面向电工装备行业的数模信号采集装置技术领域
本发明属于涉及信息技术领域，尤其涉及一种面向电工装备行业的数模信号采集
装置。
背景技术
随着信息技术的广泛运用，各种数据采集终端被运用在各个领域。在制造领域，由
于机械设备的部件非常多且易发生故障，因此对机械设备的部件进行实时监控可以降低设
备故障率。现有的很多机械设备，其关键数据在设备当中是以开关量、模拟量信号表征的，
这种信号可以代表机械设备的实时信息，但现有的机械设备大多不会记录这种信号；这样
导致在设备运行过程中的数字化建模缺乏必要的关键数据。
发明内容
针对现有技术中存在的机械设备在运行时难于采集各种模拟数据的问题，本发明
要解决的技术问题是提供一种有效且高效的面向电工装备行业的数模信号采集装置，以实
时采集机械设备的关键参数。
为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种面向电工装备行业的数模信号采集
装置，包括：用于在输入通道和输出通道之间切换的输入输出通道切换电路、用于将从传感
器接收到的电压信号匹配转换为电平信号的信号调理电路、用于处理外部控制命令的MCU
主控电路、用于进行CAN协议与以太网协议之间进行转换的CAN协议转换电路；
其中所述MCU主控电路通过信号调理电路和输入输出通道切换电路连接传感器及
远端的控制器；且所述MCU主控电路连接CAN协议转换电路。
其中，所述模拟量输入输出通道包括用于切换的继电器；所述输入输出通道切换
电路通过混合接线端子连接用于采集数据的传感器及远端的控制器。
其中，所述信号调理电路包括模拟量输入电路、开关量输入电路、脉冲量输入电
路、电压电流转换电路。
其中，所述MCU主控电路连接所述信号调理电路以根据接收到的电平信号生成CAN
协议帧，且所述MCU主控电路连接所述CAN协议转换电路以将所述CAN协议帧转换为预设传
输协议后输出；
所述MCU主控电路包括用于采集信号的AduC7060芯片和用于对数据进行处理的
LPC11C14芯片；其中所述AduC7060芯片通过模拟量输入电路、开关量输入电路、脉冲量输入
电路、电压电流转换电路连接所述输入输出通道切换电路以对数据进行采集；且所述
AduC7060芯片连接所述LPC11C14芯片以将采集到的数据发送到LPC11C14芯片进行处理；且
所述LPC11C14芯片连接所述CAN协议转换电路。
其中，所述CAN协议转换电路包括控制芯片LPC2368、以太网物理层芯片DP83848T、
CAN驱动芯片TJA1050T。
其中，还包括电源模块；所述电源模块包括：输入电源电路、隔离电路、模拟电源供
电电路。
其中输入电源电路包括LM2575系列开关电压调节器；
其中隔离电路包括WRB0505S-1W隔离电源和ADP3333隔离电源；
其中模拟电源供电电路包括A0515S-1W芯片。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述的技术方案提出了一种适应于电工
装备行业，可实时进行不同类别信号采集的装置设计方案。该装置以LCP11C14等硬件为基
础，实现了对工业现场，各类电工装备的数字量、模拟量的实时采集，并通过协议转换，将采
集到的数据通过以太网接口进行数据的发送。解决了电工装备行业相关设备、装置实时信
息无法便捷采集的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的系统架构图；
图2为LPC11C14芯片的原理图；
图3为CAN控制器的结构示意图；
图4为电源模块结构示意图；
图5为AD初始化流程图；
图6为Lpc2368协议转换模块工作流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具
体实施例进行详细描述。
本发明实施例提出了一种面向电工装备行业的数模信号采集装置，包括：用于在
输入通道和输出通道之间切换的输入输出通道切换电路、用于将从传感器接收到的电压信
号匹配转换为电平信号的信号调理电路、用于处理外部控制命令的MCU主控电路、CAN协议
转换电路。
其中，模拟量输入输出通道采用继电器的切换来完成；本发明实施例中采用松下
公司的TQ2H一5型继电器。
其中所述MCU主控电路通过输入输出通道切换电路同时连接用于采集数据的传感
器及远端的控制器；
其中所述MCU主控电路连接所述信号调理电路以根据接收到的电平信号生成CAN
协议帧，且所述MCU主控电路连接所述CAN协议转换电路以将所述CAN协议帧转换为预设传
输协议后输出。
其中，所述输入输出通道切换电路通过混合接线端子连接用于采集数据的传感器
及远端的控制器，其中所述输入输出通道切换电路包括用于在输入通道和输出通道之间切
换的继电器。其中信号调理电路包括如图1所示的过模拟量输入电路、开关量输入电路、脉
冲量输入电路、电压电流转换电路。
如图1所示的，所述MCU主控电路包括用于采集信号的AduC7060芯片和用于对数据
进行处理的LPC11C14芯片；其中所述AduC7060芯片通过模拟量输入电路、开关量输入电路、
脉冲量输入电路、电压电流转换电路连接所述输入输出通道切换电路以对数据进行采集；
且所述AduC7060芯片连接所述LPC11C14芯片以将采集到的数据发送到LPC11C14芯片进行
处理；且所述LPC11C14芯片连接所述CAN协议转换电路。
如图2所示的为LPCIlCl4芯片的原理图；LPCIlxx系列是基于ARM Cortex-M0的微
控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。ARM Conex-MO是第二代内核，它提供了一
个简单的指令集，可以实现确定性行为。LPCIllx CPU的工作频率高达50MHz。LPCIllx的外
设包括：高达32kB的F1ash、8kB的数据存储器、一个Fast-mode Plus的接口、一个RS485、2个
SSP接口、4个通用定时器，以及多达42个通用I/O引脚。
LPCIl C14主控模块也包括复位电路，晶振时钟电路和J-TAG调试电路，具体电路
架构与AduC7060类似。此主控模块利用其自带CAN控制器完成与主站节点之间的通信，通过
SPI接口接收AduC7060采集的混合数据，以CAN协议的形式打包发送到数据CAN协议转换模
块。
LPCIlCl4主控模块上集成有CAN控制器，内部嵌有通信协议，用于执行串行数据的
通信。该控制器可以以多路复用接线网络建立强大的本地网络，同时并具有极高的安全性。
如图3所示的，LPCIlCl4主控模块内集成的CAN控制器包括CAN内核、报文RAM、报文处理程
序、控制寄存器和APB接口。对于CAN网络中的通信，要单独配置各个报文对象。对所接收到
的报文进行接收过滤的报文对象和标识符屏蔽是存放在报文洲中。所有关于报文处理的函
数均由报文处理程序执行。这些函数是接收过滤、CAN内核和报文删之间的报文传输、处理
发送请求和产生模块中断的函数。CAN控制器的寄存器集可由外部CPU通过APB总线来进行
直接访问。
如图3所示的，所述CAN协议转换电路包括控制芯片LPC2368、以太网物理层芯片
DP83848T、CAN驱动芯片TJA1050T。LPC2368片内具有一个10/100MbpsEthernet MAC接口和2
路CAN通道。Ethernet MAC在独立的AHB总线上有16KB的SRAM和一个相关的DMA控制器。总线
数据波特率可达1Mbps；可访问32位的寄存器和RAM；全局验收过滤器可识别几乎所有总线
的11位和29位Rx标识符。其中，LPC2368内部的CAN控制器完全是基于事件触发的,即CAN控
制器在本身状态发生改变时,会将状态变化的结果告诉微控制器,所以微控制器在处理CAN
控制器时,可以采用中断的方式。根据LPC2368微控制器及其内部CAN控制器的特性,CAN总
线通信软件分为硬件抽象层、功能函数层和应用程序接口层3个层次。硬件抽象层将CAN 控
制器的硬件特性用数据类型进行抽象,并提供CAN控制器硬件操作的接口。功能函数层是
CAN控制器各种功能实现函数的集合,该层的函数利用硬件抽象层中对寄存器操作的接口
来访问CAN控制器。
LPC2368内部集成了1个10/100Mbps Ethernet MAC控制器,硬件电路需要在
LPC2368的以太网MAC控制器相关引脚外接以太网物理层芯片,以太网物理层芯片再通过带
网络隔离变压器的RJ45插头HR911105A实现与以太网总线的连接。
LPC2368内部的以太网MAC控制器与DP83848T采用RMII模式连接,减少了需要连接
引脚的数目,方便信号的布线。为了使DP83848T上电后工作在RMII模式,需要将DP83848T的
RX_DV/MII_MODE引脚通过1个2.2KΩ的电阻接系统的+3.3V电源。在RMII模式下,数据以
50MHz的时钟速率一次传送2位,因此配置了一个50MHz振荡器连接到DP83848T的X1引脚。
如图1所示的，本发明实施例的面向电工装备行业的数模信号采集装置还包括电
源模块。由于工业设备现场监测实际运用中电压一般在20V～30V之间变化，因此本发明实
施例中的电源模块本装置的供电范围为9V～36v。而本发明实施例中的MCU主控电路包括用
于采集信号的AduC7060芯片和用于对数据进行处理的LPC11C14芯片，其中AduC7060芯片的
工作电压为2.5V，LPC11C14芯片的工作电压为3.3V，而模拟电路的工作电压为12V。因此本
发明实施例中的电源模块设有多个相互隔离的供电单元以分别为上述芯片/电路进行供
电。
如图4所示的，本发明实施例的电源模块包括：输入电源电路、隔离电路、模拟电源
供电电路。
其中，输入电源电路包括LM2575系列开关电压调节器。其中，LM2575是降压型电源
管理单片集成电路，能够输出lA的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，可固定
输出3.3V、5V、12V。
其中隔离电路包括WRB0505S-1W隔离电源和ADP3333隔离电源。其中WRB0505S-1W
隔离电源的隔离电压高达3000V，并能够提供5V的隔离电压。WRB0505S-1W电路的输出电压
的精度高达1％左右，具有良好的电流保护功 能，效率高、功耗低和封装小。隔离电路包括
WRB0505S-1W电路5V为输入电压，输出稳定的5V电压，最大输出电流达0.8A。其中ADP3333是
低压差电源转换芯片，负责安全电流限制、过热保护关断；其电压输入端具有比较宽的输入
范围：3V至12V，可接受高达300mA的负载电流。
其中模拟电源供电电路包括A0515S-1W芯片，其能够将5V的输入电压换成15V为模
拟电路供电。A0515S-1W的作用是在线路板分布式电源系统中产生一组输出电源，且此输出
电源与输入电源是彼此隔离的。A0515S-1W可同时进行输出短路保护。
在本发明实施例的电路设计中，需要考虑电磁兼容设计，具体包括：
1、可靠接地：
接地技术是任何电子系统正常工作时必须采取的重要技术，它不仅是保护人身和
设施安全的必要手段，也是抑制电磁干扰、保障模块电磁兼容性、提高电路运行可靠性的重
要技术措施。任何电路的电流最终都会经过地线形成回路，地线不可避免的成为了各电路
回路中的公共导线，不同接地点之间由于地线公共阻抗的存在会产生一个电压差，从而形
成了接地干扰。合理的接地方式可以提供很低的公共阻抗通路，从而减少噪声信号对其他
用电设备的电磁干扰。接地方式一般有信号接地和安全接地。信号接地是模块内部各种信
号电压零电位的公共参考点。工程实践中经常用模拟信号地和数字信号地来分开布线，两
种信号地通过磁珠连接，以抑制电磁干扰。安全接地是将用电设备的外壳通过低阻抗的导
体连接到大地上，防止设备操作人员不会因静电放电或设备外壳的漏电而危害其人身安
全。
2、稳压电源及去藕电容：
直流稳压电源在电子系统中的作用是给各个功能元器件供电，它的工作质量与系
统的稳定性息息相关，好的稳压电源可以大大提高系统工作的稳定性和效率。本装置稳压
电源采用的是开关电源稳压模块LM2575，开关电源与早期整流器时代的传统稳压电源相
比，其优点是动态响应速度快、体积小、重量轻、高效节能。理想电源的内阻阻抗应该为零，
但实际运用中电源内部都会有阻抗，这样系统会在各元器件和组件之间会因内部阻抗形成
耦合回路， 造成信号之间的相互干扰，对此解决的措施通常是在电源的输出端并联几个小
容量的高频电容和较大容量的电解电容，而且需在IC芯片的接地端和电源端也并联去藕电
容，尽最大可能的降低干扰。
3、PCB板的优化设计：
装置工作的稳定性与可靠性与PCB板的设计质量高低有很大关联，是模块能正常
稳定工作的关键。因此，在PCB布线时除了让元器件之间有正确的电气连接，还应充分考虑
PCB板的电磁兼容性能。抗干扰设计考虑应包括抑制噪声源、降低模块的噪声敏感度以及切
断噪声传递途径。其中最需要注意的就是PCB板的噪声抑制。电源线和地线的布局、元器件
布局以及信号线的宽度要求也是在PCB布板过程中需要注意的几大因素。
同时，本发明实施例还对控制方法进行了改进，包括：
一、基于AduC7060数据采集与控制模块
在集成有AD转换器的AduC7060上编写，该程序模块包括AduC7060主程序、各功能
部件初始化函数、端口功能配置模块、AD转换模块、数据处理模块、PWM控制模块。其主要功
能是完成端口功能的配置，并根据具体的端口功能执行相应的采集外部传感器信号或对外
部执行器输出控制数据的任务。
二、基于Lpcllcl4通讯模块
在集成有CAN控制器的LPCIlCl4上编写，包括CAN控制器的初始化，CAN报文发送与
接收子程序等。
三、基于Lpc2368协议转换模块
在集成有Ethernet MAC控制器、CAN控制器的LPC2368上编写，包括Ethernet MAC
控制器、CAN控制器的初始化、协议转换的控制程序。
其中，基于AduC7060数据采集与控制模块具体为：
1AduC7060数据采集与控制程序
该程序模块在AduC7060上完成，为了保证数据采集和输出的实时性，本程序只负
责混合数据的采集以及控制数据的输出，CAN报文的打包和协议 解析的处理放在LPCIlCl4
芯片完成。本模块的功能是根据主站节点下发的具体的命令，采集主站数据集中装置和控
制中心所要求的设备状态监测数据并进行预处理，包括以下几个子程序：AduC7060主程序，
AduC7060初始化程序，端口功能配置程序，AD转换程序，数字滤波程序。
1.1AduC7060主程序
主程序是各个功能子模块的最终执行程序。该程序首先调用初始化程序，对CPU工
作时钟、看门狗以及中断向量寄存器等其他关键外设进行初始化设置，并初始化端口功能
数组，然后根据主站发送的端口功能码调用端口功能配置函数，完成相应端口具体功能的
设置，再根据端口号以及具体的功能码执行相应的任务。
1.2AduC7060初始化
本模块中的CAN数据采集节点主控芯片初始化程序包括：SPI寄存器设置、看门狗
定时器的设置、中断寄存器设置、端口设置、定时器设置以及AD转换器初始化等。
AduC7060集成有两个独立的多通道ADC。主ADC是一个16位5通道ADC。辅助ADC是7
通道的16位ADC，最高可支持7个单端输入通道。本模块要求每片AduC7060的输入通道为6
个，选用辅助ADC，将速率设置为低速转换(每通道50次/s)，预留一定的采集次数供数字滤
波处理，同时将AD斩波开启，降低ADC失调误差，漂移和噪声值。通过对ADC滤波器控制寄存
器操作可设置其转换速率与斩波的开启和停止。
以下AD部分初始化代码：
ADCMSⅪ＝BITl：∥ADc中断控制寄存器。使能ADC中断ADCFLT＝BIrr0+BITl+BIT2+
BIT3+BIT4+∥设置ADC滤波器寄存器。BIT8+BIT9+BITl0+BITl 1+BITl2+BITl3+AF＝
63BITl5：∥斩波开启
ADCMDE＝BIT0+BIT7：∥ADC模式寄存器。连续转换模式ADCOCON＝BITl+BIT6∥
ADCO控制寄存器片内基准电源
2端口功能函数
在进行具体的采集或输出任务前必须对每个端口的具体功能进行合理 的分配。
当CAN主站节点有端口功能配置命令时，Lpcllcl4通过SPI总线将具体的端口功能码传送给
AduC7060进行端口功能分配。AduC7060为其分配有4个功能端口，每个端口都自己的地址编
号，用于被程序寻址和识别。为了明确这4个端口所要完成的任务，为每个端口分配了多功
能混合I/O模块的设计与实现不同的端口功能码，放在一个声明大小为4字节的整型数组变
量中，其数组下标就是其端口号。为了使端口号的功能码与每个端口所采集或输出的数据
是一一对应的，声明一个端口功能结构体以完成数据与端口号的映射：
typedef s仇lct IO Port∥端口功能结构体
{unsigIled char ncD；∥端口功能码
unsigIled 10ng Data；∥端口采集或输出的数据
1lIlsigIled char addr；∥端口地址号
}IO_Pon；
IO Port S port[4]；∥声明4个端口功能结构体
其中，
①ADIO端口：数量为2个，其地址编号为0xoo～Ox01，完成三种功能：采集模拟量、
采集开关量以及输出开关量。
②FIO端口：全功能端口，数量为1个，地址编号为Ox02，可以完成所有功能：采集模
拟量，输出模拟量，采集开关量，输出开关量以及采集脉冲量。
③DIDA端口：数量1个，地址编号为Ox03，完成三种功能：采集开关量、输出开关量、
输出模拟量。
3AD转换程序
AduC7060分配有6个通道采集数据，每3个通道采集一种量程，通道2，3，4负责采集
小量程模拟量，通道6，7，8负责采集大量程模拟量，为了使模块达到量程自适应的功能，需
要对采集的模拟量进行量程判断。由于大量程模拟量都在5V以上，大大超过了小量程的采
集量程，所以采集的数据先送入小量程通道进行判断，若采集的数据超过满量程会使AD状
态寄存器 的位13置1，通过读取该位状态就可得知目前采集的模拟量是大量还是小量。具
体的，该流程如图5所示。
4数据处理模块
由于模块所处的外部世界环境多变、复杂，在采集数据的过程中难免会出现强电
电磁干扰等其他噪声干扰，对数据进行抗干扰的滤波处理就显得尤为重要，虽然硬件上也
做了相关抗干扰的措施，但是为了进一步消除噪声源，提高数据采集的准确度，软件也采取
了软件滤波的方式对数据进行处理。相比于硬件模拟滤波器对信号进行干扰滤波，采用软
件滤波有以下优点：
(1)软件滤波无须复杂的硬件设计，只需一个软件算法，可靠性高，不存在阻抗匹
配问题，尤其是软件数字滤波对突然变化的尖峰脉冲或某些低频干扰信号有很好的滤除效
果，这是硬件滤波器所不能做到的。
(2)只要适当改变软件滤波器的滤波程序或运行参数，就能方便地改变其滤波特
性，这个对于低频、脉冲干搅、随机噪声等特别有效。
本滤波程序由模拟量采集函数(unsigned long ADC(unsigned charCH_NUM))调
用，对采集的数据进行中值平均滤波，每通道连续采集10个数据，按照从大到小的顺序排
列，从中去掉一个最大值，一个最小值，然后计算中级8个值的平均值，作为最后的参考数据
用。
5LPC11C14主程序
LPC11C14主程序只需调用相关的子功能函数执行相应的任务。系统初始化完成后
通过查询方式检测CAN总线的通信状态同时等待CAN中断，即中断接收主站节点发送的命令
帧，待CAN中断报文接收完毕后调用CAN报文处理函数，最后延时主循环。
系统初始化是完成对MCU的内部相关器件的初始化及CAN协议控制器的初始化。主
要包括系统工作频率的设置，关闭不用的功能模块以降低单片机功耗，端口功能设置，SPI
通信速率设置。CAN报文处理函数根据主站节点发来的命令码执行相应的功能子模块，包括
节点连接，设备复位以及读取数据等功能，分析完成后在报文处理函数中调用CAN发送子程
序以回复主站的 命令帧。
5.1CAN初始化程序
LPC11C14的片上CAN控制器内含32个报文对象，每个报文对象具有仲裁位，屏蔽
位，方向位，报文控制位，数据域等信息，对这些信息位进行正确的初始化配置是CAN控制器
能正常工作的关键。
typedefstruct
{
uint32_t id；
uint32_t dlc；
uint32_t data[8]；
}message_object；
Message_objectCall_full[32]∥CAN报文对象结构体的定义
5.2CAN报文发送程序
CAN报文发送函数是对主站节点发送的命令帧需要应答或响应时调用的，其命令
帧的ACK位为0为需要应答。单帧发送时每次最多发送8个字节长度的数据，CAN报文的发送
有查询方式和中断方式发送，本模块采用查询方式发送。
6Lpc2368协议转换模块
如图6所示的，其中LPC2368内部以太网控制器驱动包括以太网控制器初始化、以
太网数据帧发送及接收。初始化主要包括清除MAC控制器的软件复位状态、配置物理层访问
MAC控制器的MIIM接口、选择RMII或MII接口模式、配置发送和接收DMA引擎及描述符数组、
配置MA控制器的主寄存器组和使能发送及接收数据通道。将数据打包成符合以太网发送帧
格式的数据后,可以通过以太网数据帧发送函数进行发送。
发送函数首先建立描述符及数据、使能发送数据通道,发送DMA管理器通过读发送
描述符数组来定位在发送缓冲区中要发送的数据帧,并将该数据发送出去。若发送失败,发
送DMA管理器将通过写发送状态信息到状态数组及中断状态寄存器的方式报告错误,用户
程序可以通过查询状态位 来判断数据是否发送成功。
以太网数据接收采用中断方式,当收到以太网数据帧或帧分片时,将会产生数据
接收中断,用户程序应该在中断服务程序中读取中断状态寄存器来判断中断类型以及做相
应处理。
CAN-以太网协议转换软件负责将CAN协议数据包以太网协议数据包格式相互转
换。CAN通信协议有四种不同的帧格式,本系统中使用标准帧格式。一个标准的以太网物理
传输帧除数据段的长度不定外,其他部分的长度都固定不变。以太网规定整个传输包的最
大长度不能超过1514字节,最小不能小于60字节,当数据域的数据不足46字节时需填充；当
超过1500字节时,需拆成多个帧传送。
系统初始化完成后,当从以太网接收到数据包,LPC2368对数据包进行分析,如果
是ARP数据包,则程序转入ARP处理程序。如果是UDP数据包且端口正确,则认为数据报正确。
数据解包后,把数据部分打包成CAN协议标准帧格式,通过CAN控制器发送到CAN总线。反之,
若从CAN总线接收到数据,则将数据按照UDP协议格式打包,由以太网控制器发送到以太网
上。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。