CN202058010U

CN202058010U - 一种便携式监测控制装置

Info

Publication number: CN202058010U
Application number: CN2011200794008U
Authority: CN
Inventors: 唐小琦; 宋宝; 俞宜洋; 尹玲; 刘红奇; 冯健; 杨威; 周向东; 黄黎
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Huazhong Numerical Control Co Ltd
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Huazhong Numerical Control Co Ltd
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-03-23

Abstract

本实用新型公开了一种便携式监测控制装置，该装置包括用于采集外部IO信号的IO输入模块；用于采集外部模拟信号的模拟信号采集模块；对采集所得的IO信号和模拟信号进行分析处理的双处理器核心处理模块；用于输出双处理器核心处理模块的处理结果的IO输出模块；对各模块提供电能的电源管理模块；以及对各模块提供电能的电源管理模块；IO输入模块、IO输出模块和模拟信号采集模块均与双处理器核心处理模块电连接。本装置可实时获取加工过程中各类状态信息和控制信息，并通过软件实现数字滤波，时域分析，频域分析，时频分析以及专家故障诊断系统的功能，增强了系统功能，简化了硬件电路。同时本装置采用小型化集成的紧凑型PCB工艺设计方式和各模块单独供电，实现了系统的小型化和低功耗。

Description

一种便携式监测控制装置

技术领域

本实用新型属于制造业的加工控制领域，特别涉及加工的实时监测、故障诊断与加工过程控制。

背景技术

先进制造技术领域对加工过程高速高精的要求日益提高，主要表现在加工状态实时监测、故障诊断与加工过程控制。在目前各种加工设备上构建实时监测软件、数据采集和处理硬件平台，是构建多样性加工状态监控，故障分析诊断与实时控制的基础。目前现有的加工过程监测诊断和控制设备主要存在以下几部分问题，传统设备存在体积大、功耗高的缺点制约着设备的跨平台应用，专用的定制设备由于存在开发时间长，跨平台能力差和功能单一等问题，严重制约了该种设备的应用和推广，因此具有统一硬件平台和多种软件标准功能模块，并集实时监测、故障诊断和加工过程控制于一体的便携式低功耗开放式嵌入式加工过程智能监测控制装置是国内外加工控制领域亟待解决的关键技术之一。

发明内容

根据上述该领域存在的缺陷，本实用新型提供了一种便携式监测控制装置，该装置具有体积小、功耗低和多功能的特点，并具有较强的跨平台能力。

为了实现上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：一种便携式监测控制装置，其特征在于，该装置包括用于采集外部IO信号的IO输入模块；用于采集外部模拟信号的模拟信号采集模块；对采集所得的IO信号和模拟信号进行分析处理的双处理器核心处理模块；用于输出双处理器核心处理模块的处理结果的IO输出模块；对各模块提供电能的电源管理模块；以及对各模块提供电能的电源管理模块；IO输入模块、IO输出模块和模拟信号采集模块均与双处理器核心处理模块电连接。

本实用新型采用小型化的多层型PCB工艺设计方式，由核心板和应用扩展板组成，两板之间通过标准64针接插件作为接口进行连接。核心板集成了双处理器核心处理模块，包括ARM、FPGA，串口，以太网口，USB接口，光纤接口，NCUC接口，键盘接口，触摸屏接口，完成数据分析处理，通信以及人机交互的功能。应用扩展板集成模拟信号采集模块，IO输出模块，IO输出模块和电源管理模块。

本装置的有益效果：

(1)本装置可实时获取加工过程中各类状态信息和控制信息，例如加工过程中的刀具、工件、机床的受力信息、振动信息、温度状态信息、位置信息、图形图像信息以及加工设备的控制信息，比如启停、中断信号。保证了状态监测，故障诊断和过程控制中数据传输的有效性和实时性。

(2)本装置可以实现数字滤波，时域分析，频域分析，时频分析以及专家故障诊断系统的功能，增强了系统功能，降低了系统的硬件开销，简化了硬件电路，实现了系统的低功耗和小型化。

(3)本装置采用ARM、FPGA双处理器串行工作的处理结构，提高了系统的处理效率和稳定性。

(4)本装置采用小型化双层结构的紧凑型PCB工艺设计方式，使装置灵巧轻便，便于操作人员进行现场设备调试和操作。

(5)本装置采用核心板加应用扩展板双层结构，可以方便的进行功能扩展、二次开发和系统升级。

(6)本装置采用低功耗电源管理设计，可以提供多种电平等级对不同器件供电，并设定休眠与工作两种模式，优化装置供电能力。

(7)本装置配置了多种通信接口，包括现场标准现场总线NCUC接口、以太网接口、串口、USB接口、光纤接口，使该装置具有跨平台应用能力，可以有效的应用在多种不同通信标准的工业控制网络中。

附图说明

图1是便携式监测控制装置的结构框图；

图2是本装置数据与信息分析处理流程图；

图3是本装置双层紧凑型PCB板结构示意图；

图4是IO输入模块原理图；

图5是IO输出模块原理图；

图6是模拟信号采集模块原理图；

图7是电源管理模块原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明

如图1所示，便携式监测控制装置包括IO输入模块，IO输出模块，模拟信号采集模块，电源管理模块和双处理器核心处理模块。IO输入模块与模拟信号采集模块分别负责采集外部的IO信号和模拟信号，并将所采得的信号传输给双处理器核心处理模块，在双处理器核心处理模块对采集所得的信号进行分析处理之后，通过IO输出模块对将双处理器核心处理模块中处理所得的控制信号进行对外输出。另外，电源管理模块主要负责其他各个模块的供电需求。

IO输入模块包括依次串接的IO输入口、稳压二极管和光电耦合器，该部分完成外部IO量的采集。

IO输出模块包括依次串接的IO输出口、稳压二极管和光电耦合器，该部分完成本装置控制IO量的输出。

模拟信号采集模块包括依次连接的模拟输入接口、前置信号预处理电路和AD采样电路三个部分，前置信号预处理电路包含运放和滤波电路，完成外部模拟量的滤波和电平转换，该模块包括0V～+10V与-10V～+10V两种标准电平接口。AD采样电路将经过前置信号预处理电路的模拟信号转化为数字量。

双处理器核心处理模块包括ARM和FPGA双处理器，以及外部通讯接口、人机交互设备接口、FLASH和SDRAM。外部通讯接口包括串口、以太网口、USB接口、光纤接口、NCUC-BUS标准现场总线接口，人机交互设备接口包括键盘接口和触摸屏接口等。

FPGA处理器对IO输入模块、IO输出模块和模拟信号采集模块进行控制，并将三个模块的数据与ARM处理器进行交互。

ARM处理器作为数据处理和分析的平台，运行经过定制的Windows CE嵌入式操作系统，并运用Embeded Visual C++进行软件开发，对IO输入模块、IO输出模块和模拟信号采集模块获得的数据信息进行处理和分析，包括数字滤波，信号时域分析，信号频域分析，信号时频分析以及专家诊断。其中，数字滤波模块可对原始信号数据进行滤波处理，根据需求选择不同的滤波方式，如高通滤波、低通滤波和带通滤波。时域分析是对信号进行时域统计分析，并提取特征量，如峰值、方差、均值和概率分布。频域分析是对所采信号进行FFT变换，求取其幅频特性曲线。时频分析是对信号进行小波变换，求取信号的时频谱。专家诊断是根据数字滤波，信号时域分析，信号频域分析，信号时频分析分析处理所得数据，结合专家判断策略实现故障诊断，同时，通过对数据的不断积累，将先前未考虑的故障形式和解决方法扩充进专家系统。

数据信息处理与分析流程图如图2所示。

ARM处理器负责通信端口的控制，包括串口，USB口，以太网口、光纤接口。本实施例中以NCUC标准现场总线接口为例，通过NCUC标准现场总线接口，与华中数控系统进行链接。

ARM处理器完成人机交互功能，包括一个按键键盘和触摸屏，可完成屏幕输入和键盘控制两种操作。

电源管理模块采用多模块多电平供电方式，将装置的功耗降到最低，所包含的电平有+12v、-12v、+5v、+3.3v。+12v与-12v负责前置信号预处理电路的供电，+5v作为AD芯片的供电电压和参考电压以及运算放大器的参考电压，+3.3v负责双处理器核心处理模块的供电。

本装置采用小小型化的多层型PCB工艺设计方式，由核心板和应用扩展板组成，两板之间通过标准64针接插件作为接口进行连接。核心板集成了双处理器核心处理模块，包括ARM、FPGA，串口，以太网口，USB接口，光纤接口，NCUC接口，键盘接口，触摸屏接口，完成数据分析处理，通信以及人机交互的功能。应用扩展板集成模拟信号采集模块，IO输出模块，IO输出模块和电源管理模块，具体结构如图3所示。

下面针对本装置的硬件电路设计进行详细说明

(一)IO输入模块

如图4所示，该模块总共有8路IO输入，8路输入全部采用同样的原理和硬件结构。以其中一路为例，+24v的电平与光电耦合器TLP121GB的1号端口相连，同时和104型电容C1的一端以及TN4148稳压二极管负极相连。输入端口通过一个4.7K的电阻以与104型电容C1的另一端和TN4148稳压二极管的正极以及光电耦合器的2号端口相连。光电耦合器的3号端口分别于GND和104型电容C2的一端相连。光电耦合器的4号端与104型电容C2的另一端相连并经过一个3.3K的上拉电阻与3.3v的电平相连，同时与DTN端相连。DTN端口与FPGA直接相连负责IO信号的输入。

(二)IO输出模块

如图5所示，该模块总共有8路IO输出，8路输出全部采用同样的原理和硬件结构。以其中一路为例，TLP127的1号端口经过一个3.3K的上拉电阻与3.3v的电平相连。TLP127的2号端口直接与外部输出引脚DTN相连。TLP127的3号端口与24v_GND相连同时接MAJ30A稳压二极管负极。TLP127的4号端口与MAJ30A稳压二极管正极相连，同时经过保险丝与DOUTPUT相连，该引脚直接与FPGA直接相连负责IO信号的输出。

(三)模拟信号采集模块

如图6所示，该模块通过AD7887将外部输入的模拟信号转换为12位的数字信号并送FPGA处理。通过配置运算电路的电阻可以分别对0V～+10V和-10V～+10V的模拟电压范围进行电平转换，统一将0V～+10V、-10V～+10V的模拟输入转化为0V～+5V的电平送至AD7887。

该模块由8路AD采样通道组成，其中0～+10V与-10V～+10V各4路，整个模块由四个相同的子模块构成，每个子模块包括0～+10V与-10V～+10V各一路。取其中一个子模块进行详细说明，0～+10V电平与AD_INA相连，AD_INA经过R22与TL082的2号引脚相连。REF_+5v经过R30与TL082的3号引脚相连，3号引脚同时经过R34与地相连。TL082的1号引脚经过R26与AD_IN0相连。C40和R18分别与TL082的1号引脚和2号引脚相连。-10V～+10V电平与AD_INB相连，AD_INA经过R42与TL082的6号引脚相连。REF_+5v经过R50与TL082的5号引脚相连，5号引脚同时经过R54与地相连。TL082的7号引脚经过R46与AD_IN1相连。C44和R38分别与TL082的6号引脚和7号引脚相连。

AD7887的1号引脚与AD_CS_N0相连，6号引脚与AD_DIN0相连，8号引脚与AD_CLK0相连，5号引脚AD_IN0相连，4号引脚与AD_IN1相连，3号引脚与地相连，7号引脚AD_DOUT0相连，2号引脚与REF_+5V相连，C57和C61分别于REF_+5V和地相连。

(四)电源管理模块

如图7所示，电源芯片YND5-24D12的1脚经电感L2后顺次接24V，经电容C11接GND，经电容C10接GND；2脚接GND；5脚经电容L1后顺次接+12V，经电阻R3接AGND，经电容C8接AGND，经电容C7接AGND；3脚经电感L3后顺次接-12V，经电阻R4接AGND，经电容C14接AGND，经电容C13接DGND；4脚则接AGND。

电源芯片LM2679的2脚经电感L4后接24V；7脚经电容CP1后接DGND；5脚经电阻RL1后接DGND；4脚接DGND；2脚顺次经电容C22接GND，经电容CL1接GND，经电容CL2接GND；3脚经电容C19接1脚；1脚经二级管D5后接DGND；1脚经电感L5后顺次经电阻R7接6脚，经电阻R7和电阻R6接GND，经电容C23接DGND，经电容C24接DGND，经电感LB5接底板5V，经电感LB5与电容C17接GND，经电感LB5与电容C18接GND，经电感LB6接控制板5V，经电感LB6与电容C27接GND，经电感LB6与电容C28接GND。

电源芯片AP1510的4脚接底板5V；底板5V经顺次经电容C33接DGND，经电容C31后接DGND；3脚经电阻R12与4脚相连；2脚直接与4脚相连；7脚与8脚直接接DGND；6脚直接与5脚相连；6脚经电感L6后顺次接3.3V，经电阻RD1接1脚，经电容C32接DGND，经电容C34接DGND；1脚顺次经二极管D8接DGND，经电阻RD2接DGND。

(五)双处理器核心处理模块

在本装置中FPGA处理器型号为Altera EP2C8Q208C8N，ARM处理器型号为Sangsung S3C2440，其中，FPGA与ARM通过ARM数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR1～ADDR15以及ADDR4相连。ARM处理器的数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR2～ADDR14以及ADDR24和ADDR25同时与SDRAM的数据端口和地址端口相连。ARM处理器的数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR0～ADDR19同时与FLASH的数据端口和地址端口相连。ARM的TSYM、TSYP、TSXM、TSXP与触摸屏接口相连，GPC2与GPC3与光纤接口相连，GPE3与GPE4与NCUC标准现场总线接接口相连，TXD0与TXD1与串口相连，XDP0、XDP1、XDN0和XDN1与USB接口相连，GPG2、GPG3、GPG5、GPG6、GPG7、GPE11、GPE12、GPE13与键盘接口相连。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种便携式监测控制装置，其特征在于，该装置包括

用于采集外部的IO信号的IO输入模块；

用于采集外部模拟信号的模拟信号采集模块；

对采集所得的IO信号和模拟信号进行分析处理的双处理器核心处理模块；

用于输出双处理器核心处理模块的处理结果的IO输出模块；

以及对其它各模块提供电能的电源管理模块；

电源管理模块与其它各模块电连接，IO输入模块、IO输出模块和模拟信号采集模块均与双处理器核心处理模块电连接。

2.根据权利要求1所述的便携式监测控制装置，其特征在于，IO输入模块包括依次串接的IO输入口、稳压二极管和光电耦合器。

3.根据权利要求1所述的便携式监测控制装置，其特征在于，IO输出模块包括依次串接的IO输出口、稳压二极管和光电耦合器。

4.根据权利要求1、2或3所述的便携式监测控制装置，其特征在于，模拟信号采集模块包括依次连接的模拟输入接口、前置信号预处理电路和AD采样电路三个部分，前置信号预处理电路包含运算放大电路，完成外部模拟量的滤波和电平转换，AD采样电路将经过前置信号预处理电路的模拟信号转化为数字量。

5.根据权利要求4所述的便携式监测控制装置，其特征在于，双处理器核心处理模块包括相连的ARM处理器和FPGA处理器，以及连接在ARM处理器上外部通讯接口、人机交互设备接口、FLASH和SDRAM。

6.根据权利要求5所述的便携式监测控制装置，其特征在于，FPGA处理器型号为Altera EP2C8Q208C8N，ARM处理器型号为Sangsung S3C2440，其中，FPGA与ARM通过ARM数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR1～ADDR15以及ADDR4相连；ARM处理器的数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR2～ADDR14以及ADDR24和ADDR25同时与SDRAM的数据端口和地址端口相连；ARM处理器的数据端口DATA0～DATA15和地址端口ADDR0～ADDR19同时与FLASH的数据端口和地址端口相连；ARM的TSYM、TSYP、TSXM、TSXP与触摸屏接口相连，GPC2与GPC3与光纤接口相连，GPE3与GPE4与NCUC标准现场总线接接口相连，TXD0与TXD1与串口相连，XDP0、XDP1、XDN0和XDN1与USB接口相连，GPG2、GPG3、GPG5、GPG6、GPG7、GPE11、GPE12、GPE13与键盘接口相连。