嵌入式數(shù)據(jù)采集卡的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以滿足采樣頻率至少要大于橋梁自振頻率的四倍的要求，同時(shí)能夠達(dá)到較高的采樣精度。電源電路的輸出端分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU以及485通信模塊，電源電路采用寬壓輸入電源設(shè)計(jì)，傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與主控CPU連接，主控CPU的輸出端與485通信模塊連接，主控CPU連接看門狗電路，485通信模塊的輸出端將數(shù)字量傳輸給工控機(jī)。采用此嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，可以滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需求，精確而快速的采集橋梁相關(guān)形變以及力學(xué)參數(shù)，從而有效獲取橋梁的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)橋梁的健康監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】
嵌入式數(shù)據(jù)采集卡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸控制領(lǐng)域，特別是一種嵌入式數(shù)據(jù)采集卡。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為了采集橋梁相關(guān)形變以及力學(xué)參數(shù)而形成的一套橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測(cè)中需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、裂縫、撓度以及基頻等，需要采集的傳感器信號(hào)多為電壓信號(hào)或者頻率信號(hào)，這些數(shù)據(jù)的采集都需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡來(lái)完成。但由于在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，對(duì)橋梁各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的精度要求比較高，而且有些參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)采集速率、信號(hào)質(zhì)量以及穩(wěn)定性也有一定的要求，因此提出了這種數(shù)據(jù)采集卡，以滿足在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，解決了采樣頻率至少要大于橋梁自振頻率的四倍的問(wèn)題，同時(shí)滿足了橋梁各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)高精度的需求，從而有效獲取橋梁的自振頻率信息和橋梁各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)橋梁的健康監(jiān)測(cè)。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:一種嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，包括采集系統(tǒng)中的傳感器和工控機(jī)，其技術(shù)要點(diǎn)是:嵌入式數(shù)據(jù)采集卡包括了電源電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU、485通信模塊和看門狗電路五部分，其中電源電路的輸出端分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控(PU以及485通信模塊的輸入端，電源電路采用寬壓輸入設(shè)計(jì)，主控CPU電源分為內(nèi)核電以及1電源，且1電源上電時(shí)間晚于內(nèi)核電源的上電時(shí)間，傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)采集端設(shè)置有電容濾波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)采集端采用差分輸入方式，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與主控CHJ連接，主控CPU的輸出端與485通信模塊連接，主控CPU連接看門狗電路，485通信模塊的輸出端將數(shù)字量傳輸給工控機(jī)。
[0005]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)效果是:采用此嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，可以滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集需求，為了得到橋梁的自振頻率，數(shù)據(jù)采集卡可以滿足采樣頻率至少要大于橋梁自振頻率的四倍的要求，同時(shí)滿足了橋梁各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)精度都比較高的需求，從而有效獲取橋梁的自振頻率信息和橋梁各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)橋梁的健康監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[000?]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0007]圖2是本實(shí)用新型內(nèi)部運(yùn)行邏輯示意圖；
[0008]圖3是本實(shí)用新型電源電路中5V電源原理圖；
[0009]圖4是本實(shí)用新型電源電路中3.3V電源原理圖；
[0010]圖5是本實(shí)用新型電源電路中1.9V電源原理圖；
[0011]圖6是本實(shí)用新型電源電路中2.5V參考電壓產(chǎn)生電路圖；
[0012]圖7是本實(shí)用新型模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊原理圖；
[0013]圖8是本實(shí)用新型電容濾波網(wǎng)絡(luò)；
[0014]圖9是本實(shí)用新型看門狗電路原理圖；
[0015]圖10是本實(shí)用新型485通信電路圖；
[0016]圖11是本實(shí)用新型主芯片03?28335的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，包括采集系統(tǒng)中的傳感器和工控機(jī)，其中嵌入式數(shù)據(jù)采集卡包括了電源電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU、485通信模塊和看門狗電路五部分，其中電源電路的輸出端分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU以及485通信模塊的輸入端，電源電路采用寬壓輸入設(shè)計(jì)，主控CPU電源分為內(nèi)核電以及1電源，且1電源上電時(shí)間不早于內(nèi)核電源的上電時(shí)間，傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)采集端設(shè)置有電容濾波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)采集端采用差分輸入方式，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與主控CPU連接，主控(PU的輸出端與485通信模塊連接，主控(PU連接看門狗電路，485通信模塊的輸出端將數(shù)字量傳輸給工控機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)部運(yùn)行邏輯包含四個(gè)部分，分別為初始化、接受命令、判定命令和四個(gè)指令，其中指令一為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單次采集，指令二為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)采集，指令三為設(shè)置采集卡的采集參數(shù)，指令四是終止循環(huán)采集過(guò)程。
[0018]本實(shí)用新型的工作原理如下:由于在工程應(yīng)用中的電源電壓范圍比較大，因此本采集卡電源采用寬壓輸入設(shè)計(jì)，這里選用TPS54331作為輸入電源芯片，其輸入電壓范圍為7V至28V，滿足寬壓輸入要求，此電路為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的5V電壓，電路原理圖如圖3所示，本數(shù)據(jù)采集卡采用主控芯片是TMS320F28335PGFA，此芯片的電源分為內(nèi)核電以及1電源，并且要求1電源上電不得早于內(nèi)核電源的上電時(shí)間，為此本采集卡采用上述1.9V和3.3V兩種電源分別為同時(shí)上電的關(guān)系，具體供電電路如圖4、圖5所示，當(dāng)圖3產(chǎn)生5V電源后，圖4、圖5中電路同時(shí)上電，同時(shí)產(chǎn)生3.3V以及1.9V，以使主控芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài);數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是采集卡的核心部件，它需要一個(gè)精度極高的參考電壓，本設(shè)計(jì)采用ref5025產(chǎn)生參考電壓，具體電路原理圖如圖6;主控CPU采用TI公司的TMS320F28335PGFA，此芯片屬32位浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器及控制器，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的信號(hào)處理，另外，此芯片擁有豐富的外設(shè)接口資源，有利于作為采集卡的主控芯片。
[0019]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)據(jù)采集卡的核心部件，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換的精度、轉(zhuǎn)換速度及其轉(zhuǎn)換質(zhì)量很大程度上依賴于此模塊。本實(shí)用新型選用ADS1256作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，ADS1256是24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其最高每秒可以轉(zhuǎn)換30000次數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型應(yīng)用背景為橋梁自振頻率采集，被監(jiān)測(cè)橋梁的自振頻率一般在IHZ?6HZ之間，這就要求采樣精度大約在50HZ，采樣精度大于16位，因此ADS1256適合此應(yīng)用。但是當(dāng)ADS1256采樣速率較高的時(shí)候其精度會(huì)降低，而采樣速率低的時(shí)候其精度也會(huì)提高，因此本實(shí)用新型選取了一個(gè)精度與速度的平衡點(diǎn)，即每秒鐘7500次采樣，同時(shí)能達(dá)到16位采樣精度，同時(shí)滿足了采樣速率與精度的需求，原理圖如圖7所示，圖中1、2腳為模擬電源電壓，連接到5V電源，3、4引腳為芯片參考電壓，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓其精度十分重要，這里由REF5025提供精度極高的參考電壓，引腳5為信號(hào)采集的接地端，引腳6至13為信號(hào)采集端，本實(shí)用新型采用差分輸入方式，引腳6、引腳7作為一對(duì)差分輸入，引腳8、引腳9作為一對(duì)差分輸入，引腳10、引腳11作為一對(duì)差分輸入，引腳12、引腳13作為一對(duì)差分輸入，共四路信號(hào)采集通道，引腳24為SPI通信的時(shí)鐘引腳，它與主芯片DSP28335的151引腳連接，DSP28335通過(guò)此引腳為其提供SPI通信的時(shí)鐘信號(hào)，圖7中引腳27為數(shù)據(jù)接收引腳，ADS1256通過(guò)此引腳接收DSP28335發(fā)出的控制命令，此引腳與DSP28335的157引腳連接，圖7中22引腳為數(shù)據(jù)輸出引腳，ADS1256轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)此引腳輸出給DSP28335，它與DSP28335的162引腳連接，圖7中引腳21為ADS1256的狀態(tài)指示引腳，當(dāng)ADS1256處于模數(shù)轉(zhuǎn)換或者設(shè)置狀態(tài)時(shí)此引腳輸出高電平，當(dāng)ADS1256轉(zhuǎn)換完畢并且可以輸出數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，此引腳輸出低電平;ADS1256通過(guò)此引腳告知DSP28335自身的工作狀態(tài)，DSP28335以此判定接下來(lái)的工作狀態(tài)，此引腳與DSP28335的165引腳連接，圖7中20引腳為片選信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，ADS1256處于工作狀態(tài)，高電平時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)，此引腳與DSP28335的1751引腳連接；圖7中15引腳為復(fù)位引腳，DSP通過(guò)此引腳復(fù)位ADS1256，它與DSP28335的176引腳連接；圖7中14引腳為直接控制轉(zhuǎn)換引腳，本實(shí)用新型未用到此功能，因此將其置于高電平。另外ADS1256的模擬電源、數(shù)字電源以及參考電壓均利用電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平滑濾波，保證電壓的穩(wěn)定性。由于本實(shí)用新型中所要采集的電壓信號(hào)為低頻信號(hào)，而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在干擾信號(hào)，因此這里采用圖8所示的電容濾波網(wǎng)絡(luò)，這樣可以起到平滑噪聲信號(hào)的作用；另外為了提高采集卡的采集精度，這里采用差分輸入方式，可以有效抑制共模干擾；由于在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集卡會(huì)因?yàn)楦蓴_進(jìn)入異常狀態(tài)，此時(shí)就需要看門狗電路將采集卡復(fù)位，本實(shí)用新型采用SP706作為看門狗主芯片，dsp28335的138腳正常工作時(shí)持續(xù)輸出周期性方波信號(hào)，當(dāng)采集卡處于異常狀態(tài)時(shí)，138腳輸出方波信號(hào)中斷，SP706超過(guò)1.6秒未收到方波信號(hào)時(shí)，就會(huì)復(fù)位數(shù)據(jù)采集卡，具體看門狗電路如圖9所示;CPU通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊獲取被測(cè)電壓信號(hào)的數(shù)字量后，通過(guò)485通信電路傳輸給工控機(jī)，485通信具有通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，適用于大范圍的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。本實(shí)用新型還采用RSM3485PHT作為通信模塊，如圖10所示，其為自動(dòng)收發(fā)隔離485收發(fā)器，途中3腳為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，為了保證發(fā)送數(shù)據(jù)正常需要將此引腳做上拉，4腳為數(shù)據(jù)接收引腳，二者分別于DSP28335的62引腳、63引腳連接，內(nèi)部通過(guò)電源芯片在7腳輸出5V電壓，同時(shí)此引腳作為9引腳的上拉。引腳10為隔離地，此引腳作為引腳8的下拉。另外為了保護(hù)電路，分別在引腳8、引腳9加了一個(gè)24V的TVS管，以防止靜電擊穿。當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入采集狀態(tài)時(shí)，采集卡會(huì)每20毫秒通過(guò)485通信接口向工控機(jī)上傳一組數(shù)據(jù)，由于485通信為單工通信模式，即收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，而在上傳數(shù)據(jù)過(guò)程中，如果工控機(jī)發(fā)送一組命令，這樣就會(huì)導(dǎo)致采集卡不能正常執(zhí)行該命令，因此CPU檢測(cè)到接收端口有數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)中斷周期性采集模式，待接收數(shù)據(jù)完成后，再對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而保證采集卡與工控機(jī)之間通信無(wú)誤有序的進(jìn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種嵌入式數(shù)據(jù)采集卡，包括采集系統(tǒng)中的傳感器和工控機(jī)，其特征在于:嵌入式數(shù)據(jù)采集卡包括了電源電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU、485通信模塊和看門狗電路五部分，其中電源電路的輸出端分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控CPU以及485通信模塊的輸入端，電源電路采用寬壓輸入設(shè)計(jì)，主控CHJ電源分為內(nèi)核電以及1電源，且1電源上電時(shí)間不早于內(nèi)核電源的上電時(shí)間，傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)采集端設(shè)置有電容濾波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)采集端采用差分輸入方式，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與主控CPU連接，主控CPU的輸出端與485通信模塊連接，主控CPU連接看門狗電路，485通信模塊的輸出端將數(shù)字量傳輸給工控機(jī)。
【文檔編號(hào)】G05B19/04GK205540030SQ201620081568
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月28日
【發(fā)明人】崔凱華, 張冠華, 于傳君, 韓基剛, 侯娜, 梁玉敏, 孫福民, 王秋實(shí), 王佳偉
【申請(qǐng)人】遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院