CN205352443U - 一种矿用便携式仪器数据采集电路板 - Google Patents

Abstract

本实用新型发明公开一种矿用便携式仪器数据采集电路板，包括FPGA（1），ARM核心板模块（2），扩展SRAM（3），SD卡存储模块（4），通讯模块（5），LCD显示模块（6），ARM独立电源模块（7）， FPGA独立电源模块（8），同步控制模块或DDS信号发生器（9），模数转换模块a（10），模数转换模块b（11），模数转换模块c（12），模数转换模块d（13），外触采集模块（14）；以功能分为ARM核心微型计算机和FPGA核心数据采集器，计算机与数据采集器之间采用16bit或32bit 的数据总线和地址总线、全双工SPI串口通讯、双向中断接口连接；采用双电源独立供电，设计紧凑、功耗低、集成度高，满足矿用电气本质安全要求，因此，该主板开发的便携式虚拟仪器可用于存在有瓦斯、粉尘、一氧化碳等煤矿特殊环境，根据不同仪器要求配置相应传感器和开发配套的采集处理软件实现便携式仪器。

Description

一种矿用便携式仪器数据采集电路板

技术领域

本实用新型涉及一种满足本质安全性便携式仪器的数据采集电路板，特别涉及一种应用在煤矿井下特殊环境下达到矿用电气本质安全的虚拟仪器。

背景技术

煤矿井下环境特殊，存在有瓦斯、粉尘、一氧化碳等易燃易爆物质，因此矿井下的各类通信、监控、仪表和自动化等系统电气设备必须满足防爆要求。随着电气设备防爆技术的不断进步和发展，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆、增安、本质安全、正压、浇封和无火花性等。在众多的防爆技术中，本质安全电路（简称本安）是指在正常工作或规定的故障状态下，产生的任何电火花或效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。本质安全防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测量和带电维护等优点，同时它也能用于危险场所。因此在低压低功率电气设备、仪器仪表等领域内，本质安全型是防爆的最佳形式，它是首选的防爆技术。

矿山事故发生造成巨大的经济损失和不良的社会影响，在应对重大事故、突发灾害等事故隐患进行仪器检测时需要用基于计算机虚拟仪器技术采集原始数据，如矿山水害地球物理探测、瓦斯监测等，而传统监测仪器由于集成显示器件、硬盘、CPU等外设，功率消耗大，难以满足本质安全的要求。目前市场有隔爆兼本质安全型便携式计算机，其设备技术原理是：将除键盘、鼠标装置、喇叭和话筒外的所有部件全装入一个符合国家防爆标准的隔爆箱中。隔爆箱上有显示器透明窗、摄像透明窗、红外通讯设备和信号电缆入线口；即一般的计算机加隔爆外壳组成，其体积大、重量沉、功耗高、不便于携带、只能固定于某个位置等。此外，利用信号隔离板和信号转换电路实现本安保护电路的矿用工控机，如专利申请201320212354.3中设置“ia”级本安保护电路工控板，信号采集板接收矿用传感器输出的模拟信号或脉冲信号经信号隔离处理后输出至工控板，控制信号隔离处理后输出至信号采集板，主板预留为扩展I/O的总线，显示器采用小尺寸的平板显示器，以求达到最小化计算机的目地，但该技术仅能满足一些数据量较小、实时响应要求较低的虚拟仪器技术，若配置相应的采集卡、电源、显示器和键盘等，其装置仍然比较笨重，井下工作人员不可能背负太远、太久，难以适应便携式虚拟仪器的要求。专利申请201010558921.1中所述的本安型24位地震数据采集电路板，其实质相当于将传统的模拟传感器转换为数字传感器，需要计算机配合并开发相应的软件构建虚拟仪器。

为了克服现有的通用工业控制主板无法达到本质安全要求，或者采用防爆隔离处理后应用于煤矿井下特殊领域的不足，需要体积更小、功耗更低、便于灵活开发井下便携式虚拟仪器的本质安全型数据采集电路板。

发明内容

本实用新型目的提供一种集成微计算机、通用采集模块和必要外设装置，且达到本质安全型便携式仪器数据采集电路板。该主板配置不同的外设传感器和针对性开发相应的采集软件，可以方便地开发不同测量仪器，且能应用于要求电气本质安全要求的场合。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案包括FPGA为核心的数据采集器和ARM为核心的微型计算机两部分。其中ARM为核心的微型计算机部分包括ARM核心板模块，SD卡存储模块，通讯模块，LCD显示模块，ARM独立电源模块；其中FPGA为核心的数据采集器部分包括FPGA，扩展SRAM，FPGA独立电源模块，同步控制模块，模数转换模块a，模数转换模块b，模数转换模块c，模数转换模块d，外触发模块。其特征在于：FPGA为核心的数据采集器和ARM为核心的微型计算机之间采用并行数据总线、地址总线连接和全双工SPI通讯总线连接，从而满足双方交换指令和数据，以及直接访问双方存储器；此外，FPGA向ARM单向发送中断信号线和由ARM向FPGA单向发送中断信号线可以满足实时响应的需求。

上述的方案的ARM核心的微型计算机主要实现人机交互和数据处理，包括：LCD显示、键盘（包括触摸屏）、SD卡存储、USB通讯模块设置单独模块，并采用独立电源（设计采用双节本安性锂电池，即7.4V直流电源），最大功耗符合电气本质安全要求。上述的方案的FPGA数据采集器主要实现数据采集，包括：AD采集输入、触发采集电路、DDS信号发生器；并采用独立电源（设计采用双节本安性锂电池，即7.4V直流电源），最大功耗符合电气本质安全要求。ARM核心的微型计算机与FPGA核心的数据采集器之间采用并行数据总线、地址总线和SPI通讯进行数据交换，且采用中断请求线，满足ARM和FPGA之间实时响应。

本实用新型的有益效果是：将通用采集模块和微型计算机有机集成一体，采用不同传感器和采集处理软件可以实现不同仪器功能，即工业化的虚拟仪器小型化、低功耗化、集成化，双独立电源设计紧凑，避免单个电源的功率过大，满足矿山便携仪器的电气本质安全的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

图1是矿用本安型便携式虚拟仪器主板电路总体结构图。

图2是ARM处理器为核心微型计算机结构图。

图3是FPGA为核心的数据采集器结构图。

图4是FPGA数据采集器与ARM微型计算机连接关系图。

图5是典型虚拟仪器的数据采集和处理流程图。

图1中：FPGA（1），ARM核心板模块（2），扩展SRAM（3），SD卡存储模块（4），通讯模块（5），LCD显示模块（6），ARM独立电源模块（7），FPGA独立电源模块（8），同步控制模块（9），模数转换模块a（10），模数转换模块b（11），模数转换模块c（12），模数转换模块d（13），外触发模块（14）。

具体实施方式

图2为图1中右边虚线部分为ARM核心板及其外围电路，本新型实用称为ARM为核心的微型计算机部分。ARM核心板为控制部件，通讯（如RS232、USB）电路、LCD显示电路、SD存储电路、按键输入电路、触摸屏电路和独立的供电模块。为了保证符合矿用本安性能的要求，核心板（功率一般6~8W）和外围电路的其最大功耗不超过矿用本安电气性能的要求，并避免使用大电容容易积累电荷元器件，ARM及其外围电路采用独立的电源模块，电源模块需设计过流保护，最大电流略大于ARM及其外围电路模块的功耗，预留20%负载余量，但最大输出功率小于矿用本质安全的要求。

图3为图1左边虚线部分为FPGA及其外围电路，本新型实用称为FPGA为核心的数据采集器部分。FPGA作为控制模数转换模块（共4路独立的采集通道）、时钟同步信号、外同步触发模块，独立的供电模块。一般而言，FPGA仅仅有几十k的RAM存储空间，无法满足高速大数据采集的性能要求，故采用静态随机存取存储器(SRAM)对其进行扩展，电路选用低功耗元器件，最大功耗不超过矿用本安电气性能的要求，并避免使用大电容容易积累电荷元器件。此外，为了保证矿用本安要求，电源模块需设计过流保护，最大电流略大于FPGA及其外围电路模块的功耗，预留20%负载余量，但最大输出功率小于矿用本质安全的要求。

图4中虚线部分为ARM为核心的微型计算机与FPGA为核心的数据采集器的连接关系，其中包括数据总线（16bit或32bit）、地址总线（16bit或32bit）、SPI双向串行通讯线（4线）、FPGA至ARM单向中断（单线）、ARM至FPGA单向中断（单线）。ARM为核心的微型计算机与FPGA为核心的数据采集器通过地址总线可互相访问对方的存储器，并通过数据总线进行高速数据交换；SPI双向串行通讯为ARM和FPGA之间互相发送指令和命令，必要时亦可以交换数据；ARM可及时响应由FGPA发送的中断信号，FPGA亦可及时响应由ARM发送的中断信号，从而满足一些实时响应的需求。

SD卡为存储模块，LCD主要实现数据展示和人际交互功能，RS232和USB为辅助通讯接口，如外接键盘和鼠标等，也可与PC机等通讯。通过同步时序装置实现多个虚拟仪器主板的同步工作等。

在具体实施中，以ARM为核心的微型计算机需安装实时操作系统，如WINCE、嵌入式Linux、Android等。

根据仪器需求配置相应的传感器，接入FPGA为核心的数据采集器模数转换前端，且配置必要的调理电路使得传感器感应信号与数据采集器的模拟输入接口相匹配。

根据仪器功能需求开发相应的数据采集和处理软件。

图5为典型便携式仪器数据采集软件的流程。首先启动虚拟仪器软件，设置采集参数，配置相应的功能；若使用信号发生器，则根据参数产生数据，并由ARM通过双向串口SPI发送至FPGA，FPGA读取数据并启动信号发生器DDS，对外发送信号，如正弦、方波、三角波或任意波；若使用模数转换采集传感器感应的物理信号，则由ARM通过双向串口SPI发送指令至FPGA，FPGA根据指令选择采用外触发采集、软件触发采集或实时采集功能，将采集的数据存入数据采集器SRAM（设置为FIFO），并发送中断信号至ARM，ARM微型计算机及时响应中断，利用地址总线和数据总线及时读取SRAM存入的数据，并转存ARM微型计算机内存，也可以进一步显示、处理和转存SD存储等。在数据采集过程中，若人工干预动作发生，则ARM发送中断信号至FPGA，FPGA及时响应并接收串行指令，根据指令执行动作。

用户可根据需要灵活开发数据采集软件实现数据处理功能，如开发傅里叶分析模块实现频谱分析功能。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种矿用便携式仪器数据采集电路板，包括FPGA为核心的数据采集器和ARM为核心的微型计算机两部分；其中ARM为核心的微型计算机部分包括ARM核心板模块（2），SD卡存储模块（4），通讯模块（5），LCD显示模块（6），ARM独立电源模块（7）；其中FPGA为核心的数据采集器部分包括FPGA（1），扩展SRAM（3），FPGA独立电源模块（8），同步控制模块（9），模数转换模块a（10），模数转换模块b（11），模数转换模块c（12），模数转换模块d（13），外触发模块（14）；其特征在于：FPGA为核心的数据采集器和ARM为核心的微型计算机之间采用并行数据总线、地址总线连接和全双工SPI通讯总线连接，从而满足双方交换指令和数据，以及直接访问双方存储器；此外，FPGA向ARM单向发送中断信号线和由ARM向FPGA单向发送中断信号线可以满足实时响应的需求。

2.根据权利要求1所述的一种矿用便携式仪器数据采集电路板，其特征包括：微型计算机和数据采集器分别采用独立的电源模块供电。