电路。嵌入式主控CPU通过采集接口采集空管设备数据后，在进行本地存储的同时经过上行接口发送给远端的工控机进行数据展示和处理，从而实现对空管设备的数据采集和集中监控。本发明实施方式相对于现有技术而言，采集单元采用嵌入式CPU,功耗低、能够采用POE供电、带内部存储数据功能，自适应协议采集多种空管设备，既增加了本地设备数据回查功能，又降低了功耗，降低施工布线难度，稳定性与安全性得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及空管设备数据采集卡技术领域，具体的说是一种POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元。
背景技术
现有的空管设备数据采集系统大多采用中心通信机房工控机统一采集各台站空管设备的模式，由于单一工控机采集多分站设备，工控机的稳定性和安全性要求格外高，不能受病毒攻击，工控机与各台站的空管设备的传输线路也要求必须稳定，空管设备端没有暂存数据功能，不支持断点续传，通讯线路不能中断，否则会造成数据丢失。空管设备台站处设备布线复杂，供电电压高，不利于现场施工与维护。采集设备需要根据被采集空管设备的不同，安装不同的程序，这些程序的管理繁杂。
发明内容
本发明提出了一种POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，用以解决上述问题。本发明能够提高系统稳定性，减轻中心机房主机工作负担。系统采用嵌入式CPU，低功耗，带存储数据功能，能够实现POE供电，通过以太网取电。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，包括：嵌入式控制板以及分别与其连接的对外接口电路以及指示灯控制板，所述对外接口电路分别与空管设备以及远端工控机相连。
所述嵌入式控制板包括嵌入式主控CPU以及分别与其连接的采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路、电压转换电路，还包括接口保护电路和POE供电模块电路，所述接口保护电路具有多个，所述采集接口、上行接口分别与一个接口保护电路的一端相连，接口保护电路的另一端与对外接口电路相连，所述POE供电模块电路与电压转换电路相连，所述电压转换电路还分别与采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路相连。
所述对外接口电路包括：多个以太网接口，多个485/232接口，多个DI接口。
所述指示灯控制板包括电源指示灯、工作状态指示灯、数据采集状态指示灯以及通信接口通信状态指示灯，每个指示灯均与嵌入式控制板中的嵌入式主控CPU相连。
所述数据采集单元设于1U标准机箱内。
所述接口保护电路包括主控芯片U18、电容C1～C6，二极管D1和二极管D2，其中，所述主控芯片U18的电源正极引脚VCC和电源负极引脚GND之间接有电容C1，数据接收引脚Rout和数据发送引脚Tin与嵌入式主控CPU连接，隔离电源引脚VISO通过电容C2接地，芯片内部产生的正电源引脚V+依次通过电容C3、电容C2接地，电荷泵引脚C1+和电荷泵引脚C1-之间接有电容C4，电荷泵引脚C2+和电荷泵引脚C2-之间接有电容C5，芯片内部产生的负电源引脚V-通过电容C6接地，数据接收引脚Rin和数据发送引脚Tout之间依次接有二极管D2和二极管D1，二极管D2和二极管D1之间的节点接地，数据接收引脚Rin和数据发送引脚Tout与分别对外接口电路连接。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明设计了一种低功耗的采集单元，POE供电节省输入电源布线，抑制二极管和隔离技术防止设备端口损坏，提高设备稳定性。自适应固件提高了设备易用性。
附图说明
图1为本发明中该空管设备数据采集单元的结构组成示意图；
图2为本发明中空管设备数据采集单元循环自动覆盖方式存储数据是示意图；
图3为本发明中空管设备数据采集单元采集端口保护电路图；
图4为本发明中空管设备数据采集单元自适应空管设备协议简单结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明的实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
一种POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，外体为1U标准机箱，内部包含嵌入式控制板、对外接口电路与指示灯控制板。
进一步地，嵌入式控制板、对外接口电路与指示灯控制板安装在外体内，对外接口电路外部与空管设备及远端工控机相连，内部与嵌入式控制板相连，指示灯控制板与嵌入式控制板相连。
进一步地，空管设备的实时数据通过对外接口电路传输到嵌入式控制板，通过嵌入式控制板进行解析、分析、处理、存储，再通过对外接口电路传输至远端工控机进行数据展示与处理。
进一步地，外体分为安装板、盖板、前面板与后面板四部分。
进一步地，安装板用于安装嵌入式控制板，两者为定位孔安装；盖板用于封闭外体上侧，与安装板为抽插式安装；前面板用于封闭外体前侧与安装指示灯控制板，前面板与指示灯控制板为定位孔安装，与安装板为定位孔安装；后面板用于安装对外接口电路与封闭外体后侧，后面板与安装板为定位孔安装，后面板与对外接口电路为定位孔安装。
进一步地，嵌入式控制板包括：嵌入式主控CPU、采集接口、上行接口、接口保护电路、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路、POE供电模块电路及电压转换电路。
进一步地，嵌入式主控CPU分别与采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路及电压转换电路连接；采集接口、上行接口分别与接口对应的接口保护电路连接，接口保护电路与对外接口电路连接；电压转换电路分别与嵌入式主控CPU、动态随机存储器、可编程只读存储器、采集接口、上行接口、POE供电模块相连。
进一步地，电压转换电路将POE模块的电压信号转化为3.3V的直流电压信号，向嵌入式主控CPU、采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器供电，RTC时钟电路为嵌入式主控CPU提供时钟信号，接口保护电路用于保护采集接口与上行接口，嵌入式主控CPU从可编程只读存储器中读取初始化配置信息，采集接口将采集到的空管设备数据发送给嵌入式主控CPU，嵌入式主控CPU将数据存储至动态随机存储器，并将经过解析和处理后的数据通过上行接口传输至远端工控机。
进一步地，对外接口电路包括：多个以太网接口，多个485/232接口，多个DI接口。
进一步地，以太网接口用于采集使用网络通信的空管设备数据和向远端工控机传输数据；485/232接口、DI接口用于采集使用相应通信协议的设备数据。
进一步地，指示灯控制板包括电源指示灯、工作状态指示灯、数据采集状态指示灯、各通信接口通信状态指示灯。
进一步地，空管设备数据采集单元可以自适应空管设备协议，该功能可以在不改变程序的前提下，采集多种空管设备数据。
本发明的实施方式涉及一种POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元。该采集单元可用于采集空管设备的数据，传输数据给远程工控机。
该空管设备数据采集单元外体为1U标准机箱，其内部包含嵌入式控制板与对外接口电路。
如图1所示，嵌入式控制板包括：嵌入式主控CPU、采集接口、上行接口、接口保护电路、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路、POE供电模块、电压转换电路。
对外接口电路包括：多个以太网接口，多个485/232接口，多个DI接口，多个DO接口。
嵌入式主控CPU分别与采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路、电压转换电路连接；电压转换电路还与POE供电模块、采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器相连。采集接口经过对应的接口保护电路与空管设备相连，上行接口经过对应的接口保护电路与远端工控机相连。
本实施方案中，采集端口用于采集空管设备的数据。空管设备经过保护电路与采集接口连接，采集接口与CPU串口连接，CPU通过采集端口读取空管设备的数据。获取空管设备数据后，CPU解析数据，发送数据给远端工控机进行数据分析和处理。
在本实施例的一种情况中，嵌入式CPU采用型号为STM32F4的芯片，该芯片功能强大，功耗比较低，外设资源丰富。
如图2所示，动态随机存储器与CPU连接，CPU获得空管设备数据后，解析数据，采用定时存储加数据比较方式对数据进行存储，一定程度对存储数据进行了筛选，通过循环自动覆盖方式存储数据。
在本实施例的一种情况中，采用SDRAM作为储数据芯片，可避免频繁存储数据造成存储器损坏，循环覆盖方式存储解决了存储器容量有限的问题。存储数据的同时把时间戳信息保存起来，在用户回读数据时提供时间信息。
可编程只读存储器与CPU连接，可编程只读存储器主要保存用户设置的配置信息。在掉电情况下，配置信息不丢失。
RTC时钟电路与CPU的I2C接口连接，RTC时钟电路为整个采集单元提供精确的时间基准，采用晶体振荡器作为时钟源，时钟电路内含纽扣电池，在系统掉电时RTC时钟电路正常工作。
POE模块为整个采集单元提供电源。采集单元内含有POE模块，在以太网传输的同时，从以太网电缆上获取电能，标准PSE最大提供15W输出功率，考虑到线路损耗等问题，POE模块输出电压与最终耗电负载之间采用DC-DC加LDO模式实现电平转换，即考虑了电源效率，又兼顾了电源纹波要求。设备移动方便，对现有的安装场地影响小，避免了繁琐的AC供电安装和维护，提高了施工的安全性和降低维护成本。
如图3所示，为了提高系统的可靠性，在采集端口与空管设备之间设计了端口保护电路，采集端口电路均通过端口保护电路与空管设备连接。
在本实施例的一种情况中，端口保护电路依靠瞬态抑制二极管实现对过压的抑制，当二极管两端间电压经受瞬间高能量冲击时，能以极高的速度使其阻抗降低，吸收大电流，将其两端电压箝位在一个固定数值上，从而保护采集端口不被损坏。
采集端口与CPU连接时，采用磁隔离端口方案。采集端口与空管设备连接过程中，有热插拔或者地线回路电压情况，这种瞬态浪涌容易造成端口损坏。采用磁隔离彻底解决了这种问题。
如图4所示，自适应固件对不同的空管设备协议进行检测的简单结构图。采集单元上电后，在有用户预先配置信息情况下，发送指定协议指令，在没有用户配置指令情况下，发送预制的指令协议访问码，根据空管设备的返回指令码判断设备类型和型号，循环发送预制指令协议码，直至配对成功，再根据配对成功的访问码，设置CPU的指令指针寄存器完成程序的跳转执行。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的结合体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (5)
1.POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，其特征在于，包括：嵌入式控制板以及分别与其连接的对外接口电路以及指示灯控制板，所述对外接口电路分别与空管设备以及远端工控机相连；
所述嵌入式控制板包括嵌入式主控CPU以及分别与其连接的采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路、电压转换电路，还包括接口保护电路和POE供电模块电路，所述接口保护电路具有多个，所述采集接口、上行接口分别与一个接口保护电路的一端相连，接口保护电路的另一端与对外接口电路相连，所述POE供电模块电路与电压转换电路相连，所述电压转换电路还分别与采集接口、上行接口、动态随机存储器、可编程只读存储器、RTC时钟电路相连；
动态随机存储器与CPU连接，CPU获得空管设备数据后，解析数据，采用定时存储加数据比较方式对数据进行存储，对存储数据进行了筛选，通过循环自动覆盖方式存储数据；
可编程只读存储器与CPU连接，可编程只读存储器保存用户设置的配置信息，在掉电情况下，配置信息不丢失。
2.根据权利要求1所述的POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，其特征在于，所述对外接口电路包括：多个以太网接口，多个485/232接口，多个DI接口。
3.根据权利要求1所述的POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，其特征在于，所述指示灯控制板包括电源指示灯、工作状态指示灯、数据采集状态指示灯以及通信接口通信状态指示灯，每个指示灯均与嵌入式控制板中的嵌入式主控CPU相连。
4.根据权利要求1所述的POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，其特征在于，所述数据采集单元设于1U标准机箱内。
5.根据权利要求1所述的POE供电的自适应协议嵌入式空管设备数据采集单元，其特征在于，所述接口保护电路包括主控芯片U18、电容C1～C6，二极管D1和二极管D2，其中，所述主控芯片U18的电源正极引脚VCC和电源负极引脚GND之间接有电容C1，数据接收引脚Rout和数据发送引脚Tin与嵌入式主控CPU连接，隔离电源引脚VISO通过电容C2接地，芯片内部产生的正电源引脚V+依次通过电容C3、电容C2接地，电荷泵引脚C1+和电荷泵引脚C1-之间接有电容C4，电荷泵引脚C2+和电荷泵引脚C2-之间接有电容C5，芯片内部产生的负电源引脚V-通过电容C6接地，数据接收引脚Rin和数据发送引脚Tout之间依次接有二极管D2和二极管D1，二极管D2和二极管D1之间的节点接地，数据接收引脚Rin和数据发送引脚Tout与分别对外接口电路连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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