CN108873786A - 基于数字量调理的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字量调理的数据采集系统，对模拟输入信号采用交直流耦合模块进行交直流耦合，再通过衰减模块进行衰减，对得到的模拟信号通过ADC模块进行采集，将采集信号发送至采用FPGA实现的数字量调理模块，以二进制数字量处理方式对采集信号进行调理，将得到的调理信号由数据处理模块进行处理后送入上位机进行显示。本发明通过对采集信号进行数字量调理，提高信号调理的精度，避免硬件调理电路所带来的不可改善的参数指标对设计系统的性能影响。

Description

基于数字量调理的数据采集系统

技术领域

本发明属于数据采集系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于数字量调理的数据采集系统。

背景技术

信号调理电路是功率控制系统中模拟信号采集电路的必需环节，模拟信号经过信号调理后转换为用户所需的电气量送到采样芯片或系统自带模数转换器。常用的应对数字示波器的不同幅度档位和不同采样信号频率，在进入采集数据之前需进行对模拟信号的粗调理，以满足采集芯片设计的需求，输出ADC的量化结果。当且仅当用户需要调整模拟信号的显示效果，可通过上位机发送对应的控制指令，对前端的模拟信号进行调整，具体包括模拟信号的衰减、信号的基线调偏，以及信号的增益调节和数据的显示。

图1是现有数据采集系统的结构图。如图1所示，在现有数据采集系统中，信号调理电路包括交直流耦合模块101、多倍程控衰减放大模块102、偏置与增益联合调理模块103、固定放大比例模块104，经以上模块对模拟信号进行调整后，输入ADC模块105进行采集，送入FPGA中的数据处理模块106进行处理后送入上位机107。一般来说，信号调理电路的各个模块和ADC模块105共同构成采集板卡，当数据采集系统有多个通道时，则配置多个采集板卡。

根据图1可知，在现有数据采集系统中，信号调理主要通过外围器件DAC的偏置增益放大输出结合衰减控制器的衰减倍数的工作与否来控制对整个外端模拟信号的调理。上述技术方法的特点在于可移植性好，通用性高，可应对不同采样率的信号频率调理采集显示，但是该技术全依靠于外围的硬件以实现模拟的调理，信号的调理精度问题受控于外围所需器件的硬件选型精度，导致电路结构复杂化、信道通路冗长、PCB占用面积较大、故障易高发、关键调理器件温漂性差、电磁兼容性设计难度高、性价比低等缺陷。

在数字示波器中，通常需要对输入信号进行偏置电压调节，即可根据实际需求对输入信号叠加直流信号。该功能在现有信号调理方法中采用DAC实现，直流信号的精度由DAC及相关器件性能保证，实现较高精度难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字量调理的数据采集系统，通过对采集信号进行数字量调理，提高信号调理的精度。

为了实现以上发明目的，本发明基于数字量调理的数据采集系统包括交直流耦合模块、衰减模块、ADC模块、数字量调理模块、数据处理模块、上位机，其中：

交直流耦合模块用于根据用户设置的交直流耦合方式选择信号对模拟输入信号进行交直流耦合，将耦合后的模拟信号发送给衰减模块；

衰减模块用于对接收到的模拟信号根据预设的衰减倍数进行衰减，将衰减后的模拟信号发送给ADC模块；

ADC模块用于对衰减后的模拟信号进行采集，将采集信号Data发送给数字量调理模块；

数字量调理模块在FPGA中实现，用于接收上位机发送的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，对采集信号Data进行调理，将调理信号发送至数据处理模块；

数据处理模块在FPGA中实现，用于接收调理信号，根据预设的数据处理方法对调理信号进行处理，将处理得到的数据发送至上位机；

上位机用于接收用户的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，发送给数字量调理模块，并对从数据处理模块接收到的数据进行窗口显示。

本发明基于数字量调理的数据采集系统，先对模拟输入信号采用交直流耦合模块进行交直流耦合，再经衰减模块完成信号衰减后，对得到的模拟信号通过ADC模块实现采集，将采集信号发送至采用FPGA实现的数字量调理模块，以二进制数字量处理方式对采集信号进行调理，将得到的调理信号由数据处理模块进行处理后送入上位机进行窗口显示。

本发明利用FPGA内核逻辑资源，从二进制数字量处理方式的角度出发进行信号调理，解决传统数据采集系统采用硬件调理导致的精度低的问题。同时本发明具有较高的可修改性和可移植性，可应用于不同的仪器或传感器所要求的数据采集系统中。

附图说明

图1是现有数据采集系统的结构图；

图2是本发明基于数字量调理的数据采集系统的具体实施方式结构图；

图3是本发明中数字量调理模块的结构图。

图4是本发明在示波记录仪中的应用效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明基于数字量调理的数据采集系统的具体实施方式结构图。如图2所示，本发明基于数字量调理的数据采集系统包括交直流耦合模块201、衰减模块202、ADC模块203、数字量调理模块204、数据处理模块205和上位机206。

交直流耦合模块201用于根据用户设置的交直流耦合方式选择信号对模拟输入信号进行耦合，将耦合后的模拟信号发送给衰减模块202。

衰减模块202用于对接收到的模拟信号根据预设的衰减倍数进行衰减，将衰减后的模拟信号发送给ADC模块203。本实施例中根据模拟信号的幅度大小选择对应的幅度档位。记模拟信号的峰峰值为AMP，衰减倍数λ应满足λ＝AMP/V_{pp_adc}，其中V_{pp_adc}为ADC模块203的输入信号幅度上限。当峰峰值AMP小于40V时，衰减倍数λ＝20，即用户可选择的幅度档位为AMP_scale/div≤4v/div；当峰峰值在40V～200V之间时，衰减倍数λ＝200，即用户可选择的幅度档位为4v/div＜AMP_scale/div≤20v/div。

ADC模块203用于对衰减后的模拟信号进行采集，将采集信号Data发送给数字量调理模块204。在本实施例中所选ADC模块203为16bits，即采集信号Data的幅度范围为-32768～32767。

数字量调理模块204在FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中实现，用于接收上位机206发送的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，对采集信号Data进行调理，将调理信号发送至数据处理模块205。调理后的信号F的生成公式如下：

F＝(Data+OFFSET)*GAIN

基于该理论公式，本发明对数字量调理模块204的具体结构进行了设计。图3是本发明中数字量调理模块的结构图。如图3所示，数字量调理设计模块204包括有符号位扩展模块2041、偏移叠加模块2042、浮点数据格式转换模块2043、浮点乘法器2044、定点数据格式转换模块2045、限幅转换模块2046和无符号转换模块2047。

有符号位扩展模块2041用于接收采集信号Data和偏置参数OFFSET进行有符号扩展，得到扩展后的采集信号Data′和偏置参数OFFSET′，发送至偏移叠加模块2042。进行有符号扩展的目的是为了避免后续的计算过程中发生数据溢出。

偏移叠加模块2042用于根据偏置参数OFFSET′对采集信号Data′进行偏移叠加，得到偏置数据流Data_OFFSET，发送给浮点数据格式转换模块2043。

在本实施例中，结合数字示波记录仪为例，当且仅当设定模拟输入信号为幅度为1V、直流偏置200mV的正弦波。按照发明步骤中所述需设定的衰减系数该为λ＝20。该信号组经过系统耦合衰减过后以-15mv至+35mv的调理格式进入满量程为2V_p-p的ADC进行数字量化，ADC输出量化值为-492至+1146。其实际中央基线偏离理论中央基线正327个量化点，用户可通过基线调节旋钮将输入信号的200mV直流偏置抵消，即用户设置偏置电压为-200mV。在本实施例中数字调理系统接收带有控制位的偏置参数设置如下：

OFFSET'＝{1'bx,Offset_data}

其中{1'bx}为偏置控制开关，Offset_data为所选通道的且需要发送的定点调理偏置数据，本实施例中x＝0，Offset_data＝327_d。浮点数据格式转换模块2043用于对偏置数据流Data_OFFSET进行浮点化处理，得到浮点类型数据流Data_Float_OFFSET，发送至浮点乘法器2044。本实施例中进行浮点化后数据转换为32位。

浮点乘法器2044用于接收增益参数GAIN和浮点类型数据流Data_Float_OFFSET，计算得到数据流F＝Data_Float_OFFSET*GAIN，将数据流F发送给定点数据格式转换模块2045。

定点数据格式转换模块2045用于将浮点类型的数据流F进行整型输出处理，得到定点格式类型数据流Data_PROCESS，发送至限幅转换模块2046。

限幅转换模块2046用于对数据流Data_PROCESS按照预设幅度参数进行限幅处理，将限幅得到的数据流发送至无符号转换模块2047。图4是本发明在示波记录仪中的应用效果示意图。如图4所示，本实施例中基于数字量信号调理解决采集信号因基线偏置带来的扩展窗口数据捕获显示问题，所述窗口显示满足除以中央基线为准实现正负5格的图形显示以外，还需要满足屏幕的扩展的窗口即+5格到+10格和-5格到-10格数据捕获显示，即图4中超过BC区域以外的数字显示区域A和区域D的窗口数据捕获显示，因此进入ADC模拟输入端口信号最大幅度只能是ADC满量程的1/2。通过限幅转换模块2046的限幅处理，将32位的Data_PROCESS转换为16位的有符号数据，从而实现对扩展窗口显示的数据预处理。

无符号转换模块2047用于将接收的数据流转换成无符号类型，将得到的数据流发送给数据处理模块205。通过无符号转换模块，将幅度范围为-16384～+16383的数据转换为幅度范围为0-32768之间的数据。

数据处理模块205在FPGA中实现，用于接收调理信号，根据预设的数据处理方法对调理信号进行处理，将处理得到的数据发送至上位机206。数据处理模块205是数据采集系统的必要模块，且不是本发明的技术重点，其具体结构和数据处理方法在此不再赘述。

上位机206用于接收用户的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，发送给数字量调理模块204，并对从数据处理模块205接收到的数据进行显示。

一般而言可将本发明中的交直流耦合模块201、衰减模块202、ADC模块203、数字量调理模块204构成采集板卡。当数据采集系统需要配置多通道时，配置多个采集板卡即可。不同类型的采集板卡的数据格式可能存在区别，因此上位机206在发送参数时，需要根据采集板卡的类型封装偏置参数OFFSET和增益参数GAIN。本实施例中，增益系数GAIN为遵守IEEE-754标准且匹配当前硬件编码的单精度浮点数。偏移参量OFFSET为17位数据，最高位表示波形偏移方向，0对应向上偏移，1表示向下偏移，低16位表示偏移的参量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于数字量调理的数据采集系统，其特征在于包括交直流耦合模块、衰减模块、ADC模块、数字量调理模块、数据处理模块、上位机，其中：

交直流耦合模块用于根据用户设置的交直流耦合方式选择信号对模拟输入信号进行交直流耦合，将耦合后的模拟信号发送给衰减模块；

衰减模块用于对接收到的模拟信号根据预设的衰减倍数进行衰减，将衰减后的模拟信号发送给ADC模块；

ADC模块用于对衰减后的模拟信号进行采集，将采集信号Data发送给数字量调理模块；

数字量调理模块在FPGA中实现，用于接收上位机发送的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，对采集信号Data进行调理，将调理信号发送至数据处理模块；

数据处理模块在FPGA中实现，用于接收调理信号，根据预设的数据处理方法对调理信号进行处理，将处理得到的数据发送至上位机；

上位机用于接收用户的偏置参数OFFSET和增益参数GAIN，发送给数字量调理模块，并对从数据处理模块接收到的数据进行显示。

2.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述数字量调理模块包括有符号位扩展模块、偏移叠加模块、浮点数据格式转换模块、浮点乘法器、定点数据格式转换模块、限幅转换模块和无符号转换模块，其中：

有符号位扩展模块用于接收采集信号Data和偏置参数OFFSET进行有符号扩展，得到扩展后的采集信号Data′和偏置参数OFFSET′，发送至偏移叠加模块；

偏移模块用于根据偏置参数OFFSET′对采集信号Data′进行偏移叠加，得到偏置数据流Data_OFFSET，发送给浮点数据格式转换模块；

浮点数据格式转换模块用于对偏置数据流Data_OFFSET进行浮点化处理，得到浮点类型数据流Data_Float_OFFSET，发送至浮点乘法器；

浮点乘法器用于接收增益参数GAIN和浮点类型数据流Data_Float_OFFSET，计算得到数据流F＝Data_Float_OFFSET*GAIN，将数据流F发送给定点数据格式转换模块；

定点数据格式转换模块用于将浮点类型的数据流F进行整型输出处理，得到定点格式类型数据流Data_PROCESS，发送至限幅模块；

限幅转换模块用于对数据流Data_PROCESS按照预设幅度参数进行限幅处理，将限幅得到的数据流发送至无符号转换模块；

无符号转换模块用于将接收的数据流转换成无符号类型，将得到的数据流发送给数据处理模块。