全文摘要
本实用新型实施例提供一种数据采集卡，包括由微控制器和FPGA构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块、数字信号处理模块构成的现场侧模块及光耦隔离器。其中，FPGA与微控制器之间通过并口连接，模拟信号处理模块与微控制器通过SPI总线及光耦隔离器连接，数字信号处理模块与FPGA通过光耦隔离器连接。本申请中，通过采用微控制器和FPGA组合以分别实现对数字量信号和模拟量信号的分析处理，提高了系统任务处理速度。其中，光耦隔离器连接在系统侧模块和现场侧模块之间以进行电气隔离，提高了系统抗干扰能力。
主设计要求
1.一种数据采集卡，其特征在于，包括由微控制器和FPGA构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块、数字信号处理模块构成的现场侧模块以及光耦隔离器；所述光耦隔离器连接在所述系统侧模块和所述现场侧模块之间，所述FPGA与所述微控制器通过并口连接，所述模拟信号处理模块与所述微控制器通过SPI总线及所述光耦隔离器连接，所述数字信号处理模块与所述FPGA通过所述光耦隔离器连接；所述光耦隔离器用于对所述系统侧模块和所述现场侧模块进行电气隔离；所述数字信号处理模块用于采集数字量信号并通过所述光耦隔离器发送至所述FPGA，或接收所述FPGA返回的对数字量信号的处理结果；所述FPGA用于接收所述数字信号处理模块发送的数字量信号，在所述微控制器的控制下实现数字量信号的处理，并经由所述光耦隔离器将数字量信号的处理结果返回至所述数字信号处理模块；所述模拟信号处理模块用于采集模拟量信号，并通过所述SPI总线将采集的模拟量信号传输至所述微控制器。
设计方案
1.一种数据采集卡，其特征在于，包括由微控制器和FPGA构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块、数字信号处理模块构成的现场侧模块以及光耦隔离器；
所述光耦隔离器连接在所述系统侧模块和所述现场侧模块之间，所述FPGA与所述微控制器通过并口连接，所述模拟信号处理模块与所述微控制器通过SPI总线及所述光耦隔离器连接，所述数字信号处理模块与所述FPGA通过所述光耦隔离器连接；
所述光耦隔离器用于对所述系统侧模块和所述现场侧模块进行电气隔离；
所述数字信号处理模块用于采集数字量信号并通过所述光耦隔离器发送至所述FPGA，或接收所述FPGA返回的对数字量信号的处理结果；
所述FPGA用于接收所述数字信号处理模块发送的数字量信号，在所述微控制器的控制下实现数字量信号的处理，并经由所述光耦隔离器将数字量信号的处理结果返回至所述数字信号处理模块；
所述模拟信号处理模块用于采集模拟量信号，并通过所述SPI总线将采集的模拟量信号传输至所述微控制器。
2.根据权利要求1所述的数据采集卡，其特征在于，所述模拟信号处理模块包括模拟信号调理电路、模拟量采集电路及模拟量输出电路；
所述模拟信号调理电路的输出端与所述模拟量采集电路的输入端连接，用于采集模拟量信号，并将采集到的模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述模拟量采集电路的输出端通过所述SPI总线和所述光耦隔离器与所述微控制器连接，用于将接收到的模拟量信号传送至所述微控制器；
所述模拟量输出电路的输入端与所述微控制器连接、输出端与所述模拟信号调理电路连接，用于在所述微控制器的控制下将所述微控制器针对所述模拟量信号的处理结果进行输出。
3.根据权利要求2所述的数据采集卡，其特征在于，所述模拟信号处理模块还包括ADC转换电路及滤波电路；
所述滤波电路的输入端与所述模拟信号调理电路连接、输出端与所述ADC转换电路的输入端连接，用于对所述模拟信号调理电路采集的模拟量信号进行滤波处理；
所述ADC转换电路的输出端与所述模拟量采集电路连接，用于对滤波处理后的模拟量信号进行模数转换，并将模数转换后的信号发送至所述模拟量采集电路。
4.根据权利要求2所述的数据采集卡，其特征在于，所述模拟信号调理电路包括V\/I切换模拟量调理电路、电压型模拟量调理电路以及电阻型模拟量调理电路；
所述V\/I切换模拟量调理电路用于在电流或电压信号采集电路间进行切换，可采集电流型或电压型模拟量信号，并将采集到的电流型或电压型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述电压型模拟量调理电路用于采集电压型模拟量信号，并将采集到的电压型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述电阻型模拟量调理电路用于采集电阻型模拟量信号，并将采集到的电阻型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路。
5.根据权利要求1所述的数据采集卡，其特征在于，所述数据采集卡还包括防护模块，所述防护模块与所述数字信号处理模块及模拟信号处理模块连接，用于对所述数字信号处理模块及模拟信号处理模块进行电气过压防护及防反防护。
6.根据权利要求1所述的数据采集卡，其特征在于，所述数字信号处理模块包括数字信号采集电路及数字信号输出电路；
所述数字信号采集电路的输出端通过所述光耦隔离器与所述FPGA连接，其中，所述数字信号采集电路支持24道通路的数字量信号采集，所述数字信号采集电路用于设置可输入数字量信号类型，所述可输入数字量信号类型为NPN型或PNP型；
所述数字信号输出电路的输入端与所述FPGA连接、输出端连接OC门后通过所述光耦隔离器与现场设备连接。
7.根据权利要求6所述的数据采集卡，其特征在于，所述数字信号输出电路支持45路数字量输出通道，其中20路数字量输出通道配置为PWM输出电路，所述PWM输出电路带有独立的回采诊断电路。
8.根据权利要求1所述的数据采集卡，其特征在于，所述数据采集卡的现场侧模块还包括CAN通信电路以及RS232通信电路。
9.根据权利要求1所述的数据采集卡，其特征在于，所述数据采集卡还包括系统侧电源模块及现场侧电源模块，在所述系统侧电源模块和所述现场侧电源模块之间连接有隔离电源电路，所述隔离电源电路用于隔离所述系统侧电源模块和所述现场侧电源模块。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及工业过程控制技术领域，具体而言，涉及一种数据采集卡。
背景技术
在工业过程控制技术领域中，有时需要对多个现场输入输出信号(包括数字信号及模拟信号)进行处理，同时又对控制器的安装空间具有限制，而小型PLC(ProgrammableLogic Controller，可编程逻辑控制器)即满足了这样的需求。小型PLC采用整体式结构，体积相对较小，又能处理多个、多种类型的现场信号。但是目前常用的PLC在处理速度及系统稳定上仍然存在诸多不足。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于，提供一种数据采集卡以解决上述问题。
本申请实施例提供一种数据采集卡，包括由微控制器和FPGA构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块、数字信号处理模块构成的现场侧模块以及光耦隔离器；
所述光耦隔离器连接在所述系统侧模块和所述现场侧模块之间，所述FPGA与所述微控制器通过并口连接，所述模拟信号处理模块与所述微控制器通过SPI总线及所述光耦隔离器连接，所述数字信号处理模块与所述FPGA通过所述光耦隔离器连接；
所述光耦隔离器用于对所述系统侧模块和所述现场侧模块进行电气隔离；
所述数字信号处理模块用于采集数字量信号并通过所述光耦隔离器发送至所述FPGA，或接收所述FPGA返回的对数字量信号的处理结果；
所述FPGA用于接收所述数字信号处理模块发送的数字量信号，在所述微控制器的控制下实现数字量信号的处理，并经由所述光耦隔离器将数字量信号的处理结果返回至所述数字信号处理模块；
所述模拟信号处理模块用于采集模拟量信号，并通过所述SPI总线将采集的模拟量信号传输至所述微控制器。
可选地，所述模拟信号处理模块包括模拟信号调理电路、模拟量采集电路及模拟量输出电路；
所述模拟信号调理电路的输出端与所述模拟量采集电路的输入端连接，用于采集模拟量信号，并将采集到的模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述模拟量采集电路的输出端通过所述SPI总线和所述光耦隔离器与所述微控制器连接，用于将接收到的模拟量信号传送至所述微控制器；
所述模拟量输出电路的输入端与所述微控制器连接、输出端与所述模拟信号调理电路连接，用于在所述微控制器的控制下将所述微控制器针对所述模拟量信号的处理结果进行输出。
可选地，所述模拟信号处理模块还包括ADC转换电路及滤波电路；
所述滤波电路的输入端与所述模拟信号调理电路连接、输出端与所述ADC转换电路的输入端连接，用于对所述模拟信号调理电路采集的模拟量信号进行滤波处理；
所述ADC转换电路的输出端与所述模拟量采集电路连接，用于对滤波处理后的模拟量信号进行模数转换，并将模数转换后的信号发送至所述模拟量采集电路。
可选地，所述模拟信号调理电路包括V\/I切换模拟量调理电路、电压型模拟量调理电路以及电阻型模拟量调理电路；
所述V\/I切换模拟量调理电路用于在电流或电压信号采集电路间进行切换，可采集电流型或电压型模拟量信号，并将采集到的电流型或电压型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述电压型模拟量调理电路用于采集电压型模拟量信号，并将采集到的电压型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路；
所述电阻型模拟量调理电路用于采集电阻型模拟量信号，并将采集到的电阻型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路。
可选地，所述数据采集卡还包括防护模块，所述防护模块与所述数字信号处理模块及模拟信号处理模块连接，用于对所述数字信号处理模块及模拟信号处理模块进行电气过压防护及防反防护。
可选地，所述数字信号处理模块包括数字信号采集电路及数字信号输出电路；
所述数字信号采集电路的输出端通过所述光耦隔离器与所述FPGA连接，其中，所述数字信号采集电路支持24道通路的数字量信号采集，所述数字信号采集电路用于设置可输入数字量信号类型，所述可输入数字量信号类型为NPN型或PNP型；
所述数字信号输出电路的输入端与所述FPGA连接、输出端连接OC门后通过所述光耦隔离器与现场设备连接。
可选地，所述数字信号输出电路支持45路数字量输出通道，其中20路数字量输出通道配置为PWM输出电路，所述PWM输出电路带有独立的回采诊断电路。
可选地，所述数据采集卡的现场侧模块还包括CAN通信电路以及RS232通信电路。
可选地，所述数据采集卡还包括系统侧电源模块及现场侧电源模块，在所述系统侧电源模块和所述现场侧电源模块之间连接有隔离电源电路，所述隔离电源电路用于隔离所述系统侧电源模块和所述现场侧电源模块。
本申请实施例提供的一种数据采集卡，包括由微控制器和FPGA构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块、数字信号处理模块构成的现场侧模块及光耦隔离器。其中，FPGA与微控制器之间通过并口连接，模拟信号处理模块与微控制器通过SPI总线及光耦隔离器连接，数字信号处理模块与FPGA通过光耦隔离器连接。本申请中，通过采用微控制器和FPGA组合以分别实现对数字量信号和模拟量信号的分析处理，提高了系统任务处理速度。其中，光耦隔离器连接在系统侧模块和现场侧模块之间以进行电气隔离，提高了系统抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种数据采集卡的结构框图。
图2为本实用新型实施例提供的一种模拟信号处理模块的结构框图。
图3为本实用新型实施例提供的数据采集卡的另一结构框图。
图4为本实用新型实施例提供的数字信号处理模块的结构框图。
图标：10-微控制器；20-FPGA；30-模拟信号处理模块；31-模拟信号调理电路；312-电压型模拟量调理电路；313-电阻型模拟量调理电路；32-模拟量采集电路；33-模拟量输出电路；34-ADC转换电路；35-滤波电路；36-V\/I切换模拟量调理电路；40-数字信号处理模块；41-数字信号采集电路；42-数字信号输出电路；421-PWM输出电路；43-PI采集电路；44-DAC转换电路；45-CAN通信电路；46-RS232通信电路；50-光耦隔离器；60-防护模块；70-系统侧电源模块；80-现场侧电源模块；90-隔离电源电路。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
请参阅图1，本申请实施例提供一种数据采集卡，所述数据采集卡包括由微控制器10和FPGA20构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块30、数字信号处理模块40构成的现场侧模块以及光耦隔离器50。
所述光耦隔离器50连接在所述系统侧模块和所述现场侧模块之间，所述FPGA20与所述微控制器10通过并口连接，所述模拟信号处理模块30与所述微控制器10通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线及所述光耦隔离器50连接，所述数字信号处理模块40与所述FPGA20通过所述光耦隔离器50连接。
所述光耦隔离器50用于对所述系统侧模块和所述现场侧模块进行电气隔离。所述数字信号处理模块40用于采集数字量信号并通过所述光耦隔离器50发送至所述FPGA20，或接收所述FPGA20返回的对数字量信号的处理结果。
所述FPGA20用于接收所述数字信号处理模块40发送的数字量信号，在所述微控制器10的控制下实现数字量信号的处理，并经由所述光耦隔离器50将数字量信号的处理结果返回至所述数字信号处理模块40。
所述模拟信号处理模块30用于采集模拟量信号，并通过所述SPI总线将采集的模拟量信号传输至所述微控制器10。
通过上述设置，可结合利用微控制器10和FPGA20以分别对模拟量信号和数字量信号进行处理，可提高对系统任务的处理速度。并且，利用光耦隔离器50以实现对系统侧模块和现场侧模块的电气隔离，提高了系统的抗干扰能力。
本实施例中，所述微控制器10可以采用但不限于型号为SPARC V8的16位微处理器，可通过总线形式与外部设备连接。
请结合参阅图2和图3，在本实施例中，所述模拟信号处理模块30包括模拟信号调理电路31、模拟量采集电路32及模拟量输出电路33。
所述模拟信号调理电路31的输出端与所述模拟量采集电路32的输入端连接，用于采集模拟量信号，并将采集到的模拟量信号发送至所述模拟量采集电路32。
所述模拟量采集电路32的输出端通过所述SPI总线和所述光耦隔离器50与所述微控制器10连接，用于将接收到的模拟量信号传送至所述微控制器10。
所述模拟量输出电路33的输入端通过光耦隔离器50与所述微控制器10连接、输出端与所述模拟信号调理电路31连接，用于在所述微控制器10的控制下将所述微控制器10针对所述模拟量信号的处理结果进行输出。所述模拟信号调理电路31还与DAC转换电路44连接。
在本实施例中，所述模拟信号处理模块30还包括ADC转换电路34及滤波电路35。所述滤波电路35的输入端与所述模拟信号调理电路31连接、输出端与所述ADC转换电路34的输入端连接，用于对所述模拟信号调理电路31采集的模拟量信号进行滤波处理。
所述ADC转换电路34的输出端与所述模拟量采集电路32连接，用于对滤波处理后的模拟量信号进行模数转换，并将模数转换后的信号发送至所述模拟量采集电路32。
通过上述设置，在ADC转换电路34前设置了滤波电路35，可减少噪声影响，提高系统稳健性。
在本实施例中，所述模拟信号调理电路31包括V\/I切换模拟量调理电路36、电压型模拟量调理电路312以及电阻型模拟量调理电路313。
所述V\/I切换模拟量调理电路36用于采集电流型或电压型模拟量信号，并将采集到的模拟量信号发送至所述模拟量采集电路32。其中，所述V\/I切换模拟量调理电路36可提供8路通路。所述电压型模拟量调理电路312用于采集电压型模拟量信号，并将采集到的电压型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路32。其中，所述电压型模拟量调理电路312可提供2路通路。所述电阻型模拟量调理电路313用于采集电阻型模拟量信号，并将采集到的电阻型模拟量信号发送至所述模拟量采集电路32。其中，所述电阻型模拟量调理电路313可提供4路通路。
通过上述设置，可支持电压型、电阻型及电流型模拟量信号的采集，使得设备的适用性更广。
请再次参阅图1，在本实施例中，所述数据采集卡还包括防护模块60，所述防护模块60与所述数字信号处理模块40及模拟信号处理模块30连接，用于对所述数字信号处理模块40及模拟信号处理模块30进行电气过压防护及防反防护。防护模块60可提升系统的安全性。
请结合参阅图3和图4，在本实施例中，所述数字信号处理模块40包括数字信号采集电路41及数字信号输出电路42。
所述数字信号采集电路41的输出端通过所述光耦隔离器50与所述FPGA20连接，其中，所述数字信号采集电路41支持24道通路的数字量信号采集，所述数字信号采集电路41用于设置可输入数字量信号类型，所述可输入数字量信号类型为NPN型或PNP型。
所述数字信号输出电路42的输入端与所述FPGA20连接、输出端连接OC门(OpenCollector，集电极开路门)后通过所述光耦隔离器50与现场设备连接。
本实施例中，所述数字信号输出电路42支持45路数字量输出通道，其中20路数字量输出通道配置为PWM输出电路421，所述PWM输出电路421带有独立的回采诊断电路。
此外，本实施例中，所述数字信号处理模块40还包括PI采集电路43，所述PI采集电路43用于采集现场侧的PI信号，并对采集到的PI信号进行压值处理后，经由光耦隔离器50传递给所述FPGA20。
可选地，所述数据采集卡的现场侧模块还包括CAN通信电路45以及RS232通信电路46，所述CAN通信电路45和所述RS232通信电路46连接在所述系统侧模块。
在本实施例中，所述数据采集卡还包括系统侧电源模块70及现场侧电源模块80，在所述系统侧电源模块70和所述现场侧电源模块80之间连接有隔离电源电路90，所述隔离电源电路90用于隔离所述系统侧电源模块70和所述现场侧电源模块80。
此外，在本实施例中，所述微控制器10上还连接有固态存储器FLASH、随机存取存储器DDR2(Double Data Rate 2)以及调试辅助单元DSU(Debug Support Unit)等等。
在本实施例中，在电源VCC_IN及电源VCC_ISO上还连接有降压转换电路，该降压转换电路采用芯片BM2596实现，可实现对电源的输出电压的降压处理。例如，可将5V的输出电压转换为0.9V、1.0V、1.8V等等。
综上所述，本申请实施例提供的一种数据采集卡，包括由微控制器10和FPGA20构成的系统侧模块、由模拟信号处理模块30、数字信号处理模块40构成的现场侧模块及光耦隔离器50。其中，FPGA20与微控制器10之间通过并口连接，模拟信号处理模块30与微控制器10通过SPI总线及光耦隔离器50连接，数字信号处理模块40与FPGA20通过光耦隔离器50连接。本申请中，通过采用微控制器10和FPGA20组合以分别实现对数字量信号和模拟量信号的分析处理，提高了系统任务处理速度。其中，光耦隔离器50连接在系统侧模块和现场侧模块之间以进行电气隔离，提高了系统抗干扰能力。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201822275976.6
申请日:2018-12-30
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:CN209231748U
授权时间:20190809
主分类号:G05B 19/042
专利分类号:G05B19/042
范畴分类:40E;
申请人:中电智能科技有限公司
第一申请人:中电智能科技有限公司
申请人地址:102200 北京市昌平区未来科学城南区中国电子信息安全产业基地A栋622室
发明人:赵德政;刘骏;黄兵;刘云龙;姚旺君;邢计元;纪宇潇;原崇蛟
第一发明人:赵德政
当前权利人:中电智能科技有限公司
代理人:王艳芬
代理机构:11371
代理机构编号:北京超凡志成知识产权代理事务所（普通合伙）
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计