CN2372723Y - 一种通用的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通用的数据采集装置。由中央处理器单元控制装置的工作状态,通过串行接口单元与显示/键盘单元相连接,通过系统外围电路单元中的系统控制信号单元与微型打印设备和通讯发射设备分别相连接;装置的各系统功能模块均通过系统内部总线与中央处理器单元相连接;整个系统采用系统集成模块化设计、面向任务对象的接口设计、操作智能化设计和系统低功耗设计。适用于复杂环境长期无人值守情况下的数据采集工作。

Description

一种通用的数据采集装置

本实用新型涉及一种数据采集装置，更准确地说，是涉及一种用于生产过程监控、环境监测的通用的数据采集装置。

在目前的数据采集技术领域中，数据采集装置是对某些特定的物理参数进行采集或是对某些特定设备的运行状态进行监测的专用装置。从中不难发现存在的问题，如申请号为91106146.0的专利申请：

a、功能单一，即通用性差，从而提高了设备系统的设计成本。

b、集成度低，即采用分立元件或中小规模集成电路实现，导致设备系统功耗和设备的体积增大，从而不利于设备的调试、安装和系统维护，也降低了系统的可靠性。

c、智能化水平低，无法适用于复杂环境下的数据采集，尤其不适应特殊环境长期无人值守情况下的数据采集工作。

d、可靠性差，常年运行时，容易受环境干扰发生设备系统故障或崩溃。

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，设计一种具有智能化、高集成度、可扩展、结构新颖、数据采集准确、操作和维护简便并且具有远程通讯业务能力的；特别适合于长期无人值守环境下的可靠的通用的数据采集装置。

本实用新型的技术方案为：由中央处理器单元1、系统外围电路单元2、系统时钟单元3、看门狗电路4、串行接口单元5、模拟量输入接口6、系统时间单元7、数字量输入接口单元8、供电接口单元9等构成，其特征在于：由中央处理器单元1控制装置的工作状态，其分别通过供电接口单元9与供电单元13相连接，通过串行接口单元5与显示/键盘单元10相连接，通过系统外围电路单元2中的系统控制信号单元与微型打印设备11和通讯发射设备12分别相连接，实现系统数据、工作参数、监测数据和通讯报文的打印功能；及按照通讯协议将监测数据形成通讯报文，通过通讯发射设备12实现数据远程通讯，或通过有线发射输出接口(如与电话网连接)实现数据传输；看门狗电路4、系统时钟单元3和模拟量输入接口6直接与中央处理器单元1相连接；系统时间单元7、系统外围电路单元2和数字量输入接口单元8均通过系统内部总线与中央处理器单元1相连接，系统外围电路单元2由数据存储器、程序存储器、系统控制信号单元和中、小规模集成电路单元构成。

中央处理器单元1包含一个模/数转换电路单元，实现装置运行管理和模/数转换功能；程序存储器、数据存储器及系统控制信号单元均集成于计算机外围系统设计芯片中，并利用该类型芯片的内部宏单元和通用接口实现计算机外围系统的辅助逻辑功能，如接口电路片选信号、地址锁存信号、打印输出接口、无线发射输出接口和有线发射输出接口等；系统时钟单元3采用温补晶振，其长期稳定度为1.5×10^-6/年；看门狗电路4，在装置运行遇到强干扰而导致软件走飞时使装置系统复位；系统时间单元7为实时时钟芯片，并利用其提供的存储单元存储系统时间和工作参数，在装置受干扰瞬间，实施自动守时并待装置系统复位后可恢复系统时间和工作参数；串行接口单元5与显示/键盘单元10是根据显示窗口的提示并通过键盘设置装置系统工作参数而实现全双工串行通讯；显示/键盘单元10采用即插即用工作方式；供电单元13采用太阳能电池阵供电，或采用直流电源供电；数字量输入接口单元8的设计是实现面向任务对象的数字量输入接口。

用户可以通过显示/键盘单元10上的显示窗口的提示设置装置系统工作参数，包括系统时间、数据采集方式、数据采集时间及时间间隔、数据发射时间及时间间隔。参数设置结束后，装置系统定时进行数据采集和发射。在采集和发射数据的间隙，装置系统将进入执守状态，即装置系统处于低功耗的睡眠状态。

为了最大限度地体现本实用新型的优越性，本实用新型采用了如下的技术方案：

1、超大规模集成电路设计

(1)中央处理器单元：采用十六位总线微处理器作为中央处理器单元，克服八位总线微处理器存在的寄存器和接口资源匮乏、累加器的瓶颈效应、中断恢复现场的软件支出等缺陷，提高了运行处理速度。同时，此类型的微处理器集成了如监视定时器、模/数转换器和高速接口等模块，使之更适应于嵌入式系统。

(2)系统外围电路单元：采用计算机外围系统设计(Periphery SystemDesign)，集程序存储器、数据存储器、系统监控信号和高速接口于一体，且其集成于内部的逻辑宏单元可直接编程以代替中小规模集成电路。

(3)数字量输入接口单元：采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)的设计方案，实现面向任务对象的数字量输入接口设计。

(4)显示/键盘单元：采用显示器和键盘一体化、小型化设计，通过串行接口单元5与中央处理器单元1通讯。

2、低功耗设计

(1)装置系统睡眠工作：在超大规模集成设计中采用的集成电路，均可工作在睡眠或待机模式。

(2)显示/键盘单元节电方式：显示/键盘单元10采用即插即用的工作方式。

3、可靠性设计

(1)看门狗电路：用于监控装置系统电压、可靠的装置系统上电复位，同时在外来于扰时能及时恢复装置系统工作。

(2)接口保护电路：对模拟量输入接口通道和数字量输入接口通道及其它接口通道均增设保护电路，以防止过压、负压、过流等情况对装置系统造成损害。

(3)系统时钟单元和系统时间单元：对长期运行的装置系统，定时的准确非常重要，特别在远程通讯时由于信道资源紧张，少许的守时、定时误差将造成收、发双方的时间错位，从而造成数据丢失。本实用新型使用温补晶振为装置系统提供一个高精度的基准时钟，另外使用实时时钟芯片保存系统时间。本数据采集装置具有较高的定时、守时精度。

4、通用接口设计

(1)模拟量输入接口：作为模拟量输入通道。

(2)数字量输入接口：作为数字量或开关量输入通道。

(3)打印设备接口：连接微型打印设备11。

(4)串行接口：连接显示/键盘单元10和具有串行通讯能力的外设。

(5)通讯发射设备接口：连接通讯发射设备12。

因此，采用超大规模集成设计提高系统集成度，减小装置体积，有利于装置系统调试、安装和维护。低功耗设计使装置系统最大功耗不大于30mA，维持功耗可降至10mA，所以可采用太阳能电池供电，应用于野外作业。可靠性设计特别适用于复杂环境下的长期无人值守工作状态。通用接口设计中数字量接口采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)技术，为接口可扩展性提供了可能。微型打印设备11将打印系统的采集数据、通讯报文，便于现场调试和测试。显示/键盘单元10用于设定和查询装置系统的运行状态。通讯发射设备12可实现与卫星和有线网的数据交换，从而为远程通讯提供了条件。

由上述描述可知，本实用新型具有高集成度、智能化、高可靠性、低功耗等特点，具有完备的数据采集接口。可广泛应用于森林火灾监测预报、大气环境监测、山体或河堤滑坡、海上灯塔运行监视、水文监测等数据采集任务。特别是卫星技术和有线技术的发展，为该数据采集装置的广泛应用提供了广阔的前景和市场。

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的描述。

图1.装置系统硬件结构方框图

图2.装置系统硬件部分电路方框图

图3.数字量输入接口单元电路1方框图

图4.数字量输入接口单元电路2方框图

图5.模拟量输入接口单元电路方框图

图6.供电接口单元电路方框图

图7.微型打印设备电路方框图

图8.通讯发射设备电路方框图

图9.供电单元电路方框图

参照图2本实用新型的中央处理器单元1采用Intel公司的80C196KB芯片，其中包含了模/数转换单元。

系统外围电路单元2采用WSI公司的PSD401A芯片，其中集成了系统的数据存储器和程序存储器，同时由内部逻辑形成的对数字量接口单元8和系统时间单元7的选通信号，出内部宏单元形成的微型打印设备接口逻辑供微型打印设备11使用和通讯设备接口逻辑供通讯发射设备12使用。系统外围电路单元2的数据/地址总线、读脉冲输入、写脉冲输入、地址锁存信号、总线宽度选择逻辑分别连接到Intel 80C196KB对应的端口。

系统时钟单元3由温补晶振和时钟分频链组成。其中温补晶振产生稳定的5MHz时钟信号，被分别连接到Intel 80C196KB时钟输入端和由74HC390组成的分频链电路。经分频链电路产生两路输出，一路为200Hz，接到Intel 80C196KB的低功耗状态的时钟输入端；另一路为1Hz，接Intel 80C196KB的外部中断输入端，为系统的定时、守时中断服务提供驱动。

看门狗电路4采用MAX公司的MAX690芯片。其喂狗输入端接Intel 80C196KB的一个高速输出口，由Intel 80C196KB定时产生喂狗脉冲。看门狗电路4自动监视系统电源和喂狗脉冲，当超过1.6秒没有喂狗操作或电源电压过低时，看门狗电路4将产生复位脉冲，使整个装置复位，从而保证本装置能长期正常地工作。看门狗电路4的复位输出端连接Intel 80C196KB和WSI公司PSD401A1的复位输入端。

串行接口单元5采用MAX公司的ICL232芯片。具有两路串行通道，一路串行通道在Intel 80C196KB的控制下，与显示/键盘单元10实现全双工串行通讯；另一路串行通道可用于与具有串行通讯能力外设的通讯。

模拟量输入接口6经模拟量输入保护电路连接到Intel 80C196KB的模/数转换输入端，由中央处理器单元1控制并形成对应的数字量存储在集成于系统外围电路单元2(PSD401A)的数据存储器中，如图5所示。

系统时间单元7采用DALLAS公司的DS12887实时时钟芯片，其数据/地址总线、读脉冲输入和写脉冲输入分别连接到Intel 80C196KB的相应端口，其复位输入由看门狗电路4(MAX690)提供，其片选输入由系统外围电路单元2(PSD401A)的输出驱动，如图2所示。

数字量输入接口单元8分为两部分，一部分接收数字量信号，采用Xilinx公司的现场可编程逻辑阵列FPGA3130A芯片，其输出连接到Intel 80C186KB的数据/地址总线，片选信号由系统外围电路单元2(PSD401A)驱动，其输入设计为40路数字量通道，由TLP521-4光电耦合器阵列组成的数字量输入保护接口。在装置系统上电复位时，由串行只读存储器(SPROM)对FPGA3130A芯片实施现场加载，如图3所示。一部分接收开关量信号，采用限流电阻和二极管及电容组成的开关量输入保护接口，其输出连接到Intel 80C186KB的端口，如图4所示。

供电接口单元9采用ICL7663和7805作为电源变换器，为5MHz的温补晶振提供+10V电源，并为装置系统中的其它模块提供+5V电源，如图6所示。

显示/键盘单元10采用液晶显示器和微型键盘一体化设计。可通过ICL232提供的串行接口，保持与数据采集装置的通讯；通过液晶显示器和键盘实现查询装置系统运行状态、设置装置系统工作参数、显示被监测数据等功能，如图2所示。

微型打印设备11采用TPμP-T(CH)汉字微型打印机，如图7所示。

通讯发射设备12采用具有卫星数据通讯能力的发射机。同时，可采用有线通讯方式(如通过电话网)实现数据通讯，如图8所示。

供电单元13为数据采集装置提供+12V电源和+5V电源，如图9所示。

装置系统工作过程与原理如下：

对于不同的功能，其工作过程不尽相同，现分别描述如下：

a、装置系统上电、复位、初始化和自检

供电单元13为数据采集装置提供+12V电源和+5V电源，由供电接口单元9(ICL7663、7805)转换成+5V和+10V电源。其中，+10V电源为装置系统时钟单元3中的温补晶振供电，+5V电源为装置系统其它模块供电。

随后，看门狗电路4(MAX690)将中央处理器单元1(Intel 80C196KB)、系统外围电路单元2(PSD401A)和系统时间单元7(DS12887)复位。

然后，在装置系统软件的控制下，依此对系统外围电路单元2(PSD401A)中的系统控制信号单元的初始状态、系统时间单元7(DS12887)的时间参数和串行接口单元5(ICL232)的通讯协议等实施初始化。同时，由串行只读存储器(SPROM)对数字量输入接口单元8(FPGA3130A)实施现场加载。

最后，在装置系统软件的控制下，依此对系统外围电路单元2(PSD401A)中的数据存储器和程序存储器实施状态自检。

b、装置系统工作参数查询、设置

用户操作显示/键盘单元10，通过串行接口单元5(ICL232)与中央处理器单元1(Intel 80C196KB)通讯，查询装置系统工作状态、设置装置系统工作参数。

(1)、装置系统时间：包括日期和时刻参数的设置，并通过中央处理器单元1(Intel 80C196KB)对系统时间单元7(DS12887)的时间参数进行修正。

(2)、数据报文发射模式：包括发射模式、发射时间、发射时间间隔和下次发射时间的设置。用于中央处理器单元1(Intel 80C196KB)组织中断事件表。

(3)、数据采集模式：包括采集数据模式、采集数据时间、采集数据时间间隔和数据通道的开关状态的设置。用于模拟量输入接口和数字量输入接口的状态的设置和中央处理器单元1(Intel 80C196KB)组织中断事件表。

c、数据采集和存储

根据数据采集模式和中断事件表，中央处理器单元1(Intel 80C196KB)通过模/数转换单元和数字量输入接口单元8实施数据采集工作，并按照接口类型和标志将数据存储于系统外围电路单元2(PSD401A)中数据存储器中。

d、数据报文发射

根据数据报文的发射模式和中断事件表，中央处理器单元1(Intel80C196KB)按照报文协议组织数据报文，并通过系统外围电路单元2(PSD401A)中的系统控制信号单元将数据报文发往通讯发射设备12。

e、装置系统工作状态和数据的打印

通过显示/键盘单元10设置所需打印的装置系统工作状态参数和数据(包括数据报文)，由中央处理器单元1(Intel 80C196KB)控制，通过系统外围电路单元2(PSD401A)中的系统控制信号单元将数据发往微型打印设备11。

f、装置系统低功耗运行

通过显示/键盘单元10设置或当中央处理器单元1(Intel 80C196KB)检测到15秒内无键盘键入命令时，将由装置系统执守模块控制中央处理器单元1(Intel 80C196KB)及供电接口单元9(ICL7663)，使装置系统处于低功耗的睡眠状态。由装置系统的中断事件按照设定的时间表唤醒装置系统工作，事件结束后，装置系统自动恢复到睡眠状态。

g、装置系统自恢复

装置系统软件采用加固(如软件陷阱等)措施，当装置受到外界干扰(如电火花实验)时，装置系统软件首先保存当前工作状态，然后可靠地恢复装置系统工作，使装置系统能够长期处于稳定的工作状态。

Claims (10)

1.一种通用的数据采集装置，由中央处理器单元(1)、系统外围电路单元(2)、系统时钟单元(3)、看门狗电路(4)、串行接口单元(5)、模拟量输入接口(6)、系统时间单元(7)、数字量输入接口单元(8)、供电接口单元(9)等构成其特征在于：

由中央处理器单元(1)控制装置的工作状态，其分别通过供电接口单元(9)与供电单元(13)相连接，通过串行接口单元(5)与显示/键盘单元(10)相连接，通过系统外围电路单元(2)中的系统控制信号单元与微型打印设备(11)和通讯发射设备(12)分别相连接；看门狗电路(4)、和模拟量输入接口(6)直接与中央处理器单元(1)相连接；系统时间单元(7)、系统外围电路单元(2)和数字量输入接口单元(8)均通过系统内部总线与中央处理器单元(1)相连接；系统外围电路单元(2)由数据存储器、程序存储器、系统控制信号单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的中央处理器单元(1)实现装置运行管理和模/数转换功能。

3.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的程序存储器、数据存储器及系统控制信号单元均集成于计算机外围系统设计芯片中，并利用该类型芯片的内部宏单元和通用接口实现计算机外围系统的辅助逻辑功能。

4.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的系统时钟单元(3)采用温补晶振，其长期稳定度为1.5×10^-6/年。

5.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的看门狗电路(4)，在装置运行遇到强干扰而导致软件走飞时便装置系统复位。

6.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的系统时间单元(7)为实时时钟芯片，并利用其提供的存储单元存储系统时间和工作参数，在装置系统受干扰瞬间，实施自动守时并待装置系统复位后可恢复系统时间和工作参数。

7.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的串行接口单元(5)与显示/键盘单元(10)是根据显示窗口的提示并通过键盘设置装置系统工作参数而实现全双工串行通讯。

8.根据权利要求1或7所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的显示/键盘单元(10)采用即插即用工作方式。

9.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的供电单元(13)采用太阳能电池阵供电，或采用直流电源供电。

10.根据权利要求1所述的一种通用的数据采集装置，其特征在于所述的数字量输入接口单元(8)的设计是实现面向任务对象的数字量输入接口。

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