一种基于USB总线的同步串行信号采集控制装置的制作方法

本发明涉及工业测控领域数据采集及控制装置，尤其涉及一种基于usb总线标准的同步串行信号采集控制装置。

背景技术：

数据采集是数字信号处理中非常重要的环节，很多工业上的测量控制的应用中，需要把各种传感器信号集中采集到个人计算机或工业控制计算机上。其中，在光电编码器等各种传感器上得到了广泛的应用的是一种同步串行接口ssi(synchronousserialinterface)，ssi信号传输速度快、连线简单、对噪音的抗干扰性极高，最远距离可达500m。但工控机一般不提供ssi接口，目前的ssi数据采集卡多采用pci、cpci、pxi等接口，价格昂贵且驱动程序较为复杂，一般插在工控机的插槽中。

usb(universalserialbus通用串行总线)以其简单、速度快、支持即插即用和热插拔的优点，目前已被广泛应用。因为usb接口的广泛普及，采用usb接口可以机动灵活的在任意需要的场合使用，是一种低廉，便携的使用和操作连接方案。

因此，设计一种基于usb总线标准的同步串行信号采集控制装置，可以使测控系统具备采集ssi信号的功能，并且整个装置的便携性高、应用范围广、采集速率快、性价比高，这些都对工业控制自动化的发展有积极的促进作用。

技术实现要素：

本发明针对工控机难以直接采集ssi信号的问题，提出了一种基于usb总线标准的同步串行信号采集控制装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于usb总线的同步串行信号采集控制装置，包括usb总线标准采集装置、串行通信接口采集装置、同步串行信号接口装置和采集装置上位机；usb总线标准采集装置和串行通信接口采集装置均与同步串行信号接口装置连接，向同步串行信号接口装置发送时钟信号并接收数据信号；同步串行信号接口装置通过ssi端口与外围设备连接。采集装置上位机与usb总线标准采集装置通过usb线连接，与串行通信接口采集装置通过rs232或rs485总线连接，接收采集装置发送来的模拟数据信号。

进一步地，所述usb总线标准采集装置包括usb总线传输模块和usb接口，所述串行通信接口采集装置包括串口传输模块、rs232接口和rs485接口，usb总线标准采集装置和串行通信接口采集装置具有共用的fpga模块；所述同步串行信号接口装置包括ssi信号采集模块和ssi端口；

fpga模块分多路连接ssi信号采集模块的多个ssi驱动芯片，每一路包括一路时钟信号线和一路数据信号线；usb总线传输模块以7根控制信号线和8根数据线和fpga模块连接；串口传输模块中的rs232接口和fpga模块以两根信号线连接，一路发送信号，一路接收信号；rs485接口和fpga模块以三根信号线连接，一路发送信号，一路接收信号，还有一路控制信号传输的方向；usb总线传输模块由采集装置上位机供电，其他模块由电源模块供电。

进一步地，所述的fpga模块以xilinx公司的spartan系列的fpga芯片xc6slx16为核心，ssi信号采集模块采用的ssi驱动芯片为max490esa芯片，usb总线传输模块采用ftdi的ft232h接口芯片，串口传输模块中的rs232接口采用max3232芯片，rs485接口采用max3485芯片，电源模块采用ti公司的tps54325pwp芯片。

进一步地，所述的ssi接口是两个25针的90度db母头接口，外围设备为绝对值编码器；采集装置和上位机的接口包括一路usbminib型接口用于usb总线和上位机通信，一路9针的90度db母头接口用于rs232总线和上位机通信，一路3针的90度针座用于rs485总线和上位机通信。

进一步地，所述的采集装置上位机和usb总线标准采集装置或串行通信接口采集装置通信，发送采集需要的控制信号到采集装置；采集装置发送同步串行接口的时钟信号到同步串行信号接口装置，同步串行信号接口装置产生的数据信号通过采集装置用usb总线标准或串行通信标准发送给采集装置上位机。

本发明的有益效果是：本采集控制装置实现了工控机对具有ssi接口的外围设备的监测和控制，实现多路ssi信号的同步采集；除了usb接口外，还支持rs232和rs485接口的多种常见的波特率的串行通信；本采集控制装置在保证高精度、高速率的情况下，便携性提高，连接更加简单，使用usb接口扩展了整个装置的可应用范围，使用串口通信增加了通信距离，更适应工业测控领域的复杂要求，也降低了整个采集控制装置的成本。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图；

图2是本发明的fpga模块的电路图；

图3是本发明的ssi信号采集模块的电路图；

图4是本发明的usb总线传输模块的电路图；

图5是本发明的串口传输模块中的rs232接口的电路图；

图6是本发明的串口传输模块中的rs485接口的电路图；

图7是本发明的电源模块的电路图；

图8是本发明的ssi端口的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的一种基于usb总线标准的同步串行信号采集控制装置，包括usb总线标准采集装置、串行通信接口采集装置、同步串行信号接口装置和采集装置上位机；usb总线标准采集装置和串行通信接口采集装置均与同步串行信号接口装置连接，向同步串行信号接口装置发送时钟信号并接收数据信号；同步串行信号接口装置通过ssi端口与外围设备连接。采集装置上位机与usb总线标准采集装置通过usb线连接，与串行通信接口采集装置通过rs232或rs485总线连接，接收采集装置发送来的模拟数据信号。

如图1所示，所述usb总线标准采集装置包括usb总线传输模块和usb接口，所述串行通信接口采集装置包括串口传输模块、rs232接口和rs485接口，usb总线标准采集装置和串行通信接口采集装置具有共用的fpga模块；所述同步串行信号接口装置包括ssi信号采集模块和ssi端口；

fpga模块分多路连接ssi信号采集模块的多个ssi驱动芯片，每一路包括一路时钟信号线和一路数据信号线；usb总线传输模块以7根控制信号线和8根数据线和fpga模块连接；串口传输模块中的rs232接口和fpga模块以两根信号线连接，一路发送信号，一路接收信号；rs485接口和fpga模块以三根信号线连接，一路发送信号，一路接收信号，还有一路控制信号传输的方向；usb总线传输模块由采集装置上位机供电，其他模块由电源模块供电。

如图2所示，fpga模块以xilinx公司的spartan系列的fpga芯片xc6slx16为核心，其中的十六根信号线f_ssi0_clk至f_ssi7_clk和f_ssi0_data至f_ssi7_data与ssi信号采集模块包含的八个驱动芯片共十六根信号线ssi0_clk至ssi7_clk和ssi0_data至ssi7_data对应连接，fpga模块另外的八根信号线adbus0至adbus7与usb总线传输模块中的usb芯片的八根数据信号线对应连接，七根信号线acbus0至acbus6与usb芯片的七根控制信号线对应连接。

如图3所示，ssi信号采集模块中的8个ssi驱动芯片均以maxim公司的max490芯片为核心，由fpga模块输入一个时钟信号ssi_clk，通过max490输出一对差分信号ssi_clk+、ssi_clk-，用以控制外围设备，例如ssi绝对值编码器；同时max490芯片接收外围设备的一对差分输入信号ssi_data+和ssi_data-，输出串行数据ssi_data到fpga模块。ssi端口如图8所示，是两个25针的90度db母头接口。

如图4所示，usb总线传输模块以ftdi公司的ft232h为核心，和fpga模块相连的信号线如上所述，此外通过eeprom芯片93lc56bt配置为同步fifo模式。usb总线传输模块需要的+5v的电压默认由计算机提供，也可由电源模块提供。usb总线传输模块和上位机的接口为usbminib型。

如图5、6所示，串口传输模块包括rs232接口电路和rs485接口电路。rs232接口电路采用maxim公司的max3232芯片，在通信过程中采用全双工模式，允许数据同时在两个方向上传输，所以只有两根信号线与fpga模块1相连，rs232_rxd接收，rs232_txd发送。rs232和上位机通信的接口为9针的90度db母头。rs485接口电路采用maxim公司的max3485芯片，在通信过程中采用半双工模式，某一时刻数据只能在一个方向上传输，所以有三根信号线与fpga模块相连，rs485_ro接收，rs232_di发送，rs485_de控制传输方向。rs485和上位机通信的接口为3针的90度针座。

如图7所示，电源模块为其他模块提供电源，本采集控制装置所需要的电压有+5v、+3.3v、+1.2v，其中一部分+3.3v为fpga模块中的芯片的辅助电压和i/o驱动电源，+1.2v为fpga芯片的内部核电压，同时+5v为ssi信号采集模块所需芯片提供工作电压，还有一部分+3.3v为其他接口电路提供电源。电源模块输入为+12v直流电源，通过ti公司的tps54325pwp芯片分为四路转化为需要的电压，图7是其中一路产生+1.2v电压的电路。

本发明的具体实施过程如下：

搭建并安装上述装置，选择usb接口、rs232接口、rs485接口中的一种和上位机相连，ssi端口和外围设备连接。上位机和usb总线标准采集装置或串行通信接口采集装置通信，对采集装置发出指令，接口模块的芯片接收到指令后，转化成fpga模块可以读取的指控制令，fpga模块根据相应的指令，向上位机反馈采集装置的状态信息，从而完成初始化。

当需要采集ssi信号时，由上位机发出相应的指令，经过usb总线标准或串行通信标准传输给fpga模块，fpga模块对ssi信号采集模块做相应的控制，包括读写指令以及位宽设置数据等，同时ssi信号采集模块将实时采集到的ssi信号数据发送给fpga模块，经过usb总线标准或串行通信标准传输给上位机，最终完成信号的采集。