一種礦用便攜式儀器數(shù)據(jù)采集電路板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種滿足本質(zhì)安全性便攜式儀器的數(shù)據(jù)采集電路板，特別涉及一種應(yīng)用在煤礦井下特殊環(huán)境下達(dá)到礦用電氣本質(zhì)安全的虛擬儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦井下環(huán)境特殊，存在有瓦斯、粉塵、一氧化碳等易燃易爆物質(zhì)，因此礦井下的各類通信、監(jiān)控、儀表和自動(dòng)化等系統(tǒng)電氣設(shè)備必須滿足防爆要求。隨著電氣設(shè)備防爆技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有:隔爆、增安、本質(zhì)安全、正壓、澆封和無(wú)火花性等。在眾多的防爆技術(shù)中，本質(zhì)安全電路(簡(jiǎn)稱本安)是指在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下，產(chǎn)生的任何電火花或效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。本質(zhì)安全防爆技術(shù)具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測(cè)量和帶電維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也能用于危險(xiǎn)場(chǎng)所。因此在低壓低功率電氣設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)，本質(zhì)安全型是防爆的最佳形式，它是首選的防爆技術(shù)。
[0003]礦山事故發(fā)生造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，在應(yīng)對(duì)重大事故、突發(fā)災(zāi)害等事故隱患進(jìn)行儀器檢測(cè)時(shí)需要用基于計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)采集原始數(shù)據(jù)，如礦山水害地球物理探測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)等，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器由于集成顯示器件、硬盤、CPU等外設(shè)，功率消耗大，難以滿足本質(zhì)安全的要求。目前市場(chǎng)有隔爆兼本質(zhì)安全型便攜式計(jì)算機(jī)，其設(shè)備技術(shù)原理是:將除鍵盤、鼠標(biāo)裝置、喇叭和話筒外的所有部件全裝入一個(gè)符合國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)的隔爆箱中。隔爆箱上有顯示器透明窗、攝像透明窗、紅外通訊設(shè)備和信號(hào)電纜入線口；即一般的計(jì)算機(jī)加隔爆外殼組成，其體積大、重量沉、功耗高、不便于攜帶、只能固定于某個(gè)位置等。此外，利用信號(hào)隔離板和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)本安保護(hù)電路的礦用工控機(jī)，如專利申請(qǐng)201320212354.3中設(shè)置“ia”級(jí)本安保護(hù)電路工控板，信號(hào)采集板接收礦用傳感器輸出的模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離處理后輸出至工控板，控制信號(hào)隔離處理后輸出至信號(hào)采集板，主板預(yù)留為擴(kuò)展I/O的總線，顯示器采用小尺寸的平板顯示器，以求達(dá)到最小化計(jì)算機(jī)的目地，但該技術(shù)僅能滿足一些數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較低的虛擬儀器技術(shù)，若配置相應(yīng)的采集卡、電源、顯示器和鍵盤等，其裝置仍然比較笨重，井下工作人員不可能背負(fù)太遠(yuǎn)、太久，難以適應(yīng)便攜式虛擬儀器的要求。專利申請(qǐng)201010558921.1中所述的本安型24位地震數(shù)據(jù)采集電路板，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于將傳統(tǒng)的模擬傳感器轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳感器，需要計(jì)算機(jī)配合并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件構(gòu)建虛擬儀器。
[0004]為了克服現(xiàn)有的通用工業(yè)控制主板無(wú)法達(dá)到本質(zhì)安全要求，或者采用防爆隔離處理后應(yīng)用于煤礦井下特殊領(lǐng)域的不足，需要體積更小、功耗更低、便于靈活開(kāi)發(fā)井下便攜式虛擬儀器的本質(zhì)安全型數(shù)據(jù)采集電路板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型目的提供一種集成微計(jì)算機(jī)、通用采集模塊和必要外設(shè)裝置，且達(dá)到本質(zhì)安全型便攜式儀器數(shù)據(jù)采集電路板。該主板配置不同的外設(shè)傳感器和針對(duì)性開(kāi)發(fā)相應(yīng)的采集軟件，可以方便地開(kāi)發(fā)不同測(cè)量?jī)x器，且能應(yīng)用于要求電氣本質(zhì)安全要求的場(chǎng)合。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集器和ARM為核心的微型計(jì)算機(jī)兩部分。其中ARM為核心的微型計(jì)算機(jī)部分包括ARM核心板模塊，SD卡存儲(chǔ)模塊，通訊模塊，IXD顯示模塊，ARM獨(dú)立電源模塊;其中FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集器部分包括FPGA，擴(kuò)展SRAM，F(xiàn)PGA獨(dú)立電源模塊，同步控制模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊a，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊b，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊C，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊d，外觸發(fā)模塊。其特征在于:FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集器和ARM為核心的微型計(jì)算機(jī)之間采用并行數(shù)據(jù)總線、地址總線連接和全雙工SPI通訊總線連接，從而滿足雙方交換指令和數(shù)據(jù)，以及直接訪問(wèn)雙方存儲(chǔ)器;此外，F(xiàn)PGA向ARM單向發(fā)送中斷信號(hào)線和由ARM向FPGA單向發(fā)送中斷信號(hào)線可以滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。
[0007]上述的方案的ARM核心的微型計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理，包括:1XD顯示、鍵盤(包括觸摸屏)、SD卡存儲(chǔ)、USB通訊模塊設(shè)置單獨(dú)模塊，并采用獨(dú)立電源(設(shè)計(jì)采用雙節(jié)本安性鋰電池，即7.4V直流電源)，最大功耗符合電氣本質(zhì)安全要求。上述的方案的FPGA數(shù)據(jù)采集器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，包括:AD采集輸入、觸發(fā)采集電路、DDS信號(hào)發(fā)生器;并采用獨(dú)立電源(設(shè)計(jì)采用雙節(jié)本安性鋰電池，即7.4V直流電源)，最大功耗符合電氣本質(zhì)安全要求。ARM核心的微型計(jì)算機(jī)與FPGA核心的數(shù)據(jù)采集器之間采用并行數(shù)據(jù)總線、地址總線和SPI通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，且采用中斷請(qǐng)求線，滿足ARM和FPGA之間實(shí)時(shí)響應(yīng)。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:將通用采集模塊和微型計(jì)算機(jī)有機(jī)集成一體，采用不同傳感器和采集處理軟件可以實(shí)現(xiàn)不同儀器功能，即工業(yè)化的虛擬儀器小型化、低功耗化、集成化，雙獨(dú)立電源設(shè)計(jì)緊湊，避免單個(gè)電源的功率過(guò)大，滿足礦山便攜儀器的電氣本質(zhì)安全的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0009]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0010]圖1是礦用本安型便攜式虛擬儀器主板電路總體結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖2是ARM處理器為核心微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3是FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4是FPGA數(shù)據(jù)采集器與ARM微型計(jì)算機(jī)連接關(guān)系圖。
[0014]圖5是典型虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集和處理流程圖。
[0015]圖1中:FPGA(I)，ARM核心板模塊(2)，擴(kuò)展SRAM(3)，SD卡存儲(chǔ)模塊(4)，通訊模塊(5 )，LCD顯示模塊(6 )，ARM獨(dú)立電源模塊(7 )，F(xiàn)PGA獨(dú)立電源模塊(8)，同步控制模塊(9 )，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊a( 10)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊b( 11)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊c( 12)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊d( 13)，外觸發(fā)模塊(14)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖2為圖1中右邊虛線部分為ARM核心板及其外圍電路，本新型實(shí)用稱為ARM為核心的微型計(jì)算機(jī)部分。ARM核心板為控制部件，通訊(如RS232、USB)電路、IXD顯示電路、SD存儲(chǔ)電路、按鍵輸入電路、觸摸屏電路和獨(dú)立的供電模塊。為了保證符合礦用本安性能的要求，核心板(功率一般6?8W)和外圍電路的其最