CN107422657A - 一种基于cpci总线的信号调理及ad转换装置 - Google Patents

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王伟强
夏朋浩
宋汉广
郑波祥
贾晓华
张萌
张梅
王子健
王维兴
王永超
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Abstract

本发明于提供一种基于CPCI总线的信号调理及AD转换装置，包括依次连接的分压电路、滤波电路、有效值转换及滤波电路、隔离与调理电路、AD转换电路、FPGA逻辑控制单元、CPCI总线桥接电路；还包括电源；所述分压电路由用于将输入的待检测信号电压转换到所述装置的有效量程之内；所述滤波电路用于滤除噪声；所述有效值转换及滤波电路将输入的交流信号转换为直流信号并进行滤波；所述隔离与调理电路用于实现信号跟随、信号调理和信号的线性隔离；所述AD转换电路将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA逻辑控制单元用于信息交互；所述CPCI总线桥接电路实现PCI总线到局部总线的转换。

Description

一种基于CPCI总线的信号调理及AD转换装置
技术领域
本发明涉及一种满足故障诊断信息采集系统对多通道多类型且不同输入范围的信号进行高精度实时监测及隔离技术，特别是一种基于CPCI总线的信号调理及AD转换装置。
背景技术
Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect)简称CPCI，是国际工业计算机制造者联合会基于PCI电气规范提出来的一种具有开放性、良好散热性、高稳定性、高可靠性等特点的新一代工业总线接口标准。基于CPCI总线的板卡产品可用于自动控制、数据采集、量测仪器、雷达、声纳、火控、指控以及要求模块化设计等众多领域，能够满足航空、航天、船载、车载、测控等客户的众多要求，CPCI总线是现代加固计算机及工控计算机的主流。
随着科学技术的发展，计算机控制系统越来越复杂，自动化水平越来越高，与其相关的费用也越来越高，其运行过程中发生的任何故障或失效不仅会造成重大的经济损失，甚至还可能导致人员伤亡。利用故障诊断系统对设备工况进行监测，对故障发展趋势早期诊断，找出故障原因，采取措施避免设备的突然损坏，进而保证设备安全正常地运转。故障诊断系统现已广泛应用于航空、航天、船舶、电力、机械、化工等领域。故障诊断系统在现代众多领域都起着重要的作用，其主要包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。
为实现设备运行状态的实时监测，需要对设备的状态信号进行采集、调理、AD转换等过程。为避免信息采集系统和待测设备之间的相互干扰，往往需要把被监测的状态信息进行滤波隔离和高精度调理和AD转换，目的是提高待监测信息的精度。其中隔离电路与滤波电路的优劣将直接影响信号精度，所以如何设计一个性能优良的隔离电路和滤波性能优良的滤波电路，是实现高精度信号调理的关键。
针对故障诊断系统的发展趋势，基于CPCI总线研制出一种基于CPCI总线的高精度信号调理与AD转换装置，该装置通过多级滤波电路、高线性度的光隔离器件、运放跟随及调理电路和高精度AD转换器件以增强信号调理及采样精度，该装置可实现直流信号和交流信号的高精度调理与AD转换功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CPCI总线的信号调理及AD转换装置，包括依次连接的分压电路、滤波电路、有效值转换及滤波电路、隔离与调理电路、AD转换电路、FPGA逻辑控制单元、CPCI总线桥接电路；还包括电源；所述分压电路由用于将输入的待检测信号电压转换到所述装置的有效量程之内；所述滤波电路用于滤除噪声；所述有效值转换及滤波电路将输入的交流信号转换为直流信号并进行滤波；所述隔离与调理电路用于实现信号跟随、信号调理和信号的线性隔离；所述AD转换电路将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA逻辑控制单元用于信息交互；所述CPCI总线桥接电路实现PCI总线到局部总线的转换。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本装置可实现多通道多类型信号的状态监测功能，满足CPCI总线架构下故障诊断系统对待检测信息的高精度要求，可有效提升故障诊断系统的稳定性与可靠性。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1基于CPCI总线的高精度信号调理及AD转换装置组成框图。
图2直流信号输入端接口电路图。
图3交流信号输入端接口电路图。
图4交流信号转换为直流信号后滤波电路图。
具体实施方式
结合图1，基于CPCI总线的高精度信号调理及AD转换装置由分压电路、滤波电路、有效值转换及滤波电路、隔离与调理电路、AD转换电路、FPGA逻辑控制单元、CPCI总线桥接电路、CPCI连接器及电源等构成。外部的模拟信号经由分压、滤波、有效值转换及滤波(仅针对交流信号)、隔离与调理后输入到AD转换电路进行采集；FPGA逻辑控制单元一方面可以通过CPCI桥接逻辑和CPCI桥接单元与CPCI总线进行信息交互，另一方面可以作为控制模拟开关通断和AD采样模式和采样时机，完成数据采集。
分压电路是由两个高精密电阻(精度小于0.01％)串联构成，可根据输入的待监测信号的幅值范围进行不同的阻值配置，将待监测信号转换到高精度信号调理与AD转换装置的有效量程之内；
滤波电路是由磁珠(由待监测信号的类型决定是否选择)、电阻、电容等构成的滤波电路，可有效滤除噪声，提升待监测信号的调理精度；
有效值转换及滤波电路是针对交流信号而言，可利用具备有效值转换功能的集成电路将输入的交流信号转换为直流信号并进行滤波；
隔离与调理电路主要由运放和高线性度的线性光耦构成，运放用于实现信号跟随和信号调理，线性光耦用于实现信号的线性隔离；
AD转换电路主要由高精度AD转换器件及模拟开关构成，其中AD转换器件用于实现信号的AD转换，模拟开关由FPGA中译码逻辑控制以确保相应输入通道导通，并由AD转换芯片对该通道的模拟量进行采样；
FPGA逻辑控制单元主要由FPGA及其外围配置电路构成，既可通过PCI桥接逻辑与CPCI桥接单元进行信息交互，又可通过AD转换控制逻辑与AD转换电路进行信息交互，同时利用FPGA内部的FIFO资源作为AD采集数据的缓冲区；
CPCI总线桥接单元的核心为1片PCI桥片，可实现PCI总线到Local Bus的转换；
电源主要包括隔离电源、模拟电源和数字电源构成，能够为信号调理及AD转换装置提供所需的各种低纹波噪声电压及充裕的电流。
结合图2，输入信号经由两个串联的高精密电阻R1和R2形成回路，可根据输入信号的幅值范围进行不同的阻值配置，将输入信号转换到高精度信号调理与AD转换装置的有效量程之内；直流信号的滤波电路是由磁珠、电阻和电容等构成。磁珠L1、电阻R3和电容C1构成一级滤波电路，其中电阻R3可有效提升LC电路的品质因数；电阻R4和电容C2构成二级滤波电路；为避免滤波电路引起输入信号压降，在滤波电路后利用运放构建一级跟随电路。
结合图3，输入信号经由两个串联的高精密电阻R10和R11形成回路，可根据输入信号的幅值范围进行不同的阻值配置，将输入信号转换到高精度信号调理与AD转换装置的有效量程之内；滤波电路是电阻R12和电容C8构成，其截止频率应远大于输入信号的频率，避免RC电路造成交流信号的过度衰减；为避免滤波电路引起输入信号压降，在滤波电路后利用运放构建一级跟随电路。
结合图4，有效值转换及滤波电路包括有效值转换电路和滤波电路，其中有效值转换电路是利用有效值转换芯片实现；滤波电路则是由磁珠、电阻、电容等构成。磁珠L2、电阻R13和电容C9构成一级滤波电路，其中电阻R13可有效提升LC电路的品质因数；电阻R14和电容C10构成二级滤波电路；为避免滤波电路引起信号压降，在滤波电路后利用运放构建一级跟随电路。
该装置支持直流信号和交流信号的调理、隔离与采集，并可通过CPCI总线与CPCI主控设备进行信息交互。

Claims (7)

1.一种基于CPCI总线的信号调理及AD转换装置，包括依次连接的分压电路、滤波电路、有效值转换及滤波电路、隔离与调理电路、AD转换电路、FPGA逻辑控制单元、CPCI总线桥接电路；还包括电源；
所述分压电路由用于将输入的待检测信号电压转换到所述装置的有效量程之内；
所述滤波电路用于滤除噪声；
所述有效值转换及滤波电路将输入的交流信号转换为直流信号并进行滤波；
所述隔离与调理电路用于实现信号跟随、信号调理和信号的线性隔离；
所述AD转换电路将模拟信号转换为数字信号；
所述FPGA逻辑控制单元用于信息交互；
所述CPCI总线桥接电路实现PCI总线到局部总线的转换。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分压电路由两个串联的高精密电阻(R1、R2)形成回路，其中第一高精密电阻(R1)与输入端连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滤波电路包括由磁珠(L1)、第三电阻(R3)和第一电容(C1)串联组成的一级滤波电路，所述一级滤波电路与第二高精密电阻(R2)并联；所述滤波电路还包括由第四电阻(R4)和第二电容(C2)串联组成的二级滤波电路；所述二级滤波电路与第一电容(C1)并联。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滤波电路由第十二电阻(R12)和第八电容(C8)串联而成，所述滤波电路与第二高精密电阻(R2)并联。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有效值转换及滤波电路包括有效值转换电路和第二滤波电路；
所述有效值转换电路由有效值转换芯片实现；
所述第二滤波电路包括由第二磁珠(L2)、第十三电阻(R13)和第九电容(C9)串联组成的三级滤波电路；所述滤波电路还包括由第十四电阻(R14)和第十电容(C10)串联组成的四级滤波电路；所述四级滤波电路与第九电容(C9)并联。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔离与调理电路包括运放和线性光耦构成；
所述运放用于信号跟随和信号调理；
所述线性光耦用于信号的线性隔离。
7.根据权利要求3或4或5所述的装置，其特征在于，在滤波电路或第二滤波电路后设置一级由运算放大器组成的跟随电路。
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