CN109917181A - 一种电压采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压采集系统，包括：采集单元，用于采集多路电压信号；处理单元，与采集单元连接，用于对采集的所述电压信号进行差分放大、并串转换；其中，处理单元包括开关矩阵模块，与所述采集单元连接，用于将采集的多路电压信号进行并串转换为一路电压信号。本发明提供的电压采集系统，能够保证采集电压准确的前提下，实现多通道的采集电压信号。

Description

一种电压采集系统

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，特别是涉及一种电压采集系统。

背景技术

电压采集设备可用于模拟量信号的数字化，并提供给上位机进行分析处理；也可用于对开关量信号的采集，经组态软件判断后控制开关量的输出；还可实现异地分布设备的远程控制，比如电压采集设备常应用在机房监控、电力监控、工业自动化、环保检测、智能家居和物联网等场合。因此，电压采集设备凭借自身的诸多优势，获得越来越多人们的青睐。

现有的电压采集设备是一路通道配备一个单独的模数转换器，导致电路复杂，体积过大。使用传统时分复用式的串并转换时，前后通道之间会存在干扰，导致最终测试结果存在误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种电压采集系统，能够保证采集电压准确的前提下，实现多通道的采集电压信号。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电压采集系统，包括：

采集单元，用于采集多路电压信号；

处理单元，与采集单元连接，用于对采集的多路电压信号进行差分放大、并串转换；

其中，处理单元包括开关矩阵模块，所述开关矩阵模块与所述采集单元连接，用于将采集的多路电压信号进行并串转换为一路电压信号。

可选的，所述采集单元包括：

表笔，用于采集电压信号；

放大电路，设置于所述表笔内部，用于将所表笔采集的电压信号进行放大。

可选的，所述表笔为有源表笔，其中所述表笔为64组，每组所述表笔用于连接正极和负极。

可选的，所述处理单元还包括：

差分抬升模块，分别与所述采集单元和所述开关矩阵模块连接，用于将每路采集的正极与负极电压信号相减，得到合并电压信号，并将所述合并电压信号进行抬升；

采样与控制模块，与所述开关矩阵模块连接，用于控制所述开关矩阵模块，并将所述开关矩阵模块输出的一路电压信号转换为数字信号，并存储。

可选的，所述差分抬升模块包括16个ADA4807-4芯片和64个电压抬升电路。

可选的，所述采样与控制模块包括：

模数转换器，与所述开关矩阵模块连接，用于将所述开关矩阵模块输出的一路电压信号转换为数字信号；

存储器，所述模数转换器连接，用于存储所述数字信号；

主控制器，分别与所述开关矩阵模块和所述存储器连接，用于对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

可选的，所述开关矩阵模块包括4个MT8816芯片，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出端。

可选的，所述电压采集系统还包括：

供电模块，分别与所述采集单元和所述处理单元连接。

可选的，所述电压采集系统还包括：

上位机单元，与所述处理单元连接，用于实时显示处理后的电压信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种电压采集系统，包括采集单元、处理单元和上位机单元；所述采集单元采集的多路电压信号的输入信号通过所述处理单元中的开关矩阵模块并串转换为一路电压信号，本发明提供的电压采集系统可大幅度减少模数转换器的数量，降低体积与成本的同时，实现多通道采集电压信号，并且提高了采样精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电压采集系统的结构示意图；

图2为本发明实施例ADA4807-4芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例电压采集系统的运行流程图。

附图标记：1、采集单元；2、处理单元；3、上位机模块；4、供电单元；5、表笔；6、差分抬升模块；7、开关矩阵模块；8、采样与控制模块；9、ADA4807-4芯片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电压采集系统，能够保证采集电压准确的前提下，实现多通道的采集电压信号。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例电压采集系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的种电压采集系统包括采集单元1和处理单元2；所述采集单元1用于采集多路电压信号；

所述处理单元2与所述采集单元1连接，并将所述采集单元1采集的多路电压信号进行差分放大、并串转换。其中，所述处理单元2包括开关矩阵模块7，所述开关矩阵模块7与所述采集单元1连接，并将所述采集单元1采集的多路电压信号进行并串转换为一路电压信号。

具体的，本发明提供的电压采集系统中所述采集单元1包括表笔5和放大电路。

所述表笔5用于采集电压信号。在具体的实施例中，所述表笔5为有源表笔5，其中，所述表笔5为64组，每组所述表笔5分别连接正极和负极，实现正极电压和负极电压的采集。

优选的，所述表笔5采集正极电压信号端为红色，采集负极电压信号端为黑色。

进一步的，为了保证电压信号在传输过程中的信噪比，将所述放大电路设置于所述表笔5内部，将所表笔5采集的电压信号进行放大。优选的，所述放大电路的放大倍数为5倍。

本发明提供的电压采集系统中所述处理单元2还还包括差分抬升模块6和采样与控制模块8；其中，所述差分抬升模块6分别与所述采集单元1和所述开关矩阵模块7连接，将采集模块每路采集的正极电压信号与负极电压信号相减，得到合并电压信号，并将所述合并电压信号进行抬升，进而保证采集的电压信号都处于＞0V状态。

所述采样与控制模块8与所述开关矩阵模块7连接，用于控制所述开关矩阵模块7，并将所述开关矩阵模块7输出的一路电压信号转换为数字信号，并存储。

其中，所述差分抬升模块6包括16个ADA4807-4芯片9和64个电压抬升电路。ADA4807-4芯片9的结构示意图如图2所示，1个ADA4807-4芯片9包括2路输入端和一路输出端。16个ADA4807-4芯片9接收64组所述表笔5的128路输入电压信号V_in+(n)＝5*V₊(n)和V_in-(n)＝5*V_-(n)，并输出64路差分抬升处理后的电压信号V_out(n)。64组所述表笔5采集的128路电压信号输入，分为16大组，分别接入16个ADA4807-4芯片9输入端。每个ADA4807-4芯片9可以对8路差分信号分别进行差分处理，得到4路电压信号输出，输出的电压信号经过电压抬升电路处理可以抬升1.65V，保证所有电压处于＞0V的状态。最终经过所述差分抬升模块6处理的第n路输出V_out(n)＝1.65+5*[V_in+(n)-V_in-(n)]。

所述采样与控制模块8包括模数转换器、存储器和主控制器；其中，所述模数转换器与所述开关矩阵模块7连接，将所述开关矩阵模块7输出的一路电压信号转换为数字信号；所述存储器与所述模数转换器连接，用于存储所述数字信号；

所述主控制器分别与所述开关矩阵模块7和所述存储器连接，对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

本发明提供的电压采集系统中的所述开关矩阵模块7包括4个MT8816芯片。其中，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出。

具体的，所述开关矩阵模块7包括有64个输入端，分别对应所述差分抬升模块6的64个输出端。其中，通过4个MT8816芯片将64路电压信号V_out(n)，分成4组，每组16路输入。并且，1个MT8816芯片中设置有16个切换开关，16个切换开关相应的对应16路输入端。通过所述采样与控制模块8对切换开关的控制，使得最终输出电压信号中包含以时间分割的各个通道电压信号。

在具体的实际运行中，所述开关矩阵模块7最终输出电压信号包含每路电压信号，但每路电压信号都存在一定的延迟。如当MT8816芯片中的1路输入端对应的切换开关在t₀打开，但电压信号需要到t₁时才能达到相应的电压信号输出，而在t₂关闭该切换开关时电压信号完全停止输出之后，再进行关闭。在该电压信号完全停止输出之前，另一个切换开关就已经打开，这也就导致两路电压信号的叠加。

因此，在实际使用时，在所述处理单元2中设置预采集自修正设计模块，所述预采集自修正设计模块与所述开关矩阵模块7连接；通过所述预采集自修正设计模块将低频切换高频采样的模式，对每路电压信号预采集，统计出所有通路电压信号采集的下降时间，并计算可满足前后通道不影响的每个通路断路时间，从而保证采样的精度。最终将输出4路信号，送入所述采样与控制模块8进行采样。

进一步的，为了保证在每路电压信号输出的有效时间内进行采集保证获取电压信号的精确度，所述采样与控制模块8使用STM32F373VCT6内置的Sigma-DeltaADC，将所述开关矩阵模块7时分复用所得的4路输出电压信号通过统一的时钟中断进行采集。

优选的，所述采样与控制模块8可以为单片机。

进一步的，本发明提供的所述电压采集系统还包括供电单元4，所述供电单元4分别与所述采集单元1和所述处理单元2连接。

进一步的，为了便于实时显示处理后的电压信号，本发明提供的所述电压采集系统还包括与所述处理单元2连接的上位机单元3。

图3为为本发明实施例电压采集系统的运行流程图，如图3所示，具体的操作流程如下：

开启设备，将电压采集系统所述元件上电自检，保证电压采集系统能够正常工作。

预采集，控制开关矩阵模块7切换频率扫描所有通路的电压及频率，从而统计出每路电压信号采集的有效时间、下降时间。

自修正，通过预采集自修正设计模块修正开关矩阵模块7的开路时间与断路时间。

提高采样频率，通过修改单片机中的时钟分频系数，提高采样频率至所采电压信号最高频率的2倍，保证信号不失真。

采集电压数据，通过单片机同步控制开关矩阵模块7和模数转换器，将开关矩阵模块7时分复用的输出信号进行采集，并将同一组数据保存至临时数组中。

上传数据，单片机将完成采集的一组临时数组通过USB串口上传至上位机单元3中，上位机单元3读取数据，以图形显示所测得的所有电压数值，并保存至数据库，以便后续数据处理。

关闭设备，完成电压采集之后，保存所有数据，关闭电源。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电压采集系统，其特征在于，包括：

采集单元，用于采集多路电压信号；

处理单元，与采集单元连接，用于对采集的多路电压信号进行差分放大、并串转换；

其中，处理单元包括开关矩阵模块，所述开关矩阵模块与所述采集单元连接，用于将采集的多路电压信号进行并串转换为一路电压信号。

2.根据权利要求1所述电压采集系统，其特征在于，所述采集单元包括：

表笔，用于采集电压信号；

放大电路，设置于所述表笔内部，用于将所表笔采集的电压信号进行放大。

3.根据权利要求2所述电压采集系统，其特征在于，所述表笔为有源表笔，其中所述表笔为64组，每组所述表笔用于连接正极和负极。

4.根据权利要求1所述电压采集系统，其特征在于，所述处理单元还包括：

差分抬升模块，分别与所述采集单元和所述开关矩阵模块连接，用于将每路采集的正极与负极电压信号相减，得到合并电压信号，并将所述合并电压信号进行抬升；

采样与控制模块，与所述开关矩阵模块连接，用于控制所述开关矩阵模块，并将所述开关矩阵模块输出的一路电压信号转换为数字信号，并存储。

5.根据权利要求4所述电压采集系统，其特征在于，所述差分抬升模块包括16个ADA4807-4芯片和64个电压抬升电路。

6.根据权利要求4所述电压采集系统，其特征在于，所述采样与控制模块包括：

模数转换器，与所述开关矩阵模块连接，用于将所述开关矩阵模块输出的一路电压信号转换为数字信号；

存储器，与所述模数转换器连接，用于存储所述数字信号；

主控制器，分别与所述开关矩阵模块和所述存储器连接，用于对所述开关矩阵的通道数、通道采样时间以及通道分配进行配置。

7.根据权利要求1所述电压采集系统，其特征在于，所述开关矩阵模块包括4个MT8816芯片，各所述MT8816芯片为16路输入端和1路输出端。

8.根据权利要求1-7任一项所述电压采集系统，其特征在于，所述电压采集系统还包括：

供电模块，分别与所述采集单元和所述处理单元连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述电压采集系统，其特征在于，所述电压采集系统还包括：

上位机单元，与所述处理单元连接，用于实时显示处理后的电压信号。