CN202563319U - 一种新型工业数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及工业数据采集技术领域，具体涉及一种数据采集系统。一种新型工业数据采集系统，包括数据采集模块、微型处理器系统、电源模块，微型处理器系统通过网络控制器连接以太网接口。由于采用了上述技术方案，本实用新型实现了电路的简化、进而降低了成本；同时实现了工业现场数据采集的实时监测与测试，提高了整个工业现场设备的监控性能；还实现了管理层与工业现场的双向信息交互。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业数据采集技术领域，具体涉及一种数据采集系统。
背景技术
随着互联网、物联网的技术得到了飞速发展，以太网技术也从最初的10Mbps的传输速率发展到如今的100Mbps、1000Mbps、1Gbps甚至10Gbps。而用于工业控制的CAN技术、PROFIBUS、WORLDFIP等基于现场总线的数控系统与之无法媲美。更层次的传输速率比传统的CAN、PROFIBUS、WORLDFIP在同等级的速率上有着质的飞跃。与此同时网络化测量仪器应用得到越来越广泛，这使得基于以太网的工业数据采集操作和实时数据通信变得更加快捷。国内外对用以太网实现数据采集和传输的研究越来越多，其采用的方法也越来越广泛，例如：用双处理器分别进行数据采集和实时处理，再将少量的结果数据实时传输给主机；或是在使用一些中间设备来实现实时数据通信等；这些基于硬件上的改进无疑是不错的选择，也有着重要的意义。虽然与现场总线类似的Profibus、modbus和contronet等仍然随处可见，但他们的重要性随着以太网的普及正在快速地降低。以太网为用户提供的优势显而易见的：更高的效率、更多的功能和更高的适应性。这可以使得从管理级到现场级的数据通信采用统一的方式，反之亦然。
然而，由于现在对工业现场的监控环境越来越复杂、越来越分散，数据采集难度不断增强，对于实时性更强、速度更快、操作更加容易的采集系统的研制越发的重要。设计各个终端常用小巧、灵活、易于实现简单控制和性价比很高的嵌入式系统构成相对独立的数据采集系统是广大厂家所期待的。传统的数控系统多采用基于单处理器的集中式体系结构，这种体系机构向上不能适应制造环境对数控系统的分散化的要求，向下难以满足高速高精加工对计算能力和数据传输的要求，难以适应未来数控技术的发展。传统基于现场总线的数控系统，如交通上的监控设置、远程工业数据采集(温度、湿度等)，高速高精度的数控加工检测系统，要求数控单元设备中的数据交换媒介能够达到高速实时数据传输，而一般总线式一对一监控设置的传输速度直接影响了加工的速度和精度，也影响了管理层对现场设备的远程监控的效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种新型工业数据采集系统，解决以上技术问题。
本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种新型工业数据采集系统，包括一用于采集数据的数据采集模块、一与所述数据采集模块连接的微型处理器系统、一用于供电的电源模块，其特征在于，所述微型处理器系统通过一网络控制器连接一以太网接口。
本实用新型采用网络控制器与以太网接口，将经数据采集模块采集、经微型处理器系统处理后的数据接入以太网中，供以太网中的其他网络设备采集与监控。上述设计实现的电路简化、成本低廉，能够同时实现高速、实时、高精度的数据传输要求，达到对复杂的工业现场数据采集设计要求。
所述微型处理器系统与所述网络控制器之间采用SPI总线接口连接。以便在串行接口模式下，连接几个简单的引脚就可以进行微型处理器系统与网络控制器直接的数据通信。
所述数据采集模块包括一工业温度数据采集模块。以便采集温度信息。
所述微型处理器系统连接一RS485接口芯片，所述微型处理器系统还连接一CAN驱动芯片。本实用新型保证了数据采集模块的调试和通信模式的多样性。
所述微型处理器系统连接一LCD显示模块。以便于保证经处理后的数据的实时显示。
所述微型处理器系统还连接一存储模块。用以存储经处理后的数据。
还包括一控制台，所述控制台与所述微型处理器系统通过所述网络控制器无线连接。所述控制台优选采用一客户端PC机。以便本实用新型能够实现管理层与现场设置之间的信息交互与监控。
所述电源模块包括一用于与外部电源连接的电源接口，还包括一蓄电池。以便电源模块为微型处理器系统供电时，一点电源接口处掉电时，蓄电池能为微型处理器系统的时钟和备份寄存器提供电能，保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本实用新型实现了电路的简化、进而降低了成本；同时实现了工业现场数据采集的实时监测与测试，提高了整个工业现场设备的监控性能；还实现了管理层与工业现场的双向信息交互。
附图说明
图1为本实用新型的整体电路连接示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。
参照图1，一种新型工业数据采集系统，包括一用于采集数据的数据采集模块1、一与数据采集模块1连接的微型处理器系统2、一用于供电的电源模块3，微型处理器系统2通过一网络控制器4连接一以太网接口。本实用新型采用网络控制器4与以太网接口，将经数据采集模块1采集、经微型处理器系统2处理后的数据接入以太网中，供以太网中的其他网络设备采集与监控。上述设计实现的电路简化、成本低廉，能够同时实现高速、实时、高精度的数据传输要求，达到对复杂的工业现场数据采集设计要求。
微型处理器系统2与网络控制器4之间采用SPI总线接口连接。以便在串行接口模式下，连接几个简单的引脚就可以进行微型处理器系统2与网络控制器4直接的数据通信。
数据采集模块包括一工业温度数据采集模块。以便采集温度信息。
微型处理器系统2连接一RS485接口芯片5，微型处理器系统2还连接一CAN驱动芯片6。本实用新型保证了数据采集模块1的调试和通信模式的多样性。
微型处理器系统2连接一LCD显示模块7。以便于保证经处理后的数据的实时显示。
微型处理器系统2还连接一存储模块8。用以存储经处理后的数据。
还包括一控制台，控制台与微型处理器系统2通过网络控制器4无线连接。控制台优选采用一客户端PC机9。以便本实用新型能够实现管理层与现场设置之间的信息交互与监控。
电源模块3包括一用于与外部电源连接的电源接口，还包括一蓄电池。以便电源模块3为微型处理器系统2供电时，一点电源接口处掉电时，蓄电池能为微型处理器系统2的时钟和备份寄存器提供电能，保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能。
本实用新型的各个模块可以采用如下配置：
1)微型处理器系统2优选采用ST公司的STM32F107VCT的ARM7芯片，外部扩张一个8K的EEPROM芯片AT24C08，JTAG调试接口的设计，以便保证整个系统的可扩展性。
2)工业温度数据采集模块优选采用精度更高，更加适合工业环境的PT100温度传感器，其测量范围-50～550℃。同时采用ARM7中自带的AD转化模块，速度到达1us/次。保证了数据采集模块的在恶劣的工业现场的测量范围与精度。
3)电源模块3主要采用AMS1117输出3.3V的供电电源为主MCU供电，采用MC7805产生5V电源为一些外围电路供电。保证了本实用新型的供电需求。电源模块3的辅助电源采用蓄电池。
4)网络控制器4优选采用W5100，采用25M的晶振，保证了远程网络通信的要求。
5)RS485接口芯片5优选采用ATmel公司的SP485EEP芯片。
6)CAN驱动芯片6优选采用ATmel公司的SN65HVD230芯片。
7)LCD显示模块7优选采用TS1620B模块。
实施例一：
本实用新型的电源主要由外部电源提供，经电源接口输入，分别经过MC7805和AS1117芯片稳压转换输出5V和3.3V，这样3.3V、5V电压即能够很好的满足内核、外设、和外部电路的供电。ARM7芯片的工作电压(VDD)为2.0-3.6V。通过内置的电压调节器提供1.8V电源。具有低功耗特点的W5100只需要提供3.3V的电压给芯片即可，片上1.8V的输出管脚通过一个电解电容接地。当主电源VDD掉电后，本系统外接一个3.6V蓄电池连接到Vbat管脚上，通过Vbat管脚为实时时钟RTC和备份寄存器提供电源，保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能，通过它还可以为LSE振荡器和PC13至PC15供电，可以通过复位模块中的掉电复位功能控制。
微型处理器系统2是32位的Cortex-M3CPU、72MHz、1.25DMips/MHz、0等待周期的存储器，单周期乘法和硬件除法。晶振频率为25MHz，PLL供CPU时钟，并带有校准功能的32kHz RTC振荡器；内嵌258K闪存程序存储器；I2C接口的EEPROM存储器——AT24C08，用来存储原始网络参数，系统在对网络控制器4配置时可以直接从中调用。W5100与单片机的接口采用SPI接口或间接总线；外接一个精密可调电位器3296W(10K)可调电阻来作为模拟信号输入端。在调试时，目标板的JTAG调试接口管脚连接到ARM7芯片的GPIO口的PB、PA口，5V的供电电源。J-LINK仿真器通过JTAG插座第19脚对目标板供电，电流限制在300mA。通过JTAG接口进行调试，其中JBOOT0：正常运行时接低电平，Bootload时接高电平；JBOOT1：BootLoad时短路。接有3.6V的蓄电池为后备寄存器提供供电。
本系统可以采用MAX3232实现TTL电平与RS232电平的转换，分别把MAX3232的T1IN、R1OUT、T2IN、R2OUT与ARM7芯片的TXD、RXD、RTX、CTS相连，通信模式UART、字符格式为10位带1个起初位，1个停止位，无奇偶校验。通信速率为9600bps。MAX3232采用SOP16封装形式，3.0V至5V、低功耗、1Mbps、真RS232收发器，使用四只0.1uf外部电容进行去耦。可以直接与各种5V逻辑电平接口，包括ACT和HCT CMOS。
LCD显示模块7采用TS1620B-1带背光的液晶与ARM7芯片连接，实现采集数据的实时显示。LCD显示模块7的数据输出输入端与ARM7芯片的GPIOC连接，LCD显示模块7的片选信号、写和读使能分别与ARM7芯片的GPIO口PD7、PD15、PB14连接。
同时，提供一路RS485接口，RS485接口芯片5为SP485EEP，接口通过5.08mm间距的接线端子引出。RS485芯片数据端口经隔离、8位锁存器74LS573后连接到ARM7芯片的USART3管脚上。
SN65HVD230的接收端RXD和发送端TXD分别经光耦隔离、锁存器后连接到ARM7芯片的CAN控制器的PB8和PB9引脚。
供电电源经电容和电解电容滤波处理后接3.3V的VCC；RS控制模式通过设计3线插接方式分别来选择高速(低电平有效)或待机模式(高电平有效)，芯片空闲(发送)时为高电平；CAN中断寄存器的使能和失能通过CANH和CANL输出之间并接一个120欧的电阻串接一个2线的插接口，实现硬件上控制；CANH和CANL接口通过连接5.08mm间距的接线端子引出。
本实用新型采用两线桥式测温电路来实现对工业现场温度数据的采集，主要分为两部分：电压基准源输出电路设计，电压调理电路设计。其中对参考电源输出电路的设计，本电路采用可编程精密参考TL431芯片和电位器RV1(3296-5K)调节产生5V的参考电源；采用R16、R18、RV5、Pt100构成测量电桥(其中R16＝R18，RV5为1K的精密电阻)，当Pt100阻值和RV5阻值不相等时候，电桥就会输出毫伏级的压差信号。
在通信接口设计中，采用嵌入式微处理器和以太网控制器的方式实现接口转化，本设计实现基于STM32和以太网的工业数据采集系统的设计，引入并实现一种新的设计方案，即采用Cortex-M3内核的STM32F系列ARM7处理器+(10M-100M)自适应网卡W5100硬件组合，通过uC/OS-II实时操作系统内核的支持下，添加嵌入式modbus TCP应用层协议与TCP/IP协议栈，在客户端PC机上通过对套接字编程实现与目标板的通信，同时完成RS485总线和CAN总线的设计，达到对远程系统的监控及对工业现场温度(PT100)的数据采集。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种新型工业数据采集系统，包括一用于采集数据的数据采集模块、一与所述数据采集模块连接的微型处理器系统、一用于供电的电源模块，其特征在于，所述微型处理器系统通过一网络控制器连接一以太网接口。
2.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述微型处理器系统与所述网络控制器之间采用SPI总线接口连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块包括一工业温度数据采集模块。
4.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述微型处理器系统连接一RS485接口芯片，所述微型处理器系统还连接一CAN驱动芯片。
5.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述微型处理器系统连接一LCD显示模块。
6.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述微型处理器系统还连接一存储模块。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：还包括一控制台，所述控制台与所述微型处理器系统通过所述网络控制器无线连接。
8.根据权利要求7所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述控制台采用一客户端PC机。
9.根据权利要求1所述的一种新型工业数据采集系统，其特征在于：所述电源模块包括一用于与外部电源连接的电源接口，还包括一蓄电池。
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| CN108388172A (zh) * | 2018-02-10 | 2018-08-10 | 中国人民解放军海军航空大学青岛校区 | 一种具有强抗干扰能力的多路信号采集与处理系统 |
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