CN110727213A - 多源信号采集卡 - Google Patents

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XY-HUST ADVANCED MANUFACTURING ENGINEERING RESEARCH INSTITUTE
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Abstract

本发明涉及一种多源信号采集卡，多源信号采集卡集成处理器、第一通信接口组件、第二通信接口组件、各FPGA采集模块以及各信号切换电路；集成处理器通过第一通信接口组件分别连接各FPGA采集模块；FPGA采集模块通过信号切换电路连接传感器；集成处理器通过第二通信接口组件连接扩展设备；集成处理器在FPGA采集模块连接第一通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口；集成处理器在扩展设备连接第二通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口。本发明实施例的多源信号采集卡对多个信号源进行采集时，能够自适应切换采集信号通道，避免了采样数据失真，且具有高扩展性，提高了采集效率。

Description

多源信号采集卡
技术领域
本发明涉及信号采集技术领域，特别是涉及一种多源信号采集卡。
背景技术
随着电子技术和计算机技术的不断发展，机床测试系统的数字化和集成化程度越来越高；当前工业控制中大量存在采集、分析、控制一体的应用场合，对信号采集的要求也越来越严格。目前，机床测试系统在对数控机床测试过程中，通常需要采集机床运动过程中的温度、振动、压力和位移等信号。对多个信号源进行采集的质量，影响着数控机床测试过程中的效率。
在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的采集卡在对各类型的信号源进行采集时，易造成采样数据失真，影响机床测试的准确性。
发明内容
基于此，有必要针对传统的采集卡易造成采样数据失真的问题，提供一种多源信号采集卡。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种多源信号采集卡，包括集成处理器、第一通信接口组件、第二通信接口组件、各FPGA采集模块以及各信号切换电路；
集成处理器通过第一通信接口组件分别连接各FPGA采集模块；FPGA采集模块通过信号切换电路连接传感器；集成处理器通过第二通信接口组件连接扩展设备；
集成处理器在FPGA采集模块连接第一通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口；FPGA采集模块通过第一通信接口组件接收集成处理器传输的信号切换请求，并向信号切换电路传输生成的开关切换信号；信号切换电路导通对应开关切换信号的信号通道；传感器将感应到的传感信号通过信号通道传输给FPGA采集模块；FPGA采集模块将采集传感信号得到的采集信号传输给集成处理器；集成处理器在扩展设备连接第二通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口。
在其中一个实施例中，集成处理器包括ARM处理器以及连接ARM处理器的DSP处理器；
DSP处理器通过第一通信接口组件连接各FPGA采集模块；ARM处理器通过第二通信接口组件连接扩展设备；
DSP处理器对FPGA采集模块传输的采集信号进行信号处理，并将处理后的信号传输给ARM处理器。
在其中一个实施例中，第一通信接口组件的通信接口为UPP接口。
在其中一个实施例中，第二通信接口组件的通信接口包括以下任意一种或任意组合：UPP接口、Modbus串口和WIFI接口。
在其中一个实施例中，FPGA采集模块包括FPGA处理器、AD芯片和DA芯片；FPGA处理器分别连接AD芯片、DA芯片。
在其中一个实施例中，信号切换电路为模拟开关电路；
模拟开关电路的一端连接FPGA采集模块，另一端连接传感器；
模拟开关电路根据开关切换信号，导通对应开关切换信号的信号通道。
在其中一个实施例中，传感器为电压传感器、电流传感器、压力传感器、位移传感器或激光传感器。
在其中一个实施例中，还包括连接集成处理器的触控屏。
在其中一个实施例中，还包括第三通信接口组件；
集成处理器通过第三通信接口组件连接上位机。
在其中一个实施例中，第三通信接口组件为RS232接口、RS485接口、RJ45网口、USB接口或WIFI。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
基于集成处理器通过第一通信接口组件分别连接各FPGA采集模块；FPGA采集模块通过信号切换电路连接传感器；集成处理器通过第二通信接口组件连接扩展设备。集成处理器在FPGA采集模块连接第一通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口；FPGA采集模块通过第一通信接口组件接收集成处理器传输的信号切换请求，并向信号切换电路传输生成的开关切换信号；信号切换电路导通对应开关切换信号的信号通道；传感器将感应到的传感信号通过信号通道传输给FPGA采集模块；FPGA采集模块将采集传感信号得到的采集信号传输给集成处理器；集成处理器在扩展设备连接第二通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口。本发明各实施例的多源信号采集卡对多个信号源进行采集时，能够自适应切换采集信号通道，避免了采样数据失真，且具有高扩展性，提高了采集效率。
附图说明
图1为一个实施例中多源信号采集卡的第一结构示意图；
图2为一个实施例中集成处理器的结构示意图；
图3为一个实施例中FPGA采集模块的结构示意图；
图4为一个实施例中多源信号采集卡的扩展逻辑示意图；
图5为一个实施例中多源信号采集卡的应用模式示意图；
图6为一个实施例中多源信号采集卡的第二结构示意图；
图7为一个实施例中多源信号采集卡的信号切换结构示意图；
图8为一个实施例中多源信号采集卡的AD采样流程示意图；
图9为一个实施例中多源信号采集卡的控制流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了解决传统的采集卡对多个信号源进行采集时，容易造成采样数据失真的问题，本发明实施例提供了一种多源信号采集卡。图1为多源信号采集卡的第一结构示意图。如图1所示，可包括集成处理器110、第一通信接口组件120、第二通信接口组件130、各FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)采集模块140以及各信号切换电路150。
集成处理器110通过第一通信接口组件120分别连接各FPGA采集模块140；FPGA采集模块140通过信号切换电路150连接传感器；集成处理器110通过第二通信接口组件130连接扩展设备。
集成处理器110在FPGA采集模块140连接第一通信接口组件120时，导通第二通信接口组件120相应的接口；FPGA采集模块140通过第一通信接口组件120接收集成处理器110传输的信号切换请求，并向信号切换电路150传输生成的开关切换信号；信号切换电路150导通对应开关切换信号的信号通道；传感器将感应到的传感信号通过信号通道传输给FPGA采集模块140；FPGA采集模块140将采集传感信号得到的采集信号传输给集成处理器110；集成处理器110在扩展设备连接第二通信接口组件130时，导通第二通信接口组件130相应的接口。
其中，集成处理器110指的是具有多个处理功能的集成芯片；优选的，集成处理器110集成至少2个处理芯片。第一通信接口组件120可包含各第一通信接口。第一通信接口可连接在FPGA采集模块140和集成处理器110之间。第二通信接口组件130可包含各第二通信接口。第二通信接口可连接在扩展设备和集成处理器之间。FPGA采集模块140指的是基于FPGA的采集模块。信号切换电路150可用来切换信号通道。扩展设备可以是采集下位机，也可以是采集卡。采集下位机可以是传感器。
具体地，基于集成处理器110通过第一通信接口组件120分别连接各FPGA采集模块140；信号切换电路150连接在FPGA采集模块140与传感器之间；集成处理器110通过第二通信接口组件130连接扩展设备。FPGA采集模块140可连接在第一通信接口组件120的相应接口上，集成处理器110可对第一通信接口组件120的连接状态进行检测。集成处理器110在FPGA采集模块140连接第一通信接口组件120时，导通第二通信接口组件130相应的接口。FPGA采集模块140通过第一通信接口组件120接收集成处理器110传输的信号切换请求，并向信号切换电路150传输生成的开关切换信号；信号切换电路150导通对应开关切换信号的信号通道；传感器将感应到的传感信号通过信号通道传输给FPGA采集模块140；FPGA采集模块140将采集传感信号得到的采集信号传输给集成处理器110。扩展设备可连接在第二通信接口组件140的相应接口上，集成处理器110可对第二通信接口组件140的连接状态进行检测。集成处理器110在扩展设备连接第二通信接口组件130时，导通第二通信接口组件130相应的接口。
在一个具体的实施例中，如图2所示，集成处理器包括ARM(RISC微处理器，Advanced RISC Machine)处理器220以及连接ARM处理器220的DSP(数字信号处理，DigitalSignal Processing)处理器210。
DSP处理器210通过第一通信接口组件连接各FPGA采集模块；ARM处理器220通过第二通信接口组件连接扩展设备。DSP处理器210对FPGA采集模块传输的采集信号进行信号处理，并将处理后的信号传输给ARM处理器220。
其中，DSP处理器210可用来处理分析FPGA采集模块传输的采集信号。ARM处理器220可用来控制扩展设备，也可用来控制与上位机的通讯等。
具体地，基于DSP处理器210通过第一通信接口组件连接各FPGA采集模块；ARM处理器220通过第二通信接口组件连接扩展设备。FPGA采集模块可将采集到的采集信号传输给DSP处理器210，DSP处理器210对接收到采集信号进行信号处理，并将处理后的信号传输给ARM处理器220。例如DSP处理器210可对采集信号进行去噪滤波处理，并将去噪滤波处理后的信号传输给ARM处理器220。ARM处理器220可将接收到的噪滤波处理后的信号传输给上位机，通过上位机对信号进行显示。
在一个具体的实施例中，第一通信接口组件的通信接口为UPP接口(UniversalParallel Port，通用并行端口)。第二通信接口组件的通信接口包括以下任意一种或任意组合：UPP接口、Modbus(一种通讯协议)串口和WIFI(Wireless-Fidelity，无线保真)接口。
其中，UPP接口指的是一种专用数据线和最小的控制信号的多通道高速并行接口。Modbus串口是基于Modbus通讯协议的串口。WIFI接口可用来无线通信。
具体地，基于集成处理器通过UPP接口连接FPGA采集模块，可实现对FPGA采集模块的并行通信。集成处理器通过Modbus串口连接扩展设备，可实现对扩展设备的串口通信；集成处理器通过WIFI接口连接扩展设备，可实现对扩展设备的无线通信。优选的，本实施例的多源信号采集卡的串口具备MODBUS主机功能，通过此接口可级联255个支持MODBUS从机的设备。
在一个具体的实施例中，如图3所示，FPGA采集模块包括FPGA处理器310、AD(Analog/Digital，模数)芯片320和DA(Digital/Analog，数模)芯片330；FPGA处理器310分别连接AD芯片320、DA芯片330。
其中，FPGA处理器310指的是基于FPGA芯片的处理器。FPGA处理器310可采用低成本以及低功耗的处理器。AD芯片320指的是模数转换芯片；DA芯片330指的是数模转换芯片。
具体地，基于FPGA处理器310分别连接AD芯片320、DA芯片330。AD芯片320可通过信号切换电路连接传感器。DA芯片330可连接上位机。AD芯片可对传感器的传感信号进行采集得到数字信号，并将数字信号传输给FPGA处理器。FPGA处理器将数字信号通过DA芯片转换成模拟信号。并将模拟信号传输给上位机进行显示，实现对信号采集的实时显示。
优选的，FPGA采集模块具有16路AD输入，8路PWM输出，4路DA输出以及16路输入输出IO口。
在一个具体的实施例中，信号切换电路为模拟开关电路。
模拟开关电路的一端连接FPGA采集模块，另一端连接传感器；模拟开关电路根据开关切换信号，导通对应开关切换信号的信号通道。
其中，模拟开关电路可以是单刀多掷开关电路。
具体地，基于模拟开关电路的一端连接FPGA采集模块，另一端连接传感器。在需要切换信号通道时，FPGA采集模块可向模拟开关电路传输开关切换信号。模拟开关电路根据开关切换信号，导通对应开关切换信号的信号通道，实现对多源信号的实时切换控制。
可选的，传感器为电压传感器、电流传感器、压力传感器、位移传感器或激光传感器。
在一个具体的实施例中，如图4所示，为多源信号采集卡的扩展逻辑示意图。本发明实施例的多源信号采集卡可通过三种方式进行功能的扩展。(1)通过UPP接口总线：采集卡上设有UPP接口，将对应的扩展设备插入该接口后，主集成处理器通过UPP接口总线读取扩展设备的配置信息，获取扩展设备的功能参数(如子模块类型、采样通道数、采样类型等)后，读取输入寄存器的信息，形成扩展目的；(2)通过MODBUS串口总线：采集控制卡的RS232或RS485接口均支持标准MODBUS协议，通过这两种串口可级联任意支持此协议的扩展设备，上位机将通过扩展设备的地址来访问读取扩展设备的数据；(3)通过WIFI接口：将本发明实施例多源信号采集卡作为主站，带WIFI功能的扩展设备作为从站，多源信号采集卡以WIFI的形式读取扩展设备的数据。
进一步的，当采集卡自身的通道数量不够时，既可通过UPP接口扩展同系列的采集卡，又可通过Modbus串口级联任意支持Modbus从机的设备，还可以通过WIFI扩展从站设备，实现扩展采集控制卡功能的作用。
在一个具体的实施例中，如图5所示，为多源信号采集卡的应用模式示意图。本发明实施例多源信号采集卡的应用模式有(1)传统应用模式：本实施例多源采集卡可与PC机进行通讯，通过配套的上位机控制系统对该多源信号采集卡进行输入输出设置及信息的读取；(2)手持应用模式：本实施例多源信号采集卡可包括7寸液晶显示屏和供电电池组，在一些特殊应用场合(如高空作业、地下作业等)可直接对传感器的传感信号进行采集并显示，同时可对采集信号进行输出控制；(3)数控通讯应用模式：本实施例采集卡可配备驱动库并集成标准MODBUS协议，数控系统可便于实现与该多源信号采集卡进行信息交互。
上述实施例中，基于集成处理器通过第一通信接口组件分别连接各FPGA采集模块；FPGA采集模块通过信号切换电路连接传感器；集成处理器通过第二通信接口组件连接扩展设备。集成处理器在FPGA采集模块连接第一通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口；FPGA采集模块通过第一通信接口组件接收集成处理器传输的信号切换请求，并向信号切换电路传输生成的开关切换信号；信号切换电路导通对应开关切换信号的信号通道；传感器将感应到的传感信号通过信号通道传输给FPGA采集模块；FPGA采集模块将采集传感信号得到的采集信号传输给集成处理器；集成处理器在扩展设备连接第二通信接口组件时，导通第二通信接口组件相应的接口。进而对多个信号源进行采集时，能够自适应切换采集信号通道，避免了采样数据失真，且具有高扩展性，提高了采集效率。
在一个实施例中，还包括连接集成处理器的触控屏。
其中触控屏可以是液晶触摸屏。
具体地，基于触控屏连接集成处理器。集成处理器可将FPGA采集模块传输的采集信号，通过触控屏进行显示。
在一个实施例中，如图6所示，还包括第三通信接口组件660；集成处理器610通过第三通信接口组件660连接上位机。
具体地，基于第三通信接口组件660连接在集成处理器610和上位机之间。集成处理器在上位机连接第三通信接口组件时，导通第三通信接口组件相应的接口。集成处理器可接收FPGA采集模块传输的采集信号，并将采集信号通过第三通信接口组件传输给上位机，进而实现上位机对采集信号的实时监控。
可选的，第三通信接口组件为RS232(232型的串口)接口、RS485(485型的串口)接口、RJ45(一种信息插座)网口、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口或WIFI。上位机与集成处理器可通过上述任何一种方式进行通讯。进一步的，采集卡通过手持应用模式使用时，还可以通过U盘进行数据保存等。
基于本实施例，基于第三通信接口组件660连接在集成处理器610和上位机之间。集成处理器在上位机连接第三通信接口组件时，导通第三通信接口组件相应的接口。集成处理器可接收FPGA采集模块传输的采集信号，并将采集信号通过第三通信接口组件传输给上位机，实现上位机对采集信号的实时监控。进而对多个信号源进行采集时，能够自适应切换采集信号通道，避免了采样数据失真，且具有高扩展性，提高了采集效率。
在一个具体的实施例中，如图7所示，为多源信号采集卡的信号切换结构示意图。其中，AD芯片采用AD9238型号的芯片；DA芯片采用AD9706型号的芯片。信号切换的具体过程为：
每个AD芯片的输入端口通过配置可接收电压型输入的传感信号或电流型输入传感信号，也可以输出电流驱动需电流激励的ICP(integrated circuits piezoelectric)传感器。模拟开关电路的控制端连接在FPGA处理器的输出引脚上，在连接相应的传感器时，通过上位机或者液晶屏进行相关的配置，FPGA输出信号将模拟开关电路切换到对应的输入模式，即可实现采样。优选的，由于模拟开关电路中存在3种开关选择，可通过两个开关选择器来实现开关。进而通过本实施例的多源信号采集卡，基于模拟开关电路对采集信号的源回路进行切换，实现了同一输入口既可输入电压信号，又可输入电流信号，还可以输出驱动电流来采集需要电流激励的传感器。
具体地，FPGA处理器驱动AD芯片(AD9238)进行高速AD采集，驱动DA芯片(AD9706)进行DA输出。同时具有高速IO及高精度PWM设计。另外通过FPGA的输出引脚对模拟开关进行控制，保证了每一个AD通道既可采样电压信号，又可采样电流信号，同时具备电流输出能力，适用于电流激励传感器的采样。
在一个具体的实施例中，如图8所示，为多源信号采集卡的AD采样流程示意图。AD采样的具体过程为：
首先需要对采样通道进行配置，然后对输出进行配置，设置所需的采样频率，通过触摸屏点击采样开始，进而实现数据采集，通过观察采样波形，可了解实时的采样信息。
在一个具体的实施例中，如图9所示，为多源信号采集卡的控制流程示意图。多源信号采集卡的具体控制过程为：
对本实施例的多源信号采集卡进行系统初始化设置，初始化完成后，对采集输入输出进行配置，并开启定时器进行采集处理。基于不同的通信接口，可对采集模式划分为：通过UPP接口开启新线程，基于UPP接口通道进行定时采集；通过Modbus串口开启新线程，基于Modbus串口进行数据交互；通过无线通信开启新线程，基于Socket进行数据交互。此外，可根据不同的应用模式进行信号输出，如检测到数控系统输出模式时，可对数控系统开发包配置输出；检测到上位机输出模式时，可对上位机Socket交互输出；在检测到手持应用输出模式时，可通过液晶屏显示输出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多源信号采集卡，其特征在于，包括集成处理器、第一通信接口组件、第二通信接口组件、各FPGA采集模块以及各信号切换电路；
所述集成处理器通过所述第一通信接口组件分别连接各所述FPGA采集模块；所述FPGA采集模块通过所述信号切换电路连接传感器；所述集成处理器通过所述第二通信接口组件连接扩展设备；
所述集成处理器在所述FPGA采集模块连接所述第一通信接口组件时，导通所述第二通信接口组件相应的接口；
所述FPGA采集模块通过所述第一通信接口组件接收所述集成处理器传输的信号切换请求，并向所述信号切换电路传输生成的所述开关切换信号；所述信号切换电路导通对应所述开关切换信号的信号通道；所述传感器将感应到的传感信号通过所述信号通道传输给所述FPGA采集模块；所述FPGA采集模块将采集所述传感信号得到的采集信号传输给所述集成处理器；
所述集成处理器在所述扩展设备连接所述第二通信接口组件时，导通所述第二通信接口组件相应的接口。
2.根据权利要求1所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述集成处理器包括ARM处理器以及连接所述ARM处理器的DSP处理器；
所述DSP处理器通过所述第一通信接口组件连接各所述FPGA采集模块；所述ARM处理器通过所述第二通信接口组件连接所述扩展设备；
所述DSP处理器对所述FPGA采集模块传输的采集信号进行信号处理，并将处理后的信号传输给所述ARM处理器。
3.根据权利要求1所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述第一通信接口组件的通信接口为UPP接口。
4.根据权利要求1所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述第二通信接口组件的通信接口包括以下任意一种或任意组合：UPP接口、Modbus串口和WIFI接口。
5.根据权利要求1所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述FPGA采集模块包括FPGA处理器、AD芯片和DA芯片；
所述FPGA处理器分别连接所述AD芯片、所述DA芯片。
6.根据权利要求1所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述信号切换电路为模拟开关电路；
所述模拟开关电路的一端连接所述FPGA采集模块，另一端连接所述传感器；
所述模拟开关电路根据所述开关切换信号，导通对应所述开关切换信号的信号通道。
7.根据权利要求6所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述传感器为电压传感器、电流传感器、压力传感器、位移传感器或激光传感器。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的多源信号采集卡，其特征在于，还包括连接所述集成处理器的触控屏。
9.根据权利要求8所述的多源信号采集卡，其特征在于，还包括第三通信接口组件；
所述集成处理器通过所述第三通信接口组件连接上位机。
10.根据权利要求9所述的多源信号采集卡，其特征在于，所述第三通信接口组件为RS232接口、RS485接口、RJ45网口、USB接口或WIFI。
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