CN101373963A - 用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于扩展基本数据采集设备通道数时多通道分组切换装置，提出了该多通道分组切换装置的两种技术方案。在两种方案中，切换装置都包括输入端口、输出端口、单元切换器件阵列、译码器；在第1种方案中，还包括有控制端口，以连接外部控制设备，接受外部控制设备发出的切换控制指令；在第2种方案中，切换装置包含有下位机，其通过通信接口电路从外部上位机接收源头切换控制指令；都根据控制指令选通相应的切换单元以实现一组输入通道与输出通道的导通。现有的用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置方案，都是针对单通道基本数据采集设备的扩展方案，而本发明两种方案都是主要针对多通道基本数据采集设备的扩展方案。

Description

用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置

技术领域

本发明涉及用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置。

数据采集(Data Acquisition)的基本意思是指，通过模数(A/D)转换实现数据的数字化，并对数字进行存储。很多仪器设备，都包含了数据采集环节，它们都可以看成一个数据采集设备。比如，一个手持式的声发射探伤仪，只要外挂相应的探头就可以使用，它是包含了声发射信号采集模块的嵌入式仪器，可以看成是一个数据采集设备。再如，经常看到的更为通用的数据采集设备是：一台通用计算机，其机内扩展总线(如PCI插槽等)上插上数据采集板卡，或者其外部扩展接口(如RS232口、USB口等)上外挂一个数据采集模块，来实现数据采集。这里，将以上这些直接连上传感器(或者传感器之变送器)便可以实现数据采集的设备，称为基本数据采集设备。

某些基本数据采集设备的成本很高。原因是，这些设备可能是成熟的高度集成化的数采设备，其包括传感器电源、程控放大、程控滤波、AD转换、实时处理等完备的功能模块，开发不易。例如，美国NI公司的一块4通道的振动加速度信号采集卡(或模块)约2万元人民币，美国PAC公司一块8通道的声发射信号采集卡约10万元人民币，美国PAC公司一台手持式的2通道声发射检测仪达15万元人民币。然而，实际中，有时需要采集的信号通道数远远超过基本数据采集设备提供的通道数，如果这时靠增加昂贵的采集板卡或采集模块或者嵌入式采集仪器的数量来解决问题，则在经济上难以承受。

不过，对实际中虽然要采集很多路信号但这些路信号采集的同步性要求不高的场合，可以利用一个多通道分组切换(Switch)装置来切换，通过多通道分时分组输入来共享一台基本数据采集设备，从而达到大大节省数据采集成本的目的。即，将待测的所有通道按基本数采设备通道数进行分组，在计算机的控制下分时地实现各组通道信号与基本数采设备的导通，起到扩展基本数据采集设备通道数的作用。

背景技术

在中国专利局网站上，以Data acquisition和Switch为主题词，搜索国外的相关专利，未找到关于多通道分组切换装置的发明案例；同样，以Data acquisition和Switch为主题词，在国际权威文献数据库中也没有发现关于多通道分组切换装置的文献。

在国内部分，查到一件已公开的涉及多通道分组切换装置的发明专利申请。发明人为“伍敏”和“伍德常”，发明名称为“多通道切换卡”，申请号为200610132471.3。该多通道切换卡，解决的技术问题，实质是如何扩展单通道的嵌入式仪表以实现多通道信号的采集和显示。该多通道切换卡采取的技术方案是：输出通道为1个通道——接仪表，输入通道为多个通道——接多路传感器，中间为执行多进单出选通切换的模块，由二级继电器或模拟开关来实现，切换模块由主控芯片(下位机)控制，主控芯片还可通过RS232连至上位机，接受上位机的最终控制。

在国内部分，查到的涉及多通道分组切换装置的文献是“超声检测中单通道变多通道信号切换控制”(作者为“宁彩林”、“张吉堂”、“王彪”，期刊名称为“微计算机信息”，刊出时间：2007年，V23(3-1)，p61-62)。该文献提出的方案，解决的技术问题实质上也是如何扩展单通道的嵌入式仪器来实现多通道传感器信号的采集，方案中也采用了上位机、下位机，执行器件为固态继电器。

现有发明和文献涉及的多通道分组切换装置，都旨在共享一个单通道的基本数据采集设备，共同的特点是只有一个输出通道。但是，实际中，有的嵌入式仪器是多个通道，如前面提到的PAC公司的手持式的2通道声发射检测设备；对于基于通用计算机和采集板卡(或模块)的基本数据采集设备，往往提供的通道数更多，如前面提到的NI公司4通道板卡(或模块)，PAC公司8通道板卡等。目前，尚没有发现用于扩展多通道基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置方案。

需要说明的是，很多文献和专利资料提到的数据采集装置，虽然其内部有通道切换的部分，但是它们在装置内都包含了模数(AD)转换部分，它们不属于本发明所涉及的多通道分组切换装置，而是属于上面提到的基本数据采集设备的范畴。比如，专利申请“姜秀杰，汪大星，陈小敏，孙辉先：一种适用于微重力流体实验的多通道温度采集系统，发明专利说明书(申请号200410103546.6)”，文献“张庆荣，张鹏波，李成贵：高精度气敏传感器测试系统的研制，微计算机信息(测控自动化)，2006年，V22(9-1)，p152-153”，等。

发明内容

要解决的技术问题。现有的多通道分组切换装置的方案，都是扩展单通道基本数据采集设备通道数的方案，本发明旨在提出可用于扩展多通道基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置方案。

技术方案。

提出的第1种多通道分组切换装置的方案是，它包括输出端口、输入端口、单元切换器件阵列、控制端口、译码器。输出端口是使用时与基本数据采集设备输入通道相连的端口，输入端口是使用时与传感器组(或其变送器组)相连的端口，控制端口是使用时与提供数字I/O控制信号的外部控制设备相连的端口。该切换装置控制端口接收的数字I/O控制信号经译码器译码后送给单元切换器件阵列，控制单元切换器件阵列选通相应若干单元，从而实现一组输入通道与输出通道的导通。见附图1。输出端口可有多个通道，其通道数N_out由与其相连的基本数据采集设备的输入通道数决定，输入端口的通道数N_in由输出端口通道数N_out、选取的单元切换器件逻辑功能、输入的传感器信号通道数三因素共同决定。

提出的第2种多通道分组切换装置的方案是，它包括输出端口、输入端口、单元切换器件阵列、通信接口电路、下位机、译码器。与上面第一种方案比较，该方案输出端口、输入端口、单元切换器件阵列及译码器的作用与第一种方案相同；不同点有，该方案在切换装置内纳入了下位机，下位机通过译码器对单元切换器件阵列进行直接控制，而不是由外部控制设备提供的数字I/O控制信号经译码器后进行相应的控制；另外，下位机通过通信接口电路从上位机获取最源头的切换控制命令。见附图2。同样，输出端口可有多个通道，其通道数N_out由与其相连的基本数据采集设备的输入通道数决定，输入端口的通道数N_in由输出端口通道数N_out、选取的单元切换器件逻辑功能、输入的传感器信号通道数三因素共同决定。

关于提出的以上两种切换装置方案中的输出端口的通道数。不管哪种切换装置方案，切换装置输出端口提供的通道数N_out取与之相连的外部基本数据采集设备的输入通道数。

关于提出的以上两种切换装置方案中的单元切换器件。单元切换器件，是一个执行电路切换的基本开关单元。单元切换器件从实现上说可分为两类：一类是继电器单元，一类是模拟开关单元。继电器单元一般支持大工作电流和工作电压，但它支持的通道数一般只有两个，是一个可控的双掷开关，实现2选1的逻辑；模拟开关单元一般不支持大工作电压和电流，但支持的通道数可较多，如4选1、8选1、16选1的模拟开关等。对大规模的通道切换装置宜尽量选用通道数多的单元切换器件以简化阵列电路，而对较小规模的通道切换装置宜尽量选用通道数少的单元切换器件以方便整个切换逻辑的实现。

关于提出的以上两种切换装置方案中的输入端口的通道数。不管哪种切换装置方案，输入端口提供的通道数N_in都由各自待接入传感器(或其变送器)的通道数、输出端口的通道数及其单元切换器件的切换逻辑共同决定。不管哪种切换装置方案，输入端口提供的通道数N_in都应不小于其待接入传感器(或其变送器)的通道数；同时，由于是多通道分时分组导通的缘故，输入端口所提供通道数N_in应该为输出端口通道数N_out的整数倍；基于这两条先给出一个输入端口通道数的最小值作为初始值，记作

。此时，装置选定的单元切换器件若是一个M选1的逻辑，则整个单元切换器件阵列的级数(层数)取为

向上取整，记作N_l，即取 $N_l=\mathrm{Ceil}\left({\log }_M(N_{\mathrm{in}}^o/N_{\mathrm{out}})\right)$ ；再最终将输入端口通道数修正确定为 $N_{\mathrm{in}}=N_{\mathrm{out}}\·M^{N_l}.$

关于提出的以上两种切换装置方案中的单元切换器件阵列。由于切换装置的切换逻辑往往要多个单元切换器件配合、逐级完成，故把这些单元切换器件的排列组合称为阵列。单元切换器件阵列的级数N_l取log_M(N_in/N_out)(M指单元切换器件为M选1逻辑，N_in为确定的最终输入通道数)，单元切换器件阵列从第1级到第N_l级的单元器件个数依次确定为：N_in/M，N_in/M²，…，N_out。以单元切换器件采用“双刀双掷”的开关逻辑器件为例，假如各个信号通道都是差分通道，即一个单元切换器件刚好实现两差分通道中选出一个差分通道的“2选1”逻辑，再假如切换阵列的目标是从16个差分通道中选出2个差分通道，则计算可知，切换单元阵列共需3层，第1层8个切换单元，第2层4个切换单元，第3层2个切换单元，见附图3。

关于提出的以上两种切换装置方案中的译码器。译码器的作用是将来自下位机或外部控制设备的切换控制信号翻译成各具体切换单元的选通信号，根据需要的译码逻辑选用。在切换单元阵列的单元器件个数较少时，译码器不必要。

关于提出的切换装置方案2中的下位机和通信接口电路。下位机根据上位机传来的选通信息产生选通控制信号，下位机可用普通的单片机来实现；接口电路是为了上位机与下位机之间正常通信的实现而设立，比如实现电平转换等。切换装置方案2的最源头控制者为外部的上位机，上位机根据具体应用系统的实际需要发出控制信息。

有益效果。

现有的多通道分组切换装置方案只能用于扩展单通道基本数据采集设备的通道数，不能用于扩展多通道基本数据采集设备的通道数。而本发明提出的两种方案，可以用于扩展多通道基本数据采集设备的通道数。在两种方案中，不仅指出了输出端口通道数的确定方案，而且提出了与此相关的输入端口、单元切换器件阵列、译码器、控制端口或下位机及通信接口电路的方案，这些方案或子方案比现有的多通道切换装置的方案或子方案，要详细、通用，可操作性强。

就本发明提出的两种方案而言，第1种方案中切换装置没有下位机，控制信号由外部控制设备提供，因此，切换装置更易实现，但外部控制设备要复杂一些，比如，若由PC机加一块控制板卡来实现外部控制设备，则要有一块控制板卡；在第2种方案中，切换装置内有下位机，实现稍麻烦一些，但从上位机获取控制信息，可以利用上位机现成的RS232口、USB口等通信接口来通信，不需要另外的控制板卡。两种方案各有千秋。

附图说明

附图1，第1种多通道分组切换装置方案。

附图2，第2种多通道分组切换装置方案。

附图3，16个通道选2个通道切换单元阵列示意图(差分通道)。

附图4，按发明方案1实现的一多通道分组切换装置示意图。

附图5，按发明方案2实现的一多通道分组切换装置示意图。

具体实施方式

实施例1。

某机器设备需要监测14路振动加速度信号。现有一块4差分通道NI-PCI-4474振动加速度信号采集卡，插入工控机PCI槽，形成了一个4输入通道基本数据采集设备。欲开发一个多通道分组切换装置对采集卡的4个差分通道进行扩展，以实现对14路加速度通道的分时分组采样。按发明方案1实现之，如下。

多通道分组切换装置输出端口的通道数取采集卡的通道数4。

选用“双刀双掷”的信号继电器TF2-4.5(ATF206)作为一个单元切换器件，实现从2个差分通道中选出其中1个的逻辑。

切换装置输入端口的通道数，根据输出端口通道数为4、选定的单元切换器件为“2选1”、传感器通道数为14，将之确定为16。计算依据：N_out＝4，

应该取16，修正的 $N_{\mathrm{in}}=N_{\mathrm{out}}\·M^{N_l}=4\·2^2=16.$

切换装置的切换阵列。计算的N_l＝2，即将切换阵列设两级，第1级、第2级经计算分别为8个切换单元和4个切换单元。

选用两个74237型3线-8线译码器。其中一个译码器用于第1级8个继电器的选通，另一个译码器用于第2级4个继电器的选通。

译码器通过控制端口从外部控制设备接受控制信号。在具体实施中，外部控制信号由插入工控机PCI槽的一多功能卡NI-PCI-6220产生；即，这里外部控制设备和基本数据采集设备共用了一个工控机。

实施例2。

同样的问题，某机器设备需要监测14路振动加速度信号。现有一块4差分通道NI-PCI-4474振动加速度信号采集卡，插入工控机PCI槽，形成了一个4输入通道基本数据采集设备。欲开发一个多通道分组切换装置对采集卡的4个差分通道进行扩展，以实现对14路加速度通道的分时分组采样。按发明方案2实现之，如下。

多通道分组切换装置输出端口的通道数取采集卡的通道数4。

选用“双刀四掷”的模拟开关CD4052作为单元切换器件。实现从4个差分通道中选出其中1个的逻辑。

切换装置输入端口的通道数，根据输出端口通道数为4、选定的单元切换器件为4选1、传感器通道数为14，将之确定为16。计算依据：N_out＝4，

应该取16，修正的 $N_{\mathrm{in}}=N_{\mathrm{out}}\·M^{N_l}=4\·4^1=16.$

切换装置的切换阵列。计算的N_l＝1，即将切换阵列设1级，这1级共4个切换单元。

每个单元切换器件内含了2线4线译码器。由于单元切换器件共只有4个，相应的选通信号线数总共只有8根，因此不必再设置另外的译码器，由下位机直接控制切换单元即可。

选用AT89C51单片机作为下位机。下位机与上位机的通信采用了RS232接口协议，接口电路选用MAX232器件来实现。

用工控PC机作为上位机，PC通过MAX232向单片机发出控制切换的指令，请求中断，单片机执行中断服务程序，根据上位机命令控制四个模拟开关动作。这里，工控机中不需要插入一块控制卡用来提供外部控制。

Claims (8)

1.一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，包括输出端口、输入端口、单元切换器件阵列、控制端口、译码器，其特征在于，输出端口可有多个通道，其通道数N_out由与其相连的基本数据采集设备的输入通道数决定，输入端口在使用时与传感器组(或变送器组)相连，其通道数N_m由输出端口通道数N_out、选取的单元切换器件逻辑功能、输入的传感器信号通道数三因素共同决定，控制端口从外部控制设备处获取控制信息，通过译码器对单元切换器件阵列进行控制，从而在多输入通道中选通一组输入通道与输出通道导通。

2.一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，包括输出端口、输入端口、单元切换器件阵列、通信接口电路、下位机、译码器，其特征在于，输出端口可有多个通道，其通道数N_out由与其相连的基本数据采集设备的输入通道数决定，输入端口在使用时与传感器组(或变送器组)相连，其通道数由输出端口通道数、选取的单元切换器件逻辑功能、传感器信号通道数三因素共同决定，下位机通过通信接口电路从外部上位机获取控制指令，再通过译码器对单元切换器件阵列的切换进行控制，从而在多输入通道中选通一组输入通道与输出通道导通。

3.根据以上权利要求1或权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，切换装置输出端口提供的通道数N_out取与之相连的外部基本数据采集设备的输入通道数。

4.根据以上权利要求1或权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，单元切换器件，是一个执行电路切换的基本开关单元，采用继电器单元或者模拟开关单元来实现，在大工作电流或工作电压环境中，宜优先采用继电器单元，在切换装置输入通道数多、切换规模大的场合，宜优先选用通道数较多的切换单元以简化阵列电路，在切换装置的输入通道数不多、切换规模不大的场合，宜优先选用通道数少的单元切换器件以方便整个切换逻辑的实现。

5.根据以上权利要求1或权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，输入端口提供的通道数N_in，应不小于其待接入传感器(或变送器)的通道数，同时应该为输出端口通道数N_out的整数倍，基于这两条先给出一个输入端口通道数的最小值作为初始值，记作

计算整个单元切换器件阵列的级数(层数)N_l，令其取log_M

向上取整(M指选定的单元切换器件为M选1逻辑)，即取 $N_l=\mathrm{Ceil}\left({\log }_M(N_{\mathrm{in}}^o/N_{\mathrm{out}})\right),$ 最终将输入端口通道数修正确定为 $N_{\mathrm{in}}=N_{\mathrm{out}}\·M^{N_l}.$

6.根据以上权利要求1或权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，单元切换器件阵列的级数N_l取log_M(N_in/N_out)(M指单元切换器件为M选1逻辑，N_in为确定的最终输入通道数)，单元切换器件阵列从第1级到第N_l级的单元器件个数依次确定为：N_in/M，N_in/M²，…，N_out。

7.根据以上权利要求1或权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，译码器的作用是将来自下位机或外部控制设备的切换控制信号翻译成各具体切换单元的选通信号，它根据实际需要的译码逻辑进行选用，在单元切换器件阵列的切换单元个数较少时，译码器可不必要。

8.根据权利要求2所述的一种用于扩展基本数据采集设备通道数的多通道分组切换装置，其特征在于，下位机根据上位机传来的源头控制信息产生选通控制信号，通信接口电路是上位机与下位机之间通信的接口电路。

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