CN101776708A - 一种多通道电压采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道电压采集装置和方法，装置包括：与待检测电压模块数量一致的滤波放电单元，分别与待检测电压模块连接；多通道切换单元，与滤波放电单元连接；逻辑控制单元，分别与多通道切换单元连接，用于产生多通道切换单元进行电压采集通道切换控制的通道切换控制信号；处理器单元，分别与多通道切换单元、逻辑控制单元连接，用于对采集的电压进行处理，以及控制逻辑控制单元产生通道切换控制信号。本发明通过对待检测电源模块的输出电压进行滤波，用于消除待检测电源模块的输出电压在传输时受到的空间共模干扰和线传输干扰，通过光耦继电器控制通道的导通与关闭，具有速度响应快、稳定时间短、线性度好、使用寿命长的特点。

Description

一种多通道电压采集装置及方法

技术领域

本发明涉及电学领域，特别是涉及一种用于模块电源老化监测的多通道电压采集装置及方法。

背景技术

目前，在电子系统的各种单板设计中，通常会用到各种型号DC/DC(directcurrent/direct current)电源模块，这些电源模块的质量直接影响单板乃至整个系统的正常运行，因此，这些电源模块的出厂需要进行严格的老化筛选过程，并且要求在老化过程中，对每个电源模块的工作状态和输出电压进行实时监测。

在上述背景下，需要有一个多通道电源采集装置，能够在几秒钟内对几百个电源模块的电压进行扫描采样，根据每次采样的结果与正常值进行对比，以判断是否在老化过程中出现异常。

市场上现有的电压采集装置，都是在比较理想的环境下进行几十路电压采集，没有考虑采集现场中电压的采集空间共模干扰和线传输干扰。但是，在实际的老化柜内，现场环境存在复杂的干扰，10几米的电压传输线缆在受干扰的情况下，如果不进行噪声处理和采取传输线上的抗干扰措施，采集电压的精度会受很严重的影响。另外，现有技术所采用的关键器件-线性光耦，线性度和使用寿命都有限制，会降低采集电压装置的采集精度和可靠性。

专利号为ZL01112943、发明名称为多通道高精度电压及铃流测试装置的中国专利，公开了一种多通道采集电压的方法，其使用继电器的方式进行通道切换。该技术方案的缺点是：单个通道切换速度慢，电压稳定时间较长，不利于在短时间内对几百路的通道扫描采集数据，并且该专利对电压波形取样，也没有充分考虑线缆的杂波干扰，只能在比较理想的检测环境下，实现高精度的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多通道电压采集装置及方法，用以解决现有技术电压采集精度低的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种多通道电压采集装置，所述装置包括：

与待检测电压模块数量一致的滤波放电单元，分别与所述待检测电压模块连接，用于对所述待检测电压模块输出的电压进行滤波；

多通道切换单元，与所述滤波放电单元连接，用于控制电压采集通道的切换；

逻辑控制单元，分别与所述多通道切换单元连接，用于产生所述多通道切换单元进行电压采集通道切换控制的通道切换控制信号；

处理器单元，分别与所述多通道切换单元、逻辑控制单元连接，用于对采集的电压进行处理，以及控制所述逻辑控制单元产生所述通道切换控制信号。

进一步，所述多通道切换单元包括与所述滤波放电单元数量一致、且分别与所述滤波放电单元一一连接的光耦继电器。

进一步，所述装置在多通道切换单元和处理器单元之间还设置有：

分量程单元，与所述多通道切换单元连接，设置有多档与所述待检测电源模块的采集电压相匹配的量程，每档量程都对应有各自的量程测试通道；

量程切换单元，分别与所述分量程单元、处理器单元和逻辑控制单元连接，其中，所述处理器单元控制所述逻辑控制单元产生量程切换控制信号，所述量程切换单元根据所述量程切换控制信号，控制与采集电压匹配的量程测试通道的通断。

进一步，所述量程切换单元通过光耦继电器控制每档量程对应的量程测试通道的通断。

进一步，所述装置还包括：

同相比例放大单元，分别与所述量程切换单元和处理器单元连接，用于消除所述分量程单元造成的电路间匹配干扰。

进一步，所述装置还包括：

模数转换单元，分别与所述同相比例放大单元和处理器单元连接，用于将所述同相比例放大单元输出电压的模拟信号转换为数字信号后，输入到所述处理器单元内。

进一步，所述装置还包括：

采集结果输出单元，与所述处理器单元连接，用于在所述处理器单元的控制下，输出采集的电压数据。

另一方面，本发明还提供一种多通道电压采集方法，所述方法包括以下步骤：

对待检测电压模块的输出电压进行滤波；

控制与一个待检测电压模块对应的电压采集通道导通，对该待检测电压模块进行电压采集，采集完毕后关闭该电压采集通道；

循环上述步骤，依次导通剩余的电压采集通道，对剩余的待检测电压模块进行电压采集。

进一步，在导通电压采集通道之前，还包括：

选择与待检测电压模块输出电压相匹配的量程。

进一步，通过光耦继电器控制电压采集通道的导通。

本发明有益效果如下：

本发明通过对待检测电源模块的输出电压进行滤波，用于消除待检测电源模块的输出电压在传输时受到的空间共模干扰和线传输干扰，尤其是在高温老化环境中，老化柜内空间杂波干扰源较强情况下，保证较高的电压采样精度。另外通过光耦继电器控制通道的导通与关闭，具有速度响应快、稳定时间短、线性度好、使用寿命长的特点。

附图说明

图1是本发明实施例一种多通道电压采集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例再一种多通道电压采集装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一种多通道电压采集方法的流程图；

图4是采用本发明实施例的装置和方法进行电压采集与采用现有技术进行电压采集的对比图。

具体实施方式

为了解决现有技术电压采集精度低的问题，本发明提供了一种多通道电压采集装置及方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，本发明实施例1涉及一种多通道电压采集装置，包括：

滤波放电单元101，由电阻、电容等电子元器件组成，主要用来实现对待检测电压模块输出的模拟电压进入电压采集通道前的滤波，以及通道切换前的电压归零。在信号传输过程中，滤波放电单元101吸收因线缆受干扰产生的信号杂波。由于每一个待检测电压模块的输出线缆都会受到干扰，因此，每一个待检测电压模块都连接有一个滤波放电单元101，用于对待检测电压模块输出的电压进行滤波。另外，由于滤波放电单元101包括电容等储能电子元器件，因此，在电压采集结束后(待测电压采集通道关闭后)，还存在电压，如果不进行处理，将会对以后的电压采集造成影响，因此，滤波放电单元101需要设置放电电路，以防止通道间的电容积累电压，保证待测电压采集通道关闭后，该采样通道上的电压迅速归零，以便不影响下一次电压采集。

多通道切换单元102，用于控制多路电压采集通道的切换。切换后，一个电压采集通道的电压采集时间段内，只有一路电压被导通。多通道切换单元102采用光耦继电器控制电压采集通道的通断，由于每一个电压采集通道都需要单独进行通断控制，因此，每一个电压采集通道都连接有一个光耦继电器。

采用光耦继电器作为多通道间模拟电压的切换和隔离，具有以下优点：光耦继电器由于在小电流情况下，通道上压降几乎可以忽略，而且，响应速度快，稳定时间短，通道上电压降很低，模拟量切换前后的线性度很好，不变形，不需要专门的软件处理来补偿切换通道上的失真，并且最大的优点在于光耦继电器作为一种MOS通道的切换，只要通道电流不超过额定电流，其使用寿命理论上是无限次的，可靠性高，用于小电流情况下模拟电压的信号取样非常合适，这是一般光耦或者继电器所不具备的。

逻辑控制单元108，分别与多通道切换单元102的各个光耦继电器连接，用于产生多通道切换单元102进行电压采集通道切换控制的通道切换控制信号；

处理器单元107，分别与多通道切换单元102、逻辑控制单元108连接，用于对采集的电压进行处理，以及控制所述逻辑控制单元产生所述通道切换控制信号。处理器单元107对采集的电压进行处理，是指对采集的电压信号进行记录、存储，并对存储的数据进行输出。另外，处理器单元107还可以对同一电压多次采集的数据进行滤波，即：对采集的电压数据进行判断，如果其中某一次电压数据与其它数据相差较大(超过预先设定的阈值范围)，则认为该次采集数据是由于外界干扰或装置偶然异常引起的采集数据不准确，则舍弃本次数据，以免由这些数据造成后续的数据分析不正确。

其中，处理器单元107在对一个通道的采集电压处理完毕之后，控制逻辑控制单元108产生关闭该通道的通道切换控制信号，并产生控制下一个通道导通的通道切换控制信号，对下一个通道进行电压采集。处理器单元107可以将采集的电压数据进行保存，也可以通过通信接口，将电压数据传输给上位机和外接数据存储装置，然后通过上位机或数据处理装置对数据进行分析，根据分析结果，判断经过老化试验的电源模块的质量是否合格。

另外，为了达到更好的检测效果，如图2所示，本发明实施例的电压采集装置还包括：

分量程单元103，与多通道切换单元102连接，设置有多档与待检测电源模块的采集电压相匹配的量程，每档量程都对应有各自的量程测试通道。由于不同的电源模块有着不同的电压使用范围，如果采取单一的量程，只能对一种电压范围的电源模块进行电压采集。为了实现多通道电压采集装置可以对不同电压范围的电源模块进行电压采集，因此，设置了分量程单元103，当对应不同电压范围的电源模块时，通过电压倍数电路选择不同电压范围的倍数(量程)，以保证电压的输入匹配。电压倍数电路采用精密电阻(电阻的精度至少要高于测试要求的精度)搭建构成倍数关系，所以不同量程的测试结果，不会带来很大引入误差，远远高于实际的使用的精度要求。

量程切换单元104，通过与量程数一致的光耦继电器控制每档量程对应的量程测试通道的通断。光耦继电器分别与分量程单元103连接，其中，处理器单元107控制逻辑控制单元108产生量程切换控制信号，量程切换单元104根据量程切换控制信号，导通与采集电压匹配的量程测试通道。

同相比例放大单元105，与量程切换单元104连接，用于消除分量程单元103造成的电路间匹配干扰。带低通滤波的输入阻抗的同相比例放大单元105，在量程测试通道切换后，电压引入采集系统，为了去除电路之间匹配干扰，由运放搭建成同相比例放大器和阻容滤波，保证采集的电压不影响上一级量程的倍数关系，并且消除电路之间的干扰。

模数转换单元106，分别与同相比例放大单元105和处理器单元107连接，用于将同相比例放大单元105输出电压的模拟信号转换为数字信号后，输入到处理器单元107内。目前，很多处理芯片都带有模数转换功能，因此，如果处理器单元107由这类芯片构成，则本装置不需要设置模数转换单元106。而对于不具有模数转换(A/D)功能的处理器单元107，则本装置需要设置模数转换单元106。

采集结果输出单元109，与处理器单元107连接，用于在处理器单元107的控制下，输出采集的电压数据。处理器单元107完成同一电压多次采集数据的滤波，以及控制逻辑模块进行通道切换，并将采集电压的数据通过采集结果输出单元109传递到上位机110(计算机)系统中，进行实时监控。处理器单元107完成同一电压多次采集数据的滤波，是指对采集的电压数据进行判断，如果其中某一次电压数据与其它数据相差较大，则认为该采集数据是由于外界干扰或装置偶然异常引起的采集数据不准确，则舍弃这些数据，以免由这些数据造成后续的数据分析不正确。

采集结果输出单元109可以由可组网的带光电隔离的RS485通讯接口电路等组成，也可以为RS422通信接口电路。采集结果输出单元109输出RS485/422信号，适合20几米以上距离的数据传输，保证处理器单元107的数据和上位机110(计算机)之间数据交互的可靠性。多个处理器单元107交互时，可以利用485/422总线方式组网实现信号准确传输，由此，实现将多个电压采集装置的处理器单元107集中控制，增加了采集的通道数目，在高温老化批量监测中具有非常的实用意义。另外，通过采集结果输出单元109相互组网后，可以采集几千路以上的电压信号，还可以通过与上位机110(计算机)、通信软件和网络的配合，可以让人在远离高温老化的环境下进行远程实时监测。

本发明实施例的电压采集装置进行电压采集的详细过程如下：

单片机上电后，先初始化各部分功能单元，接下来等待上位机110的命令，当收到本板的采集任务后，启动逻辑控制和数模转换，对所有控制通道进行递增切换，并采集各个通道信号的电压数据；结束后，发送数据，进入等待命令状态。具体过程如下：N(N为电压采集通道数)通道的电压模拟量通过线缆从老化柜内部的待检测电源模块输出端引出，连接到电压采集装置上，因为线缆的走线比较长(一般从几米到10几米左右)，其间受到老化柜内部各种干扰，主要有老化柜空间高频产生的共模干扰，因此，首先需要进行滤波，将各通道的连线分别与接入的滤波放电单元101连接，经过电容吸收杂波后，到达多通道切换单元102前的电压和原有的采集电压波形一致。此时，进入多通道切换单元102通道的电压在逻辑控制单元108产生的N路通道切换控制信号控制下依次切换选通；其中一路信号(图中V1+/-示意)被选通后，进入分量程单元103分出不同的测量量程电压；然后，量程切换单元104控制其中一个量程导通；导通的该路电压信号(图中V2+/-示意)进入带低通滤波的同相比例放大单元105，通常，同相比例的输入阻抗在1G欧姆以上，因此，完全不影响前级的量程比例，以保证测试的准确性。切换后，该路电压信号(图中V3+/-示意)经过运放后，接入数模转换单元106，将采集电压的模拟信号转换为数字信号。处理器单元107同步控制逻辑控制单元108的通道切换和数模转换单元106的启动，数字信号被处理器单元107通过数据总线采集进来后，经过CPU内部程序简单的平均和倍数还原调整处理，即可得到与实际电压一致的数字量，然后通过采集结果输出单元109以RS485/422总线方式送入上位机110，上位机110将数据转换后，可以显示实际的电压值，以便进行实时监测。

上述所有通道切换控制信号由处理器单元107控制逻辑控制单元108(译码器或逻辑芯片)产生。

如图3所示，本发明实施例2涉及一种多通道电压采集方法，包括以下步骤：

步骤S201，对待检测电压模块的输出电压进行滤波；

首先，上电，系统进行初始化；然后，当接收到上位机对本板的电压采集命令时，对采集的待检测电压模块进行滤波和电压归零，用于消除从待检测电压模块上引出的电缆受干扰产生的杂波；最后，根据待检测的电压模块的输出电压，选择适合的量程导通。

步骤S202，控制与一个待检测电压模块对应的电压采集通道中导通，对该待检测电压模块进行电压采集，并将采集的电压数据进行数模转换后，由处理器单元进行数据处理，处理后进行数据保存。采集完毕后关闭该电压采集通道；

步骤S203，循环步骤S202，依次导通剩余的电压采集通道，对剩余的待检测电压模块进行电压采集。即：判断是否所有的电压采集通道都已经导通，如果是，则向上位机发送采集的电压数据，如果否，则继续导通未导通的电压采集通道，对该待检测电压模块进行电压采集。

图4是采样波形对比示意。其中波形a是电源模块的最初输出波形，波形b是电源模块输出后，经过线缆传输后波形带有明显杂波干扰，如果不经处理，很难通过软件滤波。波形c是增加滤波措施后，波形恢复到原始输出形式，得到比较理想的波形。

波形d是单一的容性滤波时，波形经过通道后因为电容的的充电作用，使得电压无法归零，会影响下一路的测试准确性。波形e是经过滤波和归零措施后，使通道切换后电压可以及时归零，保证下一通道的测试准确性，波形比较理想。

波形f是光耦继电器与线性光耦在通道切换上的上线性度试验对比，表明本发明在材料选择的独创性，光耦继电器用于这种小电流(＜10mA左右)采样场合，线性度远远优于线性光耦，且器件间的一致性高，不需要软件进行专门的线性度拟合处理，因此，可以达到较高的采样精度。

由上述实施例可以看出，本发明通过对待检测电源模块的输出电压进行滤波，用于消除待检测电源模块的输出电压在传输时受到的空间共模干扰和线传输干扰，尤其是在高温老化环境中，老化柜内空间杂波干扰源较强情况下，保证较高的电压采样精度。另外通过光耦继电器控制通道的导通与关闭，具有速度响应快、稳定时间短、线性度好、使用寿命长的特点。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种多通道电压采集装置，其特征在于，所述装置包括：

与待检测电压模块数量一致的滤波放电单元，分别与所述待检测电压模块连接，用于对所述待检测电压模块输出的电压进行滤波；

多通道切换单元，与所述滤波放电单元连接，用于控制电压采集通道的切换；

逻辑控制单元，分别与所述多通道切换单元连接，用于产生所述多通道切换单元进行电压采集通道切换控制的通道切换控制信号；

处理器单元，分别与所述多通道切换单元、逻辑控制单元连接，用于对采集的电压进行处理，以及控制所述逻辑控制单元产生所述通道切换控制信号。

2.如权利要求1所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述多通道切换单元包括与所述滤波放电单元数量一致、且分别与所述滤波放电单元一一连接的光耦继电器。

3.如权利要求2所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述装置在多通道切换单元和处理器单元之间还设置有：

分量程单元，与所述多通道切换单元连接，设置有多档与所述待检测电源模块的采集电压相匹配的量程，每档量程都对应有各自的量程测试通道；

量程切换单元，分别与所述分量程单元、处理器单元和逻辑控制单元连接，其中，所述处理器单元控制所述逻辑控制单元产生量程切换控制信号，所述量程切换单元根据所述量程切换控制信号，控制与采集电压匹配的量程测试通道的通断。

4.如权利要求3所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述量程切换单元通过光耦继电器控制每档量程对应的量程测试通道的通断。

5.如权利要求3所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述装置还包括：

同相比例放大单元，分别与所述量程切换单元和处理器单元连接，用于消除所述分量程单元造成的电路间匹配干扰。

6.如权利要求5所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述装置还包括：

模数转换单元，分别与所述同相比例放大单元和处理器单元连接，用于将所述同相比例放大单元输出电压的模拟信号转换为数字信号后，输入到所述处理器单元内。

7.如权利要求1～6任一项所述的多通道电压采集装置，其特征在于，所述装置还包括：

采集结果输出单元，与所述处理器单元连接，用于在所述处理器单元的控制下，输出采集的电压数据。

8.一种多通道电压采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

对待检测电压模块的输出电压进行滤波；

控制与一个待检测电压模块对应的电压采集通道中导通，对该待检测电压模块进行电压采集，采集完毕后关闭该电压采集通道；

循环上述步骤，依次导通剩余的电压采集通道，对剩余的待检测电压模块进行电压采集。

9.如权利要求8所述的多通道电压采集方法，其特征在于，在导通电压采集通道之前，还包括：

选择与待检测电压模块输出电压相匹配的量程。

10.如权利要求8或9所述的多通道电压采集方法，其特征在于，通过光耦继电器控制电压采集通道的导通。

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