專利名稱：PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種PC/104-P1US多功能數(shù)據采集卡，屬于數(shù)據采集、車載通訊和定 位技術領域。
背景技術：
(1)CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是一種國際標準 的，高性價的現(xiàn)場總線，是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)，并最終 成為國際標準，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經成 為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的標準總線。CAN是一種多主方式的串行 通訊總線，具有較高的實時性能，近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到 重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)
^Ml O(2)RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為 一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂 單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據信號是相對于信號地。所以RS-232適合本地設備之間的通信。(3)GPS是全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)的簡稱，是美國從本世紀 70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全 方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經近使用表明，GPS以全天 候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地 測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源 勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。(4)GPRS是通用無線分組業(yè)務(General Packet RadioService)的簡稱，是一種基 于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。簡單的說，GPRS是一 項高速數(shù)據處理的技術，其方法是以“分組”的形式傳送數(shù)據。網絡容量只在所需時分配， 不要時就釋放，這種發(fā)送方式稱為統(tǒng)計復用。目前，GPRS移動通信網的傳輸速度可達115k/ s。GPRS是在GSM基礎上發(fā)展起來的技術，是介于第二代數(shù)字通信和第三代分組型移動業(yè)務 之間的一種技術。(5)PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，是一種優(yōu)化的、小 型、堆棧式結構的嵌入式控制系統(tǒng)。PC/104與普通PC總線控制系統(tǒng)的主要不同是①小尺寸結構標準模塊的機械尺寸是3. 6X3. 8英寸，即96 X 90mm。②堆棧式連接去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即 PC/104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝 有極好的抗震性。③輕松總線驅動減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅動即可使模塊正常工作， 每個模塊1-2瓦能耗。
現(xiàn)有技術方案現(xiàn)有的技術方案是獨立實現(xiàn)的CAN與RS-232智能轉換卡，和獨立實現(xiàn)的集成GPRS 和GPS的PC/104結構的無線通訊模塊，并沒有將這幾個功能集成在一起的PC/104結構的 板卡。1、現(xiàn)有技術的缺點 (1)現(xiàn)有技術主要是獨立實現(xiàn)的CAN與RS-232智能數(shù)據轉換卡，和獨立實現(xiàn)的集 成GPRS和GPS的PC/104結構的無線通訊模塊，集成度不高。(2)工控機作為車載產品使用時，如果工控機隨著車子啟動或停止而隨時開機或 關機，時間長時會對工控機系統(tǒng)造成毀滅性的傷害，導致工控機無法正常工作。CAN總線數(shù)據與RS-232串行總線數(shù)據智能轉換卡主要實現(xiàn)CAN數(shù)據與RS-232 數(shù)據的智能轉換，能在通常的帶RS-232串口的設備上使用CAN網絡，方便的通過PC或帶 RS-232串口的設備與帶CAN總線的設備通訊。但目前此類板卡只是作為單獨的產品使用。 如果想要通過無線網絡將數(shù)據傳送，還要再另接無線通訊設備。
發(fā)明內容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡。本發(fā)明設計了一款高集成度的PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡(簡稱本板卡)，其 功能主要包括CAN與RS-232智能數(shù)據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關 機，保證系統(tǒng)正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了 GPS全球定位和GPRS無線網 絡模塊。實現(xiàn)了 GPS定位功能和CAN網絡的數(shù)據采集功能，并能將數(shù)據通過GPRS無線網絡 傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數(shù)據信息。本板卡采用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生 熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。此外本板卡作為車載工控產品使用時，實現(xiàn)了讓工控機隨著車子的啟動或停止而 自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡包括CAN與RS-232智能數(shù)據轉換、GPS定 位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統(tǒng)正常運行。其主要技術方案如下一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡，包括CAN總線與RS-232串口的轉換模塊 硬件電路、GPS模塊、GPRS模塊和工控機自動開關機檢測模塊硬件電路；CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬件電路由帶CAN控制器的微處理器 MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發(fā)器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS-232電平轉換器 MAX3223 組成，微處理器MC9S08DZ60的CAN控制器，通過高速CAN隔離收發(fā)器模塊CTM1050T連 接帶CAN總線的設備。同時微處理器MC9S08DZ60的串口由于是TTL電平，需要電平轉換芯 片MAX3223，轉換成RS-232電平，連接其他帶RS-232串口的設備。GPS模塊和GPRS模塊之間的連接關系為本板卡集成的GPS模塊由PC/104結構的主板PCM-3353的ISA總線供電，其電壓 為5V。該模塊通過兩個串口與主板PCM-3353相連，一個串口用于接收指令及傳輸數(shù)據 ’另一個串口為單向通信，用于接收差分數(shù)據，差分后可以提高其定位精度，達到小于5米。GPRS模 塊由板卡上的微控制器MC9S08DZ60控制啟動，通過串口與主板PCM-3353 相連，用于接收指令及傳輸數(shù)據。兩者之間沒有直接的連接關系，主要通過主板PCM-3353 的串口進行通訊。工控機自動開關機檢測模塊硬件電路由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開 關，從而實現(xiàn)工控機的自動開機和關機。繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工 控機電源。本板卡引出一條信號線，用于檢測車輛鑰匙門信號，該信號經光耦隔離干擾后， 連接單片機的一個輸入輸出管腳，根據此管腳的信息通過配置另一個管腳的狀態(tài)來控制繼 電器的開關。CAN與RS-232智能數(shù)據轉換的系統(tǒng)軟件程序方法；主要包括CAN節(jié)點及RS-232初始化子程序、CAN報文發(fā)送子程序、RS-232報文發(fā) 送子程序、CAN報文中斷接收子程序以及RS-232報文中斷接收子程序。系統(tǒng)軟件程序方法步驟為其中串口初始化主要包括對波特率，停止位，中斷使能等配置。CAN控制器初始化 主要包括對波特率，數(shù)據幀、濾波器等配置。循環(huán)等待中斷，可分為CAN接收中斷和串口接收中斷。如果是CAN接收中斷，則將通過CAN總線接收到的數(shù)據，通過此轉換模塊，將CAN 數(shù)據轉換為串口數(shù)據，并通過串口發(fā)送給主機，等待主機處理。如果是串口中斷，則將通過串口接收的主機數(shù)據，通過此轉換模塊，將串口數(shù)據轉 換為CAN數(shù)據，發(fā)送給CAN設備。自動關機功能的系統(tǒng)軟件程序方法該功能主要由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現(xiàn)工控機的自動 開機和關機。如果車輛啟動，檢測鑰匙門有信號，單片機檢測管腳為高電平，則控制繼電器 輸出端的工控機電源與車輛電瓶導通，工控機通電。如果車輛停止，檢測鑰匙門沒有信號， 單片機檢測管腳為低電平，則控制繼電器輸出端的工控機電源與車輛電瓶斷開，工控機斷 電。從而實現(xiàn)工控機自動開機和關機。本發(fā)明的優(yōu)點1、將CAN與RS-232智能數(shù)據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關 機四種功能集成在一塊PC/104結構的板卡上，其體積小，功耗低，集成度高。2、發(fā)明了自動開/關機功能。作為車載產品使用時，可以隨著車輛的啟動或停止 而實現(xiàn)工控機自動開機或關機，保護工控機系統(tǒng)不受破壞，延長其使用壽命。3、本發(fā)明為標準PC/104 Plus結構，可與其他PC/104或PC/104Plus板卡兼容。
圖ICAN總線與RS-232串口的數(shù)據轉換模塊原理圖；圖2CAN總線與RS-232串口轉換模塊程序流程圖；圖3GPS15L模塊連接圖；圖4GPRS模塊連接圖；圖5. 1開關機信號檢測接口 ；
圖5. 2開關機檢測信號隔離處理；圖5. 3單片機檢測接口；
圖5. 4繼電器驅動器圖；圖6CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬件電路圖；圖7PC/104-P1US多功能數(shù)據采集卡結構框圖。
具體實施例方式結合圖1-圖7，對本發(fā)明的實施例進行說明。顯然，本領域技術人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保 護范圍。本發(fā)明設計了一款高集成度的PC/104結構的板卡，其功能主要包括CAN與RS-232 智能數(shù)據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統(tǒng)正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了 GPS全球定位和GPRS無線網 絡模塊。實現(xiàn)了 GPS定位功能和CAN網絡的數(shù)據采集功能，并能將數(shù)據通過GPRS無線網絡 傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數(shù)據信息。本板卡采用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生 熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。此外本板卡作為車載工控產品使用時，實現(xiàn)了讓工控機隨著車子的啟動或停止而 自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡包括本發(fā)明設計了一款高集成度的PC/104結構的板卡，其功能主要包括CAN與RS-232 智能數(shù)據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統(tǒng)正常運行。其主 要技術方案如下1、CAN與RS-232智能數(shù)據轉換(1)硬件設計CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬件電路如圖6 CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬件電路主要由Freescale公司的帶CAN控 制器的微處理器MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發(fā)器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS-232 電平轉換器MAX3223組成。理論上，只要完成CAN總線與RS-232串口協(xié)議的互相轉換，即 可完成PC機與CAN的通信。設計原理圖如圖1所示。RS-232接口上的數(shù)據經過電平轉換 后變成TTL電平輸入到微處理器進行處理；CAN總線數(shù)據的收發(fā)則由CAN總線收發(fā)器和CAN 總線控制器來完成。協(xié)議的控制和數(shù)據的轉換則由微控制器來完成。CAN總線電路采用獨 立的DC-DC電源模塊，進行光電隔離，具有很強的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境 中使用的可靠性。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器模塊，該模塊內部集成了所有必需的 CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電 平。其電磁輻射低，電磁抗干擾性高，無需外加元件可直接使用，減小了模塊體積，縮短了開 發(fā)時間。MC9S08DZ60是Freescale公司的內嵌CAN的微控制器，并將內嵌的CAN、EPR0M和片上仿真/調試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設計人員可以便捷地轉向其設計流 程。MC9S08DZ60型單機片可提供60KB的片上flash、4KB的片上RAM、2KB的E2PR0M。它具 有串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、看門狗定時器(COP Watch-Dog)，另外還有多 個定時器和計數(shù)器等。其獨特的片上仿真/調試模塊(BDG)更是大大簡化設計，從而確保 了 MC9S08DZ60在汽車和工控的應用地位。MAX3223是實現(xiàn)電平轉換的芯片。由于RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與 TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件 連接，必須在RS-232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可 用分立元件，也可用集成電路芯片。MAXIM公司的MAX3223是為滿足RS-232的標準而設計 的，具有功耗低、波特率高、價格低等優(yōu)點，外接電容僅為0. luF，為雙組RS-232收發(fā)器。
(2)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)軟件程序設計主要包括CAN節(jié)點及RS-232初始化子程序、CAN報文發(fā)送子程 序、RS-232報文發(fā)送子程序、CAN報文中斷接收子程序以及RS-232報文中斷接收子程序。 其設計流程圖如圖2所示。其中循環(huán)等待中斷，可分為CAN接收中斷和串口接收中斷。如果是CAN接收中斷， 則將通過CAN總線接收到的數(shù)據，通過此轉換模塊，將CAN數(shù)據轉換為串口數(shù)據，并通過串 口發(fā)送給主機，等待主機處理。如果是串口中斷，則將通過串口接收的主機數(shù)據，通過此轉 換模塊，將串口數(shù)據轉換為CAN數(shù)據，發(fā)送給CAN設備。2、GPS 模塊本板卡中采用GARMIN公司的GPS15L模塊，負責捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收、放大、記錄 GPS信號并對信號進行解調和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，解求定位信號在 站間的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導航定位數(shù)據或采用測后處理的方式，獲得定 位、測速、定時等數(shù)據。GPS15L為12通道的GPS接收機，也就是同時可以跟蹤多達12顆GPS衛(wèi)星，從而能 夠快速的定位。GPS15L接收機功耗非常小，數(shù)據更新率為每秒一次，其優(yōu)良的性能既能夠滿 足陸地導航的靈敏度需求，也能夠滿足飛行器的動態(tài)需求。在設計上，GPS15L接收機使用 了最新的科技和高水平的電路集成技術，在達到高性能的同時減小了體積和功耗。GPS15L 接收機無論從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合做系統(tǒng)集成。GPS15L接收機由PC/104結構的主板的ISA總線供電，其電壓為5V。使用接收機 上的2個RS-232串口，其中一個串口 PORTl與主機的串口相連，用于接收指令及傳輸數(shù)據； 另一個串口 P0RT2為單向通信，用于接收差分數(shù)據，差分后可以提高其定位精度，達到小于 5米。其連接圖如圖3所示。其定位數(shù)據信息可由其自帶的軟件得到，也可通過上位機 編程得到。3、GI3RS 模塊本板卡采用SIMCOM公司的SIM300C的GPRS模塊，負責板卡和監(jiān)控中心服務器端 的通信，將板卡通過CAN總線采集的數(shù)據以及GPS定位信息傳送給服務器。SIM300C模塊的1、3、5、7、9腳為電源輸入引腳VBAT，2、4、6、8、10腳是地。由于模 塊的供電電壓為3. 4 4. 5V (典型值為4. 2V)，采用5V供電時，需要進行5V到4. 2V的電壓轉換。設計中使用TI公司的PTH12000WAH為SIM300C提供4. 2V的電壓。SIM300C有多種啟動方式，本系統(tǒng)中使用PWRKEY引腳。啟動過程中必須先使 PWRKEY引腳有大于2s持續(xù)時間的低電平，然后再釋放PWRKEY引腳，使其為高電平。此過程 由微處理器MC9S08DZ60實現(xiàn)。SIM300C模塊為用戶提供了通用串口。因為模塊提供的串口都是TTL電平，需通過 電平轉換芯片，將TTL電平轉換成RS-232電平。通過此串口和AT命令，就可以對模塊進行 配置。其連接圖如圖4所示。4、自動關機 車載工控機如果隨著車子啟動或停止而隨時開機或關機，時間長時會對工控機系 統(tǒng)造成毀滅性的傷害，導致工控機無法正常工作。本板卡實現(xiàn)了讓工控機隨著車子的啟動 或停止而自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。工控機自動開關機檢測模塊硬件電路為圖5. 1至圖5. 4 ；其主要實現(xiàn)過程如下該功能主要由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現(xiàn)工控機的自動 開機和關機。繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工控機電源。其具體檢測過 程如下由本板卡引出一條信號線，如圖5. 1的1腳所示，用于檢測車輛鑰匙門信號。該信 號經光耦隔離干擾后，如圖5. 2，連接單片機的一個輸入輸出管腳，如圖5. 3。根據此管腳的 信息通過配置另一個管腳的狀態(tài)來控制繼電器的開關。由于繼電器所需電流遠大于單片機 輸出電流，所以在此使用了 ULN2003來驅動繼電器，如圖5. 4所示，SSR_CTL就是繼電器的 驅動控制信號。如果車輛啟動，檢測鑰匙門有信號，單片機檢測管腳為高電平，則控制繼電器輸出 端的工控機電源與車輛電瓶導通，工控機通電。如果車輛停止，檢測鑰匙門沒有信號，單片 機檢測管腳為低電平，則控制繼電器輸出端的工控機電源與車輛電瓶斷開，工控機斷電。從 而實現(xiàn)工控機自動開機和關機。術語解釋CAN(ControIler Area Network)控制器局域網GPS (Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)GPRS (General Packet Radio Service)通用無線分組業(yè)務本發(fā)明中的GPS模塊、GPRS模塊和繼電器都使用已有的成熟模塊，用其他已有模 塊也可以實現(xiàn)本板卡的相應功能。如上所述，對本發(fā)明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發(fā) 明的發(fā)明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這 樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種PC/104 Plus多功能數(shù)據采集卡，其特征在于包括CAN總線與RS 232串口的轉換模塊硬件電路、GPS模塊、GPRS模塊和工控機自動開關機檢測模塊硬件電路；CAN總線與RS 232串口的轉換模塊硬件電路由帶CAN控制器的微處理器MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發(fā)器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS 232電平轉換器MAX3223連接組成。
2.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡，其特征在于微處理器 MC9S08DZ60的CAN控制器，通過高速CAN隔離收發(fā)器模塊CTM1050T連接帶CAN總線的設 備；同時微處理器MC9S08DZ60連接電平轉換芯片MAX3223，轉換成RS-232電平，連接其他 帶RS-232串口的設備；GPS模塊和GPRS模塊之間的連接關系為GPS模塊由PC/104結構的主板PCM-3353的ISA總線供電，通過兩個串口與主板 PCM-3353相連，一個串口用于接收指令及傳輸數(shù)據；另一個串口為單向通信，用于接收差 分數(shù)據；GPRS模塊由板卡上的微控制器MC9S08DZ60控制啟動，通過串口與主板PCM-3353相連， 用于接收指令及傳輸數(shù)據；兩者之間沒有直接的連接關系，通過主板PCM-3353的串口進行 通訊。
3.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡，其特征在于工控機自 動開關機檢測模塊，硬件電路由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現(xiàn)工控機 的自動開機和關機；繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工控機電源；本板卡 引出一條信號線，用于檢測車輛鑰匙門信號；該信號經光耦隔離干擾后，連接單片機的一個 輸入輸出管腳，根據此管腳的信息通過配置另一個管腳的狀態(tài)來控制繼電器的開關。
4.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡，其特征在于CAN總線 電路采用獨立的DC-DC電源模塊。
全文摘要
一種PC/104-Plus多功能數(shù)據采集卡，屬于數(shù)據采集、車載通訊和定位技術領域。本發(fā)明高集成度的PC/104結構的板卡包括CAN與RS-232智能數(shù)據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統(tǒng)正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了GPS全球定位和GPRS無線網絡模塊，實現(xiàn)了GPS定位功能和CAN網絡的數(shù)據采集功能，并能將數(shù)據通過GPRS無線網絡傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數(shù)據信息。本板卡采用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。
文檔編號H04L12/40GK101968643SQ20101026055
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權日2010年8月23日
發(fā)明者徐曉, 陳宜金 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)