CN102213956A

CN102213956A - 信号采集系统

Info

Publication number: CN102213956A
Application number: CN2010101387935A
Authority: CN
Inventors: 王志强
Original assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Current assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-12

Abstract

提供了一种信号采集系统，包括传感器模块，开关模块，模数转换模块和控制模块，其特征在于，所述传感器模块包括多个传感器，用于采集多个模拟信号；所述开关模块用于接收来自所述控制模块的控制信号，并根据所述控制信号选通所述多个传感器采集的多个模拟信号的一个、相对应的信号地的电压、以及基准电压；所述模拟数字转换模块用于将所述开关模块选通的所述多个模拟信号的一个、所述相对应的信号地的电压、以及所述基准电压分别转换为第一数字信号、相对应的第二数字信号、以及第三数字信号；所述控制模块用于接收所述模拟数字转换模块产生的数字信号，并生成校准的所述第一数字信号。

Description

信号采集系统

技术领域

本发明一般涉及信号处理系统，并且特别涉及用于模拟信号采集和校准的系统。

背景技术

为适应制造企业生产线状态的监控等应用，往往需要在现场采集、存储及处理大规模数据，例如各生产环节的温度、湿度、流量、压力等参数、对生产任务的下达、生产线设备的运行状态、生产产量的达成状况、产品品质的状况、生产线人员状况等等的监控。目前，大多采用人工监控，人工记录生产线的各种数据，因数据量大(通常多于1000路)、厂区面积大、生产工厂车间/多、产品种类复杂、生产设备类型差异等诸多因素，导致对生产线的监控处于一个无序监控状态，监控工作量大、成本高、人员多、环节多，生产数据准确率低，各个环节沟通不畅，生产效率低下，生产的安全性低，自动化设备得不到充分利用，使得工厂的管理者不能实时了解到生产线的状态，不能及时得到准确的生产数据。

为了达到对生产线的实时监控，提高生产效率、生产的安全性，提高产品的性能与成品合格率，需要对生产线实施数据采集与远程自动化监控。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种信号采集系统，包括传感器模块，开关模块，模数转换模块和控制模块，其特征在于，所述传感器模块包括多个传感器，用于采集多个模拟信号；所述开关模块用于接收来自所述控制模块的控制信号，并根据所述控制信号选通所述多个传感器采集的多个模拟信号的一个、相对应的信号地的电压、以及基准电压；所述模拟数字转换模块用于将所述开关模块选通的所述多个模拟信号的一个、所述相对应的信号地的电压、以及所述基准电压分别转换为第一数字信号、相对应的第二数字信号、以及第三数字信号；所述控制模块用于接收所述模拟数字转换模块产生的数字信号，并生成校准的所述第一数字信号。

其中，根据一个例子的所述生成校准的所述第一数字信号包括：将所述第一数字信号减去相对应的第二数字信号，再减去所述第三数字信号的偏移量，其中，所述第三数字信号的偏移量为所述第三数字信号与标准基准电压的差值。

通过上述校准方法，环境噪声以及环境噪声对基准电路的影响造成的采集到的模拟信号的误差得以消除。

可选的，所述生成校准的第一数字信号包括：对所述第一数字信号、所述相对应的第二数字信号、所述第三数字信号的N次采样值分别求平均值，并且将所述第一数字信号的平均值减去相对应的第二数字信号的平均值，再减去所述第三数字信号的平均值的偏移量，其中，所述第三数字信号的平均值的偏移量为所述第三数字信号的平均值与标准基准电压的差值，所述N为大于1的任意整数。

通过上述校准方法，对所述第一数字信号、所述相对应的第二数字信号、所述第三数字信号的N次采样值分别求平均值，得到的是环境噪声以及环境噪声对基准电路的影响的统计结果，因此能够得到模拟信号的精确校准结果。

根据一个例子的开关模块包括多个级联的模拟开关。可选的，所述开关模块包括多个m通道模拟开关组成s级地址选通模块，所述开关模块用于接收所述控制模块的控制信号，并根据所述控制信号选通m^s个传感器采集的m^s个模拟信号的一个，其中所述m为大于2的任意整数，s为任意正整数。通过s级选通，可以对输入信号的采集惊醒灵活组合。可以根据实际需要，扩展输入的信号路数，有选择的选通需要进行监控的信号。

优选的，所述模拟开关模块包括多个16通道的模拟开关组成的三级开关模块。

根据本发明的另一个实施例，所述信号采集系统还包括跟随器模块，用于接收所述开关模块选通的所述多个模拟信号的一个、所述相对应的信号地的电压、以及所述基准电压，并传输给所述模数转换模块。

上述跟随器模块的作用是弥补开关模块带来的电阻误差，起到阻抗变换与隔离的作用，给通过开关模块选通的信号提供一个高输入阻抗低输出阻抗的电路环境，减小对后级的模拟数字转换模块内核的电容网络的影响。

上文已经概括而非宽泛地给出了本公开内容的特征。本公开内容的附加特征将在此后描述，其形成了本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，可以容易地使用所公开的构思和具体实施方式，作为修改和设计其他结构或者过程的基础，以便执行与本发明相同的目的。本领域技术人员还应当理解，这些等同结构没有脱离所附权利要求书中记载的本发明的主旨和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了根据一个实施例的信号采集系统100的结构图；

图2示出了根据一个实施例的信号采集的流程图；

图3示出了根据另一个实施例的信号采集系统300的结构图；

图4示出了根据又一个实施例的信号采集系统400的结构图；

图5示出了根据一个实施例的开关模块502的结构图；

图6示出了根据一个实施例的模拟开关6021的结构图，

除非指明，否则不同附图中的相应标记和符号一般表示相应的部分。绘制附图是为了清晰地示出本公开内容的实施方式的有关方面，而未必是按照比例绘制的。为了更为清晰地示出某些实施方式，在附图标记之后可能跟随有字母，其指示相同结构、材料或者过程步骤的变形。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

图1示出了根据一个实施例的信号采集系统100的结构图。信号采集系统100包括传感器模块101，开关模块102，模数转换模块103和控制模块104。

以下结合图2所示的信号采集流程图详细描述信号采集系统100的运作。

在步骤S201中，传感器模块101采集多个模拟信号。

本领域的普通技术人员可以理解，所述传感器模块101可以包括多个传感器，所述多个模拟信号可以是温度、湿度、压力、电池电压、供料信息以及装配监测信号等参数中的至少一种。例如，电池通常用来在异常情况下，例如掉电，对系统进行保护，并提供对生产线的监控所需的电压，对电池电压进行监测可以在电池电压较低的时候对电池充电；装配监测信号一般的用于统计生产线上各个工位的装配完成情况，并根据此统计结果采取相应的措施，例如，对一些工位补给原料等。

接着，在步骤S202中，开关模块102接收来自所述控制模块104的控制信号，并根据所述控制信号选通所述传感器模块101采集的模拟信号1、模拟信号2......模拟信号n的一个即模拟信号m，相对应的信号地电压m，以及基准电压。

其中，开关模块102可以包括多个模拟开关，该开关模块102的组成和控制方法将在之后详细描述。

优选的，开关模块102采用抗静电损伤装置，例如对地接有1M电阻等措施，能够有效防止静电对系统的损伤。

然后，在步骤S203中，模拟数字转换模块103将开关模块102选通的所述多个模拟信号的一个即模拟信号m，相对应的信号地电压m，以及基准电压分别转换为第一数字信号m，相对应的第二数字信号m，以及第三数字信号。

最后，在步骤S204中，控制模块104接收所述模拟数字转换模块103产生的数字信号，并生成校准的第一数字信号m。

因此，图1所示的信号采集系统具有对采集到的信号自动校准的优点。通过上述信号采集过程，环境噪声以及环境噪声对基准电路的影响造成的采集到的模拟信号的误差得以消除。

本领域的普通技术人员可以理解，根据一个实施例的信号采集系统100还可以包括信号放大电路和滤波电路，对采集到的模拟信号进行不失真的放大，从而使得模拟信号的幅度适于模拟数字转换模块103的输入范围。

优选的，控制模块104对第一数字信号m，相对应的第二数字信号m，第三数字信号的N次，例如5次，采样值分别求平均值，并且将所述第一数字信号的平均值减去相对应的第二数字信号的平均值，再减去所述第三数字信号的平均值的偏移量，其中，所述第三数字信号的平均值的偏移量为所述第三数字信号的平均值与标准基准电压的差值。

一般的，对所述第一数字信号、所述相对应的第二数字信号、所述第三数字信号的N次采样的采样间隔为微秒量级，较合理的采样次数为5-20次，采样次数越多，得到的校准越精确。

本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明的另一个实施例的信号采集模块300还包括监控模块301，用于监控控制模块104传输的经过校准的第一数字信号m，从而对生产现场出现的状况进行及时处理。其中，控制模块104与监控模块301之间的远程通讯可以采用例如RS422串口通讯电路来实现。

本领域的普通技术人员理解，传感器模块101可以采用本领域公知的通过硬件设置屏蔽噪声的方法提高采集的信号的准确度，例如，使信号地线与功率地线和机壳地线相绝缘。但是通过硬件设置屏蔽噪声的程度的是有限的，根据本发明的一个实施例的信号采集系统100、300通过软硬件结合的方式，即控制模块104控制开关模块102选通一个模拟信号以及对应的信号地电压和基准电压，经过模数转换后，对得到的第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号进行运算，最终得到经过校准的第一数字信号，从而消除了环境噪声对采集到的信号的准确度的影响。

根据本发明的又一个实施例，如图4所示的信号采集系统400还包括跟随器模块401，用于接收所述开关模块102选通的多个模拟信号的一个、相对应的信号地的电压、以及所述基准电压，并传输给所述模数转换模块103进行模数转换处理。

一般的，开关模块102的导通阻抗容易对后级的模数转换模块103的内核网络产生影响。跟随器模块401通常具有高输入阻抗低输出阻抗的特点，跟随器模块401提供一定的增益和缓冲作用，通过增加跟随器模块401，模数转换器103的转换误差能够大大减小。

跟随器模块401可以具有不同的电路构成。例如，跟随器模块401可以为双极型射极跟随器，也可以是MOS源极跟随器。优选的，跟随器模块401由高输入阻抗低输出阻抗的运算放大器构成。

以上对信号采集系统的构成和运作进行了说明，下面详细说明开关模块102的构成。

根据本发明的一个实施例的开关模块包括多个级联的模拟开关。可根据用户需求和实际需要，对不同的信号输入路数与输出控制通道数进行灵活组合。一个示例性的开关模块包括多个m通道模拟开关组成s级地址选通模块，该开关模块用于接收控制模块104的控制信号，并根据所述控制信号选通例如m^s个传感器采集的m^s个模拟信号的一个，其中m为大于2的任意整数，s为任意正整数。根据需求可灵活扩展输入采集的路数。

图5示出了根据一个实施例的开关模块502的结构图。如图所示，开关模块502采用三级级联的16通道模拟开关，可对1～约4000路输入信号的采集进行灵活组合。

图6示出了根据一个实施例的开关模块502中的一个模拟开关6021的结构图。如图所示，模拟开关6021为16通道模拟开关，通过对四位地址码的设置实现对通道的选通。

采用根据本发明的一个实施例的信号采集系统后，每条生产线的待料时间降低15％；每条生产线的生产效率提高10％以上；生产线自动化率提升20％；生产数据即时率提升100％；生产数据准确率提升15％；工时利用率提升25％左右；产品报废率降低15％。与传统生产线监控方式相比，其优越性为：1、可以任意长时间的连续记录、显示生产线状态、数据，任意通道显示，多种时间尺度显示，无需人员操作监控。2、可在WINDOWS平台下运行，具有全中文画面显示、实时采集、自动控制、参数设定、图表生成、报表打印等诸多功能，从而能够方便、直观、及时地监控现场。3、可实现生产全过程自动监控，极大地提高生产管理水平，为企业科学决策提供了依据，也为快速组织生产创造了条件。4、可实施远程采集与监控，远程传输部分可选的采用国际工业标准的RS422全双工差分总线方式，其协议简单，用线少，抗干扰强，适合于千米级别的远程通信；PC机接口部分采用RS232转RS422接口。

本领域技术人员还将容易地理解的是，材料和方法可以变化，同时仍然处于本发明的范围之内。还将理解的是，除了用来示出实施方式的具体上下文之外，本发明提供了多种可应用的创造性构思。因此，所附权利要求意在将这些过程、机器、制品、组合物、装置、方法或者步骤包括在其范围之内。

Claims

1.一种信号采集系统，包括传感器模块，开关模块，模数转换模块和控制模块，其特征在于，所述传感器模块包括多个传感器，用于采集多个模拟信号；所述开关模块用于接收来自所述控制模块的控制信号，并根据所述控制信号依次选通所述多个传感器采集的多个模拟信号的一个、相对应的信号地的电压、以及基准电压；所述模拟数字转换模块用于将所述开关模块选通的所述多个模拟信号的一个、所述相对应的信号地的电压、以及所述基准电压分别转换为第一数字信号、相对应的第二数字信号、以及第三数字信号；所述控制模块用于接收所述模拟数字转换模块产生的数字信号，并生成校准的所述第一数字信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个模拟信号包括温度、湿度、压力、电池电压、供料信息以及装配监测信号中的至少一种。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述生成校准的所述第一数字信号包括：将所述第一数字信号减去相对应的第二数字信号，再减去所述第三数字信号的偏移量，其中，所述第三数字信号的偏移量为所述第三数字信号与标准基准电压的差值。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述生成校准的所述第一数字信号包括：对所述第一数字信号、所述相对应的第二数字信号、所述第三数字信号的N次采样值分别求平均值，并且将所述第一数字信号的平均值减去相对应的第二数字信号的平均值，再减去所述第三数字信号的平均值的偏移量，其中，所述第三数字信号的平均值的偏移量为所述第三数字信号的平均值与标准基准电压的差值，所述N为大于1的任意整数。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述开关模块包括多个级联的模拟开关。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述开关模块包括多个m通道模拟开关组成s级地址选通模块，所述开关模块用于接收所述控制模块的控制信号，并根据所述控制信号选通m^s个传感器采集的m^s个模拟信号的一个，其中所述m为大于2的任意整数，s为任意正整数。

7.如权利要求6所述的系统，其中，m为16，s为3。

8.如权利要求1所述的系统，还包括跟随器模块，用于接收所述开关模块选通的所述多个模拟信号的一个、所述相对应的信号地的电压、以及所述基准电压，并传输给所述模数转换模块。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述跟随器模块包括集成运算放大器。

10.如权利要求1所述的系统，所述开关模块采用抗静电损伤装置。

11.如权利要求1所述的系统，还包括监控模块，用于监控所述校准的第一数字信号。