CN112068459A - 智能多通道数据采集卡及采集方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能多通道数据采集卡，包括：多个数据采集单元，其用于采集模拟输入信号；多个载波发生器单元，用于生成载波信号；多个混频器单元，用于将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；加法器单元，用于将多个混频信号相加后得到合成信号；模数转换器单元，其与加法器单元连接用于将合成信号转换成数字信号。本发明还提供了智能多通道数据采集方法及系统。本发明的智能多通道数据采集卡，可将多通道的模拟输入信号经过一路模数转换单元即可转换成数字信号，且转换的数字信号经带通滤波器单元、解调器单元处理后信号依然保持了与模拟输入信号很高的相似度，和信号的保真度。

Description

智能多通道数据采集卡及采集方法、系统

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，更具体地，涉及一种智能多通道数据采集卡及采集方法、系统。

背景技术

数据采集系统是一种可以将模拟信号进行模数转换，生成数字信号并进行保存和处理的电子系统。作为一种连接模拟世界与数字世界的桥梁，数据采集系统是现代电子设备生产与测试中不可或缺的重要组成部分。一种最为常见的数据采集系统就是示波器。现代示波器已经可以实现几百兆甚至几千兆赫兹的带宽，用于采集从低频的声音信号到高频的雷达信号。然而，示波器的通道数一般只有两个或者四个，无法实现更多通道的实时数据采集。另一方面，现在市面上的多通道数据采集卡可以完成对多通道数据的实时采集(比如32通道，或者更多)，但其成本也会随着通道数的增加而迅速增加(32通道采集卡的市场价大概在20万元以上)，阻碍了其在更大范围和更多场景中的应用(比如预算有限的实验室和中小型公司)。

发明内容

本发明的目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种智能多通道数据采集卡，可将多通道的模拟输入信号转换成数字信号，且转换的数字信号经带通滤波器单元、解调器单元处理后信号依然保持了与模拟输入信号很高的相似度，和信号的保真度。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种智能多通道数据采集卡，包括：

多个数据采集单元，其用于采集模拟输入信号；

多个载波发生器单元，其与多个数据采集单元一一对应，所述载波发生器单元用于生成载波信号；

多个混频器单元，其与多个数据采集单元一一对应，每个混频器单元均与数据采集单元、载波发生器单元电连接，所述混频器单元用于将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

加法器单元，其分别与多个混频器单元电连接，所述加法器单元用于将多个混频信号相加后得到合成信号；

模数转换器单元，其与加法器单元连接用于将合成信号转换成数字信号。

优选的是，所述的智能多通道数据采集卡，还包括：

多个带通滤波器单元，其均与模数转换器单元电连接，多个带通滤波器单元与多个数据采集单元一一对应，带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号；

多个解调器单元，其与带通滤波器单元一一对应，所述解调器单元与带通滤波器单元电连接，所述解调器单元用于将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

优选的是，所述的智能多通道数据采集卡，数据采集单元至少为两个。

优选的是，所述的智能多通道数据采集卡，载波信号的频率至少为模拟输入信号频率的5倍。

优选的是，所述的智能多通道数据采集卡，任意两个载波信号频率的差值至少为模拟输入信号频率的5倍。

本发明还提供一种智能多通道数据采集方法，包括以下步骤：

S1、通过多个数据采集单元采集多个模拟输入信号；

S2、通过多个载波发生器单元生成与多个模拟输入信号对应的载波信号；

S3、通过混频器单元将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

S4、通过加法器单元将多个混频信号相加后得到合成信号；

S5、通过模数转换器单元将合成信号转换成数字信号，通过带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号，通过解调器单元将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

本发明还提供一种采用所述的智能多通道数据采集卡的智能数据采集系统。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的智能多通道数据采集卡，可将多通道的模拟输入信号转换成数字信号，且转换的数字信号经带通滤波器单元、解调器单元处理后信号依然保持了与模拟输入信号很高的相似度，信号的保真度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的智能多通道数据采集卡的结构示意图；

图2为本发明的四个模拟输入信号的波形图；

图3为本发明的合成信号的波形图；

图4为本发明的合成信号频谱分析图；

图5为本发明的数字信号经带通滤波器单元处理后得到的波形图；

图6为本发明的数字信号经解调器单元处理后得到的波形图。

具体实施方式

附图仅为图示性说明，不能理解为对本专利的限制。为了更好地说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际发明的性能效果。对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结果及其说明省略是可以理解的。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种智能多通道数据采集卡，包括：

多个数据采集单元，其用于采集模拟输入信号；

多个载波发生器单元，其与多个数据采集单元一一对应，所述载波发生器单元用于生成载波信号；

多个混频器单元，其与多个数据采集单元一一对应，每个混频器单元均与数据采集单元、载波发生器单元电连接，所述混频器单元用于将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

加法器单元，其分别与多个混频器单元电连接，所述加法器单元用于将多个混频信号相加后得到合成信号；

模数转换器单元，其与加法器单元连接用于将合成信号转换成数字信号。

所述的智能多通道数据采集卡，还包括：

多个带通滤波器单元，其均与模数转换器单元电连接，多个带通滤波器单元与多个数据采集单元一一对应，带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号；

多个解调器单元，其与带通滤波器单元一一对应，所述解调器单元与带通滤波器单元电连接，所述解调器单元用于将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

所述的智能多通道数据采集卡，数据采集单元至少为两个。

所述的智能多通道数据采集卡，载波信号的频率至少为模拟输入信号频率的5倍。

所述的智能多通道数据采集卡，任意两个载波信号频率的差值至少为模拟输入信号频率的5倍。

上述智能多通道数据采集方法，包括以下步骤：

S1、通过多个数据采集单元采集多个模拟输入信号；

S2、通过多个载波发生器单元生成与多个模拟输入信号对应的载波信号；

S3、通过混频器单元将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

S4、通过加法器单元将多个混频信号相加后得到合成信号；

S5、通过模数转换器单元将合成信号转换成数字信号，通过带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号，通过解调器单元将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

以下以四个数据采集单元，进一步说明本发明的数据采集方法的具体过程。

通过四个数据采集单元采集的模拟输入信号，其频率均为ω₀但幅值不同的正弦波，四个模拟输入信号Sig_1、Sig_2、Sig_3、Sig_4的表达如下：

Sig_1＝a₁cos(ω₀t)

Sig_2＝a₂cos(ω₀t)

Sig_3＝a₃cos(ω₀t)

Sig_4＝a₄cos(ω₀t)

四个载波发生器单元分别对应产生的载波信号分别为Ca_1、Ca_2、Ca_3、Ca_4，其表达为：

Ca_1＝cos(ω₁t)

Ca_2＝cos(ω₂t)

Ca_3＝cos(ω₃t)

Ca_4＝cos(ω₄t)其中：

ω_{1，2，3，4}＞＞ω₀,

ω₂-ω₁＝ω₃-ω₂＝ω₄-ω₃＞＞ω₀

即载波信号的频率远远大于模拟输入信号的频率，实际中载波信号的频率为模拟输入信号的频率的5倍以上，同时两个载波信号频率之间的差值也远远大于模拟输入信号的频率，实际中两个载波信号频率之间的差值为模拟输入信号的频率的5倍以上；通过混频器单元，将模拟输入信号、对应的载波信号相乘后得到混频信号Mod_1、Mod_2、Mod_3、Mod_4，其表达式为：

Mod_1＝Sig_1×Ca_1＝a₁cos(ω₀t)cos(ω₁t)

＝a₁[cos((ω₁+ω₀)t)+cos((ω₁-ω₀)t)]/2,

Mod_2＝Sig_2×Ca_2＝a₂cos(ω₀t)cos(ω₂t)

＝a₂[cos((ω₂+ω₀)t)+cos((ω₂-ω₀)t)]/2,

Mod_3＝Sig_1×Ca_3＝a₃cos(ω₀t)cos(ω₃t)

＝a₃[cos((ω₃+ω₀)t)+cos((ω₃-ω₀)t)]/2,

Mod_4＝Sig_4×Ca_4＝a₄cos(ω₀t)cos(ω₄t)

＝a₄[cos((ω₄+ω₀)t)+cos((ω₄-ω₀)t)]/2,

从上述可知，经过混频后的四个混频信号将四个模拟输入信号的中心频率分别搬移到了ω₁,ω₂,ω₃,ω₄的附近，实现了四个信号在频谱上的分离。通过加法器单元电路之后，可以得到合成后的合成信号：

ComSig＝Mod_1+Mod_2+Mod_3+Mod_4

通过模数转换器单元将合成信号转换成数字信号，需要注意的是，数模转换器的带宽要大于合成信号的带宽，且采样率要远大于合成信号的带宽(5倍以上)，以保证较好的信号保真度。然后通过带通滤波器单元、解调器单元获得与模拟输入信号波形相对应的数字信号，即将信号恢复。以上分析是基于对多个不同单频率的正弦信号进行处理，但实际中对带宽范围内的任意波形的输入信号都是可行的。这里的带宽可以认为就是满足载波信号的频率与模拟输入信号的频率之间关系的ω₀，比如载波频率是100 MHz，那带宽可为10MHz。

利用上述方法采集四个模拟输入信号分别为信号1、信号2、信号3、信号4其幅值分别为1、2、3、4V，频率分别为1、2、3、4MHz，四个模拟输入信号的波形图如图2所示，信号1、信号2、信号3、信号4分别对应图2中波形图a、b、c、d，然后将四个模拟输入信号分别与对应的载波信号相乘，载波信号的频率分别为100、150、200、250MHz，然后通过加法器单元得到合成信号，合成信号的波形图如图3所示，然后对合成信号做频谱分析，如图4所示，从图4中可知，有四个频率峰值，分别在100、150、200和250MHz附近，且这几个峰值之间在频率上分的很开(峰值和谷值的差别在160dB以上)，说明在带通滤波器单元和解调器单元信号处理中，可以很容易的将信号分别滤波取出。然后将合成信号通过模数转换器单元将合成信号转换成数字信号，将数字信号通过带通滤波器单元(中心频率分别在100，150，200，250MHz，带宽为10MHz)。这里我们选用的带通滤波器单元是切比雪夫I型滤波器，其他类型的滤波器也是可以的，滤波后得到与混频信号频率相同的数字信号，如图5所示，四个信号图分别与信号1、信号2、信号3、信号4对应，从图5中可以看出，经过带通滤波器单元滤波后包络的频率和幅值与模拟输入信号相同，说明带通滤波器有效的将四个载波频率区分开了。然后将获得的数字信号通过解调器单元解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号，在实际中解调器单元通过相干解调的方法解调，具体为：将经过带通滤波器单元滤波后的数字信号与对应的原载波信号进行相乘，然后进行低通滤波，即可得到与模拟输入信号波形相对应的数字信号，如图6所示，图6中波形图e、f、g、h分别对应重构信号1、重构信号2、重构信号3、重构信号4，即信号1经过通滤波器单元后、再经过解调器单元解调形成重构信号1，信号2经过通滤波器单元后、再经过解调器单元解调形成重构信号2，信号3经过通滤波器单元后、再经过解调器单元解调形成重构信号3，信号4经过通滤波器单元后、再经过解调器单元解调形成重构信号4，从图6中可以看出，经过解调器单元解调后的数字信号与模拟输入信号相比，图6中的信号幅值大约降低了一倍，这是由于通过带通滤波器和解调器信号能量有所损失。然而，这并不会影响信号的保真度，四个信号依然保持了与模拟输入信号很高的相似度，包括波形和相对幅值大小。

本发明还提供了一种智能数据采集系统，其采用所述的智能多通道数据采集卡，该系统可对采集到的数据实时的处理和分类(包括但不限于滤波，降噪，分类等)。该采集系统通过智能多通道数据采集卡采集到数据后，实时的传输给FPGA硬件系统，对信号进行智能的分析和处理。处理后的结果及时的反馈回数据采集系统，进而进一步的传输给用户界面。最后，在用户界面端，用户可以自定义的设置和调用FPGA上的算法资源，针对不同的应用(如滤波，降噪，分类等)，选择适合的配置来完成数据的处理，在计算资源充足的情况下，在FPGA上实现的算法可以包括所有的机器学习与深度学习算法，以及其他传统的信号处理算法。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (7)

1.智能多通道数据采集卡，其特征在于，包括：

多个数据采集单元，其用于采集模拟输入信号；

多个载波发生器单元，其与多个数据采集单元一一对应，所述载波发生器单元用于生成载波信号；

多个混频器单元，其与多个数据采集单元一一对应，每个混频器单元均与数据采集单元、载波发生器单元电连接，所述混频器单元用于将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

加法器单元，其分别与多个混频器单元电连接，所述加法器单元用于将多个混频信号相加后得到合成信号；

模数转换器单元，其与加法器单元连接用于将合成信号转换成数字信号。

2.如权利要求1所述的智能多通道数据采集卡，其特征在于，还包括：

多个带通滤波器单元，其均与模数转换器单元电连接，多个带通滤波器单元与多个数据采集单元一一对应，带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号；

多个解调器单元，其与带通滤波器单元一一对应，所述解调器单元与带通滤波器单元电连接，所述解调器单元用于将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

3.如权利要求1所述的智能多通道数据采集卡，其特征在于，数据采集单元至少为两个。

4.如权利要求1所述的智能多通道数据采集卡，其特征在于，载波信号的频率至少为模拟输入信号频率的5倍。

5.如权利要求1所述的智能数据采集卡，其特征在于，任意两个载波信号频率的差值至少为模拟输入信号频率的5倍。

6.智能多通道数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过多个数据采集单元采集多个模拟输入信号；

S2、通过多个载波发生器单元生成与多个模拟输入信号对应的载波信号；

S3、通过混频器单元将模拟输入信号、载波信号相乘后得到混频信号；

S4、通过加法器单元将多个混频信号相加后得到合成信号；

S5、通过模数转换器单元将合成信号转换成数字信号，通过带通滤波器单元用于获取与混频信号频率相同的数字信号，通过解调器单元将带通滤波器单元获得的数字信号解调出与模拟输入信号波形相对应的数字信号。

7.一种采用如权利要求1～5任一所述的智能多通道数据采集卡的智能数据采集系统。

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