一种PCIE数据采集卡的接口电路系统
技术领域
本实用新型涉及车载电子信息技术领域，具体涉及一种PCIE数据采集卡的接口电路系统。
背景技术
目前，汽车车载电路常用总线技术主要有LIN、CAN、I2C、FlexRay、Most、Ethernet和USB等。LIN总线用于车内分布式电控系统，数据通信速度为125Kbps。 CAN总线用于车内控制系统的数据通信，数据传输速率为1Mbps。I2C总线用于车内电路的多微控制器串行通信，数据传输速率在高速模式下为3.4Mbps。FlexRay总线用于车辆的安全线控系统和动力系统，数据传输速率为10Mbps。Most总线用于多媒体系统，数据传输速率为24.8Mbps。Ethernet总线用于车辆物联网应用，实现车辆智能化驾驶，数据传输速率可达1.0Gbps，USB总线用于车辆设备间的串行传输和控制，最大数据传输速率可达5.0Gbps。
汽车车载作为道路养护巡检装置最主要集成方式，以0~120km/h的速度在道路上进行数据采集，道路路面状况横向和纵向识别精度要求控制在小于1mm范围，路面状况采集传感器的采样率大于200kHz，装置的数据传输速率大于5.0Gbps。车载电路装置常用的总线接口技术无法满足超高数据带宽的信号采集性能要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种PCIE数据采集卡的接口电路系统，解决了车载电路装置常用的总线接口电路系统无法满足高速数据信号传输速度的问题。
本实用新型提出的一种PCIE数据采集卡的接口电路系统，包括：
传感器电路单元、模拟信号调制隔离电路单元、SCSI系统接口电路单元、PCIE数据采集电路单元、PCIE总线接口电路单元、ARM核心控制电路单元和直流供电电路单元800，所有单元按上述顺序通信连接；
传感器电路单元用于提供相关传感器的连接接口、传输传感器的控制指令和回传传感器的模拟信号；
模拟信号调制隔离电路单元用于提供传感器电路单元的恒流电源、传感器电路单元输出信号隔离滤波和传感器电路的信号增益调节；
SCSI系统接口电路单元用于提供SCSI端口连接PCIE数据采集电路单元，传输模拟信号调制隔离单元输出信号；
PCIE数据采集电路单元用于提供SCSI接口电路单元传输的模拟信号的模数转换，对模拟信号进行采样和量化，将数字化传感器信号传输到PCIE总线接口电路；
PCIE总线接口电路单元用于提供PCIE数据采集电路单元差分时针信号、差分数据信号和直流工作电源，传输PCIE数据采集电路单元控制指令和输出数据；
ARM核心控制电路单元用于提供传感器采集信号的数字化存储和传感器采集控制驱动，为电路应用装置提供智能化扩展；
直流供电电路单元用于提供模拟信号调制隔离电路单元、PCIE总线接口电路单元和ARM核心控制电路单元稳压恒流直流电源。
本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的使用原理：首先，通过传感器电路单元采集道路传感器的数据和控制指令，转换为模拟信号，再将模拟信号传输给模拟信号调制隔离电路单元；模拟信号调制隔离电路单元再将传感器电路单元输出信号经过隔离滤波和传感器电路的信号增益调节后传输给SCSI系统接口电路单元；SCSI系统接口电路单元再通过接口电路将输出信号传输给PCIE数据采集电路单元；PCIE数据采集电路单元用于数字化传感器信号传输到PCIE总线接口电路单元；PCIE总线接口电路单元将传输PCIE数据采集电路单元控制指令和输出数据传输给ARM核心控制电路单元；最后，由ARM核心控制电路单元提供传感器采集信号的数字化存储和传感器采集控制驱动，为电路应用装置提供智能化扩展。
本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的有益效果：
1、支持驱动多通道的ICP/IEPE/LIVM传感器，无损稳定的采集高频段模拟信号；
2、可实现高频段模拟信号的隔离、滤波和增益，能够有效过滤信号中噪音干扰；
3、能够有效的保护车辆自身电源系统，具有较高的抗电磁干扰性能，可以为应用电路装置提供稳定的电源；
4、降低了电路应用装置的电源功率，容易设计外观机械结构，减小了装置模块化设计难度。
附图说明
图1为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的整体数据信号传输流程图；
图2为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的模拟信号调制隔离电路图；
图3为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的PCIE总线接口电路图；
图4为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的ARM核心控制电路单元结构示意图；
图5为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的直流供电电路单元的电路图；
图6为本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的具体应用示意图；
其中：传感器100、传感器电路单元200、模拟信号调制隔离电路单元300、SCSI系统接口电路单元400、PCIE数据采集电路单元500、PCIE总线接口电路单元600、ARM核心控制电路单元700、直流供电电路单元800、车辆电源单元900。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的一种PCIE数据采集卡的接口电路系统作进一步的说明。
如图1、2、3、4、5和6所示，一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的使用原理：首先，通过传感器电路单元200采集道路传感器的数据和控制指令，转换为模拟信号，再将模拟信号传输给模拟信号调制隔离电路单元300；模拟信号调制隔离电路单元300再将传感器电路单元200输出信号经过隔离滤波和传感器电路的信号增益调节后传输给SCSI系统接口电路单元400；SCSI系统接口电路单元400再通过接口电路将输出信号传输给PCIE数据采集电路单元500；PCIE数据采集电路单元500用于数字化传感器信号传输到PCIE总线接口电路单元600；PCIE总线接口电路单元600将传输PCIE数据采集电路单元500控制指令和输出数据传输给ARM核心控制电路单元700；最后，由ARM核心控制电路单元700提供传感器100采集信号的数字化存储和传感器100采集控制驱动，为电路应用装置提供智能化扩展。
本实用新型一种PCIE数据采集卡的接口电路系统的有益效果：
1、支持驱动多通道的ICP/IEPE/LIVM传感器100，无损稳定的采集高频段模拟信号；
2、可实现高频段模拟信号的隔离、滤波和增益，能够有效过滤信号中噪音干扰；
3、能够有效的保护车辆自身电源系统，具有较高的抗电磁干扰性能，可以为应用电路装置提供稳定的电源；
4、降低了电路应用装置的电源功率，容易设计外观机械结构，减小了装置模块化设计难度。
如图1所示，本申请所述一种PCIE数据采集卡的接口电路系统整体架构图，本实施例可适用于汽车车载的道路养护巡检装置高频段模拟信号数据采集接口电路，接口电路系统包括：传感器电路单元200、模拟信号调制隔离电路单元300、SCSI系统接口电路单元400、PCIE数据采集电路单元500、PCIE总线接口电路单元600、ARM核心控制电路单元700、直流供电电路单元800和车辆电源单元900。
本实施例中，优选地，传感器电路单元200一端与传感器100或连接传感器100的延长线相连，另一端与模拟信号调制隔离电路单元300连接。所述传感器电路单元200包括传感器100连接接口和高频段模拟信号传输电路，其中，传感器100连接接口直接连接或使用同轴电缆连接ICP/IEPE/LIVM高频段模拟信号采集传感器100；高频段模拟信号传输电路与模拟信号调制隔离电路单元300直接连接。
本实施例中，优选地，模拟信号调制隔离电路单元300包括传感器连接电路、调制隔离电路、信号连接电路Ⅰ和直流电源接口；传感器连接电路一端与传感器电路单元200连接，另一端与调制隔离电路的输入端连接，信号连接电路Ⅰ与调制隔离电路的输出端连接，信号连接电路Ⅰ与SCSI系统接口电路单元400连接，直流电源接口与直流供电电路单元800输出端连接。
其中，传感器连接电路负责高频段模拟信号传输，调制隔离电路对模拟信号进行隔离、滤波和增益，信号连接电路为调制隔离电路信号传输扩展接口，直流电源接口为调制隔离电路提供5V3A直流电源。
具体的，所述信号调制隔离电路图如图2所示，所述调制隔离电路的实施例信号调制隔离器U21的WE_EN、I/O_COM和RD_EN连接，RD_EN端口与信号连接电路Ⅰ的INPCHAN(XX)LO端口连接，信号调制隔离器U21的VOUT与VIN连接，信号调制隔离器U21的VOUT端口与信号连接电路Ⅰ的INPCHAN(XX)HI端口连接，信号调制隔离器U21的-IN端口与连接器的2端口连接，信号调制隔离器U21的-EXC与连接器的1端口连接，信号调制隔离器U21的+IN与+EXC连接，信号调制隔离器U21的+EXC与连接器的3端口连接，连接器的3端口与连接器的4端口连接。所述信号连接电路Ⅰ为68针的IO端口，包含12通道接口，每通道包含INPUT_RETURN、INPUT_RETURN、INPCHAN(XX)LO和INPCHAN(XX)HI四个端口，通道第一端口INPUT_RETURN悬空设计，通道端口INPUT_RETUR与INPCHAN(XX)LO连接，INPCHAN(XX)LO和INPCHAN(XX)HI连接到信号调制隔离电路。
本实施例中，优选地，SCSI系统接口电路单元400包括SCSI系统接口电路和信号连接电路Ⅱ；SCSI系统接口电路与PCIE数据采集电路单元500连接，信号连接电路Ⅱ与模拟信号调制隔离电路单元300的信号连接电路Ⅰ连接。其中，SCSI系统接口为68针SCSI系统接口，能够降低多通道传感器100的信号干扰, SCSI系统接口与PCIE数据采集电路500连接；信号连接电路Ⅱ为高频率多通道传感器100信号传输电路。
本实施例中，优选地，PCIE数据采集电路单元500包括数据采集端口电路、模数转换电路和数据传输控制电路；数据采集端口电路与SCSI系统接口电路单元400的SCSI系统接口电路连接，模数转换电路一端与数据采集端口电路连接，另一端与数据传输控制电路连接，数据传输控制电路与PCIE总线接口电路单元600连接。其中，模数转换电路核心芯片为Sigma-Delta模数转换器GSC 24DSI12, 有12个差分24位模拟信号输入通道，每通道采样率最高可达到200KSPS，模数转换电路支持软件指令配置数据转换的采样率、模拟信号参考电压和滤波频率等参数，数据传输控制接口通过金手指硬件与PCIE总线接口电路单元600连接，数据采集接口通过68针硬件接口与SCSI系统接口电路单元400连接。
本实施例中，优选地，PCIE总线接口电路单元600包括电源接口、时钟差分信号接口电路、全双工数据差分信号接口电路和通信控制接口电路；电源接口连接直流供电电路单元800输出端，时钟差分信号接口电路、全双工数据差分信号接口电路和通信控制接口电路一端与PCIE数据采集电路的数据传输控制电路连接,另一端与ARM核心控制电路单元700。
其中，电源接口提供3.3V和12V恒压稳流电源;时钟差分信号接口电路为频率100MHz的一对差分信号;全双工数据差分信号接口电路为两对双向差分信号线;通信链接控制接口电路传输ARM核心控制电路单元700的发送的使能和复位信号。
具体的，所述PCIE总线接口电路单元的电路图如图3所示，所述时钟差分信号接口MPCIE_CLK_P和MPCIE_CLK_N一端连接ARM核心控制电路单元700，一端分别连接C74 200nF50V和C75 200nF 50V电容，C74电容与PCI-E x1 端口REFCLK+连接, C75电容与PCI-E x1端口REFCLK-连接，MPCIE_CLK_P一端与R59下拉电阻连接，MPCIE_CLK_N与R91下拉电阻连接。所述全双工数据差分信号接口MPCIE_RX_P、MPCIE_RX_N、MPCIE_TX_P和MPCIE_TX_N一端连接ARM核心控制电路单元700，一端分别连接C76 200nF 50V、C77 200nF 50V、C72 200nF50V和C73 200nF 50V电容，C76电容与PCI-E x1 端口PERP_0连接，C77电容与PCI-E x1端口PERN_0连接，C72电容与PCI-E x1 端口PETP_0连接，C73电容与PCI-E x1端口PETN_0连接。所述通信链接控制接口PCIE_WAKE_B和PCIE_RST_B一端连接ARM核心控制电路单元700，一端分别与PCI-E x1端口WAKE和PWRGD连接。
本实施例中，优选地，ARM核心控制电路单元700包括ARM处理器、PCIE总线接口、扩展外设总线接口、存储单元、时钟电路、复位电路和直流电源接口；ARM处理器通过PCIE总线接口与PCIE总线接口电路单元600连接，PCIE总线接口、扩展外设总线接口、存储单元、时钟电路和复位电路均与ARM处理器设有电路连接，直流电源接口与直流供电电路单元800输出端连接。
其中，处理器通过PCIE总线接口电路控制和驱动PCIE数据采集电路，对数字信号进行处理和存储;扩展外设接口提供电路应用终端进行智能化功能扩展；存储单元用于存储数字信号数据;时钟电路为ARM处理器产生高精度时钟信号;复位电路为ARM处理器提供硬件系统复位;直流电源提供ARM处理器工作的直流电源。
具体的，ARM核心控制电路单元700结构示意图如图4所示，所述低功耗处理器基于CortexTM-A9四核处理器。所述外设总线接口包含Ethernet有线网线接口、HDMI高清数字显示接口、USB总线接口、SDIOTF卡接口、CAN总线接口、I2C总线接口、UART串口接口、SPI外接设备接口和PCIE总线接口。所述USB总线接口可连接GPS定位单元，GPS定位单元提供车辆的空间定位和实时授时。所述存储单元包含1G Byte DDR3 SDRAM 和4G ByteeMMC。所述时钟电路由晶振原子时钟组成。所述复位电路由看门狗电路组成。所述直流电源接口电源3提供3.3V和5V恒压稳流直流电源。
本实施例中，优选地，所述直流供电电路单元800包括稳压恒流电路、电源保护电路、电源控制电路和车辆电源单元900；稳压恒流电路输出端与PCIE总线接口电路单元600、传感器电路单元200和调制隔离电路连接，稳压恒流电路输入端与电源保护电路连接，电源保护电路与电源控制电路连接，电源控制电路与车辆电源单元900连接。
其中，车辆电源单元提供12V直流电源输出;电源控制电路由双电池管理器组成，对车辆电源进行保护;电源保护电路由DC-DC稳压恒流调制电路、电路控制开关和电压电流状态可视化仪器仪表组成，能够抵抗电流浪涌和降低纹波干扰;稳压恒流电路由DC-DC稳压恒流调制电路组成，提供并联电压输出接口。
具体的，直流电源单元电路图如图5所示，所述车辆电源单元包含车辆电池、车辆发电机和车辆点火开关，车辆发动机点火成功后发电机能够为车辆电池充电，车辆电池同时为车辆电子器件负载提供电源，车辆电池与电源控制电路的电源输入端连接。所述电源控制电路包含电池开关、加装电池和双电池管理器，电池开关用于打开和关闭加装电池，加装电池为12V大于等于20AH的锂电池，双电池管理器用于保护车辆电池，单向传输功能，只有当车辆电池电容量饱和后，车辆电池电压达到13V时，双电池管理器导通为加装电池提供充电电源，车辆电池电压低于13V时，双电池管理器断开，加装电池通过电池开关连接电源保护电路。所述电源保护电路包含电源开关、DC-DC稳压器、指示灯、电压表和电流表，电源开关一端与电源控制电路连接，一端与DC-DC稳压器连接，
DC-DC稳压器的输入端正极与电源开关连接，DC-DC稳压器的输入端负极与电源控制电路的电池负极连接，DC-DC输出端连接指示灯、电压表和电流表，用于进行电源状态情况的指示。所述DC-DC稳压器输出端与电源1的稳压恒流电路连接，电源1的稳压恒流电路与连接器连接，电源1的连接器与模拟信号调制隔离电路单元300连接。所述DC-DC稳压器输出端与电源2的稳压恒流电路连接，电源2的稳压恒流电路与连接器连接，电源2的连接器与PCIE总线接口电路单元600连接。所述DC-DC稳压器输出端与电源3的稳压恒流电路连接，电源3的稳压恒流电路与连接器连接，电源3的连接器与ARM核心控制电路单元700连接。
本实施例中，优选地，所述车辆电源单元900带有发电机和电池装置，发电机为普通燃油汽车发电机，直流供电电路单元800的电源控制电路与电池装置连接成并联电路。
如图6所示，本申请实施例的具体应用示范示意图，汽车行驶过程中，轮胎与路面产生声音和震动信号，通过麦克风传感器100、动态胎压传感器100和加速度传感器100进行采集，通过两芯延长线缆与PCIE数据采集卡接口单元连接。所述PCIE数据采集卡接口电路单元包含模拟信号调制隔离电路、SCIS系统接口电路、PCIE数据采集电路、PCIE总线接口电路和ARM核心控制电路，PCIE数据采集电路单元500的电源接口与直流电源单元连接。
本实用新型实施例已成功应用于道路养护巡检装置，已取得较大的市场经济效果。不仅可以满足高精准高频段模拟信号采集要求，而且可以较大的降低高频段模拟信号采集硬件成本。具有良好的市场应用前景。
