CN106020019A - 一种多路模拟信号数据采集自动校正电路和校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多路模拟信号数据采集自动校正电路和校正方法，涉及一种需要自动校零和校满刻度的多路模拟信号数据采集电路，属电子技术应用领域。由信号采集电路、A/D转换单元和控制单元依次连接而成，信号采集电路包括信号放大单元、标准满刻度信号端、标准零信号端和电子开关；控制单元与电子开关的控制端相连，信号放大单元、标准满刻度信号端以及标准零信号端分别与电子开关的输入端相连；由控制单元发送控制信息到电子开关，电子开关自动切换与传感器信号端、标准满刻度信号端或标准零信号端连接，并将该输入端信号传至信号放大单元；传感器信号端的信号来自于传感器；标准满刻度信号端的信号以及标准零信号端的信号均取自电路标准电源信号。

Description

一种多路模拟信号数据采集自动校正电路和校正方法

技术领域

本发明一种多路模拟信号数据采集自动校正电路和校正方法，涉及一种需要自动校零和校满刻度的多路模拟信号数据采集电路，属于电子技术应用领域。

背景技术

在电子技术应用领域经常会涉及到有关各类传感器信号数据采集电路的设计，这些传感器信号通常是模拟量，幅值较小（毫伏级），需要通过信号放大单元将信号放大，然后通过A/D转换单元把模拟信号变为数字量，最后送控制单元处理。在信号放大单元部分，通常需要设置调零电位器和调满幅值电位器，用于信号测量基准的校对。这个校对通常是在产品出厂调试的时候由人工调节调零电位器和调满幅值电位器来完成的。然而，由于IC制造工艺和电路设计方面的原因，加上人工调节存在误差，信号放大单元经常会随着应用环境的不同存在基准漂移问题，对于多路传感器信号数据的采集，还存在同类型传感器信号采集，相同测量条件下不同信道之间采集数据不一致的问题，传统的模拟信号数据采集电路见附图1。

已有的一种改进的多路模拟信号数据采集电路（见附图2），通过增加电子开关，使多路传感器共享一套信号放大单元，但这种方法只能针对上述不同信道之间采集数据不一致的问题起到一定作用，信号放大单元随着应用环境的变化，基准漂移的问题仍然存在，并且产生新问题：（1）由人工调节的信号放大电路的调零电位器和调满幅值电位器难以调节到某一个合适位置可以满足多个不同的传感器信号输入要求；（2）电子开关频繁切换不同信道的传感器信号输入，开关扰动对毫伏级的信号输入造成极大干扰。

另一种改进的传统模拟信号数据采集电路（见图3），采用IC制造厂商专用的传感器测量模块替代信号放大单元和A/D转换单元，将原先的信号放大和A/D转换两项功能交由专业制造厂商的集成电路来完成，电路设计变得简洁，稳定性得到保证。但是也存在比如专用芯片价格较高、量程范围较窄、不适应多路传感信号采集、电子开关扰动对毫伏级的信号造成干扰等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种多路模拟信号数据采集自动校正电路和校正方法，可以根据要求实时自动校正每一路传感器信号的零点基准和满刻度基准，避免人工调节的不稳定性，解决不同信道之间测量不一致的问题，消除不同环境下信号放大单元基准漂移带来的影响。

本发明是采取以下技术方案实现的：

一种多路模拟信号数据采集自动校正电路由信号采集电路、A/D转换单元和控制单元依次连接而成；信号采集电路包括信号放大单元、标准满刻度信号端、标准零信号端和电子开关；控制单元与电子开关的控制端相连，信号放大单元、标准满刻度信号端以及标准零信号端分别与电子开关的输入端相连；由控制单元发送控制信息到电子开关，电子开关自动切换与传感器信号端、标准满刻度信号端或标准零信号端连接，并将该输入端信号传至信号放大单元；传感器信号端的信号来自于传感器；标准满刻度信号端的信号以及标准零信号端的信号均取自电路标准电源信号；

所述A/D转换单元用于将信号放大单元送来的模拟量信号转换为数字化信号；

所述控制单元采用微处理器和存储器，微处理器用于收集A/D转换单元送来的输入信号数字化后的数值，分析计算后进行处理；存储器用于保存各类测量及运行数据。

所述微处理器采用市售的嵌入式微处理器或单片机。

多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法包括两种模式，即出厂调试模式和自动校正模式，通过在控制单元设置来切换，控制模式设置完成以后，由控制单元自动完成相应的校正，不需要人工调节干预；

自动校正模式是控制单元的默认控制模式，在以下两种情况下控制单元对传感器信号采集电路进行自动校正：一是控制单元每次断电重新上电时；二是可以由控制单元设置的时间参数决定是否执行自动校正以及执行自动校正的周期。

所述出厂调试模式，包括如下步骤：

1-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

1-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

1-3）步骤1-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

1-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据，此时，控制单元完成传感器信道一的出厂调试过程；

1-5）在完成传感器信道一的出厂调试后，控制单元开始执行传感器信道二的出厂调试，方法同传感器信道一的出厂调试；完成出厂调试后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

1-6）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的出厂调试后，自动控制所有信道的电子开关切换成与输入传感器信号端相连，开始正常的数据采集；此时控制模式自动切换为自动校正模式。

所述自动校正模式，包括如下步骤：

2-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

2-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

2-3）步骤2-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

2-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据；

2-5）控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，使电子开关的输入端与输入信道一的传感器信号端相连；此时，控制单元完成传感器信道一的自动校正过程；

2-6）在完成传感器信道一的自动校正后，控制单元开始执行传感器信道二的自动校正，方法同传感器信道一的自动校正；完成自动校正后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

2-7）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的自动校正后，结束本次自动校正。

本发明多路模拟信号数据采集自动校正电路的信号放大单元不再需要传统的人工调零电位器和人工调满幅值电位器电路，选择电路元件参数时只要信号放大单元满足传感器信号量程范围即可；标准满刻度信号可取电路标准电源信号比如+5V或+3.3V作为基准；标准零信号可取电路标准电源信号比如0V作为基准。

本发明的优点：

（1）信号放大电路设计时，不需调零电位器和调满幅值电位器，简化电路设计；

（2）调零和调满刻度由控制单元自动执行，替代传统手动调节电位器，消除人工参与的不稳定性；

（3）各传感器信道的信号放大单元硬件电路不需像传统电路一样费心调节为性能参数精确一致。采用本发明的信号采集自动校正方法，每一路传感器信道都采集并记忆各自的标准零信号基准测量数据和标准满刻度信号基准测量数据，相当于各传感器信道可以各自独立调零和调满刻度，不需要像传统信号采集电路那样用统一的调零和调满刻度，有效避免同样传感器在不同信道之间测量不一致的问题；

（4）控制单元记忆的各传感器信道标准零信号基准测量数据和标准满刻度信号基准测量数据为经过A/D转换后的数字化数据，比起传统的模拟电路，稳定可靠，分辨率高；

（5）“自动校正”模式的执行，提供了各传感器信道信号的实时调零和调满刻度，有效避免不同应用环境条件下信号放大单元的基准漂移问题。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是传统的模拟信号数据采集电路原理图；

图2是改进的传统模拟信号数据采集电路1原理图；

图3是改进的传统模拟信号数据采集电路2原理图；

图4是本发明多路模拟信号数据采集自动校正电路原理图。

具体实施方式

参照附图1～4，一种多路模拟信号数据采集自动校正电路由信号采集电路、A/D转换单元和控制单元依次连接而成；信号采集电路包括信号放大单元、标准满刻度信号端、标准零信号端和电子开关；控制单元与电子开关的控制端相连，信号放大单元、标准满刻度信号端以及标准零信号端分别与电子开关的输入端相连；由控制单元发送控制信息到电子开关，电子开关自动切换与传感器信号端、标准满刻度信号端或标准零信号端连接，并将该输入端信号传至信号放大单元；传感器信号端的信号来自于传感器；标准满刻度信号端的信号以及标准零信号端的信号均取自电路标准电源信号；

所述A/D转换单元用于将信号放大单元送来的模拟量信号转换为数字化信号；

所述控制单元采用微处理器和存储器，微处理器用于收集A/D转换单元送来的输入信号数字化后的数值，分析计算后进行处理；存储器用于保存各类测量及运行数据。

所述微处理器采用市售的嵌入式微处理器或单片机。

多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法包括两种模式，即出厂调试模式和自动校正模式，通过在控制单元设置来切换，控制模式设置完成以后，由控制单元自动完成相应的校正，不需要人工调节干预；

自动校正模式是控制单元的默认控制模式，在以下两种情况下控制单元对传感器信号采集电路进行自动校正：一是控制单元每次断电重新上电时；二是可以由控制单元设置的时间参数决定是否执行自动校正以及执行自动校正的周期。

所述出厂调试模式，包括如下步骤：

1-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

1-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

1-3）步骤1-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

1-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据，此时，控制单元完成传感器信道一的出厂调试过程；

1-5）在完成传感器信道一的出厂调试后，控制单元开始执行传感器信道二的出厂调试，方法同传感器信道一的出厂调试；完成出厂调试后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

1-6）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的出厂调试后，自动控制所有信道的电子开关切换成与输入传感器信号端相连，开始正常的数据采集；此时控制模式自动切换为自动校正模式。

所述自动校正模式，包括如下步骤：

2-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

2-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

2-3）步骤2-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

2-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据；

2-5）控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，使电子开关的输入端与输入信道一的传感器信号端相连；此时，控制单元完成传感器信道一的自动校正过程；

2-6）在完成传感器信道一的自动校正后，控制单元开始执行传感器信道二的自动校正，方法同传感器信道一的自动校正；完成自动校正后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

2-7）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的自动校正后，结束本次自动校正。

出厂调试模式和自动校正模式的区别在于：出厂调试模式是对电路能否正常运行、能否销售出厂的检验；自动校正模式是对电路在不同运行环境条件下适应性的不断自动调整。两种模式分别得到了各传感器信道的标准零信号基准测量数据REFx0和标准满刻度信号基准测量数据REFx1，其中，x是各传感器信道的编号，为1~n。而作为标准，零信号和满刻度信号对应的标准计算值VT0和VT1是已知的，可以作为参数事先设置存储在控制单元存储器中。

控制单元在正常工作时，不断对信道1~n的传感器信号进行采集，得到各传感器信道的信号实时测量数据REFx（x为信道编号），控制单元根据各传感器信道的标准零信号基准测量数据REFx0和标准满刻度信号基准测量数据REFx1以及零信号和满刻度对应的标准计算值VT0和VT1，分别计算各传感器信道的实时测量值VTx。从而实现多路模拟信号数据采集自动校正和计算。

Claims (6)

1.一种多路模拟信号数据采集自动校正电路由信号采集电路、A/D转换单元和控制单元依次连接而成，其特征在于：信号采集电路包括信号放大单元、标准满刻度信号端、标准零信号端和电子开关；控制单元与电子开关的控制端相连，信号放大单元、标准满刻度信号端以及标准零信号端分别与电子开关的输入端相连；由控制单元发送控制信息到电子开关，电子开关自动切换与传感器信号端、标准满刻度信号端或标准零信号端连接，并将该输入端信号传至信号放大单元；传感器信号端的信号来自于传感器；标准满刻度信号端的信号以及标准零信号端的信号均取自电路标准电源信号；

所述A/D转换单元用于将信号放大单元送来的模拟量信号转换为数字化信号；

所述控制单元采用微处理器和存储器，微处理器用于收集A/D转换单元送来的输入信号数字化后的数值，分析计算后进行处理；存储器用于保存各类测量及运行数据。

2.根据权利要求1所述的多路模拟信号数据采集自动校正电路，其特征在于：所述微处理器采用嵌入式微处理器或单片机。

3.权利要求1所述的多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法，其特征在于：校正方法包括两种模式，即出厂调试模式和自动校正模式，通过在控制单元设置来切换，控制模式设置完成以后，由控制单元自动完成相应的校正，不需要人工调节干预。

4.根据权利要求3所述的多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法，其特征在于：自动校正模式是控制单元的默认控制模式，在控制单元每次断电重新上电时和由控制单元设置的时间参数决定是否执行自动校正以及执行自动校正的周期两种情况下，由控制单元对传感器信号采集电路进行自动校正。

5.根据权利要求3所述的多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法，其特征在于，所述出厂调试模式，包括如下步骤：

1-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

1-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

1-3）步骤1-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

1-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据，此时，控制单元完成传感器信道一的出厂调试过程；

1-5）在完成传感器信道一的出厂调试后，控制单元开始执行传感器信道二的出厂调试，方法同传感器信道一的出厂调试；完成出厂调试后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

1-6）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的出厂调试后，自动控制所有信道的电子开关切换成与输入传感器信号端相连，开始正常的数据采集；此时控制模式自动切换为自动校正模式。

6.根据权利要求3所述的多路模拟信号数据采集自动校正电路的校正方法，其特征在于，所述自动校正模式，包括如下步骤：

2-1）控制单元控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准零信号端相连；

2-2）输入标准零信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据，并将此时的A/D转换单元数据保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据；

2-3）步骤2-2）中标准零信号基准测量数据保存完成后，控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，将电子开关的输入端与输入标准满刻度信号端相连；

2-4）输入标准满刻度信号接入稳定后，控制单元读取此时的A/D转换单元数据并保存在存储器中，由此得到传感器信道一的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据；

2-5）控制单元自动控制传感器信道一的电子开关，使电子开关的输入端与输入信道一的传感器信号端相连；此时，控制单元完成传感器信道一的自动校正过程；

2-6）在完成传感器信道一的自动校正后，控制单元开始执行传感器信道二的自动校正，方法同传感器信道一的自动校正；完成自动校正后，分别得到传感器信道二的标准零信号所对应的标准零信号基准测量数据二和传感器信道二的标准满刻度信号所对应的标准满刻度信号基准测量数据二；

2-7）以此类推，在控制单元完成所有传感器信道的自动校正后，结束本次自动校正。