專利名稱：：基于mvb的分布式模擬量采集模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：分布式模擬量采集模塊具有MVB總線通訊接口，應(yīng)用于分布式MVB總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和任何符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該模塊符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3021-2001《鐵道機(jī)車車輛電子裝置》。
背景技術(shù)：
：多功能車輛總線MVB，作為滿足IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)的TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車車輛內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)總線，正在全世界范圍得到越來越廣泛的應(yīng)用?；贛VB的分布式模擬量采集模塊組態(tài)靈活方便，可以構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種采集控制需求。這種采集模塊的模擬量輸入接口適用于多種標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流和溫度測(cè)量；模擬量輸出接口不但能輸出寬范圍的電壓和電流環(huán)，而且輸出極性可選；模塊采用全封閉機(jī)械結(jié)構(gòu)和良好的接地設(shè)計(jì)。因此該模塊能夠適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣的機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模擬量采集。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種基于MVB的分布式模擬量采集模塊，它是一種通用設(shè)計(jì)模塊，適合各種類型的鐵路機(jī)車和其它網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。模塊具有MVB總線通信和串口調(diào)試接口，可根據(jù)具體需要靈活配置模塊數(shù)量與位置。每個(gè)模塊都裝置在全封閉的箱體內(nèi)，達(dá)到最佳的屏蔽效果。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于MVB的分布式模擬量采集模塊，包括由RS232組成的串口調(diào)試單元、基于FPGA的MVB協(xié)議控制器和MVB物理接口，其特征在于還包括MCU主控單元、模擬量輸入單元，模擬量輸出單元，速度信號(hào)輸入單元和傳感器電流或電壓激勵(lì)單元，其中所述的MCU主控單元由C051F040單片機(jī)構(gòu)成，所述模擬量輸入單元、模擬量輸出單元和/或傳感器電流激勵(lì)單元與MCU主控單元CPU的SPI接口掛接；速度信號(hào)輸入單元及串口調(diào)試單元與MCU主控單元電連接；MVB物理接口一端通過FPGA與MCU主控單元連接，另一端則掛接在MVB總線上；傳感器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送入模擬量輸入單元，經(jīng)MCU主控單元和/或MVB物理接口上傳到MVB總線上。所述的模擬量輸入單元包括差分輸入級(jí)、分流電阻、多路模擬開關(guān)、儀表運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器和電流或電壓激勵(lì)，其中的分流電阻將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電流或電壓激勵(lì)給現(xiàn)場(chǎng)傳感器提供電流或電壓激勵(lì)；通過多路模擬開關(guān)可實(shí)現(xiàn)多路輸入通道切換，同時(shí)在板實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移和增益漂移的校正。所述的模擬量輸出單元的DAC轉(zhuǎn)換器由MAX5322集成電路構(gòu)成，與CPU接口SPI，其輸出端與VI轉(zhuǎn)換電路連接，并以電流和/或電壓輸出。所述的速度信號(hào)輸入單元由74HCT14集成塊構(gòu)成，其輸入端接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將接收的矩形波高電平變換成74HCT14的輸出脈沖送入定時(shí)器引腳計(jì)數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在組態(tài)靈活方便，可構(gòu)成基于MVB的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其模擬量輸入接口，適用于多種標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流和溫度測(cè)量；模擬量輸出接口，能輸出寬范圍的電壓和電流環(huán)，且極性可選。本實(shí)用新型有12幅附圖，其中圖i是本實(shí)用新型的采集模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖2是MVB物理接口的ESD接口電路圖。圖3是MVB物理接口的EMD接口電路圖。圖4是模擬量輸入單元的分流電阻電流電壓轉(zhuǎn)換電路圖。圖5是模擬輸入單元的儀表放大電路圖。圖6是模擬輸入單元的多路切換開關(guān)電路圖。圖7是模擬輸入單元的A/D轉(zhuǎn)換器電路圖。圖8是電流源輸出DAC電路圖。圖9是電流源輸出檢測(cè)電路圖。圖IO是模擬量輸出單元的原理圖。圖11是V/1電路原理圖。圖12是矩形波輸入接口電路示意圖。具體實(shí)施方式如圖1圖12所示。一種基于MVB的分布式模擬量采集模擬,包括由RS232組成的串口調(diào)試單元，基于FPGA的MVB協(xié)議控制器和MVB物理接口，其特征在于還包括模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、速度信號(hào)輸入單元和傳感器電流或電壓激勵(lì)單元，其中所述的MCU主控單元由C8051F040單片機(jī)構(gòu)成，所述模擬量輸入單元、模擬量輸出單元和/或傳感器電流激勵(lì)單元與MCU主控單元CPU的SPI接口掛接；速度信號(hào)輸入單元及串口調(diào)試單元與MCU主控單元電連接；MVB物理接口一端通過FPGA與MCU主控單元連接，另一端則掛接在MVB總線上；傳感器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送入模擬量輸入單元，經(jīng)MCU主控單元處理后，發(fā)送到在MVB總線上作為一個(gè)實(shí)施例，分布式模擬量采集模塊可以包括4路模擬量輸入、2路模擬量輸出、l路速度信號(hào)輸入、MVB通訊接口和測(cè)試模塊專用的RS232通信接口，其中，模擬量輸入，包括差分輸入級(jí)、分流電阻、多路模擬開關(guān)、儀表運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器和電流源激勵(lì)。分流電阻將電流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；電流源激勵(lì)給現(xiàn)場(chǎng)電流傳感器提供電流激勵(lì)，模塊同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)傳感器提供非隔離的電壓源+15V;通道2和通道4增加電流輸入采樣，提高測(cè)量的精度；板內(nèi)通過多路模擬開關(guān)不但實(shí)現(xiàn)了多路輸入通道切換，還可在板實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移和增益漂移的校正。Pt100毫伏級(jí)溫度輸入信號(hào)由C8051F040內(nèi)置ADC采樣，輸入通道HVDA以及參考電壓和偏移電壓動(dòng)態(tài)的配置，提高了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍和采樣精度。模擬量輸出，既可接成電壓輸出，也可以接成電流輸出，DAC選擇MAX5322雙通道12位片子，與CPU接口SPI，輸出電壓經(jīng)一級(jí)緩沖送到輸出端口，同時(shí)輸出電壓送入VI電路轉(zhuǎn)換成恒流輸出。速度信號(hào)輸入根據(jù)其信號(hào)的電氣特性，先通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將矩形波高電平轉(zhuǎn)換成74HCT14輸出電平，然后送入定時(shí)器外部引腳計(jì)數(shù)。模塊中的MCU主控單元由C8051F040單片機(jī)組成，在指令集上與傳統(tǒng)的MCS-51完全兼容，其特點(diǎn)如下(1)低電壓供電(2.7-3.6V)，輸入端口兼容5V電平，輸出有開漏和推挽模式。(2)集成JTAG調(diào)試器，可在線調(diào)試和下載。(3)多復(fù)位源，有看門狗復(fù)位、電源電平監(jiān)視復(fù)位、時(shí)鐘失步復(fù)位及比較器復(fù)位等。(4)處理器最高運(yùn)行時(shí)鐘25MHZ，可用片內(nèi)時(shí)鐘，也可用外部時(shí)鐘。(5)2個(gè)12位DAC模塊，電壓輸出型。(6)1個(gè)12位ADC模塊和1個(gè)8位ADC模塊。(7)l個(gè)芯片溫度傳感器，可監(jiān)測(cè)芯片溫度。(8)3個(gè)史密斯比較器模塊。(9)集成CAN控制器(2.0B)，帶有32消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有獨(dú)立地址。(10)5個(gè)定時(shí)器，其中T2、T3和T4為增強(qiáng)型定時(shí)器，可靈活配置成頻率可調(diào)方波輸出和事件捕捉。(11)6個(gè)PCA模塊，可實(shí)現(xiàn)PWM輸出、方波輸出和事件捕捉等。(12)1個(gè)SPI串行外圍設(shè)備接口控制器(13)1個(gè)SMBUS總線控制器，與IIC總線完全兼容。(14)2個(gè)外部事件中斷(15)中斷源可達(dá)20個(gè)(16)64KBFLASHROM，256字節(jié)片內(nèi)內(nèi)存和4KB外部?jī)?nèi)存。(17)引入交叉開關(guān)配置，可靈活將外圍設(shè)備配置到P0-P3端口。(18)—個(gè)帶硬件地址控制的串行總線UARTO和1個(gè)普通串行總線UART1。C8051F040采用流水線處理架構(gòu)，不在分系統(tǒng)時(shí)鐘和機(jī)器周期。指令直接按照系統(tǒng)時(shí)鐘執(zhí)行，而且大部分指令只需1-2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘即可完成。本設(shè)計(jì)充分利用C8051F040片內(nèi)資源情況如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>關(guān)于MVB總線接口設(shè)計(jì)，采用公知的技術(shù)，包括MVB協(xié)議控制器和總線物理接口兩部分，MVB接口電路同時(shí)具備ESD和EMD接口電路，ESD與EMD通過零電阻的焊接來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MVB協(xié)議控制器采用XC2S30-5TQ144I,實(shí)現(xiàn)MVB總線協(xié)議和服務(wù)。FPGA配置存儲(chǔ)器為XCF01SVO20C;ESD接口電路采用光耦隔離。為了適應(yīng)機(jī)車供電系統(tǒng)不同和滿足復(fù)雜惡劣工作環(huán)境的需要，板內(nèi)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)版本，其中版本lDC24V供電；版本2適用于DC110V供電。權(quán)利要求1、一種基于MVB的分布式模擬量采集模塊，包括由RS232組成的串口調(diào)試單元、基于FPGA的MVB協(xié)議控制器和MVB物理接口，其特征在于還包括MCU主控單元、模擬量輸入單元，模擬量輸出單元，速度信號(hào)輸入單元和傳感器電流或電壓激勵(lì)單元，其中所述的MCU主控單元由C051F040單片機(jī)構(gòu)成，所述模擬量輸入單元、模擬量輸出單元和/或傳感器電流激勵(lì)單元與MCU主控單元CPU的SPI接口掛接；速度信號(hào)輸入單元及串口調(diào)試單元與MCU主控單元電連接；MVB物理接口一端通過FPGA與MCU主控單元連接，另一端則掛接在MVB總線上；傳感器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送入模擬量輸入單元，經(jīng)MCU主控單元處理后掛接在MVB總線上。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MVB的分布式模擬量采集模塊，其特征在于所述的模擬量輸入單元包括差分輸入級(jí)、分流電阻、多路模擬開關(guān)、儀表運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換器和電流或電壓激勵(lì)，其中的分流電阻將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電流或電壓激勵(lì)給現(xiàn)場(chǎng)傳感器提供電流或電壓激勵(lì)；通過多路模擬開關(guān)可實(shí)現(xiàn)多路輸入通道切換，同時(shí)在板實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移和增益漂移的校正。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MVB的分布式模擬量采集模塊，其特征在于所述的模擬量輸出單元的DAC轉(zhuǎn)換器由MAX5322集成電路構(gòu)成，與CPU接口SPI，其輸出端與VI轉(zhuǎn)換電路連接，并以電流和/或電壓輸出。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MVB的分布式模擬量采集模塊，其特征在于速度信號(hào)輸入單元由74HCT14集成塊構(gòu)成，其輸入端接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將接收的矩形波高電平變換成74HCT14的輸出脈沖送入定時(shí)器引腳計(jì)數(shù)。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于MVB的分布式模擬量采集模塊，包括由RS232組成的串口調(diào)試單元，基于FPGA的MVB協(xié)議控制器和MVB物理接口，其特征在于還包括MCU主控單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、速度信號(hào)輸入單元和傳感器電流或電壓激勵(lì)單元，其中所述的MCU主控單元由C8051F040單片機(jī)構(gòu)成，所述的模擬量輸入單元、模擬量輸出單元和/或傳感器電流激勵(lì)單元與MCU主控單元CPU的SPI接口掛接，速度信號(hào)輸入單元及串口調(diào)試單元與MCU主控單元電連接；MVB物理接口一端通過FPGA與MCU主控單元連接，另一端掛接在MVB總線上。該模塊適宜在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣的機(jī)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用。文檔編號(hào)G05B19/04GK201000573SQ200620093829公開日2008年1月2日申請(qǐng)日期2006年10月24日優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日發(fā)明者劉維洋,姜悅禮,李礫工,王忠福,馬晨普申請(qǐng)人:謝步明