专利名称：外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业测控领域数据采集及控制装置，尤其是涉及一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置。
背景技术：
随着计算机硬件软件技术的迅速发展及集成电路技术的日益提高，工业测控技术在我国已经取得了巨大的进步，并成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，近年来计算机测控系统已经成为工矿企业及工业系统中最重要的测量控制系统。工业测控的应用系统中，一种典型的结构是把各种传感器信号集中采集到工业控制计算机上，然后计算机通过对信号数据的处理，将控制信号反馈到应用系统中，控制系统的状态。而工业控制计算机上最常使用的接口是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnection简称PCI)总线接口，计算机使用PCI接口从应用系统获取数据，并通过PCI接口对应用系统进行控制，具有高速稳定等优点，是工业测控领域的首选方案。目前基于PCI接口的各种采集装置存在着采集信号范围小，输入输出传感器接口少、传感器接口受限等缺点，因此提供一种基于PCI接口的具有多种不同形式输入输出传感器接口，对采集信号能够进行大增益范围放大的多功能信号采集控制装置非常必要。
发明内容
为了实现工业系统上对多种不同形式输入输出的传感器接口进行PCI数据采集及其控制，本发明的目的在于提供一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置。本发明采用的技术方案是本发明包括第一外部接口、第二外部接口、第一PGA模块、第二PGA模块、ADC模块、 第三外部接口、DAC模块、差分模块、光电耦合模块、FPGA模块、PCI桥芯片、PCI总线和电源模块；第一外部接口通过第一 PGA模块连到ADC模块的第一输入端，第二外部接口通过第二 PGA模块连到ADC模块的第二输入端，第三外部接口与ADC模块的第三输入端相连，ADC模块与FPGA模块相连，FPGA模块通过DAC模块及差分模块分别与第三外部接口连接，第三外部接口通过光电耦合模块与FPGA模块连接，FPGA模块分别与第一 PGA模块、第二 PGA模块及第三外部接口连接，FPGA模块通过PCI桥芯片最后连接到PCI总线上，电源模块给装置供电，其输入电压+5V由计算机的主板提供。所述的第一外部接口和第二外部接口分别采用相同的DB9接口 ；第三外部接口采用DB25接口。所述的第一 PGA模块和第二 PGA模块均由PGA204AP芯片和芯片组成。所述的ADC模块采用ADS7825P芯片，ADC模块将输出的数字信号经ALVC164215 芯片连接到FPGA模块的输入端，同时FPGA模块输出的控制信号线连接到ADC模块和 ALVC164245芯片的输入端；所述的FPGA模块以Xilinx公司的SPARTAN系列的FPGA芯片 XC3S50为核心。
所述的DAC模块采用AD5725ARSZ芯片；所述的差分模块采用SN75174芯片， FPGA模块输出端经单端差分后连接到第三外部接口的输入端；所述的光电耦合模块由 TLP521-2芯片、TLP521-4芯片和HD74HC14P芯片组成，第三外部接口的差分编码输入和单端数字量输入信号经光电耦合模块连接到FPGA模块的输入端。所述的PCI桥芯片采用PLX公司的PCI9052接口芯片，PCI桥芯片一端与FPGA模块连接，另一端与PCI总线连接。所述的PCI总线符合PCI总线协议，PCI总线一端与PCI桥芯片相连接，另一端插在计算机主板内的任一 PCI插槽中。所述的电源模块其电压输入为+5V，由计算机上的主板提供，输出提供直流 +3. 3V, +2. 5V和+1. 2V, +3. 3V为FPGA提供参考电压，+2. 5V为FPGA提供辅助电压，+1. 2V 为FPGA提供内部核电压。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是相比于其它外设部件互联标准接口的采集装置，本发明提供的外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置可以对多种不同形式输入输出传感器接口进行采集控制，可以对三路模拟量输入传感器，两路差分编码输入传感器以及四路单端数字量输入传感器进行数据采集，而且可以提供两路模拟量输出接口，四对差分输出接口和两路数字输出接口以对多种接口外部设备进行控制，满足复杂测控系统中的多功能采集控制要求。
图1是本发明的结构原理框图。图2是图1的第一外部接口的电路图。图3是图1的第三外部接口的电路图。图4和图5是图1的第一 PGA模块的电路图。图6至图8是图1的光电耦合模块的电路图。
图9是图1的DAC模块的电路图。图10是图1的差分模块的电路图。图11是图1的ADC模块的电路图。图12是图1的连接ADC模块和FPGA模块的ALVC164245芯片的电路图。图13是图1的FPGA模块的电路图。图14是图1的连接FPGA模块和PCI桥芯片的ALVC164245芯片的电路图。图15是图1的是PCI桥芯片的电路图。图16是图1的PCI总线(PCI BUS)的电路图。图中，1、第一外部接口，2、第二外部接口，3、第一 PGA模块(Pr ο gra_ab Iefeiin Amplifier 简称 PGA)，4、第二 PGA 模块，5、ADC 模块(Analog-to-digitalConverter 简称 ADC)，6、第三外部接口，7、DAC 模块(Digital-to-analog Converter 简称 DAC)，8、差分模土夬，9、光电耦合模块，10、FPGA 模块(Field ProgrammableGate Array 简称 FPGA)，11、PCI 桥芯片(Peripheral Component Interconnection 简称 PCI)，12、PCI 线，13、电源模块。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本发明的外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其总体原理框图如图1 所示，包括第一外部接口 1、第二外部接口 2、第一 PGA模块3、第二 PGA模块4、ADC模块5、 第三外部接口 6、DAC模块7、差分模块8、光电耦合模块9、FPGA模块10、PCI桥芯片11、PCI 总线12和电源模块13 ；第一外部接口 1通过第一 PGA模块3连到ADC模块5的第一输入端，第二外部接口 2通过第二 PGA模块4连到ADC模块5的第二输入端，第三外部接口 6与 ADC模块5的第三输入端相连，ADC模块5与FPGA模块10相连，FPGA模块10通过DAC模块 7及差分模块8分别与第三外部接口 6连接，第三外部接口 6通过光电耦合模块9与FPGA 模块10连接，FPGA模块10分别与第一 PGA模块3、第二 PGA模块4及第三外部接口 6连接，FPGA模块10通过PCI桥芯片11最后连接到PCI总线12上，电源模块13给装置供电， 其输入电压+5V由计算机的主板提供。所述的第一外部接口 1和第二外部接口 2分别采用相同的DB9接口，其中第一外部接口 1的电路图如图2所示；图9的DAC模块7输出的两路模拟信号VOUTA和VOUTB输出到一个接口上，分别为第一外部接口 1和第二外部接口 2提供开关调零信号；第一外部接口 1与第一 PGA模块3的电路连接图如图2、图4和图5所示；第二外部接口 2和第二 PGA 模块4的电路连接法同理于第一外部接口 1和第一 PGA模块3的电路连接法。图1中第三外部接口 6采用DB25接口，第三外部接口 6的电路连接图如图3所示， 第三外部接口 6的一路模拟信号连接到ADC模块5的输入端，如图3的ADIN3连接到图11 模数转换器的ADIN3输入端，为模数转换器提供一路模拟信号；FPGA模块10的两个输出端通过两个三极管与第三外部接口 6的单端数字量输入端DOOp和DOlp相连接，可以对外部传感器进行开关控制；FPGA模块10的输出端经差分模块8连接到第三外部接口 6上，如图 13、图10和图3所示，这样通过FPGA芯片来控制外部电机的转速、方向以及对外做开关控制；FPGA模块10的输出端经DAC模块7连接到第三外部接口 6上，如图13、图9和图3所示，FPGA模块10输出的12位数字信号经过数模转换器AD5725ARSZ输出的其中两路模拟信号DAOUTO和DAOUTl经过LM358芯片放大后连接到第三外部接口 6的输入端DAOUTO和 DAOUTl上；第三外部接口 6经光电耦合模块9连接到FPGA模块10的输入端，具体电路连接图如图3、图6、图7、图8和图13所示。图1中第一 PGA模块3和第二 PGA模块4均由PGA204AP芯片和芯片组成； 第一 PGA模块3的输入端与第一外部接口 1和FPGA模块10相连接，电路连接图如图2、图 4、图5和图13所示；第一 PGA模块3的输出端与ADC模块5连接，电路连接图如图5和图 11所示，第一外部接口 1输入的模拟信号经过第一 PGA模块3放大后输出模拟信号ADIN0， ADINO连接到ADC模块5的输入端，为其提供一路模拟信号，FPGA模块10的输出端204_1A0 和204_1A1连接到PGA204AP芯片的相应输入端，FPGA模块10的输出端526_1A0、526_1A1 和526_1A2连接到芯片的相应输入端，这样可以用FPGA模块10来控制第一 PGA模块3的放大倍数；第二 PGA模块4和ADC模块5及FPGA模块10的连接法同理于第一 PGA 模块3和ADC模块5及FPGA模块10的连接法。图1中ADC模块5由ADS7825P芯片组成，ADS7825P芯片是四个信道，16bit采样的模数转换器，ADC模块5的输入端与第一 PGA模块3、第二 PGA模块4和第三外部接口 6相连接，ADC模块5将输出的数字信号经ALVC164215芯片连接到FPGA模块10的输入端，其电路连接图如图3、图5、图11、图12和图13所示；图3的ADIN3、图5的ADINO和第二 PGA 模块4输出的ADim连接到ADC模块5相应的输入端，为ADC模块5提供了三路模拟信号， ADC模块5输出的8位数字信号7824_5D0至7824_5D7连接到ALVC164245芯片的对应输入端，ALVC164245芯片输出的8位数字信号AD_D0至AD_D7连接到FPGA模块10相应的输入端，同时FPGA模块10输出的控制信号线连接到ADC模块5和ALVC164245芯片的输入端。图1中FPGA模块10以Xilinx公司的SPARTAN系列的FPGA芯片XC3S50为核心， 分别与第一 PGA模块3、第二 PGA模块4、ADC模块5、第三外部接口 6、DAC模块7、差分模块 8、光电耦合模块9和PCI桥芯片11相连接。图1中DAC模块7由AD5725ARSZ芯片组成，AD5725ARSZ芯片是一个12位并行输入，电压输出的数模转换器；FPGA模块10输出端经DAC模块7连接到第三外部接口 6的输入端，其电路连接图如图13、图9和图3所示，FPGA模块10为DAC模块7提供12位的数字信号及一些控制信号，DAC模块7输出的两路模拟信号DAOUTO和DAOUTl经过LM358芯片放大后连接到第三外部接口 6的输入端，DAC模块7输出的另两路模拟信号连接到一个接口上，为第一外部接口 1和第二外部接口 2提供开关调零信号。图1中差分模块8由SN75174芯片组成，FPGA模块10输出端经单端差分后与第三外部接口 6连接，其电路连接图如图13、图10和图3所示，这样可以用FPGA模块10来控制外部电机的转速、转向以及对外做开关控制。图1中光电耦合模块9由TLP521-2芯片、TLP521-4芯片和HD74HC14P芯片组成， 第三外部接口 6的差分编码输入PAIN+、PAIN-、PBIN+以及PBIN-和单端数字量输入信号 DINO至DIN3经光电耦合模块9连接到FPGA模块10的输入端，为FPGA模块10提供稳压信号，其具体电路连接图如图3、图6、图7、图8和图13所示。图1中PCI桥芯片11采用PLX公司的PCI9052接口芯片，PCI桥芯片11 一端通过 ALVC164245芯片与FPGA模块10连接，如图13至图15所示，另一端与PCI总线12连接，如图15和图16所示。图1中PCI总线12符合PCI总线协议，PCI总线12 —端与PCI桥芯片11相连接， 如图16和图15所示，另一端插在计算机主板内的任一 PCI插槽中。图1中电源模块13其电压输入为+5V，由计算机上的主板提供，输出提供直流 +3. 3V, +2. 5V和+1. 2V, +3. 3V为FPGA提供参考电压，+2. 5V为FPGA提供辅助电压，+1. 2V 为FPGA提供内部核电压。
权利要求
1.一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于包括第一外部接口(1)、第二外部接口 (2)、第一 PGA模块(3)、第二 PGA模块(4)、ADC模块(5)、第三外部接口 (6)、DAC模块(7)、差分模块(8)、光电耦合模块(9)、FPGA模块(10)、PCI桥芯片(11)、 PCI总线(12)和电源模块(13)；第一外部接口⑴通过第一 PGA模块(3)连到ADC模块 (5)的第一输入端，第二外部接口( 通过第二 PGA模块(4)连到ADC模块( 的第二输入端，第三外部接口(6)与ADC模块(5)的第三输入端相连，ADC模块(5)与FPGA模块(10) 相连，FPGA模块(10)通过DAC模块(7)及差分模块⑶分别与第三外部接口(6)连接，第三外部接口(6)通过光电耦合模块(9)与FPGA模块(10)连接，FPGA模块(10)分别与第一 PGA模块(3)、第二 PGA模块(4)及第三外部接口(6)连接，FPGA模块(10)通过PCI桥芯片(11)最后连接到PCI总线(12)上，电源模块(13)给装置供电，其输入电压+5V由计算机的主板提供。
2.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的第一外部接口(1)和第二外部接口( 分别采用相同的DB9接口 ；第三外部接口 (6)采用 DB25 接口。
3.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的第一 PGA模块(3)和第二 PGA模块(4)均由PGA204AP芯片和芯片组成。
4.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的ADC模块(5)采用ADS7825P芯片，ADC模块(5)将输出的数字信号经 ALVC164215芯片连接到FPGA模块(10)的输入端，同时FPGA模块(10)输出的控制信号线连接到ADC模块(5)和ALVC164245芯片的输入端；所述的FPGA模块(10)以Xilinx公司的SPARTAN系列的FPGA芯片XC3S50为核心。
5.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的DAC模块(7)采用AD5725ARSZ芯片；所述的差分模块⑶采用SN75174芯片， FPGA模块(10)输出端经单端差分后连接到第三外部接口(6)的输入端；所述的光电耦合模块(9)由TLP521-2芯片、TLP521-4芯片和HD74HC14P芯片组成，第三外部接口 (6)的差分编码输入和单端数字量输入信号经光电耦合模块(9)连接到FPGA模块(10)的输入端。
6.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的PCI桥芯片(11)采用PLX公司的PCI9052接口芯片，PCI桥芯片(11) 一端与 FPGA模块(10)连接，另一端与PCI总线(12)连接。
7.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的PCI总线(12)符合PCI总线协议，PCI总线(12) —端与PCI桥芯片(11)相连接，另一端插在计算机主板内的任一 PCI插槽中。
8.根据权利要求1所述的一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置，其特征在于所述的电源模块(1 其电压输入为+5V，由计算机上的主板提供，输出提供直流 +3. 3V, +2. 5V和+1. 2V, +3. 3V为FPGA提供参考电压，+2. 5V为FPGA提供辅助电压，+1. 2V 为FPGA提供内部核电压。
全文摘要
本发明公开了一种外设部件互连标准接口的多功能采集控制装置。其第一外部接口和第二外部接口分别通过各自的PGA模块连到ADC模块的输入端，第三外部接口与ADC模块的第三输入端相连，FPGA模块通过DAC模块及差分模块分别与第三外部接口连接，第三外部接口通过光电耦合模块与FPGA模块连接，FPGA模块分别与第一、第二PGA模块、ADC模块及第三外部接口连接，FPGA模块通过PCI桥芯片最后连接到PCI总线上，电源模块给装置供电。本发明对三路模拟量输入，两路差分编码输入以及四路单端数字量输入传感器进行数据采集，而且提供两路模拟量输出，四对差分输出和两路数字输出接口来控制多种接口的外部设备。
文档编号G05B19/05GK102156429SQ20101055591
公开日2011年8月17日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者史治国, 孙优贤, 王长陶, 迪利敏, 陈积明 申请人:浙江大学