专利名称：船舶机舱数据采集嵌入板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种船舶机舱自动化领域，尤其涉及一种船舶机舱数据采 集嵌入板。
背景技术：
随着半导体技术、现场总线技术和嵌入式技术的不断发展，船舶机舱自动 化的数据采集方式不断变革，彻底改变了传统的数据采集模式。在新的数据采 集方式中，电路稳定性、电路输出准确度、电路板的实时性和可靠性、智能处 理等特点都是在设计时需要考虑的。因此开发具有这些特点的新一代船用数据 釆集板是本领域的迫切要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有电路稳定性和电路输出 准确度高、实时性和可靠性优良、智能处理等特点的船舶机舱数据采集嵌入板。
本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种船舶机舱数 据采集嵌入板，包括电源处理电路、嵌入式处理器单元、电压信号变换电路、电 压至电流信号变换电路以及脉冲量采集电路。电源处理电路为该数据采集嵌入板提 供电源。嵌入式处理器单元控制该数据采集嵌入板的工作。电压信号变换电路包 括模拟量输出芯片以及运算放大器，模拟量输出芯片接收数字电压信号并输出模拟 电压信号，运算放大器连接模拟量输出芯片以对该模拟电压信号进行电压变换后输 出。电压至电流信号变换电路连接该电压信号变换电路，用以将电压信号变换电路 所输出的电压信号转换为电流信号。脉冲量采集电路包括光耦隔离模块和整形模 块，该光耦隔离模块接收脉冲量信号，该整形模块连接光耦隔离模块以对脉冲量信 号进行整形，并输入给嵌入式处理器单元采集。
在上述的船舶机舱数据釆集嵌入板中，电源处理电路包括模拟电源和数字电源。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，嵌入式处理器单元包括主CPU和从 CPU， 二者之间通过SPI串口通信。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，脉冲量采集电路的整形模块连接到从
CPU,以将整形后的脉冲量信号输入给从CPU采集。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，主CPU型号为LPC2129，从CPU型 号为LPC2102。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，电压信号变换电路的模拟量输出芯片 输出的电压信号为0 5V，运算放大器输出的电压信号分别为-5 5V和0 IOV。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，电压信号变换电路的模拟量输出芯片 型号为AD5320。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，电压至电流信号变换电路的包括一电 压至电流转换芯片AD694，其输出的是4 20mA电流信号。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，脉冲量采集电路的整形模块是史密特 触发器。
在上述的船舶机舱数据采集嵌入板中，还包括双CAN通讯总线，连接于嵌入 式处理器单元，实现嵌入式处理器单元与外部的通讯。
本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著 优点首先，在电路设计中使用了专用模数转换芯片，根据不同芯片的特性合 理搭建，增强了电路稳定性提高了电路输出准确度。其次，采用双嵌入式CPU 的模式提高了电路板的实时性和可靠性；第三，使用支持实时仿真和跟踪的32 位ARM7TDMI-^"的嵌入式CPU实现了数据采集后的就地智能处理；第四， 使用嵌入式技术大大简化了电路，降低了成本，提高了可靠性；第五，应用现 场总线网络取代了大量I/O信号电缆，只需要两路冗余总线就可以传递大量的 监控信息，并且扩充了过去由于接线数量限制而无法传递的监控信息。
为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，
以下结合附图对 本实用新型的具体实施方式
作详细说明，其中
图1是本实用新型的采集板的结构框图。
图2是图1所示采集板的电源部分原理图。
图3是图1所示采集板的电压信号输出电路原理图。
图4是AD5320内部寄存器的内容。 图5是AD5320的结构框图。
图6是图1所示采集板的电压至电流转换部分原理图。 图7是AD694的多种工作方式。 图8是AD694的保护电路。
图9是图1所示采集板的脉冲量采集电路原理图。 图10是TLP113的结构图。
具体实施方式
基于冗余CAN通讯的模拟量输出和脉冲量采集嵌入板具有使用方便、测 量精度高、抗千扰能力强等特点。本实用新型的数据采集板通过使用电压输出 专用集成芯片、放大器芯片和电流输出集成芯片的电路搭建成功实现了 0 IOV、 -5 5V的电压输出和4 20mA的标准电流输出；采用主从CPU全双工 SPI串口通讯，实现了无中断的脉冲量采集功能；采用嵌入式处理单元和智能 算法，实现了多点循环采集、参数自动配置的功能；使用冗余双CAN通讯， 提高了通讯可靠性。
参照图l所示，本实用新型的船舶机舱数据采集嵌入板IOO主要包括电源 处理电路IIO、电压信号变换电路130、电压至电流信号变换电路140、脉冲量 采集电路150和嵌入式处理单元120几个部分。其中电源处理电路110用于为 整个电路板提供各种所需的电源信号。脉冲量采集电路150连接于嵌入式处理 单元120，并采集脉冲量信号通过SPIO接口给嵌入式处理单元120。电压信号 变换电路130从SPI1接口接收来自嵌入式处理单元120的数字电压信号，将其 转换为模拟电压信号后输出。电压至电流信号变换电路140连接于电压信号变 换电路130，以将至少部分电压信号转换为所需的电流信号。另外，嵌入式处 理单元120连接两路CAN总线CAN1和CAN2，以完成与其他船舱内其他设 备的冗余CAN协议通讯。
下面将具体说明各个部分所采用的电路。
图2是图1所示采集板的电源处理电路原理图。参照图2所示，电源电路 110采用了光电隔离设计，保证了电路板的处理电路供电的稳定性，可接收 +30%和-25%的宽幅供电范围。电源处理电路120还采用了数字电源和模拟电 源隔离的设计，大大提高了模拟信号变换、输出和数模转换的稳定度和精度。
具体地说，用户现场为24VDC电源，使用现有的DC-DC模块FKC24D15(图 2中的U1)可以提供+15V和-15V两路DC电源。为了使模拟和数字电源互不干 扰又没有压降，采取两种电路分别产生数字5V(SV5)和模拟5V(MV5)。为了产 生SV5电源，使用了 7809、 7805三端稳压器。电路中稳压器7809的作用是为 了降低稳压器7805输入输出的压差，如果不经过稳压器7809而将芯片 FKC24D15的输出(+ 15V)直接加载到稳压器7805上，10V的压差将会使芯 片发热过大而容易损坏。MV5是由可调参考基准电压芯片TL431产生，该芯 片的Ref脚输出稳定的2.5V电压基准，通过配置两个不同比例的高精度电阻， 可以提供Ref 36V的任意参考电压，在整个工作温度范围(-40 105°C) Ref 的稳定度典型值为0.1%，最低不超0.7%。这样输出电压MV5的稳定性在很大 程度上依赖于两个外围电阻比值的稳定性，因此选用了两个阻值相同的精密电 阻。
如图2中U2部分电路。P^^2.5V， ^=(1 + &)^￡/7。图中/ 2 = 100， / 3 = 10Q， 故输出MV5。
图2所示电路中电容和电感是起滤波作用的，应用过程中常说的"一大并 一小的滤波电容"，这样的滤波效果比较好，可以得到比较平滑的电压信号。 带有方向的钽电容滤波效果更好。跳线J8避免SGND与MGND之间产生压降， 并实现单点接地。
嵌入式处理器单元120采用冗余式设计。具体地说，主CPU单元采用了 飞利浦公司最新研发的基于32位的ARM7处理器LPC2129。该芯片采用64脚封 装、功耗低、硬件资源多，包括多个32位定时器、4路10位ADC、 2路CAN、 PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断，它特别适用于汽车、工业控制 应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了两路符合CAN2.0B的CAN总线 通道，它也非常适合于通信网关、协议转换器以及基于工业现场总线通讯的各
种应用。主要特性为32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装；16 kB片内静 态RAM; 256 kB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达 60MHz工作频率；通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编 程(IAP) ; 512字节行编程时间为lms;单扇区或整片擦除时间为400ms; EmbeddedlCE-RT可实现断点和观察点；当使用片内RealMonitor软件对前台任 务进行调试时，中断服务程序可继续运行；嵌入式跟踪宏单元(ETM)支持对 执行代码进行无干扰的高速实时跟踪；2个互连的C緒接口，带有先进的验收 滤波器；4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44u s;多个串行接口，包括 2个16C550工业标准UART、高速12(:接口 (400 kbit/s)和2个SPI接口；通 过片内PLL(锁相环)可实现最大为60MHz的CPU操作频率；向量中断控制器； 可配置优先级和向量地址；2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、 P丽单元(6路输出)、实时时钟和看门狗；多达46个通用I/0口 (可承受5V 电压)，9个边沿或电平触发的外部中断引脚；片内晶振频率范围1 30MHz ; 2个低功耗模式空闲和掉电；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；可 通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。
主CPU的LPC2129的128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位 代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位 Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。使用该CPU大 大提高了运算速度，经过跳频可达到60MHZ的主频。由于硬件资源的丰富， 保证了处理软件的复杂功能，如数字滤波、拟合运算、最小二乘计算、线性化、 通讯诊断等的顺利实现。
从CPU单元采用了飞利浦公司最新研发的基于32位的ARM7处理器 LPC2102。该芯片采用48脚封装、高性能、低功耗，包括2个32位定时器、2 个16位定时器、8路10位ADC、具有多达13个边沿或电平触发的外部中断管 脚的32条高速GPI0线。较小的封装和很低的功耗使LPC2102特别适用于访问 控制和P0S机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通讯接口，该芯片也非 常适合于通讯网关和协议转换器。主要特性32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP48 封装；4kB片内静态RAM。 16 kB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加 速器可实现高达70 MHz工作频率；通过片内boot装载程序实现在系统编程
(ISP)和在应用编程(IAP) ; 256字节编程时间为lms;单扇区或整片擦除 时间为100ms;嵌入式ICERT通过片内RealMonitor软件提供实时调试；8路 10位A/D转换器，转换时间低至2.44us;以及特定的结果寄存器来最大限度 的减少中断开销；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、 2个高速 fc接口 (400 kbit/s) 、 SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。通 过一个可编程片内PLL可实现最大为70MHz的CPU操作频率，具有10MHz 25MHz的输入频率。向量中断控制器，可配置优先级和向量地址；2个32位 定时器/外部事件计数器(带7路捕获和7路比较通道)、2个16位定时器/ 外部事件计数器(带3路捕获和7路比较通道)；低功耗实时时钟(RTC)具 有独立的电源和特定的32kHz时钟输入；多达32个通用I/0口 (可承受5V电 压)，多达13个边沿或电平触发的外部中断引脚；片内晶振频率范围l 25MHz ;低功耗模式空闲模式、掉电模式和带有RTC的掉电模式；通过外部 中断或RTC将处理器从掉电模式中唤醒；可通过个别使能/禁止外部功能和外
围时钟分频来优化额外功耗。
图3是图1所示采集板的电压信号输出电路原理图。参照图3所示，先由 模拟量输出专用芯片AD5320输出0 5V电压信号，再经过运算放大器对电压 信号进行变换，最终输出-5 5V和0 10V电压信号。
具体地说，嵌入式处理单元通过SPI接口 SPI:1向芯片AD5320传输两个字 节数据，其中包含12个二进制位的电压输出码值。AD5320是CMOS工艺制作 的数模转换芯片，它可以根据算式按照输入寄存器中的数字码输出相映的电压 信号，输入寄存器的内容如图4。 AD5320是由数模转换器和输出缓冲放大器组 成，因为没有基准电压输入引脚，因此将电源输入作为基准。AD5320的结构 框图如图5。 AD5320的输出电压由下式给出
其中)^,为电源电压，D为十进制的电压码值。AD5320的电源电压是5V， 根据上式可得AD5320的输出为0 5V，误差0.02%。
继续参照图3， AD5320的输出接入两个运算放大器OP07的输入。根据运 算放大器的虚短特性，OP07的二脚和三脚的电压值相等；根据运算放大器的 虚断特性，OP07二脚的输入电流为0。在右边OP07电路中，当AD5320输出
0V时，由于虚短故V12-0。由于虚断故R7和R8中电流相等，又由于R7和 R8的电阻值相等，因此VB1^5V;当AD5320输出5V时，V12=5, VB1=5V。 在左边OP07电路中，当AD5320输出0 V时，V22=0，VA1=0;当AD5320输 出5V时，V22=5， VA1 = 10。两个电压档经过跳线选择，最后经跟随器跟随输 出。电路中的电容都是起滤波作用的。
参照图6所示，其是图1所示采集板的电压至电流转换部分原理图电压至 电流信号变换部分。先由上述电压信号输出电路130得到0 10V电压信号，此 电压信号经过芯片AD694，则输出4 20mA标准电流信号。
电流信号是把0 10V的电压信号接入芯片AD694，由AD694转换成4 20mA的电流输出。AD694是集成的电流传送器，它有多种输入输出情况如图 7所示。本实用新型中的电路采用第二种情况，输入0 10V的电压信号，输出 4 20mA的电流信号。AD694驱动电阻性负载时是稳定的，但是负载是感性的 或是负载特性不确定时，就需要在/。w (Pinll)和Com (Pin5)之间加一个 0.01//f的电容来保证AD694的稳定性。另外，当AD694驱动容性电阻时应加 保护电路，如图8所示。二极管D1、 D2可以防止Pin11的电压高于R或低于 Com，否则会损坏AD694。所以0.01//f的电容和二极管Dl、 D2都是必要的。
图9是图1所示采集板的脉冲量采集电路原理图。参照图9，工业脉冲量 信号电压幅值大24V，故先经过高速光电耦合隔离模块TLP113使电压高低电 平为OV和5V，如图10。 TLP113的5脚和6脚间接上拉电阻，当NPN管导通 时5脚为0V;当NPN管断开时5脚被上拉到5V。图9中TLP113的两个电容 是起到滤去杂波作用的。芯片74HC14是史密特触发器，为了除去杂波，使信 号沿陡直，把光耦隔离后的信号进行史密特整形，最后由LPC2102定时器采集。
脉冲量采集电路150采用双CPU模式，嵌入式处理单元120的两个CPU 通过串行接口 SPI进行通讯。从CPU采集脉冲信号，等待主CPU要数。主CPU 程序运行到脉冲量采集时，向从CPU发出要数命令，由此实现脉冲量采集。其 中要求两个CPU时钟信号、通讯模式、传输方式达到一致。
虽然本实用新型己以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新 型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许 的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求1.一种船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于包括电源处理电路，为该数据采集嵌入板提供电源；嵌入式处理器单元，控制该数据采集嵌入板的工作；电压信号变换电路，包括模拟量输出芯片以及运算放大器，模拟量输出芯片接收数字电压信号并输出模拟电压信号，运算放大器连接模拟量输出芯片以对该模拟电压信号进行电压变换后输出；电压至电流信号变换电路，连接该电压信号变换电路，用以将电压信号变换电路所输出的电压信号转换为电流信号；以及脉冲量采集电路，包括光耦隔离模块和整形模块，该光耦隔离模块接收脉冲量信号，该整形模块连接光耦隔离模块以对脉冲量信号进行整形，并输入给嵌入式处理器单元采集。
2. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述电源 处理电路包括模拟电源和数字电源。
3. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述嵌入 式处理器单元包括主CPU和从CPU， 二者通过SPI串口通信。
4. 如权利要求3所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述脉冲 量采集电路的整形模块连接到所述从CPU,以将整形后的脉冲量信号输入给从 CPU采集。
5. 如权利要求3所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述主CPU 型号为LPC2129，所述从CPU型号为LPC2102。
6. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述电压 信号变换电路的模拟量输出芯片输出的电压信号为0 5V，所述运算放大器输出 的电压信号分别为-5 5V和0 10V。
7. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述电压 信号变换电路的模拟量输出芯片型号为AD5320。
8. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述电压 至电流信号变换电路的包括一电压至电流转换芯片AD694，其输出的是4 20mA 电流信号。
9. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，所述脉冲 量采集电路的整形模块是史密特触发器。
10. 如权利要求1所述的船舶机舱数据采集嵌入板，其特征在于，还包括双CAN通讯总线，连接于嵌入式处理器单元，实现嵌入式处理器单元与外部的通讯。
专利摘要本实用新型涉及一种船舶机舱数据采集嵌入板，包括电源处理电路，为该数据采集嵌入板提供电源。嵌入式处理器单元，控制该数据采集嵌入板的工作。电压信号变换电路，包括模拟量输出芯片以及运算放大器，模拟量输出芯片接收数字电压信号并输出模拟电压信号，运算放大器连接模拟量输出芯片以对该模拟电压信号进行电压变换后输出。电压至电流信号变换电路，连接该电压信号变换电路，用以将电压信号变换电路所输出的电压信号转换为电流信号。脉冲量采集电路，包括光耦隔离模块和整形模块，该光耦隔离模块接收脉冲量信号，该整形模块连接光耦隔离模块以对脉冲量信号进行整形，并输入给嵌入式处理器单元采集。
文档编号G06F3/05GK201184970SQ200820057529
公开日2009年1月21日 申请日期2008年4月21日 优先权日2008年4月21日
发明者赟 刘, 健 吕, 孙聚川, 平 张, 晶 李, 鹏 解 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所