专利名称：物流黑匣子的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种信息处理技术领域的装置，具体地说，是一种物流黑匣子。
背景技术：
如何避免或减少野蛮装卸和运输途中损耗已成为物流业的一项重要议题，能够自动记录物流过程中货物所处的温湿度环境和振动状况的物流黑匣子已成为规范物流市场的一种需要。物流黑匣子主要用于记录货物在物流系统中的振动和所处的温湿度状态，物流黑匣子主要应附着于货物箱上，所以物流黑匣子的体积应尽量小；因物流的周期可能较长，物流黑匣子又必需记录整个物流过程中所应记录的数据，独立工作的记录仪的存储器空间都是有限的，而振动数据却是随机的，振动信号采集又需要高速采样，这就要求物流黑匣子的存储器要尽可能的大，存储数据要尽可能精简；物流黑匣子没有外部电源，只能靠自身携带的电池，低功耗是必须的；另外，成本要尽可能的低。综上可知，物流黑匣子要体积小、低功耗、存储数据精简、低成本。
经对现有技术文献的检索发现，陈金华发表于微计算机信息杂志上的2003年第19卷第2期的“基于Msp430F148的便携式测振仪”介绍了振动测试仪，该装置没有考虑把温湿度的信号和振动信号同时监测，以用于物流监控领域。到目前为止，本领域公开文献中均没有把瞬变的振动信号与渐变的温湿度信号统一在一个记录仪中方法的报道，更没有关于体积小、低功耗及数据精简的温度、湿度、振动记录仪装置出现的报道。也就是说到目前还没有任何一款黑匣子能够适用于物流领域的监控。体积小、低电耗、数据精简的物流黑匣子的研发已成为物流业发展的必须。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种物流黑匣子，使其在物流过程中自动记录货物振动及所处温、湿度状态，帮助货物主有效监督物流过程中不规则物流行为，并做为理赔的重要证据。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括温湿度芯片、加速度芯片、电平转换芯片、CPU芯片、三个数据存储器芯片、电源电路和标准串行口，温湿度芯片和三个数据存储器芯片以工业标准的I2C接口并联于CPU芯片的通用数字I/O接口，加速度芯片信号输出端与CPU芯片的共用数字I/O接口相连，电平转换芯片的输入与CPU芯片共用数字I/O接口相连，电平转换芯片的输出与标准串行口相连，所述的七个芯片的电压输入均接于电源电路中的3.6V电压输出，所述的七个芯片的地线均接于电源电路地线；所述的温湿度芯片集成了温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口，把温湿度信号转变数字信号；所述的加速度芯片集成了振动传感器和信号放大调理电路，把振动信号转变为电压信号；所述的电平转换芯片实现了3.6V电压与9V电压的转换，解决上位机串行口电压与CPU电压不一致问题，从而解决串行数据通迅接口电路问题；所述的三个数据存储器芯片用于数据的存储；所述的标准串行口用于与上位机的标准串行口对接；所述的电源电路将9V的供电电压转变为稳定的5V电压和3.6V电压，3.6V的电压给七个芯片供电，5V为预留待扩展电压。
所述的CPU芯片包括CPU模块、串行通迅USART模块、A/D模块、比较器CA模块、D/A模块、定时器T模块、数据寄存器DR模块，加速度芯片信号输出端与A/D模块的共用数字I/O接口相连，电平转换芯片的输入与串口通迅USART模块的共用数字I/O接口相连，D/A模块的共用数字I/O接口与比较器CA模块共用数字I/O接口相连，A/D模块的共用数字I/O接口与比较器CA模块共用数字I/O接口相连，串行通迅USART模块、A/D模块、比较器CA模块、D/A模块、定时器T模块、数据寄存器DR模块均与CPU模块通过数据总线并联连接。
所述的CPU模块是数据处理中心，接受比较器CA模块、定时器T模块、串行通迅USART模块的中断请求，进行算术与逻辑运算，输入和输出均为数字信号。所述的A/D模块把加速度芯片输出的电压信号进一步转化为数字信号。所述的D/A模块是把数字信号转变为电压信号，做为比较器CA模块的参比电压。所述的比较器CA模块在加速度芯片输出电压超过参比电压时，产生中断请求，CPU模块开始接收A/D模块输出的数字信号，即开始采集振动信号。所述的数据寄存器DR模块存放一段时间内的采集的最大振动信号值。所述的定时器T模块，在设定的间隔时间到达时，产生中断，使CPU模块开始接收温湿度芯片输出标准I2C数字信号和数据寄存器DR模块存放值，并将之写入数据存储器。所述的串口通迅USART模块在接到上位机通过电平转换芯片处理后数据传输命令后，产生中断，使CPU模块读取数据存储器数据，并发送至上位机，或使CPU模块接收上位机数据，以设定D/A模块的输出电压和定时器T模块时间间隔。
系统初始化时，上位机通过标准串行口发送设定信号至电平转换芯片，CPU芯片通过电平转换芯片接收上位机发送的设定信号；系统运行过程中，温度芯片把温湿度信号变换为数字信号，通过I2C方式送入CPU芯片，加速度芯片把振动信号变换为电压信号，进入CPU芯片的I/O口，CPU芯片再将之变为数字信号，CPU芯片将接收的温度、湿度和振动数字信号以I2C方式送入三个数据存储芯片；当记录过程完成后，需要把数据导出时，上位机通过标准串行口发送导出命令信号至电平转换芯片，CPU芯片通过电平转换芯片接收上位机发送的导出命令信号，CPU芯片读取三个数据存储器芯片中的数据，并发送至电平转换芯片，电平转换芯片将之通过标准串行口发送至上位机。
本发明中，数据流为三条通路(1)上位机通过标准串行口、电平转换芯片向串口USART模块传送D/A模块输出电压数据，产生中断请求，CPU模块接收上位机数据，并将数据设定为D/A模块输入，D/A模块将之转变为输出电压，由于D/A模块输出与比较器CA模块接口相连，故比较器CA模块参比电压VCA0产生；加速度芯片将振动信号转变为电压信号，该电压信号接入比较器CA模块另一输入口，成为比较电压VCA1，当VCA1＞VCA0时，说明此时，振动信号超过了设定值，应当起动记录装置，比较器CA模块产生中断请求，A/D模块起动，将振动信号变为数字信号，CPU模块唤醒，接收该数字信号，并将本段时间内的最大振动信号存入数据寄存器械DR模块，当VCA1≤VCA0时，说明此时振动信号没超过设定值，振动没有超出规定的范围，CPU模块休眠，进入节电模式。(2)上位机通过标准串行口、电平转换芯片向串口USART模块传送定时器T模块时间间隔数据，产生中断请求，CPU模块接收上位机数据，并将数据设定为定时器时间间隔值，当间隔时间达到时，定时器T模块产生中断请求，CPU模块唤醒，启动I2C数据传输，CPU模块接收温湿度芯片数据，并把这两个数据同数据寄存器DR模块内数据一起写入数据存储器，当时间间隔未达到时CPU模块休眠，处于节电模式。(3)上位机通过标准串行口、电平转换芯片向串口USART模块传送读出信号数据，产生中断请求，CPU模块接收上位机数据，启动I2C数据传输，CPU模块读取数据存储器内数据，并将数据发送至上位机。
本发明把瞬变的振动信号与渐变的温湿度信号统一在一个记录仪中，并做到了低功耗、数据精简、体积小，极大方便了物流中不规则行为的监控。温度和湿度属于渐变信号，这两个信号可由定时器控制进行间断采样，然而振动信号属于瞬变信号，信号采样不能由定时器控制，需高速采样，振动信号的采集由比较器模块控制，当振动电压超过比较参考电压，CPU模块进入比较器中断状态，高速采样开始。由于本发明的主要目的是监测物流中的不规则形为，低振动属正常行为，不必记录，只有在剧烈振动情况下，换句话说就是振动信号超过设定信号，才进行采样，这种通过比较器中断模式进行振动信号的采样方式，大大节省了CPU功耗的开支，CPU在大部分时间内处于空闲休眠状态。温度和湿度这两个渐变信号由定时器控制进行间断采样，可每采一组数据，存储一组数据，剧烈振动这种瞬变信号要求数据采集的速度要快，故采集的数据也较多，但需要存储的数据却不必太多，只需存储一个在当地时刻最大振动信号就可以了，本发明在比较器中断模式下虽进行了高速采样，但只保留一个定时器时间间隔内的最大的振动信号，这个最大振动信号在定时器中断模式下随温湿度信号一起存入存储器，这种数据处理方式大大节约了数据存储量，做到了即数据精简，又真实的记录了物流中不规则行为。由于本系统较多的采用了集成芯片，电路连接比较简单，体积可做到如火柴盒般大小，工作电流小于2mA，待机电流小于0.5mA。
图1是本发明的结构框图。
图2是CPU芯片的结构框图。
图3是电源供电系统电路图。
图4是CPU芯片、标准串行口和电平转换芯片的具体电路连接图。
图5是CPU芯片、温湿度芯片和数据存储芯片的具体电路连接图。
图6是CPU芯片、加速度芯片的具体电路连接图。
图7是本发明数据逻辑图。
图8是应用本发明记录的振动实验结果图。
具体实施例方式
如图1、2所示，本发明包括温湿度芯片1、加速度芯片2、电平转换芯片3、CPU芯片4、三个数据存储器芯片5、电源电路6和标准串行口7，其连接方式为温湿度芯片1和三个数据存储器芯片5以工业标准的I2C接口并联于CPU芯片4的通用数字I/O接口，加速度芯片2信号输出端与CPU芯片4的共用数字I/O接口相连；电平转换芯片3的输入与CPU芯片4共用数字I/O接口相连，电平转换芯片3的输出与标准串行口7相连，所述的芯片的电压输入均接于电源电路6中的3.6V电压输出，所述的芯片的地线均接于电源电路6地线；所述的温湿度芯片1集成了温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口，温湿度芯片功能为把温湿度信号转变数字信号；所述的加速度芯片2集成了振动传感器和信号放大调理电路，把振动信号转变为电压信号；所述的电平转换芯片3实现了3.6V电压与9V电压的转换，解决上位机串行口电压与CPU电压不一致问题，从而解决串行数据通迅接口电路问题；所述的三个数据存储器芯片5用于数据的存储；所述的标准串行口7用于与上位机的标准串行口对接；所述的电源电路6将9V的供电电压转变为稳定的5V电压和3.6V电压，3.6V的电压给所述的七个芯片供电，5V为预留待扩展电压。
所述的CPU芯片4包括CPU模块8、串行通迅USART模块9、A/D模块10、比较器CA模块11、D/A模块12、定时器T模块13、数据寄存器DR模块14，加速度芯片2信号输出端与A/D模块10的共用数字I/O接口相连，电平转换芯片3的输入与串口通迅USART模块9的共用数字I/O接口相连，D/A模块12的共用数字I/O接口与比较器CA模块11共用数字I/O接口相连，A/D模块10的共用数字I/O接口与比较器CA模块11共用数字I/O接口相连，串行通迅USART模块9、A/D模块10、比较器CA模块11、D/A模块12、定时器T模块13、数据寄存器DR模块14均与CPU模块8通过数据总线关联连接。
所述的CPU模块8是数据处理中心，接受比较器CA模块11、定时器T模块13、串口通迅USART模块9中断请求，进行算术与逻辑运算，输入和输出均为数字信号。所述的A/D模块10把加速度芯片2输出的电压信号进一步转化为数字信号。所述的D/A模块12是把数字信号转变为电压信号，做为比较器CA模块11的参比电压。所述的比较器CA模块11在加速度芯片2输出电压超过参比电压时，产生中断请求，CPU模块8开始接收A/D模块10输出的数字信号，即开始采集振动信号。所述的数据寄存器DR模块14存放一段时间内的采集的最大振动信号值。所述的定时器T模块13，在设定的间隔时间到达时，产生中断，使CPU模块8开始接收温湿度芯片1输出标准I2C数字信号和数据寄存器DR模块14存放值，并将之写入数据存储器5。所述的串口通迅USART模块9在接到上位机通过电平转换芯片3处理后数据传输命令后，产生中断，使CPU模块8读取数据存储器数据5，并发送至上位机，或使CPU模块接收上位机数据，以设定D/A模块12的输出电压和定时器T模块13时间间隔。
所述的CPU芯片4是中央处理器，采用MSP430F157芯片，该芯片具体参数为16位精简指令结构(RISC)，125ns指令周期，32KB+256B flash存储器，1KB RAM，一个看门狗，所述的A/D模块10为8通道12位A/D，所述的D/A模块12为双12位D/A，48个I/O口，16位WDT，所述的定时器T模块13是1个16位Timer_A，1个16位Timer_B(3个捕获/比较寄存器)，所述的串行通迅USART模块9为串行通迅USART0和USART1，所述的比较器CA模块11是一个片内比较器。该芯片工作电压为1.8～3.6V，具有超低功耗，在2.2V工作电压下，活动模式为280μA，待机模式为1.6μA，掉电模式(RAM数据保持)为0.1μA，有5种节电模式，从待机到唤醒不到6μs。I/O输入端口的漏电流最大小于50nA。该芯片支持十多个中断源，并可任意嵌套，通过合理编程，即可降低功耗，又可以对外部事件请求作出快速响应。该芯片集成的各种硬件，减小了装置体积，提高了系统稳定性，该芯片可在线调试，节省了开发与升级成本。该芯片的选取是本发明成功的基础。
所述的温湿度芯片1采用SHT11，该芯片将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片，可给出全校准相对湿度及温度值输出，湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位，小体积，可表面贴装，电源电压范围为2.4～5.5V，电流消耗，测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。温湿度芯片1与CPU芯片4进行I2C数据传输。
所述的加速度芯片2采用ADXL320J，该芯片一种双轴加速度计，具有高精度、高稳定性、低成本、低功耗，测量范围是±5g，线性精度0.2％，零点漂移为±25mg，可分辨小于1mg的信号，且零点温度稳定性为0.1mg/℃。电源电压范围为2.4～5.25V，电流消耗，测量时为350μA。加速度芯片2的输出接入CPU芯片4的A/D模块10。
所述的存储器芯片5采用三片24LC128，数据通过I2C方式与CPU芯片4传输。
所述的电平转换芯片3采用MAX3221，通过该芯片实现CPU芯片4的串行通迅USART0模块9与标准串行口7对接。
如图3所示，电源供电由两种方式，一为9V电池供电，一为AC-DC开关电源供电，IC1为低功耗电压调整芯片LM317，它通过电阻R1和R2的配置，可将9V电压稳定于5V，IC2为另一片低功耗电压调整芯片RH5RL36AA，可将5V电压稳定于3.6V。9V电源的选取是为了保证足够的电量，3.6V的电压给CPU、SHT11、ADXL320J、24LC128、MAX3221芯片供电，5V为预留待扩展电压。
如图4所示，标准串行口7通过电平调整芯片3与CPU芯片4的P3.4和P3.5相接，P3.4为CPU芯片4的串行通迅模块USART0的UTXD0接口，P3.5为CPU芯片4的串行通迅模块USART0的URXD0接口，电平调整芯片3主要将3.6V电压与9V电压互换。
如图5所示，温湿度传感芯片1和数据存储芯片5与CPU芯片4通过I2C方式传输数据。温湿度传感芯片1的控制电平引角SCL接于CPU芯片4的I/O口P1.0，数据电平引角SDA接于CPU芯片4的I/O口P1.1。三个数据存储芯片5的控制电平引角SCL分别接于CPU芯片4的I/O口P4.0、P4.2、P4.4，数据电平引角SDA分别接于CPU芯片4的I/O口P4.1、P4.3、P4.5。XTAL为标准32768Hz晶振。
如图6所示，加速度芯片2的输出端同时接于CPU芯片4的I/O口P6.0和P2.4，CPU芯片4的I/O口P6.6与P2.3相连接。P6.0为CPU芯片4的A/D模块10的0通道输入端，P6.6是CPU芯片4内D/A模块12的0通道输出端，P2.3是CPU芯片4内比较器CA模块11的输入端CA0，P2.4是CPU芯片4内比较器CA模块11的输入端CA1。
如图7所示，系统数据流为三条通路(1)上位机通过标准串行口7、电平转换芯片3向串口USART模块9传送D/A模块12输出电压数据，串口USART模块9产生中断请求，CPU模块8接收上位机数据，并将数据设定为D/A模块12输入，D/A模块12将之转变为输出电压，由于D/A模块12输出与CPU片内比较器CA模块11接口相连，故比较器CA模块11参比电压VCA0产生；加速度芯片2将振动信号转变为电压信号，该电压信号接入比较器CA模块11另一输入口，成为比较电压VCA1，当VCA1＞VCA0时，说明此时，振动信号超过了设定值，应当起动记录装置，比较器CA模块11产生中断请求，CPU模块8唤醒，A/D模块10起动，将振动信号变为数字信号，CPU模块8接收该数字信号，并将本段时间内的最大振动信号存入CPU片内数据寄存器械DR模块14。(2)上位机通过标准串行口7、电平转换芯片3向串口USART模块9传送定时器T模块13时间间隔数据，产生中断请求，CPU模块8接收上位机数据，并将数据设定为定时器13时间间隔值，当间隔时间达到时，定时器T模块13产生中断请求，CPU模块8唤醒，启动I2C数据传输，CPU模块8接收温湿度芯片1数据，并把这两个数据同数据寄存器DR模块14内数据一起写入数据存储器5。(3)上位机通过标准串行口7、电平转换芯片3向串口USART模块9传送读出信号数据，串口USART模块9产生中断请求，CPU模块8接收上位机数据，启动I2C数据传输，CPU模块8读取数据存储器5内数据，并将数据发送至上位机。
如图8所示，数据的实验条件为，振动加速度超过1g/s2(设定比较参考加速度，即设定了比较器器的参考电压)时振动数据采集开始，数据记录时间间隔1分钟，记录总时间为80分钟，在80分钟内，随机晃动记录仪或进行记录仪跌落。从实验结果可以看出，本发明装置可有效记录物流中的剧烈振动问题，数据结构精简。
权利要求
1.一种物流黑匣子，包括温湿度芯片(1)、加速度芯片(2)、电平转换芯片(3)、CPU芯片(4)、三个数据存储器芯片(5)、电源电路(6)和标准串行口(7)，其特征在于，温湿度芯片(1)和三个数据存储器芯片(5)以工业标准的I2C接口并联于CPU芯片(4)的通用数字I/O接口，加速度芯片(2)信号输出端与CPU芯片(4)的共用数字I/O接口相连，电平转换芯片(3)的输入与CPU芯片(4)共用数字I/O接口相连，电平转换芯片(3)的输出与标准串行口(7)相连，所述的七个芯片(1、2、3、4、5)的电压输入均接于电源电路(6)中的3.6V电压输出，所述的七个芯片(1、2、3、4、5)的地线均接于电源电路(6)地线；所述的温湿度芯片(1)集成了温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口，把温湿度信号转变数字信号；所述的加速度芯片(2)集成了振动传感器和信号放大调理电路，把振动信号转变为电压信号；所述的电平转换芯片(3)实现3.6V电压与9V电压的转换，解决上位机串行口电压与CPU电压不一致问题，从而解决串行数据通迅接口电路问题；所述的三个数据存储器芯片(5)用于数据的存储；所述的标准串行口(7)用于与上位机的标准串行口(7)对接；所述的电源电路(6)将9V的供电电压转变为稳定的5V电压和3.6V电压，3.6V的电压给七个芯片(1、2、3、4、5)供电，5V为预留待扩展电压。
2.根据权利要求1所述的物流黑匣子，其特征是，所述的CPU芯片(4)包括CPU模块(8)、串行通迅USART模块(9)、A/D模块(10)、比较器CA模块(11)、D/A模块(12)、定时器T模块(13)、数据寄存器DR模块(14)，加速度芯片(2)信号输出端与A/D模块(10)的共用数字I/O接口相连，电平转换芯片(3)的输入与串口通迅USART模块的共用数字I/O接口相连，D/A模块(12)的共用数字I/O接口与比较器CA模块(11)共用数字I/O接口相连，A/D模块(10)的共用数字I/O接口与比较器CA模块(11)共用数字I/O接口相连，串行通迅USART模块(9)、A/D模块(10)、比较器CA模块(11)、D/A模块(12)、定时器T模块(13)、数据寄存器DR模块(14)均与CPU模块(8)通过数据总线并联连接。
3.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的CPU模块(8)是数据处理中心，接受比较器CA模块(11)、定时器T模块(13)、串行通迅USART模块(9)的中断请求，进行算术与逻辑运算，输入和输出均为数字信号。
4.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的A/D模块(10)把加速度芯片(2)输出的电压信号进一步转化为数字信号。
5.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的D/A模块(12)是把数字信号转变为电压信号，做为比较器CA模块(11)的参比电压。
6.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的比较器CA模块(11)在加速度芯片(2)输出电压超过参比电压时，产生中断请求，CPU模块(8)开始接收A/D模块(10)输出的数字信号，即开始采集振动信号。
7.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的数据寄存器DR模块(14)存放一段时间内的采集的最大振动信号值。
8.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的定时器T模块(13)，在设定的间隔时间到达时，产生中断，使CPU模块(8)开始接收温湿度芯片(1)输出标准12C数字信号和数据寄存器DR模块(14)存放值，并将之写入数据存储器。
9.根据权利要求2所述的物流黑匣子，其特征是，所述的串行通迅USART模块(9)，在接到上位机通过电平转换芯片(3)处理后数据传输命令后，产生中断，使CPU模块(8)读取数据存储器数据，并发送至上位机，或使CPU模块(8)接收上位机数据，以设定D/A模块(12)的输出电压和定时器T模块(13)时间间隔。
全文摘要
一种物流黑匣子，属于物流信息技术领域。本发明包括温湿度芯片、加速度芯片、电平转换芯片、CPU芯片、三个数据存储器芯片、电源电路和标准串行口，温湿度芯片和三个数据存储器芯片以工业标准的I
文档编号G01D21/02GK1749701SQ200510030440
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者苏树强, 李云飞 申请人:上海交通大学