PC/104-Plus多功能數據採集卡的製作方法
2023-08-05 02:27:51 1
專利名稱：PC/104-Plus多功能數據採集卡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種PC/104-P1US多功能數據採集卡，屬於數據採集、車載通訊和定 位技術領域。
背景技術：
(1)CAN，全稱為「Controller Area Network」，即控制器區域網，是一種國際標準 的，高性價的現場總線，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發，並最終 成為國際標準，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成 為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制區域網的標準總線。CAN是一種多主方式的串行 通訊總線，具有較高的實時性能，近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到 重視，被廣泛應用於汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環
^Ml O(2)RS-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為 一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232採取不平衡傳輸方式，即所謂 單端通訊。收、發端的數據信號是相對於信號地。所以RS-232適合本地設備之間的通信。(3)GPS是全球定位系統(Global Positioning System)的簡稱，是美國從本世紀 70年代開始研製，歷時20年，耗資200億美元，於1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全 方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近使用表明，GPS以全天 候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，並成功地應用於大地 測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源 勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。(4)GPRS是通用無線分組業務(General Packet RadioService)的簡稱，是一種基 於GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。簡單的說，GPRS是一 項高速數據處理的技術，其方法是以「分組」的形式傳送數據。網絡容量只在所需時分配， 不要時就釋放，這種發送方式稱為統計復用。目前，GPRS移動通信網的傳輸速度可達115k/ s。GPRS是在GSM基礎上發展起來的技術，是介於第二代數字通信和第三代分組型移動業務 之間的一種技術。(5)PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線，是一種優化的、小 型、堆棧式結構的嵌入式控制系統。PC/104與普通PC總線控制系統的主要不同是①小尺寸結構標準模塊的機械尺寸是3. 6X3. 8英寸，即96 X 90mm。②堆棧式連接去掉總線背板和插板滑道，總線以「針」和「孔」形式層疊連接，即 PC/104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝 有極好的抗震性。③輕鬆總線驅動減少元件數量和電源消耗，4mA總線驅動即可使模塊正常工作， 每個模塊1-2瓦能耗。
現有技術方案現有的技術方案是獨立實現的CAN與RS-232智能轉換卡，和獨立實現的集成GPRS 和GPS的PC/104結構的無線通訊模塊，並沒有將這幾個功能集成在一起的PC/104結構的 板卡。1、現有技術的缺點 (1)現有技術主要是獨立實現的CAN與RS-232智能數據轉換卡，和獨立實現的集 成GPRS和GPS的PC/104結構的無線通訊模塊，集成度不高。(2)工控機作為車載產品使用時，如果工控機隨著車子啟動或停止而隨時開機或 關機，時間長時會對工控機系統造成毀滅性的傷害，導致工控機無法正常工作。CAN總線數據與RS-232串行總線數據智能轉換卡主要實現CAN數據與RS-232 數據的智能轉換，能在通常的帶RS-232串口的設備上使用CAN網絡，方便的通過PC或帶 RS-232串口的設備與帶CAN總線的設備通訊。但目前此類板卡只是作為單獨的產品使用。 如果想要通過無線網絡將數據傳送，還要再另接無線通訊設備。
發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的在於提供一種PC/104-Plus多功能數據採集卡。本發明設計了一款高集成度的PC/104-Plus多功能數據採集卡(簡稱本板卡)，其 功能主要包括CAN與RS-232智能數據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關 機，保證系統正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了 GPS全球定位和GPRS無線網 絡模塊。實現了 GPS定位功能和CAN網絡的數據採集功能，並能將數據通過GPRS無線網絡 傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數據信息。本板卡採用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生 熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。此外本板卡作為車載工控產品使用時，實現了讓工控機隨著車子的啟動或停止而 自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。一種PC/104-Plus多功能數據採集卡包括CAN與RS-232智能數據轉換、GPS定 位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統正常運行。其主要技術方案如下一種PC/104-Plus多功能數據採集卡，包括CAN總線與RS-232串口的轉換模塊 硬體電路、GPS模塊、GPRS模塊和工控機自動開關機檢測模塊硬體電路；CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬體電路由帶CAN控制器的微處理器 MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS-232電平轉換器 MAX3223 組成，微處理器MC9S08DZ60的CAN控制器，通過高速CAN隔離收發器模塊CTM1050T連 接帶CAN總線的設備。同時微處理器MC9S08DZ60的串口由於是TTL電平，需要電平轉換芯 片MAX3223，轉換成RS-232電平，連接其他帶RS-232串口的設備。GPS模塊和GPRS模塊之間的連接關係為本板卡集成的GPS模塊由PC/104結構的主板PCM-3353的ISA總線供電，其電壓 為5V。該模塊通過兩個串口與主板PCM-3353相連，一個串口用於接收指令及傳輸數據 』另一個串口為單向通信，用於接收差分數據，差分後可以提高其定位精度，達到小於5米。GPRS模 塊由板卡上的微控制器MC9S08DZ60控制啟動，通過串口與主板PCM-3353 相連，用於接收指令及傳輸數據。兩者之間沒有直接的連接關係，主要通過主板PCM-3353 的串口進行通訊。工控機自動開關機檢測模塊硬體電路由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開 關，從而實現工控機的自動開機和關機。繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工 控機電源。本板卡引出一條信號線，用於檢測車輛鑰匙門信號，該信號經光耦隔離幹擾後， 連接單片機的一個輸入輸出管腳，根據此管腳的信息通過配置另一個管腳的狀態來控制繼 電器的開關。CAN與RS-232智能數據轉換的系統軟體程序方法；主要包括CAN節點及RS-232初始化子程序、CAN報文發送子程序、RS-232報文發 送子程序、CAN報文中斷接收子程序以及RS-232報文中斷接收子程序。系統軟體程序方法步驟為其中串口初始化主要包括對波特率，停止位，中斷使能等配置。CAN控制器初始化 主要包括對波特率，數據幀、濾波器等配置。循環等待中斷，可分為CAN接收中斷和串口接收中斷。如果是CAN接收中斷，則將通過CAN總線接收到的數據，通過此轉換模塊，將CAN 數據轉換為串口數據，並通過串口發送給主機，等待主機處理。如果是串口中斷，則將通過串口接收的主機數據，通過此轉換模塊，將串口數據轉 換為CAN數據，發送給CAN設備。自動關機功能的系統軟體程序方法該功能主要由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現工控機的自動 開機和關機。如果車輛啟動，檢測鑰匙門有信號，單片機檢測管腳為高電平，則控制繼電器 輸出端的工控機電源與車輛電瓶導通，工控機通電。如果車輛停止，檢測鑰匙門沒有信號， 單片機檢測管腳為低電平，則控制繼電器輸出端的工控機電源與車輛電瓶斷開，工控機斷 電。從而實現工控機自動開機和關機。本發明的優點1、將CAN與RS-232智能數據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關 機四種功能集成在一塊PC/104結構的板卡上，其體積小，功耗低，集成度高。2、發明了自動開/關機功能。作為車載產品使用時，可以隨著車輛的啟動或停止 而實現工控機自動開機或關機，保護工控機系統不受破壞，延長其使用壽命。3、本發明為標準PC/104 Plus結構，可與其他PC/104或PC/104Plus板卡兼容。
圖ICAN總線與RS-232串口的數據轉換模塊原理圖；圖2CAN總線與RS-232串口轉換模塊程序流程圖；圖3GPS15L模塊連接圖；圖4GPRS模塊連接圖；圖5. 1開關機信號檢測接口 ；
圖5. 2開關機檢測信號隔離處理；圖5. 3單片機檢測接口；
圖5. 4繼電器驅動器圖；圖6CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬體電路圖；圖7PC/104-P1US多功能數據採集卡結構框圖。
具體實施例方式結合圖1-圖7，對本發明的實施例進行說明。顯然，本領域技術人員基於本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬於本發明的保 護範圍。本發明設計了一款高集成度的PC/104結構的板卡，其功能主要包括CAN與RS-232 智能數據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了 GPS全球定位和GPRS無線網 絡模塊。實現了 GPS定位功能和CAN網絡的數據採集功能，並能將數據通過GPRS無線網絡 傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數據信息。本板卡採用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生 熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。此外本板卡作為車載工控產品使用時，實現了讓工控機隨著車子的啟動或停止而 自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。一種PC/104-Plus多功能數據採集卡包括本發明設計了一款高集成度的PC/104結構的板卡，其功能主要包括CAN與RS-232 智能數據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統正常運行。其主 要技術方案如下1、CAN與RS-232智能數據轉換(1)硬體設計CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬體電路如圖6 CAN總線與RS-232串口的轉換模塊硬體電路主要由Freescale公司的帶CAN控 制器的微處理器MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS-232 電平轉換器MAX3223組成。理論上，只要完成CAN總線與RS-232串口協議的互相轉換，即 可完成PC機與CAN的通信。設計原理圖如圖1所示。RS-232接口上的數據經過電平轉換 後變成TTL電平輸入到微處理器進行處理；CAN總線數據的收發則由CAN總線收發器和CAN 總線控制器來完成。協議的控制和數據的轉換則由微控制器來完成。CAN總線電路採用獨 立的DC-DC電源模塊，進行光電隔離，具有很強的抗幹擾能力，大大提高了系統在惡劣環境 中使用的可靠性。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發器模塊，該模塊內部集成了所有必需的 CAN隔離及CAN收、發器件，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電 平。其電磁輻射低，電磁抗幹擾性高，無需外加元件可直接使用，減小了模塊體積，縮短了開 發時間。MC9S08DZ60是Freescale公司的內嵌CAN的微控制器，並將內嵌的CAN、EPR0M和片上仿真/調試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設計人員可以便捷地轉向其設計流 程。MC9S08DZ60型單機片可提供60KB的片上flash、4KB的片上RAM、2KB的E2PR0M。它具 有串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、看門狗定時器(COP Watch-Dog)，另外還有多 個定時器和計數器等。其獨特的片上仿真/調試模塊(BDG)更是大大簡化設計，從而確保 了 MC9S08DZ60在汽車和工控的應用地位。MAX3223是實現電平轉換的晶片。由於RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態，與 TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件 連接，必須在RS-232與TTL電路之間進行電平和邏輯關係的變換。實現這種變換的方法可 用分立元件，也可用集成電路晶片。MAXIM公司的MAX3223是為滿足RS-232的標準而設計 的，具有功耗低、波特率高、價格低等優點，外接電容僅為0. luF，為雙組RS-232收發器。
(2)軟體實現系統軟體程序設計主要包括CAN節點及RS-232初始化子程序、CAN報文發送子程 序、RS-232報文發送子程序、CAN報文中斷接收子程序以及RS-232報文中斷接收子程序。 其設計流程圖如圖2所示。其中循環等待中斷，可分為CAN接收中斷和串口接收中斷。如果是CAN接收中斷， 則將通過CAN總線接收到的數據，通過此轉換模塊，將CAN數據轉換為串口數據，並通過串 口發送給主機，等待主機處理。如果是串口中斷，則將通過串口接收的主機數據，通過此轉 換模塊，將串口數據轉換為CAN數據，發送給CAN設備。2、GPS 模塊本板卡中採用GARMIN公司的GPS15L模塊，負責捕獲、跟蹤衛星，接收、放大、記錄 GPS信號並對信號進行解調和濾波處理，還原出GPS衛星發送的導航電文，解求定位信號在 站間的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導航定位數據或採用測後處理的方式，獲得定 位、測速、定時等數據。GPS15L為12通道的GPS接收機，也就是同時可以跟蹤多達12顆GPS衛星，從而能 夠快速的定位。GPS15L接收機功耗非常小，數據更新率為每秒一次，其優良的性能既能夠滿 足陸地導航的靈敏度需求，也能夠滿足飛行器的動態需求。在設計上，GPS15L接收機使用 了最新的科技和高水平的電路集成技術，在達到高性能的同時減小了體積和功耗。GPS15L 接收機無論從硬體和軟體上都十分易於使用，非常適合做系統集成。GPS15L接收機由PC/104結構的主板的ISA總線供電，其電壓為5V。使用接收機 上的2個RS-232串口，其中一個串口 PORTl與主機的串口相連，用於接收指令及傳輸數據； 另一個串口 P0RT2為單向通信，用於接收差分數據，差分後可以提高其定位精度，達到小於 5米。其連接圖如圖3所示。其定位數據信息可由其自帶的軟體得到，也可通過上位機 編程得到。3、GI3RS 模塊本板卡採用SIMCOM公司的SIM300C的GPRS模塊，負責板卡和監控中心伺服器端 的通信，將板卡通過CAN總線採集的數據以及GPS定位信息傳送給伺服器。SIM300C模塊的1、3、5、7、9腳為電源輸入引腳VBAT，2、4、6、8、10腳是地。由於模 塊的供電電壓為3. 4 4. 5V (典型值為4. 2V)，採用5V供電時，需要進行5V到4. 2V的電壓轉換。設計中使用TI公司的PTH12000WAH為SIM300C提供4. 2V的電壓。SIM300C有多種啟動方式，本系統中使用PWRKEY引腳。啟動過程中必須先使 PWRKEY引腳有大於2s持續時間的低電平，然後再釋放PWRKEY引腳，使其為高電平。此過程 由微處理器MC9S08DZ60實現。SIM300C模塊為用戶提供了通用串口。因為模塊提供的串口都是TTL電平，需通過 電平轉換晶片，將TTL電平轉換成RS-232電平。通過此串口和AT命令，就可以對模塊進行 配置。其連接圖如圖4所示。4、自動關機 車載工控機如果隨著車子啟動或停止而隨時開機或關機，時間長時會對工控機系 統造成毀滅性的傷害，導致工控機無法正常工作。本板卡實現了讓工控機隨著車子的啟動 或停止而自動開機或關機的功能，從而保護工控機讓其正常工作，延長其使用壽命。工控機自動開關機檢測模塊硬體電路為圖5. 1至圖5. 4 ；其主要實現過程如下該功能主要由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現工控機的自動 開機和關機。繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工控機電源。其具體檢測過 程如下由本板卡引出一條信號線，如圖5. 1的1腳所示，用於檢測車輛鑰匙門信號。該信 號經光耦隔離幹擾後，如圖5. 2，連接單片機的一個輸入輸出管腳，如圖5. 3。根據此管腳的 信息通過配置另一個管腳的狀態來控制繼電器的開關。由於繼電器所需電流遠大於單片機 輸出電流，所以在此使用了 ULN2003來驅動繼電器，如圖5. 4所示，SSR_CTL就是繼電器的 驅動控制信號。如果車輛啟動，檢測鑰匙門有信號，單片機檢測管腳為高電平，則控制繼電器輸出 端的工控機電源與車輛電瓶導通，工控機通電。如果車輛停止，檢測鑰匙門沒有信號，單片 機檢測管腳為低電平，則控制繼電器輸出端的工控機電源與車輛電瓶斷開，工控機斷電。從 而實現工控機自動開機和關機。術語解釋CAN(ControIler Area Network)控制器區域網GPS (Global Positioning System)全球定位系統GPRS (General Packet Radio Service)通用無線分組業務本發明中的GPS模塊、GPRS模塊和繼電器都使用已有的成熟模塊，用其他已有模 塊也可以實現本板卡的相應功能。如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發 明的發明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這 樣的變形例也全部包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種PC/104 Plus多功能數據採集卡，其特徵在於包括CAN總線與RS 232串口的轉換模塊硬體電路、GPS模塊、GPRS模塊和工控機自動開關機檢測模塊硬體電路；CAN總線與RS 232串口的轉換模塊硬體電路由帶CAN控制器的微處理器MC9S08DZ60、高速CAN隔離收發器模塊CTM1050T以及TTL電平與RS 232電平轉換器MAX3223連接組成。
2.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數據採集卡，其特徵在於微處理器 MC9S08DZ60的CAN控制器，通過高速CAN隔離收發器模塊CTM1050T連接帶CAN總線的設 備；同時微處理器MC9S08DZ60連接電平轉換晶片MAX3223，轉換成RS-232電平，連接其他 帶RS-232串口的設備；GPS模塊和GPRS模塊之間的連接關係為GPS模塊由PC/104結構的主板PCM-3353的ISA總線供電，通過兩個串口與主板 PCM-3353相連，一個串口用於接收指令及傳輸數據；另一個串口為單向通信，用於接收差 分數據；GPRS模塊由板卡上的微控制器MC9S08DZ60控制啟動，通過串口與主板PCM-3353相連， 用於接收指令及傳輸數據；兩者之間沒有直接的連接關係，通過主板PCM-3353的串口進行 通訊。
3.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數據採集卡，其特徵在於工控機自 動開關機檢測模塊，硬體電路由單片機通過信號檢測，控制繼電器的開關，從而實現工控機 的自動開機和關機；繼電器的輸出端一端連接車輛電瓶，另一端連接工控機電源；本板卡 引出一條信號線，用於檢測車輛鑰匙門信號；該信號經光耦隔離幹擾後，連接單片機的一個 輸入輸出管腳，根據此管腳的信息通過配置另一個管腳的狀態來控制繼電器的開關。
4.根據權利要求1所述的一種PC/104-Plus多功能數據採集卡，其特徵在於CAN總線 電路採用獨立的DC-DC電源模塊。
全文摘要
一種PC/104-Plus多功能數據採集卡，屬於數據採集、車載通訊和定位技術領域。本發明高集成度的PC/104結構的板卡包括CAN與RS-232智能數據轉換、GPS定位、GPRS無線網絡和工控機自動開/關機，保證系統正常運行。本板卡在CAN與RS-232智能轉換卡的基礎上集成了GPS全球定位和GPRS無線網絡模塊，實現了GPS定位功能和CAN網絡的數據採集功能，並能將數據通過GPRS無線網絡傳輸至控制室內，方便管理人員及時了解各種數據信息。本板卡採用PC/104結構，其在電氣特性和機械特性上可靠性極高，功耗低，產生熱量少，具有極高的靈活性。板卡與板卡之間通過自堆棧進行可靠地連接，抗震能力強。
文檔編號H04L12/40GK101968643SQ20101026055
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月23日 優先權日2010年8月23日
發明者徐曉, 陳宜金 申請人:中國礦業大學(北京)