專利名稱：基于can的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及數(shù)字量采集及脈沖信號采集的模塊電路，用于機車數(shù)字 量信號和速度脈沖信號的精度采集與處理，也可應用于一般工業(yè)用數(shù)字量信號 和脈沖信號的采集。
背景技術(shù)：
近年來隨著工業(yè)自動化領(lǐng)域的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場總線由于其可靠性高、 成本低、故障率低等優(yōu)點使得其應用越來越廣泛，出于成本和通信性能的考慮， CAN總線在工業(yè)現(xiàn)場總線中占有很大的比重，尤其是在鐵路機車、輕軌、地鐵 等軌道交通領(lǐng)域。
機車速度信號是機車運行中的重要狀態(tài)參數(shù)，是構(gòu)成機車閉環(huán)調(diào)速控制系 統(tǒng)必不可少的反饋參量。在機車的防滑/防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)、機車運行狀態(tài)監(jiān)控等裝置 中，都需要實時地得到機車的運行速度信號，而且機車速度信號采集的精確度 與機車操作的安全性直接相關(guān)聯(lián)，因此電力機車運行速度信號的正確采集和處 理對于機車的控制與操作至關(guān)重要。目前機車上普遍采用光電式速度傳感器， 該型傳感器通過掃描和輪軸同步的光柵盤，可輸出和速度成線性比例的方波信 號。機車速度信號采集系統(tǒng)中，通常的做法是將速度傳感器輸出的脈沖信號進 行F/V變換，即頻率一電壓變換，然后通過ADC采集得到速度信息，經(jīng)過相應 的轉(zhuǎn)換得到機車的速度。但這種處理方法，在機車低速運行時，由于速度傳感 器輸出脈沖較少，F(xiàn)/V變換得到的電壓幅度??；而在高速時，又由于F/V變 換的響應速度不夠，導致機車速度采集誤差大和實時性差的缺陷。
CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高 抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時， CAN仍可提供高達5Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN協(xié)議的2. OA版本規(guī)定CAN控 制器必須有一個ll位的標志符。同吋，在2.0B版本中規(guī)定，CAN控制器的標志 符長度可以是11位或29位。遵循CAN2. 0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收 11位標識符的標準格式報文或29位標識符的擴展格式報文。如果禁止CAN2. 0B，則CAN控制器只能發(fā)送和接收11位標識符的標準格式報文，而忽略擴展格式的
報文結(jié)構(gòu)，但不會出現(xiàn)錯誤。這為控制系統(tǒng)的信號采集提供了一種通過網(wǎng)絡通 信遠程控制的方法。將每一個模塊設定為一個網(wǎng)絡節(jié)點，就近安裝在被測對象 附近，這樣可以節(jié)省大量的連接電纜和其它硬件設備，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系 統(tǒng)的功能冗余性和可擴展性，從而提高網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的整體性能。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的提出，目的是在C 8 0 5 1 F 0 4 O單片機上建立一個片上 系統(tǒng)，利用C 8 0 5 1 F 0 4 O單片機的采集能力和運算處理能力，利用數(shù)字 量輸入采集單元及脈沖信號采集單元，以及上電完成自檢測保證采集輸入信號 的正確性，來實現(xiàn)全數(shù)字化等精度測量，并通過CAN網(wǎng)絡將采集信息傳送給 上層主控設備。
本實用新型的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的
一種基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊，其特征在于包括MCU 主控單元、數(shù)字量采集單元、脈沖信號采集單元、上電自檢單元和CAN物理接 口單元，其中所述的數(shù)字量采集單元采集的指令信號IN1通過二極管D17，電 阻R17、 R18降壓，穩(wěn)壓管D1穩(wěn)壓，光耦U1隔離，U17A反相整形送入MCU 主控單元;所述的脈沖信號采集單元采集的信號通過RC濾波接入由運放LM224 及電阻R5 、R7 、R13組成滯回比較電路，A點電壓到達某一定值時，運放LM224 輸出翻轉(zhuǎn)成低電平，A點電壓下降到另一定值時，運放LM224輸出高電平，電 壓在倆定值之間時運放LM224輸出電平保持不變；A點電壓由R1、 R3分壓所 得，B點電壓再通過電阻降壓，通過光耦U2隔離接入主控單元MCU的專用接 口P0.0和P0.1;所述的自檢單元，根據(jù)主控單元MCU上電后發(fā)出的檢測指令， 自行檢查各采集電路是否存在故障，并通過CAN網(wǎng)絡將自身檢測結(jié)果發(fā)送給上 層主控設備；所述的CAN總線物理接口由高速光耦和物理層芯片構(gòu)成，CAN 總線發(fā)送信號CANTX經(jīng)過緩沖驅(qū)動光耦，輸出信號經(jīng)過電阻連接到物理層芯 片，最終變成差分信號驅(qū)動CANH和CANL;總線上的接收信號經(jīng)過物理層芯 片變換成數(shù)字信號RXD， RXD輸入連接光耦，輸出送到緩沖芯片。
所述的數(shù)字量采集單元包括電阻網(wǎng)絡降壓、濾波及光耦隔離電路，列車司 機的指令經(jīng)降壓、濾波和隔離后，信號被送入MCU主控單元處理。
所述的脈沖信號采集單元，信號經(jīng)濾波整形電路和降壓隔離電路，送到主控單元的專用接口，實現(xiàn)全數(shù)字化的等精度測量。
所述的自檢單元，由光電隔離電路、MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成。主控單 元MCU上電后發(fā)出檢測指令，模塊自行檢查各采集電路是否存在故障，并通過 C AN網(wǎng)絡將自身檢測結(jié)果發(fā)送給上層主控設備。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實用新型的優(yōu)點在于測量精度高、測量范圍大、實時 性好，能滿足機車中數(shù)字量采集及速度信號采集的精度要求。
本實用新型有附圖6幅，其中
圖l是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖2是數(shù)字量采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖3是脈沖信號采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖4是自檢單元的結(jié)構(gòu)示意圖5是CAN物理接口單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是C8051F040芯片的結(jié)構(gòu)示意在圖中1、脈沖信號采集單元，2、 MCU主控單元，3、數(shù)字量采集單元， 4、上電自檢單元，5、 CAN物理接口單元，6、 CAN網(wǎng)絡。
具體實施方式
如圖1 圖6所示的一種基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊，其 特征在于包括MCU主控制單元2，數(shù)字量采集單元3，脈沖信號采集單元1， 上電自檢單元4和CAN物理接口單元5。所述的數(shù)字量采集單元包括電阻網(wǎng)絡 降壓、濾波及光耦隔離電路，通過內(nèi)部電路實現(xiàn)上電自檢功能。列車司機的指 令經(jīng)降壓、濾波和隔離后，信號被送入MCU主控單元處理。如圖2所示。信號 IN1經(jīng)二極管D17點輸入，通過電阻R17、 R18和電容C1的降壓濾波再經(jīng)過穩(wěn) 壓管D1限壓送給光耦輸入端，光耦導通1點顯高電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器2點顯 低電平；當信號撤銷時光耦關(guān)斷1點電壓顯低電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器2點顯高 電平。MCU讀取端口狀態(tài)，通過CAN物理接口送給上層主控設備。
所述的脈沖信號采集單元，信號經(jīng)濾波整形電路和降壓隔離電路，接入主 控單元的專用接口，實現(xiàn)全數(shù)字化的等精度測量。其中的濾波整形電路、降壓 隔離電路由滯回比較部分、降壓部分、光電隔離部分組成。如圖3所示。滯回 部分由運放LM224及電阻R5 、 R7 、 R13組成，初始態(tài)運放輸出高電平即15V，由圖3所示可得，當A點電壓到達某一定值時，運放輸出翻轉(zhuǎn)成低電平，當A 點電壓下降到另一定值時，運放輸出高電平。電壓在倆定值之間時運算放大器 輸出電平保持不變。A點電壓由R1、 R3分壓所得。B點電壓再通過電阻降壓、 限流送入光耦。通過光耦隔離送給主控單元MCU的專用接口。采集同一脈沖 信號的相鄰兩個上升沿，再由定時器記錄發(fā)生兩個上升沿所用的時間。由于兩 路信號之間具有相位差，可以在捕捉到其中一路信號上升沿的同時，讀取另一 路信號的狀態(tài)，從而可以判斷出行車方向。
所述的自檢單元，由光電隔離電路、MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成。主控 單元MCU上電后發(fā)出檢測指令，模塊自行檢查各采集電路是否存在故障，并通 過C AN網(wǎng)絡將自身檢測結(jié)果發(fā)送給上層主控設備。如圖4所示。當MCU發(fā) 出自檢指令時，信號由輸入點輸入驅(qū)動隔離光耦，MO S F E T輸出端與數(shù)字 量采集單元的輸入端和脈沖信號采集單元的輸入端連接，光耦導通驅(qū)動MO S
FET導通。當MOSFET導通時，數(shù)字量采集單元和脈沖信號采集單元， 呈高電平輸入狀態(tài)，MCU讀取狀態(tài)值，可以判斷各單元是否故障。 所述的CAN物理接口單元，通信信號的整形處理，通信信號隔離和專用的接口 芯片構(gòu)成。如圖5所示。MCU通過專用接口 CANTX發(fā)出信號，信號通過U17C、 U17B兩個反相器整形后，經(jīng)光耦U3隔離，傳送到專用信號接口芯片U2，再由 U2傳送到CAN主網(wǎng)上。MCU接受信號則是由U2將信號處理后，通過U4隔 離，U17A整形，送到MCU的專用接口 CANRX。
所述的MCU主控單元，如圖6所示。選用C8051F040單片機，在指令 集上與傳統(tǒng)的MCS-51完全兼容；然而在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外圍設備等方面有了很大 的改進，使得集成度更高，運行速度更快，C8051F040特點如下
(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) 多復位源，有看門狗復位、電源電平監(jiān)視復位、時鐘失步復位及比較 器復位等。
(4) 處理器最高運行時鐘25MHZ，可用片內(nèi)時鐘，也可用外部時鐘。
(5) 集成CAN控制器2.0B，帶有32消息對象，每個消息對象有獨立地址。
(6) 5個定時器，其中T2、 T3和T4為增強型定時器，可靈活配置成頻率可調(diào)方波輸出和事件捕捉。
(7) 中斷源可達20個
(8) 64KB FLASH ROM， 256字節(jié)片內(nèi)內(nèi)存和4KB外部內(nèi)存。
(9) 引入交叉開關(guān)配置，可靈活將外圍設備配置到P0-P3端口。
(10) —個帶硬件地址控制的串行總線UARTO和1個普通串行總線 UART1。
C8051F040采用流水線處理架構(gòu)，不再分系統(tǒng)時鐘和機器周期。指令直接 按照系統(tǒng)時鐘執(zhí)行，而且大部分指令只需l-2個系統(tǒng)時鐘即可完成。
權(quán)利要求1.一種基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊，其特征在于包括MCU主控單元(2)、數(shù)字量采集單元(3)、脈沖信號采集單元(1)、上電自檢單元(4)和CAN物理接口單元(5)，其中所述的數(shù)字量采集單元(3)采集的指令信號IN1通過二極管D17，電阻R17、R18降壓，穩(wěn)壓管D1穩(wěn)壓，光耦U1隔離，U17A反相整形送入MCU主控單元(2)；所述的脈沖信號采集單元(3)采集的信號通過RC濾波接入由運放LM224及電阻R5、R7、R13組成滯回比較電路，A點電壓到達某一定值時，運放LM224輸出翻轉(zhuǎn)成低電平，A點電壓下降到另一定值時，運放LM224輸出高電平，電壓在倆定值之間時運放LM224輸出電平保持不變；A點電壓由R1、R3分壓所得，B點電壓再通過電阻降壓，通過光耦U2隔離接入主控單元MCU的專用接口P0.0和P0.1；所述的自檢單元，根據(jù)主控單元MCU上電后發(fā)出的檢測指令，自行檢查各采集電路是否存在故障，并通過CAN網(wǎng)絡將自身檢測結(jié)果發(fā)送給上層主控設備；所述的CAN總線物理接口由高速光耦和物理層芯片構(gòu)成，CAN總線發(fā)送信號CANTX經(jīng)過緩沖驅(qū)動光耦，輸出信號經(jīng)過電阻連接到物理層芯片，最終變成差分信號驅(qū)動CANH和CANL；總線上的接收信號經(jīng)過物理層芯片變換成數(shù)字信號RXD，RXD輸入連接光耦，輸出送到緩沖芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊， 其特征在于所述的數(shù)字量采集單元包括電阻網(wǎng)絡降壓、濾波及光耦隔離電路， 列車司機的指令經(jīng)降壓、濾波和隔離后，信號被送入MCU主控單元處理。
3 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊， 其特征在于所述的脈沖信號采集單元，信號經(jīng)濾波整形電路、降壓隔離電路、 送到主控單元的專用接口。
4 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊， 其特征在于所述的自檢單元，由光電隔離電路、MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成， 主控單元MCU上電后發(fā)出檢測指令，模塊自行檢査各采集電路是否存在故障， 并通過CAN網(wǎng)絡將自身檢測結(jié)果發(fā)送給上層主控設備。
專利摘要本實用新型公開了一種基于CAN的數(shù)字量采集及脈沖信號采集模塊，其特征在于包括MCU主控單元、數(shù)字量采集單元、脈沖信號采集單元、CAN物理接口單元；其中所述的數(shù)字量采集單元采集的指令信號通過降壓光耦隔離送入MCU主控單元；所述的脈沖信號采集單元采集的信號通過RC濾波運算放大器整形，電阻網(wǎng)絡降壓，高速光耦隔離送入MCU主控單元的專用接口；所述的CAN物理接口單元使該模塊能方便地與其他CAN設備互連。具有結(jié)構(gòu)新穎、結(jié)構(gòu)簡單、布置維護方便，非常適用于機車及一般工業(yè)應用場合等特點，屬于一種集經(jīng)濟性與實用性為一體的新型裝置。
文檔編號G05B19/048GK201383092SQ200820231599
公開日2010年1月13日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者劉維洋, 李礫工, 勇 石 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心