基於實時乙太網的車載數據採集裝置的製作方法
2023-05-18 22:45:06 1
專利名稱：基於實時乙太網的車載數據採集裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機車車輛通信網絡，特別是一種基於實時乙太網的車載數據採
集裝置。
背景技術：
目前，我國機車車輛通信網絡主要採用TCN標準，車輛總線採用MVB，總線速度為I. 5MBit/s, TCN協議具有非常良好的實時性、確定性，但是其帶寬限制了其進一步的應用，數據的單點高速上載和下載、流媒體的傳輸、故障信息的傳輸、列車信息化等都要求網絡在具有確定性和實時性的同時，要具有更高的帶寬。乙太網作為更高帶寬的網絡，所以後續乙太網作為機車車輛通信網絡是一種發展趨勢，目前已經有採用乙太網作為機車通信網絡的成熟產品，作為機車控制中關鍵的數據採集裝置能夠方便的接入機車乙太網通信網絡中，開發出具有實時乙太網協議接口的數據採集裝置迫在眉睫。 目前採用MVB/RS485/CAN總線的車載數據採集設備採用模塊式的結構居多，其結構見圖1，基本上都是CPU板加接口板的形式，板與板之間只是採用連接器進行電氣連接，不是採用總線連接，可擴展性不高；通信速度不夠快，實時性較差，由於RS485總線和CAN總線在速度上不能保證很好的實時性，同時在網關上轉發還有一定的延時，這樣很難從根本上保證其實時性，特別是對於實行性很高的關鍵信號實時性很難保證，並且此種結構不能直接實現從-從通訊，必須通過主站中轉。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種基於實時乙太網的車載數據採集裝置，提高數據採集裝置的通信速度，滿足機車控制的實時性要求，實現從-從直接通訊。為解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案是一種基於實時乙太網的車載數據採集裝置，包括中央處理板、數據採集板、電源板，中央處理板包括板極電源、處理器、連接器，板極電源為處理器提供電源，中央處理板上的連接器通過總線與數據採集板上的連接器連接，電源板與中央處理板、數據採集板連接；所述中央處理板還包括CPLD、FPGA晶片、乙太網控制晶片、乙太網接口、RS232接口，CPLD與處理器雙向連接，FPGA通過緩衝器與CPLD雙向連接，乙太網控制晶片通過變壓器與乙太網接口雙向連接，RS232接口與處理器雙向連接。數據採集板可以為一塊或者多塊，可以視實際情況選擇其數量。本實用新型通訊速度較快，通訊周期可達到IOmS以內；能夠直接接入乙太網網絡中，不需要增加額外的硬體設備，直線實現從-從通訊，且實時性高。
圖I為現有的車載數據採集設備結構框圖；[0009]圖2為本實用新型一實施例結構框圖；圖3為本實用新型一實施例中央處理板結構框圖；圖4為本實用新型一實施例板極電源電路原理圖；圖5為本實用新型一實施例處理器配置電路原理圖；圖6為本實用新型一實施例CPLD的JTAG下載電路原理圖；圖7為本實用新型一實施例數據採集板結構示意圖。
具體實施方式
如圖2和圖3所示，本實用新型一實施例包括一塊中央處理板、四塊數據採集板和一塊電源板，中央處理板包括板極電源、處理器、連接器、CPLD、FPGA晶片、乙太網控制晶片、乙太網接口、RS232接口，CPLD與處理器雙向連接，FPGA通過緩衝器與CPLD雙向連接，乙太網控制晶片通過變壓器與乙太網接口雙向連接，RS232接口與處理器雙向連接，板極電源為處理器提供電源，中央處理板上的連接器通過總線與數據採集板上的連接器連接，電源板與中央處理板、數據採集板連接。板極電源電路原理圖見圖4，3V電源VDD33採用LM2853實現，其最大輸出電流為3 A，正常使用效率大於90%，本單板實際採用的型號是LM2853MH-3. 3。LM2853可以通過配置不同的緩啟動電容來調整輸出啟動時間(即從0到最終電平經歷的延時)，這為一些對上電時序有特殊要求的器件的電源設計提供了方便。圖中的VDDR為MCU內部LDO的輸入管腳，輸入電壓範圍為3. 13-5. 5V,這裡接單板3. 3V電源VDD33 ；VDD為MC9S12XEP100CAG的內核電源，可由晶片外部提供也可由晶片內部電源模塊的LDO提供，本實施例是由晶片內部的LDO提供，工作的電壓典型值為I. 84V，VDD外部接220nF的X7R陶瓷電容提高電源的穩定性；VDDPLL (典型值為2. 82V)和VDDF (典型值為I. 84V)分別為MCU的鎖相環電源和內部FLASH模塊電源，他們和VDD —樣即可由晶片外部提供也可由晶片內部電源模塊的LD0，這裡都是由晶片內部的LDO提供，外部接的220nF電容也是為提高內部電源的穩定性；VDDAl為晶片模擬輸入的電源，採用5V供電，為提高電源的精度同時減小模擬電源對VCC的幹擾在VCC和VDDAl之間使用了一個小的型濾波電路，其中IOuH電感的通流量為0. 2A。另外模擬輸入的參考電平VRH通過一個磁珠接VDDAl，VRL通過0歐姆電阻接地；VDDX1-VDDX4為MCU的IO電源，這裡接VDD33 (由晶片外部的板級電源LM2853提供)並且在每個電源管腳接一個0. IuF和一個InF的去藕電容，另外為提高MCU的ESD防護性能，在VDDAl和VDDX之間加了二極體D10，保證在上電/下電期間VDDX的電壓在任何時候都不會比VDDAl高出超過D6的正嚮導通電壓。對於單板上的模擬地和數位訊號地採用共地的模式，統一接信號地。處理器(CPU)採用FreeScale公司的MC9S12XEP100CAG，CPU的片上外設資源包括8個SCI通信接口、4個CAN2. 0通信接口、2個I2C接口、24路模擬輸入、lMflash、64K SRAM等等。在本單板的應用中除了片上FLASH和SRAM，其它主要使用到I個SCI接口，用於RS232通信。為保證CPU在上電復位後能工作在需要的模式下，所以設置如圖5所示配置電路。CPLD 採用 ALTERA 的 EPM1270T144I5N，其 JTAG 下載電路見圖 6。實時乙太網的控制晶片(MAC+PHY)採用KSZ8842-16MVL.該晶片支持6/16位的處理器接口，內部集成了兩路乙太網控制MAC和10/100BASE-T/TX PHY接口。[0020]變壓器採用I3ULSE的HX1188NLT，該變壓器為10/100BASE-T的單埠表面貼型器件，其共模隔離電壓達1500V，發送和接收端的變壓器比為I :1，100KHZ-100MHZ頻率下工作時插入損耗為-I. O。連接器採用pheonix公司的工業級的4芯M12插座，其額定電壓為250V，40°C時的額定電流為4A，絕緣電阻大於100M。數據採集板結構示意圖見圖7，採集板上包括數據採集調理通道，背板總線接口，CPLD電路，CPLD主要實現總線信號的譯解碼和數據的採集和輸出，同時需要實現總線的訪問的衝突控制，背板總線接口主要實現AMS總線從的物理通道，板選地址主要是確定板所在槽位的硬線地址，CPLD邏輯進行解碼判斷。電源板採用模塊電源，其輸出5V，±15V，±24V，其中電源板上的+5V，+15V具有冗餘功能，這樣提高裝置的電源可靠性，電源可靠性高是對整個系統的可靠性的有力保證。所述FPGA為EP3C40F484晶片；為所述處理器設置了配置電路，配置電路採用74LVC244APW晶片；所述數據採集板包括CPLD、數模轉換晶片，CPLD與數模轉換晶片雙向連接。
權利要求1.一種基於實時乙太網的車載數據採集裝置，包括中央處理板、數據採集板、電源板，中央處理板包括板極電源、處理器、連接器，板極電源為處理器提供電源，其特徵在於，中央處理板上的連接器通過總線與數據採集板上的連接器連接，電源板與中央處理板、數據採集板連接；所述中央處理板還包括CPLD、FPGA晶片、乙太網控制晶片、乙太網接口、RS232接口，CPLD與處理器雙向連接，FPGA通過緩衝器與CPLD雙向連接，乙太網控制晶片通過變壓器與乙太網接口雙向連接，RS232接口與處理器雙向連接。
2.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述板極電源採用LM2853晶片。
3.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述處理器採用MC9S12XEP100晶片。
4.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述 FPGA 為 EP3C40F484 晶片。
5.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述乙太網控制晶片為KSZ8842晶片。
6.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，為所述處理器設置了配置電路，配置電路採用74LVC244APW晶片。
7.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述數據採集板包括CPLD、數模轉換晶片，CPLD與數模轉換晶片雙向連接。
8.根據權利要求I或7所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述CPLD 為 EPMl270 晶片。
9.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述數據採集板數量為一塊以上。
10.根據權利要求I所述的基於實時乙太網的車載數據採集裝置，其特徵在於，所述變壓器為HX1188NLT變壓器。
專利摘要本實用新型公開了一種基於實時乙太網的車載數據採集裝置，包括中央處理板、數據採集板、電源板，中央處理板包括板極電源、處理器、連接器、CPLD、FPGA晶片、乙太網控制晶片、乙太網接口、RS232接口，CPLD與處理器雙向連接，FPGA通過緩衝器與CPLD雙向連接，乙太網控制晶片通過變壓器與乙太網接口雙向連接，RS232接口與處理器雙向連接，本實用新型通訊速度較快，通訊周期可達到10ms以內；能夠直接接入乙太網網絡中，不需要增加額外的硬體設備，直線實現從-從通訊，且實時性高。
文檔編號G05B19/418GK202502402SQ201220124659
公開日2012年10月24日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者付如願, 易偉民, 楊衛峰, 江守亮, 汪文心, 王強, 羅林, 袁智巧, 賀盛文 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司