一種基于pc104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器的制造方法
【專利摘要】為了克服現有技術中檢測儀器接口類型多種多樣和數據格式不統(tǒng)一，進而不便于通信和控制的問題，本發(fā)明提供了一種基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，包括：系統(tǒng)板、總通信板和若干子通信板，所述系統(tǒng)板為主控部分，所述總通信板負責數據傳輸，所述子通信板負責與多種環(huán)境監(jiān)測儀器的接口進行適配，且所述系統(tǒng)板、總通信板和子通信板之間均通過PC104總線連接。其能夠在保留原有硬件的基礎上，通過靈活增減接口模塊和驅動程序，即可對現場檢測儀器進行配置，維護；具有無線網絡功能，安裝簡易，可快速接入因特網；并可實時對現場檢測儀器統(tǒng)一管理控制。
【專利說明】—種基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于數據通信【技術領域】，具體地，涉及一種基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器。

【背景技術】
[0002]通過對國內環(huán)境監(jiān)測適配器產品的分析，價格是它的主要優(yōu)勢，然而儀器在接口類型和數量上比較單一、有限。隨著我國環(huán)境監(jiān)測的快速發(fā)展，新的檢測內容、檢測技術、檢測方法的不斷更新，一旦增加新的接口檢測儀器，原有的適配器就無法滿足接口適配的需要。從而需要開發(fā)新的數據接口和驅動程序，導致適配器頻繁變更，不利于環(huán)境監(jiān)測的持續(xù)發(fā)展。國外
[0003]環(huán)境監(jiān)測適配器接口類型和數量比較豐富，但是價格昂貴。因此環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)迫切需要采用新的現場總線技術，實現接口和主控單元的分離，達到儀器接口靈活配置的目的。
[0004]國內外環(huán)境監(jiān)測適配器都提供豐富的通訊方式，包括串行總線、
[0005]環(huán)境監(jiān)測數據適配器是環(huán)境監(jiān)理系統(tǒng)的重要組成部分。當前我國生產環(huán)境檢測儀器的廠家有上千家，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，造成了檢測儀器接口類型多種多樣和數據格式不統(tǒng)一。在一些特殊復雜的環(huán)境監(jiān)測現場，多臺檢測儀器聯(lián)合作業(yè)就需要適配器:可以與各種現場檢測設備的不同接口類型連接，能夠全自動監(jiān)測現場檢測設備的運行狀態(tài)，記錄和存儲設備的運行數據，并將不同標準和格式的數據轉換為統(tǒng)一的格式進行匯總、分析、處理,并生成報表定期交付給總站。
[0006]以太網和GPRS/GSM等方式，通過對適配器的發(fā)展趨勢進行分析，網絡化才是適配器的必經之路。但是環(huán)境監(jiān)測多在惡劣的野外環(huán)境作業(yè)，GPRS/GSM網絡覆蓋不到，即使能覆蓋到，但運營費用昂貴；而有線網絡布線成本高，機動性差，技術難度大，抗干擾和抗雷擊能力弱，維護費用昂貴，這些是造成適配器網絡化的難點。因此環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)迫切需要采用新的網絡接入技術，實現適配器快速、方便的接入到英特網，并且要求運營成本低廉。


【發(fā)明內容】

[0007]為了實現一種對于儀器總線接口可靈活配置的數據適配器，本發(fā)明提供了一種基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，包括:系統(tǒng)板、總通信板和若干子通信板，所述系統(tǒng)板為主控部分，所述總通信板負責數據傳輸，所述子通信板負責與多種環(huán)境監(jiān)測儀器的接口進行適配，且所述系統(tǒng)板、總通信板和子通信板之間均通過PC104總線連接。
[0008]進一步地，所述系統(tǒng)板包括PC104總線接口、可編程總線控制器、靜態(tài)隨機存儲器、RS232總線接口、單片機和非易失性存儲器，所述PC104總線接口與所述靜態(tài)隨機存儲器通過可編程總線控制器連接到單片機，所述RS232總線接口和所述非易失性存儲器通過單片機相連。
[0009]進一步地，所述總通信板包括232電平通訊模塊和485電平通訊模塊，分別實現兩路232電平通訊和一路485電平通訊。
[0010]進一步地，所述232電平通訊的波特率和所述485電平通訊的波特率均設置在1200 — 38400bps 范圍內。
[0011]進一步地，所述若干子通信板包括信號采集模塊、狀態(tài)量模塊、繼電器模塊、串口模塊和網絡通信模塊。
[0012]進一步地，所述信號采集模塊包括單片機，還包括依次相連的PC104總線接口、可編程控制器、FIFO，以及依次相連的IV轉換模塊、AD轉換模塊額程控增益模塊，所述可編程控制器和AD轉換模塊通過單片機連接在一起。
[0013]進一步地，所述狀態(tài)量模塊包括PC104總線接口、CPLD、開關量輸入模塊和開關量輸出模塊，其中開關量輸入模塊和開關量輸出模塊通過CPLD相連，所述CPLD與所述PC104總線接口連接。
[0014]進一步地，所述繼電器模塊包括依次連接的PC104總線接口、CPLD、光耦驅動電路和繼電器組。
[0015]進一步地，所述串口模塊包括依次串聯(lián)的PC104總線接口、CPLD、讀/寫FIFO、單片機、232/485電平轉換電路。
[0016]進一步地，所述網絡通信模塊包括PC104總線接口、FPGA、PCI總線接口控制器以及PCI接口無線局域網卡，其中，所述PC104總線接口與所述PCI總線接口控制器之間還包括與所述FPGA、所述PC104總線接口和所述PCI總線接口控制器相連的存儲器。
[0017]進一步地，所述IV轉換電路包括:第一運算放大器、并聯(lián)電阻Rl和R3、串聯(lián)在Rl和R3之間的光稱F1DU第一運算放大器的正輸入端連接在光稱PDl的負極,第一運算放大器的負極連接電阻R2的一端，該電阻R2的另一端連接在電阻R3和光耦HH的負極之間，第一運算放大器的輸出端與第一運算放大器的負輸入端之間并聯(lián)有電容Cl，發(fā)光二極管LED、電阻R4和PNP型三極管串聯(lián)后與所述第一運算放大器并聯(lián)，且第一運算放大器的輸出端連接所述三極管的基極，齊納二極管反向并聯(lián)于所述第一運算放大器；該IV轉換電路還包括:光耦Η)2，該光耦PD2的極接地，正極連接第二運算放大器的負輸入端，該第二運算放大器的正輸入端接地，所述第二運算放大器的輸出端和負輸入端之間并聯(lián)有彼此并聯(lián)的電阻R5和電容Cl。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的基于PC104總線和無線局域網技術研制出分布式環(huán)境監(jiān)測數據適配器，能夠在保留原有硬件的基礎上，通過靈活增減接口模塊和驅動程序，即可對現場檢測儀器進行配置，維護；具有無線網絡功能，安裝簡易，可快速接入因特網；并可實時對現場檢測儀器統(tǒng)一管理控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1示出了本發(fā)明的基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器的結構框圖；
[0020]圖2示出了系統(tǒng)板組成框圖；
[0021]圖3示出了信號采集模塊的結構框圖；
[0022]圖4示出了狀態(tài)量模塊的結構框圖；
[0023]圖5示出了繼電器模塊的結構框圖；
[0024]圖6示出了網絡通信模塊的結構框圖；
[0025]圖7示出了 IV轉換電路的電路圖。

【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器包括:系統(tǒng)板、總通信板和若干子通信板，所述系統(tǒng)板為主控部分，所述總通信板負責數據傳輸，所述子通信板負責與多種環(huán)境監(jiān)測儀器的接口進行適配，且所述系統(tǒng)板、總通信板和子通信板之間均通過PC104總線連接。這樣增加新的接口類型的檢測儀器時，只要安裝新的接口模塊就可以在保留系統(tǒng)板模塊和通訊模塊的基礎上實現接口靈活配置。
[0027]系統(tǒng)板模塊的處理器選用51核的8位單片機P89c51RD2，晶振22.1184M，因此直流信號時序和交流信號時序可以參考該單片機的技術文檔?？偩€使用CMOS電平，提供±35mA的電流，可驅動15個LSTTL負載，且信號可以直接和TTL/CM0S電平信號兼容。輸入電流只需l.0uA，最大±20mA。PC104總線電源提供±5V(最大電流3A)，± 12A(最大電流
0.5A)。
[0028]所述系統(tǒng)板包括PC104總線接口、可編程總線控制器、靜態(tài)隨機存儲器、RS232總線接口、單片機和非易失性存儲器，所述PC104總線接口與所述靜態(tài)隨機存儲器通過可編程總線控制器連接到單片機，所述RS232總線接口和所述非易失性存儲器通過單片機相連。如圖2所示。
[0029]PC104總線接口設計
[0030]系統(tǒng)板上的PC104總線接口具有主控功能，而通用模塊的PC104總線接口具有從機功能。系統(tǒng)板單片機發(fā)出指令，由總線功能邏輯模塊解釋，再經過總線驅動模塊向所有的模塊發(fā)送地址、數據信息；通用模塊接收到信息，按照PC104協(xié)議經過譯碼判斷之后做相應的操作。一次總線操作只有一塊通用模塊響應。PC104總線接口包括三部分:總線連接器，總線驅動模塊，總線邏輯管理模塊。PC104的總線連接器采用嵌入式工業(yè)界的標準連接器之一的PC104總線連接器。一共有64根插針和孔，PC104總線信號定義在這連接器的插孔上，與其它模塊進行通訊。
[0031]總線驅動模塊的作用是把總線邏輯管理模塊發(fā)出的總線信號進行功率放大，提高信號的驅動能力，使系統(tǒng)能組合更多的模塊。總線可以分為電源總線，數據總線，控制總線。其中電源總線不用驅動，數據總線和控制總線需要驅動。驅動的電氣特性的設計需要按照PC104總線電氣規(guī)范實施?？偩€邏輯管理模塊通過CPLD實現總線邏輯編碼、解碼的功能。
[0032]3.存儲器設計
[0033]存儲器包括隨機存貯器(RAM)和非易失性存儲器(ROM)，RAM主要用來存放無線局域網協(xié)議報，TCP/IP協(xié)議報和動態(tài)數據的，具有可讀可寫的功能。ROM主要存放重要數據信息和系統(tǒng)參數，在適配器掉電的情況下，可以保護數據不丟失。
[0034]4.可編程總線控制器設計
[0035]可編程總線控制器是根據單片機指令時序對外圍芯片，PC104地址空間，RAM存貯器進行選通，譯碼，編碼操作，是單片機合理使用外部資源的紐帶。
[0036]可編程總線控制器使用CPLD設計，輸出PC104總線所需要的8位數據線，16位地址線，1和存貯器讀寫信號。接受PC104總線中斷信號，并轉換成單片機的中斷信號。
[0037]系統(tǒng)板單片機P89c51RD2的外部數據讀寫信號線只有一組，而PC104
[0038]總線既有I/O讀寫，又有存儲器讀寫。因此，需要使用CPLD將單片機的一組讀寫信號復用，原理是使用單片機一根I/o線P15來選擇PC104總線I/O讀寫有效還是存儲器讀與有效。
[0039]把PC104總線上的6個中斷信號進行編碼，并轉換成一個中斷信號驅動單片機。使用一個系統(tǒng)I/o地址保存中斷向量表，能夠讓單片機區(qū)分中斷源，從而擴展了單片機的中斷資源。
[0040]所述總通信板包括232電平通訊模塊和485電平通訊模塊，分別實現兩路232電平通訊和一路485電平通訊。
[0041]所述232電平通訊的波特率和所述485電平通訊的波特率均設置在1200 —38400bps范圍內。
[0042]所述若干子通信板包括信號采集模塊、狀態(tài)量模塊、繼電器模塊、串口模塊和網絡通信模塊。
[0043]所述信號采集模塊包括單片機，還包括依次相連的PC104總線接口、可編程控制器、FIFO，以及依次相連的IV轉換模塊、AD轉換模塊額程控增益模塊，所述可編程控制器和AD轉換模塊通過單片機連接在一起。
[0044]系統(tǒng)板模塊將AD命令信息通過PC104總線寫到FIFO (First-1nFirst-Out)里，單片機讀取FIFO里的命令后配置AD參數和增益，進行AD轉換，轉換的結果存入FIFO中，同時給系統(tǒng)板模塊一個中斷，系統(tǒng)板模塊接受中斷，讀取FIFO里的數據。如圖3所示。
[0045]所述狀態(tài)量模塊包括PC104總線接口、CPLD、開關量輸入模塊和開關量輸出模塊，其中開關量輸入模塊和開關量輸出模塊通過CPLD相連，所述CPLD與所述PC104總線接口連接。
[0046]控制CPLD，實現4路開關量輸出和8路開關量輸入，在接口和CPLD之間采用光耦，提高輸出功率的同時保護電路。如圖4所示。
[0047]所述繼電器模塊包括依次連接的PC104總線接口、CPLD、光耦驅動電路和繼電器組。如圖5所示。
[0048]所述網絡通信模塊包括PC104總線接口、FPGA、PCI總線接口控制器以及PCI接口無線局域網卡，其中，所述PC104總線接口與所述PCI總線接口控制器之間還包括與所述FPGA、所述PC104總線接口和所述PCI總線接口控制器相連的存儲器。如圖6所示。
[0049]所述IV轉換電路包括:第一運算放大器、并聯(lián)電阻Rl和R3、串聯(lián)在Rl和R3之間的光耦ro1、第一運算放大器的正輸入端連接在光耦PDi的負極，第一運算放大器的負極連接電阻R2的一端，該電阻R2的另一端連接在電阻R3和光耦roi的負極之間，第一運算放大器的輸出端與第一運算放大器的負輸入端之間并聯(lián)有電容Cl,發(fā)光二極管LED、電阻R4和PNP型三極管串聯(lián)后與所述第一運算放大器并聯(lián)，且第一運算放大器的輸出端連接所述三極管的基極，齊納二極管反向并聯(lián)于所述第一運算放大器；該IV轉換電路還包括:光耦PD2,該光耦TO2的極接地，正極連接第二運算放大器的負輸入端，該第二運算放大器的正輸入端接地，所述第二運算放大器的輸出端和負輸入端之間并聯(lián)有彼此并聯(lián)的電阻R5和電容Cl。
[0050]采用惠普公司的線性光耦HCNR200作為電流采集的隔離器件。它是由發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管ro1、輸出光電二極管PD2組成。當LED通過驅動電流If時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)，分別照射在ro1、PD2上，反饋光電二極管吸收LED光通量的一部分，從而產生控制電流11(11 = 0.005If)。該電流用來調節(jié)If以補償LED的非線性。輸出光電二極管PD2產生的輸出電流12與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益Kl=I Ι/If，正向增益K2 = 12/If ;則傳輸增益K3 = K2/K1 = 12/11，K3的典型值為I。
[0051]IV轉換電路如圖3-7所示。輸入的4?20mA直流電流信號通過5.1V穩(wěn)壓管Zl給單電源運放LM158供電。運放的輸入輸出兩端分別接有PDl和LED，并構成負反饋回路。設運放的反相輸入端電勢不變，若同相輸入端電勢升高，經運放放大，輸出端電勢明顯增加，這樣流過發(fā)光二極管LED上的電流就會減少，發(fā)光強度也隨之減小。而流過發(fā)光二極管roi的光電流取決于光耦芯片內部LED的光照。LED發(fā)光減小，流過PDl和Rl的電流就會減少。整個電路輸入的又是直流電流信號，Rl上的電流減少，R3上的電流就會增加，繼而光電二極管PDl兩端的電壓增大。再假定運放同相端電勢不變的情況下，反相端電勢勢必要減少，這樣運放兩端就形成了負反饋。兩輸入端相當于“虛短路”，電壓恒為零。從而流過PDl兩端的電流大小可表示為:
[0052]IPDl = IL00P*R3/(R1+R3)
[0053]隔離轉換電路的輸出部分是電壓負反饋。輸出電壓為:
[0054]VOUT = IPD2*R5
[0055]又K3 = IPD2/IPD1
[0056]綜合以上各式可得:
[0057]VOUT/ILOOP = K3*R3*R5/(R1+R3)
[0058]可以看出隔離轉換電路輸出電壓與輸入電流之間始終保持正比關系。若
[0059]改變電阻Rl、R3和R5使比例關系發(fā)生變化，輸出電壓信號的零點(即4mA
[0060]輸入電流所對應的輸出電壓)也跟著發(fā)生變化。因此零點的調節(jié)就變成了對
[0061]電路輸入輸出比例關系的調節(jié)。當這種比例關系為200時，4?20mA電流信
[0062]號就轉換為常用的0.8?4V電壓信號。
[0063]本發(fā)明中，各模塊的指標為:
[0064](I)系統(tǒng)系統(tǒng)板模塊
[0065].通過PC104總線接口訪問控制各個功能的子模塊。
[0066].將各個模塊不同格式的數據轉換成統(tǒng)一的標準格式與數據交換器通信。
[0067].帶有 RS232 接口，JTAG (JointTestAct1nGroup) 口。
[0068].帶有非易失性存儲器，可存儲、備份數據，容量大于256KBit。
[0069].微處理器具有現場編程的能力，方便程序調試和在線升級。
[0070].具有遠程報警功能。
[0071](2)通用串口模塊
[0072].實現2路232電平通訊；1路485電平通訊，半雙工方式。
[0073]?隔離式數據接口，增強電磁兼容性。
[0074].具備2路RS232通信接口，波特率從1200?38400bps可設。
[0075].具備I路RS485通信接口，波特率從1200?38400bps可設。
[0076](3)信號采集模塊
[0077].實現4路4?20mA電流環(huán)采集；4路4個量程電壓信號采集。
[0078].具備數據加工能力，可以有計算總和，按時間累計等功能。
[0079].輸入路數:8路單端通道。
[0080].Α/D 采樣率:10KHz，10 微秒。
[0081]?分辨率:12位。
[0082].輸入阻抗:> 1M Ω。
[0083].輸入電壓量程:0 ?5V，0 ?10V，±10V，±5V。
[0084].輸入電流量程:4?20mA。
[0085].控制增益:1、2、4、8 或 1、10、100、1000 檔。
[0086](4)狀態(tài)量模塊
[0087].實現4路開關量采集；8路開關量輸出控制。
[0088].自帶隔離電源。
[0089].4路光電隔離式輸入，8路光電隔離輸出，抗電磁干擾能力強。
[0090](5)繼電器模塊
[0091].可驅動+3.3/+5V的繼電器。
[0092].并行控制10個繼電器。
[0093]?線圈最小驅動電流70mA。
[0094].額定負載在125VAC時是0.5A，在30VDC時是1A。
[0095]?帶光電隔離，抗電磁干擾能力強。
[0096](6)無線局域網模塊
[0097].實現無線局域網通訊協(xié)議。
[0098].數據傳輸速率1M、2M、5.5M、IIM可控制。
[0099].傳輸距離室內100米，室外200-300米。
[0100](7) TCP/IP 模塊
[0101].實現TCP/IP通訊協(xié)議。
[0102]?傳輸距離達200米。
[0103]雖然已經通過上面的特定實施例和其用途的描述舉例說明了本發(fā)明，但是讀者不應將前述內容視為對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種基于PC104總線的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，包括:系統(tǒng)板、總通信板和若干子通信板，所述系統(tǒng)板為主控部分，所述總通信板負責數據傳輸，所述子通信板負責與多種環(huán)境監(jiān)測儀器的接口進行適配，其特征在于，所述系統(tǒng)板、總通信板和子通信板之間均通過PC104總線連接。
2.根據權利要求1所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述系統(tǒng)板包括PC104總線接口、可編程總線控制器、靜態(tài)隨機存儲器、RS232總線接口、單片機和非易失性存儲器，所述PC104總線接口與所述靜態(tài)隨機存儲器通過可編程總線控制器連接到單片機，所述RS232總線接口和所述非易失性存儲器通過單片機相連。
3.根據權利要求1所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述總通信板包括232電平通訊模塊和485電平通訊模塊，分別實現兩路232電平通訊和一路485電平通訊。
4.根據權利要求3所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述232電平通訊的波特率和所述485電平通訊的波特率均設置在1200 - 38400bps范圍內。
5.根據權利要求1-4之一所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述若干子通信板包括信號采集模塊、狀態(tài)量模塊、繼電器模塊、串口模塊和網絡通信模塊。
6.根據權利要求5所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述信號采集模塊包括單片機，還包括依次相連的PC104總線接口、可編程控制器、FIFO,以及依次相連的IV轉換模塊、AD轉換模塊額程控增益模塊，所述可編程控制器和AD轉換模塊通過單片機連接在一起。
7.根據權利要求5所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述狀態(tài)量模塊包括PC104總線接口、CPLD、開關量輸入模塊和開關量輸出模塊,其中開關量輸入模塊和開關量輸出模塊通過CPLD相連，所述CPLD與所述PC104總線接口連接。
8.根據權利要求5所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述繼電器模塊包括依次連接的PC104總線接口、CPLD、光耦驅動電路和繼電器組。
9.根據權利要求5所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述串口模塊包括依次串聯(lián)的PC104總線接口、CPLD、讀/寫FIFO、單片機、232/485電平轉換電路。
10.根據權利要求5所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述網絡通信模塊包括PC104總線接口、FPGA、PCI總線接口控制器以及PCI接口無線局域網卡，其中，所述PC104總線接口與所述PCI總線接口控制器之間還包括與所述FPGA、所述PC104總線接口和所述PCI總線接口控制器相連的存儲器。
11.根據權利要求6所述的環(huán)境監(jiān)測數據適配器，其特征在于，所述IV轉換電路包括:第一運算放大器、并聯(lián)電阻Rl和R3、串聯(lián)在Rl和R3之間的光耦TO1、第一運算放大器的正輸入端連接在光耦PDl的負極，第一運算放大器的負極連接電阻R2的一端，該電阻R2的另一端連接在電阻R3和光耦PDl的負極之間，第一運算放大器的輸出端與第一運算放大器的負輸入端之間并聯(lián)有電容Cl，發(fā)光二極管LED、電阻R4和PNP型三極管串聯(lián)后與所述第一運算放大器并聯(lián)，且第一運算放大器的輸出端連接所述三極管的基極，齊納二極管反向并聯(lián)于所述第一運算放大器；該IV轉換電路還包括:光耦TO2，該光耦TO2的極接地，正極連接第二運算放大器的負輸入端，該第二運算放大器的正輸入端接地，所述第二運算放大器的輸出端和負輸入端之間并聯(lián)有彼此并聯(lián)的電阻R5和電容Cl。
【文檔編號】G06F13/40GK104133797SQ201410359489
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權日:2014年7月25日
【發(fā)明者】李金強, 王雪鵬 申請人:成都藍宇科維科技有限公司