IO信号转换电路及IO数据采集卡的制作方法

io信号转换电路及io数据采集卡
技术领域
1.本实用新型涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种io信号转换电路及io数据采集卡。


背景技术：

2.工业自动化近几年发展迅速，工厂的自动化水平被看作企业的一种关键能力，通过机器人及机器辅助作业，能大大提高单位人的生产力，降低对人的技能要求，提高安全作业水平。数据采集则是工业自动化中十分重要的一环，数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号，自动采集并送到上位机中进行分析、处理，现代工业要求数字量采集卡的延时低，传统的io采集卡延时在1ms以内，但仍然无法满足一些特殊工业控制场景的要求。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的是提出一种io信号转换电路，旨在降低数据采集卡的延时。
4.为实现上述目的，本实用新型提出的io信号转换电路，包括：
5.输入接口，用于接入外部设备；
6.fpga控制芯片，所述fpga控制芯片的输入端与所述输入接口连接；
7.pcie接口，与所述fpga控制芯片连接，用于接入上位机；
8.所述fpga控制芯片用于将所述输入接口输入的io信号转换为pcie信号，并通过所述pcie接口输出至上位机；
9.输出接口，所述输出接口与所述fpga控制芯片的输出端连接，用于接入外部设备；
10.所述fpga控制芯片还用于将所述pcie接口输入的pcie信号转换为io信号，并通过所述输出接口输出至外部设备。
11.可选地，所述输入接口包括：
12.隔离输入接口，用于接入外部设备；
13.非隔离输入接口，用于接入外部设备。
14.可选地，所述io信号转换电路还包括：
15.隔离输入电路，串联设置于所述隔离输入接口与所述fpga控制芯片的输入端之间，用于将外部设备输入的io信号进行隔离处理后，输出至所述fpga控制芯片。
16.可选地，所述io信号转换电路还包括：
17.非隔离输入信号缓冲器，串联设置于所述非隔离输入接口与所述fpga控制芯片的输入端之间，用于将外部设备输入的io信号进行放大处理后，输出至所述fpga控制芯片。
18.可选地，所述输出接口包括：
19.隔离输出接口，用于接入外部设备；
20.非隔离输出接口，用于接入外部设备。
21.可选地，所述io信号转换电路还包括：
22.隔离输出电路，串联设置于所述隔离输出接口与所述fpga控制芯片的输出端之间，用于将所述fpga控制芯片输出的io信号进行隔离处理后，输出至外部设备。
23.可选地，所述io信号转换电路还包括：
24.非隔离输出信号缓冲器，串联设置于所述非隔离输出接口与所述fpga控制芯片的输出端之间，用于将所述fpga控制芯片输出的io信号进行放大处理后，输出至外部设备。
25.可选地，所述io信号转换电路还包括：
26.第一电源转换电路，所述第一电源转换电路的输入端与所述pcie接口的第一电源输出端连接，所述第一电源转换电路的输出端与所述fpga控制芯片的电源端连接，所述第一电源转换电路用于将上位机输出的第一电源转换为第一供电电源，并为所述fpga控制芯片供电。
27.可选地，所述io信号转换电路还包括：
28.第二电源转换电路，所述第二电源转换电路的输入端与所述pcie接口的第二电源输出端连接，所述第二电源转换电路的输出端分别与所述非隔离输入信号缓冲器及非隔离输出信号缓冲器连接，所述第二电源转换电路用于将上位机输出的第二电源转换为第二供电电源，并为所述非隔离输入信号缓冲器及非隔离输出信号缓冲器供电。
29.本实用新型还提出一种io数据采集卡，所述io数据采集卡包括电路板及上述的io信号转换电路；
30.所述io信号转换电路集成于所述电路板上。
31.本实用新型技术方案通过设置输入接口、输出接口、fpga控制芯片及pcie接口，fpga控制芯片将外部设备通过输入接口输入的io信号转换为pcie信号，并通过pcie接口输出至上位机，以及将上位机通过pcie接口输入的pcie信号转换为io信号，并通过所述输出接口输出至外部设备；本实用新型通过设置输入接口、输出接口、fpga控制芯片及pcie接口，实现了上位机与外部设备之间的数据传输，降低了数据采集卡的延时。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
33.图1为本实用新型io信号转换电路一实施例的功能模块示意图；
34.图2为本实用新型io信号转换电路一实施例的功能模块示意图。
35.附图标号说明：
[0036][0037][0038]
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0040]
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0041]
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0042]
本实用新型提出一种io信号转换电路。
[0043]
目前，现代工业要求数字量采集卡的延时低，传统的i/o卡延时在1ms以内，但仍然无法满足一些特殊工业控制场景的要求。
[0044]
为解决上述问题，参照图1与图2，在一实施例中，所述io信号转换电路包括：
[0045]
输入接口30，用于接入外部设备；
[0046]
fpga控制芯片10，所述fpga控制芯片10的输入端与所述输入接口30连接；
[0047]
pcie接口20，与所述fpga控制芯片10连接，用于接入上位机；
[0048]
所述fpga控制芯片10用于将外部设备通过所述输入接口30输入的io信号转换为pcie信号，并通过所述pcie接口20输出至上位机；
[0049]
输出接口40，所述输出接口40与所述fpga控制芯片10的输出端连接，用于接入外部设备；
[0050]
所述fpga控制芯片10还用于将上位机通过pcie接口20输入的pcie信号转换为io信号，并通过所述输出接口40输出至外部设备。
[0051]
数据采集就是将被测对象(外界、现场)的各种参量(物理量、化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后，再经调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到上位机进行数据处理或存储记录的过程。在数据采集设备与上位机通讯的过程中，由于数据采集设备与上位机各自所使用的通讯协议不同，因此在数据传输时需要进行通讯协议之间的转换。在本实施例中，上位机所使用的通讯协议为pcie协议，本实施例通过fpga控制芯片10实现外部设备与上位机之间通讯协议的转换。具体而言，输入接口30及输出接口40用于与外部设备连接，例如温度采集模块、压力采集模块等数据采集设备，数据采集设备通过传感器对温度、电压或者电流信号进行采样、保持，并送入设备内的a/d转换器转换成数字信号，也即io信号。外部数据采集设备将io信号通过输入接口30送至fpga控制芯片10，fpga控制芯片10将获取的io信号转换为pcie信号后，再通过pcie接口20输出至上位机，以使上位机接收外部数据采集设备采集的数据，并对数据进行分析、处理。反之，也可以通过fpga控制芯片10将pcie信号转换为io信号，从而将上位机的数据或指令发送至外部数据采集设备，以实现上位机与外部数据采集设备之间的数据传输。
[0052]
传统的数字量采集卡由于其处理器时钟的限制，延时约为1ms左右，但这无法满足一些特殊工业控制场景的要求。在本实施例中，fpga控制芯片10可采用xilinx spartan-6fpga，此fpga时钟频率为62.5mhz，基准时钟为ns级，延时低至1us，能够满足一些特殊工业控制场景低延时的要求。同时，fpga控制芯片10的传输速率可达2.5gt/s，上行端能够满足带宽要求，用户可使用io口数达250个，逻辑单元为万级，能满足io模块，中断模块，滤波模块，继电器保持等实际应用功能模块对fpga资源的需求。fpga除了能满足最重要的低延时要求外，它的灵活性使得硬件可重编程，可定制，易于维护，方便移植、升级或扩展，可自定义丰富的外设接口，根据不同的实际应用需求进行硬件功能配置。fpga控制芯片10可以控制采集通道的切换，如此，输入接口30及输出接口40可以设置为多个，以实现多路通道采集。
[0053]
本实用新型通过设置fpga控制芯片10、pcie接口20、输入接口30及输出接口40，使得fpga控制芯片10可以将外部设备的io信号转换为pcie信号并输出至上位机，或者将上位机的pcie信号转换为io信号输出至外部设备，实现了外部设备与上位机之间的数据交互，使得上位机可以对外部设备所采集的数据进行分析、处理。本实用新型通过设置fpga控制芯片10，实现了上位机的数据采集和处理，大大降低了数据采集的延时，同时，输入接口30及输出接口40的接口数量可以设置为多个，实现了多通道采集，可以满足不同场景的应用需求，提高了实用性。
[0054]
参照图1与图2，在一实施例中，所述输入接口30包括：
[0055]
隔离输入接口31，用于接入外部设备；
[0056]
非隔离输入接口32，用于接入外部设备。
[0057]
进一步地，所述输出接口40包括：
[0058]
隔离输出接口41，用于接入外部设备；
[0059]
非隔离输出接口42，用于接入外部设备。
[0060]
输入接口30及输出接口40用于接入外部设备，而外部的数据采集设备通常都配备有电源，且往往距离较远，因此在与外部的数据采集设备连接时需要采取电气隔离的措施来确保物理安全，隔离可以保护系统免受由线路电涌引起的高电压和大电流损害，同时还
能减少信号失真。在本实施例中，输入接口30及输出接口40可分为隔离接口与非隔离接口，隔离接口主要用于接入不属于同一电源组的外部数据采集设备，非隔离接口主要用于连接主机内属于同一电源组的其他设备。在本实施例中，隔离输入接口31、非隔离输入接口32、隔离输出接口41及非隔离输出接口42的数量可以为多个，以同时接入并监控多个设备，实现多通道采集。输入接口30及输出接口40的数量还可以根据实际的应用场景进行调整，以满足不同场景的应用需求。本实用新型通过设置隔离输入、输出接口40及非隔离输入、输出接口40，使得上位机可以通过不同的接口与不同的外部设备实现数据交互，满足了不同场景的应用需求，提高了安全性与实用性。
[0061]
参照图1与图2，在一实施例中，所述io信号转换电路还包括：
[0062]
隔离输入电路33，串联设置于所述隔离输入接口31与所述fpga控制芯片10的输入端之间，用于将外部设备输入的io信号进行隔离处理后，输出至所述fpga控制芯片10。
[0063]
进一步地，所述io信号转换电路还包括：
[0064]
隔离输出电路43，串联设置于所述隔离输出接口41与所述fpga控制芯片10的输出端之间，用于将所述fpga控制芯片10输出的io信号进行隔离处理后，输出至外部设备。
[0065]
在本实施例在中，隔离输入接口31及隔离输出接口41在接入不属于同一电源组的外部数据采集设备时，与外部数据采集设备的距离往往较远，因此需要采取电气隔离的措施来确保物理安全，隔离可以保护系统免受由线路电涌引起的高电压和大电流损害，同时还能减少信号失真。在本实施例中，隔离输入接口31及隔离输出接口41通过隔离输入电路33及隔离输出电路43与fpga控制芯片10连接，隔离输入电路33及隔离输出电路43可采用光耦将外部设备的输入输出部分和fpga控制芯片10的控制部分做电气隔离，减少了电路之间的信号串扰，提升了数据采集的稳定性。
[0066]
参照图1与图2，在一实施例中，所述io信号转换电路还包括：
[0067]
非隔离输入信号缓冲器34，串联设置于所述非隔离输入接口32与所述fpga控制芯片10的输入端之间，用于将外部设备输入的io信号进行放大处理后，输出至所述fpga控制芯片10。
[0068]
进一步地，所述io信号转换电路还包括：
[0069]
非隔离输出信号缓冲器44，串联设置于所述非隔离输出接口42与所述fpga控制芯片10的输出端之间，用于将所述fpga控制芯片10输出的io信号进行放大处理后，输出至外部设备。
[0070]
在本实施例中，非隔离输入接口32及非隔离输出接口42与fpga控制芯片10之间设置有信号缓冲器，信号缓冲器可以起到信号放大的作用，防止电路中因供电电压高低悬殊，造成对输入信号和输出信号的相互干扰影响，同时减少了信号失真。信号缓冲器还可以起到阻抗转换的作用，能够很好地承接前级电压放大和负载低阻抗输出的需要，可以解决高输入阻抗的信号源无法带动低输入阻抗的负载问题，提升了数据采集的稳定性。
[0071]
参照图1与图2，在一实施例中，所述io信号转换电路还包括：
[0072]
第一电源转换电路50，所述第一电源转换电路50的输入端与所述pcie接口20的第一电源输出端连接，所述第一电源转换电路50的输出端与所述fpga控制芯片10的电源端连接，所述第一电源转换电路50用于将上位机输出的第一电源转换为第一供电电源，并为所述fpga控制芯片10供电。
[0073]
进一步地，所述io信号转换电路还包括：
[0074]
第二电源转换电路60，所述第二电源转换电路60的输入端与所述pcie接口20的第二电源输出端连接，所述第二电源转换电路60的输出端分别与所述非隔离输入信号缓冲器34及非隔离输出信号缓冲器44连接，所述第二电源转换电路60用于将上位机输出的第二电源转换为第二供电电源，并为所述非隔离输入信号缓冲器34及非隔离输出信号缓冲器44供电。
[0075]
在本实施例中，pcie接口20上还设置有第一电源输出端及第二电源输出端，用于在接入上位机时，输出第一电源及第二电源，其中，第一电源为3.3v，第一电源转换电路50将3.3v的电源转换为1.2v后输出至fpga控制芯片10进行供电。第二电源为12v，第二电源转换电路60将12v的电源转换为5v后输出至非隔离输入信号缓冲器34及非隔离输出信号缓冲器44进行供电。
[0076]
本实用新型还提出一种io数据采集卡，该io数据采集卡包括电路板及上述的io信号转换电路，该io信号转换电路的具体结构参照上述实施例，由于本电机组件采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0077]
其中，所述io信号转换电路集成于所述电路板上。
[0078]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。