CN102074055A - 基于多机协同架构的快速记录仪及自标定和多机协同方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多机协同架构的快速记录仪及其自标定和多机协同方法。快速记录仪由4个信号调理模块、2个下位机MCU模块、双口RAM模块、上位机MCU模块、SDRAM模块、基准电压源模块、USB接口和显示模块组成，双下位机MCU模块+双口RAM模块+上位机MCU模块构成记录仪的多机协同架构，每个下位机MCU片内集成2个ADC、双下位机共4个ADC均由上位机闲置的计数/定时器提供AD同步采样的时钟信号；借助多机协同架构使采样、缓存、传输、存储、校正、显示、上传或转存等按序串行操作转化成同时进行的高效并行操作；根据离线生成的自标定多项式在线校正采样数据、提高了记录仪的精度；记录仪输入端采用模拟、数字双重滤波技术，再结合输出端的光电隔离USB通信，使快速记录仪具有优良的抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明涉及制造/流程工业领域中信号采样处理和存储的记录仪技术范畴，尤其涉及一种基于多机协同架构的快速记录仪及自标定和多机协同方法。
背景技术
在制造/流程工业领域，现场数据的采集、处理、记录和分析是实施企业综合自动化、生产高品质产品的前提。目前，流程工业装备的记录仪主导硬件平台仍沿袭MCU(ARM或51微处理器) 单芯片架构，其采样周期指标定位“秒级”：例如浙江中控公司AR3000、AR6000系列记录仪的采样周期1S，采样周期最小的记录仪AR3100、AR4100则为0.125S；杭州盘古自动化仪表公司的最高采样频率记录仪VX7000R、VX8000R也只有5SPS。在视频、雷达、通信、地质勘探等领域，记录仪使用的采样频率高达l0KSPS至100MSPS，其硬件平台采用定制的时序逻辑部件+DSP架构，通常高采样频率的记录仪对使用环境有一定的要求，且价格相对昂贵、维修困难。综观制造/流程工业领域的机械转动及震动参数测量、加工中心的多轴检测，电力行业的电压、电流监测，娱乐业的音频处理等；用户的需求是支持l0SPS至l0KSPS采样频率，具备干扰环境下进行采样、存储的快速记录仪。迄今为止缺乏面向这一细分市场的记录仪，应用高采样频率记录仪替代快速记录仪已成无奈的不二选择，遗撼的是效果往往差强人意。首先，工业现场很难满足高采样频率记录仪对环境的要求；其次，测试时所用采样频率处在高采样频率记录仪的频率量程下限，测试误差理论指出：采样频率下限附近的检测精度很难保证；最后，鉴于高采样频率记录仪价格昂贵、硬件架构又与制造/流程工业截然不同，存在维修保养困难、较高的总体拥有成本（TCO）；因此，亟待开发l0SPS至l0KSPS采样频率的快速记录仪。
快速记录仪必须立足目标用户的使用习惯和目标用户的运维能力，即原则上应继承制造/流程工业现行记录仪的硬件架构；相对制造/流程工业记录仪，快速记录仪的采样频率提升了3个数量级，因此在原架构基础上需作相应的调整。鉴于多通道记录仪的元器件参数存在分散性、参数分散性带来的误差以及不可避免的元器件温/时漂误差，事实上记录仪精度相当程度上取决于消除或减少上述误差的技术的优劣；而克服工业现场的干扰影响是提高记录仪精度的另一重要举措。同步数据采集需检测多个对象在同一时刻的状态，例如加工中心的多轴检测控制要求各轴的检测量在同一个时间点上，电力行业亦要求监测同一时间点上的多种电量参数，因此多通道记录仪设计时必须关注同步问题。最后，及时采纳微电子行业的最新技术成果--充分发挥片上系统芯片SOC（System on Chip）集成多功能的优势，挖掘微处理器空闲资源，有助于降低记录仪复杂度和成本、提升可靠性，因此在快速记录仪的关键设计要件中将占有重要的一席。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于多机协同架构的快速记录仪及自标定和多机协同方法。
基于多机协同架构的快速记录仪包括第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块、第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块、双口RAM模块、基准电压源模块、模拟开关模块、上位机MCU模块、SDRAM模块、光电隔离模块、USB接口、显示模块；第一信号调理模块、第二信号调理模块与第一下位机MCU模块相连，第三信号调理模块、第四信号调理模块与第二下位机MCU模块相连，第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块与双口RAM模块、基准电压源模块、上位机MCU模块相连，基准电压源模块与模拟开关模块、第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块相连，模拟开关模块、双口RAM模块与上位机MCU模块相连，上位机MCU模块与SDRAM模块、光电隔离模块、显示模块相连，光电隔离模块与USB接口相连；上位机MCU模块、下位机MCU模块、双口RAM模块组成多机协同架构；双口RAM模块将存储空间分为8个8K×8bits的子空间，为第一下位机MCU模块的2个ADC和第二下位机MCU模块的2个ADC各分配一个采样数据缓存区和采样数据传输区，为每个ADC分配的采样数据缓存区和采样数据传输区定时切换；上电初始化时，离线构建每个ADC的自标定多项式；记录仪的第一路模拟输入信号经第一调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第一个ADC、经第二调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC、经第三调理模块放大、滤波调理后至第二下位机MCU模块的第一个ADC、经第四调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC，第一、二下位机MCU模块接收来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出的时钟信号、并进行4个ADC同步采样和数字滤波、数字滤波处理后的采样数据写入双口RAM中与各ADC一 一对应的采样数据缓存区，上位机逐一读取双口RAM 中4个采样数据传输区的数据、写入SDRAM模块、定时切换双口RAM的采样数据缓存区和采样数据传输区，上位机根据上电初始化时离线构建的自标定多项式在线校正采样数据、显示采样数据、启动USB接口上传采样数据或转存U盘。
所述的基准电压源模块、模拟开关模块、第一/二/三/四个信号调理模块、第一/二下位机MCU模块和上位机MCU模块的电路：模拟电路电源Vcc与电容C1的一端、电容C2的一端、芯片ADR3433的Vin端相连，电容C1的另一端与电容C2的另一端并联后接地，芯片ADR3433的GND端接地，芯片ADR3433的Vout端与电阻R8的一端、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片CD4051的7 IN/OUT端、第一下位机MCU模块的VREF0端、第一下位机MCU模块的VERF1端、第二下位机MCU模块的VREF0端、第二下位机MCU模块的VERF1端相连，电容C3的另一端、电容C4的另一端并联后接地，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、芯片CD4051的6 IN/OUT端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端、芯片CD4051的5 IN/OUT端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、芯片CD4051的4 IN/OUT端相连，电阻R11的另一端与电阻R12的一端、芯片CD4051的3 IN/OUT端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、芯片CD4051的2 IN/OUT端相连，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、芯片CD4051的1 IN/OUT端相连，电阻R14的另一端与芯片CD4051的0 IN/OUT端并联后接地，芯片CD4051的OUT/IN端与第一信号调理模块的IN+端、第二信号调理模块的IN+端、第三信号调理模块的IN+端、第四信号调理模块的IN+端相连，芯片CD4051的INH端与上位机MCU模块的GPIO160端相连，芯片CD4051的C端与上位机MCU模块的GPIO161端相连；芯片CD4051的B端与上位机MCU模块的GPIO162端相连；芯片CD4051的A端与上位机MCU模块的GPIO163端相连，上位机MCU模块的GPT_10_PWM_ EVT与第一信号调理模块的CLK端、第二信号调理模块的CLK端、第三信号调理模块的CLK端、第四信号调理模块的CLK端、第一下位机MCU的CNVSTR0端、第一下位机MCU的CNVSTR1端、第二下位机MCU的CNVSTR0端、第二下位机MCU的CNVSTR1端相连，第一信号调理模块的IN-端与第一信号调理模块的GND端并联后接地，第一信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN0端相连，第一信号调理模块的V+端与电容C6的一端、电容C7的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C7的另一端接地，第一信号调理模块的Rx端和第一信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C6的另一端、电容C5的一端相连，电容C5的另一端接地，第二信号调理模块的IN-端与第二信号调理模块的GND端并联后接地，第二信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN1端相连，第二信号调理模块的V+端与电容C9的一端、电容C10的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C10的另一端接地，第二信号调理模块的Rx端和第二信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C9的另一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端接地，第三信号调理模块的IN-端与第三信号调理模块的GND端并联后接地，第三信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN0端相连，第三信号调理模块的V+端与电容C12的一端、电容C13的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C13的另一端接地，第三信号调理模块的Rx端和第三信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C12的另一端、电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地，第四信号调理模块的IN-端与第四信号调理模块的GND端并联后接地，第四信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN1端相连，第四信号调理模块的V+端与电容C15的一端、电容C16的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C16的另一端接地，第四信号调理模块的Rx端和第四信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C15的另一端、电容C14的一端相连，电容C14的另一端接地。
自标定方法是：由离线构建各采样通道的自标定多项式、以及根据自标定多项式在线校正两部分组成：记录仪上电初始化时，离线构建ADC模块通道失配的自标定多项式；以及在线采样时基于通道失配的自标定多项式，进行ADC模块通道失配的自标定；基准电压经7个电阻分压得到8个基准电压V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8，记录仪上电初始化时，启动通道的失配自标定多项式更新；通过八选一模拟开关CD4051切换，基准电压按V1到V8的顺序依次送至第一信号调理模块，经第一下位机MCU的AIN0端模数转换后依次得到的转换值D1到D8。下位机MCU模块根据8个基准电压值V1到V8和8个模数转换值D1到D8，作n次多项式拟合：
通过拟合可得系数构成的列向量A：
其中VR为Vi构成的列向量，DR为Di的0次至n次幂组成的矩阵；
第一下位机MCU的AIN0端通道失配自标定多项式的列向量A生成后，切换到第一下位机MCU的AIN1端进行通道间失配自标定；以此类推，逐一生成各ADC通道对应的失配自标定多项式的列向量A；
记录仪上电初始化结束后转入在线采样，设待测量电压Vx，对应模数转换值Dx，则通过以下多项式求得待测电压Vx：
多机协同方法是：快速记录仪采用上下位机MCU模块的闲置资源，下位机MCU模块的AD同步采样时钟信号及信号调理模块的截止频率时钟信号均来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出；现场信号经LTC1569为核心的信号调理模块放大、滤波调理，调理后的信号由下位机MCU模块的C8051F060芯片片内集成的ADC以4倍于用户给定的采样频率采样，采样数据送原始采样数据暂存区，每4个原始采样数据由下位机按下式：
式中，
代表采样平均值，
为4个原始采样数据，
为4个采样数据的最大值，
为4个采样数据的最小值，即剔除4个原始采样数据的最大最小值、再取中间两数的平均值进行数字滤波，数字滤波后的数据送下位机MCU模块采样数据暂存区、清空下位机MCU模块原始采样数据暂存区；采样数据暂存区存入64个数字滤波后的采样数据时，下位机MCU模块启动DMA将64个数字滤波后的采样数据打包写入双口RAM模块的采样数据缓存区，清空下位机MCU采样数据暂存区，上位机MCU模块以DMA方式依次从双口RAM模块的 4个采样数据传输区读取数据并写入SDRAM模块，清空采样数据传输区，且将上位机MCU模块读双口RAM模块的4个地址指针转指采样数据暂存区；下位机MCU模块继续以DMA方式把64个采样数据打包后再写入双口RAM模块的采样数据缓存区，同时上位机MCU模块并行开展：根据离线构建的自标定多项式在线校正采样数据，显示校正采样数据、通过USB或上传或转存校正采样数据；一旦双口RAM模块的采样数据缓存区写入了8k×8bits采样数据时，下位机MCU模块写双口RAM模块的4个地址指针转指原采样数据传输区，从而完成了双口RAM模块采样数据缓存区、采样数据传输区的一次完整切換；继续运行，至满足用户预定的条件。
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于多机协同架构、通过双口RAM缓存实现数据传输、具有自标定功能的多通道同步快速记录仪及设计方法。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1）快速记录仪基于2片8位MCU下位机+双口RAM +32位MCU上位机的多机协同架构，使采样、缓存、传输、存储、、校正、显示、上传或转存等按序串行操作转化为同时进行的高效并行操作。双口RAM逻辑上分成采样数据缓存区、采样数据传输区，两区定时切换角色互换；ms级的采样操作、μs级的缓存操作、ns级的双口RAM读写响应，不同数量级的操作时间排除了上/下位机同时对双口RAM同一存储区操作的可能，实现了理想的无等待状态的快速数据传输；采样数据打包传输至双口RAM、双口RAM缓存数据成块传输至SDRAM，以及DMA技术的应用，进一步提高了快速记录仪的整机效率。
2）快速记录仪离线构建各采样通道的自标定多项式，以及根据自标定多项式在线校正采样数据；不仅减少了通道器件参数分散性所造成的误差，而且降低了通道器件的温漂和时漂误差，从而提高了记录仪的精度。
3）快速记录仪的MCU下位机选用SOC（System on Chip）芯片，内嵌2个带DMA控制器的ADC；触发AD的外部信号来自上位机空闲计数/定时器的输出；因此，减少了记录仪整机的芯片数量和复杂度，提升了仪表可靠性。
4）以高阶低通滤波器芯片为核心构造记录仪采样通道的信号调理电路，记录仪的上位机则经光电隔离后再与通讯模快相连；记录仪输入端的高阶有源低通滤波信号调理电路结合下位机MCU的数字滤波、并综合输出端的光电隔离，使快速记录仪具有优良的抗干扰性能。
附图说明
图1是快速记录仪的结构图；
图2是快速记录仪基准电压源模块、模拟开关模块、第一/二/三/四个信号调理模块、第一/二下位机MCU模块和上位机MCU模块的电路图；
图3是快速记录仪自标定、在线校正原理图；
图4是快速记录仪中一路信号的处理流程示意图；
图5是快速记录仪中一路信号的数据流图；
图6是快速记录仪信号调理电路原理图 。
具体实施方式
如图1所示，快速记录仪包括：第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块、第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块、双口RAM模块、基准电压源模块、模拟开关模块、上位机MCU模块、SDRAM模块、光电隔离模块、USB接口、显示模块；第一信号调理模块、第二信号调理模块与第一下位机MCU模块相连，第三信号调理模块、第四信号调理模块与第二下位机MCU模块相连，第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块与双口RAM模块、基准电压源模块、上位机MCU模块相连，基准电压源模块与模拟开关模块、第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块相连，模拟开关模块、双口RAM模块与上位机MCU模块相连，上位机MCU模块与SDRAM模块、光电隔离模块、显示模块相连，光电隔离模块与USB接口相连；上位机MCU模块、下位机MCU模块、双口RAM模块组成多机协同架构；双口RAM模块将存储空间分为8个8K×8bits的子空间，为第一下位机MCU模块的2个ADC和第二下位机MCU模块的2个ADC各分配一个采样数据缓存区和采样数据传输区，为每个ADC分配的采样数据缓存区和采样数据传输区定时切换；上电初始化时，离线构建每个ADC的自标定多项式；记录仪的第一路模拟输入信号经第一调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第一个ADC、经第二调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC、经第三调理模块放大、滤波调理后至第二下位机MCU模块的第一个ADC、经第四调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC，第一、二下位机MCU模块接收来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出的时钟信号、并进行4个ADC同步采样和数字滤波、数字滤波处理后的采样数据写入双口RAM中与各ADC一 一对应的采样数据缓存区，上位机逐一读取双口RAM 中4个采样数据传输区的数据、写入SDRAM模块、定时切换双口RAM的采样数据缓存区和采样数据传输区，上位机根据上电初始化时离线构建的自标定多项式在线校正采样数据、显示采样数据、启动USB接口上传采样数据（USB Slave模式）或转存U盘（USB Host模式）。鉴于USB和显示属公知知识范畴，故本发明不作进一步的论述。
第一/二/三/四信号调理模块以截止频率可调的10阶低通滤波器芯片LTC1569为核心，第一/二下位机MCU模块都采用单片机C8051F060（片内集成了两个16位精度、转换速率1Msps带有DMA控制器的ADC，具有4352字节的片内RAM），双口RAM采用IDT7008芯片（64k×8bits，8个标志锁存器，即IDT7008可分成8块8k×8bits存储区），上位机MCU模块采用ARM Cortex-A8 芯片AM3703， SDRAM模块采用MT48LC32M16A2P-75 IT芯片 ，光电隔离模块采用6N137芯片，基准电压源模块采用芯片ADR3433，模拟开关模块采用芯片CD4051。
如图2所示，基准电压源模块、模拟开关模块、第一/二/三/四个信号调理模块、第一/二下位机MCU模块和上位机MCU模块的电路图：模拟电路电源Vcc与电容C1的一端、电容C2的一端、芯片ADR3433的Vin端相连，电容C1的另一端与电容C2的另一端并联后接地，芯片ADR3433的GND端接地，芯片ADR3433的Vout端与电阻R8的一端、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片CD4051的7 IN/OUT端、第一下位机MCU模块的VREF0端、第一下位机MCU模块的VERF1端、第二下位机MCU模块的VREF0端、第二下位机MCU模块的VERF1端相连，电容C3的另一端、电容C4的另一端并联后接地，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、芯片CD4051的6 IN/OUT端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端、芯片CD4051的5 IN/OUT端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、芯片CD4051的4 IN/OUT端相连，电阻R11的另一端与电阻R12的一端、芯片CD4051的3 IN/OUT端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、芯片CD4051的2 IN/OUT端相连，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、芯片CD4051的1 IN/OUT端相连，电阻R14的另一端与芯片CD4051的0 IN/OUT端并联后接地，芯片CD4051的OUT/IN端与第一信号调理模块的IN+端、第二信号调理模块的IN+端、第三信号调理模块的IN+端、第四信号调理模块的IN+端相连，芯片CD4051的INH端与上位机MCU模块的GPIO160端相连，芯片CD4051的C端与上位机MCU模块的GPIO161端相连；芯片CD4051的B端与上位机MCU模块的GPIO162端相连；芯片CD4051的A端与上位机MCU模块的GPIO163端相连，上位机MCU模块的GPT_10_PWM_ EVT与第一信号调理模块的CLK端、第二信号调理模块的CLK端、第三信号调理模块的CLK端、第四信号调理模块的CLK端、第一下位机MCU的CNVSTR0端、第一下位机MCU的CNVSTR1端、第二下位机MCU的CNVSTR0端、第二下位机MCU的CNVSTR1端相连，第一信号调理模块的IN-端与第一信号调理模块的GND端并联后接地，第一信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN0端相连，第一信号调理模块的V+端与电容C6的一端、电容C7的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C7的另一端接地，第一信号调理模块的Rx端和第一信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C6的另一端、电容C5的一端相连，电容C5的另一端接地，第二信号调理模块的IN-端与第二信号调理模块的GND端并联后接地，第二信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN1端相连，第二信号调理模块的V+端与电容C9的一端、电容C10的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C10的另一端接地，第二信号调理模块的Rx端和第二信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C9的另一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端接地，第三信号调理模块的IN-端与第三信号调理模块的GND端并联后接地，第三信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN0端相连，第三信号调理模块的V+端与电容C12的一端、电容C13的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C13的另一端接地，第三信号调理模块的Rx端和第三信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C12的另一端、电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地，第四信号调理模块的IN-端与第四信号调理模块的GND端并联后接地，第四信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN1端相连，第四信号调理模块的V+端与电容C15的一端、电容C16的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C16的另一端接地，第四信号调理模块的Rx端和第四信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C15的另一端、电容C14的一端相连，电容C14的另一端接地。
如图3所示，自标定方法是：由离线构建各采样通道的自标定多项式、以及根据自标定多项式在线校正两部分组成：记录仪上电初始化时，离线构建ADC模块通道失配的自标定多项式；以及在线采样时基于通道失配的自标定多项式，进行ADC模块通道失配的自标定；记录仪的高精度基准电压源ADR3433产生的3.3V基准电压作为AD9224的输入测量上限；电压源经7个精密电阻均匀分压后获得8个基准电压；八选一模拟开关CD4051的8路作为输入端与8个基准电压一一对应相连，多路转换开关则与第一/二下位机MCU模块的ADC相连。每个ADC逐一读入经八选一模拟开关切换的基准电压值，分别构建面向特定ADC模块的通道失配自标定多项式；基于通道失配的自标定多项式，记录仪自动校正ADC模块通道的增益失调/零位失配，从而获得高精度的采样数据。现结合通道失配的自标定原理图，论述通道失配的自标定技术原理。基准电压经7个电阻分压得到8个基准电压V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8，记录仪上电初始化时，启动通道的失配自标定多项式更新；通过八选一模拟开关CD4051切换，基准电压按V1到V8的顺序依次送至第一信号调理模块，经第一下位机MCU的AIN0端模数转换后依次得到的转换值D1到D8。下位机MCU模块根据8个基准电压值V1到V8和8个模数转换值D1到D8，作n次多项式拟合：
（1）
通过拟合可得系数
构成的列向量A：
（2）
其中VR为Vi构成的列向量，DR为Di的0次至n次幂组成的矩阵；
第一下位机MCU的AIN0端通道失配自标定多项式的列向量A生成后，切换到第一下位机MCU的AIN1端进行通道间失配自标定；以此类推，逐一生成各ADC通道对应的失配自标定多项式的列向量A；
记录仪上电初始化结束后转入在线采样，设待测量电压Vx，对应模数转换值Dx，则通过以下多项式求得待测电压Vx：
鉴于记录仪上电初始化时即自动更新通道失配自标定多项式，因此借助通道失配自标定多项式，可同时消除记录仪ADC通道器件参数因时间漂移、温度漂移引入的误差，从而进一步提高了采样数据的精度。
如图4和图5所示，多机协同方法是：快速记录仪采用上下位机MCU模块的闲置资源，下位机MCU模块的ADC同步采样时钟信号及信号调理模块的截止频率时钟信号均来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出，第10计数/定时器的输出信号频率是用户给定采样频率的4倍，即ADC实际的采样频率4倍于用户给定的采样频率；上位机MCU模块的第10计数/定时器输出亦作为信号调理模块LTC1569芯片截止频率选择的时钟信号，因为LTC1569使用的是开关电容滤波技术，通过外接上位机第10计数/定时器的时钟信号可控制LTC1569的截止频率，截止频率为上位机MCU模块的第10计数/定时器时钟频率的1/64倍。下位机MCU模块的C8051F060芯片片内集成了两个16位ADC，其片内RAM为每个ADC保留1块原始采样数据暂存区（4×2×8 bits）、1块采样数据暂存区（64×2×8 bits）；双口RAM 模块（64k×8bits）划分成8块（8k×8bits）--4块作为采样数据缓存区、4块用于采样数据传输区，即每个ADC配置独占的1块采样数据缓存区、独占的1块采样数据传输区，上位机MCU模块定时切换双口RAM的采样数据缓存区和采样数据传输区。记录仪中一路信号的处理流程如下：现场信号经LTC1569为核心的信号调理模块放大、滤波调理，调理后的信号由下位机MCU模块的C8051F060芯片片内集成的ADC以4倍于用户给定的采样频率采样，采样数据送原始采样数据暂存区（AD 16位精度、1个采样数据需下位机的2个8 bits保存），每4个原始采样数据由下位机按下式：
式中，
代表采样平均值，
为4个原始采样数据，为4个采样数据的最大值，
为4个采样数据的最小值，即剔除4个原始采样数据的最大最小值、再取中间两数的平均值进行数字滤波，数字滤波后的数据送下位机MCU模块采样数据暂存区、清空下位机MCU模块原始采样数据暂存区；采样数据暂存区存入64个数字滤波后的采样数据时，下位机MCU模块启动DMA将64个数字滤波后的采样数据打包写入双口RAM模块的采样数据缓存区，清空下位机MCU采样数据暂存区，上位机MCU模块以DMA方式依次从双口RAM模块的 4个采样数据传输区读取数据并写入SDRAM模块，清空采样数据传输区，且将上位机MCU模块读双口RAM模块的4个地址指针转指采样数据暂存区；下位机MCU模块继续以DMA方式把64个采样数据打包后再写入双口RAM模块的采样数据缓存区，同时上位机MCU模块并行开展：根据离线构建的自标定多项式在线校正采样数据，显示校正采样数据、通过USB或上传或转存校正采样数据；一旦双口RAM模块的采样数据缓存区写入了8k×8bits采样数据时，下位机MCU模块写双口RAM模块的4个地址指针转指原采样数据传输区，从而完成了双口RAM模块采样数据缓存区、采样数据传输区的一次完整切換；继续运行，至满足用户预定的条件。显然，快速记录仪基于双下位机MCU模块+双口RAM模块 +上位机MCU模块的多机协同架构，使采样、缓存、传输、存储、自标定、显示、上传等按序串联操作转化成同时进行的高效并行操作；ms级的采样操作、μs级的缓存操作、ns级的双口RAM读写响应，不同数量级的操作时间排除了上/下位机同时对双口RAM模块同一存储区操作的可能，实现了理想的无等待状态的快速数据传输；采样数据打包传输至双口RAM模块、双口RAM模块缓存数据成块传输至SDRAM模块，以及DMA技术的应用，进一步提高了快速记录仪的整机效率；上位机根据上电初始化时离线构建的自标定多项式、并在线校正采样数据，提高了记录仪的精度；记录仪输入端的高阶有源低通滤波信号调理结合下位机MCU的数字滤波，再综合输出端的光电隔离USB通信，使快速记录仪具有优良的抗干扰性能；下位机选用SOC（System on Chip）芯片，触发AD的外部信号来自上位机空闲计数/定时器的输出，减少了记录仪整机的芯片数量和复杂度，提升了仪表可靠性。
如图6所示，LTC1569是一款集成了精密运放和精密电容的新型抗混滤波器。LTC1569截止频率达到350kHz。为了能够根据采样频率精确方便地设定抗混滤波的截止频率，系统利用AM3703的第10计数/定时器产生时钟信号作为LTC1569的截止频率选择时钟信号。
Claims (4)
1.一种基于多机协同架构的快速记录仪，其特征在于：记录仪由第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块、第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块、双口RAM模块、基准电压源模块、模拟开关模块、上位机MCU模块、SDRAM模块、光电隔离模块、USB接口、显示模块组成；第一信号调理模块、第二信号调理模块与第一下位机MCU模块相连，第三信号调理模块、第四信号调理模块与第二下位机MCU模块相连，第一下位机MCU模块、第二下位机MCU模块与双口RAM模块、基准电压源模块、上位机MCU模块相连，基准电压源模块与模拟开关模块、第一信号调理模块、第二信号调理模块、第三信号调理模块、第四信号调理模块相连，模拟开关模块、双口RAM模块与上位机MCU模块相连，上位机MCU模块与SDRAM模块、光电隔离模块、显示模块相连，光电隔离模块与USB接口相连；上位机MCU模块、下位机MCU模块、双口RAM模块组成多机协同架构；双口RAM模块将存储空间分为8个8K×8bits的子空间，为第一下位机MCU模块的2个ADC和第二下位机MCU模块的2个ADC各分配一个采样数据缓存区和采样数据传输区，为每个ADC分配的采样数据缓存区和采样数据传输区定时切换；上电初始化时，离线构建每个ADC的自标定多项式；记录仪的第一路模拟输入信号经第一调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第一个ADC、经第二调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC、经第三调理模块放大、滤波调理后至第二下位机MCU模块的第一个ADC、经第四调理模块放大、滤波调理后至第一下位机MCU模块的第二个ADC，第一、二下位机MCU模块接收来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出的时钟信号、并进行4个ADC同步采样和数字滤波、数字滤波处理后的采样数据写入双口RAM中与各ADC一 一对应的采样数据缓存区，上位机逐一读取双口RAM 中4个采样数据传输区的数据、写入SDRAM模块、定时切换双口RAM的采样数据缓存区和采样数据传输区，上位机根据上电初始化时离线构建的自标定多项式在线校正采样数据、显示采样数据、启动USB接口上传采样数据或转存U盘。
2.根据权利要求1所述的一种基于多机协同架构的快速记录仪，其特征在于所述的基准电压源模块、模拟开关模块、第一/二/三/四个信号调理模块、第一/二下位机MCU模块和上位机MCU模块的电路为：模拟电路电源Vcc与电容C1的一端、电容C2的一端、芯片ADR3433的Vin端相连，电容C1的另一端与电容C2的另一端并联后接地，芯片ADR3433的GND端接地，芯片ADR3433的Vout端与电阻R8的一端、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片CD4051的7 IN/OUT端、第一下位机MCU模块的VREF0端、第一下位机MCU模块的VERF1端、第二下位机MCU模块的VREF0端、第二下位机MCU模块的VERF1端相连，电容C3的另一端、电容C4的另一端并联后接地，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、芯片CD4051的6 IN/OUT端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端、芯片CD4051的5 IN/OUT端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、芯片CD4051的4 IN/OUT端相连，电阻R11的另一端与电阻R12的一端、芯片CD4051的3 IN/OUT端相连，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、芯片CD4051的2 IN/OUT端相连，电阻R13的另一端与电阻R14的一端、芯片CD4051的1 IN/OUT端相连，电阻R14的另一端与芯片CD4051的0 IN/OUT端并联后接地，芯片CD4051的OUT/IN端与第一信号调理模块的IN+端、第二信号调理模块的IN+端、第三信号调理模块的IN+端、第四信号调理模块的IN+端相连，芯片CD4051的INH端与上位机MCU模块的GPIO160端相连，芯片CD4051的C端与上位机MCU模块的GPIO161端相连；芯片CD4051的B端与上位机MCU模块的GPIO162端相连；芯片CD4051的A端与上位机MCU模块的GPIO163端相连，上位机MCU模块的GPT_10_PWM_ EVT与第一信号调理模块的CLK端、第二信号调理模块的CLK端、第三信号调理模块的CLK端、第四信号调理模块的CLK端、第一下位机MCU的CNVSTR0端、第一下位机MCU的CNVSTR1端、第二下位机MCU的CNVSTR0端、第二下位机MCU的CNVSTR1端相连，第一信号调理模块的IN-端与第一信号调理模块的GND端并联后接地，第一信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN0端相连，第一信号调理模块的V+端与电容C6的一端、电容C7的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C7的另一端接地，第一信号调理模块的Rx端和第一信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C6的另一端、电容C5的一端相连，电容C5的另一端接地，第二信号调理模块的IN-端与第二信号调理模块的GND端并联后接地，第二信号调理模块的OUT端与第一下位机MCU模块的AIN1端相连，第二信号调理模块的V+端与电容C9的一端、电容C10的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C10的另一端接地，第二信号调理模块的Rx端和第二信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C9的另一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端接地，第三信号调理模块的IN-端与第三信号调理模块的GND端并联后接地，第三信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN0端相连，第三信号调理模块的V+端与电容C12的一端、电容C13的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C13的另一端接地，第三信号调理模块的Rx端和第三信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C12的另一端、电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地，第四信号调理模块的IN-端与第四信号调理模块的GND端并联后接地，第四信号调理模块的OUT端与第二下位机MCU模块的AIN1端相连，第四信号调理模块的V+端与电容C15的一端、电容C16的一端、模拟电路电源Vcc相连，电容C16的另一端接地，第四信号调理模块的Rx端和第四信号调理模块的V-端并联后与模拟电路电源Vss、电容C15的另一端、电容C14的一端相连，电容C14的另一端接地。
3.一种使用如权利要求1所述记录仪的自标定方法，其特征在于快速记录仪采样数据校正由离线构建各采样通道的自标定多项式、以及根据自标定多项式在线校正两部分组成：记录仪上电初始化时，离线构建ADC模块通道失配的自标定多项式；以及在线采样时基于通道失配的自标定多项式，进行ADC模块通道失配的自标定；基准电压经7个电阻分压得到8个基准电压V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8，记录仪上电初始化时，启动通道的失配自标定多项式更新；通过八选一模拟开关CD4051切换，基准电压按V1到V8的顺序依次送至第一信号调理模块，经第一下位机MCU的AIN0端模数转换后依次得到的转换值D1到D8；
下位机MCU模块根据8个基准电压值V1到V8和8个模数转换值D1到D8，作n次多项式拟合：
通过拟合可得系数
构成的列向量A：
其中VR为Vi构成的列向量，DR为Di的0次至n次幂组成的矩阵；
第一下位机MCU的AIN0端通道失配自标定多项式的列向量A生成后，切换到第一下位机MCU的AIN1端进行通道间失配自标定；以此类推，逐一生成各ADC通道对应的失配自标定多项式的列向量A；
记录仪上电初始化结束后转入在线采样，设待测量电压Vx，对应模数转换值Dx，则通过以下多项式求得待测电压Vx：
4.一种使用如权利要求1记录仪的多机协同方法，其特征在于：快速记录仪采用上下位机MCU模块的闲置资源，下位机MCU模块的AD同步采样时钟信号及信号调理模块的截止频率时钟信号均来自上位机MCU模块的第10计数/定时器输出；现场信号经LTC1569为核心的信号调理模块放大、滤波调理，调理后的信号由下位机MCU模块的C8051F060芯片片内集成的ADC以4倍于用户给定的采样频率采样，采样数据送原始采样数据暂存区，每4个原始采样数据由下位机按下式：
式中，
代表采样平均值，
为4个原始采样数据，
为4个采样数据的最大值，
为4个采样数据的最小值，即剔除4个原始采样数据的最大最小值、再取中间两数的平均值进行数字滤波，数字滤波后的数据送下位机MCU模块采样数据暂存区、清空下位机MCU模块原始采样数据暂存区；采样数据暂存区存入64个数字滤波后的采样数据时，下位机MCU模块启动DMA将64个数字滤波后的采样数据打包写入双口RAM模块的采样数据缓存区，清空下位机MCU采样数据暂存区，上位机MCU模块以DMA方式依次从双口RAM模块的 4个采样数据传输区读取数据并写入SDRAM模块，清空采样数据传输区，且将上位机MCU模块读双口RAM模块的4个地址指针转指采样数据暂存区；下位机MCU模块继续以DMA方式把64个采样数据打包后再写入双口RAM模块的采样数据缓存区，同时上位机MCU模块并行开展：根据离线构建的自标定多项式在线校正采样数据，显示校正采样数据、通过USB或上传或转存校正采样数据；一旦双口RAM模块的采样数据缓存区写入了8k×8bits采样数据时，下位机MCU模块写双口RAM模块的4个地址指针转指原采样数据传输区，从而完成了双口RAM模块采样数据缓存区、采样数据传输区的一次完整切換；继续运行，至满足用户预定的条件。
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