CN112698094B - 一种多通道多采集模式高速采集系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道多采集模式高速采集系统和方法，该系统包括数据采集模块、FPGA驱动处理模块和LabVIEW上位机；通过该系统可以在一台仪器上实现同时采集最多十六个通道的高精度数据，同时可以通过FPGA对采集到的数据进行快速傅里叶变换，实现对采集数据频谱信息的监测，并且可以通过FPGA与上位机互联，实现实时显示和保存采集数据的功能，采集数据的速率可通过上位机进行灵活控制；以上这些特点可以满足同时高速采集多个通道模拟信号并且实时监测采集信号频谱信息的要求，可广泛用于对细胞电信号的采集以及阻抗信号分析的采集等的相关领域。

Description

一种多通道多采集模式高速采集系统和方法
技术领域
本发明涉及一种数据采集技术，具体涉及一种多通道多采集模式高速采集系统和方法。
背景技术
传感技术的发展使得对于某一信号的检测得到了实现，如细胞电信号，阻抗分析，光谱测量等，也开发了采集这些电信号的采集卡以及采集手段。目前，现有的采集系统只能对于单个通道进行高速采集或对于多个通道进行低速的循环采集，这成为阻碍同时精确测量多个高速信号的瓶颈。此外，对于采集信号的频谱信息的分析，现时的采集技术更多依赖于后期的数据处理与分析，无法应用于实时检测细胞快速生理变化等实时监测频谱信息的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，开发了基于LabVIEW的上位机软件与基于FPGA和模数转换芯片实现的多通道多采集模式高速采集系统，实现了可以高速并行采集、显示和保存最多十六个通道的电压信号，由上位机可以控制采集系统的采集速率，由FPGA可以对一部分采集到的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到采集数据的频谱图，从而监测采集数据的频谱信息，有利于实现采集系统的通用性，有利于对于同时高速采集到多组有效的高精度数据，并能监测采集数据的频谱信息。
本发明所采用技术方案是：
一种多通道多采集模式高速采集系统，包括数据采集模块、FPGA驱动处理模块和LabVIEW上位机；
所述数据采集模块包括电源模块、并排信号输入口、模数转换模块和FMC交互模块；所述电源模块用于为模数转换模块提供所需的稳定的电源；所述并排信号输入口作为采集信号的输入，直接与模数转换模块的输入端相连，对于一般的信号，可以直接用并排信号输入口进行采集信号输入，对于高频信号需要采用SMA信号输入口；所述模数转换模块由多路单端转差分电路和模数转换电路组成，采集信号输入直接与单端转差分电路输入端相连，单端转差分电路的输出端的差分信号连接到模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端与FMC交互模块相连；所述FMC交互模块用于数据采集模块和FPGA驱动处理模块互联，进行数据交互。
所述单独转差分电路由单端转差分芯片和用于消除电路中的高频噪声的去耦电容组成。单端信号施加于ADA4932的正输入端，为使得两个输入端保持平衡和对称，与正输入端等效的戴维南阻抗和端阻抗需要添加到反相输入端，从而实现最低失真。参考基准电压Vocm由模数转换电路提供，去耦电容需要紧密布置在单独转差分芯片附近。其中采集信号幅值在-2V～2V之间，采集频率最高每个通道可达1MSPS，去耦电容容值在0.1pF～10pF之间，单端转差分芯片的型号可采用ADA4932，但不限于此。
所述FPGA驱动处理模块包括FPGA主控模块和网络通信模块；所述FPGA主控模块包括晶振、FPGA，晶振为FPGA提供工作时钟，FPGA通过PLL锁相环产生各种所需要的时钟，再通过FPGA片上资源数字电路产生各种所需要的脉冲信号，用于驱动数据采集模块，得到并采集数据采集模块输出结果，还可以利用FPGA强大的并行处理能力，将一部分数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到采集数据的频谱图，监测采集数据的频谱信息；所述网络通信模块用于FPGA驱动处理模块与LabVIEW上位机互联，FPGA驱动处理模块通过控制网络通信模块将采集到的数据和采集数据的频谱信息通过TCP/IP协议传输到LabVIEW上位机。
所述LabVIEW上位机用于控制采集系统的采集速率，可以实时显示和保存采集系统采集到的数据和采集数据的频谱信息。
进一步地，电源模块包括依次连接的正负5V线性稳压芯片、3.3V、2.5V线性稳压芯片。
进一步地，所述数据采集模块还包括SMA信号输入口。
进一步地，FMC交互模块采用LVDS接口，电平为2.5V。
本发明还提供了一种多通道多采集模式高速采集方法，包括如下步骤：
S01：将要采集的信号通过SMA信号接入口或并排信号输入口接入到系统当中。
S02：给数据采集模块中的电源模块提供所需要的电压值，使得数据采集模块处于正常工作状态。
S03：启动LabVIEW上位机设置控制采集系统的采集速率，持续采集信号。
S04：采集到的数据和采集数据的频谱信息可以持续在LabVIEW上位机中实时显示，并且可以通过LabVIEW上位机保存采集到的数据。
进一步地，所述步骤S03中可以设置采集系统的采集速率，默认采集速率可选10KSPS、100KSPS或1MSPS，但不限于此，各个通道采样速率最高可达1MSPS，采集幅值范围为-2V～2V，采集数据的精度为16位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以在一台仪器上实现可以高速并行采集、显示和保存最多十六个通道的信号的功能，避免了只有单个通道的采集记录功能或多个通道采集记录却采集的速率过低的弊端，并且采集速率可以通过上位机进行控制，有利于实现采集系统的通用性，有利于对于同时高速采集到多组有效的高精度数据并对采集到的数据进一步处理分析。此外，还可以通过FPGA可以对一部分采集到的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到采集数据的频谱图，有利于监测采集数据的频谱信息。以上这些优点和功能可以满足同时高速采集最多十六个通道的高精度的信号并且监测采集信号的频谱信息的要求，可广泛用于对细胞电信号的采集以及阻抗信号分析的采集等的相关领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施例子对本发明做进一步描述：
图1是本发明多通道多采集模式高速采集系统的整体结构示意图；
图2是本发明多通道多采集模式高速采集系统的原理框图；
图3是本发明多通道多采集模式高速采集系统的LabVIEW软件的工作界面；
图4是本发明多通道多采集模式高速采集系统的工作流程图；
图5是本发明多通道多采集模式高速采集系统的单端转差分电路图；
图6是本发明多通道多采集模式高速采集系统的监测频谱信息LabVIEW显示工作界面；
图中，电源模块1、模数转换模块2、SMA信号输入口3、并排信号输入口4、FMC交互模块5、FPGA主控模块6、LabVIEW上位机7、网线8、网络通信模块9。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清晰明了，下面通过结合一个具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、2所示，一种多通道多采集模式高速采集系统，包括数据采集模块、FPGA驱动处理模块和LabVIEW上位机7；
所述数据采集模块包括电源模块1、SMA信号输入口3、并排信号输入口4、模数转换模块2和FMC交互模块5；所述电源模块1用于为模数转换模块2提供所需的稳定的电源，电源模块1包括依次连接的正负5V线性稳压芯片、3.3V、2.5V线性稳压芯片；所述SMA信号输入口3和并排信号输入口4都可以作为采集信号的输入，直接与模数转换模块2的输入端相连，对于一般的信号，可以直接用并排信号输入口4进行采集信号输入，对于高频信号需要采用SMA信号输入口3；所述模数转换模块2由多路单端转差分电路和模数转换电路组成，采集信号输入直接与单端转差分电路输入端相连，单端转差分电路的输出端的差分信号连接到模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端与FMC交互模块5相连；所述FMC交互模块5用于数据采集模块和FPGA驱动处理模块互联，进行数据交互，采用LVDS接口，电平为2.5V。
如图5所示，所述单独转差分电路由单端转差分芯片和用于消除电路中的高频噪声的去耦电容组成。单端信号施加于ADA4932的正输入端，为使得两个输入端保持平衡和对称，与正输入端等效的戴维南阻抗和端阻抗需要添加到反相输入端，从而实现最低失真。参考基准电压Vocm由模数转换电路提供，去耦电容需要紧密布置在单独转差分芯片附近。其中采集信号幅值在-2V～2V之间，采集频率最高每个通道可达1MSPS，去耦电容容值在0.1pF～10pF之间，单端转差分芯片的型号可采用ADA4932，但不限于此。
所述FPGA驱动处理模块包括FMC交互模块5、FPGA主控模块6和网络通信模块9；所述FMC交互模块5用于FPGA驱动处理模块和数据采集模块互联，进行数据交互，采用LVDS接口，电平为2.5V；所述FPGA主控模块6包括晶振、FPGA，晶振为FPGA提供工作时钟，FPGA通过PLL锁相环产生各种所需要的时钟，再通过FPGA片上资源数字电路产生各种所需要的脉冲信号，用于驱动数据采集模块，得到并采集数据采集模块输出结果，还可以利用FPGA强大的并行处理能力，将一部分数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到采集数据的频谱图，监测采集数据的频谱信息；所述网络通信模块9用于FPGA驱动处理模块与LabVIEW上位机7互联，FPGA驱动处理模块通过控制网络通信模块9将采集到的数据和采集数据的频谱信息通过TCP/IP协议传输到LabVIEW上位机7。
所述LabVIEW上位机7用于控制采集系统的采集速率，可以实时显示和保存采集系统采集到的数据和采集数据的频谱信息。
作为优选方案，所述系统还包括一金属屏蔽盒，用于降低外界对内部电路的干扰。另外，LabVIEW上位机7包括控制采集数据速率模块和采集数据持续监测模块；控制采集数据速率模块可以控制采集系统的采集数据速率，采集速率可调，默认采集速率可选10KSPS、100KSPS或1MSPS，但不限于此，采集数据持续监测模块用于持续显示采集数据随测试时间的变化曲线，同时显示采集数据的频谱信息，也可以将其保存下来，以便后面进行进一步的数据处理。
另外，单端转差分电路优选为十六路，采集信号输入口也为十六路，能实现同时高速采集最多十六个通道的高精度的信号。
整个系统的电信号传输过程为：
采集速率设定由LabVIEW上位机7通过网络通信模块9控制FPGA驱动处理模块设置。然后FPGA产生驱动数据采集模块所需的各种脉冲信号，通过FMC交互模块5传输到数据采集模块中。要采集的十六个通道的信号通过SMA信号输入口3或并排信号输入口4进入到多路单独转差分电路中，单端转差分电路将要采集的信号转化为差分信号，然后传输到模数转换电路中，由模数转换电路转换为数字信号，通过FMC交互模块5传输到FPGA驱动处理模块。FPGA驱动处理模块将接收到的数字信号和采集数据的频谱信息经网络通信模块9和网线8通过TCP/IP协议传输到LabVIEW上位机上中进行处理。
所述多通道多采集模式高速采集方法，其工作流程如图4所示，具体包括如下步骤：
S01：将要采集的信号通过SMA信号接入口3或并排信号输入口4接入到系统当中。
S02：给数据采集模块中的电源模块1提供所需要的电压值，使得数据采集模块处于正常工作状态。
S03：启动LabVIEW上位机7设置控制采集系统的采集速率，持续采集信号。
S04：采集到的数据和采集数据的频谱信息可以持续在LabVIEW上位机7中实时显示，并且可以通过LabVIEW上位机7保存采集到的数据，其结果如图3所示，其监测频谱信息功能如图6所示。
本发明可以在一台仪器上实现可以高速并行采集、显示和保存最多十六个通道的信号的功能，避免了只有单个通道的采集记录功能或多个通道采集记录却采集的速率过低的弊端，并且采集速率可以通过上位机进行控制，有利于实现采集系统的通用性，有利于对于同时高速采集到多组有效的高精度数据并对采集到的数据进一步处理分析。此外，还可以通过FPGA可以对一部分采集到的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到采集数据的频谱图，有利于监测采集数据的频谱信息。以上这些优点和功能可以满足同时高速采集最多十六个通道的高精度的信号并且监测采集信号的频谱信息的要求，可广泛用于对细胞电信号的采集以及阻抗信号分析的采集等的相关领域。

Claims (4)

1.一种细胞电信号及阻抗信号的多通道多采集模式高速采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：将要采集的细胞电信号及阻抗信号通过SMA信号输入口（3）或并排信号输入口（4）接入到多通道多采集模式高速采集系统当中；所述多通道多采集模式高速采集系统包括数据采集模块、FMC交互模块（5）、FPGA驱动处理模块和LabVIEW上位机（7）；
所述数据采集模块包括电源模块（1）、SMA信号输入口（3）、多个并排信号输入口（4）、模数转换模块（2）；所述电源模块（1）用于为模数转换模块（2）提供所需的稳定的电源，所述并排信号输入口（4）和SMA信号输入口（3）用于采集信号，所述模数转换模块（2）由多路单端转差分电路和模数转换电路组成，SMA信号输入口（3）和并排信号输入口（4）直接与单端转差分电路输入端一一相连，单端转差分电路的输出端的差分信号连接到模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端与FMC交互模块（5）相连；所述FMC交互模块（5）用于数据采集模块和FPGA驱动处理模块互联，进行数据交互；
所述单端转差分电路由单端转差分芯片和用于消除电路中的高频噪声的去耦电容组成；其中，SMA信号输入口（3）和并排信号输入口（4）与单端转差分芯片的正输入端相连，与正输入端等效的戴维南阻抗和端阻抗添加到反相输入端；参考基准电压Vocm由模数转换电路提供，其中采集信号幅值在-2V~2V之间，采集频率最高每个通道可达1MSPS，去耦电容容值在0.1pF~10pF之间；
所述FPGA驱动处理模块包括FPGA主控模块（6）和网络通信模块（9）；所述FPGA主控模块（6）包括晶振、FPGA，晶振为FPGA提供工作时钟，FPGA通过PLL锁相环产生各种所需要的时钟，再通过FPGA片上资源数字电路产生各种所需要的脉冲信号，用于驱动数据采集模块，得到并采集数据采集模块的输出结果，同时将一部分数据进行快速傅里叶变换（FFT），得到采集数据的频谱图；所述网络通信模块（9）用于FPGA驱动处理模块与LabVIEW上位机（7）互联，FPGA主控模块（6）采集到的数据和采集数据的频谱信息通过TCP/IP协议传输到LabVIEW上位机（7）；
所述LabVIEW上位机（7）用于控制采集系统的采集速率，可以实时显示和保存FPGA主控模块（6）采集到的数据和采集数据的频谱信息；
S02：给数据采集模块中的电源模块（1）提供所需要的电压值，使得数据采集模块处于正常工作状态；
S03：启动LabVIEW上位机（7）设置控制采集系统的采集速率，持续采集信号；
S04：采集到的细胞电信号和阻抗信号的频谱信息可以持续在LabVIEW上位机（7）中实时显示，并且可以通过LabVIEW上位机（7）保存采集到的数据。
2.根据权利要求1所述多通道多采集模式高速采集方法，其特征在于，电源模块（1）包括依次连接的正负5V线性稳压芯片、3.3V、2.5V线性稳压芯片。
3.根据权利要求1所述多通道多采集模式高速采集方法，其特征在于，FMC交互模块（5）采用LVDS接口，电平为2.5V。
4.根据权利要求1所述多通道多采集模式高速采集方法，其特征在于，所述LabVIEW上位机（7）包括控制采集数据速率模块和采集数据持续监测模块；控制采集数据速率模块可以控制采集系统的采集数据速率，采集速率可选10KSPS、100KSPS或1MSPS，采集数据持续监测模块用于持续显示采集数据随测试时间的变化曲线，同时显示采集数据的频谱信息并保存。
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