CN112269340A - 一种多信号类型高精度采集卡 - Google Patents

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刘铭
杨林
钟波
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output

Abstract

本发明的一种多信号类型高精度采集卡，属于测控技术中的传感器信号处理技术领域，包括依次相接的采集模块、FPGA模块、缓存模块和USB输出模块，采集模块包括多路信号输入通道、调理模块和转换模块，其中多路信号输入通道用于输入多种类型的信号并将其送入调理模块，调理模块对多种类型的信号进行信号调理并将调理后的信号送入转换模块，转换模块将调理后的信号转换为数字信号并传入FPGA模块进行后续处理；本发明解决了传统采集卡采集信号类型单一，采集精度低，通用性以及便利性差的问题。

Description

一种多信号类型高精度采集卡
技术领域
本发明属于测控技术中的传感器信号处理技术领域，尤其涉及一种多信号类型高精度采集卡。
背景技术
采集卡主要是捕获外界光电、视频、温度、力等信号转换为模拟信号，将这些信号数字化导入计算机。根据使用环境的不同所侧重的参数由所不同，有的注重采集速度，有的注重测量精度，本项目中的采集卡主要用于工业、科研等对精度要求极高的环境。
在各种工业的测量应用中，涉及的信号类型较多，模拟的信号有电压信号、电流信号(比如4～20mA)、电阻信号(比如PT100、PT1000、应变片)等等，数字的信号有开关信号的输入、编码器和流量计等的PWM输入。目前的技术大多都是使用各种各样的调理器、变送器等将信号变成电压信号，再由采集卡进行采集数据进入计算机。
现有市面产品测量信号类型单一，要么是电压信号，要么是电流信号，要么测量电阻。不能一个设备一个端口全部采集。进口设备如NI的PXI采集系统价格昂贵，要进行一次综合测量需配置机箱、控制器和不同信号的不同采集卡。整套系统配置下来不仅成本高昂，而且体积大。而USB接口的采集卡多存在采样精度低，随温度漂移现象严重。且大多都测量电压信号，通用性不好。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种多信号类型高精度采集卡，旨在解决传统采集卡采集信号类型单一，采集精度低，通用性以及便利性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种多信号类型高精度采集卡，包括依次相接的采集模块、FPGA模块、缓存模块和USB输出模块，采集模块包括多路信号输入通道、调理模块和转换模块；
多路信号输入通道用于输入多种类型的信号并将其送入调理模块；
调理模块对多种类型的信号进行信号调理并将调理后的信号送入转换模块；
转换模块将调理后的信号转换为数字信号并传入FPGA模块进行处理，FPGA模块将处理后的信号传至缓存模块缓存，再由缓存模块将信号传至USB输出模块进行输出。
进一步的，多种类型的信号包括电压信号、电流信号、电阻信号以及桥式信号。
进一步的，多路信号输入通道包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关，第一运算放大器、第二运算放大器，其中第四开关和第五开关为单刀双掷开关；
第四开关的一不动端接一电流源，另一不动端接另一电流源，动端用于接电流激励+；
第二运算放大器的正输入端用于接信号+，并同时与第二开关的一端相接，第二开关的另一端接供电电压，第二运算放大器的负输入端分别接第一开关的一端、第三开关的一端和第五开关的动端，第二运算放大器的输出端作为多路信号输入通道的输出端，并与调理模块相接；
第五开关的一不动端用于接信号-，并同时与第一运算放大器的正输入端相接，另一不动端与第一运算放大器的输出端相接，第一运算放大器的负输入端用于接电流激励-，并同时接地；
第一开关的另一端依次通过第一电阻、第三电阻和第四电阻与电压源的一端相接，第一电阻和第三电阻的公共端接地，第三电阻和第四电阻的公共端与第三开关的另一端相接，电压源的一端用于接电压激励+，电压激励-接地。
进一步的，调理模块包括可变增益放大器和滤波器，可变增益放大器的正输入端与多路信号输入模块相接，负输入端接地，输出端与滤波器的输入端相接，滤波器的输出端与转换模块相接。
进一步的，转换模块包括模数转换器，模数转换器的输入端与调理模块相接，输出端与FPGA模块相接。
进一步的，还包括温度传感器，温度传感器与FPGA模块相接，用于采集环境温度参数并将其传送至FPGA模块。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的一种多信号类型高精度采集卡，其采集模块设置了多路信号输入通道，可以接收多种类型的信号，实现了一个设备一个端口对于多种信号的全部采集，并且每路信号通道的信号都经过调理模块调理以及转换模块进行模数转换，再由后续模块进行处理，大大提高了本采集卡的通用性和便利性。
2.采集卡上设置有温度传感器，可以将采集到的环境温度参数输送至FPGA模块，用于消除信号误差，提高本采集卡的采样精度，降低温度漂移现象的影响。
附图说明
图1是本发明一种多信号类型高精度采集卡的原理框图；
图2是本发明一种多信号类型高精度采集卡的实施例结构示意图；
图3是采集模块电路示意图；
附图中：S1-第一开关，S2-第二开关，S3-第三开关，S4-第四开关，S5-第五开关,u1-第一运算放大器，u2-第二运算放大器，u3-可变增益放大器，u4-滤波器，u5-模数转换器。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，一种多信号类型高精度采集卡，包括依次相接的采集模块、FPGA模块、缓存模块和USB输出模块，采集模块包括多路信号输入通道、调理模块和转换模块，采集模块从区域上划分为接线端子区和放大区；
其中，多路信号输入通道用于输入多种类型的信号并将其送入调理模块；调理模块对多种类型的信号进行信号调理并将调理后的信号送入转换模块；转换模块将调理后的信号转换为数字信号并传入FPGA模块进行处理，FPGA模块将处理后的信号传至缓存模块缓存，再由缓存模块将信号传至USB输出模块进行输出，调理模块和转换模块内设置与多路信号输入通道数量相同的器件，用于一路信号单独由一路器件进行调理和转换。对多种类型的信号进行调理包括信号转换(电流-电压，电阻-电压等)、信号放大(小信号放大，大信号缩小)、信号滤波(将高频噪声从信号中滤除)以适应转换模块采集。由于FPGA在进行同步数据采集时，瞬间数据量较大，所以在FPGA内部需要一个缓冲区先将数据缓冲至此，在下一帧数据来之前将已缓存数据发送至USB输出模块。
本采集卡所能够采集的多种类型的信号包括电压信号、电流信号、电阻信号以及桥式信号。
除此之外，如图3所示，本采集卡中的多路信号输入通道包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3S、第四开关S4、第五开关S5，第一运算放大器u1、第二运算放大器u2，其中第四开关S4和第五开关S5为单刀双掷开关；
第四开关S4的一不动端接一电流源，另一不动端接另一电流源，动端用于接电流激励+；
第二运算放大器u2的正输入端用于接信号+，并同时与第二开关S2的一端相接，第二开关S2的另一端接供电电压，第二运算放大器u2的负输入端分别接第一开关S1的一端、第三开关S3的一端和第五开关S5的动端，第二运算放大器u2的输出端作为多路信号输入通道的输出端，并与调理模块相接；
第五开关S5的一不动端用于接信号-，并同时与第一运算放大器u1的正输入端相接，另一不动端与第一运算放大器u1的输出端相接，第一运算放大器u1的负输入端用于接电流激励-，并同时接地；
第一开关S1的另一端依次通过第一电阻R1、第三电阻R3和第四电阻R4与电压源的一端相接，第一电阻R1和第三电阻R3的公共端接地，第三电阻R3和第四电阻R4的公共端与第三开关S3的另一端相接，电压源的一端用于接电压激励+，电压激励-接地。
该多路信号输入通道的电路在实际应用时，对于不同信号的处理方式如下：
1.电压信号：信号接在信号+和信号-两个端子上，S1、S2和S3全部断开，S5拨至信号-的一端，所述信号经由第二运算放大器直接放大后输送至调理模块进行处理。
2.电流信号：S1闭合，电流流经S1下端的第一电阻R1,转换为电压信号，该第一电阻R1的电阻值一般配置为25欧姆。
3.电阻信号：通过切换S4选择电流源，接线时将电流激励+和电流激励-和电阻相连，并将电流激励+和信号+、电流激励-和信号-连接在一起，这样电阻信号就转变成了电压信号进行采集。
4.桥式信号：使用电压源对外部电桥进行激励，S1断开，S3闭合，S3下端有两个由10K电阻组成的桥臂，只需在外面接入另一个桥臂就组成了一个全桥测量电路。
另外，调理模块包括可变增益放大器和滤波器，可变增益放大器的正输入端与多路信号输入模块相接，负输入端接地，输出端与滤波器的输入端相接，滤波器的输出端与转换模块相接。转换模块包括模数转换器，模数转换器的输入端与调理模块相接，输出端与FPGA模块相接。
并且，本采集卡还包括温度传感器，温度传感器与FPGA模块相接，用于采集环境温度参数并将其传送至FPGA模块。板载一个CJC温度传感器，可以对环境温度的变化进行采集，并根据环境温度的变化辅以不同的修正方法，使本采集卡的精度基本不受温度影响。
实施例1
如图2所示，本采集卡包括8个信号输入单元、8个信号调理单元和8个AD转换器，每组信号输入单元、信号调理单元和AD转换器构成一个信号通道，FPGA通过8通道控制接口控制8个信号输入单元，并且FPGA还通过USB高速控制器控制USB输出，板载温度传感器，并且使温度传感器与FPGA相接，将环境温度参数传至FPGA用以修正温度漂移。设置两个50芯接线柱，一个与输入端元相接用于接收信号，另一个用于外接其他设备，缓存模块采用SRAM和EEPROM。
本采集卡在实际应用时，信号在50芯接线桩上接好后经过必要的保护，然后进入本系统的采集模块，该采集模块负责将各种类型的信号调理为电压信号，并且可自主的根据信号的幅度和频率配置放大倍数和滤波频率，然后进行AD采集。本采集卡设置8个信号通道，每个通道配置完整的信号输入、信号调理、信号采集模块，可以在FPGA的统一协调下进行同步采集、按序列采集等不同的采集方式，再经由后续的缓存模块以及USB模块进行信号输出。
本采集卡还将数字部分和模拟部分完全隔离，模拟部分使用了隔离电源供电，隔离电源由USB提供5V电压，数字部分的输入有4路数组输入、4路数字输出、2路编码器、两路定时器/计数器、4路高精度PWM等，使用标准USB口和计算机连接。

Claims (6)

1.一种多信号类型高精度采集卡，包括依次相接的采集模块、FPGA模块、缓存模块和USB输出模块，其特征在于：所述采集模块包括多路信号输入通道、调理模块和转换模块；
所述多路信号输入通道用于输入多种类型的信号并将其送入调理模块；
所述调理模块用于对所述多种类型的信号进行信号调理并将调理后的信号送入转换模块；
所述转换模块用于将所述调理后的信号转换为数字信号并传入所述FPGA模块进行处理，FPGA模块将处理后的信号传至缓存模块缓存，再由缓存模块将信号传至USB输出模块进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种多信号类型高精度采集卡，其特征在于：所述多种类型的信号包括电压信号、电流信号、电阻信号以及桥式信号。
3.根据权利要求2所述的一种多信号类型高精度采集卡，其特征在于：所述多路信号输入通道包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关，第一运算放大器、第二运算放大器，所述第四开关和第五开关为单刀双掷开关；
所述第四开关的一不动端接一电流源，另一不动端接另一电流源，动端用于接电流激励+；
所述第二运算放大器的正输入端用于接信号+，并同时与第二开关的一端相接，所述第二开关的另一端接供电电压，第二运算放大器的负输入端分别接所述第一开关的一端、第三开关的一端和第五开关的动端，第二运算放大器的输出端作为所述多路信号输入通道的输出端，并与所述调理模块相接；
所述第五开关的一不动端用于接信号-，并同时与所述第一运算放大器的正输入端相接，另一不动端与所述第一运算放大器的输出端相接，所述第一运算放大器的负输入端用于接电流激励-，并同时接地；
所述第一开关的另一端依次通过第一电阻、第三电阻和第四电阻与电压源的一端相接，所述第一电阻和第三电阻的公共端接地，所述第三电阻和第四电阻的公共端与所述第三开关的另一端相接，所述电压源的一端用于接电压激励+，电压激励-接地。
4.根据权利要求1所述的一种多信号类型高精度采集卡，其特征在于：所述调理模块包括可变增益放大器和滤波器，所述可变增益放大器的正输入端与所述多路信号输入模块相接，负输入端接地，输出端与所述滤波器的输入端相接，滤波器的输出端与所述转换模块相接。
5.根据权利要求1所述的一种多信号类型高精度采集卡，其特征在于：所述转换模块包括模数转换器，所述模数转换器的输入端与所述调理模块相接，输出端与所述FPGA模块相接。
6.根据权利要求1所述的一种多信号类型高精度采集卡，其特征在于：还包括温度传感器，所述温度传感器与所述FPGA模块相接，用于采集环境温度参数并将其传送至FPGA模块。
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