一种数据采集扩展器的制作方法

本实用新型涉及数据采集领域，尤其涉及一种数据采集扩展器。

背景技术：

数据采集技术是一项基本的实用性技术,它被广泛应用于图像处理、语音信号分析和瞬态信号分析等众多领域。目前不同性能指标的通用或专用的数据采集系统,在各种领域中随处可见。但是,由于成本或技术开发等众多因素的影响,一般的数据采集系统其速度和通道数不能满足一些特殊领域的测试要求,因此常常需要根据具体的需求来设计专用的数据采集系统。

网络化制造系统中的信息化终端是在各种环境中实施网络化制造的关键装置之一，而数据采集系统是实现制造企业整个生产过程的信息集成，实施综合自动化，以及网络化制造中设备层远程监控的基础。在实际应用中，数据采集常常和工业控制联系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。由于各种工业现场条件不同，对现场的数据采集与控制功能的要求也不尽相同，而且各种信息化终端采用的体系结构和设计方案都有很大的差异，因此如何在各种信息化终端的基础上灵活扩展数据采集与控制模块来满足现场需要设计新型的数据采集器。

PC+数据采集卡方式的数据采集和处理的速度比较快；但是PC的接口资源有限，而且需要对接口卡的硬件资源进行合理配置，扩展难度较大。虽然后来推出的即插即用接口标准(PCI和ISAPnP)，由基本输入输出系统和操作系统自动完成对接口卡的资源配置，使得功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便，但仍然存在如下一些问题；

1)第一，卡的配置必须停机，并且需要打开PC机箱进行安装和拆卸，使用仍然存在很大的不方便之处。

2)接口卡设备驱动程序的安装、调试，甚至正常运行过程都需要各种技术支持，特别是接口卡作为一种硬件设备插入PC后，要占用PC的各种硬件资源，其安装配置过程仍然需要人工干预。当扩展卡较多时，常常会出现因一块或多块插卡无法合理配置而不能正常工作的情形，严重时甚至导致整个系统崩溃。

3)接口卡的质量高低、兼容性、以及驱动程序的可靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性。

4)对于笔记本电脑等小型PC很难对插卡接口进行扩展。

5)接口卡会受到PC内部的射频干扰，使其性能受到很大影响。

USB总线的出现改变了过去十几年人们关于数据采集系统几种模式的固有思维，USB总线既继承了RS485总线的可扩展性，又一定程度上增加了对带宽的适应性，同时克服了PCI卡的一些固有缺点：如同连接在工控计算机的机箱外，不受到插槽和中断等其它限制。因此USB总线成为目前设计可扩展性数据采集系统的最佳选择。

本实用新型提出了一种基于信息化终端、采用USB总线扩展数据采集与控制模块的分布式数据采集与控制的总体方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种数据采集扩展器，其同时具有圆弧形流道，并在圆弧形流道中央分散排布有翼片，从而能够对数据采集扩展器的散热效果进行优化。

本实用新型的实施例提供了一种平板数据采集扩容终端，包括：控制器，开关量输入输出，AD转换器，DA转换器，RS232电平转换器，RS485收发器以及USB2.0接口，所述控制器与所述开关量输入输出，AD转换器，DA转换器，RS232电平转换器，RS485收发器以及USB2.0接口均电性相接。

在一实施例中，所述控制器为CY7C68013；

在一实施例中，所述在AD转换器是美国TI公司生产的12-bit并行输出A/D芯片ADS7852；

在一实施例中，所述DA转换器是美国TI公司生产的12-bit并行输入D/A芯片DAC7802；

在一实施例中，所述开关量输入输出采用并口PC和PE做开关量的设计，且所述开关量的输入和输出时均采用了光电耦合器进行隔离；

本实用新型的优点：

1)通过USB总线则可以满足高速数据采集的需要，同时即插即用的特点可以灵活更换各种功能模块，适应不同的现场要求。满足了本课题在不改动装备信息化终端硬件的前提下扩展数据采集与控制功能的需要。另外，由于当前网络技术的推广和USB设备的广泛应用，原来在PC机和工控机上标配的以太网控制器和USB控制器已经在大部分的32位嵌入式处理器中集成，即便是本身不具备这两种模块的嵌入式系统也可以非常容易地通过局部总线扩展片外的以太网控制器和USB控制器。因此，当前的信息化终端无论是基于工控机还是基于32位嵌入式系统，基本上都具备100M以太网口和USB主机端口，为采用工业以太网扩展和USB总线扩展数据采集与控制模块两种方案提供了硬件基础，所以本实用新型在研究了工业以太网和USB总线在工业现场的应用现状后，结合当前信息化终端的特点，决定采用工业以太网和USB总线来扩展装备信息化终端的数据采集与控制模块。

2)通过工业以太网现场监控模块和USB现场监控模块，装备信息化终端可以实现对现场生产过程中的模拟量和数字量的数据采集和控制，同时可以在这两种扩展模块上面设计其它现场通信接口(RS232、RS485、CAN等)实现装备信息化终端与其它接口的现场设备的通信，将现场设备通过信息化终端接入现场控制层工业以太网。信息化终端将采集到的生产过程数据进行分析、处理、保存和上传，使现场数据在网络上共享，让管理层能够透明的了解到整个生产状况。

附图说明

图1为本实用新型实施例数据采集扩展器的硬件框图；

图2为本实用新型实施例中CY7C68013结构图；

图3为本实用新型实施例中ADS7852原理框图；

图4为本实用新型实施例中ADS7852与CY7C68013的接口电路图；

图5为本实用新型实施例中DAC7802与CY7C68013的接口示意图；

图6为本实用新型实施例中开关量输入输出电路图；

图7为本实用新型实施例外观图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

根据本实用新型的总体构思，提供一种数据采集扩展器，如图1所示，整个USB数据采集控制扩展模块的硬件框图，主控制器采用的是Cypress Semiconductor公司的CY7C68013。该模块采用CY7C68013的GPIF接口控制ADS7852实现了8路12位精度的A/D转换功能，同样通过GPIF与DAC7802相接实现了2路12位精度的D/A功能。另外直接采用CY7C68013的两个并口PC和PE分别实现了8路开关量的输入和8路开关量的输出，开关量的输入和输出都通过光电隔离后再与外部相接。为了实现与现场串口设备的通信，将CY7C68013的UART0通过RS232电平转换器设计成RS232串口，而UART1通过RS485的收发器设计成RS485串口。

如图2所示，CY7C68013是Cypress Semiconductor公司的EZ-USBFX2系列产品，是世界上第一款集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强的8051微控制器和可编程的外围接口，其内部结构图2所示。CY7C68013这种独创性结构可使数据传输率达到56Mbytes/s，即USB2.0允许的最大带宽。在CY7C68013中，智能SIE可以硬件处理许多USB1.1和USB2.0协议，从而减少了开发时间和确保了USB的兼容性。GPIF(General Programmable Interface)和主/从端点FIFO(8位或16位数据总线)为ATA、PCMCIA和DSP等提供了简单和无缝连接接口。CY7C68013作为一个紧密集成电路，为USB外设开发提供了一个整体解决方案。EZ-USBFX2系列产品的四个关键特性是：

①提供了基于RAM的软解决方案，可以方便用户进行配置和升级。

②不受端点数、缓冲区大小和传输速率的限制。

③在USB内核中完成了大部分USB事务，简化了编程并能加速USB设计周期。

④提供通用可编程接口(GPIF)，便于和其它总线接口连接。

本实用新型采用的模数转换器(A/D)是美国TI公司生产的12-bit并行输出A/D芯片ADS7852，其原理图如图3所示，ADS7852的最大采样率为500kHz，有8个通道，其功率损耗在500kHz采样率条件下只有13mW，功耗很低，而且ADS7852还具有一个半睡眠模式和一个全睡眠模式，可以在其不进行数据转换时把功耗降低到2mW；ADS7852的这一特性完全满足水下转发系统低功耗的要求。ADS7852可以外接参考电压，其输入电压范围在0V到二倍的参考电压之间。

ADS7852通过三个管脚即A2、Al、A0来选择通道，这里我们将A2、A1、A0接CY7C68013的PA4、PA3、PA2用来做通道选择。Vref管脚是外加参考源脚，在这里我们在该管脚上通过一个0.1uF和一个2.2uF的电容接地，使其输入电压范围在0V-5V之间。AIN0-AIN7是8个模拟信号输入管脚，DB0-DB11是12-bit的转化后数据的输出端口，将它们分别接到CY7C68013的数据线FD0-FD11相连，CY7C68013是按照16-bit从ADS7852读取数据的，其中的高4bits是无效位，应该对其进行清零，否者会导致数据错误。

ADS7852在16个时钟周期内进行一次数据转换。在数据转换开始的头两个时钟周期里，WR和CS必须变为低电平来启动数据转换，而在数据转换的后两个周期里WR和CS变高，表明数据转换已经完成。在其它时间里WR和CS可以为任意电平。将WR和CS与一个时钟周期是ADS7852时钟周期16倍的时钟CLK相连，该时钟由CY7C68013的CLKOUT经过二分频以后产生，这样可以满足数据转换过程中对WR和CS的要求。

如图4，ADS7852与CY7C68013的接口电路图，数据转换过程中BUSY为低，告诉CY7C68013或主机当前数据无效。当ADS7852完成一次数据转换后，BUSY变高，通知CY7C68013或主机当前数据有效，可以取数，这时CY7C68013或主机就可以从ADS7852的输出端读取数据了。将BUSY反相后和CY7C68013的中断管脚INT0相连，利用中断应用程序从A/D读取数据。我们将RD和CY7C68013的CTL1相连，作为对A/D读取的使能信号。ADS7852与CY7C68013的接口方式如图4所示：

如图5，DAC7802与CY7C68013的接口图，本实用新型采用的数模转换器(D/A)是美国TI公司生产的12-bit并行输入D/A芯片DAC7802，它具有两个DAC通道。DAC7802具有很低的功耗，其典型功耗在1mW左右，最大功耗为l0mW左右，对于系统功耗要很低的信息化终端来说是十分有利的。DAC7802的输出电压范围和参考电压有关，它的参考电压管脚是VRFFA，输出电压的范围在-VRFFA到+VRFFA左右，本实用新型采用78L05稳压器组成的+5V精准参考电源，所以DAC7802的实际输出电压范围是-5V到+5V之间。

DAC7802有12个输入管脚DB11-DB0，它们直接和CY7C68013的数据线FD0-FD11相连。DAC7802采用+5V电源供电，电源管脚为VDD和ADS7852一样，这个+5V的电源不是由数字电路电源提供的，而是经过磁珠电容滤波后的模拟电源。

WR和CSA是DAC7802的控制信号，它们都是直接连接到CY7C68013的GPIF上，然后通过对GPIF进行编程来实现其与CY7C68013的接口逻辑。

DAC7802的写时序和CY7C68013的写时序是基本相同的，因此我们把WR、CSA和CSB分别与CY7C68013的CTL3、CTL4和CTL5相连，其中，CSA是DAC7802的A通道的片选信号，CSB是DAC7802的B通道的片选信号，WR是DAC7802的写使能信号。

底层有很多开关量信号，因此USB扩展数据才具与控制模块设计了8路开关量的输出和8路开关量的输入。考虑到降低成本因素，最大性能的发挥CY7C68013的自身功能，我们没有采用CPLD的方式来扩展开关量，而是采用了两个在本系统中没有使用到的并口PC和PE做开关量的设计。考虑到底层有强的干扰，本设计中开关量的输入和输出均采用了光电耦合器进行隔离。具体电路图如下图6所示。

参见图7，本实用新型所设计的数据采集扩展器采用收纳盒的方式固定数据采集扩展器。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例而已，其结构并不限于上述列举的形状，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。