專利名稱：基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程檢測模塊，特別涉及一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊。
背景技術(shù)：
工業(yè)現(xiàn)場中許多信號量都是模擬量，如溫度、濕度、濃度、流量等。將傳統(tǒng)的模擬量傳感器和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合，可以大大降低工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的成本，加快其推廣和應(yīng)用。因此，具有底層模擬量數(shù)據(jù)采集能力和以太網(wǎng)總線接口的智能控制節(jié)點(diǎn)是組成工業(yè)以太網(wǎng)的基本部件，智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)是工業(yè)以太網(wǎng)走向具體應(yīng)用的關(guān)鍵。工業(yè)以太網(wǎng)成為新的發(fā)展方向，具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、技術(shù)資源豐富、可靠性高、傳輸速度快、用戶基礎(chǔ)廣泛等顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)正在逐漸向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的傳感器層發(fā)展， 研制具有以太網(wǎng)接口的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)端用戶通過hternet對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行訪問與監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將工業(yè)現(xiàn)場的模擬信號轉(zhuǎn)換成EPA總線信號，模擬輸出設(shè)備和 EPA設(shè)備共存于同一個系統(tǒng)中，便于對模擬信號的監(jiān)控。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊由主控制模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、電源模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，其特征是主控制模塊由ARM處理器芯片、標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路及外圍電路構(gòu)成，ARM處理器芯片與芯片MAX3232連接，標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路與ARM處理器芯片相連，以太網(wǎng)通訊模塊由網(wǎng)絡(luò)變壓器、集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片和RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成，以太網(wǎng)通訊模塊通過MII接口與ARM處理器芯片相連，網(wǎng)絡(luò)變壓器分別與網(wǎng)絡(luò)芯片、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接，通過網(wǎng)絡(luò)變壓器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號與片上通訊信號的隔離；電源模塊為以太網(wǎng)通訊模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊提供電源和參考電壓；AD數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的采集及信號轉(zhuǎn)換。所述主控制模塊中的ARM處理器芯片為AT91SAM7x256 主電路模塊的工作電壓為 3. 3V ；所述標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路與ARM處理器芯片AT91SAM7x256連接作為仿真調(diào)試接口 ；通過芯片MAX3232配備有一個RS232接口。所述以太網(wǎng)通訊模塊中的網(wǎng)絡(luò)芯片為DM9161BIEP ；網(wǎng)絡(luò)變壓器為HR911105A，網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A分別與網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接；主電路模塊電源通過RJ45網(wǎng)線從工業(yè)交換機(jī)的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 4、5腳獲取+24V電源，從7、8腳獲取GND。所述電源模塊采用總線24V供電，利用EUP3410芯片將總線的MV電源轉(zhuǎn)換為5V， 再利用SG2001-3. 3V芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3. 3V固定電壓，為ARM處理器芯片及網(wǎng)絡(luò)芯片 {共 οAD采集端采用RC濾波器對模擬信號進(jìn)行低通濾波，濾除高頻諧波信號。AD數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)采集，對模擬輸入信號進(jìn)行高通和低通濾波，將模擬信號傳送給ARM處理器芯片，ARM處理器芯片對信號進(jìn)行周期性采集及信號處理，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。ARM處理器芯片AT91SAM7X256預(yù)制軟件系統(tǒng)移植有嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II和嵌入式網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)以太網(wǎng)的信息傳輸，利用AT91SAM7X256芯片的ADC模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)8通道模擬信號采集。本發(fā)明的有益效果是將工業(yè)現(xiàn)場的多種模擬信號轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信號，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的基本部件，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)端用戶通過hternet對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行訪問與監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明的ARM處理器芯片電路；
圖3是本發(fā)明的集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片及其外圍電路； 圖4是電源電路及AD數(shù)據(jù)采集電路； 圖5是本發(fā)明的軟件流程圖。
具體實施例方式為了更清楚的理解本發(fā)明，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)描述本發(fā)明
如圖1至4所示，基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊主要由集成有MAC層和網(wǎng)絡(luò)控制器的ARM處理器芯片AT91SAM7x256、集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP、網(wǎng)絡(luò)變壓器 HR911105A、標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路、RS232接口芯片MAX3232、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口及外圍電路構(gòu)成、電源電路、AD信號輸入濾波電路構(gòu)成。主電路模塊的工作電壓是3. 3V，ARM處理器芯片VDDIO端輸入電壓為3. 3V ；ARM 內(nèi)核的工作電壓是1.8V，1.8V電壓由該芯片的VDDOUT輸出，給自身的內(nèi)核供電，CPU的晶振采用的頻率為18. 432MHz ；標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路通過連接ARM處理器芯片AT91SAM7x256實現(xiàn)仿真調(diào)試和程序下載；ARM處理器芯片CPU與網(wǎng)絡(luò)芯片DP83848I通過MII接口實現(xiàn)通信； ARM處理器芯片與RS232芯片MAX3232連接作為上位機(jī)前期調(diào)試接口 ；集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP，其外接晶振為25MHz ；網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A分別與集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接；AD數(shù)據(jù)采集模塊對模擬信號進(jìn)行濾波，與ARM處理器芯片的信號采集接口相連；電路由總線供電，利用EUP3410和SG2001-3. 3V芯片將電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為主控制模塊、以太網(wǎng)通訊模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊供電。圖2是ARM處理器芯片電路，采用AT91SAM7x256，這是一款集成有MAC層和網(wǎng)絡(luò)控制器的ARM芯片。整個芯片的工作電壓是3. 3V，ARM內(nèi)核的工作電壓是1. 8V，1. 8V電壓由該芯片的VDDOUT輸出，給自身的內(nèi)核供電，其余IO部分和外圍設(shè)備控制器是3. 3V供電。CPU的晶振采用18. 432MHz，經(jīng)過PLL控制器分頻倍頻后產(chǎn)生48MHz的頻率作為ARM主頻。仿真調(diào)試部分采用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG電路，可以調(diào)試及下載程序，同時為了方便開發(fā)人員調(diào)試板卡，通過MAX3232配備有一個RS232接口，有助于前期開發(fā)。AT91SAM7x256與網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP通過MII接口實現(xiàn)，MII的接口個數(shù)一共為15個管腳，由AT91SAM7x256利用DMA接口實現(xiàn)MAC層以上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)。如圖3所示，為AD采集信號的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送部分，其中DM9161BIEP為集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片，其外接晶振為25MHz，其通過MII接口與AT91SAM7x256連接。HR911105A為網(wǎng)絡(luò)變壓器，其分別與RJ45網(wǎng)絡(luò)接口和DM9161BIEP連接。RJ45的網(wǎng)絡(luò)接口的4、5腳通過工業(yè)交換機(jī)得到24V電源，7、8腳也與工業(yè)交換機(jī)相連得到GND，實現(xiàn)總線供電。如圖4所示為電源電路及AD數(shù)據(jù)采集電路，由于采用總線24V供電，所以需要 EUP3410芯片，將總線的24V電源轉(zhuǎn)換為5V，再利用SG2001-3. 3V芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3. 3V 固定電壓，為ARM處理器芯片及網(wǎng)絡(luò)芯片供電。AD供8個數(shù)據(jù)采集通道，AD采集端采用RC 濾波器對模擬信號進(jìn)行低通濾波，濾除高頻諧波信號，采集的信號送給 ARM處理器芯片的 AD采集引腳，由ARM處理器芯片進(jìn)行信號采集、濾波，轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)送。如圖5所示為該模塊的軟件流程，系統(tǒng)周期性的采集模擬輸入信號，整個軟件系統(tǒng)移植有嵌入式操作系統(tǒng)UC/OS-II和嵌入式網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并添加以太網(wǎng)協(xié)議報頭進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。在該模塊上電后，程序首先進(jìn)行整個硬件系統(tǒng)的初始化，使能ARM和網(wǎng)絡(luò)芯片，設(shè)置時鐘和外圍控制器，然后初始化嵌入式操作系統(tǒng)UC/OS-II和嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用嵌入式操作系統(tǒng)UC/OS-II設(shè)置AD信號采集時間，周期性的采集輸入信號，根據(jù)參考電壓將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷，對多次采集信號進(jìn)行軟件濾波，發(fā)送信號給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程在轉(zhuǎn)換結(jié)果前添加TCP/IP協(xié)議報頭，發(fā)送到以太網(wǎng)中， 以供遠(yuǎn)程監(jiān)測。 根據(jù)上述說明，結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)可實現(xiàn)本發(fā)明的方案。
權(quán)利要求
1.基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊由主控制模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、電源模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，其特征是主控制模塊由ARM處理器、標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路及外圍電路構(gòu)成，ARM處理器與芯片MAX3232連接，標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路與ARM處理器相連，以太網(wǎng)通訊模塊由網(wǎng)絡(luò)變壓器、集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成，以太網(wǎng)通訊模塊通過MII接口與ARM處理器相連，網(wǎng)絡(luò)變壓器分別與網(wǎng)絡(luò)芯片、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接，通過網(wǎng)絡(luò)變壓器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號與片上通訊信號的隔離；電源模塊為以太網(wǎng)通訊模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊提供電源和參考電壓；AD數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的采集及信號轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，其特征是所述主控制模塊中的ARM控制器為AT91SAM7x256 主電路模塊的工作電壓為3. 3V ；所述標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路與ARM處理器AT91SAM7x256連接作為仿真調(diào)試接口 ；通過芯片MAX3232配備有一個RS232 接口。
3.如權(quán)利要求1所述基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，其特征是所述以太網(wǎng)通訊模塊中的網(wǎng)絡(luò)芯片為DM9161BIEP ；網(wǎng)絡(luò)變壓器為HR911105A，網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A分別與網(wǎng)絡(luò)芯片DM9161BIEP、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口連接；主電路模塊電源通過RJ45網(wǎng)線從工業(yè)交換機(jī)的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 4、5腳獲取+24V電源，從7、8腳獲取GND。
4.如權(quán)利要求1所述基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，其特征是所述電源模塊采用總線24V供電，利用EUP3410芯片將總線的MV電源轉(zhuǎn)換為5V，再利用SG2001-3. 3V 芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3. 3V固定電壓，為ARM處理器及網(wǎng)絡(luò)芯片供電。
5.如權(quán)利要求1所述基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，其特征是:AD采集端采用RC濾波器對模擬信號進(jìn)行低通濾波，濾除高頻諧波信號。
全文摘要
本發(fā)明為基于工業(yè)以太網(wǎng)的模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，由主控制模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、電源模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，主控制模塊由以太網(wǎng)控制器ARM處理器芯片，標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路及外圍電路構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路與ARM處理器相連，以太網(wǎng)通訊模塊由網(wǎng)絡(luò)變壓器、集成PHY層的網(wǎng)絡(luò)芯片和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成，電源模塊為以太網(wǎng)通訊模塊和AD數(shù)據(jù)采集模塊提供電源和參考電壓，AD數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的采集及信號轉(zhuǎn)換，本發(fā)明將工業(yè)現(xiàn)場的多種模擬信號轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)信號，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的基本部件，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)端用戶通過Internet對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行訪問與監(jiān)測。
文檔編號G05B19/042GK102346453SQ20111020742
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者李萌, 馬晶 申請人:中環(huán)天儀股份有限公司