通用型多功能嵌入式測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盧美鴻， 伍路旺

(1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 昆山 215300；2.昆山恒睿測(cè)控軟件技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

研究與設(shè)計(jì)

通用型多功能嵌入式測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盧美鴻1， 伍路旺2

(1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 昆山 215300；2.昆山恒睿測(cè)控軟件技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

介紹了一款通用型多功能嵌入式測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機(jī)箱、面板、多塊嵌入式控制板、開(kāi)關(guān)電源以及PC機(jī)組成，在測(cè)試行業(yè)中具有普遍的通用性。配合相應(yīng)的上位機(jī)軟件，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)DMM多測(cè)量通道切換、繼電器控制多路通道的通斷、多路輸入數(shù)字傳感器的信號(hào)采集、多路輸入模擬信號(hào)量采集、多路數(shù)字信號(hào)輸出、多路模擬信號(hào)輸出及多路射頻信號(hào)通道切換等多種功能。嵌入式控制板與PC機(jī)采用網(wǎng)口通信方式交換數(shù)據(jù)，多塊嵌入式控制板之間采用CAN總線通信方式。

嵌入式；測(cè)量；CAN總線；設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)[1-3]是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)采用“量體裁衣”的方式將所需的功能嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，其融合了計(jì)算機(jī)軟/硬件技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)，是信息技術(shù)的最終產(chǎn)品?！扒度胄浴?、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。在傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)中，主控單元通常為PC主機(jī)，本文介紹的是一種以嵌入式控制器為主控單元的嵌入式測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通用性廣、成本低廉、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)為機(jī)箱、面板、多塊嵌入式控制板、開(kāi)關(guān)電源及PC機(jī)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)中PC機(jī)使用網(wǎng)口與機(jī)箱中的測(cè)量控制子卡通信[4]，采用UDP協(xié)議控制方式，測(cè)量控制子卡與其他各子卡之間直接采用差分CAN通信協(xié)議。每個(gè)子卡插入機(jī)箱后都會(huì)分配一個(gè)唯一的CAN ID號(hào)，以實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的唯一性。編寫上位機(jī)測(cè)試軟件的工程師可根據(jù)通信協(xié)議在PC機(jī)上編寫合適的上位機(jī)軟件，以控制機(jī)箱內(nèi)各個(gè)子板的動(dòng)作，完成相應(yīng)的功能。機(jī)箱和面板外觀如圖2所示。

圖2 機(jī)箱和面板外觀

機(jī)箱和面板用于插入各種功能的子板以完成相應(yīng)的目標(biāo)測(cè)量，機(jī)箱前面板上有一個(gè)電源開(kāi)關(guān)按鈕、兩個(gè)LED指示燈、11個(gè)子卡卡槽。其中第一個(gè)卡槽只能插入確定的通信子板，后面的10個(gè)卡槽則可以插入其他任意子卡。

該系統(tǒng)中可插入多種子卡以實(shí)現(xiàn)各自特定的功能，常用的子卡包括通信子卡、DMM測(cè)量通道切換子卡、RELAY通斷控制子卡、多通道數(shù)字傳感器輸入子卡、多通道數(shù)字信號(hào)輸出子卡、多通道模擬傳感器輸入子卡、多通道模擬信號(hào)輸出子卡、矩陣射頻信號(hào)切換子卡等。所有子卡都需要插入到機(jī)箱的卡槽中，其PCBA子卡外形如圖3所示，各類子卡的功能如下。

圖3 PCBA子卡外形

(1)通信子卡：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口與PC機(jī)通信，同時(shí)用CAN總線與其他各個(gè)子卡通信，將PC機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN總線發(fā)送給各個(gè)子卡，同時(shí)將子卡回復(fù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成UDP協(xié)議數(shù)據(jù)回復(fù)給PC機(jī)。

(2)DMM測(cè)量通道切換子卡：將32路通道用繼電器分別切換到兩路公共的測(cè)量端，該卡可實(shí)現(xiàn)兩線制和四線制兩種測(cè)量方式。

(3)RELAY通斷控制子卡：每個(gè)板卡可實(shí)現(xiàn)16通道的繼電器閉合和斷開(kāi)，每個(gè)通道可承受5 A的電流和380 V的電壓。

(4)多通道數(shù)字傳感器輸入子卡：每個(gè)板卡可接收32路通道的數(shù)字傳感器信號(hào)輸入，支持PNP和NPN型兩種形式，支持電壓范圍為+5～+48 V。

(5)多通道數(shù)字信號(hào)輸出子卡：每個(gè)板卡可輸出32路通道的數(shù)字信號(hào)輸入，支持電壓的高電平范圍為+5～+48 V。

(6)多通道模擬傳感器輸入子卡：每個(gè)板卡可支持12路AD采樣輸入，采樣電壓范圍0～12 V，12位分辨率，采樣頻率為1 MHz。

(7)多通道模擬信號(hào)輸出子卡：每個(gè)板卡可支持12路DA信號(hào)輸出，輸出電壓范圍0～12 V，12位分辨率，轉(zhuǎn)換速度1 Mbps。

(8)矩陣射頻信號(hào)切換子卡：每個(gè)板卡支持4路2.4 G頻率范圍射頻信號(hào)的切換。

除以上子卡外，還可繼續(xù)開(kāi)發(fā)出新的功能子卡，只要其符合子卡規(guī)范并支持CAN協(xié)議即可。

2 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以嵌入式控制器[5]為核心，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)中多種常見(jiàn)的功能。其具有功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉的特點(diǎn)，目前已經(jīng)在多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 孫天澤，袁文菊.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 賈鶴鳴，朱傳旭，宋文龍，等.基于嵌入式控制器的微型植物工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].森林工程，2017(4)：58-64.

[3] 凌濱，李錦香.林區(qū)電力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015(1)：32-34.

[4] 楊向云.網(wǎng)絡(luò)型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].微計(jì)算機(jī)信息，1998(4)：20-24.

[5] 鄒思軼.嵌入式LINUX設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

DesignofaGeneral-purposeMulti-FunctionalEmbeddedMeasurementSystem

LUMei-hong1，WULu-wang2

(1.Kunshan Dengyun Science and Technology Vocational Technical College，Kunshan Jiangsu 215300，China；2.Kunshan Hengrui Measurement and Control Software Technology Co.，Ltd.，Kunshan Jiangsu 215300，China)

A general-purpose multifunctional measurement system is introduced in this paper，the system consisting of chassis，panel，a few embedded control boards，switch power source and PC，with universal versatility in the testing industry.Coupled with the corresponding upper host software，this system can realize DMM multi-measurement channel switching，relay control of on-off of multiple channels，signal collection of multi-way input digital sensors，collection of multi-way input analog signal amount，multi-way digital signal output，multi-way analog signal output and multi-way RF signal channel switching and other functions.Network port communication mode-based data exchange is adopted for the embedded control boards and PC and a CAN bus communication mode is adopted between the embedded control boards.

embedded-type；measurement；CAN bus；design

TP274

A

2095-2953(2017)12-0038-02

2017-09-21

盧美鴻(1981-)，女，江蘇海安人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：58745145@qq.com。