CN106327834A - 多通道信号采集设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种多通道信号采集设备和方法，其中设备，包括：采集转换装置，传输装置，处理器和电源控制装置；其中：所述采集转换装置包括多个采集通道和信号转换单元，用于通过多个采集通道接收外部采集设备传输的模拟信号；并通过信号转换单元将模拟信号转换为数字信号；所述处理器，用于将数字信号进行滤波处理，将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；所述传输装置，包括无线通信单元、缓存器和有线传输接口；所述电源控制装置，包括升压单元、电源管理单元、电池组管理单元和一串以上的电池。本发明实施例能够实现在没有外接电源的情况下独立供电，完成在不便布线的地方对数据进行采集和发送。

Description

多通道信号采集设备和方法

技术领域

本发明涉及信号采集技术，尤其是一种多通道信号采集设备和方法。

背景技术

数据采集仪的一般性定义：将温度、压力、流量、位移、频率等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示打印的过程。采集一般是指隔一定时间(称采样周期)对同一点数据重复采集，采集的数据大多是瞬时值。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。目前有的数据采集系统产品精度已达24位。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。

目前常用的数据采集仪按通信方式分类有PCI接口采集卡，插到计算机PCI插槽使用，本地以太网接口采集仪利用以太网通道传输数据，可快速大容量传输数据；

在实现本发明的过程中，发明人发现，现有技术至少存在以下问题：

目前未发现成熟的本地无线数据采集仪，在通信线缆和设备供电电源无法达到的地方采集数据就成了难题。

发明内容

本发明实施例所要解决的一个技术问题是：提供一种能够实现无线传输和无需外接电源的多通道信号采集设备，包括：采集转换装置，处理器，传输装置和电源控制装置；其中：

所述采集转换装置包括多个采集通道和信号转换单元，用于通过多个采集通道采集外部传感器输出的模拟信号；并通过信号转换单元将模拟信号转换为数字信号；

所述处理器，用于将数字信号进行滤波处理，将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；接收上位机发送的数据采集请求并反馈收到数据采集请求信息；根据上位机发送的数据采集请求控制采集转换装置进行信号采集；控制传输装置将数据帧发送到上位机；

所述传输装置，包括无线通信单元、缓存器和有线传输接口，当单位时间采集的模拟信号数量小于或等于设定阈值时，通过无线通信单元将数据帧发送给上位机；当单位时间采集的模拟信号数量大于设定阈值时，将数据帧存入缓存器中，缓存器响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口发送给上位机；

所述电源控制装置，包括升压单元、电源管理单元、电池组管理单元和一串以上的电池；

升压单元，用于将外接电源进行升压；

电源管理单元，用于判断所述升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；否则，控制所述升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；

电池组管理单元，用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池充电；

电池，用于根据电源管理单元的控制为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电。

基于上述设备的另一实施例中，所述电源管理单元控制升压后的外接电源优先为采集转换装置、传输装置和电源控制装置供电。

基于上述设备的另一实施例中，

所述电池组管理单元具体用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后，为每个电池采用涓流、恒流充电和恒压充电。

基于上述设备的另一实施例中，所述电池还用于为外部传感器供电。

基于上述设备的另一实施例中，所述采集通道具体用于接收外部至少一个传感器采集到的模拟信号，其中一个采集通道对应一种以上的传感器。

基于上述设备的另一实施例中，所述采集通道与信号转换单元之间设置有预处理单元，用于对采集通道接收的模拟信号依次进行一阶阻容滤波、差分运算和放大。

本发明实施例提供的一种基于上述多通道信号采集设备的多通道信号采集方法，包括：

接通外接电源，电源控制装置对外接电源进行升压；

判断升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；否则，控制所述升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电，并将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池充电；

处理器响应于接收到上位机发送的数据采集请求，反馈收到数据采集请求信息给上位机；根据所述数据采集请求控制采集转换装置通过多个采集通道采集外部传感器输出的模拟信号；并对模拟信号进行处理转换为数字信号；

处理器将数据信号进行滤波处理，并将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；

判断单位时间采集的模拟信号数量是否小于或等于设定阈值，如果小于设定阈值，通过无线通信单元将数据帧发送给上位机；否则，将数据帧存入缓存器中，缓存器响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口发送给上位机。

本发明上述实施例提供的多通道信号采集设备和方法，能够实现在没有外接电源的情况下独立供电，完成在不便布线的地方对数据进行采集和发送。同时采用无线传输和有线传输相结合的方式进行信号发送，在一定程度上使设备脱离对线路的依赖，实现无线供电和无线传输；本发明实施例所述的设备更适合应用于通信线缆和设备供电电源无法达到的地方，克服了现有技术对于通信线路和电源线依赖的问题。当外接电源经过升压后电压仍小于设定门限值时，不靠外接电源进行供电，而是采用电池为设备供电；而当外接电源的电压高于设定门限值时，外接电源为设备供电的同时，为电池充电，在充电过程中通过分压为每串电池分别供电，防止电池因接入电压过高而影响寿命，当电池充满后，电源管理单元自动断开充电。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1为本发明多通道信号采集设备一个实施例的结构示意图。

图2为本发明多通道信号采集设备另一个实施例的结构示意图。

图3为本发明多通道信号采集方法一个实施例的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例可以应用于计算机系统/服务器，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与计算机系统/服务器一起使用的众所周知的计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。

计算机系统/服务器可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令(诸如程序模块)的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。

图1为本发明多通道信号采集设备一个实施例的结构示意图。如图1所示，该实施例的设备包括：采集转换装置1，处理器2，传输装置3和电源控制装置4；其中：

上述采集转换装置1包括多个采集通道11和信号转换单元12，用于通过多个采集通道11采集外部传感器输出的模拟信号；并通过信号转换单元12将模拟信号转换为数字信号；

上述处理器2，用于将数字信号进行滤波处理，将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；接收上位机发送的数据采集请求并反馈收到数据采集请求信息；并根据上位机发送的数据采集请求控制采集转换装置进行信号采集；控制传输装置将数据帧发送到上位机；其中，以MODBUS协议将滤波处理后的数字信号组装成数据帧，一个数据帧含所有采集通道的信息，根据设备的工作模式。

上述传输装置3，包括无线通信单元31、缓存器32和有线传输接口33，当单位时间采集的模拟信号数量小于或等于设定阈值时，通过无线通信单元31将数据帧发送给上位机；当单位时间采集的模拟信号数量大于设定阈值时，将数据帧存入缓存器32中，缓存器32响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口33发送给上位机；

上述电源控制装置4，包括升压单元41、电源管理单元42、电池组管理单元43和一串以上的电池44；

升压单元41，用于将外接电源进行升压；

电源管理单元42，用于判断升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；否则，控制升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；

电池组管理单元43，用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池44充电；

电池44，用于根据电源管理单元的控制为采集转换装置1、处理器2、传输装置3和电源控制装置4供电。

本发明上述实施例提供的多通道信号采集设备，能够实现在没有外接电源的情况下独立供电，完成在不便布线的地方对数据进行采集和发送。同时采用无线传输和有线传输相结合的方式进行信号发送，在一定程度上使设备脱离对线路的依赖，实现无线供电和无线传输；而当需要进行有线传输时，先通过无线传输单元与上位机确认通信；本发明实施例所述的设备更适合应用于通信线缆和设备供电电源无法达到的地方，克服了现有技术对于通信线路和电源线依赖的问题。当外接电源经过升压后电压仍小于设定门限值时，不靠外接电源进行供电，而是采用电池为设备供电；而当外接电源的电压高于设定门限值时，外接电源为设备供电的同时，为电池充电，在充电过程中通过分压为每串电池分别供电，防止电池因接入电压过高而影响寿命，当电池充满后，电源管理单元自动断开充电。

在具体实施时，升压单元31可采用LM3488芯片，该芯片是高性能的升压管理芯片，同时有热保护、过流保护、过压保护。内部的软启动可限制启动时的电流过冲。9～15伏的输入电源经LM3488升压调节后稳定在15伏，额定的输出电流是2A。

电源管理单元42可采用BQ24170芯片，该芯片只在预设的温度范围给电池组充电。有效的保证充电的安全性。对电池的充电电流最大是1.5安培，并且优先保证对负载的0.5A的供电。

电池组管理单元43可采用BQ3060芯片，该芯片是全集成的单片锂离子电池管理器，能对2组、3组、或4组锂离子电池应用持续准确地测量记录电池可用电量、电压、电流、温度以及其他重要参数。此外，该单芯片器件还可提供高度可靠的安全功能，身份验证、断路以及放电保护等。

上述实施例多通道信号采集设备的一个具体示例，上述电源管理单元42控制升压后的外接电源优先为采集转换装置1、处理器2、传输装置3和电源控制装置4供电。

接入外接电源的情况下，电源管理单元42首先判断其电压是否符合充电和供电要求，如不符合，不接入外接电源，当符合要求时，为设备供电的同时为电池充电，当出现电量不足的情况，优先为设备供电。

上述实施例多通道信号采集设备的一个具体示例，上述电池组管理单元43具体用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后，为每个电池采用涓流、恒流充电和恒压充电。

为多串电池进行充电时，需要电池组管理单元将升压后的外接电源进行分压，以防止电压过高，影响电池使用寿命；采用先涓流、恒流为电池充电，后恒压为电池充电，在保证充电质量的前提下，延长了电池使用寿命，减少环境污染。

上述实施例多通道信号采集设备的一个具体示例，上述电池还用于为外部传感器供电。

由设备内的电池为传感器供电，避免了需要另接电源的麻烦，节省空间；同时保证了对信号的采集，只要设备有电，传感器就不会停止工作，保证了信号采集的连续性。

上述实施例多通道信号采集设备的一个具体示例，上述采集通道具体用于接收外部至少一个传感器采集到的模拟信号，其中一个采集通道对应一种以上的传感器。

设备本身提供了多路通道(如：16路)，而每路通道对于指数一种传感器保证了设备能够适用的范围更大，对于现有技术中出现的传感器都能实现信号采集。

图2为本发明多通道信号采集设备的另一个实施例，如图2所示，本实施例中，上述采集通道11与信号转换单元12之间设置有预处理单元13，用于对采集通道接收的模拟信号依次进行一阶阻容滤波、差分运算和放大。

具体应用中，该预处理单元将待测的模拟信号进行调理、放大，针对4～20Ma电流信号，0～5伏信号先做一阶阻容滤波，然后跟随放大。对于正负5伏信号，一阶阻容滤波后，与2.5伏直流信号进行差分运算后跟随放大。对于IEPE振动传感器，提供10Ma直流偏置电流，使用铝电解电容对振动传感器输出信号耦合采集，后一阶阻容滤波，与2.5伏直流信号进行差分运算后跟随放大。本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

可能以许多方式来实现本发明的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

图3为本发明多通道信号采集方法一个实施例的流程图。该实施例的方法可基于本发明上述各设备实施例实现。如图3所示，该实施例方法包括：

S101，接通外接电源，对外接电源进行升压。

S102，判断升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，执行S103；否则，执行S104。

S103，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电，执行S105。

S104，控制所述升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电，并将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池充电，执行S105。

S105，响应于接收到上位机发送的数据采集请求，反馈收到数据采集请求信息给上位机；根据所述数据采集请求控制采集转换装置通过多个采集通道采集外部传感器输出的模拟信号；并对模拟信号进行处理转换为数字信号。

S106，将数据信号进行滤波处理，并将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；

S107，判断单位时间采集的模拟信号数量是否小于或等于设定阈值，如果小于设定阈值，执行S108；否则，执行S109。

S108，通过无线通信单元将数据帧发送给上位机，结束。

S109，将数据帧存入缓存器中，缓存器响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口发送给上位机。

本发明上述实施例提供的多通道信号采集方法，能够实现在没有外接电源的情况下独立供电，完成在不便布线的地方对数据进行采集和发送。同时采用无线传输和有线传输相结合的方式进行信号发送，在一定程度上使设备脱离对线路的依赖，实现无线供电和无线传输；本发明实施例所述的设备更适合应用于通信线缆和设备供电电源无法达到的地方，克服了现有技术对于通信线路和电源线依赖的问题。当外接电源经过升压后电压仍小于设定门限值时，不靠外接电源进行供电，而是采用电池为设备供电；而当外接电源的电压高于设定门限值时，外接电源为设备供电的同时，为电池充电，在充电过程中通过分压为每串电池分别供电，防止电池因接入电压过高而影响寿命，当电池充满后，电源管理单元自动断开充电。

基于上述实施例所述方法的一个示例，S104中具体包括：

控制升压后的外接电源优先为采集转换装置、传输装置和电源管理单元供电。

基于上述实施例所述方法的一个示例，上述S104将升压电源的电压按照电池的数量分别变压后为每个电池充电包括：

将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后，分别为每个电池采用涓流、恒流充电和恒压充电。

基于上述实施例所述方法的一个示例，上述电池还为外部传感器供电。

基于上述实施例所述方法的一个示例，S105通过采集通道接收外部传感器输出的模拟信号包括：

通过采集通道接收外部至少一个传感器采集到的模拟信号，其中一个采集通道对应一种以上的传感器。

本发明多通道信号采集方法的另一个实施例，在图3所示的实施例的方法的基础上，S105中还包括：

对通过多个采集通道接收外部传感器输出的模拟信号依次进行一阶阻容滤波、差分运算和放大。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种多通道信号采集设备，其特征在于，包括：采集转换装置，处理器，传输装置和电源控制装置；其中：

所述采集转换装置包括多个采集通道和信号转换单元，用于通过多个采集通道采集外部传感器输出的模拟信号；并通过信号转换单元将模拟信号转换为数字信号；

所述处理器，用于将数字信号进行滤波处理，将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；接收上位机发送的数据采集请求并反馈收到数据采集请求信息；根据上位机发送的数据采集请求控制采集转换装置进行信号采集；控制传输装置将数据帧发送到上位机；

所述传输装置，包括无线通信单元、缓存器和有线传输接口，当单位时间采集的模拟信号数量小于或等于设定阈值时，通过无线通信单元将数据帧发送给上位机；当单位时间采集的模拟信号数量大于设定阈值时，将数据帧存入缓存器中，缓存器响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口发送给上位机；

所述电源控制装置，包括升压单元、电源管理单元、电池组管理单元和一串以上的电池；

升压单元，用于将外接电源进行升压；

电源管理单元，用于判断所述升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；否则，控制所述升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；

电池组管理单元，用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池充电；

电池，用于根据电源管理单元的控制为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电源管理单元控制升压后的外接电源优先为采集转换装置、传输装置和电源控制装置供电。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电池组管理单元具体用于将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后，为每个电池采用涓流、恒流充电和恒压充电。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的设备，其特征在于，所述电池还用于为外部传感器供电。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，所述采集通道具体用于接收外部至少一个传感器采集到的模拟信号，其中一个采集通道对应一种以上的传感器。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的设备，其特征在于，所述采集通道与信号转换单元之间设置有预处理单元，用于对采集通道接收的模拟信号依次进行一阶阻容滤波、差分运算和放大。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述多通道信号采集设备的多通道信号采集方法，其特征在于，所述多通道信号采集设备包括采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置；所述方法包括：

接通外接电源，电源控制装置对外接电源进行升压；

判断升压后的电压是否小于预设门限值，如果小于预设门限值，控制电池为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电；否则，控制所述升压后的外接电源为采集转换装置、处理器、传输装置和电源控制装置供电，并将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后为每个电池充电；

处理器响应于接收到上位机发送的数据采集请求，反馈收到数据采集请求信息给上位机；根据所述数据采集请求控制采集转换装置通过多个采集通道采集外部传感器输出的模拟信号；并对模拟信号进行处理转换为数字信号；

处理器将数据信号进行滤波处理，并将滤波处理后的数字信号组装成数据帧；

判断单位时间采集的模拟信号数量是否小于或等于设定阈值，如果小于设定阈值，通过无线通信单元将数据帧发送给上位机；否则，将数据帧存入缓存器中，缓存器响应于上位机的调用指令或当缓存器满载时将数据帧通过有线传输接口发送给上位机。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制升压后的外接电源供电和充电包括：

控制升压后的外接电源优先为采集转换装置、传输装置和电源管理单元供电。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将升压电源的电压按照电池的数量分别变压后为每个电池充电包括：

将升压后的外接电源按照电池的数量分别变压后，分别为每个电池采用涓流、恒流充电和恒压充电。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的方法，其特征在于，所述电池为外部传感器供电。

11.根据权利要求7-10任意一项所述的方法，其特征在于，所述通过采集通道接收外部传感器输出的模拟信号包括：

通过采集通道接收外部至少一个传感器采集到的模拟信号，其中一个采集通道对应一种以上的传感器。

12.根据权利要求7-11任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

对通过多个采集通道接收外部传感器输出的模拟信号依次进行一阶阻容滤波、差分运算和放大。