一種基于USB總線的同步串行信號采集控制裝置的制作方法

本發明涉及工業測控領域數據采集及控制裝置，尤其涉及一種基于usb總線標準的同步串行信號采集控制裝置。

背景技術：

數據采集是數字信號處理中非常重要的環節，很多工業上的測量控制的應用中，需要把各種傳感器信號集中采集到個人計算機或工業控制計算機上。其中，在光電編碼器等各種傳感器上得到了廣泛的應用的是一種同步串行接口ssi(synchronousserialinterface)，ssi信號傳輸速度快、連線簡單、對噪音的抗干擾性極高，最遠距離可達500m。但工控機一般不提供ssi接口，目前的ssi數據采集卡多采用pci、cpci、pxi等接口，價格昂貴且驅動程序較為復雜，一般插在工控機的插槽中。

usb(universalserialbus通用串行總線)以其簡單、速度快、支持即插即用和熱插拔的優點，目前已被廣泛應用。因為usb接口的廣泛普及，采用usb接口可以機動靈活的在任意需要的場合使用，是一種低廉，便攜的使用和操作連接方案。

因此，設計一種基于usb總線標準的同步串行信號采集控制裝置，可以使測控系統具備采集ssi信號的功能，并且整個裝置的便攜性高、應用范圍廣、采集速率快、性價比高，這些都對工業控制自動化的發展有積極的促進作用。

技術實現要素：

本發明針對工控機難以直接采集ssi信號的問題，提出了一種基于usb總線標準的同步串行信號采集控制裝置。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種基于usb總線的同步串行信號采集控制裝置，包括usb總線標準采集裝置、串行通信接口采集裝置、同步串行信號接口裝置和采集裝置上位機；usb總線標準采集裝置和串行通信接口采集裝置均與同步串行信號接口裝置連接，向同步串行信號接口裝置發送時鐘信號并接收數據信號；同步串行信號接口裝置通過ssi端口與外圍設備連接。采集裝置上位機與usb總線標準采集裝置通過usb線連接，與串行通信接口采集裝置通過rs232或rs485總線連接，接收采集裝置發送來的模擬數據信號。

進一步地，所述usb總線標準采集裝置包括usb總線傳輸模塊和usb接口，所述串行通信接口采集裝置包括串口傳輸模塊、rs232接口和rs485接口，usb總線標準采集裝置和串行通信接口采集裝置具有共用的fpga模塊；所述同步串行信號接口裝置包括ssi信號采集模塊和ssi端口；

fpga模塊分多路連接ssi信號采集模塊的多個ssi驅動芯片，每一路包括一路時鐘信號線和一路數據信號線；usb總線傳輸模塊以7根控制信號線和8根數據線和fpga模塊連接；串口傳輸模塊中的rs232接口和fpga模塊以兩根信號線連接，一路發送信號，一路接收信號；rs485接口和fpga模塊以三根信號線連接，一路發送信號，一路接收信號，還有一路控制信號傳輸的方向；usb總線傳輸模塊由采集裝置上位機供電，其他模塊由電源模塊供電。

進一步地，所述的fpga模塊以xilinx公司的spartan系列的fpga芯片xc6slx16為核心，ssi信號采集模塊采用的ssi驅動芯片為max490esa芯片，usb總線傳輸模塊采用ftdi的ft232h接口芯片，串口傳輸模塊中的rs232接口采用max3232芯片，rs485接口采用max3485芯片，電源模塊采用ti公司的tps54325pwp芯片。

進一步地，所述的ssi接口是兩個25針的90度db母頭接口，外圍設備為絕對值編碼器；采集裝置和上位機的接口包括一路usbminib型接口用于usb總線和上位機通信，一路9針的90度db母頭接口用于rs232總線和上位機通信，一路3針的90度針座用于rs485總線和上位機通信。

進一步地，所述的采集裝置上位機和usb總線標準采集裝置或串行通信接口采集裝置通信，發送采集需要的控制信號到采集裝置；采集裝置發送同步串行接口的時鐘信號到同步串行信號接口裝置，同步串行信號接口裝置產生的數據信號通過采集裝置用usb總線標準或串行通信標準發送給采集裝置上位機。

本發明的有益效果是：本采集控制裝置實現了工控機對具有ssi接口的外圍設備的監測和控制，實現多路ssi信號的同步采集；除了usb接口外，還支持rs232和rs485接口的多種常見的波特率的串行通信；本采集控制裝置在保證高精度、高速率的情況下，便攜性提高，連接更加簡單，使用usb接口擴展了整個裝置的可應用范圍，使用串口通信增加了通信距離，更適應工業測控領域的復雜要求，也降低了整個采集控制裝置的成本。

附圖說明

圖1是本發明的結構原理框圖；

圖2是本發明的fpga模塊的電路圖；

圖3是本發明的ssi信號采集模塊的電路圖；

圖4是本發明的usb總線傳輸模塊的電路圖；

圖5是本發明的串口傳輸模塊中的rs232接口的電路圖；

圖6是本發明的串口傳輸模塊中的rs485接口的電路圖；

圖7是本發明的電源模塊的電路圖；

圖8是本發明的ssi端口的電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

本發明提供的一種基于usb總線標準的同步串行信號采集控制裝置，包括usb總線標準采集裝置、串行通信接口采集裝置、同步串行信號接口裝置和采集裝置上位機；usb總線標準采集裝置和串行通信接口采集裝置均與同步串行信號接口裝置連接，向同步串行信號接口裝置發送時鐘信號并接收數據信號；同步串行信號接口裝置通過ssi端口與外圍設備連接。采集裝置上位機與usb總線標準采集裝置通過usb線連接，與串行通信接口采集裝置通過rs232或rs485總線連接，接收采集裝置發送來的模擬數據信號。

如圖1所示，所述usb總線標準采集裝置包括usb總線傳輸模塊和usb接口，所述串行通信接口采集裝置包括串口傳輸模塊、rs232接口和rs485接口，usb總線標準采集裝置和串行通信接口采集裝置具有共用的fpga模塊；所述同步串行信號接口裝置包括ssi信號采集模塊和ssi端口；

fpga模塊分多路連接ssi信號采集模塊的多個ssi驅動芯片，每一路包括一路時鐘信號線和一路數據信號線；usb總線傳輸模塊以7根控制信號線和8根數據線和fpga模塊連接；串口傳輸模塊中的rs232接口和fpga模塊以兩根信號線連接，一路發送信號，一路接收信號；rs485接口和fpga模塊以三根信號線連接，一路發送信號，一路接收信號，還有一路控制信號傳輸的方向；usb總線傳輸模塊由采集裝置上位機供電，其他模塊由電源模塊供電。

如圖2所示，fpga模塊以xilinx公司的spartan系列的fpga芯片xc6slx16為核心，其中的十六根信號線f_ssi0_clk至f_ssi7_clk和f_ssi0_data至f_ssi7_data與ssi信號采集模塊包含的八個驅動芯片共十六根信號線ssi0_clk至ssi7_clk和ssi0_data至ssi7_data對應連接，fpga模塊另外的八根信號線adbus0至adbus7與usb總線傳輸模塊中的usb芯片的八根數據信號線對應連接，七根信號線acbus0至acbus6與usb芯片的七根控制信號線對應連接。

如圖3所示，ssi信號采集模塊中的8個ssi驅動芯片均以maxim公司的max490芯片為核心，由fpga模塊輸入一個時鐘信號ssi_clk，通過max490輸出一對差分信號ssi_clk+、ssi_clk-，用以控制外圍設備，例如ssi絕對值編碼器；同時max490芯片接收外圍設備的一對差分輸入信號ssi_data+和ssi_data-，輸出串行數據ssi_data到fpga模塊。ssi端口如圖8所示，是兩個25針的90度db母頭接口。

如圖4所示，usb總線傳輸模塊以ftdi公司的ft232h為核心，和fpga模塊相連的信號線如上所述，此外通過eeprom芯片93lc56bt配置為同步fifo模式。usb總線傳輸模塊需要的+5v的電壓默認由計算機提供，也可由電源模塊提供。usb總線傳輸模塊和上位機的接口為usbminib型。

如圖5、6所示，串口傳輸模塊包括rs232接口電路和rs485接口電路。rs232接口電路采用maxim公司的max3232芯片，在通信過程中采用全雙工模式，允許數據同時在兩個方向上傳輸，所以只有兩根信號線與fpga模塊1相連，rs232_rxd接收，rs232_txd發送。rs232和上位機通信的接口為9針的90度db母頭。rs485接口電路采用maxim公司的max3485芯片，在通信過程中采用半雙工模式，某一時刻數據只能在一個方向上傳輸，所以有三根信號線與fpga模塊相連，rs485_ro接收，rs232_di發送，rs485_de控制傳輸方向。rs485和上位機通信的接口為3針的90度針座。

如圖7所示，電源模塊為其他模塊提供電源，本采集控制裝置所需要的電壓有+5v、+3.3v、+1.2v，其中一部分+3.3v為fpga模塊中的芯片的輔助電壓和i/o驅動電源，+1.2v為fpga芯片的內部核電壓，同時+5v為ssi信號采集模塊所需芯片提供工作電壓，還有一部分+3.3v為其他接口電路提供電源。電源模塊輸入為+12v直流電源，通過ti公司的tps54325pwp芯片分為四路轉化為需要的電壓，圖7是其中一路產生+1.2v電壓的電路。

本發明的具體實施過程如下：

搭建并安裝上述裝置，選擇usb接口、rs232接口、rs485接口中的一種和上位機相連，ssi端口和外圍設備連接。上位機和usb總線標準采集裝置或串行通信接口采集裝置通信，對采集裝置發出指令，接口模塊的芯片接收到指令后，轉化成fpga模塊可以讀取的指控制令，fpga模塊根據相應的指令，向上位機反饋采集裝置的狀態信息，從而完成初始化。

當需要采集ssi信號時，由上位機發出相應的指令，經過usb總線標準或串行通信標準傳輸給fpga模塊，fpga模塊對ssi信號采集模塊做相應的控制，包括讀寫指令以及位寬設置數據等，同時ssi信號采集模塊將實時采集到的ssi信號數據發送給fpga模塊，經過usb總線標準或串行通信標準傳輸給上位機，最終完成信號的采集。