CN108108323B - 信号采集器及其接口复用方法 - Google Patents

信号采集器及其接口复用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数据采集技术领域，公开一种信号采集器及其接口复用方法，以提高采集器的灵活性和可扩展性。本发明信号采集器包括：主板，设置有CPU，该CPU连接有至少一个复用接口、以及识别各复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型的模式识别单元；所述复用接口供至少两个不同类型的所述采集信号前端处理模块复用；各该采集信号前端处理模块，设置有用于信号采集的功能单元和供该模式识别单元识别类型的编码单元；其中，该CPU还用于在任一该采集信号前端处理模块接入任一该复用接口时，通过该模式识别单元识别该采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义该复用接口内各引脚的功能状态。

Description

信号采集器及其接口复用方法
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种信号采集器及其接口复用方法。
背景技术
信号采集器是广泛应用于各领域的电子设备。例如：可用于机房基站的动力环境监测、工农业的各种信号采集等。
现有的信号采集器大致分为整体式和分体式两类，其特点是各接口的类型固定，欠缺灵活性，使用场景受限。
现有的CN201320487188专利公开一种动环监控***，该发明是通过总线来实现模块化。现有的分体式设备大多分成主机和采集模块，主机含上行通信及总电源等功能，与采集模块间通过总线(如RS-485或者RS232或者CAN)通信。其优点是：分模块的扩展数量往往可以做到很多；但在实际安装和应用中,产品形态不是一个完整的整体，对于某些要求一体化设备的场合不适用。而且，由于采集模块需要与主机进行通信，需要在采集模块上设计主控芯片，以及进行相应的软件开发，物料成本和开发成本都比较大。
发明内容
本发明目的在于公开一种信号采集器及其接口复用方法，以提高采集器的灵活性和可扩展性。
为实现上述目的，本发明公开了一种信号采集器，包括：
主板，设置有CPU，所述CPU连接有至少一个复用接口、以及识别各所述复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型的模式识别单元；所述复用接口供至少两个不同类型的所述采集信号前端处理模块复用；
各所述采集信号前端处理模块，设置有用于信号采集的功能单元和供所述模式识别单元识别类型的编码单元；
其中，所述CPU还用于在任一所述采集信号前端处理模块接入任一所述复用接口时，通过所述模式识别单元识别所述采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义所述复用接口内各引脚的功能状态。
为实现上述目的，本发明还公开了一种信号采集器的接口复用方法，包括：
将CPU与至少一个复用接口连接；所述复用接口供至少两个不同类型的采集信号前端处理模块复用；
所述CPU通过模式识别单元识别各所述复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型，所述采集信号前端处理模块设置有用于信号采集的功能单元和供所述模式识别单元识别类型的编码单元；
所述CPU在任一所述采集信号前端处理模块接入任一所述复用接口时，通过所述模式识别单元识别所述采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义所述复用接口内各引脚的功能状态。
基于本发明的上述信号采集器及其接口复用方法，可选地，上述复用接口所兼容的供各所述采集信号前端处理模块接入的接口类型至少包括下述类型中的任意两种：
4AI/DI复合型扩展模块、4DI扩展模块、2DO扩展模块、2COM扩展模块、2DI&1COM扩展模块。
可选地，本发明上述模式识别单元包括与CPU相应引脚连接的上拉电阻，相对应的，在上述编码单元上设置有与所述上拉电阻匹配的下拉电阻；藉此，模式识别单元可通过识别相应上拉电阻的有无、或通过识别相应上拉阻值分压所计算得出的ID电压相对值来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。
本发明具有以下有益效果：
产品的模块化程度高,成本容易控制，使用时既可保持产品形态的统一,又可以动态配置各类接口的类型，可使得复用接口的信号在不同模块、不同时间下可能执行不同的功能，极大提高了采集器的灵活性和可扩展性。更进一步地，当本发明复用接口的数量为至少两个以上时，各复用接口与CPU之间的布线形态一样以供采集信号前端处理模块混插，进一步提高***的灵活性和便捷性。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的信号采集器的端子面板示意图；
图2是本发明实施例公开的信号采集器的***框图；
图3是本发明实施例公开的一种复用接口引脚重定义映射图；
图4是本发明实施例公开的一种复用接口引脚重定义映射图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种信号采集器，设备为一体化形式，如图1所示，在端子面板端设置两类扩展槽，一类为通用扩展槽，即为复用接口(或称为“复用插槽”)；另一类为专用扩展槽(或称为“专用接口”)。扩展槽在没有扩展模块(即采集信号前端处理模块)时，可使用遮盖面板将空槽遮蔽住；使用扩展模块时，既可以使用面板配合所接入模块的端子一同遮盖空槽，也可以只用模块的端子完全填充住设备上所开的槽。
如图2所示，本实施例的信号采集器包括：
主板，设置有CPU，该CPU连接有至少一个复用接口、以及识别各复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型的模式识别单元；该复用接口供至少两个不同类型的采集信号前端处理模块复用；
各该采集信号前端处理模块，设置有用于信号采集的功能单元和供模式识别单元识别类型的编码单元；
其中，CPU还用于在任一采集信号前端处理模块接入任一复用接口时，通过模式识别单元识别采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义复用接口内各引脚的功能状态，并在加载与所识别的类型匹配的驱动后向复用接口的电源引脚供电。
如图3和图4所示，可选的，本实施例复用接口所兼容的供各该采集信号前端处理模块接入的接口类型包括下述五种类型中的任意两种或两种以上：
4AI/DI复合型扩展模块、4DI扩展模块、2DO扩展模块、2COM扩展模块、2DI&1COM扩展模块。其中，AI表示模拟量输入；AO表示模拟量输出；DI表示数字量输入；DO表示数字量输出；COM(cluster communication port)即串行通讯接口。
参照图2和图3，通用扩展接***6个信号，分别是：IO1、IO2、电源正、电源负、IO3和IO4。信号连接的物理实现形式，可以是导线连接，也可以是插座连接，具体链接方式不限；4个IO信号分成两对，即1和2为一对，3和4为一对，信号连接到CPU上的，属于CPU的可配置信号，在软件当中视情况不同可配置成UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)或者GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出))。
对应图3的模式识别单元的识别方式可为：模式识别单元包括与CPU相应引脚连接的上拉电阻，编码单元上设置有与上拉电阻匹配的下拉电阻；模式识别单元用于通过识别相应上拉电阻的有无来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。具体为：
在未***模块时，每个接口上的1、2、3、4四个信号的逻辑状态为“1111”(主板上CPU引脚使用较大的电阻，如47KΩ上拉，因此默认状态是高电平)，电源是切断的。模块***后，至少会有一个信号会转为“0”态(模块的相应信号脚会使用一个较小的电阻，如2kΩ下拉，此下拉电阻与主板电路上的上拉电阻组合起来会将此信号由默认的高电平转为低电平)，***探测到此状态后会进入判断流程，判断流程结束后主板才会向接口的电源脚供电。
其中，对应图3的采集信号前端处理模块的编码(又称“模块代码”)与复用接口的引脚的映射关系如下表1。
表1：
更详细的，对应上述图2、图3及表1的***工作过程为:
在***探测采集信号前端处理模块类型的时候(如约定在***上电初始化的过程中)，CPU将1、2、3、4信号全部配置成DI模式，用作模块***及类型指示信号。在未***扩展模块时四个信号的逻辑状态为“1111”，扩展模块***后至少有一个信号会转为“0”态，***探测到此变化后会进入判断流程。
在模块判断流程中,***根据采集信号前端处理模块的模块代码判断***模块的类型，具体可参照上述表1；模块判断流程结束后，CPU会将1、2、3、4信号转为与模块类型对应的功能模式；具体包括：
4AI/DI复合型扩展模块，1、2定义成UART信号对(即T和R，T表示发送，R表示接收)，3、4未定义，为空信号；此扩展模块，使用带UART接口的AD转换器来测量AI信号,CPU通过UART接口来获取AD转换器的数据，进而计算出AI通道的信号值；模块功能代码为0000。
4DI扩展模块，1、2、3、4均定义成GPIO信号，CPU将此信号配置成input,用于接收电路调理出的数字信号,模块功能代码为0001。
2DO扩展模块，1、2定义成GPIO信号，CPU将此信号配置成output，用于控制输出信号；模块功能代码为0010。
2COM扩展模块，1、2和3、4均定义成UART信号对(即T和R)，模块上的电路可以将UART转换成RS485、RS422或者RS232总线信号；模块功能代码为0011。
2DI&1COM扩展模块，1、2定义成GPIO信号，CPU将此信号配置成input，3、4定义成UART信号对(即T和R)。
进一步的，本实施例复用接口所兼容的供各该采集信号前端处理模块接入的接口类型还可以包括4AI，6AI/DI，2DO+1COM，4DO等其他类型，只要可用GPIO或者UART信号来做接口以获取数据的电路模块均可实施。
实施例2
本实施例与上述实施例1类似，其不同之处在于，如图4所示，本实施例中的复用接口设置有7个信号分别是IO1、IO2、电源正、ID、电源负、IO3、IO4。其中，ID信号是一个模拟电压信号，CPU检测此电压信号来判断模块的类型。
对应本实施例的模式识别单元的识别方式为：模式识别单元包括与CPU相应引脚连接的上拉电阻，在上述编码单元上设置有与该上拉电阻匹配的下拉电阻；该模式识别单元通过识别相应上拉阻值分压所计算得出的ID电压相对值来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。具体包括：
在主板CPU的ADCIN信号组上面,留有一个上拉电阻，如47KΩ；在采集信号前端处理模块上面,ID信号通过一个下拉电阻连到地。不同的模块，分配了不同的ID电压值，此电压值由其下拉电阻的阻值来产生。当没有***扩展模块时，接口上的ID信号会被识别成16/16的满信号值，也就是说，接口上的ID信号没有下拉电阻。在表中，ID电压相对值是指分压网络产生的电压值与总电压的比值，如产生1/16的相对值，在47KΩ上拉电阻的情况下需用3.13KΩ的下拉电阻。这个电压相对值，由于生产的原因会存在误差，识别时可设定一个误差允许区域，如设计时为1/16的电压相对值，识别时可放宽至0.8/16～1.2/16，在此区间都识别成1/16的值。
藉此，本实施例在上述实施例的识别方式上增设了一个额外的扩展模块类型识别用引脚，而上述实施例1中扩展模块类型识别用引脚是与后续重定义的引脚进行复用(即：识别类型用的引脚与后续重定义的功能性引脚存在重叠)；本实施例方式在牺牲引脚数量的基础上减少了相关上拉及下拉电阻的数量(通常，在上述实施例1的方式中，复用接口引脚与CPU的引脚一一对应直连，并在各该直连线路上各设有一个电气连接点以与上拉电阻一一对应连接)；但另一方面，采用额外的识别引脚方式使得设计开发更容易、软硬件的调试工作量小、且因为识别引脚和功能引脚完全没冲突而使得实际工作过程中也越稳定；因此两种识别方式各有利弊，相比较之下，CPU的引脚资源更为稀缺，从而使得上述实施例1的识别方式的综合成本更优。
值得说明的是，本发明中，当采用实施例1通过识别上拉电阻的有无来识别所接入采集信号前端处理模块的类型时，若识别类型用的引脚与后续重定义的功能性引脚存在重叠，则优选地，CPU在识别完采集信号前端处理模块的类型后再向该复用接口的电源引脚供电，以此避免模块上电后功能引脚立即产生信号而不利于CPU对采集信号前端处理模块的类型识别；若不采用前述延迟上电方案，作为另一种替代方案，也可以通过相应的软件处理来消除此不利因素。而当采用本实施例识别引脚和功能引脚各自独立的模式，则不管复用接口何时上电都不影响识别效果。
可选的，本实施例中的扩展模块类型识别用引脚可接入到了CPU的ADC或者板载的外置于CPU的ADC，用于识别此分压电阻。
可供参照的采集信号前端处理模块类型的编码(或称“ID电压相对值”)与复用接口的引脚的映射关系如下表2。
表2
其他对应上述图4及表2的***工作过程为同上述实施例1，不做赘述。
此外，本实施例及上述实施例1中的专用接口不可通用，仅能与配套的专用扩展模块进行数据交互。如AI专用扩展模块，可将模块设计成AI信号调理电路，调理后的信号直接接入主板的AD转换器，专用接口的信号可以是按板载ADC所要求的模拟信号；也可以设计成带单片机的独立***，由模块上的单片机自行处理AI通道信号，然后通过板载总线将数据发送至CPU，这样扩展接口的信号就定义成总线的信号；还可以设计成模块上自带一个AD转换器，由CPU通过AD转换器的数字接口去读取AI信号的数据，这种情况下接口上的信号就定义成AD转换器的数字接口信号。再如COM专用扩展模块，可以设计成UART转RS485等其他格式信号的电路形式，此种情况下，扩展接口上的信号就是UART信号；或者设计成SPI转成其他串口信号的电路形式，扩展接口上的信号就应该定义成SPI总线。不管怎样设计，专用接口上的信号定义是固定的、专用的，模块必须设计成能使用此种信号格式的电路，否则便不能***此扩展接口使用。
实施例3
结合上述两实施例的内容，本实施例公开一种对应的信号采集器的接口复用方法，包括：
步骤S1、将CPU与至少一个复用接口连接。该复用接口供至少两个不同类型的采集信号前端处理模块复用。
步骤S2、该CPU通过模式识别单元识别各该复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型，该采集信号前端处理模块设置有用于信号采集的功能单元和供该模式识别单元识别类型的编码单元。
步骤S3、该CPU在任一该采集信号前端处理模块接入任一该复用接口时，通过该模式识别单元识别该采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义该复用接口内各引脚的功能状态。
可选地，本实施例至少一个该复用接口所兼容的供各该采集信号前端处理模块接入的接口类型包括下述五种类型中的任意两种或两种以上：
4AI/DI复合型扩展模块、4DI扩展模块、2DO扩展模块、2COM扩展模块、2DI&1COM扩展模块。
同理，参照上述两实施例，模式识别单元可通过识别相应上拉电阻的有无、或通过识别相应上拉阻值分压所计算得出的ID电压相对值来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。
进一步地，主板上还设置有专用接口供专用扩展模块接入，该专用扩展模块经板载总线将数据传输至该CPU；以及在该主板上设置模数转换模块以对所采集信号进行模数转换；或者在该采集信号前端处理模块和专用扩展模块上设置模数转换模块以对所采集信号进行模数转换。值得说明的是，针对一些特殊数据接口类型的信号采集，尤其是部分专用扩展模块，可省略本段所描述的模数转换模块。
综上，本发明实施例公开的信号采集器及其接口复用方法，具有下述优点：
产品的模块化程度高,成本容易控制，使用时既可保持产品形态的统一,又可以动态配置各类接口的类型，可使得复用接口的信号在不同模块、不同时间下可能执行不同的功能，极大提高了采集器的灵活性和可扩展性。更进一步地，当本发明复用接口的数量为至少两个以上时，各复用接口与CPU之间的布线形态一样以供采集信号前端处理模块混插，进一步提高***的灵活性和便捷性。其中，所谓布线形态一样，通常需要满足：一、位置不同的各复用接口，其内部各信号引脚的物理位置部署一样，诸如引脚与引脚之间的间距等；二、的不同复用接口之间位置相对应的一组引脚，其可重配置或重定义的信号逻辑一致。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号采集器，其特征在于，包括：
主板，设置有CPU，所述CPU连接有至少一个复用接口、以及识别各所述复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型的模式识别单元；所述复用接口供至少两个不同类型的所述采集信号前端处理模块复用；
各所述采集信号前端处理模块，设置有用于信号采集的功能单元和供所述模式识别单元识别类型的编码单元；
其中，所述CPU还用于在任一所述采集信号前端处理模块接入任一所述复用接口时，通过所述模式识别单元识别所述采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义所述复用接口内各引脚的功能状态，所述功能状态为DI、DO及总线接口中的一种或者任意几种状态的组合，所述各引脚均支持设置为DI、DO和总线接口功能，所述总线接口的总线为UART总线或SPI总线。
2.根据权利要求1所述的信号采集器，其特征在于，至少一个所述复用接口所兼容的供各所述采集信号前端处理模块接入的接口类型至少包括下述类型中的任意两种：
4AI/DI复合型扩展模块、4DI扩展模块、2DO扩展模块、2COM扩展模块、2DI&1COM扩展模块。
3.根据权利要求1或2所述的信号采集器，其特征在于，所述模式识别单元包括与所述CPU相应引脚连接的上拉电阻，所述编码单元上设置有与所述上拉电阻匹配的下拉电阻；
所述模式识别单元用于通过识别相应上拉电阻的有无、或通过识别相应上拉阻值分压所计算得出的ID电压相对值来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。
4.根据权利要求3所述的信号采集器，其特征在于，当所述复用接口的数量为至少两个以上时，各复用接口与所述CPU之间的布线形态一样以供各所述采集信号前端处理模块混插。
5.根据权利要求4所述的信号采集器，其特征在于，当通过识别上拉电阻的有无来识别所接入采集信号前端处理模块的类型时，若识别类型用的引脚与后续重定义的功能性引脚存在重叠，则所述CPU在识别完采集信号前端处理模块的类型后再向该复用接口的电源引脚供电。
6.一种信号采集器的接口复用方法，其特征在于，包括：
将CPU与至少一个复用接口连接；所述复用接口供至少两个不同类型的采集信号前端处理模块复用；
所述CPU通过模式识别单元识别各所述复用接口所接入采集信号前端处理模块的类型，所述采集信号前端处理模块设置有用于信号采集的功能单元和供所述模式识别单元识别类型的编码单元；
所述CPU在任一所述采集信号前端处理模块接入任一所述复用接口时，通过所述模式识别单元识别所述采集信号前端处理模块的类型，根据所识别的类型重定义所述复用接口内各引脚的功能状态，所述功能状态为DI、DO及总线接口中的一种或者任意几种状态的组合,所述各引脚均支持设置为DI、DO和总线接口功能，所述总线接口的总线为UART总线或SPI总线。
7.根据权利要求6所述的信号采集器的接口复用方法，其特征在于，至少一个所述复用接口所兼容的供各所述采集信号前端处理模块接入的接口类型至少包括下述类型中的任意两种：
4AI/DI复合型扩展模块、4DI扩展模块、2DO扩展模块、2COM扩展模块、2DI&1COM扩展模块。
8.根据权利要求6或7所述的信号采集器的接口复用方法，其特征在于，所述模式识别单元包括与所述CPU相应引脚连接的上拉电阻，所述编码单元上设置有与所述上拉电阻匹配的下拉电阻；所述方法还包括：
所述模式识别单元通过识别相应上拉电阻的有无、或通过识别相应上拉阻值分压所计算得出的ID电压相对值来识别所接入采集信号前端处理模块的类型。
9.根据权利要求8所述的信号采集器的接口复用方法，其特征在于，当所述复用接口的数量为至少两个以上时，各复用接口与所述CPU之间的布线形态一样以供各所述采集信号前端处理模块混插。
10.根据权利要求9所述的信号采集器的接口复用方法，其特征在于，当通过识别上拉电阻的有无来识别所接入采集信号前端处理模块的类型时，若识别类型用的引脚与后续重定义的功能性引脚存在重叠，则CPU在识别完采集信号前端处理模块的类型后再向该复用接口的电源引脚供电。
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