嵌入式数据采集卡的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种嵌入式数据采集卡，数据采集卡可以满足采样频率至少要大于桥梁自振频率的四倍的要求，同时能够达到较高的采样精度。电源电路的输出端分别连接模数转换模块、主控CPU以及485通信模块，电源电路采用宽压输入电源设计，传感器与模数转换模块的输入端连接，模数转换模块的输出端与主控CPU连接，主控CPU的输出端与485通信模块连接，主控CPU连接看门狗电路，485通信模块的输出端将数字量传输给工控机。采用此嵌入式数据采集卡，可以满足桥梁结构监测系统的监测需求，精确而快速的采集桥梁相关形变以及力学参数，从而有效获取桥梁的各项监测指标，进而达到对桥梁的健康监测。
【专利说明】
嵌入式数据采集卡
技术领域
[0001]本实用新型涉及桥梁健康监测系统的传输控制领域，特别是一种嵌入式数据采集卡。
【背景技术】
[0002]桥梁健康监测系统是为了采集桥梁相关形变以及力学参数而形成的一套桥梁结构监测系统。桥梁健康监测中需要监测的数据包括应变、裂缝、挠度以及基频等，需要采集的传感器信号多为电压信号或者频率信号，这些数据的采集都需要通过数据采集卡来完成。但由于在桥梁健康监测中，对桥梁各项指标监测的精度要求比较高，而且有些参数的监测对于数据采集速率、信号质量以及稳定性也有一定的要求，因此提出了这种数据采集卡，以满足在桥梁健康监测系统中的应用。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种桥梁健康监测系统的数据采集卡，解决了采样频率至少要大于桥梁自振频率的四倍的问题，同时满足了桥梁各项监测指标高精度的需求，从而有效获取桥梁的自振频率信息和桥梁各项监测指标，进而达到对桥梁的健康监测。
[0004]本实用新型的技术方案为:一种嵌入式数据采集卡，包括采集系统中的传感器和工控机，其技术要点是:嵌入式数据采集卡包括了电源电路、模数转换模块、主控CPU、485通信模块和看门狗电路五部分，其中电源电路的输出端分别连接模数转换模块、主控(PU以及485通信模块的输入端，电源电路采用宽压输入设计，主控CPU电源分为内核电以及1电源，且1电源上电时间晚于内核电源的上电时间，传感器与模数转换模块的输入端连接，在模数转换模块信号采集端设置有电容滤波网络，信号采集端采用差分输入方式，模数转换模块的输出端与主控CHJ连接，主控CPU的输出端与485通信模块连接，主控CPU连接看门狗电路，485通信模块的输出端将数字量传输给工控机。
[0005]本实用新型的优点及技术效果是:采用此嵌入式数据采集卡，可以满足桥梁结构监测系统的采集需求，为了得到桥梁的自振频率，数据采集卡可以满足采样频率至少要大于桥梁自振频率的四倍的要求，同时满足了桥梁各项指标监测精度都比较高的需求，从而有效获取桥梁的自振频率信息和桥梁各项监测指标，进而达到对桥梁的健康监测。
【附图说明】
[000?]图1是本实用新型的结构不意图；
[0007]图2是本实用新型内部运行逻辑示意图；
[0008]图3是本实用新型电源电路中5V电源原理图；
[0009]图4是本实用新型电源电路中3.3V电源原理图；
[0010]图5是本实用新型电源电路中1.9V电源原理图；
[0011]图6是本实用新型电源电路中2.5V参考电压产生电路图；
[0012]图7是本实用新型模数转换模块原理图；
[0013]图8是本实用新型电容滤波网络；
[0014]图9是本实用新型看门狗电路原理图；
[0015]图10是本实用新型485通信电路图；
[0016]图11是本实用新型主芯片03?28335的原理图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本实用新型提供一种嵌入式数据采集卡，包括采集系统中的传感器和工控机，其中嵌入式数据采集卡包括了电源电路、模数转换模块、主控CPU、485通信模块和看门狗电路五部分，其中电源电路的输出端分别连接模数转换模块、主控CPU以及485通信模块的输入端，电源电路采用宽压输入设计，主控CPU电源分为内核电以及1电源，且1电源上电时间不早于内核电源的上电时间，传感器与模数转换模块的输入端连接，在模数转换模块信号采集端设置有电容滤波网络，信号采集端采用差分输入方式，模数转换模块的输出端与主控CPU连接，主控(PU的输出端与485通信模块连接，主控(PU连接看门狗电路，485通信模块的输出端将数字量传输给工控机。数据采集卡的内部运行逻辑包含四个部分，分别为初始化、接受命令、判定命令和四个指令，其中指令一为实现数据的单次采集，指令二为实现数据的循环采集，指令三为设置采集卡的采集参数，指令四是终止循环采集过程。
[0018]本实用新型的工作原理如下:由于在工程应用中的电源电压范围比较大，因此本采集卡电源采用宽压输入设计，这里选用TPS54331作为输入电源芯片，其输入电压范围为7V至28V，满足宽压输入要求，此电路为后续电路提供稳定的5V电压，电路原理图如图3所示，本数据采集卡采用主控芯片是TMS320F28335PGFA，此芯片的电源分为内核电以及1电源，并且要求1电源上电不得早于内核电源的上电时间，为此本采集卡采用上述1.9V和3.3V两种电源分别为同时上电的关系，具体供电电路如图4、图5所示，当图3产生5V电源后，图4、图5中电路同时上电，同时产生3.3V以及1.9V，以使主控芯片进入正常工作状态;数据采集卡的模数转换芯片是采集卡的核心部件，它需要一个精度极高的参考电压，本设计采用ref5025产生参考电压，具体电路原理图如图6;主控CPU采用TI公司的TMS320F28335PGFA，此芯片属32位浮点型数字信号处理器及控制器，具有较强的运算能力，可以对数据进行常规的信号处理，另外，此芯片拥有丰富的外设接口资源，有利于作为采集卡的主控芯片。
[0019]模数转换模块是数据采集卡的核心部件，数据采集卡通过模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，转换的精度、转换速度及其转换质量很大程度上依赖于此模块。本实用新型选用ADS1256作为模数转换模块，ADS1256是24位高精度模数转换模块，其最高每秒可以转换30000次数据。本实用新型应用背景为桥梁自振频率采集，被监测桥梁的自振频率一般在IHZ?6HZ之间，这就要求采样精度大约在50HZ，采样精度大于16位，因此ADS1256适合此应用。但是当ADS1256采样速率较高的时候其精度会降低，而采样速率低的时候其精度也会提高，因此本实用新型选取了一个精度与速度的平衡点，即每秒钟7500次采样，同时能达到16位采样精度，同时满足了采样速率与精度的需求，原理图如图7所示，图中1、2脚为模拟电源电压，连接到5V电源，3、4引脚为芯片参考电压，作为模数转换的参考电压其精度十分重要，这里由REF5025提供精度极高的参考电压，引脚5为信号采集的接地端，引脚6至13为信号采集端，本实用新型采用差分输入方式，引脚6、引脚7作为一对差分输入，引脚8、引脚9作为一对差分输入，引脚10、引脚11作为一对差分输入，引脚12、引脚13作为一对差分输入，共四路信号采集通道，引脚24为SPI通信的时钟引脚，它与主芯片DSP28335的151引脚连接，DSP28335通过此引脚为其提供SPI通信的时钟信号，图7中引脚27为数据接收引脚，ADS1256通过此引脚接收DSP28335发出的控制命令，此引脚与DSP28335的157引脚连接，图7中22引脚为数据输出引脚，ADS1256转换出的数字信号通过此引脚输出给DSP28335，它与DSP28335的162引脚连接，图7中引脚21为ADS1256的状态指示引脚，当ADS1256处于模数转换或者设置状态时此引脚输出高电平，当ADS1256转换完毕并且可以输出数据信号时，此引脚输出低电平;ADS1256通过此引脚告知DSP28335自身的工作状态，DSP28335以此判定接下来的工作状态，此引脚与DSP28335的165引脚连接，图7中20引脚为片选信号，当其为低电平时，ADS1256处于工作状态，高电平时处于停止状态，此引脚与DSP28335的1751引脚连接；图7中15引脚为复位引脚，DSP通过此引脚复位ADS1256，它与DSP28335的176引脚连接；图7中14引脚为直接控制转换引脚，本实用新型未用到此功能，因此将其置于高电平。另外ADS1256的模拟电源、数字电源以及参考电压均利用电容网络进行平滑滤波，保证电压的稳定性。由于本实用新型中所要采集的电压信号为低频信号，而在实际应用环境中存在干扰信号，因此这里采用图8所示的电容滤波网络，这样可以起到平滑噪声信号的作用；另外为了提高采集卡的采集精度，这里采用差分输入方式，可以有效抑制共模干扰；由于在实际应用中数据采集卡会因为干扰进入异常状态，此时就需要看门狗电路将采集卡复位，本实用新型采用SP706作为看门狗主芯片，dsp28335的138脚正常工作时持续输出周期性方波信号，当采集卡处于异常状态时，138脚输出方波信号中断，SP706超过1.6秒未收到方波信号时，就会复位数据采集卡，具体看门狗电路如图9所示;CPU通过模数转换模块获取被测电压信号的数字量后，通过485通信电路传输给工控机，485通信具有通信距离远的优点，适用于大范围的桥梁健康监测数据采集。本实用新型还采用RSM3485PHT作为通信模块，如图10所示，其为自动收发隔离485收发器，途中3脚为数据发送引脚，为了保证发送数据正常需要将此引脚做上拉，4脚为数据接收引脚，二者分别于DSP28335的62引脚、63引脚连接，内部通过电源芯片在7脚输出5V电压，同时此引脚作为9引脚的上拉。引脚10为隔离地，此引脚作为引脚8的下拉。另外为了保护电路，分别在引脚8、引脚9加了一个24V的TVS管，以防止静电击穿。当数据采集卡进入采集状态时，采集卡会每20毫秒通过485通信接口向工控机上传一组数据，由于485通信为单工通信模式，即收发不能同时进行，而在上传数据过程中，如果工控机发送一组命令，这样就会导致采集卡不能正常执行该命令，因此CPU检测到接收端口有数据的时候就会中断周期性采集模式，待接收数据完成后，再对接收数据进行判断，进而保证采集卡与工控机之间通信无误有序的进行。
【主权项】
1.一种嵌入式数据采集卡，包括采集系统中的传感器和工控机，其特征在于:嵌入式数据采集卡包括了电源电路、模数转换模块、主控CPU、485通信模块和看门狗电路五部分，其中电源电路的输出端分别连接模数转换模块、主控CPU以及485通信模块的输入端，电源电路采用宽压输入设计，主控CHJ电源分为内核电以及1电源，且1电源上电时间不早于内核电源的上电时间，传感器与模数转换模块的输入端连接，在模数转换模块信号采集端设置有电容滤波网络，信号采集端采用差分输入方式，模数转换模块的输出端与主控CPU连接，主控CPU的输出端与485通信模块连接，主控CPU连接看门狗电路，485通信模块的输出端将数字量传输给工控机。
【文档编号】G05B19/04GK205540030SQ201620081568
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】崔凯华, 张冠华, 于传君, 韩基刚, 侯娜, 梁玉敏, 孙福民, 王秋实, 王佳伟
【申请人】辽宁省交通规划设计院