PC/104-Plus多功能数据采集卡

摘要

一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，属于数据采集、车载通讯和定位技术领域。本发明高集成度的PC/104结构的板卡包括CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机，保证系统正常运行。本板卡在CAN与RS-232智能转换卡的基础上集成了GPS全球定位和GPRS无线网络模块，实现了GPS定位功能和CAN网络的数据采集功能，并能将数据通过GPRS无线网络传输至控制室内，方便管理人员及时了解各种数据信息。本板卡采用PC/104结构，其在电气特性和机械特性上可靠性极高，功耗低，产生热量少，具有极高的灵活性。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠地连接，抗震能力强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，属于数据采集、车载通讯和定位技术领域。

背景技术

(1)CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是一种国际标准的，高性价的现场总线，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准，是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，具有较高的实时性能，近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

(2)RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

(3)GPS是全球定位系统(Global Positioning System)的简称，是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

(4)GPRS是通用无线分组业务(General Packet RadioService)的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。简单的说，GPRS是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。网络容量只在所需时分配，不要时就释放，这种发送方式称为统计复用。目前，GPRS移动通信网的传输速度可达115k/s。GPRS是在GSM基础上发展起来的技术，是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术。

(5)PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。

PC/104与普通PC总线控制系统的主要不同是：

①小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸，即96×90mm。

②堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。

③轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1-2瓦能耗。

现有技术方案

现有的技术方案是独立实现的CAN与RS-232智能转换卡，和独立实现的集成GPRS和GPS的PC/104结构的无线通讯模块，并没有将这几个功能集成在一起的PC/104结构的板卡。

1、现有技术的缺点

(1)现有技术主要是独立实现的CAN与RS-232智能数据转换卡，和独立实现的集成GPRS和GPS的PC/104结构的无线通讯模块，集成度不高。

(2)工控机作为车载产品使用时，如果工控机随着车子启动或停止而随时开机或关机，时间长时会对工控机系统造成毁灭性的伤害，导致工控机无法正常工作。

CAN总线数据与RS-232串行总线数据智能转换卡主要实现CAN数据与RS-232数据的智能转换，能在通常的带RS-232串口的设备上使用CAN网络，方便的通过PC或带RS-232串口的设备与带CAN总线的设备通讯。但目前此类板卡只是作为单独的产品使用。如果想要通过无线网络将数据传送，还要再另接无线通讯设备。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种PC/104-Plus多功能数据采集卡。

本发明设计了一款高集成度的PC/104-Plus多功能数据采集卡(简称本板卡)，其功能主要包括CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机，保证系统正常运行。

本板卡在CAN与RS-232智能转换卡的基础上集成了GPS全球定位和GPRS无线网络模块。实现了GPS定位功能和CAN网络的数据采集功能，并能将数据通过GPRS无线网络传输至控制室内，方便管理人员及时了解各种数据信息。

本板卡采用PC/104结构，其在电气特性和机械特性上可靠性极高，功耗低，产生热量少，具有极高的灵活性。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠地连接，抗震能力强。

此外本板卡作为车载工控产品使用时，实现了让工控机随着车子的启动或停止而自动开机或关机的功能，从而保护工控机让其正常工作，延长其使用寿命。

一种PC/104-Plus多功能数据采集卡包括：CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机，保证系统正常运行。其主要技术方案如下：

一种PC/104-Plus多功能数据采集卡，包括：CAN总线与RS-232串口的转换模块硬件电路、GPS模块、GPRS模块和工控机自动开关机检测模块硬件电路；

CAN总线与RS-232串口的转换模块硬件电路由带CAN控制器的微处理器MC9S08DZ60、高速CAN隔离收发器模块CTM1050T以及TTL电平与RS-232电平转换器MAX3223组成，

微处理器MC9S08DZ60的CAN控制器，通过高速CAN隔离收发器模块CTM1050T连接带CAN总线的设备。同时微处理器MC9S08DZ60的串口由于是TTL电平，需要电平转换芯片MAX3223，转换成RS-232电平，连接其他带RS-232串口的设备。

GPS模块和GPRS模块之间的连接关系为：

本板卡集成的GPS模块由PC/104结构的主板PCM-3353的ISA总线供电，其电压为5V。该模块通过两个串口与主板PCM-3353相连，一个串口用于接收指令及传输数据；另一个串口为单向通信，用于接收差分数据，差分后可以提高其定位精度，达到小于5米。

GPRS模块由板卡上的微控制器MC9S08DZ60控制启动，通过串口与主板PCM-3353相连，用于接收指令及传输数据。两者之间没有直接的连接关系，主要通过主板PCM-3353的串口进行通讯。

工控机自动开关机检测模块硬件电路由单片机通过信号检测，控制继电器的开关，从而实现工控机的自动开机和关机。继电器的输出端一端连接车辆电瓶，另一端连接工控机电源。本板卡引出一条信号线，用于检测车辆钥匙门信号，该信号经光耦隔离干扰后，连接单片机的一个输入输出管脚，根据此管脚的信息通过配置另一个管脚的状态来控制继电器的开关。

CAN与RS-232智能数据转换的系统软件程序方法；

主要包括：CAN节点及RS-232初始化子程序、CAN报文发送子程序、RS-232报文发送子程序、CAN报文中断接收子程序以及RS-232报文中断接收子程序。

系统软件程序方法步骤为：

其中串口初始化主要包括对波特率，停止位，中断使能等配置。CAN控制器初始化主要包括对波特率，数据帧、滤波器等配置。

循环等待中断，可分为CAN接收中断和串口接收中断。

如果是CAN接收中断，则将通过CAN总线接收到的数据，通过此转换模块，将CAN数据转换为串口数据，并通过串口发送给主机，等待主机处理。

如果是串口中断，则将通过串口接收的主机数据，通过此转换模块，将串口数据转换为CAN数据，发送给CAN设备。

自动关机功能的系统软件程序方法：

该功能主要由单片机通过信号检测，控制继电器的开关，从而实现工控机的自动开机和关机。如果车辆启动，检测钥匙门有信号，单片机检测管脚为高电平，则控制继电器输出端的工控机电源与车辆电瓶导通，工控机通电。如果车辆停止，检测钥匙门没有信号，单片机检测管脚为低电平，则控制继电器输出端的工控机电源与车辆电瓶断开，工控机断电。从而实现工控机自动开机和关机。

本发明的优点：

1、将CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机四种功能集成在一块PC/104结构的板卡上，其体积小，功耗低，集成度高。

2、发明了自动开/关机功能。作为车载产品使用时，可以随着车辆的启动或停止而实现工控机自动开机或关机，保护工控机系统不受破坏，延长其使用寿命。

3、本发明为标准PC/104 Plus结构，可与其他PC/104或PC/104Plus板卡兼容。

附图说明

图1CAN总线与RS-232串口的数据转换模块原理图；

图2CAN总线与RS-232串口转换模块程序流程图；

图3GPS15L模块连接图；

图4GPRS模块连接图；

图5.1开关机信号检测接口；

图5.2开关机检测信号隔离处理；

图5.3单片机检测接口；

图5.4继电器驱动器图；

图6CAN总线与RS-232串口的转换模块硬件电路图；

图7PC/104-Plus多功能数据采集卡结构框图。

具体实施方式

结合图1-图7，对本发明的实施例进行说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本发明设计了一款高集成度的PC/104结构的板卡，其功能主要包括CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机，保证系统正常运行。

本板卡在CAN与RS-232智能转换卡的基础上集成了GPS全球定位和GPRS无线网络模块。实现了GPS定位功能和CAN网络的数据采集功能，并能将数据通过GPRS无线网络传输至控制室内，方便管理人员及时了解各种数据信息。

本板卡采用PC/104结构，其在电气特性和机械特性上可靠性极高，功耗低，产生热量少，具有极高的灵活性。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠地连接，抗震能力强。

此外本板卡作为车载工控产品使用时，实现了让工控机随着车子的启动或停止而自动开机或关机的功能，从而保护工控机让其正常工作，延长其使用寿命。

一种PC/104-Plus多功能数据采集卡包括：

本发明设计了一款高集成度的PC/104结构的板卡，其功能主要包括CAN与RS-232智能数据转换、GPS定位、GPRS无线网络和工控机自动开/关机，保证系统正常运行。其主要技术方案如下：

1、CAN与RS-232智能数据转换

(1)硬件设计

CAN总线与RS-232串口的转换模块硬件电路如图6：

CAN总线与RS-232串口的转换模块硬件电路主要由Freescale公司的带CAN控制器的微处理器MC9S08DZ60、高速CAN隔离收发器模块CTM1050T以及TTL电平与RS-232电平转换器MAX3223组成。理论上，只要完成CAN总线与RS-232串口协议的互相转换，即可完成PC机与CAN的通信。设计原理图如图1所示。RS-232接口上的数据经过电平转换后变成TTL电平输入到微处理器进行处理；CAN总线数据的收发则由CAN总线收发器和CAN总线控制器来完成。协议的控制和数据的转换则由微控制器来完成。CAN总线电路采用独立的DC-DC电源模块，进行光电隔离，具有很强的抗干扰能力，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。

CTM1050T是一款带隔离的高速CAN收发器模块，该模块内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平。其电磁辐射低，电磁抗干扰性高，无需外加元件可直接使用，减小了模块体积，缩短了开发时间。

MC9S08DZ60是Freescale公司的内嵌CAN的微控制器，并将内嵌的CAN、EPROM和片上仿真/调试模块组合在一起，集成了所有的功能，设计人员可以便捷地转向其设计流程。MC9S08DZ60型单机片可提供60KB的片上flash、4KB的片上RAM、2KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、看门狗定时器(COP Watch-Dog)，另外还有多个定时器和计数器等。其独特的片上仿真/调试模块(BDG)更是大大简化设计，从而确保了MC9S08DZ60在汽车和工控的应用地位。

MAX3223是实现电平转换的芯片。由于RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。MAXIM公司的MAX3223是为满足RS-232的标准而设计的，具有功耗低、波特率高、价格低等优点，外接电容仅为0.1uF，为双组RS-232收发器。

(2)软件实现

系统软件程序设计主要包括：CAN节点及RS-232初始化子程序、CAN报文发送子程序、RS-232报文发送子程序、CAN报文中断接收子程序以及RS-232报文中断接收子程序。其设计流程图如图2所示。

其中循环等待中断，可分为CAN接收中断和串口接收中断。如果是CAN接收中断，则将通过CAN总线接收到的数据，通过此转换模块，将CAN数据转换为串口数据，并通过串口发送给主机，等待主机处理。如果是串口中断，则将通过串口接收的主机数据，通过此转换模块，将串口数据转换为CAN数据，发送给CAN设备。

2、GPS模块

本板卡中采用GARMIN公司的GPS15L模块，负责捕获、跟踪卫星，接收、放大、记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求定位信号在站间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。

GPS15L为12通道的GPS接收机，也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GPS15L接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，GPS15L接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。GPS15L接收机无论从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。

GPS15L接收机由PC/104结构的主板的ISA总线供电，其电压为5V。使用接收机上的2个RS-232串口，其中一个串口PORT1与主机的串口相连，用于接收指令及传输数据；另一个串口PORT2为单向通信，用于接收差分数据，差分后可以提高其定位精度，达到小于5米。

其连接图如图3所示。其定位数据信息可由其自带的软件得到，也可通过上位机编程得到。

3、GPRS模块

本板卡采用SIMCOM公司的SIM300C的GPRS模块，负责板卡和监控中心服务器端的通信，将板卡通过CAN总线采集的数据以及GPS定位信息传送给服务器。

SIM300C模块的1、3、5、7、9脚为电源输入引脚VBAT，2、4、6、8、10脚是地。由于模块的供电电压为3.4～4.5V(典型值为4.2V)，采用5V供电时，需要进行5V到4.2V的电压转换。设计中使用TI公司的PTH12000WAH为SIM300C提供4.2V的电压。

SIM300C有多种启动方式，本系统中使用PWRKEY引脚。启动过程中必须先使PWRKEY引脚有大于2s持续时间的低电平，然后再释放PWRKEY引脚，使其为高电平。此过程由微处理器MC9S08DZ60实现。

SIM300C模块为用户提供了通用串口。因为模块提供的串口都是TTL电平，需通过电平转换芯片，将TTL电平转换成RS-232电平。通过此串口和AT命令，就可以对模块进行配置。其连接图如图4所示。

4、自动关机

车载工控机如果随着车子启动或停止而随时开机或关机，时间长时会对工控机系统造成毁灭性的伤害，导致工控机无法正常工作。本板卡实现了让工控机随着车子的启动或停止而自动开机或关机的功能，从而保护工控机让其正常工作，延长其使用寿命。

工控机自动开关机检测模块硬件电路为图5.1至图5.4；

其主要实现过程如下：

该功能主要由单片机通过信号检测，控制继电器的开关，从而实现工控机的自动开机和关机。继电器的输出端一端连接车辆电瓶，另一端连接工控机电源。其具体检测过程如下：由本板卡引出一条信号线，如图5.1的1脚所示，用于检测车辆钥匙门信号。该信号经光耦隔离干扰后，如图5.2，连接单片机的一个输入输出管脚，如图5.3。根据此管脚的信息通过配置另一个管脚的状态来控制继电器的开关。由于继电器所需电流远大于单片机输出电流，所以在此使用了ULN2003来驱动继电器，如图5.4所示，SSR_CTL就是继电器的驱动控制信号。

如果车辆启动，检测钥匙门有信号，单片机检测管脚为高电平，则控制继电器输出端的工控机电源与车辆电瓶导通，工控机通电。如果车辆停止，检测钥匙门没有信号，单片机检测管脚为低电平，则控制继电器输出端的工控机电源与车辆电瓶断开，工控机断电。从而实现工控机自动开机和关机。

术语解释：

CAN(Controller Area Network)：控制器局域网

GPS(Global Positioning System)：全球定位系统

GPRS(General Packet Radio Service)：通用无线分组业务

本发明中的GPS模块、GPRS模块和继电器都使用已有的成熟模块，用其他已有模块也可以实现本板卡的相应功能。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。