CN208922245U - 一种低功耗数据记录及高速数据传输装置 - Google Patents

Abstract

一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，包括低功耗数据采集记录模块，上位机数据访问接口模块。低功耗数据采集记录模块使用低功耗MCU进行数据采集，将数据记录在存储卡中。在数据采集结束后，上位机数据访问接口模块将数据高速传输到上位机。本实用新型是一个兼具低功耗数据采集记录功能以及高速数据传输功能的数据采集装置，采集记录功耗低，数据传输速度快，成本低廉，适用于长时间连续采集及需要将采集的大量数据快速上传到计算机或远程数据中心的相关应用，可以解决一般低功耗MCU因不具备高速USB接口无法快速将数据传输到上位机的问题。

Description

一种低功耗数据记录及高速数据传输装置

技术领域

本实用新型涉及数据采集记录及传输领域，特别是涉及一种低功耗数据记录及高速数据传输装置。

背景技术

数据的采集记录及后续处理是传感器技术的基本应用，这些传感器一般通过电池供电，要求具有很低的运行功耗，以实现长时间的数据采集。对于某些的监测对象，需要进行连续的数据记录，在采样率和数据精度比较高的情况下，采集过程中会产生较大的数据量。在数据采集结束后通常需要将数据传输到计算机进行处理，这种传输一般通过串口或USB接口进行。对于电池供电的便携式传感器设备来说，需要兼顾数据采集的低功耗以及数据传输的高效率。

目前采用的主要方法是有以下几种：一、使用带USB接口的MCU包括单片机或ARM；二、单片机加上外围USB芯片构成；三、在采集设备设计时采用可弹出或拔插式存储卡。对于方案一，由于低成本低功耗的主控芯片MCU内嵌的USB接口一般为USB低速接口或全速接口，最高传输速度为12Mbps，传输速度比较慢，加上相关传输控制协议，有效数据的传输速度每秒钟小于1M字节，这样对于一次记录数据为1G的数据，全部传输到计算机需要近20分钟，传输效率低，时间长。而具有高速USB接口的MCU一般主频高、综合性能好，但功耗比较大且价格比较贵，在主要功能为数据采集的设备中一般不需要这些丰富的资源，会造成资源浪费。方案二需要外接高速USB接口，为满足高速数据传输，也需要选择主频和性能较高的MCU才能达到较高的速度，MCU将采集设备模拟成一个mass storage外设，在上位机包括计算机、路由器、机顶盒、智能网关的控制下，由MCU读取存储卡中的内容，再按照USB协议将数据传输到计算机或远程设备。由于数据需要MCU中转，采用低功耗低主频MCU一般达不到很高的速度，同时软件及硬件开发工作量都比较大。方案三可以将存储卡拔出来，插入到读卡器中将设备记录的数据传输到计算机，实现数据的高速传输，但目前采用的一些存储卡体积比较小，一次数据读取需要进行拔插两次，操作相对复杂不便，并且经常性的拔插存储卡容易造成接触不良，影响设备的使用寿命。由于存储卡需要拔插操作，也不适合设计成内置方式，这给一些具有特殊要求的设备设计带来不便。

发明内容

本实用新型主要解决问题是传统低功耗主控芯片MCU因不具备高速USB接口从而无法快速将数据传输到上位机，对于连续的数据采集装置，难以处理设备运行的低功耗及大数据量快速传输的高效率两者之间的矛盾。本实用新型提供了一种适用于需要长时间连续数据采集的设备的低功耗数据记录及高速数据传输的装置结构，该设备会产生大量的数据，在采集结束后需要将数据快速传输到本地计算机或通过路由器、智能网关、机顶盒等将设备中的数据读取出来。使该类设备可以使用低功耗低主频的MCU，在记录结束后数据能够快速的进行传输，成本低，效率高，同时开发难度低、兼容性好，整机功耗低，有利于延长电池供电类设备的连续工作时间。

为了实现上述目的，本实用新型采用的一个方案是，提供一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，包括低功耗数据记录采集模块1和上位机数据访问接口模块10，其中：

（1）低功耗数据采集记录模块1，含低功耗数据采集主控芯片4，数据采集外围电路子模块3、数据总线切换接口电路子模块5，存储卡电路子模块6。其中低功耗数据采集主控芯片4可选用低功耗MCU，数据采集部分通过MCU内置ADC接口或数据采集外围电路子模块的A/D转换器完成，数据记录部分通过MCU的数据总线接口通过数据总线切换接口电路子模块5连接到存储卡模块6，将采集的数据记录到存储卡内；

（2）上位机数据访问接口模块10，包括上位机存储卡读写主控芯片7、数据总线切换接口电路子模块5，存储卡电路子模块6，USB接口电路子模块9，上位机读写控制电路电源子模块8。上位机存储卡读写主控芯片7一端通过USB接口电路子模块9连接上位机的USB接口，另一端连接数据总线切换接口电路子模块5，并通过数据总线切换接口电路子模块5连接到存储卡电路子模块6。

本实用新型将数据记录过程与数据传输过程分开，分别由不同的主控芯片来完成，数据采集记录采用低功耗MCU，数据传输采用高性能上位机存储卡读写主控芯片，有利于实现采集过程的低功耗及数据传输过程的高性能。

本实用新型将低功耗数据采集主控芯片MCU与上位机存储卡读写主控芯片通过数据总线切换接口电路子模块进行总线隔离，分时共用一套存贮装置。

在本实用新型中数据采集主控芯片MCU与上位机存储卡读写主控芯片分别独立供电。在数据采集时存储卡与低功耗数据采集主控芯片采用同一电源，便于实现采集过程的低功耗；在和上位机进行数据传输时存储卡使用上位机的USB接口电源进行供电，利于实现高性能。方便实现电池供电的采集装置的电源优化。

在本实用新型中数据采集记录时数据记录格式采用FAT32或FAT16格式，上位机存储卡读写主控芯片采用通用读卡器芯片，在和上位机进行数据通讯时可通过上位机通用驱动程序直接的访问，不用另外编写驱动程序。

本实用新型在该装置连接到上位机后可以通知低功耗数据采集主控MCU，由MCU控制断开数据采集电路电源子模块2对数据总线切换接口电路子模块5以及存储卡电路子模块6的供电，供电统一由上位机端提供。

本实用新型的一种变体为：将本装置分为两个部分，将上位机存储卡读写主控芯片7与上位机读写控制电路电源子模块8以及USB接口电路子模块9单独做成一个独立的上位机数据访问接口子装置；低功耗数据采集记录模块1单独做成一个数据采集子装置。上位机数据访问接口子装置与数据采集子装置通过弹片、测试针或接插件连接在一起，这样可以进一步减小数据采集子装置的体积。

本实用新型的有益效果是：首先，将数据采集与传输分开，分别由低功耗MCU承担数据采集记录工作，由高性能上位机存储卡读写主控芯片控制数据传输，实现了不同工作状态下的低功耗和高性能。本实用新型在结构上采用了数据采集主控芯片MCU与上位机数据传输主控芯片共用一套存储的结构，通过数据总线切换接口芯片连接到同一存储卡。两个主控芯片分别供电，在数据采集过程中低功耗数据采集主控芯片通过数据总线切换接口芯片访问存储卡，将数据以FAT16或FAT32格式记录到存储卡中；在数据采集完毕后将设备通过USB接口连接上位机，此时上位机存储卡读写主控芯片通过多路选择开关访问存储卡，在上位机的驱动程序控制下完成数据的快速访问。该装置数据采集与上位机访问采用不同的主控芯片及电源系统，兼顾了长时间采集的低功耗及采集完毕后数据传输的高效率，该设计尤其适用于电池供电的便携设备采用。

附图说明

图1是本实用新型一种低功耗数据记录及高速数据传输装置的结构框图；

图2是本实用新型一种低功耗数据记录及高速数据传输装置一例实施示意图；

附图中各部件的标记如下：U1-数据采集主控芯片MCU；U2-外部8通道ADC数据采集芯片；U3-数据总线切换接口芯片，4路多路转换开关；U4-上位机存储卡读写主控芯片GL827；U5- microSD卡；U6-USB接口；U7-MOS管；U8-低功耗LDO芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施实例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特点更容易被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

术语说明 U3中的NC1~NC4为常闭触点，NO1~NO4为常开触点，COM1~COM4为开关公共端。

图2是针对一种低功耗数据记录及高速数据传输装置的一种较佳的实施实例图，实现低功耗的多通道心电数据采集记录以及高速数据传输，设备采用电池进行供电。由于心电数据需要的采样率和精度要求较高，在连续一天的使用中会产生较大的数据量，按250Hz采样率、16位精度计算，8通道心电一天产生的数据为345.6M字节，采集的数据需要上传到电脑进行分析，使用MCU自带的USB2.0全速接口传输到计算机大约需要10分钟。对于连续多天的数据传输时间更长，在临床应用中影响数据处理效率。

图2中U1为低功耗数据采集主控芯片MCU ，选用TI的MSP430F5529，这是一款超低功耗单片机，具有多种外设接口，包括USB2.0全速接口；U2为ECG AFE芯片ADS1298，可同步进行8通道心电数据采集，在连续采集模式下，每完成采集一帧数据时/DRDY变为低电平；U3为低功耗多路开关，用于控制两个主控芯片U1和U4对存储卡的访问；U4为上位机存储卡读写主控芯片，采用USB2.0高速读卡器芯片GL827，用于对存储数据的高速读取，其传输速度可以达到480Mbps，该芯片集成了5V-3.3V LDO；U5为存储卡，在数据采集时以SPI方式工作，在数据传输时以SD方式工作；U6为USB接口；U8为MCU供电LDO；U7为MOS管，用于控制U8对U3和U5的供电。

U1的UCB0连接U2的SPI接口，P1.3为具有中断功能的GPIO，连接到U2的/DRDY引脚，U1在/DRDY由高电平变为低电平时发生中断，进行数据的读取。图2中通过多路开关U3来连接TF存储卡U5，其中U3与U5的电源可以由U1的P1.4进行控制。在正常数据采集时，P1.4输出低电平，U7导通，由U8给U3及U5供电，此时USB不连接上位机，C1两端电压为0，IN1-2以及IN3-4两个引脚为低电平，U3的四个常闭开关闭合，COM1~COM4分别与NC1~NC3接通，U1的UCA0与microSD卡按SPI方式连接，可以向microSD卡写入数据。数据以FAT16或FAT32格式写入。

在数据采集结束后，将设备通过USB线插入计算机，U4通过USB供电，VP5为5V，U4内部的电源管理芯片输出VDD_USB为3.3V，给U3、U5供电，同时C1充电，U3的IN1-2以及IN3-4变为高电平，U3的COM1~COM4断开NC1~NC3，转接到NO1~NO3，U4接通microSD卡，计算机可以以U盘方式访问microSD卡。

在本例中，MSP430F5529可以用其他低功耗MCU代替，包括但不限于MSP430系列单片机、传统低功耗51系列单片机以Cortex M系列ARM芯片。数据总线切换接口芯片可以选用低功耗低导通电阻的4位以上SPDT多路选择开关。上位机存储卡读写主控芯片可选用通用的读卡器芯片，对于内部集成了5V-3.3V转换电源的直接使用该电源提供给多路选择开关以及存储卡即可。如果该主控芯片未提供3.3V电源，则需要通过VBUS引脚接入5V-3.3V LDO提供相应的电源。

在连接计算机后U3的IN1-2及IN3-4引脚的电平为高，可以将该电平引入数据采集主控MCU的一个引脚端，这样采集主控MCU可以通过该引脚的电平变化检测到设备连接了计算机。

以上所述仅为本实用新型的实施实例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，可用于低功耗MCU进行连续数据采集，采集完毕后将数据高速传输到计算机或通过路由器、机顶盒、智能网关传输到远程主机，其特征在于，包括低功耗数据采集记录模块(1)和上位机数据访问接口模块(10)，其中低功耗数据采集记录模块(1)包括低功耗数据采集主控芯片(4)、数据采集外围电路子模块(3)、数据总线切换接口电路子模块(5)、存储卡电路子模块(6)、数据采集电路电源子模块(2)，数据采集部分通过低功耗数据采集主控芯片(4)内置的ADC接口或数据采集外围电路子模块(3)的A/D转换器完成，数据记录部分由MCU的数据总线接口通过数据总线切换接口电路子模块(5)连接到存储卡电路子模块(6)；上位机数据访问接口模块(10)包括上位机存储卡读写主控芯片(7)、数据总线切换接口电路子模块(5)、存储卡电路子模块(6)、USB接口电路子模块(9)、上位机读写控制电路电源子模块(8)，其中数据总线切换接口电路子模块(5)与存储卡电路子模块(6) 与低功耗数据采集记录模块(1)中的同名模块共用；上位机存储卡读写主控芯片(7)一端连接上位机USB接口电路子模块(9)，另一端连接数据总线切换接口电路子模块(5)，并通过数据总线切换接口电路子模块(5)连接到存储卡电路子模块(6)。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，将数据记录过程与数据传输过程分开，分别由不同的主控芯片来完成，该装置由低功耗数据采集记录模块(1)和上位机数据访问接口模块(10)两部分组成；低功耗数据采集记录模块(1)采用低功耗MCU，上位机数据访问接口模块(10)采用通用高性能上位机存储卡读写主控芯片(7)。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，低功耗数据采集记录模块(1)和上位机数据访问接口模块(10)对存储卡电路子模块(6)的访问通过数据总线切换接口电路子模块(5)进行隔离，分时共用一套存储装置：在数据采集记录时，低功耗数据采集主控芯片(4)访问存储卡电路子模块(6)，进行数据记录；在和上位机进行数据传输时，低功耗数据采集主控芯片(4)停止对存储卡电路子模块(6)的访问，由上位机存储卡读写主控芯片(7)直接访问存储卡电路子模块(6)，不通过低功耗数据采集主控芯片(4)进行数据转发。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，低功耗数据采集记录模块(1)中的低功耗数据采集主控芯片(4)使用低功耗MCU，在满足数据采样要求的前提下采用较低的频率以中断的方式进行数据采集，以降低运行功耗。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，低功耗数据采集主控芯片(4)与上位机存储卡读写主控芯片(7)分别独立供电，在数据采集时存储卡电路子模块(6)与低功耗数据采集主控芯片(4)采用同一数据采集电路电源子模块(2)，在数据传输时存储卡电路子模块(6)使用上位机读写控制电路电源子模块(8)；其中数据采集电路电源子模块(2)由低功耗 LDO及其外围电路组成，上位机读写控制电路电源子模块(8)由上位机的USB接口电源经降压及稳压后供电。

6.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，数据记录格式采用FAT32或FAT16格式，上位机存储卡读写主控芯片(7)采用通用读卡器芯片，可直接由上位机的访问，不需要另外编写上位机驱动程序。

7.根据权利要求1或权利要求5所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，在设备连接上位机时可以通过电路的不同电平状态切换通知低功耗数据采集主控芯片(4)，低功耗数据采集主控芯片(4)收到通知后控制断开数据采集电路电源子模块(2)对数据总线切换接口电路子模块(5)以及存储卡电路子模块(6)的供电，然后数据总线切换接口电路子模块(5)与存储卡电路子模块(6)的供电统一切换为上位机通过USB接口电路子模块(9)和读写控制电路电源子模块(8)提供。

8.根据权利要求1所述的一种低功耗数据记录及高速数据传输装置，其特征在于，该装置的一种变体描述如下：将本装置分为两个部分，上位机存储卡读写主控芯片(7)与上位机读写控制电路电源子模块(8)以及USB接口电路子模块(9)单独生成一个独立的上位机数据访问接口子装置，低功耗数据采集记录模块(1)作为一个单独的低功耗数据采集子装置，两个子装置之间通过弹片、探针或接插件连接在一起，这样可以进一步减小低功耗数据采集子装置的体积。