多功能数据采集模块

多功能数据采集模块（共7篇）

多功能数据采集模块 篇1

0 引言

矿用采集模块是煤矿监控系统的重要设备。煤矿设备众多, 输出信号多种多样, 如频率信号、电流信号、PT100电阻信号、张力应变片信号、电压信号等。这些信号的通道数有时非常少, 如果采用单一功能的采集模块, 则需要配置多个模块, 使得采集模块的总功耗、布线量较大, 价格高, 维护工作量和传输延时大, 响应慢。针对上述问题, 笔者通过分析传感器工作原理, 提出一种能同时采集PT100电阻信号、4～20 mA电流信号、张力应变片信号、频率信号、开入信号, 并具有开漏输出和RS485通信功能的矿用多功能采集模块。

1 采集模块组成及原理

矿用多功能采集模块由CPU模块、RS485通信电路、DC-DC模块、环温测量模块、开关-频率信号输入模块、开关量输出电路、恒流源电路、模拟输入电路、选择控制电路、PGA和AD处理电路等组成, 如图1所示。DC-DC模块负责电源供给;恒流源电路可产生0.5 mA或4 mA电流;模拟输入电路可连接PT100或张力传感器, 还能通过端子选择4～20 mA及0～5 V信号;开关-频率信号输入电路经过光电隔离连接CPU, 由数字滤波实现频率和开关输入信号的同时检测;RS485通信电路采用Modbus RTU模式[1]进行远程监控及参数设置;环温测量模块可用于AD处理后数据的温度补偿。

2 采集模块硬件设计

2.1 CPU模块

矿用多功能采集模块的CPU模块选用CORTEX-M0芯片[2] LPC1114。CORTEX-M0提供了一个简单的指令集, 可以实现确定性行为。其主要特点:时钟频率高达50 MHz, 采用内部RC时, 其精度高达1%;内置嵌套向量中断控制器;内置可在线编程的32 KB FLASH;内置8KB RAM;采用1.8～3.6 V单电源;具有睡眠、深度睡眠、深度断电三种节能模式;串行接口包括2个深度为8的16位SSP (从模式速率达4 Mbit/s) , 1个高速I2C总线 (速率达1 Mbit/s) , 1个深度为16、带Modem及RS485方向控制的UART。

2.2 DC-DC模块

DC-DC模块选用WRFD12S05。该模块可隔离耐压DC500 V, 输入电源为DC9～36 V, 输出为DC5 V。输出电压经SPX1117模块稳压后可得到LPC1114所需的电源。

2.3 AD参考稳压源电路

AD参考稳压源电路如图2所示。

DC5 V经过精密稳压芯片TL431-2.5变成DC2.5 V参考源VR。VR分压产生Vref (MOS开关导通时为2.0 V, 断开时为0.25 V) , 另外VR分压产生的1.25 V作为AD转换芯片的参考电压。

2.4 恒流源及模拟输入电路

恒流源及模拟输入电路[3]如图3所示。其中选择开关需要选用低导通电阻的。

根据运放特性, 有

假设 R1/R2=R4/R3=X, 则有

从式 (1) 及图3可看出, R5两端的电压与输入V1 (Vref) 成正比。取R1=R2=R3=R4=10 kΩ, 则输出电流IL=Vref/R5, 当控制Vref=0.25 V时, 通过选择开关的恒流约为0.5 mA (用于采集PT100信号) ;当控制Vref=2 V时, 通过选择开关的恒流约为4 mA (用于采集电阻应变片信号) 。

2.5 PGA和AD处理电路

PGA和AD处理电路如图4所示。选用16位双通道AD转换芯片MAX1415[4]。该芯片内置可编程增益放大器PGA, 放大倍数可选为1、2、4、8、16、32、64、128;内部振荡器为2.457 6 MHz和1 MHz;采用2.7～3.6 V电压供电, 参考电压为1.0～1.7 V;低功耗, 3 V供电电压下功耗为1 mW, 关断电流为2 μA;具有SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3线串口。

四线制PT100的两线分别连接 S1 (0.5 mA恒流源) 和G1端子, 另两线分别连接P1和G1端子。P1和G1上的微弱电压信号通过8通道选择开关及滤波线路传输到MAX1415, 此时MAX1415的PGA放大倍数选为16, 可得到15位精度的数据。

4～20 mA信号施加在C1端子。通过外部连线分别短接C1、P1和 N1、G1, 51 Ω采样电阻产生200～1 000 mV电压信号, 该信号通过选择开关进入MAX1415, 此时MAX1415的PGA放大倍数选为1。该电路实际可测4～20 mA内任意电流信号。

DC0～5 V信号施加在V1端子。通过外部连线分别短接C1、P1和N1、G1, 在P1、N1两端将产生DC0～500 mV电压信号, 该信号经选择开关进入MAX1415, 此时MAX1415的PGA放大倍数选为2。

采集电阻应变片 (张力传感器) 信号时, 控制恒流源产生4 mA电流。将桥式电阻应变片的电源正连接S1端子, 电源负连接G1端子, 信号正连接P1端子, 信号负连接N1端子, 通过选择开关将电阻应变片的差压信号传递给MAX1415。MAX1415的PGA放大倍数选择为128, 可得到12位精度的数据。如现场对采集数据的精度要求更高, 则需将可选放大部分换成仪用放大电路, 将MAX1415的PGA放大倍数选为8以下即可得到16位精度的数据。

2.6 开关-频率信号输入电路

开关-频率信号输入电路如图5所示。开关-频率信号经简单的RC滤波后进入LPC1114的管脚PIO0_8、PIO0_9。由于开关-频率信号输入电路需要兼容频率信号和开关量信号, 硬件滤波常数不能太大, 因此检测离散开关量输入信号时需要数字滤波以抑制抖动。LPC1114所有IO管脚均可设置为边沿中断, 且运行主频可达50 MHz, 便于测量频率信号。采用双向光耦, 有利于现场灌电流和拉电流开关-频率信号的输入连接。

2.7 开关量输出电路

开关量输出电路如图6所示。开关量输出信号采用光电隔离输出方式, 增强了信号抗电磁干扰的能力。达林顿反向驱动器MC1413增加了输出的驱动能力;0.1 A自恢复保险丝用于避免用户将输出口误接到电源上, 导致电流过大而损毁MC1413。

2.8 RS485通信电路

RS485通信电路如图7所示。TVS3.0 瞬态电压抑制芯片与0.1 A自恢复保险丝用于释放RS485总线上的差模电压及对本电路地的共模电压, 有利于MAX3485可靠工作。120 Ω终端匹配电阻用于在该电路处于通信线路的最远两端时为其提供线路匹配。

3 采集模块软件设计

矿用多功能采集模块的软件采用KEIL C模块化编程方式设计[5], 编程速率高, 软件易于维护和升级。模块软件部分包括模拟信号采集程序、开关-频率信号采集程序、通信程序及输出口程序。其中通信程序采用ModbusRTU[1]协议, 该协议的应用已非常广泛和成熟, 本文不再详述;输出口程序中, 通过设置参数并运行自带的PLC程序, 可实现控制信号的按需输出功能。下面重点介绍模拟信号采集程序和开关-频率信号采集程序的设计。

3.1 模拟信号采集程序

在模拟信号采集程序中, 首先根据各模拟通道的信号配置确定MAX1415的PGA放大倍数, 然后选择相应通道。每个通道采集3次数据, 舍去第一次采集的数据, 取其余2个数据的平均值作为该通道的量化数据。具体的程序流程如图8所示。

3.2 开关-频率信号采集程序

开关-频率信号采集程序完成每个开关-频率通道的频率采集和开关量输入信号判断功能, 流程分别如图9、图10所示。

4 结语

矿用多功能采集模块利用AD转换芯片的PGA实现选择性自动增益控制, 省去了昂贵的仪用放大器, 节约了成本;可接入多种传感器信号, 实现现场PT100、张力、电流、频率等信号的采集功能, 并可由CPU实现输出控制, 减少了现场布线量和采集模块的种类。该模块采用低速率AD转换芯片, 如果转换要求较高, 则需采用高速AD转换芯片。该模块还可通过增加PLC成为一款简单高效的现场控制器。

该模块已应用于汾西水峪地面输送带转运集控系统中, 可检测电动机温度、松合闸信号、电动机电流 (4～20 mA) 、输送带速度 (0～1 000 Hz) 以及作为远程IO控制现场设备。应用结果表明, 该模块性能稳定、可靠。

摘要：针对现有矿用采集模块大多功能单一的问题, 提出了一种矿用多功能采集模块的设计方案, 详细介绍了该模块主要硬件电路和软件程序的设计方法。该模块利用AD转换芯片的可编程增益放大器实现了多种模拟信号接入功能, 采用数字滤波方式实现了频率信号和开关量信号的复用检测, 并实现了CPU输出控制功能。应用结果表明, 该模块可采集多种现场传感器信号, 运行稳定可靠。

关键词：矿用采集模块,多信号采集,可编程增益放大器

参考文献

[1]Modicon公司.Modicon Modbus Protocol ReferenceGuide[EB/OL].[2011-07-05].http://www.download.csdn.net/source/2320569.

[2]广州周立功单片机发展有限公司.LPC1100系列微控制器用户手册[EB/OL].[2011-07-05].http://www.zlgmcu.com/NXP/LPC1000/LPC1100.asp.

[3]几种V/I转换和恒流源电路图的比较[EB/OL].[2011-07-09].http://www.dzsc.com/dzbbs/20070206/20076518177937305.html.

[4]MAX1415/MAX1416 16-Bit, Low-Power, 2-Channels, Sigma-Delta ADCs[EB/OL].[2011-07-09].http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX1415-MAX1416.pdf.

[5]CAMPBELL J.串行通信C程序员指南[M].徐国定, 廖卫东, 译.北京:清华大学出版社, 1990.

地质空间数据系统功能模块分析 篇2

关键词：地质,空间,数据,系统,功能,模块

地质空间数据系统主要由空间数据处理、三维实体建模、可视化设计、空间数据分析和专业模型接口5个字模块建成。

1 空间数据处理

数据输入包括空间数据和属性数据两方面, 空间矢量数据输入包括扫描矢量化、数字化仪输入、鼠标输入及数据导入等, 属性数据信息通过键盘录入和属性数据导入完成。

数据预处理主要包括数据错误检查、误差校正、比例变换和坐标变换等功能模块。错误检查是根据数据建库的各种要求对数据进行自动检查, 将检查结果报告出来。误差校正是根据图形的变形情况, 计算出其校正系数, 然后根据校正系数, 校正变形图形。比例变换包括对处于编辑状态的点、线、面图形的平移、比例和旋转3种变换。

基于钻孔数据、物探信息、地质图、地质构造图以及相关地质资料集成, 系统提供了地质剖面制图CAD, 由于单一地质数据难以准确描述复杂地质现象, 采取了综合一体化、可视化的技术手段, 建立二维地质剖面图, 力图获取精确的地质信息, 为三维空间信息系统的建立提供更加有效的地质依据。剖面设计包括参数设置、剖面定义、剖面建立、剖面扩展、断层推演及钻孔数据关联等操作, 能够在三维空间通过交互式实现复杂剖面模型的建立。拓扑模型主要包括建立点-线、点-面、线-线、线-面以及面-面等各种同构或异构空间对象之间的拓扑关系。编辑工具提供了在三维空间进行点、线、多边形以及面的增加、删除、修改、维护等操作, 采用三维可视化交互式手段, 对空间中的点、线、面进行选择、拾取, 真正实现三维空间的剖面制作功能。

系统提供表格输出、三维显示、统计图、文本输出及打印输出等功能, 原始数据、中间计算生成数据以及最终结果可以图文方式输出。

数据耦合分为两个子模块, 即多源数据耦合模块和面向对象耦合模块。多源数据耦合模块提供目前常用的数据格式间的转换接口, 如Arc View数据转换接口工具, DTM、DEM接口工具, ACCESS数据库接口工具及其他构网软件数据转换模块, 并且通过耦合研究区域多源数据, 完善空间信息处理的方法、提供统一的三维显示通道, 以支持在同一个坐标系中勘探数据的全方位、一体化显示。面向对象耦合包括点类对象、线类对象、多边形类对象、面类对象、体类对象同构或异构数据间的耦合, 为实体模型的建立提供基础。

2 实体建模设计

2.1 面重构

面重构子系统包括空间插值、细化处理、集合运算、区域分割、断层模型和岩层模型功能模块。

目前适合于三维地质建模的插值方法主要有:样条插值、反向距离插值和插值等, 这些方法都有各自的理论模型和特点, 但也有各自的局限性, 因此, 系统需提供多种插值方法以适应不同的应用范围和要求, 并根据研究对象的差异, 经过反复地选择、分析、比较, 最终确定一个最合适的插值方法。系统设计了基于网格的插值自适应细化处理技术, 在数据量较少的情况下, 对由多边形网格拟合的曲面进行光滑处理。

集合运算主要包括实体间的Boslean运算及SSI运算。区域分割包括交互式和区域递归分割两种方式, 以适应不同复杂程度的地质区域分割。

地质构造如褶皱、断层等形成了地质体的空间复杂形态, 使空间模型的建立十分困难, 系统设计了超体元实体模型、断层数学模型、褶皱几何模型等, 使建立三维复杂地质体模型成为可能。

2.2 体重构

体重构子系统包括钻孔模型、线框模型、几何模型、拓扑模型和属性模型。钻孔模型主要完成钻孔岩数据的分析、建立与三维显示。

线框模型是利用约束线建立一系列解释图形, 以表达地质体边界的轮廓, 允许刻画任意空间复杂形状。通常模型采用矢量数据结构, 其表达方式非常自然而灵活, 可以简化建模过程中的许多烦琐细节。

几何模型是关于实体对象空间几何形状的表达, 应依据数据的空间分布及变化特征建立空间几何模型, 系统提供B-reps模型, TIN模型, GRID模型, 六面体、三棱柱体模型以及TIN-TEN集成模型。

拓扑模型是关于实体对象空间几何关系的描述, 反映地质对象之间内在的连接关系, 包括地层间、构造间、地层与构造间的各种关系。建立三维拓扑关系需要依据几何信息和相关的几何规则, 实现基于属性关系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系的微观拓扑结构, 并利用包含多向指针的R-Tree来管理、访问和存取这种复杂的网状结构。

属性模型主要反映地质体的属性特征, 如矿床内品位分布, 储油构造中油、气、水及压力分布, 富水性和质量级别等, 通常应该在几何模型建立的基础上来构建属性模型。属性建模主要包括:建立属性数据库与几何模型间的对应关系;设置对应机理, 确保属性数据库与几何模型中数据一致性;通过使用地质统计学方法或随机模拟方法来预测或估计模型中未知点的属性值等。

3 可视化设计

可视化设计主要实现图形变换、图像处理、光照模型、交互式体系结构设计、空间对象编辑工具、三维模型重构反馈机制、自适应多分辨率模型、纹理映射、虚拟漫游、三维空间信息立体透视显示及动态模拟等。系统采用了 (Open GL Graphics Library) 所提供的强有力的图形函数, 赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力, 可以在三维虚拟世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。

4 空间数据分析

空间数据分析与统计子模块主要包括趋势面分析、立体剖面及栅状图的计算与表示、开挖分析、等值线及其填充分析方法、空间统计分析和储量计算等。空间数据查询子模块包括面向数据库查询和面向图形库查询, 主要完成几何参数查询、空间定位查询和空间关系查询等功能。

5 专业模型接口

专业模型接口提供各专业模型子系统的入口, 包括地下水资源评价, 地下水仿真模拟, 地面沉降、塌陷模拟, 山体滑坡和泥石流模拟等。

针对研究区域的地质特征以及目标设计的要求, 建模系统研究的关键技术是:设计耦合多源地质数据的技术方法, 使所有有效数据成为地质空间模型建立的可利用的、可靠的信息;实现能够准确反映地质数据空间分布特征及内在关系的三维空间地质模型, 作为应用研究的一个基础平台;进行数据库、图形库、知识库与三维动态模拟的系统集成, 是实现三维重构、空间分析等功能的有效方法和途径。

参考文献

[1]陈嶷瑛.基于知识的地质体智能识别及剖面图自动绘制方法研究[D].北京:中国矿业大学, 2008.[1]陈嶷瑛.基于知识的地质体智能识别及剖面图自动绘制方法研究[D].北京:中国矿业大学, 2008.

[2]程平, 程耕国.坡度变化对地下水流影响的数值解析[J].系统仿真学报, 2007:19 (1) 187-189.[2]程平, 程耕国.坡度变化对地下水流影响的数值解析[J].系统仿真学报, 2007:19 (1) 187-189.

[3]龚健雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社, 2001.[3]龚健雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社, 2001.

多功能数据采集模块 篇3

ET-7002是一个以网页为基础的以太I/O模块, 此模块可简易地经由网页浏览器进行模块组态设定和I/O监控。此外拥有网页人机接口功能就不需要具备程序或网页的编写技能, 方便此后工程师在I/O监控上创造动态及更美观的网页。ET-7002可随时随地让使用者便利和安全的存取, 同时也支持Modbus/TCP协议使其完美整合于套装SCADA软件中。

ET-7002是一个多功能模块, 具备3信道模拟输入、6信道数字输入和3信道的继电器输出。模块提供可编程的输入范围在全部的模拟输入通道上, 每一模拟输入通道也可以设定各自的输入范围 (+/-150 mV, +/-500 mV, +/-1 V, +/-5 V+/-10 V, +/-20 mA, 0~20 mA and 4~20 mA) , 并且拥有240Vrms过电压保护功能, 模拟输入可以经由跳线器选择电压或电流输入。ET-7002/PET-7002完全符合RoHS标准, 并具备4kV ESD保护、3 kV突波保护以及2500 VDC的内部隔离。

多功能浮体群多彩模块系列 篇4

一、四棱柱单元体

多功能的浮体群的基础构件, 它为圆弧四棱柱, 有既定的标准等边长宽度和高度, 有很好的四邻融合性, 能够按照设计要求进行拼装和组装, 既可朝纵向延伸, 也可朝横向拓展, 还可朝纵横方向同步推进, 形成宽阔的平面区域。该圆弧四棱柱采用工程塑料或复合材料制造, 形成中空的构型, 具有浮性、均衡、稳性和耐腐蚀性。与木材相比较该圆弧四棱柱拥有良好的抗压、抗弯、抗扭的力学性能, 强度和刚度高, 使用寿命长, 且不消耗宝贵的森林资源, 不破坏自然生态。

二、常规水面建筑

由该圆弧四棱柱单元体组成的平面形状的构件超过单纯平板的构件的力学性能, 具有优良的抗风浪能力, 适合建造江湖浮桥或水面建筑, 也可作为沿海的浮桥或水面建筑使用。圆弧四棱柱单元体模块结构的浮体码头特点是既可水平停靠两艘大中型游艇, 又可垂直停靠多艘小快艇, 综合使用率高。很显然, 该浮体码头既可以作为新开辟的码头使用, 也可以作为老码头补充使用, 还可以作为临时需要的码头被拖轮牵引到目的地使用, 具有灵活、机动的特点 (图1) 。

在旅游休闲观光方面, 该圆弧四棱柱单元体可以根据需要组成模块化结构的浮体游泳池。凡陆地游泳池中所有配套的设施——深水泳池、浅水泳池、冲淋间、更衣室、遮阳伞、躺椅、休闲椅、小卖部等, 浮体游泳池也均拥有。而陆地游泳池中所没有的游艇码头、水面景观台、阳光浴、新鲜空气, 则成为浮体游泳池的特色。

由圆弧四棱柱单元模块围成的浮体游泳池 (图2) , 设有标准的上、下水扶梯, 周边围有护栏。该项设计的优点是不需要建造游泳池的下方建筑的结构体, 既节省材料, 又节省投资;还可一直保持自然活性水体的清洁。

为克服高度差, 方便小艇上岸横向整排停放, 便于人员上下活动码头, 可在浮体码头侧面附加外延模块结构 (图3) 。这样做的优点是能够简化设计, 降低难度, 便于分别制造活动码头和外延模块, 然后完成总装, 工艺性好, 使用维护也不复杂。

生活中往往需要在轮渡口处设置浮体平台, 使它能随潮汐变化同步涨落, 不仅摆渡船有这方面的需求, 而且所提供的浮体平台模块完全可以实现该项功能 (图4) , 并与浮码头及栈桥相配套使用。

三、单体核心模块

组合式模块化的单体均通过模具注塑成形, 使制品达到尺寸、重量、结构、性能的一致性, 不仅符合标准化、通用化要求, 而且适合企业组织批量生产, 保持高效率, 产品质量也有保证。其制品不仅比重轻、浮力较大、而且耐腐蚀、成本低、生产周期短、使用灵活、更能适应多变的技术要求, 满足用户多方面的需要。由于在单体核心模块的制造过程中, 已经事先注入了规定的颜色, 不再需要后续的油漆或喷漆工序, 有利于生产人员的健康和环境保护。

通常, 这种组合式模块化的单元体可以根据不同设计要求和使用需要, 进行组合和组装, 不仅装配简单, 使用灵活, 而且维护方便 (图5) 。其每4个一组进行预装配, 将位于不同高度的4个耳环重叠设置, 对准安装孔 (图5a) ;然后“四位一体”完成组合 (图5b) ;在45度倒角孔内插入短连接栓 (图5c) , 装入弹性垫圈, 拧上螺母;使用转矩扳手辅助拧紧螺栓和螺母, 紧固该组件 (图5d) ;再逆时针旋转45度 (图5e) ;最后安装完毕“四位一体”的组合模块 (图5f) 。

这种组合模块还可以组装成滑道浮体结构 (图6) , 与船体外龙骨形状匹配, 供船舶上下码头使用。此间, 红色模块组合体三面围边, 形成加强体, 蓝色模块组合体居中间, 作为专供船体延纵向滑动的通道使用。考虑到小游艇平时使用、维护保养的实际需要, 模块化结构的浮体码头边缘区还设置了带坡度的滑道, 可牵引游艇上岸, 并供其临时停放 (图7) 。游艇需要下水时, 同样可以经反方向牵引轻松着水。

组合式模块化的浮体码头可以在岸上完成拼装 (图8) 。相邻模块之间及耳环处均插入连接栓、弹性垫圈、螺母, 完成了紧固, 并形成组件。栏杆立柱也可预先装上。

组合式模块化的浮体码头可以先在岸上组装, 然后转移到水面完成总装, 检验合格后才能投入使用。经过总装的模块化结构浮体不仅长度增加, 而且宽度增加、有效面积扩大 (图9) 、浮力增强、稳定性增强, 抗风浪能力也得到增强。

组合式模块化的浮体码头, 可以根据需要加长或缩短, 两侧均可设安全护栏。在主干道纵向延伸的同时, 也可以横向拓展, 扩大其功能区范围 (图10) 。这样, 一方面满足作业需要, 另一方面方便人员通行, 便于业务管理。连片的浮体模块不仅色彩鲜艳, 而且同时将天水一线分割、区别开来, 令人赏心悦目, 有利于观察和识别, 并确保使用安全。

通常, 组合式模块的浮体码头两旁不仅设有护栏, 而且还留有可供摩托艇和小型游艇系留和停靠的泊位 (图11) , 人员上下艇均很轻松、便利。码头边工程塑料材质的护缘, 对艇身也有良好的防护撞击的功能。

四、水域规划应用

模块化结构浮体组合的多分区江边游泳池, 其设计由若干个封闭式和半开放式区域组成, 采取统一进出, 分散活动的方式, 分别满足游泳、游乐两部分群体的实际需要。前者可在封闭泳池中学习游泳和驾驶碰碰船娱乐, 后者则在半开放式区域中练习驾驶水车、摩托艇, 体验踩水球等江面运动。在封闭式区域旁专门设置了若干个遮阳亭, 供人们休息。在结构浮体色彩处理上, 主干道全部为天蓝色, 边缘为橙色 (警告色) , 线条勾勒指示分明, 非常清晰。

模块化结构浮体组合的海边游泳池设计由封闭式和开放式两个区域组成, 分别满足水性好的和水性差的两部分群体的实际需要。前者可在长短条海面泳道中搏击风浪, 畅游或进行比赛, 后者则在封闭泳池中练习和体验海上游泳。在封闭式区域旁专门设置了若干个遮阳伞点或休闲亭, 专供人们休息。

基于GSM模块的多功能报警系统 篇5

1. 单片机概述

单片机是一种集成电路芯片, 是采用超大规模集成电路技术, 把具有数据处理能力的CPU (中央处理器) , RAM (随机存储器) 、ROM (只读存储器) 、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器, A/D转换器等功能模块集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

本系统采用的单片机为AT89S52, AT89S52作为普通51单片机已广泛应用于各种产品中, 其接口简单, 使用方便, 且功能强大, 具有8K在系统可编程Flash存储器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程, 亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。

2. GSM (全球移动通信系统) 模块概述

GSM Modem是一种使用移动通讯系统的调制解调器, 由于GSM Modem内嵌可靠性较高的GSM引擎。标准的串行接口和精简的软件接口协议, 将用户从繁杂的GSM通信标准中解脱出来, 使用方便, 而且公网的数据传输具有通信范围广 (GSM网络基本覆盖全国) , 传输稳定、可靠等特点。因此本设计选用GSM Modem来进行通信。

GSM Modem的主要功能:

a.收发短信;b.借助短信实现远程小批量数据传输;c.语音通话 (GSM电话) ;d.数传模式实现无线实时数据通信;e.无线上网 (自动应答型) 。

3. 三类传感器概述

要实现防盗、防火、防燃气泄漏, 相应的传感器是必不可少的, 而无论是哪种传感器, 其最终输出的都是开关量。

(1) 红外传感器

对于防盗传感器, 本系统采用主动式红外对射传感器, 它相对于传统的被动式热释红外传感器有以下优点:采用多光束综合判断, 极大降低传感器的误报。同时能够实现传感器夜晚也正常工作。

(2) 烟雾传感器

本设计选用离子式烟雾传感器, 该传感器在内外电离室内置有放射源镅241, 电离产生的正、负离子, 在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下, 内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾, 干扰了带电粒子的正常运动, 破坏了内外电离室之间的平衡, 就会引起传感器的电压跳变, 将报警信息送入单片机。离子式烟雾传感器被广泛运用到各种消防报警系统中, 性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

(3) 气体泄漏传感器

本系统选用电化学型气体传感器, 能检测CO, NO, N02, S02等气体, 这样不仅具备了检验煤气泄露的功能, 同时具备了检验空气污染的功能。

二、三大模块的组装和焊接

系统组成框图如图1:

单片机和GSM模块的焊接:

单片机连接GSM模块, 简单来说就是把异步串行通信口的TX和RX连接上, 同时不能忘了接地线。

遇到的两个问题和解决办法:

1.GSM模块的输入输出电平是2.85V, 51系列的电平是5V, 有电压差。在51输出的TX线上串联2K的电阻, 就基本上可以使用。

2. GSM模块本身的电源和SIM卡电路很麻烦, 首先是大多数GSM模块都是用FPC40的接口, 排线的间距只有零点五毫米, 而且是塑料外壳, 焊不好的话工作不稳定。作者在焊接过程中花费了大量的时间保证焊接质量。其次是电源部分, GSM模块的发射电流较大, 最大瞬间电流可达2A!所以电源部分一般要用LM2576这种大电流的DC-DC变换器来提供4V的电压。还有SIM卡部分, SIM卡与GSM模块通信本身就是个复杂的高频过程, SIM卡部分电路也需要精心设计, 虽然只有五根数据线而已。经过以上细致的焊接最终实现了带有SIM卡插槽, FPC40的插槽, 各种抗干扰部分, RS232接口和RS232芯片的GSM模块, 并与单片机相连。

三、系统的工作原理和工程创新意义

1. 系统工作原理

对系统供电后, 初始化时, 不同的传感器中设置了一定的物理量值, 在探测过程中, 如果物理量超标, 传感器就会递送一个变换的电平给单片机, 通过单片机的处理把发送短信的指令送入GSM模块, 通过SIM卡就可以向预设的手里里发送报警短信。整个过程, 从传感器探测出异常到户主收到短信不超过30秒, 可谓真正实现了即时报警的功能。本系统配备有红外传感器, 烟雾传感器和燃气泄漏传感器, 分别实现了防盗, 防火、防燃气泄漏的功能。

2. 工程创新意义

本次设计考虑到家庭报警的需求, 运用单片机, 传感器, 和GSM模块的结合, 实现了智能化即时报警的功能。其中, 最重要的创新点在于, 能够把房屋内的情况通过GSM模块第一时间反映给住户, 以便住户实施及时的补救措施, 即时性强。通过这次设计和工程实践, 强化了对单片机的理解, 熟练掌握了单片机的应用开发, 熟悉了GSM模块, 掌握了GSM模块的功能, 并学会了把GSM模块和单片机结合实现与网络的互联, 提高了产品的即时性。

参考文献

[1]张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社, 1990

[2]涂时亮等.单片机软件设计艺术.重庆:科学文献出版社重庆分社, 1987

[3]周航慈.单片应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社, 1990

[4]Intel Microcontroller Handbook.1985

多功能数据采集模块 篇6

1 CPLD简介

CPLD (Complex Programmable Logic Device) 是一种根据用户需要可自行构造逻辑功能的数字集成电路。它具有编程灵活、集成度高、开发周期短、适用范围广、设计成本低、保密性强等特点, 广泛应用于电子产品的设计和生产中。

CPLD元件主要由许多个逻辑单元组成, 逻辑单元间的相互关系则由可编程的连线架构, 将整个逻辑电路组合而成。由于CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的, 这一特点使其成为时钟模块设计的理想元件。

CPLD的基本设计方法是借助集成开发软件平台 (比如Quartus II) , 用原理图、硬件描述语言等方法输入源代码, 通过软件编译, 生成相应的目标文件, 通过下载电缆将代码传送到目标芯片中, 实现设计的数字系统。

2 有限状态机介绍

有限状态机 (Finite State Machine) 在数字电路设计中应用广泛。它是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。

一般来说, 除了输入和输出部分外, 有限状态机还含一组具有“记忆”功能的寄存器, 这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态, 它们常被称为状态寄存器。在有限状态机中, 状态寄存器的的下一个状态不仅与输入信号有关, 而且还与该寄存器的当前状态有关。

根据有限状态机是否使用输入信号, 分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。

Mealy型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数, 它的输出是在输入变化后立即发生的, 不依赖时钟的同步。

Moore型状态机的输出则仅为当前状态的函数, 这类状态机在输入发生变化时还必须等待时钟的到来, 时钟使状态发生变化时才导致输出的变化, 所以比Mealy型要多等待一个时钟周期。

3 多功能时钟模块的设计

3.1 时钟模块逻辑结构

这里设计的多功能时钟模块, 是一个由有源高频晶振提供时钟源, 由芯片外部提供控制信号的输出多路固定和可调的不同时钟频率信号的时钟模块。

时钟模块由数据接口逻辑与分频电路逻辑组成。其中, 数据接口逻辑主要由接口状态机与数据buffer组成, 分频电路逻辑主要由固定时钟电路与可调时钟电路组成。这里的输入时钟源为100MHz, 固定时钟电路稳定的输出多路固定时钟, 它们的占空比都为50%, 只要没有接收到复位信号, 这几路时钟一直输出;而可调时钟输出clk_t1与clk_t2两路可调时钟, 它们的频率与占空比可根据外部输入的控制信号进行调节。

数据接口通过握手信号线hclk与sclk及数据线接收外部控制信号的指令与参数, 接口状态机能解析指令及装配数据, 数据buffe用来存储外部控制信号传输过来的设置参数。当接口状态机完成某个电路设置参数接收状态之后, 给出相应电路的使能信号, 可调时钟电路然后从数据buffer中调用相应的设置参数, 根据设置参数, 对原时钟进行分频, 得到所需要的输出时钟。

3.2 分频电路的设计

分频电路逻辑的主要作用是对CPLD的100MHz输入时钟计数分频, 输出多路固定频率时钟, 依据数据接口接收的外部输入控制信号传送过来的分频参数与占空比设置参数, 输出clk_t1与clk_t2两路可调时钟信号。这里系统要求的时钟分辨率最小为10ns, 而占空比没有严格的限制, 高电平的保持时间在一定范围即可, 为简化设计, 分频电路采用对100M时钟的整数分频算法。

输出时钟的分频算法的流程图如图5所示, 其中, CLK为输入时钟, rst为复位信号, COUNTER为计数器, CLK_OUT为分频后的输出时钟。

3.3 数据接口的设计

由于要输出clk_t1与clk_t2两路频率与占空比可调的时钟, 需要设计硽一个瘀数据接口, 接收外部控制信号传来的分频参数和占空比参数。这里设定两路输出时钟的周期变化范围从10ns到5秒, 在此区间内要实现可输出任意周期、辨率最小为10ns的时钟, 因此要传的分频参数最大为500000000, 二进制表示至少需要29位, 占空比参数的位数也一样, 因此需要从上位机接收4组29位的数据, 另外, clk_t1和clk_t2两路输出时钟的使能控制也来自外部控制信号。

这里采用了两条握手信号线与8条并行数据线的传输机制, 并定义了传输协议。外部信号作好传输准备之后, 将hclk置高;当CPLD采集到hclk的高电平之后, 将sclk置高, 告知外部信号已经作好接收准备;外部信号采集到sclk的低电平后, 将数据发送出, 然后置低hclk;当CPLD采集到hclk的低电平后, 开始接收数据, 然后将sclk置低, 告知外部信号接收完成;当外部信号采集到sclk的低电平, 将hclk置高, 准备下一轮传送。如此周而复始的进行握手来完成数据的传输。

由于传送的每组数据的位数多达29位, 而数据总线的宽度只有8位, 要对每组数据分拆成4次传送, 数据共有4组;而控制clk_t1和clk_t2工作使能指令有4种状态。这样对于数据接口来说, 共需要应对18种接收状态, 接收完成后还需要组合数据以及解析指令来控制相应时钟的工作状态。为避免指令与数据之间以及每组数据间接收的混淆, 易于实现数据接口的逻辑、在数据接口中使用了有限状态机来控制各种接收状态。

在本设计中, 采用独热码对状态进行编码。

(1) 状态定义

在Verilog HDL代码里, 对数据接口状态机的各种工作状态进行了定义:

其中data1_1表示接收clk_t1时钟分频参数的0-7位, 依此类推, 到data1_4表示接收clk_t1时钟分频参数的24-31位;其它位的接收状态依次类推;data2_1表示接收clk_t1时钟占空比参数的0-7位;data3_1表示接收clk_t1时钟分频参数的0-7位;data4_1表示接收clk_t1时钟占空比参数的0-7位。

(2) 状态转换条件定义

本状态机为Melay型, 状态的转换由当前输入及上一个状态决定。数据接口的状态转换图如图6所示。

当数据接口接收到复位信号时, 状态机的初始状态为ready, 它的下一个状态由data输入的数据决定:

当接收到的输入数据为1时, 下一个状态为data1_1状态, 开始从数据线data上接收clk_t2分频参数的低8位数据, 然后状态依次翻转成data1_2、data1_3、data1_4, 分别接收完其它三组clk_t2的分频参数, 然后状态跳转到data2_1, 开始接收clk_t2的占空比参数, 随着状态依次翻转成data2_2、data2_3、data2_4, 完成clk_t2的占空比参数的接收。完成clk_t2分频参数与占空比参数的接收后, 给出clk_t2分频电路的使能信号, 并将状态跳转为ready。

当接收到的输入数据为2时, 关闭clk_t2分频电路使能信号, 下一个状态保持为ready。

依此类推, 当接收到的输入数据为3和4时, 基本重复1和2的过程。

3.4时钟模块仿真结果

时钟模块的设计全部采用Verilog HDL代码输入, 在QuartusⅡ软件中对其进行了时序仿真, 结果见图7所示, 激励时钟为100M。在仿真中, 用激励信号模拟了上位机的hclk与data信号, 对clk_t1信号进行仿真测试, 设置让其输出对100M时钟进行8分频, 占空比为1/2的时钟。由仿真结果看, 时钟模块能够实现设计功能。

3.5 芯片选型

在QuartusⅡ软件中对时钟模块进行综合编译, 该模块大概占用360个LE单元;大约需要30个外部I/O管脚来实现必要的功能和完成数据传输。这里选用Altera的MaxⅡ系列的EMP570T100C3, 该CPLD拥有570个LE单元, 用户I/O管脚为76个, 完全能满足设计需求, 且为以后的功能升级预留了空间。

4 结束语

该时钟模块设计已经应用于一些医疗和电信产品设计中, 使用效果良好。该设计在时钟输出信号类型、可调时钟频率范围等方面还有很大的变化空间, 在此设计基础上的扩展和改进设计, 一定可以适应更多不同类型电子产品的需要。

参考文献

[1]王诚.Altera FPGA/CPLD设计.高级篇[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

便携式USB接口数据采集模块 篇7

USB-2401数据采集模块具有24位四通道同步的高分辨率, 每通道采样率最高可达1.6 k S/s, 该系列内建多种信号处理电路, 相比目前仅能量测电压信号的插卡式数据采集卡而言, USB数据采集模块可直接对应量测应用中常见的传感器, 包含热电偶 (TC) 、热敏电阻 (RTD) 、荷重元、应变规, 进行温度、应力或应变等量测, 而无需额外的信号处理电路, 节省外接信号调理器的装置成本。

USB-1900系列包含USB-1901/1902/1903模块, 具有16位高分辨率, 最高可达250 k S/s模拟输入采样频率, 提供高性能的A/D和D/A转换, 且更新频率达1 MS/s模拟输出, 其中USB-1903模块内建高精密转换电阻, 可直接量测0至20m A的电流信号。