CN113485190B - 一种多通道数据采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据采集技术领域，公开了一种多通道数据采集系统及采集方法。首先通过权衡采样率、采集通道以及成本和体积的关系，选取合适的多路模拟开关级数和模数转换芯片路数来构建一个多通道数据采集结构，可实现利用较少模数转换芯片对较多通道进行采集的方法。同时使用一种快速方便的多通道快速切换方法，对多通道快速切换或选通指定通道。然后使用流水多通道采集方法，提高了时间利用率和多通道采样率。利用此多通道智能化采集方法，可快速设计一种多通道采集系统。

Description

一种多通道数据采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，具体涉及一种多通道数据采集系统及采集方法，适用于大面积、多方向的多通道信号的快速采集。

背景技术

在现代的科研、生产中，出现了许多数据多通道采集的应用场景，例如激光采集器、探测器、传感器等。与单点单通道采集系统不同，多通道采集系统往往需要对大面积，多方向的信号同时进行采集，这就相对于单通道或者少量通道采集需要更复杂的系统，才能对多通道信号进行精确快速的采集。仅仅通过简单的单通道采集系统的累加实现多通道采集往往需要较高的成本和较大的体积。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多通道采集系统及采集方法，可使用较低成本和较小面积，快速构建多通道采集系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种多通道数据采集系统，包括：多路模拟开关和多路模数转换芯片，多路模拟开关的级数为n，所述模数转换芯片的总路数为m，n、m为大于1的整数；每一级的多路模拟开关输入不同输入信号，通过多路模拟开关在不同级上的切换进行通道选择，对输入数据进行采集；每一级的多路模拟开关的输出端接下一级多路模拟开关的输入端，最后一级多路模拟开关的输出端与多路模数转换芯片一一对应连接。

进一步地，所述多路模拟开关的最大输入路数为C，第n级每一个多路模拟开关的输入为Cn，n＝1,2…,n，Cn≤C；则每一路模数转换芯片能够实现的采集路数N'为：

N'＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn；

进一步，m路模数转换芯片能够实现的采集路数N为：

N＝N'×m＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn×m；

而多路模拟开关的最大输入路数为C，能够实现的最大采样路数为：

N_max(n)＝Cⁿ×m；

则多通道最大采样率为:

其中，t为多路模拟开关通道间切换时间，t'为模数转换芯片的转换时间；

因此，采集系统在确定模数转换芯片的路数m、多路模拟开关的级数n以及每一级的每一个多路模拟开关的输入路数C1、C2、C3…Cn时，满足下列不等式：

其中，N_max(n-1)＝C^n-1×m。

进一步地，多路模数转换芯片与FPGA连接，FPGA驱动模数转换芯片进行数据采集。

进一步地，通过最小等待时间来满足n级模拟开关导通时间n×t和模数转换芯片的转换时间t'，最小等待时间取n×t和t'中的最大值；通过改变等待时间T，改变多通道采样率F，两者的关系为：

(二)一种多通道数据采集方法，包括以下步骤：

输入采集触发指令，进入切换开关状态；

采用多通道快速切换方式选通每个多路模拟开关的连通级，同时进入等待时间状态；

在等待时间状态，模数转换芯片将采集的模拟信号转换为数字信号，同时进行下一次模拟开关的通路切换，并进入下一次的等待时间状态；

读取当前模数转换芯片转换后的数字信号，并进行下一次的模数转换和数据读取；如此循环完成流水式多通道数据采集；

其中，多路模拟开关通道的导通时间和模数转换芯片的转换时间之和不小于等待时间。

进一步地，所述采用多通道快速切换方式选通每个多路模拟开关的连通级，具体为：确认各级多路模拟开关的地址公式，结合加一计数器实现多通道的快速切换；具体过程为：

设每一级的MUX地址为4位二进制数，当选通某一个通道时，n级MUX每一级的MUX的地址；

设需要选通的通道为第k个通道，第n级的选通地址对应的十进制数为：

其中，

表示向上取整；1≤k≤N'，且为整数，N'为每一路模数转换芯片能够实现的采集路数；

第n-1级的选通地址对应的十进制数为：

其中，％表示取余操作；

第n-2级的选通地址对应的十进制数为：

依次类推，即可递推出每一级MUX对应的4位地址的十进制数；再将十进制的地址转化为二进制地址赋值给MUX即可。

当需要从第一个通道到最后一个通道选通一遍时，采取一个计数器，将计数器的值赋给上述公式中的k，将k的值从1计数到通道总数N'即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种模数转换芯片加多级多路模拟开关的多路数据采集系统，该系统可实现利用较少模数转换芯片对较多通道进行采集，大大降低了多路采集系统的成本和体积。

(2)本发明通过一种快速多通道切换方法，利用加一计数器和各级模拟多路开关的地址切换公式，实现了多通道或者指定通道的快速切换。

(3)本发明通过流水线操作实现模数转换芯片数据转换方法，提高了时间利用率。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的一种多通道数据采集系统框图；

图2是本发明的多通道数据采集方法的流水状态图；

图3是本发明本发明的多通道数据采集方法的流水式采集流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1

参照图1，为本发明提供的一种多通道数据采集系统，包括：多路模拟开关和多路模数转换芯片，多路模拟开关的级数为n，所述模数转换芯片的总路数为m，n、m为大于1的整数；每一级的多路模拟开关输入不同输入信号，通过多路模拟开关在不同级上的切换进行通道选择，对输入数据进行采集；每一级的多路模拟开关的输出端接下一级多路模拟开关的输入端，最后一级多路模拟开关的输出端与多路模数转换芯片一一对应连接。

多路模数转换芯片后接FPGA，设FPGA一共驱动m路模数转换芯片，每一路模数转换芯片接的多路模拟开关的级数为n。选取多路模拟开关最大输入路数为C，每一级的多路模拟开关输出接下一级多路模拟开关的输入；第一级每一个多路模拟开关输入为C1(C1≤C)，第二级每一个多路模拟开关输入为C2(C2≤C)，第n级每一个多路模拟开关的输入为Cn(Cn≤C)。

所述多通道数据采集系统包括模数转换芯片、多级多路模拟开关。该采集系统每一路模数转换可以实现的采集路数N'为：

N'＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn；

FPGA一共驱动m路模数转换芯片可实现的采集路数N为：

N＝N'×m＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn×m；

多路模拟开关的最大输入路数为C，可以实现最大采样路数为：

N_max(n)＝Cⁿ×m；

多通道采样率和多个因素有关，多路模拟开关级数n，多路模拟开关通道间切换时间t，并行模数转换芯片的路数m，模数转换芯片的转换时间t'等因素有关，通过这些因素可以得到该系统的多通道最大采样率，多通道最大采样率F_max为:

从公式可以看出，当模数转换芯片所需的转换时间大于n级模拟开关所需要的导通时间时，则系统的多通道最大采样率由模数转换芯片的速度决定。相反，如果模数芯片的转换时间小于n级模拟开关所需的导通时间，则系统的多通道最大采样率由模拟开关的导通时间决定。因此，在评估系统采样率的时候需要主要考虑两种因素，n级模拟开关的导通时间和模数转换芯片的转换速度，需要满足F_max大于等于所需采样率。

这里提出一个概念：最小等待时间，该时间是从发出某一个通道的选通指令到切换发出另一个通道的选通需要等待的最小时间，最小等待时间公式为：

需要通过最小等待时间来满足n级模拟开关导通时间n×t，以及模数转换芯片的转换时间t'，最小等待时间取两个时间的最大值从而满足要求。

同时，可以通过改变等待时间T，改变多通道采样率F，最小等待时间T_min决定了多通道采样率最大值F_max，若想降低多通道采样率可通过改变图3中的等待时间T(T≥T_min)，可得到想要的采样率F：

因此，在选取m、n、C1、C2、C3…Cn时需要考虑多通道采样率和采样通道数，需要满足下列不等式组。

本发明通过权衡采样率、采集通道以及成本和体积的关系，选取合适的多路模拟开关级数和模数转换芯片路数，可实现利用较少模数转换芯片对较多通道数据进行采集。

实施例2

参考图2和图3，一种多通道数据采集方法，包括以下步骤：

输入采集触发指令，进入切换开关状态；

采用多通道快速切换方式选通每个多路模拟开关的连通级，同时进入等待时间状态；

在等待时间状态，模数转换芯片将采集的模拟信号转换为数字信号，同时进行下一次模拟开关的通路切换，并进入下一次的等待时间状态；

多路模拟开关级数为n，多路模拟开关通道间切换时间为t，并行模数转换芯片的路数为m，模数转换芯片的转换时间为t。则最小等待时间T_min为

读取当前模数转换芯片转换后的数字信号，并进行下一次的模数转换和数据读取；如此循环完成流水式多通道数据采集；

其中，多路模拟开关通道的导通时间和模数转换芯片的转换时间之和不小于等待时间。

通道快速切换方法为：根据多通道采集系统确认各级多路模拟开关的地址公式，结合加一计数器对多通道的快速切换；

这里提出一个快速选通每一个通道的方法，每一级的MUX地址为4位二进制数，通过计算得到当选通某一个通道的时候，n级MUX每一级的MUX的地址。

假设需要选通的通道为第k个通道，第n级的选通地址对应的十进制数为：

第n-1级的选通地址对应的十进制数为：

第n-2级的选通地址对应的十进制数为：

按照此规律递推下去即可递推出来每一级MUX对应的4位地址的十进制数，直到递推出第1级MUX选通地址对应的十进制数；然后将十进制的地址转化为二进制地址赋值给MUX。

当需要从第一个通道到最后一个通道选通一遍时，只需要采取一个计数器，将计数器的值赋给k，将k的值从1计数到通道总数N'即可。

本发明采用状态机进行流水多通道采集，切换多路模拟开关，控制模数转换芯片进行转换采用流水线的方式，利用等待时间T和AD转换时间的重叠，减小串行方式的时间，提高了时间利用率。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种多通道数据采集系统，其特征在于，包括：多路模拟开关和多路模数转换芯片，多路模拟开关的级数为n，所述模数转换芯片的总路数为m，n、m为大于1的整数；每一级的多路模拟开关输入不同输入信号，通过多路模拟开关在不同级上的切换进行通道选择，对输入数据进行采集；每一级的多路模拟开关的输出端接下一级多路模拟开关的输入端，最后一级多路模拟开关的输出端与多路模数转换芯片一一对应连接；

所述多路模拟开关的最大输入路数为C，第n级每一个多路模拟开关的输入为Cn，Cn≤C；则每一路模数转换芯片能够实现的采集路数N'为：

N’＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn；

进一步，m路模数转换芯片能够实现的采集路数N为：

N＝N’×m＝C1×C2×C3×...×Cn-1×Cn×m；

而多路模拟开关的最大输入路数为C，能够实现的最大采样路数为：

N_max(n)＝Cⁿ×m；

则多通道最大采样率为:

其中，t为多路模拟开关通道间切换时间，t'为模数转换芯片的转换时间；

因此，采集系统在确定模数转换芯片的路数m、多路模拟开关的级数n以及每一级的每一个多路模拟开关的输入路数C1、C2、C3…Cn时，满足下列不等式：

其中，N_max(n-1)＝C^n-1×m。

2.根据权利要求1所述的多通道数据采集系统，其特征在于，多路模数转换芯片与FPGA连接，FPGA驱动模数转换芯片进行数据采集。

3.根据权利要求1所述的多通道数据采集系统，其特征在于，通过最小等待时间来满足n级模拟开关导通时间n×t和模数转换芯片的转换时间t'，最小等待时间取n×t和t'中的最大值；通过改变等待时间T，改变多通道采样率F，两者的关系为：

4.一种多通道数据采集方法，其特征在于，包括：

输入采集触发指令，进入切换开关状态；

采用多通道快速切换方式选通每个多路模拟开关的连通级，同时进入等待时间状态；

所述采用多通道快速切换方式选通每个多路模拟开关的连通级，具体为：确认各级多路模拟开关的地址公式，结合加一计数器实现多通道的快速切换；具体过程为：

设每一级的MUX地址为4位二进制数，当选通某一个通道时，n级MUX每一级的MUX的地址；

设需要选通的通道为第k个通道，第n级的选通地址对应的十进制数为：

其中，

表示向上取整；1≤k≤N'，且为整数；N'为每一路模数转换芯片能够实现的采集路数；C1为第一级的多路模拟开关的输入路数；Cn为第n级的多路模拟开关的输入路数；

第n-1级的选通地址对应的十进制数为：

其中，％表示取余操作；

第n-2级的选通地址对应的十进制数为：

依次类推，即可递推出每一级MUX对应的4位地址的十进制数；再将十进制的地址转化为二进制地址赋值给MUX即可；

当需要从第一个通道到最后一个通道选通一遍时，采取一个计数器，将计数器的值赋给上述公式中的k，将k的值从1计数到通道总数N'即可；

在等待时间状态，模数转换芯片将采集的模拟信号转换为数字信号，同时进行下一次模拟开关的通路切换，并进入下一次的等待时间状态；

读取当前模数转换芯片转换后的数字信号，并进行下一次的模数转换和数据读取；如此循环完成流水式多通道数据采集；

其中，多路模拟开关通道的导通时间和模数转换芯片的转换时间之和不小于等待时间。

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