CN103558787B - 多通道可配置隔离的扫描a/d模块 - Google Patents

多通道可配置隔离的扫描a/d模块 Download PDF

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多通道可配置隔离的扫描A/D模块，涉及一种A/D模块。为了解决传统A/D采集模块通道数量少、通用性差及由于系统间共模电压的存在导致测量出现故障的问题。它包括第一128路矩阵开关电路、隔离电路、第二128路矩阵开关电路、AD采集电路和VXI总线；第一128路矩阵开关电路、隔离电路和第二128路矩阵开关电路连接成64路非隔离扫描通道和64路相互独立的隔离扫描通道，实现64路差分输入信号配置隔离通道或非隔离通道；第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与AD采集电路的64路采集信号输入端子连接；AD采集电路的采集信号输出端与VXI总线连接。它用于自动测试系统中的扫描A/D模块。

Description

多通道可配置隔离的扫描A/D模块
技术领域
本发明涉及一种A/D模块，特别涉及一种多通道可配置隔离的扫描A/D模块。
背景技术
扫描A/D模块是自动测试系统中常用的部件，主要用于对被测设备中大量模拟信号的采集。对于各种新型的自动测试系统，为了避免自动测试系统对被测设备的相互影响，要求被测设备需要与自动测试系统实现隔离，这使得自动测试系统中扫描A/D模块的各输入通道与被测信号之间形成非共地差分连接方式，而这种连接方式经常由于交流感应、漏电、静电积累等在自动测试系统和被测设备之间产生较大的共模电压，共模电压叠加到被测信号上超出扫描A/D模块的测试量程，导致测试结果出现错误，严重情况下烧毁扫描A/D模块。目前，已有的大部分扫描A/D模块，都不具备隔离输入的能力，不适合新型自动测试系统对隔离测试的要求，而部分具有隔离功能的扫描A/D模块，存在隔离通道数量很少，无法满足测试设备的资源需求的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统A/D采集模块通道数量少、通用性差及由于系统间共模电压的存在导致测量出现故障的问题，提出了一种多通道可配置隔离的扫描A/D模块。
本发明的多通道可配置隔离的扫描A/D模块,它包括第一128路矩阵开关电路、隔离电路、第二128路矩阵开关电路、AD采集电路和VXI总线；
所述第一128路矩阵开关电路有64路输入端子和128输出端子；
所述第二128路矩阵开关电路有128路输入端子和64输出端子；
第一128路矩阵开关电路的64路信号输入端子用于输入64路差分信号，
第一128路矩阵开关电路电路的128路信号输出端子中的64路信号输出端子分别与隔离电路的64路隔离输入端子连接，隔离电路的64路隔离输出端子和第一128路矩阵开关电路剩余的64路信号输出端子分别与第二128路矩阵开关电路的128路信号输入端子连接，第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与AD采集电路的64路采集信号输入端子连接；
AD采集电路的采集信号输出端与VXI总线连接。
AD采集电路包括DSP芯片、FIFO模块、SDRAM模块、寄存器组、传送FIFO模块、FLASH模块、AD模块、控制逻辑模块、通道选择模块和64路滤波电路；
第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与64路滤波电路的64路滤波信号输入端连接；
64路滤波电路的64路滤波信号输出端与通道选择模块的64路滤波信号输入端连接，
控制逻辑模块的通道控制选择信号输出端与通道选择模块的通道控制选择信号输入端连接；
通道选择模块的模拟信号输出端与AD模块的模拟信号输入端连接，
控制逻辑模块的AD转换控制信号输出端与AD模块的AD转换控制信号输入端连接；
AD模块的数字信号输出端与FIFO模块的数字信号输入端连接；
控制逻辑模块的存储控制信号输出端与FIFO模块的存储控制信号输入端连接；
FIFO模块的存储信号输出端与DSP芯片的存储信号输入端连接；
DSP芯片的通道控制选择信号输出端与控制逻辑模块的通道控制选择信号输入端连接；
FLASH模块的隔离通道校准信号输入输出端与DSP芯片的隔离通道校准信号输入输出端连接；
DSP芯片的缓存信号输入输出端与SDRAM模块的缓存信号输入输出端连接；
DSP芯片的FIFO数据输出端与传送FIFO模块的FIFO数据输入端连接；
传送FIFO模块FIFO数据输出端与VXI总线连接；
寄存器组执行命令的信号输入输出端与DSP芯片的执行命令的信号输入输出端连接；
寄存器组的执行命令信号输入输出端与VXI总线连接。
本发明的优点在于，本发明解决了数据采集系统间共模电压的存在而导致A/D模块部分通道测量出错的问题，提出对A/D模块前端采用隔离输入的方式且本发明的技术指标如下：通道数：64；
隔离通道数：64，可实现64通道中任意通道设置为隔离或非隔离；
精度：非隔离通道0.2%FS，隔离通道0.5%FS；
A/D分辨率：14Bit；
信号幅度范围：-16V～+16V；
模块内部数据存储RAM容量：128M字；
传输FIFO容量：2K字；
最高采样速率：64个通道共100KSa/s；
连接器接口与HIT C105I及Agilent EE1413兼容；
标准VXI C尺寸。
本发明采用信号隔离输入技术，有效地解决了系统间共模电压的存在导致A/D模块部分通道测量出错的问题。采用128路矩阵开关电路使得64路中任意一路可通过跳线设置为隔离或非隔离，设置灵活、方便。在FLASH模块中存储模块矩阵开关的隔离通道设置，上电后自动加载设置，由DSP芯片自动完成隔离与非隔离通道的区分，使用户在使用上实现直接操作64路输入通道，而不用具体对隔离和非隔离通道进行区分。采用AD202实现隔离运放，其输入带宽为2kHz，即可以完整通过2kHz的模拟输入信号，能实现被测设备输入模拟信号完整通过隔离运放，不会由于隔离影响输入信号的幅值和动态特性。保证了信号通过隔离电路后，其A/D采集与非隔离完全一致。对AD采集的数据进行了软件校正，提高了测试的精度。在电路板的设计上实现了模拟信号与数字信号隔离，在制作PCB板时严格按照相关标准进行，保证了电路的安全、稳定性能。
附图说明
图1为具体实施方式一和二所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块的原理示意图。
图2为具体实施方式三所述的控制逻辑模块的原理示意图。
图3为具体实施方式四所述的DSP芯片内的模块的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块，它包括第一128路矩阵开关电路、隔离电路、第二128路矩阵开关电路、AD采集电路和VXI总线；
所述第一128路矩阵开关电路有64路输入端子和128输出端子；
所述第二128路矩阵开关电路有128路输入端子和64输出端子；
第一128路矩阵开关电路的64路信号输入端子用于输入64路差分信号，
第一128路矩阵开关电路电路的128路信号输出端子中的64路信号输出端子分别与隔离电路的64路隔离输入端子连接，隔离电路的64路隔离输出端子和第一128路矩阵开关电路剩余的64路信号输出端子分别与第二128路矩阵开关电路的128路信号输入端子连接，第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与AD采集电路的64路采集信号输入端子连接；
AD采集电路的采集信号输出端与VXI总线连接。
第一128路矩阵开关电路、隔离电路和第二128路矩阵开关电路形成了64路非隔离扫描通道和64路相互独立的隔离扫描通道，通过设置两个128路矩阵开关电路来实现64路输入通道中任意通道设置为非隔离或隔离。
本实施方式中，隔离电路采用隔离运放AD202实现，每个隔离通道使用一个AD202芯片，以保证各个隔离通道间完全独立。由于隔离通道采用的AD202输入电压范围为±5V，而整个A/D模块输入电压范围为±16V，因此输入信号经过分压电路衰减后进入隔离运放，同时为了保证模块有较高的输入阻抗，采用兆级的分压衰减。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块的进一步限定，AD采集电路包括DSP芯片、FIFO模块、SDRAM模块、寄存器组、传送FIFO模块、FLASH模块、AD模块、控制逻辑模块、通道选择模块和64路滤波电路；
第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与64路滤波电路的64路滤波信号输入端连接；
64路滤波电路的64路滤波信号输出端与通道选择模块的64路滤波信号输入端连接，
控制逻辑模块的通道控制选择信号输出端与通道选择模块的通道控制选择信号输入端连接；
通道选择模块的模拟信号输出端与AD模块的模拟信号输入端连接，
控制逻辑模块的AD转换控制信号输出端与AD模块的AD转换控制信号输入端连接；
AD模块的数字信号输出端与FIFO模块的数字信号输入端连接；
控制逻辑模块的存储控制信号输出端与FIFO模块的存储控制信号输入端连接；
FIFO模块的存储信号输出端与DSP芯片的存储信号输入端连接；
DSP芯片的通道控制选择信号输出端与控制逻辑模块的通道控制选择信号输入端连接；
FLASH模块的隔离通道校准信号输入输出端与DSP芯片的隔离通道校准信号输入输出端连接；
DSP芯片的缓存信号输入输出端与SDRAM模块的缓存信号输入输出端连接；
DSP芯片的FIFO数据输出端与传送FIFO模块的FIFO数据输入端连接；
传送FIFO模块FIFO数据输出端与VXI总线连接；
寄存器组执行命令的信号输入输出端与DSP芯片的执行命令的信号输入输出端连接；
寄存器组的执行命令信号输入输出端与VXI总线连接。
64路信号差分输入信号通过通道选择切换后进行AD采集，采集的数据送入FIFO缓冲区，由DSP芯片读取FIFO数据并缓存到SDRAM模块中，用户根据需要通过模块驱动程序通过VXI总线接口读取采集数据；FLASH模块用于存储模块矩阵开关的隔离通道设置，上电后自动加载设置，由DSP芯片自动完成隔离与非隔离通道的区分，使用户在使用上实现直接操作64路输入通道，而不用具体对隔离和非隔离通道进行区分。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块的进一步限定，所述控制逻辑模块包括A/D扫描控制逻辑模块和FIFO缓存控制逻辑模块；
A/D扫描控制逻辑模块，用于根据输入信号选择任意次序扫描方式或者顺序扫描方式，并根据选择的所述扫描方式进行通道扫描，且产生A/D采集时序，并将所述时序发送给AD模块；
所述顺序扫描方式为根据通道的顺序依次扫描通道；
所述任意次序扫描方式为根据DSP芯片输入的通道控制选择的参数依次进行扫描通道；
FIFO缓存控制逻辑模块，用于控制FIFO模块存储采集的数据，等待读取命令，当接收到FIFO模块存满的信号时，输出中断信号给DSP芯片，并执行读取FIFO模块数据的命令。
本实施方式A/D扫描控制逻辑模块有系统时钟输入和数据输入，触发信号输入。将产生AD采集的时钟信号，经过一段时间延时后产生通道切换信号。如果当AD采集完成后再进行通道切换，由于通道切换后信号需要一定的稳定时间，将不能保证稳定的采样率。所以本设计采用信号采集一段时间后当采集进入稳定状态之后进行通道切换，当采集完成后，切换数据已进入稳定状态，再进行下一次采集。这样就保证了稳定的采样率。
为了使AD采集的数据能稳定的储存起来，采用FIFO缓存逻辑模块。当FIFO模块中数据存满时将给输出中断信号给DSP，通知DSP芯片读取FIFO模块中的数据。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块的进一步限定，DSP芯片包括主监控模块、VXI命令服务模块、数据存储于管理模块和中断服务模块；
主监控模块，用于监听其他各模块自定义的命令和状态，若接收到隔离通道校准参数，则将所述参数缓存到FLASH模块；若接收到上位机的命令，则控制各模块执行相应命令，并将各模块执行命令后返回的状态信号发送到上位机；
VXI命令服务模块，用于执行硬件中断命令；
数据存储与管理模块，用于对存储在SDRAM模块中的数据进行读写操作。
中断服务模块，用于当进入中断时，读取FIFO模块中存储的各通道采集信号，并对所述各通道采集信号进行校正，并将校正结果存储到RAM中。
DSP芯片上电自动加载程序，所述程序负责完成与VXI总线的通讯、数据管理以及采样控制。它的功能可以分为以下几个部分：
1.执行上位机的命令并返回相应的状态：上位机想让DSP执行某项工作时，就可以向模块自定义的命令/状态寄存器中写入相应的命令。DSP应该能及时的执行命令并返回相应的状态，所以DSP要不断的查询是否有上位机命令输入。
2.对FPGA逻辑控制器内部各个单元进行初始化与设置参数：各个逻辑单元设置之后才能进行相应采样。如：自检扫描、测试扫描。
3.存储数据管理：DSP芯片根据上位机的命令与参数，将AD采样数据写入指定的SDRAM模块的地址空间中，等到上位机需要时，DSP芯片从SDRAM模块中再转移到上传FIFO模块中，等待上位机读取。存储管理主要对采样数据在SDRAM模块中读写操作。
DSP芯片内嵌入软件的主函数流程模块上电后进行DSP芯片和寄存器的初始化。初始化完成后DSP芯片从FLASH模块中读取通道校准参数，然后等待上位机发送参数或命令。DSP芯片在中断函数中读取FIFO模块中的值，获取AD采样值。然后对各通道采样值运用通道校准参数进行校准。DSP芯片接收到上位机的命令后再将校准后的值发送到上位机。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块的进一步限定，中断服务模块对所述各通道采集信号进行校正的方法为：
各通道校正后的被测电压值TEMP(ad)=k*temp(ad)+b，
其中temp(ad)为读取FIFO中的相应通道采集信号的值，k为测得的64路采样信号的校正系数，b为测得的64路采样信号的误差偏移。
由于A/D采集到的信号有一定的误差所以需要进行软件校正进一步提高测量的精度。又由于64路通道相互独立，所以需要对每一路通道进行单独的校正。校正的数据量巨大，过程复杂，耗时较长，因此设计了一种运用matlab工具软件，编写代码实现一次对64路通道数据进行线性修正的方法。
校准的方法如下：
根据测量关系知道：测得电压=temp(ad)*10/32768，其中(10V为测量的满量程电压值，32768为ＡＤ测量的满量程。分别对64路测量通道加电压-10V、-6V、-2V、2V、6V、10V，各测量六遍并取平均值。将平均值输入到matlab程序里，运行即可得到校正的系数K’和B’。所述获得校正的系数K’和B’的方法为本领域技术人员惯用的技术手段。
将获得的K和B写到上位机里，上位机下载到DSP芯片里，DSP芯片将得到的校正值写入到FLASH模块中。DSP芯片上电复位后在执行主函数循环前加载FLASH模块中的校正值。在当AD采集完信号后在中断中对采集的信号进行修正。
在DSP芯片的中断程序里实际校正公式为TEMP(ad)=k*temp(ad)+b。
将读取FIFO模块中的AD采样值代入上述公式中得到修正后的采样值。对各通道做了线性修正后误差明显减小。

Claims (5)

1.多通道可配置隔离的扫描A/D模块，其特征在于，它包括第一128路矩阵开关电路、隔离电路、第二128路矩阵开关电路、AD采集电路和VXI总线；
所述第一128路矩阵开关电路有64路输入端子和128输出端子；
所述第二128路矩阵开关电路有128路输入端子和64输出端子；
第一128路矩阵开关电路的64路信号输入端子用于输入64路差分信号，
第一128路矩阵开关电路电路的128路信号输出端子中的64路信号输出端子分别与隔离电路的64路隔离输入端子连接，隔离电路的64路隔离输出端子和第一128路矩阵开关电路剩余的64路信号输出端子分别与第二128路矩阵开关电路的128路信号输入端子连接，第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与AD采集电路的64路采集信号输入端子连接；
AD采集电路的采集信号输出端与VXI总线连接。
2.根据权利要求1所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块，其特征在于，AD采集电路包括DSP芯片、FIFO模块、SDRAM模块、寄存器组、传送FIFO模块、FLASH模块、AD模块、控制逻辑模块、通道选择模块和64路滤波电路；
第二128路矩阵开关电路的64路信号输出端子与64路滤波电路的64路滤波信号输入端连接；
64路滤波电路的64路滤波信号输出端与通道选择模块的64路滤波信号输入端连接，
控制逻辑模块的通道控制选择信号输出端与通道选择模块的通道控制选择信号输入端连接；
通道选择模块的模拟信号输出端与AD模块的模拟信号输入端连接，
控制逻辑模块的AD转换控制信号输出端与AD模块的AD转换控制信号输入端连接；
AD模块的数字信号输出端与FIFO模块的数字信号输入端连接；
控制逻辑模块的存储控制信号输出端与FIFO模块的存储控制信号输入端连接；
FIFO模块的存储信号输出端与DSP芯片的存储信号输入端连接；
DSP芯片的通道控制选择信号输出端与控制逻辑模块的通道控制选择信号输入端连接；
FLASH模块的隔离通道校准信号输入输出端与DSP芯片的隔离通道校准信号输入输出端连接；
DSP芯片的缓存信号输入输出端与SDRAM模块的缓存信号输入输出端连接；
DSP芯片的FIFO数据输出端与传送FIFO模块的FIFO数据输入端连接；
传送FIFO模块FIFO数据输出端与VXI总线连接；
寄存器组执行命令的信号输入输出端与DSP芯片的执行命令的信号输入输出端连接；
寄存器组的执行命令信号输入输出端与VXI总线连接。
3.根据权利要求2所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块，其特征在于，所述控制逻辑模块包括A/D扫描控制逻辑模块和FIFO缓存控制逻辑模块；
A/D扫描控制逻辑模块，用于根据输入信号选择任意次序扫描方式或者顺序扫描方式，并根据选择的所述扫描方式进行通道扫描，且产生A/D采集时序，并将所述时序发送给AD模块；
所述顺序扫描方式为根据通道的顺序依次扫描通道；
所述任意次序扫描方式为根据DSP芯片输入的通道控制选择的参数依次进行扫描通道；
FIFO缓存控制逻辑模块，用于控制FIFO模块存储采集的数据，等待读取命令，当接收到FIFO模块存满的信号时，输出中断信号给DSP芯片，并执行读取FIFO模块数据的命令。
4.根据权利要求2所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块，其特征在于，DSP芯片包括主监控模块、VXI命令服务模块、数据存储与管理模块和中断服务模块；
主监控模块，用于监听其他各模块自定义的命令和状态，若接收到隔离通道校准参数，则将所述参数缓存到FLASH模块；若接收到上位机的命令，则控制各模块执行相应命令，并将各模块执行命令后返回的状态信号发送到上位机；
VXI命令服务模块，用于执行硬件中断命令；
数据存储与管理模块，用于对存储在SDRAM模块中的数据进行读写操作，
中断服务模块，用于当进入中断时，读取FIFO模块中存储的各通道采集信号，并对所述各通道采集信号进行校正，并将校正结果存储到RAM中。
5.根据权利要求4所述的多通道可配置隔离的扫描A/D模块，其特征在于，中断服务模块对所述各通道采集信号进行校正的方法为：
各通道校正后的被测电压值TEMP(ad)＝k*temp(ad)+b，
其中temp(ad)为读取FIFO中的相应通道采集信号的值，k为测得的64路采样信号的校正系数，b为测得的64路采样信号的误差偏移。
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