CN213934867U - 一种嵌入式多接口数据采集与处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于数据采集与处理终端设备的技术领域，具体地说，涉及一种嵌入式多接口数据采集与处理装置，该装置包括：嵌入式硬件主板和设置在嵌入式硬件主板上的主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台；主嵌入式硬件平台通过CAN‑FD总线与多个子嵌入式硬件平台连接，将每个子嵌入式硬件平台与对应的外部设备连接，将各自采集的数据发送至主嵌入式硬件平台进行处理或响应主嵌入式平台的指令。

Description

一种嵌入式多接口数据采集与处理装置

技术领域

本实用新型属于数据采集与处理终端设备的技术领域，具体地说，涉及一种嵌入式多接口数据采集与处理装置。

背景技术

当前，制造业正处于转型升级的关键时期，新一代的信息技术正与生产制造技术紧密融合，各式各样的物联网应用十分广泛，实现生产设备互联互通已经成为工业自动化的发展趋势。以生产设备作为信息感知的节点，在物联网环境中，分布着数以万计的数据节点，每个节点在工作时间内都在进行数据更新。由于数据信息完全分散，节点支持数据传输协议不尽相同，给数据采集、数据查询带来很大的难度。

在工业自动化、汽车电子、传感器网络等领域，对计算和控制、数据采集、设备间通信等有功能要求，多种不同类型的应用需求通常需要定制化的硬件设计，例如，目前常用的工控设备通信接口有RS-232、RS-485、RS-422、CAN和网络，由于各个接口协议不同，各种通信结构的协议不兼容，使得异构网络之间的操作和信息交互难以进行，带来了制作成本的提高，降低了硬件产品迭代升级速度，因此，目前并没有一种能够支持多接口类型的数据采集与处理设备。

实用新型内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提出了一种嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，该装置包括：嵌入式硬件主板和设置在嵌入式硬件主板上的主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台；主嵌入式硬件平台通过CAN-FD 总线与多个子嵌入式硬件平台连接，将每个子嵌入式硬件平台与对应的外部设备连接，将各自采集的数据发送至主嵌入式硬件平台进行处理或响应主嵌入式平台的指令。

作为上述技术方案的改进之一，所述主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台均为嵌入式硬件平台；

所述嵌入式硬件平台上设置中央处理器，该中央处理器上设置电源及信号双隔离的CAN-FD总线通信接口；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的RS232-RS485-RS422集中式通信接口，用于提供RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式中的任意一种接口电平；

该中央处理器上还连接有具有I2C接口的EEPROM芯片，用于存储嵌入式硬件平台的参数配置数据；

该中央处理器上还连接有具有QSPI接口的Flash芯片，用于存储嵌入式硬件平台在运行过程中的状态数据和日志数据；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第一连接器，用于提供UART接口、I2C接口和SPI接口；中央处理器的TTL电平的UART接口、SPI接口、I2C接口及若干GPIO管脚引出至第一连接器上；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第二连接器，用于提供UART接口、SPI接口和RMII接口；中央处理器的TTL电平的UART接口、SPI接口、RMII 接口及若干GPIO管脚引出至第二连接器上。

作为上述技术方案的改进之一，所述RS232-RS485-RS422集中式通信接口包括多功能接口芯片和第三连接器，该多功能接口芯片的信号侧具有TTL电平的管脚配置在接口侧实现RS232、RS485、RS422中任一种接口电平。

作为上述技术方案的改进之一，所述多功能接口芯片通过与中央处理器相连接的信号侧的管脚配置提供包括RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式的任意一种接口电平，当中央处理器具有多个USART接口时，USARTn表示第n组接口；其具体配置结构如下：

RS232接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为低电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX管脚分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第七管脚，多功能接口芯片的第五管脚和第十四管脚分别作为RS232接口电平的输出和输入；

RS485接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为高电平，通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十二管脚配置为高电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX 管脚分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚；中央处理器的USARTn_DE管脚作为RS485接口的输入/输出控制信号接入多功能接口芯片的第十五管脚，多功能接口芯片的第六管脚和第五管脚作为RS485接口电平的差分输入/输出的正和负；

RS422接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为高电平，通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十二管脚配置为低电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX 管脚分别接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚，多功能接口芯片的第十三管脚和第十四管脚分别为RS422电平的差分输入正和差分输入负，多功能接口芯片的第六管脚和第五管脚分别作为RS422电平的差分输出正和差分输出负；

中央处理器具备管脚复用功能，并且，至少有两个管脚可配置为同一个 USARTn_RX逻辑输入功能，该两个管脚分别连接多功能接口芯片第七管脚和第八管脚。

作为上述技术方案的改进之一，所述电源通过DC/DC变换分为两个电源域，包括：接口电源域和平台电源域；

其中，接口电源域与平台电源域是电气隔离不共地的，所采用的供电模式为隔离式供电。

作为上述技术方案的改进之一，所述中央处理器通过QSPI接口与Flash芯片连接；中央处理器通过I2C接口与EEPROM芯片连接，所述Flash芯片和EEPROM芯片均用于存储数据。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1、本实用新型的装置通过主嵌入式平台的CAN FD总线接口，可以同时连接多个子嵌入式硬件平台，搭建远距离、抗干扰、实时且高速的总线通信系统；该装置中的主嵌入式平台可以通过子嵌入式平台及子嵌入式平台的扩展电路获取分布式的传感器数据，并控制子嵌入式平台扩展电路所连接的控制器如开关；每个子嵌入式硬件平台中的传感器功能或控制器功能迭代升级过程中，仅需重新设计相应的扩展电路，无需更改主体软硬件结构，减少了升级的时间成本和经济成本；当装置需要扩展功能时，可以便捷地通过增加子嵌入式平台及子嵌入式平台扩展电路的数量实现。

2、本实用新型的装置中的嵌入式硬件平台能够支持多种接口扩展和接口功能转换，通过一个集中式接口，能提供RS232、RS485、RS422任意一种接口功能，优化了接口，降低了接口复杂度。

附图说明

图1是本实用新型的一种嵌入式多接口数据采集与处理装置中的嵌入式硬件平台的结构示意图；

图2是本实用新型的一种嵌入式多接口数据转换装置的结构示意图；

图3(a)是CAN-FD总线接口芯片接口电源域供电示意图；

图3(b)是接口电源域向平台电源域隔离变换示意图；

图4是CAN-FD总线接口芯片电源/信号双隔离示意图；

图5是多功能接口芯片电气连接示意图；

图6(a)是多功能接口芯片与中央处理器有干扰连接模式；

图6(b)是多功能接口芯片与中央处理器无干扰连接模式。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，该装置包括：嵌入式硬件工控主板和设置在嵌入式硬件工控主板上的主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台；主嵌入式硬件平台通过CAN-FD总线与多个子嵌入式硬件平台连接，将每个子嵌入式硬件平台与对应的外部设备连接，将各自采集的数据发送至主嵌入式硬件平台进行处理或响应主嵌入式平台的指令。

在本实施例中，如图1所示，所述多个子嵌入式硬件平台的个数为3个，即第一子嵌入式硬件平台，第二子嵌入式硬件平台和第三子嵌入式硬件平台；其中，第一子嵌入式硬件平台通过提供的I2C接口与外部的温度传感器扩展电路相连接，用于采集互联网数据中心(IDC)机房的温度数据；第二子嵌入式硬件平台通过的SPI 接口与外部的湿度传感器扩展电路相连接，用于采集IDC机房的湿度数据；第三子嵌入式硬件平台通过提供的RS485接口与外部的风量调节阀门控制器驱动电路相连接，用于控制机房空调的出风风量；保证IDC机房的正常工作和平稳运行。

其中，所述主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台均为嵌入式硬件平台；

如图2所示，所述嵌入式硬件平台上设置中央处理器，该中央处理器上设置电源及信号双隔离的CAN-FD总线通信接口，用于实现远距离抗干扰通信；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的RS232-RS485-RS422集中式通信接口，用于提供RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式中的任意一种接口电平；

该中央处理器上还连接有具有I2C接口的EEPROM芯片，用于存储嵌入式硬件平台的参数配置数据；

该中央处理器上还连接有具有QSPI接口的Flash芯片，用于存储嵌入式硬件平台在运行过程中的状态数据和日志数据；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第一连接器，用于提供UART接口、I2C接口和SPI接口以及若干GPIO；中央处理器的TTL电平的UART接口、SPI 接口、I2C接口以及若干GPIO管脚引出至第一连接器上，对外提供接口功能扩展，提高了接口功能扩展能力和接口转换能力；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第二连接器，用于提供UART接口、SPI接口和RMII接口以及若干GPIO；中央处理器的TTL电平的UART接口、 SPI接口、RMII接口以及若干GPIO管脚引出至第二连接器上，对外提供接口功能扩展，提高了接口功能扩展能力和接口转换能力。其中，如图2和3(a)、3(b)所示，+5V和+3.3V以及对应的GND也被扩展引出至上述第一连接器和第二连接器上，用于扩展电路的供电。

第一连接器和第二连接器能够实现功能扩展和提供多接口类型转换，便于采集不同数据。其中，多个UART接口、多个SPI接口、I2C接口以及RMII接口作为扩展接口，提高了嵌入式硬件平台的功能扩展能力和接口转换能力。

其中，所述中央处理器为主频高达480MHz的ARM Cortex-M7架构单片机STM32H743VI，其具有双精度的浮点运算单元和DSP指令，内部集成2MB的Flash 以及1MB的RAM，可满足包含数据处理在内的多种应用需求。其中，该中央处理器是嵌入式硬件平台的控制和处理核心，嵌入式硬件平台所提供的功能均需通过该单片机的片上程序实现。

所述电源与信号双隔离的CAN-FD总线通信接口采用ISO1042DW芯片，其具有符合UL 1577标准且长达1分钟的5000VRMS内部隔离，可防止数据总线或者其它电路上的噪声电流进入本地并干扰或损坏敏感电路，配合嵌入式硬件平台的隔离电源设计，可有效的提高嵌入式硬件平台的抗干扰能力。

所述具有QSPI接口的Flash芯片的型号为GD25S512MDFx，提供高达512Mbits 的存储空间，可用于记录嵌入式硬件平台在运行过程中的状态数据和日志数据。

所述具有I2C接口的EEPROM芯片的型号为BL24C512A-PA，提供512kbits的存储空间，可用于存储嵌入式硬件平台的参数配置数据，或记录相对较少的数据。

所述RS232-RS485-RS422集中式通信接口包括：多功能接口芯片和第三连接器；多功能接口芯片的型号为MAX3160EEAP，通过该多功能接口芯片的信号侧具有 TTL电平的管脚配置在接口侧提供RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式的任意一种接口电平，提高了硬件平台的接口集成度，使得电路结构可以更紧凑；

所述RS232-RS485-RS422集中式通信接口还采用同一个第三连接器配合多功能接口芯片满足RS232接口、RS485接口和RS422接口的对外连接要求。

其中，所述RS232-RS485-RS422集中式通信接口通过多功能接口芯片MAX3160EEAP及其连接器实现，其功能配置方法由中央处理器提供，优化了接口设计。多功能接口芯片MAX3160EEAP通过与中央处理器STM32H743VI相连接的信号侧的管脚配置提供包括RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式的任意一种接口电平。如附图5所示，其具体配置结构如下：

RS232接口模式的功能配置结构：中央处理器STM32H743VI通过 PD2_RS_MODE网络信号(即通过GPIO管脚连接的PCB走线)将多功能接口芯片 MAX3160EEAP的第十一管脚配置为低电平，此时，USART2_TX信号和 USART2_RX_232信号分别作为中央处理器STM32H743VI的TTL电平逻辑输出和逻辑输入，并分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第七管脚，多功能接口芯片MAX3160EEAP的第五管脚和第十四管脚分别作为RS232接口电平的输出和输入；

RS485接口模式的功能配置结构：中央处理器STM32H743VI通过 PD2_RS_MODE网络信号(即通过GPIO管脚连接的PCB走线)将多功能接口芯片 MAX3160EEAP的第十一管脚配置为高电平，通过HDPLX网络信号将多功能接口芯片MAX3160EEAP的第十二管脚配置为高电平，此时，USART2_TX信号和USART2_RX422信号分别作为中央处理器STM32H743VI的TTL电平逻辑输出管脚和逻辑输入管脚分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚；USART2_DE管脚作为RS485接口的输入/输出控制信号，接入多功能接口芯片的第十五管脚，多功能接口芯片MAX3160EEAP的第六管脚和第五管脚构成RS485接口电平的差分信号，即差分输入/输出的正和负；

RS422接口模式的功能配置结构：中央处理器STM32H743VI通过 PD2_RS_MODE网络信号(即通过GPIO管脚连接的PCB走线)将多功能接口芯片 MAX3160EEAP的第十一管脚配置为高电平，通过HDPLX网络信号将多功能接口芯片MAX3160EEAP的第十二管脚配置为低电平，此时，USART2_TX和 USART2_RX422信号分别作为中央处理器STM32H743VI的TTL电平逻辑输出和逻辑输入，分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚，多功能接口芯片MAX3160EEAP的第十三管脚和第十四管脚分别为RS422电平的差分输入正和差分输入负，多功能接口芯片MAX3160EEAP的第六管脚和第五管脚分别作为RS422 电平的差分输出正和差分输出负。

其中，在RS232、RS485、RS422各模式下，多功能接口芯片MAX3160EEAP 的TTL电平逻辑输入都是T1IN，对应多功能接口芯片MAX3160EEAP的第十六管脚。如图6(a)、6(b)所示，多功能接口芯片MAX3160EEAP的第十六管脚与中央处理器STM32H743VI的第八十六管脚连接，且STM32H743VI的八十六管脚被配置为USART2_TX功能。但是，在不同模式下，多功能接口芯片MAX3160EEAP的 TTL电平逻辑输出管脚却是不同的，多功能接口芯片MAX3160EEAP配置为RS232 接口模式时，其TTL电平输出为7脚R1OUT，多功能接口芯片MAX3160EEAP配置为RS485或RS422接口模式时，其TTL电平输出为8脚R2OUT。

如果采用附图6(a)所示的多功能接口芯片与中央处理器电路连接方式，由于 7脚R1OUT和8脚R2OUT均为输出，两个输出对应同一个USART2_RX信号输入，势必影响中央处理器STM32H743VI的正常工作。本实用新型中，巧妙的利用了中央处理器STM32H743VI管脚功能可复用的特点解决了多个数据连接同一个输入的问题，具体来说，如附图6(b)所示，由于中央处理器STM32H743VI的87脚也可以像25脚一样配置为USART2_RX功能，因此在电路结构中，将7脚R1OUT连接中央处理器STM32H743VI的25脚，将8脚R2OUT连接中央处理器STM32H743VI 的87脚。根据EEPROM中的配置参数，当使用RS232接口模式功能时，将中央处理器STM32H743VI的25脚配置为USART2_RX功能，将中央处理器STM32H743VI 的87脚配置为GPIO输入；当使用RS485或RS422接口模式功能时，将中央处理器 STM32H743VI的25脚配置为GPIO输入，将中央处理器STM32H743VI的87脚配置为USART2_RX功能。至此，通过中央处理器的功能配置，实现了RS232、RS485、 RS422的集中式接口。

所述电源通过DC/DC变换分为两个电源域，其包括：接口电源域，或称之为外部电源域；平台电源域，或称之为内部电源域；

其中，接口电源域与平台电源域是电气隔离不共地的，所采用的供电模式为隔离式供电，避免引入或减少了外部电源噪声。

具体地，如图3(a)和3(b)所示，VIN/+5VCAN及其对应的AGND(即图3 (a)和3(b)中的三角符号)为接口电源域，即外部电源域；+5V/+3.3V及其对应的GND为平台电源域，即内部电源域，上述两个电源域在电路中不共地，电气隔离。

其中，内部电源+5V是外部电源VIN通过DC/DC隔离电源U7转换而来，+3.3V 是+5V通过线性电源U8转换而来；+5VCAN是VIN通过线性电源U6转换而来。

如图4所示，+5VCAN为CAN-FD总线接口芯片ISO1042DW(即U4)的接口侧管脚供电，U4的信号侧管脚供电采用与STM32H743VI相同的+3.3V。

图3(a)和3(b)，以及图4所示的CAN-FD总线通信接口电路实现了供电、信号双隔离，配合CAN-FD总线通信接口信号的滤波设计，从而可以有效的提高嵌入式硬件平台的抗干扰能力。

中央处理器STM32H743VI通过QSPI接口与Flash芯片GD25S512MDFx连接；中央处理器STM32H743VI通过I2C接口与EEPROM芯片BL24C512A-PA连接，所述Flash芯片和EEPROM芯片均用于存储数据。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，该装置包括：嵌入式硬件主板、设置在嵌入式硬件主板上的主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台；主嵌入式硬件平台通过CAN-FD总线与多个子嵌入式硬件平台连接，每个子嵌入式硬件平台与对应的外部设备连接，将外部设备采集的数据发送至主嵌入式硬件平台进行处理或响应主嵌入式平台的指令。

2.根据权利要求1所述的嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，所述主嵌入式硬件平台和多个子嵌入式硬件平台均为嵌入式硬件平台；

所述嵌入式硬件平台上设置中央处理器，该中央处理器上设置电源及信号双隔离的CAN-FD总线通信接口；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的RS232-RS485-RS422集中式通信接口，用于提供RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式中的任意一种接口电平；

该中央处理器上还连接有具有I2C接口的EEPROM芯片，用于存储嵌入式硬件平台的参数配置数据；

该中央处理器上还连接有具有QSPI接口的Flash芯片，用于存储嵌入式硬件平台在运行过程中的状态数据和日志数据；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第一连接器，用于提供UART接口、I2C接口和SPI接口；中央处理器的TTL电平的UART接口、SPI接口、I2C接口及若干GPIO管脚引出至第一连接器上；

该中央处理器上还连接有便于外部设备连接的第二连接器，用于提供UART接口、SPI接口和RMII接口；中央处理器的TTL电平的UART接口、SPI接口、RMII接口及若干GPIO管脚引出至第二连接器上。

3.根据权利要求2所述的嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，所述RS232-RS485-RS422集中式通信接口包括多功能接口芯片和第三连接器，该多功能接口芯片的信号侧具有TTL电平的管脚配置在接口侧实现RS232、RS485、RS422中任一种接口电平。

4.根据权利要求3所述的嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，所述多功能接口芯片通过与中央处理器相连接的信号侧的管脚配置提供包括RS232接口模式、RS485接口模式或RS422接口模式的任意一种接口电平，当中央处理器具有多个USART接口时，USARTn表示第n组接口；其具体配置结构如下：

RS232接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为低电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX管脚分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第七管脚，多功能接口芯片的第五管脚和第十四管脚分别作为RS232接口电平的输出和输入；

RS485接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为高电平，通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十二管脚配置为高电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX管脚分别对应的接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚；中央处理器的USARTn_DE管脚作为RS485接口的输入/输出控制信号接入多功能接口芯片的第十五管脚，多功能接口芯片的第六管脚和第五管脚作为RS485接口电平的差分输入/输出的正和负；

RS422接口模式的功能配置结构：中央处理器通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十一管脚配置为高电平，通过GPIO管脚将多功能接口芯片的第十二管脚配置为低电平，此时，中央处理器的逻辑输出USARTn_TX管脚和逻辑输入USARTn_RX管脚分别接入多功能接口芯片的第十六管脚和第八管脚，多功能接口芯片的第十三管脚和第十四管脚分别为RS422电平的差分输入正和差分输入负，多功能接口芯片的第六管脚和第五管脚分别作为RS422电平的差分输出正和差分输出负；

中央处理器具备管脚复用功能，并且，至少有两个管脚可配置为同一个USARTn_RX逻辑输入功能，该两个管脚分别连接多功能接口芯片第七管脚和第八管脚。

5.根据权利要求2所述的嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，所述电源通过DC/DC变换分为两个电源域，包括：接口电源域和平台电源域；

其中，接口电源域与平台电源域是电气隔离不共地的，所采用的供电模式为隔离式供电。

6.根据权利要求2所述的嵌入式多接口数据采集与处理装置，其特征在于，所述中央处理器通过QSPI接口与Flash芯片连接；中央处理器通过I2C接口与EEPROM芯片连接，所述Flash芯片和EEPROM芯片均用于存储数据。

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