CN100405416C - 虚拟仪器信号调理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟仪器信号调理装置，利用背板总线实现信号的传输、调理模块的集成，涉及测试技术中的信号调理装置，为解决现有调理装置存在的不易集成、不易与虚拟仪器配套的缺点而设计。本发明核心思想是电源内嵌于机箱，电源的输出端连接至背板总线，前面板上的传感器接插件耦接于信号调理模块；背板利用其上的级联总线实现信号的传输、调理模块的集成；待调理输入信号经前面板输入至信号调理模块，经信号调理模块调理后，通过背板上的调理模块接插件传输到背板总线，最后通过多芯电缆传输到虚拟仪器数据采集卡。利用本发明，解决了虚拟仪器系统集成存在的信号调理器不易集成，与数据采集卡连接不便的问题。

Description

虚拟仪器信号调理装置

技术领域

本发明涉及一种测试技术中信号调理装置，尤其涉及一种虚拟仪器信号调理装置。

背景技术

信号调理就是对由传感器输出的微弱信号进行放大、滤波等变换，变成标准信号(一般为±10V)的过程。常用的信号调理器多为独立式结构，即信号调理器为一个独立的机箱，例如现有的热电偶、热电阻、应变仪等均为独立式结构。通常情况下，一个信号调理器只有一个通道，只能连接一个传感器。也有的信号调理器具有多个通道，能同时连接多个传感器，如多通道应变仪。

调理器中实现信号调理功能的调理模块，主要具有以下功能：

1、传感器驱动：包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源，为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。

2、信号放大：为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范围。大多数传感器的输出范围在mV级，而A/D转换设备输入范围为Volt级。因此我们需要使用信号调理模块对传感器输出的信号进行放大。

3、信号滤波：模拟信号在数字化前必须进行低通滤波，以消除噪声和防止混叠现象，同时也可以使用信号调理模块滤除50-60Hz的工频噪声。

4、隔离：在测量高电压信号时，隔离电路可以防止你的后端设备被意外的高电压输入损坏，常用的有光隔离和磁隔离。

5、扩展通道数：有些信号调理模块具有多路转换器或矩阵变换电路的功能，可以把通道信号通道扩展至上千路。

6、其他功能：信号调理模块还可以实现信号衰减、采样同步、频率-电压的转换等功能。

在一个综合测试中，通常需要测量力、压力、位移、速度、加速度、温度、电压、电阻、电流、应变等多种物理量，这时如果采用传统的信号调理技术，就需要使用多个不同的信号调理器，整个测试系统的信号调理部分就会很庞大，而且各种电气联接方式并存，会给现场安装与走线带来很大困难，甚至造成整个系统集成的失败，这时一种能够同时对多路不同传感器输出的信号进行调理的信号调理器的出现成为测试人员的迫切需求。特别是现在测试技术正在进入第四代——虚拟仪器时代，这个需求就更为紧迫了。

虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器系统是一种基于计算机的自动化仪器系统，是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相联接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器测试系统由混合总线测量仪器及数据采集模块、专用转接及信号调理模块、被测对象三大部分组成。信号调理模块是连接前端传感器和后端数据采集设备的中间环节。所以信号调理是非常重要的。典型的系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器的输出接口到模块上。通过信号调理模块的各种功能，如信号的放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送器调理等，提高了数据采集系统的可靠性。

虚拟仪器的特点是采用总线结构，例如PXI(PCI Extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)总线，一个机箱内可以插入多个采集卡，每个采集卡有几十路信号通道，一个机箱通常有上百路信号通道，无法采用独立的信号调理形式进行系统集成。

发明内容

针对现有信号调理装置所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种结构紧凑、易集成且便于与虚拟仪器数据采集卡连接的虚拟仪器信号调理装置。

本发明是这样实现的：一种适用于虚拟仪器的信号调理装置，包括固定主板及前后面板的机箱、内嵌于机箱的电源、利用级联总线实现信号传输及调理模块集成的主板、对信号进行相应调理的信号调理模块等；其中，所述信号调理模块包括输入信号调理模块和输出信号调理模块。

主板固定在机箱内，电源输出端连接至主板总线，为主板总线和信号调理模块供电。该主板上设置有调理模块接插件、多芯电缆接插件；其中，调理模块接插件包括输入通道调理模块接插件和输出通道调理模块接插件，分别对应插接输入信号调理模块和输出信号调理模块。

前面板是采用灵活的嵌入式面板，可根据不同测试要求灵活更换。该面板上设有传感器接插件，该接插件通过双绞线连接信号调理模块的欧式端子。

本发明可以实现输入、输出两种信号的调理。输入信号的调理过程如下：由传感器输出的信号传输至输入信号调理模块，信号经该输入信号调理模块的调理电路板上的调理电路进行调理后，通过其在主板上的调理模块插接件传输到主板总线。上述调理后的信号由主板总线到数据采集卡的传输是通过多芯电缆实现的，主板总线与数据采集卡的通道是一一对应的。使用时将多芯电缆插在主板上的多芯电缆接插件上。多芯电缆接插件一侧与主板总线相连，从主板总线接收调理后的信号；另一侧通过多芯电缆与虚拟仪器数据采集卡相连，将调理后的信号传输给数据采集卡。

输出信号的调理过程如下：待调理输出信号由数据采集卡输出，通过多芯电缆、多芯电缆接插件、主板总线传输给输出信号调理模块，信号经过该输出信号调理模块处理后由该输出调理模块输出。

本发明中采用内嵌于机箱的电源，使信号调理器结构更加紧凑；级联总线方案的采用实现了信号调理模块的集成，便于与虚拟仪器的数据采集卡连接，满足了虚拟仪器测试系统的需求。

附图说明

图1是本发明虚拟仪器信号调理装置的信号传输流程图；

图2是本发明虚拟仪器信号调理装置的信号调理模块结构图；

图3是本发明虚拟仪器信号调理装置主板结构图；

图4是本发明虚拟仪器信号调理装置的模拟输出信号调理模块连接图；

图5是本发明虚拟仪器信号调理装置的模拟输入信号调理模块连接图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

本发明的虚拟仪器信号调理装置由机箱、内嵌于机箱的电源、利用级联总线实现信号传输及调理模块集成的主板、信号调理模块等部分组成。图1为输入信号传输流程图，传感器接在机箱前面板上的接插件上，由其输出的信号通过双绞线进入信号调理模块，调理后的信号经过主板总线、68芯电缆传输至虚拟仪器的数据采集卡，完成信号的调理过程。

该装置中为主板总线和调理模块供电的电源内嵌于机箱，采用开关电源。其输入输出端为导线形式，开关电源输入端连接至后面板上的标准电源插座上，输出端有±15V、±5V、+5V五路输出，其中±15V、±5V给模拟电路供电，+5V给数字电路供电，输出端通过标准连接器连接至主板，为主板及主板上的信号调理模块供电。开关电源使测试系统结构更加紧凑，为了防止开关电源带来的电磁干扰，在其内部连接了EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)滤波器：开关电源的输入电路连接有EMI滤波器，以降低外部电磁干扰对开关电源的影响；其输出电路连接EMI滤波器，以防止开关电源产生的电磁波干扰机箱内部电路。

调理装置的前面板为嵌入式面板，通过机箱底梁固定槽和机箱上梁螺钉进行固定安装，可根据测试要求灵活更换，共有20多种前面板。前面板上的传感器接插件通过双绞线与信号调理模块的欧式端子相连。

对输入、输出信号进行相应的调理的信号调理模块由欧式端子、调理电路板和外壳等组成，调理电路板上设有调理电路。图2为一个模拟输入放大器调理模块，该调理模块最多有两路输入，其中AI1+(Analog Input，模拟输入)、AI1-为一路，AI2+、AI2-为一路，GND为接地端。来自传感器的信号自AI1端或者AI2端输入以后，经过放大电路对信号进行放大，然后输出到主板总线，放大后的信号经过主板总线传输给第二级信号调理模块或者主板上的68芯电缆接插件。

信号调理模块共有近百种，例如：放大器、衰减器、隔离放大器、低通滤波器、热电偶、热电阻、应变、加速度、电阻输入、电流输入、功放、抗混叠滤波器、抗镜像滤波器、隔离继电器、频率计、定时器等，可以组合出成千上万种应用，覆盖了工业上大部分应用。

实现信号相应调理的信号调理模块为总线结构，使用时直接插在主板总线上的调理模块接插件上，调理后的信号通过信号调理模块接插件传输到主板总线。一个机箱内一共有22个(根据测试需求而不同)信号调理模块接插件，其中模拟量输入AI有8个接口(共16路，每个接口最多有两路输入)、数字输入输出有8个接口(8路)、模拟量输出AO(Analog Output，模拟输出)有4个接口、定时器1个接口、计数器1个接口，接口的数量基本满足了大多数采集卡的路数。

各种模块接插件的分配如下：调理模块接插件J1-J8为模拟输入通道AI单级使用/双级使用第二级接插件，调理模块接插件J9-J16为数字I/O及模拟输入通道双级使用第一级，调理模块接插件J17-J20为模拟输出通道接插件，调理模块接插件J21-J22为定时计数器接插件，主板结构如图3。信号调理模块可根据不同的功能插在相应的调理模块接插件上。对于模拟输入通道信号调理模块，信号是通过前面板上的传感器接插件引入，接线到输入信号调理模块，调理后的信号通过主板总线、68芯电缆接插件、68芯电缆传输给虚拟仪器的数据采集卡；对于模拟输出通道信号调理模块，信号由数据采集卡输出通过68芯电缆、68芯电缆接插件、主板总线传输给输出信号调理模块，信号经过调理模块处理后由调理模块的欧式端子输出。

主板总线与数据采集卡的通道具有一一对应的关系，下面以模拟量输出为例描述其对应关系：主板提供了两路模拟输出通道给模拟输出信号调理模块。单级模拟输出使用时，模拟输出信号调理模块接插件J17对应的是模拟输出通道0，模拟输出信号调理模块接插件J19对应的是模拟输出通道1；双级模拟输出使用时，模拟输出第一级安装在模拟输出信号调理模块接插件J17或J19上，第二级安装在模拟输出信号调理模块接插件J18(模拟输出通道0)或J20(模拟输出通道1)上。例如用模拟输出通道0作模拟输出两级使用，对模拟输出信号进行抗镜像滤波、放大，第一级用抗镜像滤波信号调理模块，插接在信号调理模块接插件J17上；第二级使用放大器信号调理模块(AO)，插接在信号调理模块接插件J18上。如图4所示，68芯电缆接插件的针脚AO0-D与第一级模拟输出信号调理模块的针脚1通过主板总线连接，由虚拟仪器信号采集卡输出的信号通过第一级模拟输出信号调理模块的针脚1进入第一级抗镜像滤波信号调理模块进行处理，调理后的信号由该调理模块的针脚19、17输出，经主板总线传输到第二级放大器信号调理模块的针脚2、1，进入放大器信号调理模块进行信号的放大，放大后的信号通过放大器信号调理模块的欧式端子输出，完成模拟输出信号的调理过程。

下面以模拟量输入为例描述主板总线与数据采集卡通道的对应关系：当模拟输入信号调理模块有两路时，模拟输入信号调理模块接插件J1分别对应的是模拟输入通道0和8，模拟输入信号调理模块接插件J2分别对应的是模拟输入通道1和9，调理模块接插件J3-J8依次类推；模拟输入信号调理模块有一路时，调理模块接插件J1对应的是模拟输入通道0，调理模块接插件J2对应的是模拟输入通道1，调理模块接插件J3-J8依次类推。

当上述待调理信号为单级模拟量输入时，直接将信号调理模块接在输入信号调理模块接插件J1-J8中的任一接插件上，自传感器输出的信号经双绞线传输到输入信号调理模块的欧式端子上并进入信号调理模块，经调理模块的调理电路处理后，通过调理模块接插件输出给主板总线，再经过主板总线、68芯电缆接插件、68芯电缆传输给虚拟仪器的数据采集卡，完成信号的调理过程。

当待调理信号为双级模拟输入时，信号调理模块输入第一级安装在主板总线上的调理模块接插件J9-J16中任一接插件上，第二级输入安装在调理模块接插件J1-J8中与第一级调理模块相对应的接插件上。这样选择的原因是使用单级模块的情况很多，所以只有调理模块接插件J1-J8通过主板总线与68芯接插件对应相连，实现主板总线与数据采集卡的通道的意义对应关系。在级联使用时，由前面板上的传感器接插件输入的信号经双绞线传输到第一级输入信号调理模块的欧式端子上，进入第一级调理模块进行调理，经该调理模块的调理电路处理后的信号经过该调理模块插接件传输到主板总线。第一级调理后的信号经主板总线、第二级调理模块的接插件进入第二级信号调理模块，经第二级调理模块的调理电路调理后，由该模块的接插件输出到主板总线。两级调理后的信号经过主板总线、68芯电缆传输给数据采集卡，完成信号的调理过程。

举例说明第一级模拟输入信号调理模块、第二级模拟输入信号调理模块及68芯电缆接插件的主板总线连接方式及信号的传输方式。假设传感器输出的信号需经放大、滤波两级调理，第一级输入信号调理模块为放大器调理模块，该模块插接在调理模块接插件J9上；第二级输入信号调理模块为滤波器调理模块，将其插接在调理模块接插件J1上，如图5所示。待调理的信号由调理模块接插件J9上的放大器调理模块的欧式端子：AI1端(AI1+、AI1-)和AI2端(AI2+、AI2-)进入调理模块，经该调理模块的放大电路放大后，分别由针脚1、2(AI0+TO2、AI0-TO2)和针脚4、8(AI8+TO2、AI8-TO2)输出。输出的信号经主板总线传输到第二级信号调理模块的19、17针脚和18、20针脚，进入滤波器调理模块。信号经滤波电路处理后，由针脚1和4输出，这两个针脚通过主板总线与68芯电缆接插件相连，分别对应数据采集卡的0通道和8通道。经过放大、滤波两级调理后的信号通过主板总线、68芯电缆接插件、68芯电缆进入虚拟仪器数据采集卡的相应通道。

上述调理后的信号由主板总线到数据采集卡的传输是通过68芯电缆实现的，使用时将68芯电缆插在主板上的68芯电缆接插件上。68芯电缆接插件一侧与主板总线相连，从主板总线接收调理后的信号；另一侧通过68芯电缆与虚拟仪器数据采集卡相连，将调理后的信号传输给数据采集卡。也就是说，主板总线是数据采集卡通道的延伸，这样，插入主板总线的信号调理模块处理后的信号就会直接进入采集卡的各个相应的通道，虚拟仪器通过数据采集卡对调理后的信号进行采集。

在总线接插件附近的底板上，有一个开孔，开孔的大小、位置与信号调理模块上的突出部相对应，目的在于防止信号调理模块插入主板时，发生错误。在主板上还开设了总线检测区和为用户预留的空白区。总线检测区为信号进入68芯电缆之前的一个监测点，通过总线检测点可以进行信号调理装置故障诊断。预留的空白区用于当信号调理模块不能满足所需功能时，用户可以通过空白区临时搭建电路实现。在主板上还设有电压基准电路和电源指示电路。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于虚拟仪器的信号调理装置，包括有机箱、工作电源、主板和信号调理模块，其中，所述机箱中设置有前面板，所述前面板上设置有传感器接插件，所述主板固定于机箱中，该主板上设置有调理模块接插件、多芯电缆接插件，其特征在于，所述工作电源内嵌于机箱，电源的输出端连接至主板总线，所述传感器接插件耦接于信号调理模块，所述信号调理模块包括输入信号调理模块和输出信号调理模块；所述主板利用其上的总线实现信号的传输、信号调理模块的集成；调理模块接插件包括输入通道调理模块接插件和输出通道调理模块接插件，分别对应插接输入信号调理模块和输出信号调理模块；待调理输入信号经前面板输入至输入信号调理模块，经输入信号调理模块调理后，通过主板上的输入通道调理模块接插件传输到主板总线，最后通过多芯电缆传输到虚拟仪器数据采集卡；待调理输出信号由数据采集卡输出，通过多芯电缆、多芯电缆接插件、主板总线传输给输出信号调理模块，信号经过输出信号调理模块处理后由输出信号调理模块输出。

2.如权利要求1所述的虚拟仪器信号调理装置，其特征在于，所述工作电源为开关电源。

3.如权利要求2所述的虚拟仪器信号调理装置，其特征在于，所述的开关电源，其输入电路上连接有EMI滤波器，以降低外部电磁干扰对开关电源的影响；开关电源的输出电路上连接有EMI滤波器，以降低开关电源产生的电磁干扰对机箱内部电路的影响。

4.如权利要求1所述的虚拟仪器信号调理装置，其特征在于，所述主板上的总线为级联总线，以实现信号两级调理；信号经过第一级信号调理模块处理后，由第一级调理模块接插件输出，经过主板总线、第二级调理模块接插件直接进入第二级信号调理模块进行信号调理。

5.如权利要求1所述的虚拟仪器信号调理装置，其特征在于，所述信号调理模块由欧式端子、调理电路板和外壳组成，采用总线结构，使用时直接插在主板上的调理模块接插件上，当模拟输入信号调理模块作为第一级使用时，其欧式端子为信号的输入端；当模拟输入信号调理模块作为第二级使用时，主板上插接该模拟输入信号调理模块的输入通道调理模块接插件为信号的输入端；输出信号调理模块的输入端为主板上插接该输出信号调理模块的输出通道调理模块接插件，输出端为该输出信号调理模块的欧式端子。

6.如权利要求1所述的虚拟仪器信号调理装置，其特征在于，所述主板上的多芯电缆接插件采用68芯电缆接插件，68芯电缆接插件一侧与主板总线连接，另一侧通过插接其上的68芯电缆与虚拟仪器的数据采集卡相连，实现信号自主板总线到数据采集卡的输入、输出。

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