一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡的制作方法
【專利摘要】一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡包括中央處理單元，該中央處理單元包括有一個數(shù)字信號處理器芯片DSP，該數(shù)字信號處理器芯片DSP的內(nèi)部還包括內(nèi)置EQEP模塊單元和內(nèi)置MCBSP模塊單元；位置信號經(jīng)該正交編碼器信號接收單元轉(zhuǎn)換為DSP可接收電平后，連接至DSP內(nèi)置EQEP模塊單元，由數(shù)字信號處理器芯片DSP直接接收編碼器信號，模擬信號經(jīng)模擬前端處理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC與數(shù)字信號處理器芯片DSP接口為該內(nèi)置MCBSP模塊單元，數(shù)字信號處理器芯片DSP通過該內(nèi)置MCBSP模塊單元在其DMA中斷中同時采集一次模擬信號和編碼器信號，即達(dá)到兩種信號的同步采集。本發(fā)明將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起，可實現(xiàn)模擬信號采集功能和位置信號采集功能的同步。
【專利說明】一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采集卡，尤其是涉及一種將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起的同步控制采集卡，主要應(yīng)用在力學(xué)儀器中。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的信號采集卡，對于傳統(tǒng)力學(xué)儀器，既要控制電機，又要采集力與編碼器信號，至少需要2張卡。
[0003]現(xiàn)有的信號采集卡，必須置于PC主板上，并嚴(yán)重占用PCI總線帶寬及PC的CPU資源，才能實現(xiàn)上述2種信號的采集。
[0004]現(xiàn)有的信號采集卡，進(jìn)行上述2種信號的采集，由于PC操作系統(tǒng)的影響，并不能達(dá)到同步的采集。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起的同步控制采集卡，通過一張卡，可實現(xiàn)模擬信號采集功能和位置信號采集功能的同步，同時，該卡通過網(wǎng)絡(luò)與PC機之間傳輸數(shù)據(jù)，不占用過多的PC資源。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提出了如下技術(shù)方案:一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其包括中央處理單元、四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口、DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口、正交編碼器信號接收單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC ；
該中央處理單元包括有一個數(shù)字信號處理器芯片DSP，還包括有外擴靜態(tài)隨機存儲器和閃存，該數(shù)字信號處理器芯片DSP的內(nèi)部還包括內(nèi)置EQEP模塊單元和內(nèi)置MCBSP模塊單元;
該中央處理單元與該四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口之間分別連接有光電隔離電路或隔離器件；
該中央處理單元與該DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口分別連接有數(shù)字信號隔離電路或隔離器件；
位置信號經(jīng)該正交編碼器信號接收單元轉(zhuǎn)換為DSP可接收電平后，連接至DSP內(nèi)置EQEP模塊單元，由數(shù)字信號處理器芯片DSP直接接收編碼器信號即數(shù)字信號，模擬信號經(jīng)模擬前端處理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC與數(shù)字信號處理器芯片DSP接口為該內(nèi)置MCBSP模塊單元，數(shù)字信號處理器芯片DSP通過該內(nèi)置MCBSP模塊單元在該內(nèi)置MCBSP模塊單元的DMA中斷中同時采集一次模擬信號和編碼器信號，即達(dá)到兩種信號的同步采集。
[0007]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步限定在于，該中央處理單元與該四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口之間分別連接有光電耦合器。
[0008]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步限定在于，該中央處理單元與該DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口分別連接有數(shù)字信號隔離器。
[0009]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步限定在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括LAN接□。
[0010]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步限定在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括預(yù)留接□。
[0011]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步限定在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括預(yù)留LCD/鍵盤接口。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、兩卡合一，集成度高:將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起，且通過一張卡，可實現(xiàn)模擬信號采集功能和位置信號采集功能的同步。
[0013]2、網(wǎng)絡(luò)傳輸，配置靈活:該同步控制采集卡內(nèi)置高速數(shù)字信號處理器芯片DSP，在系統(tǒng)中使用時占用PC資源小，可脫離PC工作，通過高速工業(yè)以太網(wǎng)與PC相連，該網(wǎng)絡(luò)傳輸方式更能適應(yīng)工業(yè)場合的應(yīng)用，靈活性高。
[0014]3、同步采集，實時性好:該同步控制采集卡能實現(xiàn)電機的四軸運動控制，其最高脈沖頻率超過IMHz ;同時實現(xiàn)對位置信號(編碼器或其它位置傳感器)與力量傳感器信號的完全同步采集，最高采樣率可達(dá)1M ;將采集信號數(shù)據(jù)包實時發(fā)送至PC，延時可小于1ms，采集數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)lOMB/s。
[0015]4、隔離電源，抗干擾性強:該同步控制采集卡采用隔離電源供電與分開鋪地的方式，將內(nèi)部控制電路與外部接口完全隔離開來，有效的抑制來自電機、電源及其他外部電氣元件對采集信號的干擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是冋步控制米集卡在工業(yè)系統(tǒng)中的一種應(yīng)用不意圖。
[0017]圖2是同步控制采集卡原理框圖。
[0018]圖3是同步控制采集卡實現(xiàn)同步采集功能的硬件接口圖。
[0019]圖4是同步控制采集卡的數(shù)據(jù)采集、存儲及傳輸過程示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡與電腦(PC)采用LAN接口連接的原理圖。
[0021]圖6是本發(fā)明的一個實施例的實物外觀圖。
[0022]圖7是本發(fā)明的一個實施例的PCB元件布局圖。
[0023]圖8是本發(fā)明的一個實施例的PCB覆銅布局圖。

【具體實施方式】
[0024]如圖1至圖8所示，本發(fā)明提出一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其包括:中央處理單元1、四路編碼器信號輸入接口 2、四軸運動控制輸出接口 3、GP10外部輸入輸出接口 4、DA控制信號輸出接口 5、AD信號采集輸入接口 6、LAN接口 7、預(yù)留接口 8、預(yù)留IXD/鍵盤接口 9、正交編碼器信號接收單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC。
[0025]該中央處理單元I包括有一個數(shù)字信號處理器芯片DSP，還包括有外擴靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)和閃存(Flash)等。
[0026]該數(shù)字信號處理器芯片DSP的內(nèi)部還包括內(nèi)置EQEP模塊單元和內(nèi)置MCBSP模塊單元。
[0027]該內(nèi)置EQEP模塊是指增強型正交編碼器脈沖模塊單元。
[0028]該內(nèi)置MCBSP模塊單元是TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理芯片的多通道緩沖串行口。
[0029]該中央處理單元I與四路編碼器信號輸入接口 2、四軸運動控制輸出接口 3、GP1外部輸入輸出接口 4、DA控制信號輸出接口 5、AD信號采集輸入接口 6之間分別連接有隔離電路或隔離器件。
[0030]其中，該中央處理單元I與該四路編碼器信號輸入接口 2、四軸運動控制輸出接口3、GP10外部輸入輸出接口 4之間分別連接有光電隔離電路或隔離器件，本實施例中是分別連接有光電耦合器。
[0031]其中，該中央處理單元I與該DA控制信號輸出接口 5、AD信號采集輸入接口 6分別連接有數(shù)字信號隔離電路或隔離器件，本實施例中是分別連接有數(shù)字信號隔離器。
[0032]該LAN接口 7、預(yù)留接口 8、預(yù)留IXD/鍵盤接口 9分別采用本【技術(shù)領(lǐng)域】現(xiàn)有的通用的專用電路實現(xiàn)的。
[0033]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡采用隔離電源供電與分開鋪地的方式，將內(nèi)部控制電路即中央處理單元I與外部的部分接口完全隔離開來。
[0034]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡可實現(xiàn)四軸運動控制功能:通過中央處理單元1、隔離電路或隔離器件、GP1外部輸入輸出接口 4、DA控制信號輸出接口 5、四路編碼器信號輸入接口 2以及四軸運動控制輸出接口 3的功能電路能實現(xiàn)四個電機的運動控制，其中中央處理單元I是數(shù)據(jù)的運算、處理和控制的核心。
[0035]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡的實施方案按如下方式實現(xiàn)四軸運動控制，硬件上包含有4路脈沖+方向的脈沖1控制和4路位置反饋1信號(一般為編碼器、光柵尺等，反饋為脈沖+方向信號或正交編碼AB相信號)及相關(guān)原點、限位信號，本發(fā)明采用DSP的1端口 +內(nèi)部動態(tài)定時器的方式(軟件處理)實現(xiàn)4軸控制，使用DSP內(nèi)部捕捉模塊接收反饋信號，普通1端口的中斷實現(xiàn)控制相關(guān)的原點、限位信號的處理。
[0036]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡可實現(xiàn)模擬信號采集功能:通過中央處理單元1、隔離電路或隔離器件、以及AD信號采集輸入接口 6的功能電路實現(xiàn)模擬信號采集，其中中央處理單元I是數(shù)據(jù)的運算、處理和控制的核心。
[0037]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡的實施方案，按如下方式實現(xiàn)模擬信號的采樣:模擬信號由AD信號采集輸入接口 6輸入，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC)(圖未示出，因?qū)儆诂F(xiàn)有技術(shù)，未詳細(xì)贅述)后變成數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字信號隔離單元(圖未示出，因?qū)儆诂F(xiàn)有技術(shù)，未詳細(xì)贅述)隔離處理后，送入中央處理單元1，完成數(shù)據(jù)采樣。
[0038]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡的模擬信號為力信號。
[0039]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡可實現(xiàn)模擬信號采集功能和位置信號采集功能的同步。
[0040]實現(xiàn)模擬信號與位置信號同步采集的相關(guān)硬件接口如圖3所示，位置信號經(jīng)正交編碼器信號接收單元轉(zhuǎn)換為DSP可接收電平后，連接至數(shù)字信號處理器芯片DSP內(nèi)部的內(nèi)置EQEP模塊單元，由數(shù)字信號處理器芯片DSP直接接收編碼器信號(即數(shù)字信號)；模擬信號經(jīng)模擬前端處理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC與數(shù)字信號處理器芯片DSP接口為該內(nèi)置MCBSP模塊單元，數(shù)字信號處理器芯片DSP通過該內(nèi)置MCBSP模塊單元在該內(nèi)置MCBSP模塊單元的DMA中斷中同時采集一次模擬信號和編碼器信號，即達(dá)到兩種信號的同步采集。
[0041]實現(xiàn)模擬信號與位置信號同步采集、存儲及傳輸?shù)倪^程如圖4所示。將DMA中斷中采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC與位置信號循環(huán)存入兩塊內(nèi)存分區(qū)SRAMl和SRAM2中，當(dāng)其中一個內(nèi)存分區(qū)中采集的數(shù)據(jù)滿時，數(shù)字信號處理器芯片DSP將新采集到的數(shù)據(jù)存入另一個內(nèi)存分區(qū)中，數(shù)字信號處理器芯片DSP同時將滿的內(nèi)存分區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入硬件協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)接口芯片發(fā)送至電腦，完成整個采集循環(huán)。
[0042]由于采用兩塊SRAM分區(qū)循環(huán)存儲高速采集的數(shù)據(jù)，只需要網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的時間小于單個SRAM存滿的時間，采集數(shù)據(jù)即可無丟失的完全傳輸給PC分析處理。實例中SRAM的緩沖長度為300，采用10kHz采樣率時，存滿一個SRAM緩存的時間是3ms，而使用硬件協(xié)議棧發(fā)送該數(shù)據(jù)的時間小于1ms，實現(xiàn)了所述功能。
[0043]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡，實現(xiàn)模擬信號采集和位置信號采集同步的詳細(xì)過程解釋如下:在特定采樣頻率下，比如ΙΟΟΚΗζ，對2種不同類型的信號(模擬信號與編碼器信號(即數(shù)字信號))的采集，例如從時間Is開始:
時間點I (1.00001s)，采集模擬信號I (時間TA1)、位置信號1(時間TCl)；
時間點2 (1.00002s)，采集模擬信號2 (時間TA2)、位置信號2 (時間TC2)；
時間點3 (1.00003s)，采集模擬信號3 (時間TA3)、位置信號3 (時間TC3)；
時間點η (1+0.0000l*ns)，采集模擬信號N (時間TAn)，位置信號η (時間TCn)。
[0044]任意時間點的模擬信號與位置信號的時間點Tan與TCn對應(yīng)理論時間點Tn的誤差應(yīng)至少小于1/10的采樣周期，例如10KHz時為〈lus。
[0045]本發(fā)明由于采用一個CPU來采集模擬信號與位置信號，時間的準(zhǔn)確性只與該CPU本身的時鐘頻率有關(guān)，時間點1.2.3...η的準(zhǔn)確性通過CPU定時器中斷實現(xiàn)(如:150Μ的CPU主頻要求，可實現(xiàn)超過精度0.1us的定時)，同時在CPU中斷中采集2種信號，CPU采樣2種信號僅需2條指令周期，而對于300Μ主頻的DSP來說，I個指令周期僅僅1/300US，采集2種信號小于Ι/lOOus，因此保證了采樣的同步性。
[0046]如圖5所示，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能:通過中央處理單元I及LAN接口 7電路實現(xiàn)高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊功能。
[0047]該LAN接口 7，能控制、能同步采集AD及編碼器信號，信號能夠有效的發(fā)送給PC接收。
[0048]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡通過中央處理單元I與預(yù)留接口 8電路、IXD/鍵盤接口 9電路實現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能接口預(yù)留功能，方便用戶的多種需求。
[0049]該力學(xué)儀器用同步控制采集卡中內(nèi)部控制電路即中央處理單元I與外部的部分接口采用了隔離電路方案。
[0050]傳統(tǒng)方案1:相對于依靠電腦CPU來實現(xiàn)2張卡采集的同步，由于操作系統(tǒng)本身的掃描周期的影響，很難做到Ims以上的精度?’傳統(tǒng)方案2:而對于帶有同步時鐘信號的采集卡，實現(xiàn)本發(fā)明所述應(yīng)用，至少需要脈沖信號采集卡(帶時鐘同步功能)、模擬信號采集卡(帶時鐘同步功能)、運動控制卡3張卡，雖消除CPU及操作系統(tǒng)本身影響，成本卻大大提升，集成度及整體可靠性下降。
[0051]本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡，將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起，且通過一張卡，即可實現(xiàn)同步的模擬信號采集功能和位置信號的采集功能。
[0052]本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡與電腦(PC)采用LAN接口 7 (以太網(wǎng))連接，高速網(wǎng)絡(luò)連接保證了數(shù)據(jù)傳輸及控制的實時性，同時與電腦接口僅一條網(wǎng)線，大大簡化了系統(tǒng)的構(gòu)造。
[0053]LAN接口 7采用硬件以太網(wǎng)協(xié)議IC與信號處理器DSP相連，所有與TCP/IP相關(guān)的協(xié)議部分完全由硬件IC實現(xiàn)，免除了 CPU的運算處理，大大提升了信號處理器DSP的CPU利用率。
[0054]本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡主要解決了應(yīng)用中信號同步采集以及信號抗干擾的問題。
[0055]本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡具有四軸運動控制功能，通過LAN接口 7與PC交互控制及反饋信息，是一種網(wǎng)絡(luò)運動控制卡，同時，產(chǎn)品具有同時采集模擬信號與位置信號的功能，又是一種網(wǎng)絡(luò)信號采集卡。
[0056]如圖1所示，是應(yīng)用本發(fā)明的力學(xué)儀器用同步控制采集卡的一種工業(yè)控制系統(tǒng)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，該采集卡具有至關(guān)重要的作用，且其應(yīng)用場合的電磁環(huán)境惡劣。
[0057]如圖6所示，是本發(fā)明的力學(xué)儀器用同步控制采集卡的一種實施方案，其給出了器件選型、電路布局和外形設(shè)計。
[0058]圖6所不的一種實施方案,米取了圖7和圖8所不的兀件布局方案及PCB覆銅方案。本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡內(nèi)的電源設(shè)計采用了隔離方案。
[0059]綜上，本發(fā)明力學(xué)儀器用同步控制采集卡具有如下有益技術(shù)效果:
1、兩卡合一，集成度高:將運動控制卡功能與模擬信號采集卡功能集成在一起，
2、兩卡合一，控制精度高:通過一張卡，可實現(xiàn)模擬信號采集功能和位置信號采集功能的同步，控制精度更高。
[0060]3、兩卡合一，成本降低:通過一張卡，實現(xiàn)原來2-3張卡的功能，降低解決方案成本。
[0061]4、網(wǎng)絡(luò)傳輸，配置靈活:該力學(xué)儀器用同步控制采集卡內(nèi)置高速處理CPU，在系統(tǒng)中使用時占用PC資源小，可脫離PC工作，通過高速工業(yè)以太網(wǎng)與PC相連，該網(wǎng)絡(luò)傳輸方式能適應(yīng)更工業(yè)場合的應(yīng)用，靈活性高。
[0062]5、同步采集，實時性好:該力學(xué)儀器用同步控制采集卡能實現(xiàn)電機的四軸運動控制，其最高脈沖頻率超過IMHz ;同時實現(xiàn)對位置信號(編碼器或其它位置傳感器)與力量傳感器信號的完全同步采集，最高采樣率可達(dá)1M ;將采集信號數(shù)據(jù)包實時發(fā)送至PC，延時可小于1ms，采集數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)lOMB/s。
[0063]6、隔離電源，抗干擾性強:該力學(xué)儀器用同步控制采集卡采用隔離電源供電與分開鋪地的方式，將內(nèi)部控制電路與外部的部分接口完全隔離開來，有效的抑制來自電機、電源及其他外部電氣元件對采集信號的干擾。
[0064]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，其包括中央處理單元、四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口、DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口、正交編碼器信號接收單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC ; 該中央處理單兀包括有一個數(shù)字信號處理器芯片DSP、外擴靜態(tài)隨機存儲器和閃存,該數(shù)字信號處理器芯片DSP的內(nèi)部還包括內(nèi)置EQEP模塊單元和內(nèi)置MCBSP模塊單元； 該中央處理單元與該四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口之間分別連接有光電隔離電路或隔離器件； 該中央處理單元與該DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口分別連接有數(shù)字信號隔離電路或隔離器件； 位置信號經(jīng)該正交編碼器信號接收單元轉(zhuǎn)換為DSP可接收電平后，連接至DSP內(nèi)置EQEP模塊單元，由數(shù)字信號處理器芯片DSP直接接收編碼器信號即數(shù)字信號，模擬信號經(jīng)模擬前端處理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC與數(shù)字信號處理器芯片DSP接口為該內(nèi)置MCBSP模塊單元，數(shù)字信號處理器芯片DSP通過該內(nèi)置MCBSP模塊單元在該內(nèi)置MCBSP模塊單元的DMA中斷中同時采集一次模擬信號和編碼器信號，即達(dá)到兩種信號的同步采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，該中央處理單元與該四路編碼器信號輸入接口、四軸運動控制輸出接口、GP1外部輸入輸出接口之間分別連接有光電耦合器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，該中央處理單元與該DA控制信號輸出接口、AD信號采集輸入接口分別連接有數(shù)字信號隔離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括LAN接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括預(yù)留接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)儀器用同步控制采集卡，其特征在于，該力學(xué)儀器用同步控制采集卡還包括預(yù)留IXD/鍵盤接口。
【文檔編號】G05B19/042GK104407551SQ201410741351
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】劉健, 劉俊峰, 鄧巨高 申請人:東莞市毫克檢測儀器有限公司