CN113092686A - 一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，属于气体传感器信号采样领域，其包括控制电路子系统、测试回路子系统和电源子系统，控制电路子系统包括控制终端、中控芯片和复用芯片，控制终端与中控芯片通过数据线连接，复用芯片与中控芯片连接，测试回路子系统包括二级控制电路、多单元气体传感器阵列测试腔室和数据采集模块，二级控制电路连接复用芯片和多单元气体传感器阵列测试腔室，数据采集模块连接控制终端和多单元气体传感器阵列，电源子系统连通控制电路子系统。本发明的复杂信号采样系统设计合理，易操作，功能齐全，能同时高精度测量多个气体传感器的信号。

Description

一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统

技术领域

本发明属于气体传感器信号采样领域，更具体地，涉及一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统。

背景技术

气体检测的需求在工厂的流程检测、居住环境的气氛检测、城市的大气监测以及实验室中的气体实验中与日俱增。由于单个的气体传感器在气体的检测精度、检测范围上比由多个传感器组成的传感器阵列相对较差，因此在具体的实际应用中，可以检测复杂气氛的多阵列气体传感器有更为广泛的应用。

传统的气体传感器采样电路通常采用分压法、电桥法和频率法等方法进行传感器信号采样，并将采样得到的数据通过数模转换电路转换成数字信号进行处理。分压法、频率法等传统的信号采样方法电路结构简单、易于设计，但多单元气体传感器阵列在环境中产生的信号具有成分复杂、范围宽、受环境影响波动大等特点，使用传统的信号采样方法无法准确地对这类信号进行处理。

因此，需要开发一种新型适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，以解决现有技术的以上缺陷。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，通过模块化设计、分级电路设计和多通道测试和切换设计，旨在解决现有技术中对于多单元气体传感器采样存在的成分复杂、范围宽、受环境影响波动大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其包括控制电路子系统、测试回路子系统和电源子系统，其中，控制电路子系统包括控制终端、中控芯片和复用芯片，控制终端与中控芯片间数据联接，以接受来自控制终端发出的采集通道切换指令，复用芯片与中控芯片连接，用于接收中控芯片发出的多路径通断切换信号，测试回路子系统包括二级控制电路、多单元气体传感器阵列测试腔室和数据采集模块，二级控制电路连接复用芯片和多单元气体传感器阵列测试腔室，二级控制电路用于受复用芯片控制而切换测试设置在多单元气体传感器阵列测试腔室的多个气体传感器单元，数据采集模块连接控制终端和多单元气体传感器阵列，以能接受来自控制终端发送的单次或者多次采集指令并执行对应的采集操作，电源子系统连通控制电路子系统，用于提供工作所需电能。

以上发明构思中，中控芯片和复用芯片共同组成一级控制电路。

进一步的，所述控制终端还用于向外界显示当前采集的经过计算处理的多个气体传感器单元的电流或者电压信号数据。

进一步的，所述控制电路子系统还包括稳压电路模块，稳压电路模块一端连接电源子系统，一端连接中控芯片和复用芯片，用于将电源子系统供电进行整流、滤波或/和升降压操作，以保证中控芯片和复用芯片获得的供电电位、供电稳定性和供电噪声信号满足要求。

进一步的，二级控制电路包括多路继电器或射频开关，多路继电器或射频连接复用芯片，多路继电器或射频开关同时设置在数据采集模块和多个气体传感器单元之间，用作导线，工作时，在复用芯片在接受到中控芯片发出的多路径通断切换信号时，通过多路继电器或射频开关实现多路径通断切换。

进一步的，多单元气体传感器阵列测试腔室适用于TO封装的气体传感器阵列、MEMS气体传感器阵列、CMOS气体传感器阵列。

进一步的，数据采集模块选用下列的一种或者多种：数字原表、皮安表、数据采集卡、数模转换模块。

进一步的，多单元气体传感器阵列测试腔室容置2～10个气体传感器单元。

进一步的，电源子系统选自下面的一种或者多种：直流稳压电压源、锂电池和干电池。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的适用于多单元气体传感器阵列的复杂信号采样系统通过所述测试回路系统中的数据采集模块对不同类型的气体传感器阵列所产生的信号进行采样，通过控制终端计算出对应数据，所述数据采集模块的检测精度决定了所述采样系统的精度上限，避免了传统采样方法的准确采样范围小的缺点。传统简单电路的分压法、电流法等往往受参考电阻的精度影响，准确检测的范围较小。本发明系统根据采用的数据采集模块性能不同，能够测试的范围精度不同，数据采集模块的检测精度决定了所述采样系统的采样精度上限，实现了采样精度可控制，更能适应采样范围大的多气体传感器采样。

测试回路系统中的二级控制电路可以消除中控芯片和复用芯片对测试回路系统的影响，减小干扰。一级控制电路中中控芯片和复用芯片会相互影响，导致如果复用芯片参与测试回路会受到电源模块或中控芯片的影响，导致测试信号不稳定不准确，因此设置了二级控制模块。二级控制模块在测试回路中仅作为导线存在。由于多路继电器或射频开关本身的隔离度高，一级控制电路不会对测试回路产生影响，其他路径也不会对正在测试的路径产生影响，因此有减小干扰的功能。

由上综合可知，本发明的复杂信号采样系统设计合理，易操作，功能齐全，能同时高精度测量多个气体传感器的信号。

附图说明

图1是本发明实施例中的适用于多单元气体传感器阵列的复杂信号采样系统的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种适用于多单元气体传感器阵列的复杂信号采样系统，包括控制电路子系统、测试回路子系统和电源子系统，所述控制电路子系统包括一台控制终端、中控芯片和复用芯片，其中，中控芯片和复用芯片组成一级控制电路，控制终端和中控芯片通过数据线连接，复用芯片的多路径通断切换由中控芯片发出的信号控制。测试回路系统包括二次控制电路、多单元气体传感器阵列测试腔室和数据采集模块，通过二次控制电路切换测试多通路的复杂信号。多通路的复杂信号表示多个单元传感器的范围大、变化程度大以及变化速度快的电压或电流信号，这是单个气体传感器测试中所不会出现的，多个单元传感器正是由于数据的测试范围大，数据变化程度大或者数据波动程度大，数据的变化速度快，存在信号采样复杂多变的现象。控制终端的一个功能是向测试回路中的数据采集模块发送单次或多次的采集指令，这是为了让数据采集模块进行采集操作，此外，还向中控芯片发送通道切换指令，以使数据采集模块采集到正确路径上的传感器信号，还用于向用户展示当前采集到的经过处理的信号数据或者计算结果。所述电源系统为电路提供所需特定电压。

其中，所述控制电路系统中，一级控制电路可以包括稳压电路模块，所述电源子系统供电电压可通过所述稳压电路模块进行电压转换，用于对电源子系统所提供的电压与一级控制电路所需电压不相符时对供电进行整流、滤波以及升压降压等操作，例如电源子系统的电位、稳定性、噪声信号不满足一级控制电路要求时，需要进行以上操作。

测试回路子系统中，二级控制电路可以包括多路继电器或射频开关，受所述控制电路子系统中的复用芯片控制切换。多路继电器或射频开关是受复用芯片控制的多路开关，其开关两端分别连接数据采集模块和多单元气体传感器，在回路中仅用作导线。多单元气体传感器阵列测试腔室可以适用于TO封装的气体传感器阵列、MEMS气体传感器阵列、CMOS气体传感器阵列。数据采集模板可以包含数字原表、皮安表、数据采集卡、数模转换模块。控制终端能够通过端口向数据采集模块发送指令及接受数据，同时也能向中控芯片发送指令完成测试通道切换的操作。

图1是本发明实施例中的适用于多单元气体传感器阵列的复杂信号采样系统的整体结构示意图，参照图1所示，多单元气体传感器阵列的复杂信号采样系统包括控制电路系统、测试回路系统和电源系统301。具体的，控制电路系统包括控制终端101和一级控制电路。所述一级控制电路包括中控芯片102(也即图中的MCU)和复用芯片104(也是图中的MUX)及其正常工作所需的其他电子元件，可以包括稳压电路模块103。优选地，中控芯片102通过串口连接线与控制终端端口101电连接，中控芯片102的一些接口与复用芯片104的一端电连接。稳压电路模块103与所述电源模块301电连接，另一端与中控芯片102、复用芯片104电连接进行供电。

作为一种举例说明，所述中控芯片102采用STM32单片机；所述复用芯片104采用MUX1608多路复用芯片；所述稳压电路模块103采用TP5400或者AMS1117芯片。

作为一种举例说明，所述测试回路包括数据采集模块201、二级控制电路202、多单元气体传感器测试腔室203。数据采集模块201以通信线方式与所述控制电路系统中的控制终端101连接；二级控制电路202与一级控制电路中的复用芯片104电连接，受其控制。优选地，数据采集模块分别通过直接电连接的方式与二级控制电路202和多单元气体传感器测试腔室203相连。二级控制电路也与多单元气体传感器腔室直接电连接。所测试的多单元气体传感器阵列以电固定、可拆卸的方式放置在多单元气体传感器测试腔室203中。

作为一种举例说明，所述数据采集模块201为数字原表、皮安表、数据采集卡、数模转换模块中的一种或者组合。所述二级控制电路202为通道转换电路、多通道继电器模块或多通道射频开关。多单元气体传感器测试腔室203可适用于TO封装的气体传感器阵列、MEMS气体传感器阵列、CMOS气体传感器阵列。所述电源系统301为直流稳压电压源、锂电池、干电池。

在本发明的又一个实施例中，控制终端包括按键模块、指令模块、数据通信模块、数据处理模块和显示模块。用户通过使用按键模块控制指令模块向数据采集模块201和一级控制电路中的中控芯片102发送控制及通信指令；指令模块控制数据通信、数据处理模块和显示模块综合完成数据通信处理及显示操作。

本发明系统的工作过程如下：在信号采样系统正确连接后，打开电源开关给系统供电，随后打开数据采集模块的电源开关进行初始化，之后上位机模块，根据上位机模块中的提示选择测试项目、保持默认参数或进行测试参数设置、以及点击开始测试按键使整个系统进入测试状态。比如，测试回路系统中多单元气体传感器阵列测试腔室内同时设置了四个传感器，分别定为1号、2号、3号和4号传感器，其工作过程为：将四个传感器按正确的接口接入测试腔体后，封闭腔体防止气体逸散进而使得气体浓度变化，采样系统开始工作时，1号传感器接入测试回路，其他传感器不接入测试回路。采样系统进行对1号传感器进行采样后，二级控制电路(多路继电器等)受控进行路径切换操作，此时2号传感器接入测试回路，其他传感器不接入测试回路，再次进行测试。循环进行以上步骤，所述采样系统即可对四个传感器进行循环采样。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，其包括控制电路子系统、测试回路子系统和电源子系统，其中，

控制电路子系统包括控制终端、中控芯片和复用芯片，控制终端与中控芯片间数据联结，以接受来自控制终端发出的采集通道切换指令，复用芯片与中控芯片连接，用于接收中控芯片发出的多路径通断切换信号，

测试回路子系统包括二级控制电路、多单元气体传感器阵列测试腔室和数据采集模块，二级控制电路连接复用芯片和多单元气体传感器阵列测试腔室，二级控制电路用于受复用芯片控制而切换测试设置在多单元气体传感器阵列测试腔室的多个气体传感器单元，数据采集模块连接控制终端和多单元气体传感器阵列，以能接受来自控制终端发送的单次或者多次采集指令并执行对应的采集操作，

电源子系统连通控制电路子系统，用于提供工作所需电能。

2.如权利要求1所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，所述控制终端还用于向外界显示当前采集的经过计算处理的多个气体传感器单元的电流或者电压信号数据。

3.如权利要求1或2所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，所述控制电路子系统还包括稳压电路模块，稳压电路模块一端连接电源子系统，一端连接中控芯片和复用芯片，用于将电源子系统供电进行整流、滤波或/和升降压操作，以保证中控芯片和复用芯片获得的供电电位、供电稳定性和供电噪声信号满足要求。

4.如权利要求1-3之一所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，二级控制电路包括多路继电器或射频开关，多路继电器或射频连接复用芯片，多路继电器或射频开关同时设置在数据采集模块和多个气体传感器单元之间，用作导线，工作时，在复用芯片在接受到中控芯片发出的多路径通断切换信号时，通过多路继电器或射频开关实现多路径通断切换。

5.如权利要求1-4之一所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，多单元气体传感器阵列测试腔室适用于TO封装的气体传感器阵列、MEMS气体传感器阵列、CMOS气体传感器阵列。

6.如权利要求1-5之一所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，数据采集模块选用下列的一种或者多种：数字原表、皮安表、数据采集卡、数模转换模块。

7.如权利要求6所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，多单元气体传感器阵列测试腔室容置2～10个气体传感器单元。

8.如权利要求1所述的一种适用于多单元气体传感器阵列的信号采样系统，其特征在于，电源子系统选自下面的一种或者多种：直流稳压电压源、锂电池和干电池。

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