CN103336667A - 一种通用多通道数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用多通道数据采集系统，包括采集卡和主控卡，采集卡采集传感器传来的模拟信号，并将模拟信号采集转换为数字信号，主控卡对数字信号中的数据进行去噪滤波，完成数据的实时校正，上位计算机与主控卡连接，从主控卡写入配置信息，实现对整个系统工作的控制。本发明中采集卡的模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，采集卡的光电隔离模块将整个数据采集系统的模拟部分和数字部分的完全隔离，使得模拟信号的传输不会受到数字电路中噪声的干扰。使用光电隔离模块减小模拟部分的噪声对数字部分的影响，采集卡的精密电源模块减小电源噪声的影响，采集卡的锁相环模块保证采集卡间时钟信号的相位同步。
Description
技术领域
本发明属于数据采集领域，尤其涉及一种通用高精度多通道数据采集系统。
背景技术
随着计算机科学技术的高速发展，数字技术以其方便灵活、稳定可靠的特性，越来越广泛地被应用于科学研究、工业生产和人类日常生活中的各个方面。作为数字技术中必不可少的部分，数据采集技术也得到了深入的研究和发展。人们通常根据采样定理将传感器传送来的模拟信号转换成数字信号，再对这些数字信号进行处理。数据采集可以说是数字信号处理的核心，数据采集的好坏将直接影响未来的工作。数据采集在各个领域被广泛应用，已渗透到了工业现场、地质勘测、医药器械、电子通信、航空航天等各个领域，为人类更好的获取各种信息提供了便利的条件。
目前，低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟，系统地组建也相对容易。社会的发展和科技的进步使信号处理系统的智能性越来越强，实时性越来越好，同时数据采集的高精度特性越来越受到重视，在航空航天、导航系统、环境监测等很多领域都需要应用高精度的数据采集装置，对数据采集系统提出了更高的要求。因此，高精度数据采集技术的研究一直是工程实践中一个倍受人关注的领域。
近年来，国内对高精度数据采集系统的研究，大多仅仅停留在硬件电路的优化上面(如前端模拟信号调理电路的设计，精密参考电压源的选择，抑制供电电源的纹波等)而忽略了对模数转换后得到的数据的进一步处理。硬件电路的优化在一定程度上提高了数据采集的精度，但这些方法都是针对特定的硬件电路研制开发的，应用范围窄。对于精度要求更高的场合，一方面需要重新进行设计，浪费了时间和精力；另一方面，硬件电路的优化对提高数据采集精度的作用有限，系统中存在的某些影响数据采集精度的误差和噪声无法通过优化硬件电路来消除。故在数据采集系统中根据系统中存在的误差和噪声的特点进行数据实时校正，可以有效去除系统中误差和噪声对转换数据的干扰，在硬件电路相同的条件下可以进一步提高数据采集的精度。而市面上的数据采集系统，尤其是能同时完成模拟信号调理，模数转换以实现较高精度(16bits以上)的多通道数据采集并进行数据实时校正的数据采集系统还是一片空白。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于：克服现有技术的不足，提供一种通用的高精度多通道数据采集系统，其对系统中存在的误差和噪声有很好的校正作用，有效的提高了数据采集系统的精度。
本发明一种多通道数据采集系统的技术方案包括：采集卡和主控卡，其中：采集卡，采集传感器传来的模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；主控卡与采集卡连接，对数字信号进行去噪滤波，用于实时校正数据；上位计算机与主控卡连接，从主控卡写入配置信息，实现对整个系统工作的控制。
本发明的有益效果是，本发明多通道数据采集系统的采集卡和主控卡的功能相对独立，针对性强，可靠性高，实时性好。采集卡的硬件电路中设计充分考虑了影响数据采集系统精度的各种因素，并采取了相应的措施：本发明中的模数转换模块的输出端将模拟信号转换成数字信号输入到光电隔离模块的输入端，光电隔离模块将整个数据采集系统的模拟部分和数字部分的完全隔离，使得模拟信号的传输不会受到数字电路中噪声的干扰。使用光电隔离模块减小模拟部分的噪声对数字部分的影响，精密电源模块减小电源噪声的影响，锁相环模块保证采集卡间时钟信号的相位同步等；另外，整个系统的硬件设计方案采用了模块化的设计方法，各个模块的功能既相互关联，又相对独立，便于调试；
在数据校正方面，根据误差和噪声的性质和特点，主控卡分别采取了系统误差校正和数据去噪滤波。在主控卡中，对各个采集卡采集到的数据采用两级滤波方案进行去噪，第一级先用超值滤波算法剔除明显的噪声数据，再用递推平均滤波算法取均值以剔除不明显的噪声数据。再通过第二级采用的小波阈值去噪法剔除对量化噪声等不易剔除噪声。
整个数据采集系统不仅转换精度高，而且具有很好的扩展性，可以通过增加采集卡来实现对多通道数据的采集。
附图说明
图1为数据采集系统的结构框图；
图2为采集卡的结构框图；
图3为主控卡的结构框图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如附图1所示，一种通用高精度多通道数据采集系统由采集卡、主控卡组成，采集卡，采集传感器传来的模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；主控卡与采集卡连接，对数字信号中的数据进行去噪滤波，用于实时校正数据；上位计算机与主控卡连接，从主控卡写入配置信息，实现对整个系统工作的控制。
采集卡结构框图如附图2所示，包括输入接口模块1，模拟信号调理电路模块2，模数转换模块3，参考电压模块4，精密电源模块5，锁相环模块6，光电隔离模块7，单片机控制模块8，串并转换模块9，数据存储模块10，输出接口模块11，其中：
模拟信号调理电路2的输入端与输入接口模块1的输出端相连，用于将采集到模拟信号进行初步滤波，并将模拟信号幅值调理到模数转换模块3的输入信号范围；
模数转换模块3输入端分别与模拟信号调理模块2输出端、参考电压模块4、精密电源模块5、锁相环模块6的输出端和光电隔离模块7的一输出端相连；参考电压模块4、精密电源模块5，用于为模数转换模块3提供外部参考电压、低噪声电源；锁相环模块6，用于为模数转换模块3提供时钟信号，保证采集卡间时钟信号的相位同步；光电隔离模块7，用于光电隔离模块将整个数据采集系统的模拟部分和数字部分的完全隔离，使得模拟信号的传输不会受到数字电路中噪声的干扰；
模数转换模块3的输出端与光电隔离模块7的一输入端连接；模数转换模块3，用于将模拟信号转换成数字信号输入到光电隔离模块7的一输入端；
单片机控制模块8的一输出端与光电隔离模块7的另一输入端相连，单片机控制模块8一输入端与光电隔离模块7的另一输出端相连；
串并转换模块9的一输出端与单片机控制模块8的另一输入端相连，串并转换模块9的一输入端与单片机控制模块8的另一输入端相连；
数据存储模块10的一输入端与串并转换模块9的另一输出端相连，数据存储模块10的输出端与输出接口模块11输入端相连；数据存储模块10的输入端与单片机控制模块8的输入端相连；
单片机控制模块8通过光电隔离模块7与模数转换模块3通信，单片机控制模块8向模数转换模块3发送命令字、读取模数转换模块3的状态、控制模数转换模块信号采集的开始停止、选择采集通道，同时将转换好的数字信号暂存在单片机控制模块8中，单片机控制模块8读取串并转换模块9和数据存储模块10的状态信息，并向串并转换模块9和数据存储模块10发送命令字控制串并转换模块9读取暂存在单片机控制模块10中的串行数字信号，并将串行数字信转换成并行数据，继而输入到数据存储模块10进行存储，从而实现对采集得到的串行数据的串并转换及数据存储；数据存储模块10接收单片机控制模块8发送的控制命令，将数字信号输出到输出接口模块11的输入端，经输出接口模块11后输出，进入主控卡的接口模块。
模拟信号调理模块2包括：信号放大电路、单端转差分电路、低通滤波电路、50Hz陷波器，模拟信号调理模块2通过信号放大电路将输入模拟信号放大到模数转换模块3输入信号范围内，通过单端转差分电路将放大后的模拟信号转换为差分信号，低通滤波电路对差分信号进一步处理得到初步滤波信号；再通过50Hz陷波器滤除工频干扰后与模数转换模块3相连。
所有的模数转换模块3都需要基准参考电源，而参考电源的稳定度制约着模数转换的精度，所以参考电压模块4选用初始误差小，温度系数低，调整率低的参考电源芯片为模数转换模块3提供参考电源，将参考电源带来的误差控制到最小；
模数转换模块3选用∑-Δ型模数转换器ADS1256，所述∑-Δ型模数转换器具有23bits无噪声精度，工作模式下功耗为38mW，备用模式下功耗为0.4mW，配置为4路差动输入。由于∑-Δ型模数转换器ADS1256的采样精度非常高，且应用于各种电路时，要求电源电路的噪声必须非常小，所以精密电源模块5的供电电源经过两级稳压电路后通过低压差线性稳压电路输出稳定的5V直流电压给模数转换模块3供电；
由于每个采集卡内的模数转换器ADC时钟都是板卡内的晶振提供的，为了实现采集卡采集时间的同步性，因此采集卡间时钟的相位需要保持一致，故锁相环模块6需要采用一种外部锁相环来保证相位的一致，锁相环模块6的鉴相时钟统一由主控卡提供，通过外部锁相环的鉴相保证采集卡间的相位是一致的。
模数转换模块3在单片机控制模块8的控制下，将由模拟信号调理模块2输入的多路差分模拟信号转换为串行数字信号，经过光电隔离模块7进入单片机控制模块8。
模数转换模块3选用20位以上的模数转换器的核心芯片所具有的SPI接口使其比普通并行接口的模数转换器要复杂得多。采集卡设计了如下所述的串并转换策略，第一阶段以单片机控制模块8对模数转换器ADS1256进行SPI接口控制，包括发命令，读状态，取数据等操作，并将每一路串行结果通过串并转换模块9转化成并行数据，完成模数输出的串并格式转换，再将该并行数据用数据存储模块10暂存，最后进入输出接口模块11。
主控卡结构框图如附图3所示，所述主控卡包括接口模块、电源模块、FPGA主控模块和通信模块，其中：接口模块和电源模块的输出端与FPGA主控模块的输入端相连；FPGA主控模块的输出端与通信模块的输入端相连；接口模块的输入端接收采集卡的输出接口模块输出的数字信号；FPGA主控模块的输入端接收接口模块输出的数字信号，对经过模数转换后的检焦数字信号中进行去噪滤波，通信模块向上位计算机发送主控卡的状态信息，并接受上位计算机发送的控制命令，从而实现上位计算机对主控卡的控制。为了减轻上位计算机的负担，提高信号采集的稳定性，可靠性及实时性，在分析整个系统误差源的基础上，确定相应的误差校正算法，通过FPGA主控模块对采集卡转换后的数据进行软件的实时校正，对各个采集卡采集到的数据采用两级滤波方案进行去噪，第一级去噪滤波先用超值滤波算法剔除明显的噪声数据，再用递推平均滤波算法取均值以剔除不明显的噪声数据。再通过第二级去噪滤波采用的小波阈值去噪法剔除量化噪声等不易剔除噪声。上位计算机可以随时通过上位计算机通信模块实时读取采集到的数据；另外，FPGA主控模块通过上位计算机通信模块接收上位计算机发送的命令，控制每个采集卡的工作过程，协调采集卡间的工作方式；电源模块为主控卡提供电源。
虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将会意识到，在不背弃权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种通用多通道数据采集系统，其特征在于包括：采集卡和主控卡，其中：
采集卡，采集传感器传来的模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；
主控卡与采集卡连接，对数字信号进行去噪滤波，用于实时校正数据；
上位计算机与主控卡连接，从主控卡写入配置信息，实现对整个系统工作的控制。
2.根据权利要求1所述通用多通道数据采集系统，其特征在于：所述采集卡包括输入接口模块、模拟信号调理电路模块、模数转换模块、参考电压模块、锁相环模块，精密电源模块、光电隔离模块、单片机控制模块、串并转换模块、数据存储模块和输出接口模块，其中：模拟信号调理电路的输入端与输入接口模块的输出端相连，用于将采集到模拟信号进行初步滤波，并将模拟信号幅值调理到模数转换模块的输入信号范围；
模数转换模块输入端分别与模拟信号调理模块输出端、参考电压模块输出端、锁相环模块输出端、精密电源模块输出端和光电隔离模块的输出端相连；参考电压模块、精密电源模块，用于为模数转换模块提供外部参考电压、低噪声电源；锁相环模块，用于为模数转换模块提供时钟信号，保证采集卡间时钟信号的相位同步；光电隔离模块将整个数据采集系统的模拟部分和数字部分的完全隔离，使得模拟信号的传输不会受到数字电路中噪声的干扰；
模数转换模块的输出端与光电隔离模块的输入端连接；模数转换模块，用于将模拟信号转换成数字信号输入到光电隔离模块的输入端；
单片机控制模块的输出端与光电隔离模块的另一输入端相连，单片机控制模块输入端与光电隔离模块的另一输出端相连；
串并转换模块的输出端与单片机控制模块的另一输入端相连，串并转换模块的输入端与单片机控制模块的另一输入端相连；
数据存储模块的输入端与串并转换模块的另一输出端相连，数据存储模块的输出端与输出接口模块输入端相连；数据存储模块的输入端与单片机控制模块的输入端相连；
单片机控制模块通过光电隔离模块与模数转换模块通信，单片机控制模块向模数转换模块发送命令字、读取模数转换模块的状态、控制模数转换模块信号采集的开始停止、选择采集通道，同时将转换好的数字信号暂存在单片机控制模块中，单片机控制模块读取串并转换模块和数据存储模块的状态信息，并向串并转换模块和数据存储模块发送命令字控制串并转换模块读取暂存在单片机控制模块中的串行数字信号，并将串行数字信转换成并行数据，继而输入到数据存储模块进行存储，从而实现对采集得到的串行数据的串并转换及数据存储；数据存储模块接收单片机控制模块发送的控制命令，将数字信号输出到输出接口模块的输入端，经输出接口模块后输出，进入主控卡的接口模块。
3.根据权利要求2所述通用多通道数据采集系统，其特征在于：所述模数转换模块选用∑-Δ型模数转换器ADS1256，所述∑-Δ型模数转换器具有23bits无噪声精度，工作模式下功耗为38mW，备用模式下功耗为0.4mW，配置为4路差动输入。
4.根据权利要求1所述通用多通道数据采集系统，其特征在于：所述主控卡包括接口模块、电源模块、FPGA主控模块和通信模块，其中：接口模块和电源模块的输出端与FPGA主控模块的输入端相连；FPGA主控模块的输出端与通信模块的输入端相连；接口模块的输入端接收采集卡的输出接口模块输出的数字信号；FPGA主控模块的输入端接收接口模块输出的数字信号，对经过模数转换后的检焦数字信号中进行去噪滤波，通信模块向上位计算机发送主控卡的状态信息，并接受上位计算机发送的控制命令，从而实现上位计算机对主控卡的控制。
5.根据权利要求1所述通用多通道数据采集系统，其特征在于：所述去噪滤波是对数字信号采用两级滤波方案进行去噪滤波，其中：
第一级去噪滤波先用超值滤波算法剔除明显的噪声数据，再用递推平均滤波算法取均值以剔除不明显的噪声数据；再通过第二级去噪滤波采用小波阈值去噪法剔除量化噪声。
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