CN111141333A - 一种多通道集成式传感器数据采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道集成式传感器数据采集器，包括主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡和电源模块；所述激励接口板包括激励电路和与其相连接的多路传感器接口，通过传感器接口向传感器提供激励，其中激励电路包括电压激励电路、恒流激励电路和程控电压激励电路；所述信号调理板，接收传感器发送的信号并进行包括放大、滤波在内的调理，将调理后的模拟信号发送给数据卡。本发明解决了现有单套设备只能采集单一数据，对多种传感器进行信号采集时采集设备需要频繁更换的问题，可以对多种不同的传感器同时进行信号的采集并同时进行处理。

Description

一种多通道集成式传感器数据采集器

技术领域

本发明属于数据采集技术领域，涉及一种多通道集成式传感器数据采集器。

背景技术

随着社会发展的不断加快，大型机械与复杂精密仪器相结合的高端智能装备也越来越多。在测量与控制这些精密仪器的时候，普通的数采器已经不能满足要求，一个原因是普通的数据采集器的精度不足；另一个是每测量一个传感器变量就需要换上相应的一套测量设备。例如测量加速度、扭矩就需要更换相应的数据采集系统，要更换采集线路与采集人员，无法将多种采集信号通过同一台计算机来处理与分析，不得不为了采集不同的信号而且更换相应的采集器，费时费力。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种多通道集成式传感器数据采集器，以克服现有数据采集器对多种传感器进行信号采集时，采集设备频繁更换和工作效率低的缺陷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多通道集成式传感器数据采集器，包括主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡和电源模块；

所述主控板，接收并解析上位机发送的包含对激励接口板或信号调理板进行设置的指令，将指令发送给激励接口板或信号调理板，并回馈设置结果信号；

所述激励接口板，包括激励电路以及分别与其相连接的多路传感器接口，通过传感器接口向传感器提供激励，其中激励电路包括电压激励电路、恒流激励电路和程控电压激励电路；

所述信号调理板，通过传感器接口接收传感器发送的信号并进行包括放大、滤波在内的调理，将调理后的信号发送给采集卡；

所述采集卡，包括多个并行的采集通道，每个采集通道设有独立AD转换器，将信号调理板发送的信号进行同步数字化处理后发送给上位机。

所述的主控板将上位机发送的指令通过SPI接口或DIO发送到激励接口板或信号调理板，再通过SPI、DIO回馈的设置结果通过串口发送回给上位机。

所述的主控板还通过扩展的CAN和/或RS485接口与扩展采集模块相连接，主控板将扩展采集模块所采集的信号实时反馈给上位机。

所述的激励电路包括24V限流电压激励电路、4mA恒流激励电路和0～10V的程控电压激励电路；其中，限流电压激励电路、恒流激励电路与传感器接口之间还设有选择继电器；

所述的程控电压激励电路包括基准电路、DA转换模块、放大器和反相器，基于基准电路提供的0～2.5V电压，主控板根据需要的电源通过SPI、DIO对DA转换模块发出设置指令，再通过固定倍数的放大器和反相器，完成0～±10V激励的输出。

所述的程控电压激励电路在输出激励时还向信号调理板发送激励反馈信号。

所述的信号调理板包括依次设置的：

功能选择模块，基于程控继电器的模拟开关对输入的电流/电压信号进行切换，其中电流支路与电压支路之间设有将电流信号转换为电压信号的采样电阻；

信号选择模块，基于程控继电器的模拟开关对包括检测信号、校准信号、激励反馈信号的支路进行切换；

信号放大模块，包括分别设有多级增益的前置放大器和二级放大器，基于程控继电器的模拟开关选择放大的增益倍数；

滤波选择模块，基于程控继电器的模拟开关对直通或滤波器的支路进行切换。

所述的信号调理板还包括设置在功能选择模块之前的耦合选择模块；基于程控继电器的模拟开关对输入直流/交流信号进行切换，其中交流支路上设有转换电容；

所述的信号放大模块中，前置放大器的增益范围为1-1000倍，10倍步进；二级放大器为适配量程的增益放大，增益范围为1-8倍，2倍步进；

所述的滤波选择模块中，滤波器采用3路4阶的低通滤波器以滤掉高频噪声和无用信号。

所述的主控板根据采集卡采集通道所对应的传感器接口接收的信号类型，分别对功能选择模块、信号选择模块、信号放大模块、滤波选择模块发出选择指令，由程控继电器完成功能选择。

所述的电源模块包括电池、电源管理模块和电源转换模块，电池通过管理模块向上位机提供12V的电源电压，通过管理模块、电源转换模块提供3.3V、5V、15V和24V电源电压。

进一步的，还将主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡在上位机基础上进行以下集成：

所述的上位机是包括上位机主板和显示屏的笔记本式一体化机；

并在上位机主板的一侧设置主控板，在主控板下侧设置信号调理板和接口激励板电池，在接口激励板的旁侧设置电池，在上位机主板下方设置电源管理板和电源转换板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的多通道集成式传感器数据采集器，解决了现有单套设备只能采集单一数据，对多种传感器进行信号采集时采集设备需要频繁更换的问题，而本发明采用了多种激励方式和多通道的采集卡可以对多种不同的传感器同时进行信号的采集并同时进行处理，大大提高了工作效率，尤其是解决了一些之前需要同时测量多种信号的难题。

本发明提供的多通道集成式传感器数据采集器，通过信号调理板对采集的传感器信号进行了调整清理；这是由于传感器采集到的信号模拟量之后，一般会将其转换为数字信号传给上位机进行处理，有的信号很微弱，很难进行处理；而本发明通过信号调理板将待测信号经过放大、滤波等一系列操作将其转换成数据处理设备能够识别的标准信号；此外因为工业信号有些是高压、大电流、浪涌等，不能被上位机正确识别，也需要先调整清理才能够被识别。

本发明提供的多通道集成式传感器数据采集器，通过采用设有多路数据采集通道(可多达16路)，每个通道都可以测量多种类型的传感器，而且可以组网同步触发；支持力、位移、温度、振动等各种传感器接入，经传感器采集后送往上位机进行分析和处理，再通过使用信号调理板集中将这些不同类型、不同大小的信号进行转换，变成适合传输的并能被采集卡识别的信号。

本发明提供的多通道集成式传感器数据采集器，可以将上位机和采集卡、调理板卡等设备进行集成，形成一款美观、便携、操作方便的新机型，从而克服了现有数据采集器体积大、重量高、不利于携带和操作的缺陷。

附图说明

图1为本发明的模块连接示意图；

图2为主控板的结构示意图；

图3为激励接口板的结构示意图；

图4为程控电压激励电路的激励示意图；

图5为信号调理板的结构示意图；

图6为某通道的信号调理与激励输出通道的工作原理示意图；

图7为本发明的结构示意图；

图8为图7的侧视图；

图9为匹配传感器接口的通道配置流程示意图；

图10为本发明的数据采集运行流程图。

其中，6为显示屏，7为通讯接口；8为电源充电口，9为主控板；10为信号调理板；11为接口激励板；12为电池；13为电源管理板；14为电源转换板；15为上位机主板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种多通道集成式传感器数据采集器，包括主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡和电源模块；

所述主控板，接收并解析上位机发送的包含对激励接口板或信号调理板进行设置的指令，将指令发送给激励接口板或信号调理板，并回馈设置结果信号；

所述激励接口板，包括激励电路以及分别与其相连接的多路传感器接口，通过传感器接口向传感器提供激励，其中激励电路包括电压激励电路、恒流激励电路和程控电压激励电路；

所述信号调理板，通过传感器接口接收传感器发送的信号并进行包括放大、滤波在内的调理，将调理后的信号发送给采集卡；

所述采集卡，包括多个并行的采集通道，每个采集通道设有独立AD转换器，将信号调理板发送的信号进行同步数字化处理后发送给上位机。

下面对各部分进行详细的说明。

主控板：主要实现对激励接口板和信号调理板的控制；

激励接口板：实现各个的各类传感器接口的激励输出，具体包括以下几种激励输出：

0-10V可调程控精密激励：支持四线制供电避免长导线压降，支持闭环调整以及激励实时回踩，此激励用于各类位移、电桥类推压力、大小电压输出型各类传感器供电；

24V固定限流电源输出：用于变送器类型各式传感器；

4mA精密恒流源激励：用于ICP\IEPE类型振动、噪声等类型传感器供电。

信号调理板：主要负责各路传感器接口的信号调理，各路调理电路完全形同，负责信号耦合方式程控切换、电压电流模式程控选择，各路增益程控选择、滤波程控选择；实现交流信号耦合采集、电流信号转换、信号放大、信号滤波。

参见图2，所述的主控板将上位机发送的指令通过SPI接口、DIO接口发送到激励接口板或信号调理板，再通过SPI、DIO回馈的设置结果通过串口发送回给上位机；其中，SPI接口是单片机的三、四线制通信接口，DIO接口为通用数字输入输出口；

进一步的，所述的主控板还通过扩展的CAN和/或RS485接口与扩展采集模块相连接，主控板将扩展采集模块所采集的信号实时反馈给上位机。

具体的，主控板可采用ARM处理核心，并集成ST-LINK仿真器；所有对外接口均采用物理隔离，隔离电压1500V，有效避免干扰。

主控板主要实现上位机配置信息解析、下发配置、配置及硬件工作状态信息汇总并实时反馈给计算机等功能；第二功能为扩展功能，通过扩展的CAN和RS485接口外扩低速采集模块，如温度、静态应变等，负责外扩模块的数据交互、数据解析、物理量转换等，并将数据实时反馈给上位机。

参见图3、图4，所述的激励电路包括相并联的24V限流电压激励电路、4mA恒流激励电路和0～10V的程控电压激励电路；其中，限流电压激励电路、恒流激励电路与传感器接口之间还设有选择继电器；

所述的程控电压激励电路包括基准电路、DA转换模块、放大器和反相器，基于基准电路提供的0～2.5V电压，主控板根据需要的电源通过SPI、DIO对DA转换模块发出设置指令，再通过固定倍数的放大器和反相器，完成0～±10V激励的输出。

具体的，24V限流电压激励电路用于电压类、电桥类高精度传感器供电；精密恒流源，用于智能型ICP传感器供电；所有激励输出均具备短路保护功能，精密电压激励同时支持四线制激励跟随输出，可用于精密类型传感器长导线信号测量。用户可以根据传感器类型选择激励方式。

0-10V精密激励输出电路，采用12位DA转换器，激励分辨力2mV，激励精度实现<3mv激励设置偏差(传感器端)，温飘10ppm，后级功率放大可实现50mA激励电流输出，适配各类型精密传感器，实现高精度测量。

所述的程控电压激励电路在输出激励时还向信号调理板发送激励反馈信号；其中，激励反馈的作用为实时补偿长导线电阻，使得无论多长的传输线，保证加到传感器上的激励电压准确稳定。

参见图5、图6，所述的信号调理板包括依次设置的：

功能选择模块，基于程控继电器的模拟开关对输入的电流/电压信号进行切换，其中电流支路与电压支路之间设有将电流信号转换为电压信号的10ppm精密采样电阻；

信号选择模块，基于程控继电器的模拟开关对包括检测信号、校准信号、激励反馈信号的支路进行切换；

信号放大模块，包括分别设有多级增益的前置放大器和二级放大器，基于程控继电器的模拟开关选择放大的增益倍数；

滤波选择模块，基于程控继电器的模拟开关对直通或滤波器的支路进行切换。

进一步的，所述的信号调理板还包括设置在功能选择模块之前的耦合选择模块；基于程控继电器的模拟开关对输入直流/交流信号进行切换，其中交流支路上设有转换电容；

所述的信号放大模块中，前置放大器的增益范围为1-1000倍，10倍步进；二级放大器为适配量程的增益放大，增益范围为1-8倍，2倍步进；可采用程控仪表放大器来实现；

所述的滤波选择模块中，滤波器采用3路4阶的低通滤波器以滤掉高频噪声和无用信号，提高信号质量；比如采用巴特沃斯有源滤波器；

所述的主控板根据采集卡采集通道所对应的传感器接口接收的信号类型，分别对功能选择模块、信号选择模块、信号放大模块、滤波选择模块发出选择指令，由程控继电器完成功能选择。

参见图1，所述的电源模块包括电池、电源管理模块和电源转换模块，电池通过管理模块向上位机提供12V的电源电压，通过管理模块、电源转换模块提供3.3V、5V、15V和24V电源电压。

参见图7、图8，还将主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡在上位机基础上进行以下集成：

所述的上位机是包括上位机主板和显示屏的笔记本式一体化机；

并在上位机主板的一侧设置主控板，在主控板下侧设置信号调理板和接口激励板电池，在接口激励板的旁侧设置电池，在上位机主板下方设置电源管理板和电源转换板。

下面给出各部件的具体的选择实施：

主控板：采用ARM核心，主频168MHz。设计预留隔离CAN、隔离RS485、隔离RS232、隔离SPI及若干IO口；主控板外置E2ROM作为默认参数存储。

传感器接口，每个传感器接口支持以下传感器类型：1)推压力、拉压力等电桥型力、载荷传感器；2)角度，位移等电压型传感器；3)流量、温度、压力等变送器类型传感器；4)振动、噪声、冲击等ICP/IEPE型传感器。

激励接口板：主要实现各类激励输出；

0-10V可调程控精密激励：支持四线制供电避免长导线压降，支持闭环调整以及激励实时回踩，电流≤50mA；此激励用于各类位移、电桥类推压力、大小电压输出型各类传感器供电；

24V固定限流电源输出：用于变送器类型各式传感器，电流≤50mA；

4mA精密恒流源激励：用于ICP\IEPE类型振动、噪声等类型传感器供电。

信号调理板：主要负责16路信号调理，16路调理电路完全形同，负责信号耦合方式程控切换、电压电流模式程控选择，16种增益程控选择、滤波程控选择等。实现交流信号耦合采集、电流信号转换、信号放大、信号滤波。

采集卡：采用NI公司的OEM卡，16通道模拟输入，400K采样率，16bit采样分辨率；2通道模拟输出16bit分辨率，刷新率2M；32路数字IO；定时器、计数器等；也可选国产定制OEM卡，模拟输入通道16路，采样分辨率16bit，采样率可达同步2M；2通道模拟输出，48路DIO等。

电池：采用14.8V，100WH性能的电池，满负荷工作1-2小时，正常工作3-4小时，待机6小时以上。

电源管理模块：包含充电管理、稳压模块、状态输出指示灯等，关机后可断开计算机和硬件调理板电源，避免电池电量损耗。

电源转换模块：选用金升阳DC-DC隔离电源模块实现，综合转换效率高于85％。

上位机：Intel Corei7 CPU，4G内存，256G宽温固态硬盘，15寸液晶显示，防水键盘，触摸鼠标，无风扇冷导散热；预留2x RJ45 10/100/1000Mb/s Ethernet、2x SATA、1xmPCI Express、4xUSB3.0/2.0(front)、4xUSB2.0(3x internal Header,1x mPCIesocket)，5x RS232，5x RS485，1x VGA等接口。

下面以单通道的设置来说明本发明的数据采集方式：

参见图9、图10，通过上位机、主控板选择需要的采集通道，通过通道配置自动加载上一次配置，或者加在用户选择的配置文件，加载后设备根据配置切换硬件采集状态和开关状态，使得每个通道的激励、放大、滤波等处于配置的状态，在外接传感器的状态下，可以实时看到数据，判断设置是否合理。

进一步的，利用本发明进行数据采集时的运行为：

1)试验任务设置；包括数据存储路径，采集速率，采集方式等；

2)数据显示形式的设置；包括时间波形，XY波形，数值，以及其组合；

3)调理方式的设置；根据外接传感器选择调理方式，包括放大、滤波、激励，具体包括放大的倍数、滤波或不滤波，滤波时滤波器选择和滤波频率设置；激励方式的选择及具体电压的选择；

4)选择计算通道，所谓计算通道是根据一个或者多个采集实际通道，作为一个指定公式的变量进行组网；

5)试验运行并查看数据；

6)采集结束，数据上传上位机分析。

比如，先设置激励板的激励为24V电压激励，采集设置的激励并显示到对应通道激励反馈单元格和后台变量，应用到电压到物理量转换中；传感器采集的为电压值，传感器的物理量与激励和采集的电压具备一定的关系，最后根据通道设置放大与滤波，信号切换到传感器信号，设置对应的放大倍数和滤波方式，采集信号并显示当前值。

综上，本发明提供的多通道集成式传感器数据采集器，可以对多种不同的传感器同时进行信号的采集并同时进行处理。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，包括主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡和电源模块；

所述主控板，接收并解析上位机发送的包含对激励接口板或信号调理板进行设置的指令，将指令发送给激励接口板或信号调理板，并回馈设置结果信号；

所述激励接口板，包括激励电路以及分别与其相连接的多路传感器接口，通过传感器接口向传感器提供激励，其中激励电路包括电压激励电路、恒流激励电路和程控电压激励电路；

所述信号调理板，通过传感器接口接收传感器发送的信号并进行包括放大、滤波在内的调理，将调理后的信号发送给采集卡；

所述采集卡，包括多个并行的采集通道，每个采集通道设有独立AD转换器，将信号调理板发送的信号进行同步数字化处理后发送给上位机。

2.如权利要求1所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的主控板将上位机发送的指令通过SPI接口或DIO接口发送到激励接口板或信号调理板，再通过SPI、DIO回馈的设置结果通过串口发送回给上位机。

3.如权利要求1所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的主控板还通过扩展的CAN和/或RS485接口与扩展采集模块相连接，主控板将扩展采集模块所采集的信号实时反馈给上位机。

4.如权利要求1所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的激励电路包括24V限流电压激励电路、4mA恒流激励电路和0～10V的程控电压激励电路；其中，限流电压激励电路、恒流激励电路与传感器接口之间还设有选择继电器；

所述的程控电压激励电路包括基准电路、DA转换模块、放大器和反相器，基于基准电路提供的0～2.5V电压，主控板根据需要的电源通过SPI、DIO接口对DA转换模块发出设置指令，再通过固定倍数的放大器和反相器，完成0～±10V激励的输出。

5.如权利要求4所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的程控电压激励电路在输出激励时还向信号调理板发送激励反馈信号。

6.如权利要求1或4所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的信号调理板包括依次设置的：

功能选择模块，基于程控继电器的模拟开关对输入的电流/电压信号进行切换，其中电流支路与电压支路之间设有将电流信号转换为电压信号的采样电阻；

信号选择模块，基于程控继电器的模拟开关对包括检测信号、校准信号、激励反馈信号的支路进行切换；

信号放大模块，包括分别设有多级增益的前置放大器和二级放大器，基于程控继电器的模拟开关选择放大的增益倍数；

滤波选择模块，基于程控继电器的模拟开关对直通或滤波器的支路进行切换。

7.如权利要求6所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的信号调理板还包括设置在功能选择模块之前的耦合选择模块；基于程控继电器的模拟开关对输入直流/交流信号进行切换，其中交流支路上设有转换电容；

所述的信号放大模块中，前置放大器的增益范围为1-1000倍，10倍步进；二级放大器为适配量程的增益放大，增益范围为1-8倍，2倍步进；

所述的滤波选择模块中，滤波器采用3路4阶的低通滤波器以滤掉高频噪声和无用信号。

8.如权利要求6所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的主控板根据采集卡采集通道所对应的传感器接口接收的信号类型，分别对功能选择模块、信号选择模块、信号放大模块、滤波选择模块发出选择指令，由程控继电器完成功能选择。

9.如权利要求1所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，所述的电源模块包括电池、电源管理模块和电源转换模块，电池通过管理模块向上位机提供12V的电源电压，通过管理模块、电源转换模块提供3.3V、5V、15V和24V电源电压。

10.如权利要求1所述的多通道集成式传感器数据采集器，其特征在于，还将主控板、激励接口板、信号调理板、采集卡在上位机基础上进行以下集成：

所述的上位机是包括上位机主板和显示屏的笔记本式一体化机；

并在上位机主板的一侧设置主控板，在主控板下侧设置信号调理板和接口激励板电池，在接口激励板的旁侧设置电池，在上位机主板下方设置电源管理板和电源转换板。

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