专利名称：PC/104-Plus多功能数据采集卡的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集卡，尤其涉及一种PC/104-P1US多功能数据采集卡。
背景技术：
GPS是全球定位系统(GlcAal Positioning System)的简称，是美国从本世纪70 年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、 工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、 地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。Wi-Fi 是由一个名为“无线以太网相容联盟”(Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA)的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802. Ila及IEEE 802. Ilg等标准的出现，现在IEEE 802. 11这个标准已被统称作 Wi-Fi0从应用层面来说，要使用Wi-Fi，用户首先要有Wi-Fi兼容的用户端装置。Wi-Fi 是一种帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体的赋能技术。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。能够访问 Wi-Fi网络的地方被称为热点。Wi-Fi或802. Ilg在2. 4Ghz频段工作，所支持的速度最高达 54Mbps。另外还有两种802. 11空间的协议，包括a和b。它们也是公开使用的，但802. Ilg 在世界上最为常用。Wi-Fi热点是通过在互联网连接上安装访问点来创建的。这个访问点将无线信号通过短程进行传输。一般覆盖300英尺。当一台支持Wi-Fi的设备(例如Pocket PC)遇到一个热点时，这个设备可以用无线方式连接到那个网络。PCI 是 Peripheral Component Interconnect (外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI总线的特点为数据总线32位，可扩充到64位；可进行突发式传输；总线操作与处理器-存储器子系统操作并行；总线时钟频率33MHZ或66MHZ，最高传输率可达528MB/ S ；中央集中式总线仲裁；全自动配置、资源分配、PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用；PCI总线规范独立于微处理器，通用性好；PCI设备可以完全作为主控设备控制总线；PCI总线引线高密度接插件，分基本插座(32位)及扩充插座(64 位)。RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从用户端设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚(信号地)的电平。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5 +15V，负电平在-5 -15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3 +12V与-3 -12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为201A/S。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的， 其驱动器负载为3 ΑΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC/104与普通PC总线控制系统的主要不同是小尺寸结构标准模块的机械尺寸是3. 6X3. 8英寸，即96X90mm。堆栈式连接去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即 PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。轻松总线驱动减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1 2瓦能耗。目前，主要是独立实现基于PC/104结构的PCI总线转RS-232板卡、Wi-Fi板卡和 GPS板卡，并没有将这几个功能集成在一起的PC/104结构的板卡，这样集成度较低，如果要同时使用PCI总线转RS-232板卡、Wi-Fi板卡和GPS板卡时，需要购买三种板卡，成本较高。
发明内容
本发明提供了一种集成了 PCI总线转RS-232、GPS定位和Wi-Fi无线通讯的 PC/104板卡。本板卡集成了 PCI总线转RS-232、GPS全球定位和Wi-Fi无线通讯模块。通过 PCI总线扩展串口供GPS和Wi-Fi模块使用，实现了 GPS定位功能，并能将数据通过Wi-Fi无线网络传输至控制室内，方便管理人员及时了解各种定位信息。本板卡还可将GPS和Wi-Fi 单独使用，实现定位和数据传输功能。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括PC/104结构的板卡、GPS模块和Wi-Fi模块，其中GPS模块和Wi-Fi模块均与PC/104结构的板卡相连接。所述GPS模块和Wi-Fi模块与PC/104结构的板卡之间通过PCI总线扩展出的串口进行数据传输。本发明还包括UART芯片，该芯片与PC/104结构的板卡相连接，将PCI总线转换出四个RS-232串口，GPS模块和Wi-Fi模块均通过扩展出的串口与PC/104结构的板卡相连接。所述PCI总线的UART芯片的一个I/O 口与Wi-Fi模块的复位管脚相连接，当所述 Wi-Fi模块出现故障时，本发明中的板卡采用软件复位，通过软件配置，使Wi-Fi模块的复位管脚至少持续IOms的低电平实现模块的复位。相对于现有技术而言，本发明具有如下优点
1)本发明将PCI总线转RS-232串口、Wi-Fi无线通讯和GPS定位功能集成在一块 PC/104结构的板卡上，其体积小，功耗低，成本低，集成度高、可靠稳定。2)本发明为标准PC/104Plus结构，可与其他PC/104或PC/104Plus板卡兼容。
图1为本发明的结构框图；图2为GPS15L模块连接图；图3为GPS模块电平转换连接图；图 4 为 RS9110-N-ll-24Wi_Fi 模块连接图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。本发明提供了一款高集成度的PC/104结构的板卡，其功能主要包括PCI总线转 RS-232，扩展了 COM 口、GPS定位和Wi-Fi无线通讯。本发明多功能数据采集卡采用PC/104电路结构的背板，通过PCI总线与底板硬连接，数据传输使用高速PCI接口，背板实现GPS定位和Wi-Fi数据传输功能。由于GPS和 Wi-Fi模块都是通过串口与主机连接，本板卡作为一个单独的产品，必须能够提供足够的串口，所以本板卡采用PC/104结构，通过PCI总线UART芯片，扩展出四个串口供GPS和Wi-Fi 模块使用。PC/104结构在电气特性和机械特性上可靠性极高，功耗低，产生热量少，具有极高的灵活性。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠地连接，抗震能力强。PCI总线转RS-232功能主要是由PCI总线UART芯片)(R17D1M实现，通过此芯片将PCI总线转换出四个RS-232串口。本板卡与主板连接后，在主机的设备管理器中可以看到多出四个串口，这些串口可作为普通串口单独使用。Wi-Fi模块采用RS9110-N-11-24芯片模块实现，RS9110-N-11-24芯片模块带有串口接口，通过此串口与PCI总线扩展出的一个RS-232连接，进行数据交换。GPS模块采用GPS15L模块实现，此模块带有串口接口，通过此串口与PCI总线扩展出的一个RS-232连接，进行数据交换。1、PCI 总线转 RS-232在很多通信系统中，对信号传输的带宽和速度有很高的要求，而PCI总线非常适合将高速信号经接口芯片和主机桥接在一起。本功能主要是由PCI总线UART芯片)(R17D1M 实现。XR17D1M是由在全球高性能混合信号处理方面具有领先地位的Exar公司推出的一系列支持双电压的PCI总线UART芯片。这一系列产品都兼容3. 3V和5V，具有PCI接口和 UART结构，主要用于利用PCI扩展卡的产品中，如POS机，系统监控，便携式通讯系统等等。)(R17D1M产品满足PCI 2. 3的规范，工作频率为33MHz，为普通ISA接口的4倍。 32位的数据总线可以充分利用CPU的带宽，传送/接收更多的数据。支持4个通道PCI转换UART，减少系统开销、节约了电路板空间。为下载CPU的处理信息，每一个通道都拥有带可编程触发电平的64字节发送/接收缓冲FIFO，可分别以高达921. 6kbps的速率对波特率进行编程。将PCI总线和PCI总线UART芯片)(R17D1M相应管脚连接就可以实现PCI总线转
5换RS-232串口。本板卡使用的是)(R17D1M，所以一共可以扩展出4个串口。XR17D154具有三组不同的寄存器，工作时需要分别配置。(I)PCI局部总线配置空间寄存器。PCI插卡插入系统后，系统BIOS将根据读到的插卡信息并结合系统情况为插卡分配存储地址、端口地址和中断等信息，实现即插即用的自动配置，从而免除了人工操作，这些信息都保存在外接的EEPROM中，在上电时)(R17D1M 会检测EEPROM是否有效，系统以此来标识PCI卡。(2)设备配置寄存器。提供从PCI数据总线向每一 UART通道的接收/发送数据 FIFO缓冲存储器的传输方式，它提供了对UART传输和各种功能状态的监控。寄存器占用 4k PCI总线存储器地址空间。这些地址由基址加上偏移量得到，偏移量保存在PCI局部总线配置寄存器的BAR寄存器0x10 [31:12]。这些寄存器控制或监控所有4通道UART的功能状态信息，包括中断控制和状态，16位通用定时器控制和状态，多用途输入/输出控制和状态，休眠模式控制，软复位控制以及设备标识和版本号信息等等。(3) UART [3:0]配置寄存器。每路UART通道都有内部UART配置寄存器作为串行数据传输控制和状态信息指示，所有4组通道寄存器嵌入设备配置寄存器空间，其寄存器配置偏移地址为UART[M] = OxOONOO，其中M表示通道序号，N = 2XM。2、GPS 模块本板卡中采用GARMIN公司的GPS15L模块，负责捕获、跟踪卫星，接收、放大、记录 GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，求解定位信号在站间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。GPS15L为12通道的GPS接收机，也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GPS15L接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，GPS15L接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。GPS15L 接收机无论从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。GPS15L接收机由PC/104结构的主板的PCI总线供电，其电压为5V。接收机上有 2个RS-232串口，其中一个串口 P0RT1用于接收指令及传输数据；另一个串口 P0RT2为单向通信，用于接收差分数据，差分后可以提高其定位精度，达到小于5米。接收机上的两个串口分别通过PCI总线UART芯片扩展出来的两个串口与主板连接。其连接图如图2所示。 其定位数据信息可由配置软件Snsrcfg. exe得到。由于PCI总线UART芯片扩展出来的串口电平为TTL，GPS接收机的串口电平为 RS-232，所以连接时需要进行电平转换，如图3所示。本板卡中采用MAX3245实现电平转换。 由于RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。 因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。MAXIM 公司的MAX3245是为满足RS-232的标准而设计的，具有功耗低、波特率高、价格低等优点。3、Wi-Fi 模块本板卡采用Redpine Signals 公司生产的 RS9110-N-ll-24Wi_Fi 模块。 RS9110-N-11-M是一个完整的IEEE 802. Ilbgn无线设备服务器，可通过串行接口或SPI与其它设备进行数据交换。它集成了 MAC，基带处理器，带有功率放大器的射频收发器和无线局域网所有的协议功能，嵌入式固件中的网络栈为各种应用提供了 802. Iln无线局域网解决方案。基于Redpine Signals的RS9110片上系统，RS9110-N-11-24内包含一个嵌入式处理器，它在开放和安全模式下为设备和系统提供了标准无线连接。如工业设备，医疗电子系统，POS设备，传感器网络和计量设备，M2M(Machine to Machine)通信和远程配置应用。 作为无线串行调制解调器，RS9110-N-11-24能够创建和结束TCP和UDP连接，从而以低功耗和小面积实现了各种M2M应用。RS9110-N-11-24具有串口或SPI两种通讯方式，本板卡采用串口通讯，通过PCI总线UART芯片扩展出来的一个串口与主板连接，其结构简单，连接图如图4所示。本发明中最重要的一点是Wi-Fi模块的复位。当检测到Wi-Fi模块出现故障时，需要对模块进行复位。本板卡采用软件复位，将PCI总线UART芯片的一个I/O 口与Wi-Fi模块的复位管脚连接，通过软件配置，使Wi-Fi模块的复位管脚至少持续IOms的低电平就可实现模块的软件复位，提高模块的利用率。本实施例中的G PS模块、Wi-Fi模块和PCI总线转RS-232模块都分别已有成熟模块，同时使用其他已有模块也可以实现本板卡的相应功能。以上对本发明所提供的一种PC/104-Plus多功能数据采集卡进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，其特征在于，包括PC/104结构的板卡、GPS模块和Wi-Fi模块，其中GPS模块和Wi-Fi模块均与PC/104结构的板卡相连接。
2.根据权利要求1所述的一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，其特征在于所述GPS 模块和Wi-Fi模块与PC/104结构的板卡之间通过PCI总线扩展出的串口进行数据通讯。
3.根据权利要求2所述的一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，其特征在于还包括 UART芯片，该芯片与PC/104结构的板卡相连接，将PCI总线转换出四个RS-232串口，GPS 模块和Wi-Fi模块均通过扩展出的串口与PC/104结构的板卡相连接。
4.根据权利要求3所述的一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，其特征在于所述PCI 总线的UART芯片的一个I/O 口与Wi-Fi模块的复位管脚相连接，当所述Wi-Fi模块出现故障时，通过软件配置，使Wi-Fi模块的复位管脚至少持续IOms的低电平实现Wi-Fi模块的复位。
全文摘要
本发明公开了一种数据采集卡，尤其涉及一种PC/104-Plus多功能数据采集卡。该采集卡包括PC/104结构的板卡、GPS模块、Wi-Fi模块和UART芯片，该芯片与PC/104结构的板卡相连接，将PCI总线转换出四个RS-232串口，GPS模块和Wi-Fi模块均通过扩展出的串口与PC/104结构的板卡相连接。本发明将PCI总线转RS-232串口、Wi-Fi无线通讯和GPS定位功能集成在一块PC/104结构的板卡上，其体积小，功耗低，成本低，集成度高、可靠稳定。
文档编号H04L12/40GK102176151SQ20111004613
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者徐晓, 陈宜金 申请人:中国矿业大学(北京)