專利名稱：智能高速實時數據采樣裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能數據采樣裝置，具體涉及一種用于生產過程的各種液體、氣體及流體介質的管道、容器的監控、環境監測的數據采樣裝置。
2)采樣時間的同步性難以保證，且實現遠程通信時，不同區域的數據采樣裝置傳輸的數據是否在同一時刻采樣的問題難以保證。這樣，使得應用現場還必須配備各種不同功能的數據采樣裝置及附加設備，不僅投資巨大，維護困難，而且通用性差，性價比低。
3)通信能力不強。由于單片機采用串行接口通過通訊發射裝備實現數據遠傳，從而難以保證高速實時數據的傳輸，更難以實現網絡通信。
本發明的技術解決方案是包括由嵌入式微機1、總線擴展口2、A/D轉換器3、計數板5、軟盤驅動器9、電子硬盤10、串口11、網卡12、鍵盤13、打印機14、顯示器15、看門狗電路16構成。嵌入式微機1控制整個采樣裝置的工作狀態，其通過總線擴展口2與A/D轉換器3和計數板5相連接，多路離散輸入信號接口6和多路連續輸入信號接口7通過光電隔離器和濾波電路板4，分別與計數板5和A/D轉換器3相連接；嵌入式微機1通過串行接口11與GPS接收系統8相連接，通過網卡12與上位計算機等后續裝置實現遠程通信，通過內部總線分別與軟盤驅動器9、電子硬盤10、鍵盤13、打印機14和顯示器15、看門狗電路相連接。
嵌入式微機1是一種優化的、小型堆棧式結構的工業控制總線系統，通過軟盤驅動器9和軟盤配合實現操作系統安裝、程序的運行、軟件的修改等；通過內部總線與電子硬盤10相連，實現采樣數據存儲；通過自帶的串口11與GPS接收系統8相連，實現不同區域采樣數據的時間同步性；通過網卡12與以太網相連，實現與上位計算機等后續處理裝置的遠程通信；通過自帶的看門狗電路16，實現采樣裝置出現軟件跑飛時自行復位。
總線擴展口2不僅實現嵌入式微機1的引腳與A/D轉換器3和計數器5的引腳的轉換功能，而且將A/D轉換器3和計數器5送來的數字信號與嵌入式微機1的內部總線相連；光電隔離器和濾波電路板4具有多路模擬濾波通道和多路光電隔離通道，多路離散信號經過接口6送入光電隔離器4進行整形，多路連續輸入信號經過接口7送入濾波電路4中進行濾波降噪，再分別送入計數板5和A/D轉換器3轉換為數字信號。
上述軟盤驅動器9和軟盤配合主要完成與嵌入式微機相連接口和邏輯控制、數據讀取等程序；其執行步驟是打開嵌入式微機1的配置文件，讀取配置，并對所采樣的數據分配堆棧內存，對網絡協議初始化及配置，啟動看門狗電路16，從串口11讀取GPS接收系統8的信息來校正系統時間，設置中斷向量，循環等待中斷，并定時讀取GPS接收系統8的信息來校正系統時間。對于多路連續輸入信號的采樣和多路離散輸入信號的采樣，通過設置的計時中斷實現采樣間隔，對嵌入式微機1內部自帶的看門狗電路16設置適當計數值，以保證嵌入式微機1的正常運行，根據相應的網絡協議及相應的設置，通過嵌入式微機自帶的網卡口將采樣的數據傳送出去。本發明與已有技術相比顯著的效果和優點是1、由于本發明中嵌入式微機1采用PC/104標準工業控制總線，從而構成一種優化的、嵌入式的和小型堆棧結構的計算機控制系統。特點是1)PC/104總線產品軟件與PC/XT和PC/AT完全兼容；2)小尺寸結構，標準模塊的機械尺寸為3.6×3.8英寸(96×90mm)；3)堆棧式，“針”“孔”總線連接，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，有極好的抗震性；4)6mA總線驅動，可使模塊正常工作，低功耗，減少元件數量；自我堆棧式連接，無須用板；5)具有網絡功能，自帶網關，可支持所有網絡操作，通訊簡單，支持TCP/UDP編程及開發簡單；2、由于設計的光電隔離器及濾波電路4具有多路模擬濾波通道和多路光電隔離通道，因此可以直接接收現場來的各種離散和連續脈沖信號，而不受到現場傳“感器型號的限制，具有很強的通用性；離散數據由于采用光電隔離技術，使離散信號與嵌入式微機完全隔離，具有較高的輸入阻抗和共模擬制比；對連續信號采取多道阻容濾波，去除高頻干擾成分；采樣速率可通過相應的軟件編程進行設置，極大方便后續不同開發系統對采樣速率的要求。其連續信號最大采樣速率可達600次/秒以上。
3、采用GPS系統，可以保證多點通信時不同采樣裝置傳來的數據是同一時刻的；無論在任何地點任何時間，通過GPS接收機至少可以同時接收到來自4顆衛星的信號；4、該采樣裝置的數據可方便地通過網卡經以太網與上位機等進行通信；5、由于嵌入式微機是通過總線接口卡與A/D轉換器、計數板器件相連，可以具有經濟、靈活方便、可擴展等特點；6、裝置可實現自動采樣數據，有效提高科學管理水平，降低人工勞動強度，具有良好的社會效益；7、具有良好地可擴充性，通過擴展相應的模板，不僅可擴充輸入通道數，而且可使裝置升級，保持高的性價比。


圖1中本發明采樣裝置的運行中心嵌入式微機1，采用PC/104標準工業控制總線，16位版本，即104個總線管腳(雙列雙排插針和插孔)，其有效信號線和控制線完全與PC/AT兼容；具有網絡功能，自帶網關，可支持所有網絡操作，且支持TCP/UDP編程。
總線擴展口2是嵌入式微機1的PCI插槽，使嵌入式微機1與A/D轉換器和計數板5的總線連接及管腳的轉換，將PC104的104個管腳轉換為96個，用來與96管腳的A/D轉換器和計數板相連。A/D轉換器3采用AC1558，為32路每路12位的A/D轉換器，轉換器時間1.0μs；它可以直接通過PC/104總線與嵌入式微機PC104相連，并具有隔離功能，將模擬輸入與PC機隔離開，保護PC機不受外界干擾信號的影響及損壞；AC1558是一款功能單一的A/D板，只強調A/D采樣功能，其輸入帶有程控放大器，特別適合多路模擬信號的采樣檢測；AC1558采用高速光耦，較通常隔離采樣板的速度大大提高；AC1558板自帶隔離DC/DC變換器，不需要外接電源；計數板5采用AC4071芯片，有9個計數/定時器，每個計數/定時器各自獨立，它可以直接和PC104通過PC/104總線相連。
光電隔離器及濾波電路板4采用12路阻容濾波電路和6路光電隔離電路集成到一塊電路板上、如圖3，從而提高了系統的可靠性和可擴展性，離散數據采用光電隔離技術，使離散信號與嵌入式微機1完全隔離，具有較高的輸入阻抗和共模擬制比；連續信號采用低通阻容濾波電路，濾除高頻成分，提高信噪比。多路離散輸入信號接口6和多路連續輸入信號接口7、接收來自工業現場傳感器的檢測信號或其它符合工業標準的輸入信號，該輸入信號不局限于傳感器的類型及檢測信號的種類，只要是標準電器信號即可。
GPS接收系統8由一套衛星天線和GPS智能卡組成，通過串口11與嵌入式微機連接，可定期校準采樣裝置地采樣時鐘，確保系統中多個采樣裝置同時使用時數據采樣的同步性。無論在任何地點任何時間，通過GPS接收機至少可同時接取到來的4顆衛星的信號。通過這些信號就可以確定該采樣裝置所在的經度，緯度和海拔的高度。有了這些數據，便能在電子地圖上顯示確切的位置。
軟盤驅動器9為標準的3寸軟驅，通過嵌入式微機的內部總線與PC104連接，為嵌入式微機1提供操作系統、編程、修改和調試程序等用，提高系統的靈活性和易操作性。
電子硬盤10通過嵌入式微機1內部總線與PC104連接，采用FLASH閃存，用來存儲操作系統、程序開發軟件、網路通信協議及臨時存儲采樣數據等，保證采樣裝置自動運行，并完成網絡通訊功能及提供后備數據進行傳輸。
串口11即采用嵌入式微機自帶的串口1(Coml)來實現與GPS接收裝置的互連。
網卡12采用嵌入式微機1自帶的網卡，通過網絡通信協議，利用以太網實現與上位機等后續處理裝置的通信。
鍵盤13，打印機14和顯示器15均為標準設備，通過內部總線與嵌入式微機直接相連，為實現人機對話服務。
看門狗電路16采用嵌入式微機1自帶的芯片，并外接繼電觸發電路，實現采樣裝置出現軟件跑飛自行復位。
圖2為本發明相配套的軟件流程圖，其執行程序是打開配置文件，讀取配置參數，為所采樣的數據分配內堆內存，對網絡協議初始化并配置相應通訊功能，啟動看門狗電路16，從串口11讀取GPS接收系統8的信息校正系統時鐘，設置連續信號和離散信號的采樣中斷向量，發送信號中斷向量及看門狗電路的定時中斷向量，在循環等待期間，定時讀取GPS校正系統時鐘，采樣中斷到時進行信號采樣；發送信號中斷到時，通過網絡協議及網絡配置發送數據幀，實現數據傳輸；定時中斷到時觸發看門狗電路重新啟動采樣系統。
本發明整個裝置的工作過程是現場來的多路標準連續信號如溫度、壓力等經過接口7送到多通道阻容濾波板4進行快速濾波，去除高頻干擾成分；多路離散信號如流量計脈沖信號等經過接口6送到多路光電隔離電路4進行濾波，除去干擾并降噪。濾波后的連續信號送入A/D轉換器3變換為數字信號，通過總線擴展口2進入嵌入式微機1中進行處理。濾波后的離散信號送入計數板得到數字信號，通過總線擴展口2進入嵌入式微機1中進行處理，嵌入式微機1通過串口11接收GPS系統8的同步信號，并通過自帶的網卡12通過以太網實現網絡通信。
權利要求
1.一種智能高速實時數據采樣裝置，包括由嵌入式微機1、總線擴展口2、A/D轉換器3、計數板5、軟盤驅動器9、電子硬盤10、串口11、網卡12、鍵盤13、打印機14、顯示器15、看門狗電路16構成，其特征在于嵌入式微機1控制整個采樣裝置的工作狀態，其通過總線擴展口2與A/D轉換器3和計數板5相連接，多路離散信號輸入接口6、多路連續輸入接口7，通過光電隔離器和濾波電路板4，分別與計數板5和A/D轉換器3相連接；嵌入式微機1通過串口11與GPS接收系統8相連接，通過網卡12與后續裝置實現遠程通訊；通過內部總線直接與軟盤驅動器9、電子硬盤10、鍵盤13、打印機14、顯示器15和看門狗電路相連接。
2.根據權利要求1所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于嵌入式微機1通過軟盤驅動器9和軟盤組合，實現操作系統安裝、整個采樣裝置的程序運行、軟件的修改功能。
3.根據權利要求1、2所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于所述軟件驅動器9和軟盤組合使用，其執行步驟是打開嵌入式微機的配置文件，讀取配置，對采樣的數據分配堆棧內存，對網絡協議初始化及配置，啟動看門狗電路6，從串口11讀取GPS接收系統8的信息來校正系統時間，設置連續信號和離散信號中斷向量，發送信號中斷向量及看門狗電路的定時中斷向量循環等待中斷，定時讀取GPS接收系統8的信息來校正系統時間；采樣中斷到時進行信號采樣；發送信號中斷到時，通過網絡協議及網絡配置發送數據幀，實現數據傳輸；定時中斷到時觸發看門狗電路重新啟動來校正系統。
4.按照權利要求1、2所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于所述的GPS接收系統8由一套衛星天線和GPS智能卡組成。
5.按照權利要求1所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于，多路離散信號經過多路離散輸入接口6送入光電隔離器4進行整形，多路連續信號經過多路連續信號輸入接口7送入濾波電路板4進行濾波和降噪，并分別送入計數板5和A/D轉換器3轉換為數字信號。
6.按照權利要求1、5所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于所述的計數板5采用AC4071芯片，有9個計數/定時器，每個計數/定時器各自獨立。
7.按照權利要求1、5所述的智能高速實時數據采樣裝置，其特征在于所述的A/D轉換器采用AC1558，為32路每路12位，轉換時間10μs。
全文摘要
本發明涉及一種智能高速實時數據采樣裝置，由嵌入式微機控制裝置的工作狀態，其通過總線擴展口與A/D轉換器和計數板連接，多路離散輸入信號和多路連續輸入信號通過光電隔離器和濾波電路板分別與計數板和A/D轉換器相連接；嵌入式微機通過串口與GPS接收系統相連接、通過網卡與上傳機等后續裝置實現遠程通信、通過內部總線與軟盤驅動器、電子硬盤、鍵盤、打印機、顯示器和看門狗電路相連接；采樣裝置的嵌入式微機采用PC104標準工業控制總線，是一種優化的、嵌入式和小型堆棧式結構的計算機控制系統，具有功耗低、抗震性好、擴展性強，多路采樣、采樣數據同步、網路傳輸、采樣精度高，適用于新的采樣系統組建和現場現有裝量的配套使用。
文檔編號G06F19/00GK1460960SQ03133458
公開日2003年12月10日 申請日期2003年6月17日 優先權日2003年6月17日
發明者張化光, 于錫純, 馮健, 黎明, 柴澤峰 申請人:東北大學, 山東新大通石油環保科技股份有限公司