CN106921355A - 一种多通道微信号采集与放大装置 - Google Patents

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田雨农
蒋辉
周秀田
于维双
陆振波
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Abstract

本发明涉及自动控制检测及汽车电子设备领域，具体的说是一种多通道微信号采集与放大装置。本发明包括：供电电源模块、传感器微信号输入端子、多通道高精度信号采集与放大模块、嵌入式控制模块、DA转换模块和标准信号输出端子。本发明装置可采集多种信号：如压力、热电偶、热电阻产生的微应变信号；测量精度高达0.02％，分辨率高达24位；最高采样速率可达30KSPS，放大增益可软件编程。

Description

一种多通道微信号采集与放大装置
技术领域
本发明涉及自动控制检测及汽车电子设备领域，具体的说是一种多通道微信号采集与放大装置。
背景技术
现阶段工业生产与制造过程正面向智能化、高速化、集成化方向发展，随着通信技术、计算机控制技术、智能检测技术等高新技术的飞速发展，信号高精度采集技术正参与到智能检测及自动化控制过程中，而且这种技术这种技术在整个自动化系统中起着举足轻重的作用。在很多自动化生产线及工业控制现场，不仅仅是一种信号或一种传感器数据需要被采集，而且这些信号往往是微小的，面对此种自动采集现状，我们正需要集成多通道采集和放大于一体的信号采集处理装置或仪器，来满足自动化控制系统中信号采集功能。此种创新的高科技智能采集装置的引入必将提高工业生产效率，并且降低了人力和设备成本，给工业生产和现场的技术人员都带来了实用性的好处。目前，国内尚无完善，高度整合的输电线路巡检无人机及机载设备的控制器。为填补此国内空白，本无人机控制箱旨在将无人机及载荷的控制，电源管理，视频显示等无人机常用功能完全整合到一个系统中，做到系统的高度整合，使无人机的控制简单化，集成化。
在目前的工业自动控制系统及汽车电子实验工程中，信号采集与处理装置的缺点有：采集精度低，分辨率低，采集通道数少，采集传感器种类有限，微小信号的放大倍数不足，处理器模块功能简单，实时分析处理能力不够等。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种多通道微信号采集与放大装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种多通道微信号采集与放大装置，包括：
供电电源模块，输入端接入24V直流电源，输出端分别连接传感器微信号输入端子、多通道高精度信号采集与放大模块、嵌入式控制模块和DA转换模块，用于实现多路电源转换输出；
传感器微信号输入端子，包括传感器信号输入端子和激励信号输出端子，传感器信号输入端子为多通道差分式输入信号端子或单端输入信号端子，激励信号输出端子为多通道传感器提供激励源；
多通道高精度信号采集与放大模块，用于采集经传感器微信号输入端子的传感器信号，并进行放大处理，输出端连接嵌入式控制模块；
嵌入式控制模块，用于对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块；
DA转换模块，为多通道数模转换芯片，用于将嵌入式控制模块输出的数字信号转换为模拟信号，输出端连接标准信号输出端子；
标准信号输出端子，用于将DA转换模块的输出信号连接至外部设备。
所述供电电源模块包括：
总电源转换模块，输入端接入24V直流电源，用于实现24V电源转换为5V电源；
外接传感器微信号输入端子，输入端连接总电源转换模块，为多通道电压转换，用于实现5V电源到2.5V电源的转换，输出端连接传感器微信号输入端子，作为外接传感器的电压激励；
信号采集芯片基准源模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块；
采集与控制芯片供电模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到3.3V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块和嵌入式控制模块；
DA转换模块基准源模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接DA转换模块的基准电压输入端；
DA转换模块供电模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到5V电源和正负15V电源的转换，输出端连接DA转换模块的电源输入端。
所述外接传感器微信号输入端子为多通道两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，且每个通道均连接有LED接通指示灯。
所述信号采集芯片基准源模块和/或DA转换模块基准源模块为两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，连接有LED接通指示灯。
所述多通道高精度信号采集与放大模块采用TI公司的ADS1255。
所述嵌入式控制模块包括：
嵌入式核心控制模块，输入端连接多通道高精度信号采集与放大模块，用于通过SPI通讯功能对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块，同时，与嵌入式以太网控制模块读写双向连接；
嵌入式以太网控制模块，用于与上位机读写双向连接，实现嵌入式核心控制模块与上位机的通信。
所述DA转换模块采用TI公司的四通道16位串行数模转换芯片AD5754。
所述标准信号输出端子采用四通道标准正负5V信号输出端子。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明装置可采集多种信号：如压力、热电偶、热电阻产生的微应变信号；
2.本发明装置测量精度高达0.02％，分辨率高达24位；
3.本发明装置最高采样速率可达30KSPS，放大增益可软件编程。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明实施例中的总电源转换模块的电路原理图；
图3为本发明实施例中的外接传感器微信号输入端子的电路原理图；
图4为本发明实施例中的信号采集芯片基准源模块的电路原理图；
图5为本发明实施例中的采集与控制芯片供电模块的电路原理图；
图6为本发明实施例中的DA转换模块基准源模块的电路原理图；
图7为本发明实施例中的DA转换模块供电模块的电路原理图；
图8为本发明实施例中的传感器微信号输入端子的电路原理图；
图9为本发明实施例中的多通道高精度信号采集与放大模块的一个通道的电路原理图；
图10为本发明实施例中的嵌入式核心控制模块的电路原理图；
图11为本发明实施例中的嵌入式以太网控制模块的电路原理图。
图12为本发明实施例中的DA转换模块的电路原理图；
图13为本发明实施例中的标准信号输出端子的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的实施例为一种多通道(4路差分式输入通道或8路单端输入通道)，多种信号采集(电压、电流、电偶、电阻)，高精度(测量精度高于0.02％)，高分辨率(24位分辨率)，最高采样速率30KSPS，放大增益(PGA)可软件编程的智能信号采集装置。包括：
供电电源模块，输入端接入24V直流电源，输出端分别连接传感器微信号输入端子、多通道高精度信号采集与放大模块、嵌入式控制模块和DA转换模块，用于实现多路电源转换输出。供电电源模块包括：
总电源转换模块，如图2所示，输入端接入24V直流电源，用于实现24V电源转换为5V电源，并且带有π型滤波，过流保护及抗干扰功能，带有LED接通指示灯。
外接传感器微信号输入端子，如图3所示，输入端连接总电源转换模块，为多通道电压转换，用于实现5V电源到2.5V电源的转换，输出端连接传感器微信号输入端子，作为外接传感器的电压激励。每个通道都对应单独的激励供电，这样可以去除各个通道间的串行干扰。输入端子为多通道两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，且每个通道均连接有LED接通指示灯。
信号采集芯片基准源模块，如图4所示，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块。信号采集芯片基准源模块为两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，连接有LED接通指示灯。采用高精度数据转换芯片ADS1255提供精密基准源，经过测试可以稳压到2.499V。
采集与控制芯片供电模块，如图5所示，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到3.3V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块和嵌入式控制模块；带有LED接通指示灯，分别为嵌入式核心控制芯片STM32F407，高精度数据转换芯片ADS1255，以太网控制芯片W5500供电。
DA转换模块基准源模块，如图6所示，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接DA转换模块的基准电压输入端，为芯片AD5754提供精密基准源；为两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，连接有LED接通指示灯。
DA转换模块供电模块，如图7所示，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到5V电源和正负15V电源的转换，输出端连接DA转换模块的电源输入端，为芯片AD5754供电，带有LED接通指示灯。
传感器微信号输入端子，包括传感器信号输入端子和激励信号输出端子，传感器信号输入端子为多通道差分式输入信号端子或单端输入信号端子，激励信号输出端子为多通道传感器提供激励源。如图8所示，实施例中包括四通道传感器激励源输出端子J1和四通道差分式输入信号(或八路单端输入信号)端子J2。
多通道高精度信号采集与放大模块，如图9所示，用于采集经传感器微信号输入端子的传感器信号，并进行放大处理，输出端连接嵌入式控制模块；采用TI公司的高精度24位无丢失代码的AD转换器ADS1255作为微信号采集与放大芯片。此芯片主要特点是板载低、噪声低、放大增益(PGA)可编程、并带有单循环处理功能的数字滤波器。其应用范围包括热电偶、热电阻、桥式压力传感器的信号的采集与放大。本发明设计出4通道差分输入或8路单端输入模式，将微弱信号采集后进行放大处理，并软件编程控制其增益，然后和后续的DA转换芯片共同实现微小信号转换成标准正负5V的信号。
嵌入式控制模块，用于对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块。嵌入式控制模块，如图10所示，包括：嵌入式核心控制模块，输入端连接多通道高精度信号采集与放大模块，用于通过SPI通讯功能对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块，同时，与嵌入式以太网控制模块读写双向连接。本发明实施例以ST公司的ARM Cortex-M4系列主流芯片STM32F407作为核心控制芯片，通过其SPI通讯功能实现对高精度信号采集芯片进行数据读取和放大。嵌入式以太网控制模块，如图11所示，用于与上位机读写双向连接，实现嵌入式核心控制模块与上位机的通信。本发明实施例采用WIZnet最新推出的一款高性能以太网芯片W5500，它包括一个更快的、多功能的SPI接口(80MHz)，主控芯片可以灵活地利用W5500缓存处理通用的数据，最终方便的实现本专利发明装置与上位机数据通讯功能。
DA转换模块，如图12所示，为多通道数模转换芯片，用于将嵌入式控制模块输出的数字信号转换为模拟信号，输出端连接标准信号输出端子；DA转换模块采用TI公司的四通道16位串行数模转换芯片AD5754作为电路核心芯片，能够以最高30MHz的时钟速率工作，并与微控制器接口标准兼容，并与ADI公司的四通道数字隔离器联合使用，实现数字模拟信号转换功能。
标准信号输出端子，如图13所示，用于将DA转换模块的输出信号连接至外部设备。采用四通道标准正负5V信号输出端子。四通道标准正负5V信号输出端子J3。

Claims (8)

1.一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，包括：
供电电源模块，输入端接入24V直流电源，输出端分别连接传感器微信号输入端子、多通道高精度信号采集与放大模块、嵌入式控制模块和DA转换模块，用于实现多路电源转换输出；
传感器微信号输入端子，包括传感器信号输入端子和激励信号输出端子，传感器信号输入端子为多通道差分式输入信号端子或单端输入信号端子，激励信号输出端子为多通道传感器提供激励源；
多通道高精度信号采集与放大模块，用于采集经传感器微信号输入端子的传感器信号，并进行放大处理，输出端连接嵌入式控制模块；
嵌入式控制模块，用于对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块；
DA转换模块，为多通道数模转换芯片，用于将嵌入式控制模块输出的数字信号转换为模拟信号，输出端连接标准信号输出端子；
标准信号输出端子，用于将DA转换模块的输出信号连接至外部设备。
2.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述供电电源模块包括：
总电源转换模块，输入端接入24V直流电源，用于实现24V电源转换为5V电源；
外接传感器微信号输入端子，输入端连接总电源转换模块，为多通道电压转换，用于实现5V电源到2.5V电源的转换，输出端连接传感器微信号输入端子，作为外接传感器的电压激励；
信号采集芯片基准源模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块；
采集与控制芯片供电模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到3.3V电源的精密转换，输出端连接多通道高精度信号采集与放大模块和嵌入式控制模块；
DA转换模块基准源模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到2.5V电源的精密转换，输出端连接DA转换模块的基准电压输入端；
DA转换模块供电模块，输入端连接总电源转换模块，用于实现5V电源到5V电源和正负15V电源的转换，输出端连接DA转换模块的电源输入端。
3.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述外接传感器微信号输入端子为多通道两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，且每个通道均连接有LED接通指示灯。
4.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述信号采集芯片基准源模块和/或DA转换模块基准源模块为两级降压转换，先将5V电源转换为3.3V电源，再转换为2.5V电源，连接有LED接通指示灯。
5.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述多通道高精度信号采集与放大模块采用TI公司的ADS1255。
6.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述嵌入式控制模块包括：
嵌入式核心控制模块，输入端连接多通道高精度信号采集与放大模块，用于通过SPI通讯功能对多通道高精度信号采集与放大模块进行数据读取和放大，输出端连接DA转换模块，同时，与嵌入式以太网控制模块读写双向连接；
嵌入式以太网控制模块，用于与上位机读写双向连接，实现嵌入式核心控制模块与上位机的通信。
7.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述DA转换模块采用TI公司的四通道16位串行数模转换芯片AD5754。
8.根据权利要求1所述的一种多通道微信号采集与放大装置，其特征在于，所述标准信号输出端子采用四通道标准正负5V信号输出端子。
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