通用型多功能嵌入式测量系统的设计

卢美鸿， 伍路旺

(1.昆山登云科技职业学院，江苏 昆山 215300；2.昆山恒睿测控软件技术有限公司，江苏 昆山 215300)

研究与设计

通用型多功能嵌入式测量系统的设计

卢美鸿1， 伍路旺2

(1.昆山登云科技职业学院，江苏 昆山 215300；2.昆山恒睿测控软件技术有限公司，江苏 昆山 215300)

介绍了一款通用型多功能嵌入式测量系统。该系统主要由机箱、面板、多块嵌入式控制板、开关电源以及PC机组成，在测试行业中具有普遍的通用性。配合相应的上位机软件，该系统可实现DMM多测量通道切换、继电器控制多路通道的通断、多路输入数字传感器的信号采集、多路输入模拟信号量采集、多路数字信号输出、多路模拟信号输出及多路射频信号通道切换等多种功能。嵌入式控制板与PC机采用网口通信方式交换数据，多块嵌入式控制板之间采用CAN总线通信方式。

嵌入式；测量；CAN总线；设计

嵌入式系统[1-3]是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算机系统。嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式将所需的功能嵌入到各种应用系统中，其融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术的最终产品。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。在传统测量系统中，主控单元通常为PC主机，本文介绍的是一种以嵌入式控制器为主控单元的嵌入式测量系统，该系统具有通用性广、成本低廉、可扩展性强等特点。

1 系统整体框架

本系统主要硬件结构为机箱、面板、多块嵌入式控制板、开关电源及PC机，系统整体结构框架如图1所示。

图1 系统整体结构框架

系统中PC机使用网口与机箱中的测量控制子卡通信[4]，采用UDP协议控制方式，测量控制子卡与其他各子卡之间直接采用差分CAN通信协议。每个子卡插入机箱后都会分配一个唯一的CAN ID号，以实现控制对象的唯一性。编写上位机测试软件的工程师可根据通信协议在PC机上编写合适的上位机软件，以控制机箱内各个子板的动作，完成相应的功能。机箱和面板外观如图2所示。

图2 机箱和面板外观

机箱和面板用于插入各种功能的子板以完成相应的目标测量，机箱前面板上有一个电源开关按钮、两个LED指示灯、11个子卡卡槽。其中第一个卡槽只能插入确定的通信子板，后面的10个卡槽则可以插入其他任意子卡。

该系统中可插入多种子卡以实现各自特定的功能，常用的子卡包括通信子卡、DMM测量通道切换子卡、RELAY通断控制子卡、多通道数字传感器输入子卡、多通道数字信号输出子卡、多通道模拟传感器输入子卡、多通道模拟信号输出子卡、矩阵射频信号切换子卡等。所有子卡都需要插入到机箱的卡槽中，其PCBA子卡外形如图3所示，各类子卡的功能如下。

图3 PCBA子卡外形

(1)通信子卡：实现网口与PC机通信，同时用CAN总线与其他各个子卡通信，将PC机发过来的协议数据转换为CAN总线发送给各个子卡，同时将子卡回复的数据转换成UDP协议数据回复给PC机。

(2)DMM测量通道切换子卡：将32路通道用继电器分别切换到两路公共的测量端，该卡可实现两线制和四线制两种测量方式。

(3)RELAY通断控制子卡：每个板卡可实现16通道的继电器闭合和断开，每个通道可承受5 A的电流和380 V的电压。

(4)多通道数字传感器输入子卡：每个板卡可接收32路通道的数字传感器信号输入，支持PNP和NPN型两种形式，支持电压范围为+5～+48 V。

(5)多通道数字信号输出子卡：每个板卡可输出32路通道的数字信号输入，支持电压的高电平范围为+5～+48 V。

(6)多通道模拟传感器输入子卡：每个板卡可支持12路AD采样输入，采样电压范围0～12 V，12位分辨率，采样频率为1 MHz。

(7)多通道模拟信号输出子卡：每个板卡可支持12路DA信号输出，输出电压范围0～12 V，12位分辨率，转换速度1 Mbps。

(8)矩阵射频信号切换子卡：每个板卡支持4路2.4 G频率范围射频信号的切换。

除以上子卡外，还可继续开发出新的功能子卡，只要其符合子卡规范并支持CAN协议即可。

2 结束语

该系统以嵌入式控制器[5]为核心，实现了测试系统中多种常见的功能。其具有功能强大且价格低廉的特点，目前已经在多个测试系统中广泛应用，具有广阔的市场前景。

[1] 孙天泽，袁文菊.嵌入式设计及Linux驱动开发指南[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 贾鹤鸣，朱传旭，宋文龙，等.基于嵌入式控制器的微型植物工厂系统设计[J].森林工程，2017(4)：58-64.

[3] 凌滨，李锦香.林区电力监测及预测系统的设计[J].林业机械与木工设备，2015(1)：32-34.

[4] 杨向云.网络型监控系统的设计与实现 [J].微计算机信息，1998(4)：20-24.

[5] 邹思轶.嵌入式LINUX设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

(责任编辑 张雅芳)

DesignofaGeneral-purposeMulti-FunctionalEmbeddedMeasurementSystem

LUMei-hong1，WULu-wang2

(1.Kunshan Dengyun Science and Technology Vocational Technical College，Kunshan Jiangsu 215300，China；2.Kunshan Hengrui Measurement and Control Software Technology Co.，Ltd.，Kunshan Jiangsu 215300，China)

A general-purpose multifunctional measurement system is introduced in this paper，the system consisting of chassis，panel，a few embedded control boards，switch power source and PC，with universal versatility in the testing industry.Coupled with the corresponding upper host software，this system can realize DMM multi-measurement channel switching，relay control of on-off of multiple channels，signal collection of multi-way input digital sensors，collection of multi-way input analog signal amount，multi-way digital signal output，multi-way analog signal output and multi-way RF signal channel switching and other functions.Network port communication mode-based data exchange is adopted for the embedded control boards and PC and a CAN bus communication mode is adopted between the embedded control boards.

embedded-type；measurement；CAN bus；design

TP274

A

2095-2953(2017)12-0038-02

2017-09-21

卢美鸿(1981-)，女，江苏海安人，讲师，硕士，主要研究方向为自动控制技术及应用，E-mail：58745145@qq.com。