專利名稱：一種嵌入式災害監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于嵌入式技術的災害監測裝置，裝置根據輸入信息計算災害發 生與否及災害級別，并進行報警和做出相應安全控制措施。
背景技術：
中國是世界上災害頻繁而又嚴重的國家之一，包括水災、風災、雪災、火災和地震 等，這些災害的發生與否以及發生的級別直接關系到財產的損失和人的生命安全。如何設 計一個安全有效的災害監測裝置是一個目前廣受關注的話題。目前使用的災害監測裝置結 構復雜龐大、成本高昂、專用性大，并且維修性和擴展性比較差，難以適應一般場合的需要。
發明內容
為克服目前災害監測裝置結構復雜且龐大、成本高昂、通用性和擴展性較差的問 題，本發明提供一種結構簡單、經濟成本低、通用性和擴展性好、抗干擾性強，并且安全可靠 的災害監測裝置。為解決現有的技術問題，本發明采用了如下技術方案發明采用模塊化設計，將裝置分為底板模塊、主控板模塊和多個子板模塊；采用總 線式結構，將主控板模塊與子板模塊掛載在CAN總線上，通過CAN總線實現板間通信；采用 雙冗余CAN總線設計；主控板模塊、子板模塊采用雙機熱備技術，每個主控板模塊和子板模 塊均包含熱板和備板兩個PCB板；裝置的各種板卡采用熱插拔式設計；采用嵌入式ARM芯 片作為主控板CPU，AVR芯片作為子板CPU ；采用uClinux作為主控板操作系統；主控板上集 成以太網接口與服務器通信，集成RS232接口與上位機通信。大范圍采用抗干擾電路及電 氣隔離芯片，防止外來干擾。上述主控板CPU采用S3C44B0X芯片；所述主控板上還集成有5V轉3. 3V和2. 5V的電源轉換單元，RTL8019芯片為控制 器的以太網接口，MAX3232為控制器的RS232接口，SJA1000為控制器、82C250為收發器、 CD4052為切換器的CAN單元；主控板集成NANDFLASH、NORFLASH、SDRAM、J-TAG在線調試接 口、數碼顯示管以及報警器；主控板集成電源監測電路、雙機熱備電路。主控板與子板以底板為基礎載體，通過DIN連接器插到底板上工作；底板上集成 有電源單元、冗余雙CAN總線、DIN連接器插座。采用上述技術方案，本發明具有如下有益效果1.模塊化設計使得裝置的結構更加清晰明了，功能分工和職責更為明確，維修、維 護起來更加方便。2.總線式結構使得主控板模塊和子板模塊的增加或減少極為便捷；CAN總線作為 系統總線，使得裝置在結構上大為簡化，經濟性顯著提高；CAN總線的強抗干擾能力增強了 裝置的抗干擾性；CAN總線的強驅動能力(可掛載110個節點)增強了裝置的擴展性；冗余 CAN總線設計使得裝置的可靠性和安全性顯著提高。
3.板卡插拔式設計使得裝置維護、維修更為方便；熱插拔技術一方面保證了某一 板卡的更換不會影響整個裝置的工作，另一方面也保證了工作人員的人身安全。4.主控板模塊和子板模塊采用雙機熱備技術，進一步提高了裝置的可靠性和安全 性，保證裝置能持續穩定、安全可靠的完成預定功能。5.采用高性價比的ARM7芯片作為主控板控制器，滿足功能及工作量要求的前提 下提高了經濟性；主控板具備電源監測，監測電源供應情況。6.采用精簡、穩定、可移植性強的uClinux系統作為主控板操作系統，方便了對各 種任務進行調度和管理，減小了軟件編程工作量；且uClinux為免費開源軟件，大幅度降低 了成本。7.大范圍采用抗干擾電路和電氣隔離芯片，顯著提高裝置的抗干擾能力。
圖1為本發明的整體結構圖；圖2為主控板基本結構圖；圖3為RS485輸入板基本結構圖；圖4為開關量輸入板基本結構圖；圖5為開關量輸出板基本結構圖；圖6為CAN總線結構圖；圖7為熱插拔框圖；圖8為雙機熱備框圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步說明1.裝置整體結構如圖1所示，裝置包括一個底板模塊、一個主控板模塊和三個子板模塊(RS485輸 入模塊、開關量輸出模塊和開關量輸入模塊)；可接收兩路RS485和8路開關量災害數據輸 入，提供8路開關量控制信號輸出；配備RS232接口以與上位機通信，以太網接口以與服務 器通信；采用總線式結構，主控板模塊與子板模塊作為節點掛載在CAN總線上，通過CAN總 線進行板間通信；CAN總線雙冗余設計，如圖CAN總線A和CAN總線B ；主控板模塊和每個子 板模塊均包含兩個硬件結構完全一致但又相互獨立的PCB板即熱板和備板，以實現熱備功 能。采用ARM芯片S3C44B0X作為主控板CPU，采用AVR單片機芯片ATMEGA162作為3個子 板的CPU。2.板卡設計裝置的板卡采用插拔式設計，目前包括9塊PCB板(1塊底板，2塊主控板，2塊 RS485輸入板，2塊開關量輸入板，2塊開關量輸出板)；主控板與子板以底板為基礎載體，通 過DIN連接器插到底板上后工作。底板為主控板與子板的載體；底板集成電源單元，提供主控板和子板需要的5V電 壓；集成冗余雙CAN總線；集成DIN連接器插座，以與主控板和子板連接；預留多個插座，可 方便的擴展子板模塊，實現更多信號的輸入和輸出。
主控板實現大部分數據處理及板卡協調控制功能，并作為裝置與服務器和上位機 的接口。根據其工作量，采用高性能的ARM7芯片S3C44B0X作為CPU。圖2所示為主控板 基本結構集成電源轉換單元，以將5V電壓轉換成CPU所需的3. 3V和2. 5V電壓；集成4M 的N0RFLASH芯片以放置操作系統，32M的NANDFLASH芯片放置應用程序和重要數據，8M的 SDRAM作為動態存儲器；集成CAN單元以進行CAN通信；RS232接口以MAX3232為控制器，通 過RS232接口芯片MAX3232與上位機進行RS232通信；以太網接口以RTL8019芯片為控制 器，通過以太網控制器芯片RTL8019接入以太網以與服務器通信，并用以太網隔離變壓器 20F001N進行電氣隔離防止干擾；通過CPU自帶的AD轉換器采樣5V電壓，進行電源檢測； 集成數碼顯示管顯示裝置工作狀況；集成報警器以便故障時報警。RS485輸入板接收兩路RS485信號輸入，對其作預處理后轉換成CAN信號發送至主 控板。據其工作量，采用AVR單片機ATMEGA162作為CPU。圖3所示為RS485輸入板基本結 構集成CAN單元；采用DC/DC電源隔離器DCP0105D進行電源的電氣隔離，防止干擾；采用 帶電氣隔離的芯片MAX1480B通過RS485接口將RS485信號轉化為CPU可接受的信號并防 止外界干擾；集成報警器以便故障時報警。開關量輸入板接收8路開關量輸入，對其作預處理后轉換成CAN信號發送至主控 板。據其工作量，采用ATMEGA162作為CPU。圖4所示為開關量輸入板基本結構集成CAN 單元；采用DC/DC電源隔離器DCP0105D進行電源的電氣隔離，防止干擾；采用兩個光耦 TLP521-4將開關量信號轉化為CPU可接受的信號和進行電氣隔離、防止干擾；鎖存器采用 74HC245進行信號鎖存控制，防止丟失；集成報警器以便故障時報警。開關量輸出板接主控板送來的CAN信號，并對其作處理，然后轉換成8路開關量控 制信號輸出至外界控制單元。據其工作量，采用ATMEGA162作為CPU。圖5所示為開關量 輸出板基本結構集成CAN單元；采用DC/DC電源隔離器DCP0105D進行電源的電氣隔離， 防止干擾；采用兩個光耦TLP521-4將CPU信號轉化為開關量信號和進行電氣隔離、防止干 擾；鎖存器采用74HC245進行信號鎖存控制，防止丟失；集成報警器以便故障時報警。3. CAN 總線圖6為CAN總線結構圖。采用SJA1000作為CAN控制器，82C250作為CAN收發器， ⑶4052作為總線切換器，并在控制器和收發器之間設置光耦6N137實現信號的電氣隔離， 防止干擾。裝置采用雙冗余CAN總線的形式保證總線的可靠性和安全性。總線分為A、B兩條， 主控板和子板上的CAN單元通過總線切換器⑶4052與兩條總線連接。正常工作時，⑶4052 與總線A連接，與總線B斷開，裝置使用總線A工作。一旦發現總線A產生故障，則CPU向 ⑶4052發出切換信號，斷開其與總線A的連接，轉而連接總線B，使用總線B工作，保證總線 的持續可用性。4.熱插拔設計圖7為熱插拔框圖。通電插拔板卡時通常會有兩種危險，一是可能會產生浪涌 電流燒壞電路，二是可能會產生尖峰脈沖損壞芯片I/O管腳。本發明采用熱插拔控制器 LTC4217、三態門74HC245及連接器引腳設置來解決這兩個問題。連接器引腳長度分為長、短兩種，電源為短，信號為長。板卡插上時，底板和子板的 信號線先連接上，然后是電源線。信號線連接上時，由于74HCM5尚未上電，呈關閉狀態，從而阻止了插拔時產生的尖峰脈沖損壞后續電路的I/O管腳。電源線接上時，由于LTC4217 的抑制作用，輸入電流被限制在可接受的范圍內，防止電路被大電流燒壞。板卡拔下時，由于電源引腳最短，板卡首先斷電。此時74HCM5由于斷電關閉，之 后插拔產生的尖峰脈沖同樣被其隔離，無法損壞后續電路的I/O管腳。5.雙機熱備裝置利用CAN總線及兩根信號線實現雙機熱備。如圖8所示，熱備模塊包含熱板 和備板，兩板均有各自唯一的CAN總線ID。開始時，熱板與備板均上電工作，但只有熱板運 行應用程序及監測程序，備板僅運行監測程序。兩板工作時，定期在總線上發布自身狀態信 息。如果熱板收不到備板狀態信息或者收到錯誤狀態信息，則認為備板故障，則報警并通過 Cl信號線發出信號，關閉備板的總線切換器CD4052以將備板與總線隔離。如果備板收不 到熱板狀態信息或者收到錯誤狀態信息，則認為熱板故障，則報警并通過C2信號線發出信 號，關閉熱板的CD4052以將熱板與總線，并調出應用程序，接替熱板工作。6.工作流程工作時，外界輸入RS485信號和開關量信號，RS485輸入板和開關量輸入板接收輸 入信號，并作預處理，然后將預處理結果轉換成CAN信號，通過CAN總線送至主控板；主控根 據應用程序對收到的信號其進行處理，根據處理結果判定災害發生與否及發生級別，并輸 出相應控制信號至開關量輸出單元；同時，主控板備份重要數據，并將重要數據及裝置狀態 通過RS232接口、以太網接口分別發送到上位機、服務器。開關量輸出板接收主控板送來信 號，并將其轉換成開關量信號，輸出至外界控制單元。裝置工作期間，如備板故障，則熱板將 其隔離并報警通知維修；如熱板故障，則備板將其隔離，并接替其工作，完成本模塊預定功 能，同時報警通知維修。本發明的裝置至少可再擴展2個子板模塊，接收更多信號輸入和輸 出更多控制量，此時主控板的功能不變但任務量增加，擴展的輸入板工作過程同開關量輸 入板，擴展的輸出板工作過程同開關量輸入板。
權利要求
1.一種嵌入式災害監測裝置，其特征是采用模塊化設計，將裝置分為底板模塊、主控 板模塊和多個子板模塊；采用總線式結構，將主控板模塊與子板模塊掛載在CAN總線上，通 過CAN總線實現板間通信；采用雙冗余CAN總線設計；主控板模塊、子板模塊采用雙機熱備 技術，每個主控板模塊和子板模塊均包含熱板和備板兩個PCB板；裝置的各種板卡采用熱 插拔式設計；采用嵌入式ARM芯片作為主控板CPU，AVR單片機作為子板CPU ；采用uClinux 作為主控板操作系統；主控板上集成以太網接口與服務器通信，集成RS232接口與上位機通信。
2.根據權利要求1所述的嵌入式災害監測裝置，其特征是主控板CPU采用S3C44B0X 芯片，子板CPU采用ATMEGA162芯片。
3.根據權利要求1所述的嵌入式災害監測裝置，其特征是主控板上集成有5V轉 3. 3V和2. 5V的電源轉換單元，RTL8019芯片為控制器的以太網接口，MAX3232為控制器的 RS232接口，SJA1000為控制器、82C250為收發器、CD4052為切換器的CAN單元；主控板集 成NANDFLASH、NORFLASH、SDRAM在線調試接口、數碼顯示管以及報警器；主控板集成電源監 測電路、雙機熱備電路。
4.根據權利要求1所述的嵌入式災害監測裝置，其特征是主控板與子板以底板為基 礎載體，通過DIN連接器插到底板上工作。
5.根據權利要求4所述的嵌入式災害監測裝置，其特征是底板上集成有電源單元、冗 余雙CAN總線、DIN連接器插座。
全文摘要
本發明公開了一種嵌入式災害監測裝置，裝置采用模塊化設計，包括一個底板模塊、一個主控板模塊和RS485輸入模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊；整體結構為CAN總線式結構，并使用雙冗余CAN總線提高可靠性和安全性；裝置的各種板卡采用插拔式設計，并實現熱插拔功能；主控板模塊和子板模塊采用雙機熱備技術，以保證裝置能持續安全可靠的完成預定功能；裝置采用嵌入式ARM芯片作為主控板CPU、AVR單片機作為子板CPU，采用uClinux作為操作系統；集成以太網接口以與服務器通信，RS232接口以與上位機通信；具備電壓監測和故障報警功能。
文檔編號G08B21/10GK102054330SQ20101057092
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者于鑫, 楊俊 , 覃慶努 申請人:北京交通大學