多功能模块化电路板.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103970058 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103970058 A (21)申请号 201410222072.0 (22)申请日 2014.05.23 G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 邓立宝 王志伟 赵浩然 付宁 乔立岩 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张利明 (54) 发明名称 多功能模块化电路板 (57) 摘要 多功能模块化电路板， 涉及计算机技术、 电子 技术、 自动控制技

2、术和仿真技术领域。为了解决 集成电路板功能单一、 可维修性和扩展性差的问 题。它包括主控板、 继电器单元模块、 AD 采集单元 模块、 AD 前端调理模块、 电流采集模块、 DA 单元模 块、 总线驱动模块、 通讯模块、 网口通讯模块、 指令 模块和键盘扫描模块 ； 继电器单元模块用于控制 信号的导通和断开， 总线驱动模块用于给被测设 备进行状态设置、 状态采集及控制外围设备， 通讯 模块用于实现与测控台、 计算机或被测设备之间 进行RS422、 RS485和RS232通讯， 网口通讯模块用 于实现与计算机或其它网口设备进行网口通讯。 具体应用在电子领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书

3、2 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103970058 A CN 103970058 A 1/2 页 2 1. 多功能模块化电路板， 其特征在于， 它包括主控板 (1)、 继电器单元模块 (2)、 AD 采 集单元模块 (3)、 AD 前端调理模块 (4)、 电流采集模块 (5)、 DA 单元模块 (6)、 总线驱动模块 (7)、 通讯模块 (8)、 网口通讯模块 (9)、 指令模块 (10) 和键盘扫描模块 (11) ； 所述的主控板 (1) 为方形结构， 该主控板

4、(1) 包括 DSP、 FPGA、 供电接口、 通讯接口、 ADC 输入接口和多个 IO 接口 ； 所述的 DSP 的信号输入输出端与 FPGA 的信号输入输出端连接， DSP 的模拟信号输出端与 ADC 输入接口连接， DSP 用于实现对系统进行初始化、 任务调度和处理， FPGA 用于控制继电器单元模块 (2)、 AD 采集单元模块 (3)、 AD 前端调理模块 (4)、 电流 采集模块 (5)、 DA 单元模块 (6)、 总线驱动模块 (7)、 通讯模块 (8)、 网口通讯模块 (9)、 指令 模块 (10) 和键盘扫描模块 (11)， 所述的 DSP 的串行通信端口与通讯接口连接， F

5、PGA 的信号输出端同时与多个 IO 接口连接， 供电接口用于给 DSP、 FPGA、 继电器单元模块 (2)、 AD 采集单元模块 (3)、 AD 前端调理模 块 (4)、 电流采集模块 (5)、 DA 单元模块 (6)、 总线驱动模块 (7)、 通讯模块 (8)、 网口通讯模 块 (9)、 指令模块 (10) 和键盘扫描模块 (11) 提供工作电源， 所述的继电器单元模块(2)、 AD采集单元模块(3)、 AD前端调理模块(4)、 电流采集模块 (5)、 DA 单元模块 (6)、 总线驱动模块 (7)、 通讯模块 (8)、 网口通讯模块 (9)、 指令模块 (10) 和键盘扫描模块 (11

6、) 的信号输出端均用于与主控板的 IO 接口连接， 继电器单元模块 (2) 用于控制信号的导通和断开， AD 采集单元模块 (3) 用于实现 32 路模拟电压信号的模数转换， AD 前端调理模块 (4) 用于对模拟信号进行调理， 电流采集模块 (5) 用于将电流信号转换为电压信号， DA 单元模块 (6) 用于给被测设备产生信号源， 总线驱动模块 (7) 用于给被测设备进行状态设置、 状态采集及控制外围设备， 通讯模块 (8) 用于实现与测控台、 计算机或被测设备之间进行 RS422、 RS485 和 RS232 通讯， 网口通讯模块 (9) 用于实现与计算机或其它网口设备进行网口通讯， 指令

7、模块 (10) 用于对输入信号转换成电压或电流信号， 键盘扫描模块 (11) 通过键盘在液晶屏上设置命令参数， 实现用户设置命令参数的采 集。 2. 根据权利要求 1 所述的多功能模块化电路板， 其特征在于， 所述的主控板 (1) 的 IO 接口的个数为 5 个。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的多功能模块化电路板， 其特征在于， 所述的供电接口为 4 芯弯针连接器， 通讯接口为 DB9 型连接器， ADC 输入接口为 102 的双排插针型连接器， IO 接口为 312 的双排插针型连接器， 且该 IO 接口两侧均有安装定位孔。 4.根据权利要求3所述的多功能模块化电路板， 其特征在于，

8、 所述的电流采集模块(5) 采用霍尔电流传感器实现。 5. 根据权利要求 1、 2 或 4 所述的多功能模块化电路板， 其特征在于， 所述的 FPGA 采用 美国 ALTERA 公司 cycloneIII 系列的 EP3C16F484I7N 实现。 权 利 要 求 书 CN 103970058 A 2 2/2 页 3 6.根据权利要求1、 2或4所述的多功能模块化电路板， 其特征在于， 所述的DSP芯采用 美国 TI 公司的 TMS320LF2407A 实现。 权 利 要 求 书 CN 103970058 A 3 1/5 页 4 多功能模块化电路板 技术领域 0001 本发明涉及计算机技术、

9、电子技术、 自动控制技术和仿真技术领域。 背景技术 0002 在航天测试、 工业控制等领域中时常会用到测试及控制设备， 测试及控制设备的 核心是内部集成电路。 节约集成电路的开发成本、 减少研发周期、 提高可靠性、 维修性、 具有 一定的针对性成为当今控制、 测试领域的一种普遍需求。 0003 多功能模块化电路板的应用将提供一种有效的解决方案。 发明内容 0004 本发明是为了解决集成电路板功能单一、 可维修性和扩展性差的问题， 本发明提 供了一种多功能模块化电路板。 0005 多功能模块化电路板， 它包括主控板、 继电器单元模块、 AD 采集单元模块、 AD 前端 调理模块、 电流采集模块、

10、 DA 单元模块、 总线驱动模块、 通讯模块、 网口通讯模块、 指令模块 和键盘扫描模块 ； 0006 所述的主控板为方形结构， 该主控板包括 DSP、 FPGA、 供电接口、 通讯接口、 ADC 输 入接口和多个 IO 接口 ； 0007 所述的 DSP 的信号输入输出端与 FPGA 的信号输入输出端连接， 0008 DSP 的模拟信号输出端与 ADC 输入接口连接， 0009 DSP 用于实现对系统进行初始化、 任务调度和处理， 0010 FPGA 用于控制继电器单元模块、 AD 采集单元模块、 AD 前端调理模块、 电流采集模 块、 DA 单元模块、 总线驱动模块、 通讯模块、 网口通讯

11、模块、 指令模块和键盘扫描模块， 所述 的 DSP 的串行通信端口与通讯接口连接， 0011 FPGA 的信号输出端同时与多个 IO 接口连接， 0012 供电接口用于给 DSP、 FPGA、 继电器单元模块、 AD 采集单元模块、 AD 前端调理模块、 电流采集模块、 DA 单元模块、 总线驱动模块、 通讯模块、 网口通讯模块、 指令模块和键盘扫描 模块提供工作电源， 0013 所述的继电器单元模块、 AD 采集单元模块、 AD 前端调理模块、 电流采集模块、 DA 单 元模块、 总线驱动模块、 通讯模块、 网口通讯模块、 指令模块和键盘扫描模块的信号输出端 均用于与主控板的 IO 接口连接

12、， 0014 继电器单元模块用于控制信号的导通和断开， 0015 AD 采集单元模块用于实现 32 路模拟电压信号的模数转换， 0016 AD 前端调理模块用于对模拟信号进行调理， 0017 电流采集模块用于将电流信号转换为电压信号， 0018 DA 单元模块用于给被测设备产生信号源， 0019 总线驱动模块用于给被测设备进行状态设置、 状态采集及控制外围设备， 说 明 书 CN 103970058 A 4 2/5 页 5 0020 通讯模块用于实现与测控台、 计算机或被测设备之间进行 RS422、 RS485 和 RS232 通讯， 0021 网口通讯模块用于实现与计算机或其它网口设备进行网

13、口通讯， 0022 指令模块用于对输入信号转换成大电压或大电流信号， 0023 键盘扫描模块通过键盘在液晶屏上设置命令参数， 实现用户设置命令参数的采 集。 0024 所述的主控板的 IO 接口的个数为 5 个。 0025 所述的供电接口为 4 芯弯针连接器， 通讯接口为 DB9 型连接器， ADC 输入接口为 102 的双排插针型连接器， IO 接口为 312 的双排插针型连接器， 且该 IO 接口两侧均有 安装定位孔。 0026 所述的电流采集模块采用霍尔电流传感器实现。 0027 所述的 FPGA 采用美国 ALTERA 公司 cycloneIII 系列的 EP3C16F484I7N 实

14、现。 0028 所述的 DSP 芯采用美国 TI 公司的 TMS320LF2407A 实现。 0029 本发明带来的有益效果是， 本发明所述的多功能模块化电路板设计成熟、 可靠性 强， 同时具备较强的灵活性、 扩展性和可维修性 ； 通过使用本发明节约了设备的研发周期和 研发成本， 提高了工作效率 ； 外围单元模块个数不固定， 可根据实际需要自行设计和扩展， 只要满足主控板接口要求， 嵌入到主控板上即可。本发明提供了一种基于 DSP 和 FPGA 的开 发环境 ； 在航天测试及工业控制领域应用较为广泛。 附图说明 0030 图 1 为本发明所述的多功能模块化电路板的原理示意图。 具体实施方式 0

15、031 具体实施方式一 ： 参见图 1 说明本实施方式， 本实施方式所述的多功能模块化电 路板， 它包括主控板 1、 继电器单元模块 2、 AD 采集单元模块 3、 AD 前端调理模块 4、 电流采集 模块 5、 DA 单元模块 6、 总线驱动模块 7、 通讯模块 8、 网口通讯模块 9、 指令模块 10 和键盘扫 描模块 11 ； 0032 所述的主控板 1 为方形结构， 该主控板 1 包括 DSP、 FPGA、 供电接口、 通讯接口、 ADC 输入接口和多个 IO 接口 ； 0033 所述的 DSP 的信号输入输出端与 FPGA 的信号输入输出端连接， 0034 DSP 的模拟信号输出端与

16、 ADC 输入接口连接， 0035 DSP 用于实现对系统进行初始化、 任务调度和处理， 0036 FPGA 用于控制继电器单元模块 2、 AD 采集单元模块 3、 AD 前端调理模块 4、 电流采 集模块 5、 DA 单元模块 6、 总线驱动模块 7、 通讯模块 8、 网口通讯模块 9、 指令模块 10 和键盘 扫描模块 11， 所述的 DSP 的串行通信端口与通讯接口连接， 0037 FPGA 的信号输出端同时与多个 IO 接口连接， 0038 供电接口用于给 DSP、 FPGA、 继电器单元模块 2、 AD 采集单元模块 3、 AD 前端调理模 块 4、 电流采集模块 5、 DA 单元模

17、块 6、 总线驱动模块 7、 通讯模块 8、 网口通讯模块 9、 指令模 块 10 和键盘扫描模块 11 提供工作电源， 说 明 书 CN 103970058 A 5 3/5 页 6 0039 所述的继电器单元模块 2、 AD 采集单元模块 3、 AD 前端调理模块 4、 电流采集模块 5、 DA 单元模块 6、 总线驱动模块 7、 通讯模块 8、 网口通讯模块 9、 指令模块 10 和键盘扫描模 块 11 的信号输出端均用于与主控板的 IO 接口连接， 0040 继电器单元模块 2 用于控制信号的导通和断开， 0041 AD 采集单元模块 3 用于实现 32 路模拟电压信号的模数转换， 00

18、42 AD 前端调理模块 4 用于对模拟信号进行调理， 0043 电流采集模块 5 用于将电流信号转换为电压信号， 0044 DA 单元模块 6 用于给被测设备产生信号源， 0045 总线驱动模块 7 用于给被测设备进行状态设置、 状态采集及控制外围设备， 0046 通讯模块8用于实现与测控台、 计算机或被测设备之间进行RS422、 RS485和RS232 通讯， 0047 网口通讯模块 9 用于实现与计算机或其它网口设备进行网口通讯， 0048 指令模块 10 用于对输入信号转换成大电压或大电流信号， 0049 键盘扫描模块 11 通过键盘在液晶屏上设置命令参数， 实现用户设置命令参数的 采

19、集。 0050 本实施方式中， 所述的AD前端调理模块4可采用分压电路、 反向器电路、 隔离运放 电路和射随电路实现， 0051 各个单元模块的宽度可为 950mm， 长度没有限制。 0052 具体实施方式二 ： 参见图 1 说明本实施方式， 本实施方式与具体实施方式一所述 的多功能模块化电路板的区别在于， 所述的主控板 1 的 IO 接口的个数为 5 个。 0053 具体实施方式三 ： 本实施方式与具体实施方式一或二所述的多功能模块化电路板 的区别在于， 所述的主控板 1 的长为 220mm， 宽为 120mm。 0054 具体实施方式四 ： 本实施方式与具体实施方式一或二所述的多功能模块化

20、电路板 的区别在于， 所述的供电接口为 4 芯弯针连接器， 通讯接口为 DB9 型连接器， ADC 输入接口 为 102 的双排插针型连接器， IO 接口为 312 的双排插针型连接器， 且该 IO 接口两侧均 有安装定位孔。 0055 本实施方式中， 0056 1供电接口， 采用4芯接口， 给主控板1提供工作电源， 同时该工作电源也同时连接 到 FPGA 引出的 IO 接口的相应管脚上， 供单元模块使用， 若功能模块还需其他电源， 由自身 接口引入。 0057 表 1 供电接口接点定义 0058 序号 1234 信号 VCCVCCGNDGND 0059 (2)通讯接口， 采用9芯接口， 此接

21、口使DSP可直接实现与其他设备进行串行通用， 由 DSP 的串行通讯单元经过相应的电平转换芯片连接至该接口， 可实现 422 通讯和 232 通 讯。 0060 表 2 通讯接口接点定义 说 明 书 CN 103970058 A 6 4/5 页 7 0061 序号 123456789 信号 GND232RXD232TXD422TX+GND422TX-GND422RX+422RX- 0062 (3)ADC输入接口， 采用20芯接口， 此接口是将DSP的ADC单元的16个输入通道引 出模块的接口， 以供灵活使用， 该接口是将深入信号直接连接至 DSP 的 ADC 输入通道， 没有 对模拟信号进行前

22、级的处理， 所以， 进入此接口的信号需要先经过前级处理。 0063 表 3ADC 输入接口接点定义 0064 序号135791113151719 信号AGNDAD0AD2AD4AD6AD8AD10 AD12 AD14 AGND 序号2468101214161820 信号AGNDAD1AD3AD5AD7AD9AD11 AD13 AD15 AGND 0065 (4)IO 接口， 这 5 个 IO 接口都是采用 62 芯接口， 主要包括电源信号和 FPGA 信号， 电源信号可以为功能模块提供 +5V 工作电源， FPGA 信号为通用 IO 信号和一对差分时钟输 入信号， 这 2 个信号不能作 IO

23、使用， 是与 FPGA 全局时钟相连的。若功能模块不需要使用这 两个信号， 则功能模块设计时， 不能将需要控制的信号连接至这两个管脚上， 这两个信号在 接口的正中间， 如下表所示。 0066 表 4IO 接口接点定义 0067 序号135 293133 575961 信号GNDVCC通用 IOCLK_IN-通用 IOVCCGND 序号246 303234 586062 信号GNDVCC通用 IOCLK_IN+通用 IOVCCGND 0068 为提高主控板 1 上主控模块的兼容性， 为满足复杂的时序控制， FPGA 可设计两个 全局时钟 ； 在FPGA的一个IO接口上设计5片总线收发器， 可控制

24、总线输入、 输出方向， 提高 信号驱动能并且保护 FPGA 免受大电流或大电压的伤害 ； 0069 FPGA 默认 IO 脚输出的逻辑电平为 3.3V， 为满足特殊测试及控制需求， IO 脚的输 出电平可设置为1.8V ； 为增大FPGA缓存空间， 主控板1上焊有一片SDRAM ； 主控板1设置有 复位电路， 支持手动复位。 0070 具体实施方式五 ： 本实施方式与具体实施方式四所述的多功能模块化电路板的区 别在于， 所述的电流采集模块 5 采用霍尔电流传感器实现。 0071 具体实施方式六 ： 本实施方式与具体实施方式一、 二或五所述的多功能模块化电 说 明 书 CN 103970058 A 7 5/5 页 8 路板的区别在于， 所述的 FPGA 采用美国 ALTERA 公司 cycloneIII 系列的 EP3C16F484I7N 实 现。 0072 具体实施方式七 ： 本实施方式与具体实施方式一、 二或五所述的多功能模块化电 路板的区别在于， 所述的 DSP 芯采用美国 TI 公司的 TMS320LF2407A 实现。 说 明 书 CN 103970058 A 8 1/1 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103970058 A 9