一种基于CPCI总线的模拟量采集卡的制作方法

一种基于cpci总线的模拟量采集卡
技术领域
1.本发明涉及轨道交通信息监测技术领域，尤其涉及一种基于cpci总线的模拟量采集卡。


背景技术：

2.地铁车载设备中里程计、制动管压力传感器、制动保证加速度计等仪器仪表发出模拟量信息，模拟量信息可为仪表故障提供诊断数据。而目前，地铁车载设备不能监测模拟量信息，缺少对重要仪器仪表的监测功能。
3.在轨道交通信息监测领域，cpci计算机由于其高开放性、高可靠性、可热插拔等优点而得到了一定的应用。目前其主要监测记录车载控制器和列车管理系统的通信信息，用于列车管理系统人机界面出现误报警信息时，解析监测到的数据，并进行故障诊断。因此，适合开发一种基于cpci总线模拟量采集卡以实现对地铁车载设备模拟量的监测。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于cpci总线的模拟量采集卡，通过对模拟量采集卡的设计，能够采集地铁车载控制仪表信息，监测各种控制仪表状态。当仪器仪表输出发生异常时，能够快速定位故障位置，起到故障诊断的作用。
5.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：一种基于cpci总线的模拟量采集卡，包括自检输出调理与控制电路、模拟量隔离与调理电路、arm处理器、三态双电源转换器、cpci桥芯片；自检输出调理与控制电路的输入端通过外部输入接口连接器接收模拟量信息，输出端与模拟量隔离与调理电路的输入端相连，模拟量隔离与调理电路的输出端与arm处理器相连，arm处理器的输出端通过三态双电源转换器与cpci桥芯片进行数据交互，cpci桥芯片通过cpci总线与cpci计算机进行数据交互；arm处理器的输出端还与自检输出调理与控制电路相连，arm处理器从cpci计算机获取预设自检数据，将预设自检数据转化为预设自检模拟量信号输出至自检输出调理与控制电路，再通过模拟量隔离与调理电路采集回arm处理器，arm处理器存储采集到的模拟量信号，通过与预设的自检数据信息比对实现通道自检验。
6.通过提供一种基于cpci总线的模拟量采集卡，作为cpci计算机的扩展板，能够有效采集地铁车载控制仪表0～10v电压输入信息，进而监测各种控制仪表状态。当仪器仪表输出发生异常时，能够快速定位故障位置，起到故障诊断的作用。
7.进一步地，所述自检输出调理与控制电路包括集成运算放大器u1和2选1模拟开关u3，集成运算放大器u1输入端的正极与arm处理器相连，负极通过电阻接地，输出端与2选1模拟开关u3的s2引脚相连，2选1模拟开关u3的en引脚用于控制信号是否通过，sel引脚控制接收的两路信号s1、s2之一传输至d引脚边，s1引脚与外部输入接口连接器相连，d引脚与模拟量隔离与调理电路相连。
8.通过对自检输出调理与控制电路的设计，将预设好的自检数据转化为模拟量通过2选1模拟开关控制输出，进而arm处理器通过对发出的模拟量与采集到的模拟量进行比较确定通道是否正常工作，达到通道自检验目的。另外，当监测到通道故障时，2选1模拟开关可以通过en引脚控制来切断内外部输入信号，达到故障通道自我隔离的作用。
9.进一步地，所述模拟量隔离与调理电路包括隔离放大器u2、精密运算放大器u4与分压电阻，自检输出调理与控制电路的输出端通过分压电阻将信号的电压转化为0~5v后与隔离放大器u2的in引脚相连，隔离放大器u2将信号转换为电压摆幅为2v的差分信号，并通过outp、outn与精密运算放大器u4的正、负极相连，精密运算放大器u4将接收到的信号转化为0～3.3v的单端信号，并与32位arm处理器相连。
10.模拟量隔离与调理电路将外部电路0～10v电压调理到0～3.3v范围。同时隔离放大器u2为具有隔离作用的精密放大器，以满足arm处理器等低压元器件免受可能的电压冲击，保护后端电路，同时防止高噪声环境对数模转换精度和可靠性产生的不利影响。
11.进一步地，所述隔离放大器u2的vdd1引脚、vdd2引脚与地之间分别设有tvs管。
12.通过设置tvs管，防止电源过压烧毁隔离放大器u2，提高电路安全性。
13.进一步地，所述tvs管与2个电容并联，2个电容容值相差10倍。
14.通过设置容值相差10倍电容，过滤中、高频纹波，提高隔离运放转换数据的稳定性和可靠性。
15.进一步地，模拟量隔离与调理电路的输入端设置的分压电阻为三个，其中2个电阻设于自检输出调理与控制电路的输出端与隔离放大器u2的in引脚之间，1个电阻设于自检输出调理与控制电路的输出端与地之间，且阻值为另两个电阻阻值的和。
16.通过设置三个分压电阻，在满足电阻功率要求的同时防止过流时烧毁分压电阻。
17.进一步地，所述模拟量隔离与调理电路的输出端设有rc滤波电路，所述rc滤波电路的电阻设于精密运算放大器u4的输出端与arm处理器输入端之间，电容设于精密运算放大器u4的输出端电阻与地之间。
18.通过设置rc滤波电路，过滤掉经过模拟量隔离与调理电路后的模拟量的高频成分。
19.进一步地，所述arm处理器的vdd_1引脚通过lcπ型滤波与3.3v电源相连，两侧电容的容值相差10倍。以过滤电源中的中、高频干扰。
20.本发明的有益效果是：本发明提出一种基于cpci总线的模拟量采集卡，作为cpci计算机的扩展板，能够有效采集地铁车载控制仪表0～10v电压输入信息，进而监测各种控制仪表状态。当仪器仪表输出发生异常时，能够快速定位故障位置，起到故障诊断的作用。当自身通道发生故障时，能够实现故障通道自我隔离，并且整体电路安全可靠。
附图说明
21.图1为本发明的一种基于cpci总线的模拟量采集卡的原理示意图；图2为图1中的自检输出调理与控制电路示意图；图3为图1中的模拟量隔离与调理电路示意图；图4为图1中的32位arm处理器示意图；
图5为图4中32位arm处理器的外围电路的lcπ型滤波电路示意图；图6为图4中32位arm处理器的外围电路的连接器示意图；图7为图1中的三态双电源转换器示意图；图8为图1中的输入接口连接器示意图。
具体实施方式
22.为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
23.如图1-8所示，本发明实施例提出的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，采用3u结构，包括自检输出调理与控制电路、模拟量隔离与调理电路、arm处理器、三态双电源转换器、cpci桥芯片；还包括eeprom；符合cpci结构的3u规格的印制板尺寸为100mm
×
160mm（高
×
深），pcb板板厚为1.6
±
0.2 mm。本模拟量采集卡具有通用性，能够适配市场上具有cpci总线的3u高度机箱，通过安装驱动程序即可实现模拟量的采集；自检输出调理与控制电路的输入端通过外部输入接口连接器接收模拟量信息，输出端与模拟量隔离与调理电路的输入端相连，模拟量隔离与调理电路的输出端与arm处理器相连，arm处理器的输出端通过三态双电源转换器与cpci桥芯片进行数据交互，cpci桥芯片通过cpci总线与cpci计算机进行数据交互；模拟量采集通道为多通道，图1中简化示意为一通道；所述cpci桥芯片为pci9052；arm处理器的输出端还与自检输出调理与控制电路相连，arm处理器从cpci计算机获取预设自检数据，将预设自检数据转化为预设自检模拟量信号输出至自检输出调理与控制电路，再通过模拟量隔离与调理电路采集回arm处理器，arm处理器存储采集到的模拟量信号，通过与预设的自检数据信息比对实现通道自检验；eeprom配置了cpci桥芯片初始化时的配置数据。
24.通过提供一种基于cpci总线的模拟量采集卡，作为cpci计算机的扩展板，能够有效采集地铁车载控制仪表0～10v电压输入信息，进而监测各种控制仪表状态。当仪器仪表输出发生异常时，能够快速定位故障位置，起到故障诊断的作用。
25.具体地，所述自检输出调理与控制电路包括集成运算放大器u1和2选1模拟开关u3，集成运算放大器u1输入端的正极与arm处理器相连，负极通过电阻接地，输出端与2选1模拟开关u3的s2引脚相连，2选1模拟开关u3的en引脚用于控制信号是否通过，sel引脚控制接收的两路信号s1、s2之一传输至d引脚边，s1引脚与外部输入接口连接器相连，d引脚与模拟量隔离与调理电路相连。
26.通过对自检输出调理与控制电路的设计，将预设好的自检数据转化为模拟量通过2选1模拟开关控制输出，进而arm处理器通过对发出的模拟量与采集到的模拟量进行比较确定通道是否正常工作，达到自检验目的。另外，当监测到通道故障时，2选1模拟开关可以通过en引脚控制来切断内外部输入信号，达到故障通道自我隔离的作用。
27.具体地，所述模拟量隔离与调理电路包括隔离放大器u2、精密运算放大器u4与分压电阻，自检输出调理与控制电路的输出端通过分压电阻将信号的电压转化为0~5v后与隔离放大器u2的in引脚相连，隔离放大器u2将信号转换为电压摆幅为2v的差分信号，并通过
outp、outn与精密运算放大器u4的正、负极相连，精密运算放大器u4将接收到的信号转化为0～3.3v的单端信号，并与32位arm处理器相连。
28.模拟量隔离与调理电路将外部电路0～10v电压调理到0～3.3v范围。同时隔离放大器u2为具有隔离作用的精密放大器，以满足arm处理器等低压元器件免受可能的电压冲击，保护后端电路，同时防止高噪声环境对数模转换精度和可靠性产生的不利影响。
29.具体地，所述隔离放大器u2的vdd1引脚、vdd2引脚与地之间分别设有tvs管。
30.通过设置tvs管，防止电源过压烧毁隔离放大器u2，提高电路安全性。
31.具体地，所述tvs管与2个电容并联，2个电容容值相差10倍。
32.通过设置容值相差10倍电容，过滤中、高频纹波，提高隔离运放转换数据的稳定性和可靠性。
33.具体地，模拟量隔离与调理电路的输入端设置的分压电阻为三个，为r4、r5、r6，其中2个电阻r4、r5设于自检输出调理与控制电路的输出端与隔离放大器u2的in引脚之间，1个电阻r6设于自检输出调理与控制电路的输出端与地之间，且阻值为另两个电阻阻值的和。
34.通过设置三个分压电阻，在满足电阻功率要求的同时防止过流时烧毁分压电阻。
35.具体地，所述模拟量隔离与调理电路的输出端设有由r12与c7构成的rc滤波电路，所述rc滤波电路的电阻设于精密运算放大器u4的输出端与arm处理器输入端之间，电容设于精密运算放大器u4的输出端电阻与地之间。
36.通过设置rc滤波电路，过滤掉经过模拟量隔离与调理电路后的模拟量的高频成分。同时由于r12阻值很小压降可忽略不计。
37.具体地，所述arm处理器的vdd_1引脚通过lcπ型滤波电路与3.3v电源相连，两侧电容的容值相差10倍。以过滤电源中的中、高频干扰。
38.如图4-6所示，arm处理器为32位arm处理器，arm芯片的外围电路包含晶振y1、y2，电感l1及电容组成的电源滤波电路，烧写程序用的j2连接器。arm处理器通过4个12位adc转换端口不间断的采集adc_in1～adc_in4输入的0～3.3v电压，把0～3.3v电压数字化为0x0000～0x0fff的数据并存储，0v对应0x0000，3.3v对应0x0fff，把当0～3.3v等分为4096份数据，这4096份数据同时对应外部的0～10v电压。当需要读取arm处理器的adc数据时，处理器则通过io引脚adc_bit0～adc_bit11，把12位数据送入cpci桥芯片，供cpci计算机分析。
39.如图7所示，图7为三态双电源转换器，能够实现5v和3.3v系统数据的转换（arm处理器为3.3v系统，cpci桥芯片为5v系统，数据通信需要转换器）；当cpci桥芯片需读取数字化后的adc数据时，通过cs0#控制信号置oe引脚为低电平，与dir引脚连接的wr#信号为高电平，此时数据流向为由a到b，达到了读取arm送出的adc数字化数据的目的。
40.当cpci桥芯片需写入预设的自检数据和控制命令时，通过cs0#控制信号置oe引脚为低电平，与dir引脚连接的wr#信号为低电平，此时数据流向为由b到a，达到了通过三态双电源转换器把cpci桥芯片要传递的数据传给arm处理器的目的。
41.其中b端的16位lad0～lad15端口与cpci桥芯片局部总线直接相连，lad0～lad11的12位数据对应a端12位adc数据，lad12～lad15的4位数据对应a端decode1～decode4。
42.a端的12位adc数据adc_bit0～adc_bit11与arm处理器相连。另外a端增加了4位控制引脚decode1～decode4，当pci桥读数据时此4位可以输出区分4路模拟量输入通道的数字量信息，例如：0001为第一路，0010为第二路，以此类推。当通过cpci桥芯片写自检数据时，此四位选择decode3为arm处理器的dac转换的启动信号，达到arm处理器通过dac_out引脚输出预设的模拟量数据的目的。
43.cpci桥芯片通过向三态双电源转换器写入16位数据的方式，将预设好的自检数据输入到arm处理器，arm处理器把自检数据转化为模拟量信号通过自身的模拟量输出引脚输出到自检输出调理电路，同时控制2选1模拟开关选通自检输出调理电路，把来自cpci桥芯片的转化后的模拟量数据送入输入端口。arm处理器延时读取来自自检通道的模拟量数据并存储，采集到的模拟量数据与预设好的自检数据进行比较，符合误差范围则自检通过。这样就实现了监测模拟量调理电路到arm处理器是否工作正常，达到输入通道自检验的目的。
44.以单路0～10v输入为例，详细阐述模拟量采集卡的实施过程。
45.1、模拟量采集卡通过连接器插入到cpci计算机中，cpci计算机上电启动，启动后安装模拟量采集卡驱动程序。驱动程序只需安装一次，以后上电自动加载；2、输入接口连接器采用d-sub15连接器，输入接口连接器与内部4路采集通道相连接，每路均由模拟量输入端和地组成（图8）。带有配套d-sub15连接器的线缆插入输入接口连接器，线缆另一端选取某路作为实验对象，并通过断路器接入能够输出dc0v～10v可调电源。起始时断路器处于断开状态；3、接通断路器，把可调电源输出调整到dc0v，通过命令读取采集到的数据，此时采集到约为0v的12位数字化信息；4、把可调电源输出调整到dc10v，通过命令读取采集到的数据，此时采集到约为10v的12位数字化信息；5、把可调电源输出再次调整到dc0v，通过命令读取采集到的数据，此时采集到约为0v的12位数字化信息；6、预设通道自检数据为10v（实际写入数据为0x4fff），通过命令实现通道自检，并读取采集到的数据，此时采集到约为10v的12位数字化信息；7、通过命令恢复通道为0v状态（实际写入数据为0x4000），并读取采集到的数据，此时采集到约为0v的12位数字化信息；8、通过以上步骤采集的数据，能够存储到cpci计算机中，并带有时间戳，以备存档待查。
46.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：包括自检输出调理与控制电路、模拟量隔离与调理电路、arm处理器、三态双电源转换器、cpci桥芯片；自检输出调理与控制电路的输入端通过外部输入接口连接器接收模拟量信息，输出端与模拟量隔离与调理电路的输入端相连，模拟量隔离与调理电路的输出端与arm处理器相连，arm处理器的输出端通过三态双电源转换器与cpci桥芯片进行数据交互，cpci桥芯片通过cpci总线与cpci计算机进行数据交互；arm处理器的输出端还与自检输出调理与控制电路相连，arm处理器从cpci计算机获取预设自检数据，将预设自检数据转化为预设自检模拟量信号输出至自检输出调理与控制电路，再通过模拟量隔离与调理电路采集回arm处理器，arm处理器存储采集到的模拟量信号，通过与预设的自检数据信息比对实现通道自检验。2.如权利要求1所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述自检输出调理与控制电路包括集成运算放大器u1和2选1模拟开关u3，集成运算放大器u1输入端的正极与arm处理器相连，负极通过电阻接地，输出端与2选1模拟开关u3的s2引脚相连，2选1模拟开关u3的en引脚用于控制信号是否通过，sel引脚控制接收的两路信号s1、s2之一传输至d引脚边，s1引脚与外部输入接口连接器相连，d引脚与模拟量隔离与调理电路相连。3.如权利要求1所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述模拟量隔离与调理电路包括隔离放大器u2、精密运算放大器u4与分压电阻；自检输出调理与控制电路的输出端通过分压电阻将输入信号的电压转化为0~5v后与隔离放大器u2的in引脚相连，隔离放大器u2将信号转换为电压摆幅为2v的差分信号，并通过outp、outn与精密运算放大器u4的正、负极相连，精密运算放大器u4将接收到的信号转化为0～3.3v的单端信号，并与32位arm处理器相连。4.如权利要求3所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述隔离放大器u2的vdd1引脚、vdd2引脚与地之间分别设有tvs管。5.如权利要求4所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述tvs管与2个电容并联，2个电容容值相差10倍。6.如权利要求3所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：模拟量隔离与调理电路的输入端设置的分压电阻为三个，其中2个电阻设于自检输出调理与控制电路的输出端与隔离放大器u2的in引脚之间，1个电阻设于自检输出调理与控制电路的输出端与地之间，且阻值为另两个电阻阻值的和。7.如权利要求3所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述模拟量隔离与调理电路的输出端设有rc滤波电路，所述rc滤波电路的电阻设于精密运算放大器u4的输出端与arm处理器输入端之间，电容设于精密运算放大器u4的输出端电阻与地之间。8.如权利要求1所述的一种基于cpci总线的模拟量采集卡，其特征在于：所述arm处理器的vdd_1引脚通过lcπ型滤波电路与3.3v电源相连，两侧电容的容值相差10倍。

技术总结
本发明涉及一种基于CPCI总线的模拟量采集卡，包括自检输出调理与控制电路、模拟量隔离与调理电路、ARM处理器、三态双电源转换器、CPCI桥芯片；自检输出调理与控制电路接收模拟量信息与模拟量隔离与调理电路相连，模拟量隔离与调理电路的输出端与ARM处理器相连，ARM处理器的输出端通过三态双电源转换器与CPCI桥芯片数据交互，CPCI桥芯片与CPCI计算机数据交互；ARM处理器的输出端还与自检输出调理与控制电路相连，再通过模拟量隔离与调理电路采集回ARM处理器。本发明有效采集控制仪表0～10V电压输出信息，进而监测各种控制仪表状态。当仪器仪表输出发生异常时，快速定位故障位置，起到故障诊断的作用。起到故障诊断的作用。起到故障诊断的作用。


技术研发人员：金亮 都丽娟 杨力 宋丹 曹博 韩景宇 王英奇 于腾龙 马兴旺
受保护的技术使用者：沈阳铁路信号有限责任公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/6