CN112532245A - 一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块及方法，首先，通过多通道磁信号输入模块和磁/电信号转换模块将磁信号切分成多个通道信号和转换成电信号实现宽带输出，并利用电信号输出模块对微弱的电信号进行放大和滤波；再利用模数转换模块将多个通道的输出模拟信号转换成数字信号；利用信号采集存储模块和信号分析模块对多个通道进行信号分析与处理；最后，输出结果，实现基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集，本发明成本低，带宽高，测量通道多，测量精度高，维护方便，可应用于原子磁力仪、原子自旋陀螺仪等仪器中所采磁信号的高精密测量。
Description
技术领域
本发明涉及基于宽带模数转换的磁力仪、磁强计、陀螺仪等仪器中所采磁信号的采集和存储领域，尤其涉及数据量大、采集精度高的极弱磁测量，具体为一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块及方法。
背景技术
磁信号中包含了丰富的物理信息，通过磁场研究对基础物理学研究、计量基准、生命科学、脑科学、空间科学与地质科学等多个领域具有重要意义，磁信号的测量在雷达、通信、电子对抗等领域中都有大量应用。
磁信号采集模块是磁力仪、磁强计、陀螺仪等仪器的核心敏感模块。随着应用需求的提升，在磁信号的测量过程中，采集和处理的磁信号带宽越来越宽，磁信号采集的通道数量越来越多，对磁信号采集模块的速度、通道数和精度指标均提出了更高的要求。磁信号的精确采集模块作为系统前端，数据采集系统能否实现准确地采集数据，并根据分析结果及时进行相应的控制工作，直接影响着整个系统的性能。因此，提出一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块及方法具有重要的意义。
目前，磁信号采集模块受到模数转换器电子器件发展水平限制，模数转换芯片一般转换通道有限，采集多路数据需要多片模数转换芯片，磁信号采集模块设备体积大、能耗高，无法满足电子设备小型化、低功耗的要求，这对磁信号采集模块的通道数和速度指标提升造成很大的影响，降低磁信号采集精度，进而对磁信号测量精度的提高产生很大的影响。
发明内容
所解决的技术问题：针对上述问题，本发明提供了一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块及方法，具有成本低、带宽高、测量通道多、测量精度高，维护方便的优点。
技术方案如下：针对上述不足本发明提供了一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，包括多通道磁信号输入模块、磁/电信号转换模块、电信号输出模块、模数转换模块、信号采集存储模块、信号分析模块、结果输出/显示模块、以及供电模块；
所述的多通道磁信号输入模块包括：磁信号通道选择电路和磁信号输出通道；所述的磁信号通道选择电路包括磁信号切分电路和磁信号通道选择电路；所述的磁信号输出通道可将磁信号传输到磁/电信号转换模块；所述的磁信号切分电路可将单个磁信号切分成多个不同极化方向的磁信号；所述的磁信号通道选择电路通过控制通道的开关进行磁信号通道的选择；
所述的磁/电信号转换模块包括：磁信号接收电路和磁-电转换电路；所述的磁信号接收电路可将磁信号完整接收，并传输到磁-电转换电路中；所述的磁-电转换电路可将磁信号接受电路传输到的磁信号通过电磁感应转换成电信号，并将转换后的磁-电转换信号输出；
所述的电信号输出模块包括：磁-电转换信号接收电路及电信号滤波电路和通信电路；所述的磁-电转换信号接收电路包括电信号接收电路和电信号放大电路；所述的电信号接收电路可将磁/电信号转换模块输出的磁-电转换信号进行接收；所述的电信号放大电路将电信号接收电路接收的微弱的磁-电转换信号的电压幅值进行放大，放大至mV量级；所述的电信号滤波电路将放大后的电信号进行滤波，滤除干扰信号；所述的通信电路将多路经过电信号滤波电路的电信号进行排列和发送，实现宽带信号的发送输出；
所述的模数转换模块包括：多通道模拟信号切换控制电路及模数转换电路和精度模式选择控制电路；所述的多通道模拟信号切换控制电路通过控制不同通道的开关，实现控制不同通道模拟信号的切换功能；所述的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，采用高性能多通道32位模数转换芯片；所述的精度模式选择控制电路，通过控制反馈信号进行模数转换精度的选取和控制；
所述的信号采集存储模块利用串口通信电路将信号数据存储到信号存储电路中，利用安装串口通信调试软件的计算机开发软件进行编程传输信号数据到信号存储电路；
所述的信号分析模块包括：信号预处理模块及信号分析模块和反馈信号输出模块；所述的信号分析模块利用安装MATLAB的PC计算机进行软件编程实现信号的预处理及分析和反馈信号输出；所述的信号预处理模块将信号存储电路中的信号提取，并利用MATLAB编写好程序进行预先处理；所述的反馈信号输出模块利用预处理程序所得到的分析结果进行模数转换的反馈，将反馈信号输出给模数转换模块进行精度选择；
所述的结果输出/显示模块，利用MATLAB的软件编程实现数字信号的输出和显示；
所述的供电模块为多通道磁信号输入模块、模数转换模块、电信号放大电路和电信号滤波电路供电。
作为优选，所述的电信号放大电路将电信号接收电路接收的微弱的磁-电转换信号的电压幅值进行放大，放大至mV量级；所述的电信号滤波电路将放大后的电信号进行滤波，滤除干扰信号；所述的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，采用高性能多通道32位模数转换芯片；所述的通信电路将多路经过电信号滤波电路的电信号进行排列和发送，实现宽带信号的发送输出。
作为优选，所述的供电模块包括稳压电路和变压电路；所述变压电路将220V交流电压转换成电压为±12V的直流电压；所述稳压电路将转换后的±12V直流电压二次转换成±5V直流电压，再将±5V的直流电压转换成±2.5V直流电压；其中±12V直流电压为多通道磁信号输入模块供电；±5V直流电压为电信号放大电路和电信号滤波电路供电；±2.5V直流电压为模数转换模块供电。
作为优选，还包括两个开关；一个开关是供电模块开关，控制基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块的硬件开关；另一个为虚拟开关，位于MATLAB所编写程序的人机交互界面，控制合适开始建立通信并进行数据采集、预处理和分析。
作为优选，将多通道磁信号输入模块和磁/电信号转换模块放置于剩磁约为纳特斯拉（nT）量级的坡莫合金制成的磁屏蔽桶内。
本发明还提供了一种基于上述采集模块的采集方法，其包括以下步骤：
①打开供电模块和软件虚拟开关后模块硬件和软件进行初始化，然后系统判断各模块间是否已自主建立通信；
②各模块建立通信后进入模块预热程序，模块进行复位，复位完成后进入模块系统误差评估阶段；
③自主进入模块数据采集环节，模块数据采集完成后，系统提示是否进行此次数据存储，人机交互界面选择是否进行存储；
④自主进行数据分析与处理，并进行结果输出/显示。
有益效果：本发明采用单片模数转换芯片循环采集多路数据可同时兼顾各种问题，实现基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集，可应用于原子磁力仪、原子自旋陀螺仪等仪器中所采磁信号的高精密测量，成为一种切实有效的办法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的系统具体结构原理图；
图3为本发明的放大电路原理图；
图4为本发明的开关电路原理图；
图5为本发明的滤波电路原理图；
图6为本发明的模数转换电路原理图；
图7为本发明的通信电路原理图；
图8为本发明的系统硬件驱动流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，包括多通道磁信号输入模块、磁/电信号转换模块、电信号输出模块、模数转换模块、信号采集存储模块、信号分析模块、结果输出/显示模块、供电模块；
所述的多通道磁信号输入模块包括：磁信号通道选择电路和磁信号输出通道；所述的磁信号通道选择电路包括磁信号切分电路和磁信号通道选择电路；所述的磁信号输出通道可将磁信号传输到磁/电信号转换模块；所述的磁信号切分电路可将单个磁信号切分成多个不同极化方向的磁信号；所述的磁信号通道选择电路通过控制通道的开关进行磁信号通道的选择；
所述的磁/电信号转换模块包括：磁信号接收电路和磁-电转换电路；所述的磁信号接收电路可将磁信号完整接收，并传输到磁-电转换电路中；所述的磁-电转换电路可将磁信号接受电路传输到的磁信号通过电磁感应转换成电信号，并将转换后的磁-电转换信号输出；
所述的电信号输出模块包括：磁-电转换信号接收电路及电信号滤波电路和通信电路；所述的磁-电转换信号接收电路包括电信号接收电路和电信号放大电路；所述的电信号接收电路可将磁/电信号转换模块输出的磁-电转换信号进行接收；所述的电信号放大电路将电信号接收电路接收的微弱的磁-电转换信号的电压幅值进行放大，放大至mV量级；所述的电信号滤波电路将放大后的电信号进行滤波，滤除干扰信号；所述的通信电路将多路经过电信号滤波电路的电信号进行排列和发送，从而实现宽带信号的发送输出；
所述的模数转换模块包括：多通道模拟信号切换控制电路及模数转换电路和精度模式选择控制电路；所述的多通道模拟信号切换控制电路通过控制不同通道的开关，实现控制不同通道模拟信号的切换功能；所述的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，采用高性能多通道32位模数转换芯片；所述的精度模式选择控制电路，通过控制反馈信号进行模数转换精度的选取和控制；
所述的信号采集存储模块利用串口通信电路将信号数据存储到信号存储电路中，利用安装串口通信调试软件的计算机开发软件进行编程传输信号数据到信号存储电路；
所述的信号分析模块包括：信号预处理模块及信号分析模块和反馈信号输出模块；所述的信号分析模块利用安装MATLAB的PC计算机进行软件编程实现信号的预处理及分析和反馈信号输出；所述的信号预处理模块将信号存储电路中的信号提取，并利用MATLAB编写好程序进行预先处理；所述的反馈信号输出模块利用预处理程序所得到的分析结果进行模数转换的反馈，将反馈信号输出给模数转换模块进行精度选择；
所述的结果输出/显示模块，利用MATLAB的软件编程实现数字信号的输出和显示；
所述的供电模块为多通道磁信号输入模块、模数转换模块、电信号放大电路和电信号滤波电路供电。
所述的供电模块包括稳压电路和变压电路；所述变压电路将220V交流电压转换成电压为±12V的直流电压；所述稳压电路将转换后的±12V直流电压±5V直流电压，再将±5V的直流电压转换成±2.5V直流电压；其中±12V直流电压为多通道磁信号输入模块供电；±5V直流电压为电信号放大电路和电信号滤波电路供电；±2.5V直流电压为模数转换模块供电。
所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块还包括两个开关；一个开关是供电模块开关，控制基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块的硬件开关；另一个为虚拟开关，位于MATLAB所编写程序的人机交互界面，控制合适开始建立通信并进行数据采集、预处理和分析。
如图3所示，本发明的放大电路采用OPA820芯片和THS3091芯片，电路由两级OPA820芯片连接一级THS3091芯片组成，实现了5V电源供电的输入电信号放大，两组5倍放大和一组4倍放大的三级放大；
如图4所示，本发明的开关电路采用肖特基二极管及开关芯片，两肖特基二极管分别连接±12V电源和开关芯片，开关芯片连接模块各功能电路和电源，开关芯片外接LED指示灯，实现供电模块为多通道磁信号输入模块、模数转换模块、电信号放大电路和电信号滤波电路供电；
如图5所示，本发明的滤波电路使用AMS1117芯片和电容组进行滤波，所述的滤波电路连接放大电路和通信电路，实现放大后的电信号滤波，滤除干扰信号；
如图6所示，本发明的模数转换电路采用AD7177芯片和ADR445芯片，ADR445芯片连接电源和AD7177芯片，实现为AD7177供电；AD7177芯片连接通信电路和采集存储模块，实现模拟和数字信号调理和转换；
如图7所示，本发明的通信电路采用stm32f103c8t6芯片，所述的通信电路连接滤波电路及模数转换电路和采集存储模块，实现电信号进行排列和发送，从而实现宽带信号的发送输出；
如图8所示，具体使用本发明模块时，将该模块的多通道磁信号输入模块和磁/电信号转换模块放置于剩磁约为纳特斯拉（nT）量级的坡莫合金制成的磁屏蔽桶内；首先打开供电模块和软件虚拟开关后模块硬件和软件进行初始化；然后系统判断各模块间是否已自主建立通信，是则进入下一步，否则返回初始化；各模块建立通信后进入模块预热程序，模块进行复位，复位完成后进入模块系统误差评估阶段，通过则进入模块数据采集环节，否则返回初始化阶段；模块数据采集完成后，系统提示是否进行此次数据存储，人机交互界面选择是否进行存储，是则进入数据分析与处理阶段，否则返回模块复位；最后，数据经过分析与处理过程后进行结果输出/显示。
本发明说明书中未作详细阐述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，其特征在于：包括多通道磁信号输入模块、磁/电信号转换模块、电信号输出模块、模数转换模块、信号采集存储模块、信号分析模块、结果输出/显示模块、以及供电模块；
所述的多通道磁信号输入模块包括：磁信号通道选择电路和磁信号输出通道；所述的磁信号通道选择电路包括磁信号切分电路和磁信号通道选择电路；所述的磁信号输出通道可将磁信号传输到磁/电信号转换模块；所述的磁信号切分电路可将单个磁信号切分成多个不同极化方向的磁信号；所述的磁信号通道选择电路通过控制通道的开关进行磁信号通道的选择；
所述的磁/电信号转换模块包括：磁信号接收电路和磁-电转换电路；所述的磁信号接收电路可将磁信号完整接收，并传输到磁-电转换电路中；所述的磁-电转换电路可将磁信号接受电路传输到的磁信号通过电磁感应转换成电信号，并将转换后的磁-电转换信号输出；
所述的电信号输出模块包括：磁-电转换信号接收电路及电信号滤波电路和通信电路；所述的磁-电转换信号接收电路包括电信号接收电路和电信号放大电路；所述的电信号接收电路可将磁/电信号转换模块输出的磁-电转换信号进行接收；所述的电信号放大电路将电信号接收电路接收的微弱的磁-电转换信号的电压幅值进行放大，放大至mV量级；所述的电信号滤波电路将放大后的电信号进行滤波，滤除干扰信号；所述的通信电路将多路经过电信号滤波电路的电信号进行排列和发送，实现宽带信号的发送输出；
所述的模数转换模块包括：多通道模拟信号切换控制电路及模数转换电路和精度模式选择控制电路；所述的多通道模拟信号切换控制电路通过控制不同通道的开关，实现控制不同通道模拟信号的切换功能；所述的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，采用高性能多通道32位模数转换芯片；所述的精度模式选择控制电路，通过控制反馈信号进行模数转换精度的选取和控制；
所述的信号采集存储模块利用串口通信电路将信号数据存储到信号存储电路中，利用安装串口通信调试软件的计算机开发软件进行编程传输信号数据到信号存储电路；
所述的信号分析模块包括：信号预处理模块及信号分析模块和反馈信号输出模块；所述的信号分析模块利用安装MATLAB的PC计算机进行软件编程实现信号的预处理及分析和反馈信号输出；所述的信号预处理模块将信号存储电路中的信号提取，并利用MATLAB编写好程序进行预先处理；所述的反馈信号输出模块利用预处理程序所得到的分析结果进行模数转换的反馈，将反馈信号输出给模数转换模块进行精度选择；
所述的结果输出/显示模块，利用MATLAB的软件编程实现数字信号的输出和显示；
所述的供电模块为多通道磁信号输入模块、模数转换模块、电信号放大电路和电信号滤波电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，其特征在于：所述的电信号放大电路将电信号接收电路接收的微弱的磁-电转换信号的电压幅值进行放大，放大至mV量级；所述的电信号滤波电路将放大后的电信号进行滤波，滤除干扰信号；所述的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，采用高性能多通道32位模数转换芯片；所述的通信电路将多路经过电信号滤波电路的电信号进行排列和发送，实现宽带信号的发送输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，其特征在于：所述的供电模块包括稳压电路和变压电路；所述变压电路将220V交流电压转换成电压为±12V的直流电压；所述稳压电路将转换后的±12V直流电压二次转换成±5V直流电压，再将±5V的直流电压转换成±2.5V直流电压；其中±12V直流电压为多通道磁信号输入模块供电；±5V直流电压为电信号放大电路和电信号滤波电路供电；±2.5V直流电压为模数转换模块供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，其特征在于：包括两个开关；一个开关是供电模块开关，控制基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块的硬件开关；另一个为虚拟开关，位于MATLAB所编写程序的人机交互界面，控制合适开始建立通信并进行数据采集、预处理和分析。
5.根据权利要求1所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块，其特征在于：将多通道磁信号输入模块和磁/电信号转换模块放置于剩磁约为纳特斯拉（nT）量级的坡莫合金制成的磁屏蔽桶内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于宽带模数转换器件的多通道磁信号采集模块的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①打开供电模块和软件虚拟开关后模块硬件和软件进行初始化，然后系统判断各模块间是否已自主建立通信；
②各模块建立通信后进入模块预热程序，模块进行复位，复位完成后进入模块系统误差评估阶段；
③自主进入模块数据采集环节，模块数据采集完成后，系统提示是否进行此次数据存储，人机交互界面选择是否进行存储；
④自主进行数据分析与处理，并进行结果输出/显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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