（电子科学与技术专业论文）多功能混合io模块的设计与实现.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o ni st h em o d e mm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sa 1 1i m p o r c a n tp a r to f e q u i p m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mt ot h ef b n to ft h ed a t as o u r c e i nm a n yc a s e sd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sf o rap a n i c u l a rf 眦c t i o nd e m a l l da 1 1 dd e v e l o p m e n t ，e a c hap a t hc a no n l yaf i x e da p a n i c u l a rs i g n a lc 0 1 1 e c t i o n ，g e n e i - a ll i m i t e d ，a p p l i c a t i o ns c o p en o tw i d e s p r e a d i nt h i sp a p e r ， t h ec o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n ge q u i p m e n ti nc a s e so fv 撕o u sk i n d so fa c q u i s i t i o no r e nn e e d t op r e s s u r e ，n o w ，d i s p l a c e m e n t ，1 i q u i d1 e v e l ，t h es w i t c hq u a n t i t y p u l s eo ft h er e q u i r e m e n t so f d a t a a c q u i s i t i o n ，a i l dc o m b i n e dw i t l lt 1 1 ea d v a n t a g e so fn op 印e rr e c o r d e r ，d e v e l o p e da p o r ta _ b l e ，m u l t i - c h a n n e l ，h i g hp r e c i s i o n ，u n i v e r s a lm u l t i - f h n c t i o nm i x e dd a t ai om o d u l e s ，i n a i l ya c q u i s i t i o nc h a i l i l e lc a i la c l l i e v et oav 撕e 够o fm i x e ds i g n a lc o l l e c t i o n ，a i l dh a v ea n a n a l o go u t p u ta n dt h es w i t c hq u a i l t i t yf - 眦c t i o n ，o u t s i d em ei m p l e m e n t a t i o no fm ec o m p l e t e c o n t l 0 1 ，w i t hal o wc o s tt ot l l em a x i m u ms a t i s 匆a l lh n d so fi n d u s t r i a lc o n t r o la i l dm o n i t o r i n g o c c a s i o n sh i g hp r e c i s i o n ，m u l t i - c h a l l r l e ld a t aa c q u i s i t i o na n d o u t p u tr e q u i r e m e n t s m u l t i f m l c t i o n a lm i x e dd a t ai 0m o d u l e si i lt h eh a r d w a r ec i r c u i t m a i n l yb ym i c r 0 c o n t r o l l e rc i r c u i t ，p o r t 如n c t i o ns w i t c h i l l gc i r c u i t ，m i x e dd a t ai n p u tc i r c u i t ，m i x e dd a t ao u t p u t c i r c u i t ，c a ns e n da n dr e c e i v ec i r c u i ta i l do t h e rp a r t s a c c o r d i n gt ot h em n c t i o no f m u l t i f u n c t i o ns w i t c h i n gc i r c u i tc o d e ，t h es o 小v a r ec o i g u r a i o na n df h n c t i o nc h o i c e ，d on o t n e e dt ob ei nh a r d w a r ec i r c u i to ft h eb i gd oc h a n g e ，t l u o u 曲m es w i t c ho fs 丽t c l l i n gm o d u l e c a i lb en e x i b l et 0s i m u l a t et l l ei n p u t ，s w i t c hi n p u to ro u t p u ta i l di n p u tp u l s e s ，a i l a j o go u t p u ta v a r i e t yo f 觚1 c t i o n ss u c ha sc o i n b i n a t i o n t h r o u 曲t l l ec a nb u sa g r e e m e n t ，m u l t i 一触l c t i o n m i x e dd a t ai om o d u l e sc a nb ec o n n e c t e dt oal a n ，c o n v e l l i e n tr e a l i z ed a t ac o l l e c t i o na i l d t e s te q u i p m e n tc o n 仃o ls y s t e mi sc o m e c t e d ，a 1 1 dc a n b e 、) l ，i d e l yu s e di nt l l ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，m e e tt h eo n s i t e 印p l i c a t i o np r a c t i c a ln e e d s ( 1 ) d e t a i l e dd i s c u s s i o nm u l t i - 觚c t i o ni i l i x e di om o d u l e so ft h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m e ， a 1 1 di n t r o d u c e st l l ei om o d u l e sd e s i g i ln e e d st oa c l l i e v et l l ed e s i 盟i n d e x ( 2 ) t h em i c r o p r o c e s s o rt oa d ic o m p a i l ya d u c 7 0 6 0a sd a t aa c q u i s i t i o na n do u t p u tm i c r o c o n t r o l l e r ，t h ec o m p a i l yl p c1 1c14a st on x pc a nc o n t r o lc o m m u n i c a t i o n sc h i pf o rt h e h a r d w a r ec i r c u i tb a s i s ，a n dd i s c u s s e st i l em u l t i f h n c t i o nm i x e dd a t ai 0m o d u l e se a c hu n i t c i r c u i to fc o m p o n e n ta j l dr e a l i z a i o nm e c h a l l i s m ，a n da n a l y s e st h ep o i r tf 洫c t i o nc o n 6 9 u r a t i o n m o d u l ec i r c u i ta j l dp w mt r a i l s f e r 研n c i p l ea 1 1 a l y s i sa j l dc o n c r e t er e a l i z a t i o n c i r c u i t ； a c c o r d i n gt ot h em i x e dd a t ai n p u ta n do u t p u tc h a n n e ld e s i g ng u i d i n gi d e o l o g y ，f 0 c u so n m o d u l ed e s i g ni ns o r w a r ec o n t r o lm o d em i x e dd a t ai 0r e a l i z a i o np r o c e s s ( 3 ) c o m b i n e d 谢t l lm ec h a m c t e r i s t i c so ft h eh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e ，t or e a l v i e w m d kt os o 行w a r ed e v e l o p m e n tt 0 0 1 s ，b a s e do nt h ea d u c 7 0 6 0o fd a t ac o l l e c t i o na 1 1 do u t p u t l i i 多功能混合i 0 模块的设计与实现 p r o g r a ma n db a s e do nt h el p c 1lc14c a nd r i v e rt w om o s td e t a i l e da n a l v s i st h ei om o d u l e s o ft h es o r w a r e d e s i g nt h o u g h t ，a n dg i v e sp a r to ft h ec o r ep r o g r 锄s o u r c ec o d e ( 4 ) w i t hm u l t i f u n c t i o nm i x e di om o d u l ei ng u a n g z h o ur a i l w a yl o c o m o t i v eg m u po f 0 8 3 2d o m e s t i ci t si n s t a l l a t i o no fl o c o m o t i v en j l l l l i n g e x a m p l ea n a l y s i s ，a n dp r o v et 1 1 e m u l t i 一如n c t i o nd a t ai om o d u l ea n dt h et r a d i t i o n a l 如n c t i o no fas i n g l ed a t aa c q u i s i t i o n m o d u l eo ft h ea d v a n t a g e sc o n l p a r e d k e yw o r d s ：a d u c 7 0 6 0 ；d a t aa c q u i s i t i o n ；c a n b u s ；m i x e di o ；p w m i v 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及应用 第1 章绪论 随着计算机技术的飞速发展，在国防建设、工业生产过程、科学研究等广泛的技术 领域中，计算机测控技术正扮演着越来越重要的角色。然而，外部物理世界的大部分信 息都是连续变化的物理量，如压力、温度、液位、流量、频率、位移等。这些信息经过 传感器，把非电量的物理信号转换成电信号( 电流，电阻或电压信号) 并调理成需要的电 压信号，然后每隔一定的周期对其进行离散采样、量化编码等步骤转化为数字信号，计 算机才能识别和处理这种数字信号，上述过程就是数据采集【l 3 1 。 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它主要研究信息数据的采集、处理、控 制以及存储等，它与传感器技术、计算机技术、信号处理技术一起构成了现代工业监测 技术的基础【j 。数据采集设备可以将抽象的模拟量数字化，进而得出其量值，或对该 模拟量运用信号处理技术做一些分析处理。相比于传统的模拟系统，采用现代数字技术 的数据采集模块具有精度高、稳定性好、采集速度快等特点，推动了以数据采集设备为 基础的数据采集系统向更好更快的方向发展，应用也越来越广泛，如位置、温度、压力、 频率等模拟量的采集，楼宇智能化设计，工业无人值守控制领域。 在生产领域中，此系统可以用来采集，记录和监视生产现场的工艺参数，并为提高 产品质量、降低生产成本提供信息支撑和相应的措施。在科学研究中，大量的动态信号 可以通过数据采集系统来获得，也是研究瞬间物理过程的重要工具。在雷达、地震预报、 气象、通信、航空航天等领域里，此类现场信号具有实时性强、数据量大、数据速率高、 运算量大的特点，需要更高实时、高精度、高速度的数据采集系统。因此，在工程实践 中，数据采集的研究一直备受广泛关注的领域。 目前，传统的8 位单片机由于其处理速度、资源有限等原因，已不能被适用于许多 复杂的设备监测场合。8 位单片机已经逐渐的被1 6 3 2 位的嵌入式m c u ( 微处理器) 取 代，3 2 位的m c u 已成为工业控制设备的核心。在传统的控制系统以及嵌入式多媒体设 备( 视频、音频信号处理) 中，数据采集与处理技术占据了非常重要的地位，是实现各 类现场模拟信号与准数字信号的必要环节。在工业监测应用中，x 8 6 通用处理器的工业 控制计算机系统在高速数据采集领域受到了比较大的限制，而且其成本和功耗也难以掌 控。而基于单片机的数据采集系统由于其有限的系统资源，缓慢的处理速度也很难适应 日益增长的数据采集应用需求。 随着删( a d v a n c e dr i s cm a c h i i l e s ) 技术的推广，嵌入式微控制器升级到了3 2 位， 使得嵌入式领域的发展迎来了一片新的天地，伴随着各种优秀的嵌入式操作系统的出 现，庞大的嵌入式系统设计将变得不再复杂，嵌入式系统的升级和扩展也变得比较容易。 随着互联网应用日益普及1 4 j ，信息共享的程度不断提高，嵌入式设备系统也越来越多的 多功能混合i o 模块的设计与实现 应用到了互联网技术。目前嵌入式系统已经无处不在，从p d a ，家用电器到工业控制监 测现场、仪器、仪表、汽车、通信、航空、航天、消费类产品、军事装备等方面，嵌入 式系统发挥着越来越重要的作用。嵌入式系统带来的工业年产值己超过了l 万亿美元， 它已经成为了信息技术产业争夺的热点之一。 1 2 多功能混合i o 模块的发展现况 数据采集是人们学习和感知客观世界、取得精确定量信息的重要方法，为大型工业 设备运行工作状态监测和故障诊断分析提供精准的数据来源和判断依据。随着微计算机 技术、嵌入式技术以及智能技术等的进步，数据采集技术的发展也得到了不断的提高和 发展。 1 9 5 6 年美国率先研究运用在军事上的侦查数据采集与测试系统，用于许多传统方法 所不能完成的数据采集和监测任务，由此开启了数据采集系统的研究发展之路。到了2 0 世纪6 0 年代的中后期，有批量整套的数据采集产品从国外进口到国内市场。此阶段的 数据采集设备一般属于专用的系统。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的高速发展，产生了计算机与数据采集仪表 相融合的数据采集系统，在发展过程中慢慢分成了两类数采系统【8 ，一类是工业现场数 据采集系统，另一类是实验室数据采集系统。它们使用的总线通信方式有区别，工业现 场数据采集系统的通信方式为串行数据总线传输，而实验室数据采集系统大多采用并行 总线传输数据。 2 0 世纪9 0 年代至今，由于集成印刷电路制造技术的快速发展，诞生了更高性能 的单片数据采集系统d a s 。大规模集成电路与单片机的组合，采用软件进行数据采集 和管理，系统的成本得到降低，节省了采集板的空间体积，功能也得到增强，该阶段数 据采集系统采用非常先进的模块式结构，利用f p g a 、s o c 、d s p 、a r m 等高性能微控 制器，根据监测现场实际的应用需求，结合软件编程并通过简单的模块更改和变换就可 修改系统功能。 目前及今后的一段时间内，数据采集系统采用专用高速a d 芯片、高速a i w 、 f p g a 、d s p 、高速并行总线【5 j 、具有强大的上位机开发系统如l a b v i e w 【7 j 等，逐渐向 高精度、高速化、网络化、模块化、通用化的方向发展。目前已出现采样率可以达到 3 g s p s ，分辨率达到2 2 位，传输存储速率达到5 0 0 m b s 的高性能数采设备，在众多应 用场合如医疗设备( 如c t 核磁共振) 、爆炸检测、变电站自动化和快速生产过程等领 域都得到了广泛的应用，但其较高的成本和价格导致它难以普及于普通工业领域。 另一方面，数据采集系统采用s o c 、a i w 、d s p 等嵌入式微处理器、r s 4 8 5 双绞 线、c a n 总线和p r o f i - b u s 总线等，支持多种通信接口，可广泛运用于工业现场数据采 集和控制等领域。同时，伴随着局域网技术的飞速发展，一个工厂管理层局域网和车间 层局域网的底层设备网络能够连接到一起【6 】，这样可以通过这些网络将多台数采设备有 硕士学位论文 效的联接在一起，实现在线对生产设备运行状态数据的实时采集和监控。 1 3 研究多功能混合i o 模块的意义 c a n ( c o l l 仃o l l e r 心e a n e t ) 中文译名是控制器局部网，属于总线式串行通信网络， 是一种可支持实时控制或分布式控制的串行数据通讯协议，最初是由b o s c h 公司为汽 车的监测、控制系统而设计的，经过多年发展，c a n 总线在楼宇智能控制、工程控制 以及设备在线监测等其他重要领域也得到了广泛的应用和推广。2 0 0 0 年形成了一个由8 个部分组成的i e c 6 1 1 5 8 国际标准。其中包括h a i 盯( h i 曲w a ya d d r e s s a b l er 锄o t e t r a n s d u c 训、l o n w 6 r k s 、p r o f i b u s 、c a n ( c o n 怕1a r e an e 时o r k ) 、基金会场总线( f f ， f o u i l d a t i o nf i e l db u s ) 等【弦1 2 j 。c a n 总线，由于采用了许多独特巧妙的设计和新兴技术， 相比其他的通信总线，c a n 总线具有很好的实时性、可靠性和灵活性。 ( 1 ) 在众多的通信总线中，c a n 总线是其中唯一具有国际标准( i s o 1 1 8 9 8 ) 的现场 总线，2 op a r t a ，p a r tb 是目前规范的版本。 ( 2 ) c a n 总线可以在多主机方式下工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻， 主动地向网上其它节点发送信息，最先访问总线的单元可获得总线控制权，而不分主从， 通讯方式灵活。利用这一特点，可方便地组建多机备份( 冗余) 系统。 ( 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当两个或多个节点同时向网络上同一节 点传送信息时，低优先级的节点首先自动停止发送数据，而高优先级的节点继续传输数 据而不会受到任何的阻碍和干扰，有效避免了总线上的数据冲突。在通信负载很重的情 况下网络也会不受影响的进行数据收发，降低了系统瘫痪的可能性。 ( 4 ) c a n 总线可以一点对多点、点对点、以及全局广播几种方式发送和接收数据， 只需设置相应的报文屏蔽滤波器即可，不需要专门的调度。 ( 5 ) c a n 总线通讯速率在4 0 m 的通信距离内最高可达1 m b p s ，在5 k 1 ) p s 的通讯速率 下其传播的最远距离可达1 0 k m 。 ( 6 ) c a n 总线网络理论上可挂靠的节点数据为2 0 0 0 个，实际可达1 1 0 个。 ( 7 ) c a n 总线采用比较短的报文结构，每一帧可携带8 个有效字节，只需比较短的 时间发送，在发送过程中被干扰的概率低，重新发送时间也比较短。 ( 8 ) c a n 总线节点在出现严重错误时，会自动关闭总线通信，与总线的通讯联系也 会被切断，以防止总线上其他操作受影响。 ( 9 ) c a n 总线报文的每帧信息都含有c r c 校验和其他检错机制，使得数据通信的 准确信和可靠性有很好的保证。 1 4 本文主要研究内容 项目需要完成软硬件的开发以及系统的调试运行，工作量比较大，有必要进行有计 划有条理的研究工作。 多功能混合i 0 模块的设计与实现 ( 1 ) 多功能混合i o 模块的总体设计框架及方案论证 这部分主要讨论多功能混合i o 模块的总体设计思想，包括分析传统数据采集模块 在实际应用中的缺陷、微控制器的与c a n 控制器的选型分析、多功能混合i o 模块的 总体结构框图、混合信号端子具备的功能、各种混合数据信号技术指标五个部分。 ( 2 ) 多功能混合i o 模块的硬件设计与实现 这部分详细介绍了多功能混合i o 模块的硬件实现，本文将分别从混合数据输入通 道、混合数据输出通道、c a n 通信接口电路等功能单元电路详细论述硬件的设计思想 与实现，并从输入输出通道的切换控制、各功能单元电路与微处理器的接口连接、各混 合信号输入输出通道的设计原理这三个方面详细讨论硬件电路的实现。 ( 3 ) 多功能混合i o 模块的软件设计与实现 这部分将从多功能混合i o 模块的各软件模块功能详细分析各功能函数的实现思路 与方法，包括数据采集模块、数据处理模块、端口功能模块、p w m 控制模块、c a n 通 信模块、主程序模块来阐述。 ( 4 ) 多功能混合i o 模块的测试分析 这部分通过以广州铁路集团机务段0 8 3 2 国产大型机械捣固车上的各路传感器信号 量为模拟数据对象对多功能混合i 0 模块各项输入输出功能进行测试，并分析测试数据 结果。 希望通过本文的研究工作，为基于c a n 总线技术的混合数据i o 模块的深入研究 打下一个良好的基础，能使多功能混合i o 模块在汽车、工业控制以及楼宇智能建筑等 领域有更加深入的发展。 4 硕士学位论文 第2 章多功能混合i o 模块总体设计 2 1 多功能混合i 0 模块总体设计的需求分析及技术指标 2 1 1 传统数据采集模块在应用中的不足 目前，基于数据采集模块的数据采集与控制系统在工业领域应用非常广泛。在工业 领域中存在大量远程数据采集与控制系统，它们支撑着工业领域中各种生产环节的正常 运行。具体应用如工厂的水、电、煤气等能源的调度系统，楼宇智能化综合自动化系统 等。但许多数据采集模块功能比较单一，以工业自动化领域著名的研华公司产品为例， 各个i o 模块按信号类型分别设计。常用模块有：8 路模拟量输入模块a d a m 4 0 1 7 、4 路d a 输出模块a d a m _ 4 0 2 4 、7 路d i 及8 路d o 数字信号i o 模块a d a m 4 0 5 0 、2 路计数频率输入模块a d a m 4 0 8 0 和4 路继电器输出模块a d a m 4 0 6 0 等。 在分布式数据采集应用中，众多的数采点分布各处，每个数采点采集的物理量往往 是混合的，既有模拟量也有数字量，既有输入量也有输出量。传统i o 模块功能单一， 在这种应用场合下就需要多个i o 模块，会导致采集设备成本增加、系统可靠性降低和 安装空间紧张等许多问题。 2 1 2 多功能混合i o 模块功能与技术指标 1 多功能混合i 0 模块功能 多功能混合i o 模块是工业大型设备监测系统中最前端的数据来源，要求数据准确 且精度高且实时性好。在工业现场监测中往往需要采集多种类型的混合数据，所以要求 本模块可以同时具有采集模拟量，数字量和开关量多种数据组合的功能，并且可以输出 8 路开关量和4 路模拟量。本模块采用1 6 个接线端子的封装设计，有以下功能特点： ( 1 ) 通过软件的配置可灵活采集多种混合数据，包括模拟量，数字量，开关量，并 最大可输出4 路模拟量或8 路开关量。 ( 2 ) 端口功能可灵活设置，具有量程自适应功能，可以任意设置成多种组合的数据 采集或输出。 ( 3 ) 配备c a n 通信接口，c a n 总线数据通信具有安全、可靠、实时和灵活等特点。 2 多功能混合i o 模块模块技术指标 ( 1 ) 模拟量输入技术指标 对于模拟量输入的实现要用到d 转换，在设计数据采集系统时，a ，d 转换参数 的设置直接影响模块的工作性能。模拟量输入技术指标的确定涉及到以下a d 转换参数 选定： 刖d 转换位数 目前，大多数的a d 转换器的分辨率都达到了1 0 位以上，本模块的的应用场合对监 测数据的精度有比较高的要求，分辨率比较高且失调电压和漂移噪声比较小的a d 转换 多功能混合i o 模块的设计与实现 器采集数据的精度相对会比较准确，且外围电阻的精度也是重要的考量参数。本设计的 a d 转换位数设定为1 6 位。 a d 转换的转换速率 a d 转换从开始启动转换直到输出稳定的数字量，这一过程所耗费的时间就是a d 转换时间。转换时间的倒数就称为转换速率。在现场工业数据采集与控制应用中，数字 信号输入类型一般有开关量、脉冲量等，模拟量信号输入物理量一般有温度、压力、流 量、液位、位移、频率等，其中压力、流量、液位、位移等参量通常由变送器或相关传 感器提供标准的电流或电压，而热电阻、热电偶、热敏电阻等这些器件测量得到温度信 号参量。此类信号在通常情况下变化速度不是很快，无需太高的采集速度，所以本文的 转换速率设计指标定为：8 次每秒( 每次6 通道) 。 a d 转换量程 本文设计要求的量程最大可达士2 4 v ，为扩大其应用范围，可运用于监测m v 级别的 小量程模拟量的场合，所以设计的模拟量输入信号有两种量程范围：士3 0 v 和士3 v 综合以上分析，得到本文模拟量输入的设计技术指标如下： 模拟量要求非隔离6 路单端输入； 输入信号范围：大量程：士3 0 v ，小量程：士3 v ； a d 转换分辨率：1 6 位； 转换速率：8 次每秒( 6 通道每次) ( 2 ) 模拟量输出技术指标 模拟量输出是对工业现场的设备监测对象发送的控制信号，以驱动外部世界的执行 器做出相应动作。为了扩大本模块的应用范围，其技术指标与模拟输入量类似： 输出信号范围：士1 0 v ； 分辨率：1 2 位； 转换速率：最大2 0 次秒 ( 3 ) 开关量输入技术指标 开关量输入就是微处理器采集外部数字信号的过程。外部数字信号高电平在不同场 合有所不同，常见的有3 3 v 、5 v 、1 2 v 、2 4 v 等，低电平一般在o 7 v 以下，因此开关 量具体指标要求如下： 开关量非隔离8 路输入； 开关量输入信号范围： 高电平：+ 3 v + 2 4 v 低电平：不高于l v ( 4 ) 开关量输出技术指标 开关量输出是由微处理器的i o 口输出一个数字量信号，经过驱动电路的功率放大 后再输出至外部执行器控制其动作，外部执行器一般需要较大的驱动电压和电流，所以 硕士学位论文 开关量输出需要有较强的带负载能力。其具体指标要求如下： 开关量非隔离8 路输出； 开关量输出信号： 集电极开路输出或漏极开路输出，最大负载+ 3 0 v 电压，3 0 m a 电流 ( 5 ) 脉冲量输入指标 脉冲传感器输出信号的个数的统计就是脉冲计数量。脉冲传感器产生的脉冲量电平 一般为数字电平，由于传感器的种类繁多，脉冲量高电平电位一般有3 3 v 、5 v 、1 2 v 、 2 4 v 等，低电平一般不高于0 7 v ，其具体指标要求如下： 2 路输入； 计数器位数：3 2 位； 高电平：+ 3 v + 3 0 v ； 低电平：不高于1 v 2 2 多功能混合i o 模块总体设计方案 本模块的设计要求是同一模块能够同时采集和输出多种类型的混合信号组合，且端 口功能可灵活设置，工程师根据现场应用要求，无需另行增加不同的模块就可自行设置 端口功能，采集或输出需要的数据类型。 图2 1 为本模块的整体设计方案，主要由输入输出通道切换电路，采集或输出信号 调理电路，m c u 主控模块，电源模块和c a n 协议实现电路组成。输入输出切换电路的 作用是根据现场的具体应用情况来设置本模块是采集还是输出数据。信号采集通道为信 号调理电路，作用是将传感器输出的模拟量，开关量或脉冲量等电压信号匹配为处理器 能够识别的电平信号，信号输出通道是将处理器输出的控制信号经电平转换，放大后输 出给外部世界，以驱动物理世界做出相应动作。m c u 主控模块为整个模块的数据处理 中心，它将采集到的各个数据打包成c a n 协议帧，通过c a n 接口通信电路上传至监测 主站，并接收和解析主站发回的应答或控制命令，通过信号输出通道发送至物理世界， 驱动执行器做出相应动作。电源模块的作用是供给各个单元电路稳定低纹波的电源输 出，以保证各单元电路稳定正常的工作。c a n 通信电路是c a n 协议实现电路，在物理 层上保证c a n 总线电平与m c u 识别电平的转换和匹配。 图2 1 模块整体设计图 多功能混合i o 模块的设计与实现 结合本文的设计要求，从以下几个角度考虑来实现本方案： ( 1 ) 信号采集微控制器的选择 本模块监测的场合为低速高精度数据采集，需要一款高精度的混合信号采集处理 器，a d u c 7 0 6 0 芯片是一款删7 内核的模拟精密微控制器，内嵌1 0 通道1 6 位高分 辨率a ，d 转换器，最大转换速率可设置为8 k h z ，使用它可取代大量的模拟器件，简化 系统设计，提高可靠性。为了达到模块量程自适应的目的，用2 片a d u c 7 0 6 0 分别采集 两种量程的模拟量，每片采集6 路同种模拟量，用通道数的冗余达到量程的白适应。 ( 2 ) c a n 通信控制器的选择 从具体设计指标出发，考虑到目前c a n 总线接口电路的设计方法有两种：1 ) 微控制 器与分立的c a n 控制器；2 1 带片内c a n 控制器的微控制器。 分立的c a n 控制器的设计方案比较灵活但电路实现较复杂。常用的微控制器基本 上都能兼容和匹配与c a n 控制器接口 1 3 】，这些微控制器有8 0 5 1 系列的，如i n t e l 公 司的8 7 系列、a t m e l 公司的a t 8 9 系列、p h i l i p s 公司的p 8 7 系列等等，分立的c a n 控制器与集成有c a n 控制器的微控制器相比，选择范围较窄，目前只有s i m e n s 公司 的8 l c 9 0 9 1 、p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 、p c a 8 2 c 2 0 0 、i n t e l 公司的8 2 5 2 6 、8 2 5 2 7 等 产品。 带片内c a n 控制器的微控制器的设计方案，无需很复杂的外围设计电路。c a n 控 制器作为一个寄存器模块集成在一片微控制器的内部，且与独立的c a n 控制器在接口 协议规范上完全相同。目前应用比较广泛的带片内c a n 控制器的微控制器有 m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 x 4 ，s i l i c o nl a b s 公司的c 8 0 5 1 f 0 4 0 以及p h i l i p s 公司的 p 8 x c 5 9 2 、p 8 7 c 5 9 1 等。 第二种设计方案相比于第一种方案，硬件成本要高一些，但是具有很大的扩展功能。 而且相对于分立芯片，系统运行的稳定性得到了提高。针对工业设备监测系统比较复杂 的应用要求，提高模块的通用性与稳定性，并可提供足够的i 0 端口以便功能扩展，笔 者采用了第二种设计方案。经过对多种带片内c a n 控制器的微控制器的研究和对比， 选择了n x p 公司生产的l p c i l c l 4 芯片，它是基于删c o r t e x m o 内核的微控制器， 集成片上c a n2 0 bcc a n 控制器，内嵌c a n 0 p e n 协议，为c a n 接口通信开发提供了 丰富的a p i 函数，降低了开发难度。 ( 3 ) c a n 总线通讯部分的硬件设计 本模块与外部的数据通信是通过c a n 现场总线接口实现的，包括c a n 协议控制器 和c a n 总线收发器。上文所述的l p c i l c l 4 微控制器内嵌有c a n 协议控制器，只需要 外加c a n 总线驱动器就可以实现通讯。c a n 接口主要完成c a n 控制器与c a n 总线之 间的电气连接，根据c a n 协议进行输入输出信号的接收和发送。c a n 总线驱动器选用 t j a l 0 5 0 ，它是一款标准的高速c a n 收发器，是物理总线和控制器区域网络( c a n ) 协议 控制器之间的接口，能够给c a n 控制器提供差动收发性能。 硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要讨论了多功能混合i o 模块的总体设计思想，从分析传统数据采集模块在 实际应用中的缺陷、微控制器的与c a n 控制器的选型分析、多功能混合i o 模块的总 体结构框图、端口功能配置机理、各种混合信号技术指标五个部分进行了详细的阐述。 9 多功能混合i o 模块的设计与实现 第3 章多功能混合i o 模块硬件设计 硬件电路是多功能混合i o 模块的工作基础，其设计的合理性将直接影响到数据采 集和监控系统对外部物理世界的监测与控制的可靠性，从而关系到监测设备的运行稳定 性和安全性。 多功能混合i o 模块包括模拟量输入、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入、c a n 协议实现以及外围端口功能切换等实现单元。目前市场上有许多按采集信号类型分类的 模拟量输入c a n 模块、脉冲量输入c a n 模块、开关量输入输出c a n 模块，但是端口 功能可灵活设置的多功能混合i o 模块的设计还是空白。本设计的创新点是可采集多类 型混合数据，同时也是本文和本章的重点和难点。本章将从各功能模块详细分析硬件的 设计与实现。 3 1 外围端口与混合数据组合配置 本模块采用1 6 接线端子封装，设计时需要根据硬件电路和物理世界电气特性合理 分配和复合使用接线端子。接线端子数量为1 6 ，i o 端子数量为8 个，c a n 总线端子数 量2 个，电源端子数量2 个，其余端子为地。物理世界的状态参数有以下要求： 最多6 路模拟量输入； 最多8 路开关量输入； 最多2 路脉冲量输入； 最多8 路开关量输出； 最多4 路模拟量输出； 每个模块设计为可采集或输出多种混合信号功能，根据主站下发的端口功能配置命 令进行分配，其中模拟量输入输出通道切换电路一般有两种设计方法： 1 ) 使用拨码开关切换。此方法的优点是无功耗，体积小，占用p c b 空间小，方便模 块的安装与维护，缺点是不能用软件编程控制，只能手动配置，操作繁琐。 2 】采用继电器的切换来完成。此设计方法优点是比较方便，可以通过对m c u 软件 编程来远距离自动配置模块功能，缺点是元器件体积比较大，占用空间，不方便模块的 现场安装；随着贴片电子技术的发展，继电器的体积越来越小巧，功耗也随之降低，贴 片式的继电器市面上也有很多可供选择。本设计只有4 路模拟输出，只需4 个继电器即 可完成输入输出通道的切换。本模块采用松下公司的t q 2 h 一5 型继电器，它在吸合状态 只消耗1 0 0 m w 的功率，并且转换速度比较快，达到了2 m s 【1 3 ，满足低功耗的设计要求。 本设计有8 个信号端子，端子通过软件的配置可以任意设置成在监测应用场合所需 要的功能，可设置的端口功能如下： 1 ) 模拟量输入功能； 2 ) 脉冲量输入功能； 1 0 硕士学位论文 3 ) 开关量输入功能； 4 ) 模拟量输出功能； 5 ) 开关量输出功能。 由于本设计端口功能灵活多变，可以采集或输出任意类型组合的混合信号，表3 1 为多功能混合i o 模块在最大路数情况下的典型组合。 表3 1 多功能混合i 0 模块典型组合表 功能组合端口最大利用数的下任意组合，总数为8 路 典型组合l 典型组合2 典型组合3 典型组合4 6 路模拟量输入，2 路开关量输入 8 路开关量输入 4 路模拟量输入、4 路模拟量输出 4 路模拟量输入、2 路开关量输入、2 路脉冲量输入 3 2 基于a d u c 7 0 6 0 数据采集与输出通道设计 数据采集与输出功能都是由a d u c 7 0 6 0 芯片来完成，模块要求设计多种信号输入形 式以适应各种监测应用场合的需要，需要监控的信号主要有模拟量( 输入输出) 、开关 量( 输入输出) 、脉冲量( 输入) 。 图3 1 全功能输入输出通道设计 图3 1 为全功能输入输出通道设计，由于开关量输入指标与小量程模拟量输入范围 差不多，且开关量实质上是一种模拟直流量，所以开关量与小量程模拟量共用同一调 理通道，经过电平转换滤波和保护嵌位后进入a d u c 7 0 6 0 的a d 端口，达到简化通道 数，端口复用的效果。为使本模块端口输入和输出功能可灵活设置，开关量输出，、模 拟量输入通道与模拟量输出通道通过继电器连接至同一信号端子，a d u c 7 0 6 0 的g p i o 端口输出的数字量信号经过漏极开漏驱动后输出至外部执行器。模拟量输出通道与输 入通道通过继电器切换，混合信号输入端与输出端复合连接至a d i o x 端子上。图3 2 为全功能输入输出通道实现电路。 多功能混合i o 模块的设计与实现 图3 2 全功能输入输出通道实现电路 继电器s 0 打在通道1 时，端子a d l 0 0 可输入模拟量、开关量或脉冲量，由于并联 有漏极开漏电路，也可输出开关量，受t v s 管的保护作用，开关输出量不会对模拟量 输入通道的器件性能产生影响。当s o 打在通道2 时，端子a d l 0 0 为模拟量输出端子。 3 2 1a d u c 7 0 6 0 芯片介绍 a d u c 7 0 6 0 是完全集成的8k s p s 、1 6 位数据采集系统，在单芯片内集成高性能多信 道模数转换器( a d c ) 1 6 位3 2 位删7 t d m i m c u 和f 1 a 洲e e 存储器，它由 内置两个差分对或四个单端通道的主a d c 和内置7 个通道的辅助a d c 组成，可以工 作在单端模式或差分输入模式下。片内集成一个单通道缓冲电压输出d a c 。通过编程 可以将d a c 输出范围设置为四种电压范围之一。片内集成4k bs r a m 和3 2k b 非易 失性f l a s h e e 存储器。a r m 7 t d m i 内核将所有存储器和寄存器视为一个线性阵列。此 芯片可广泛应用于工业自动化和控制，智能精密传感器监测系统等领域中。图3 3 为具 体功能框图 a d u c 7 0 6 0 具有以下特性【1 4 ： 模拟输入输出： 单端和差分输入双( 1 6 位) a d c ，可编程a d c 输出速率( 4h z 至81 ( h z ) ，可编程数 1 2 硕士学位论文 字滤波器并内置系统校准。主( 1 6 位) a d c 通道拥有两个差分对或四个单端通道p g a ( 1 至5 1 2 ) 输入级；辅助( 1 6 位) a d c 可以设置为四个差分对或8 个单端通道。模 拟输出为单1 4 位电压输出d a c ； 微控制器： 1 6 位3 2 位r i s c 架构删7 t d m i 内核；j t a g 端口支持代码下载和调试； 内存： 3 2k b ( 1 6k b 1 6 ) f l a s 舱e 存储器，包括2 k b 内核和4 k b ( 1k b 3 2 ) 洲； 支持工具： 在线下载，支持j t a g 调试： 通信接口： 拥有s p i 接口( 5m b p s ) ，4 字节接收和发送f i f o ，u a i 玎串行i o 和1 2 c ( 主从) ； 片内外设： 包括4 个通用( 捕捉) 定时器，唤醒定时器，看门狗定时器，用于f i q 和取q 的矢 量中断控制器，每类中断支持8 种优先级，边沿或电平中断外部引脚输入； 通用输入输出： 最多1 4 个完全兼容3 3 v 的g p i o 引脚； 电源： 筒巾d d v d d 额定电压2 5v ( 士5 ) 图3 3a d u c 7 0 6 0 功能框图 3 2 2m c u 主控模块与外围电路设计 图3 4 为a d u c 7 0 6 0 主控模块电路原理图，m c u 采用4 8 引脚l q f p 封装。此主控 模块包括晶振时钟电路，复位电路，j t a g 调试电路组成。该模块功能是对采集的混合 数据进行a d 转换与处理，再经s p i 接口将采集数据传输至l p c