CN202230142U - 便携式集成电荷放大测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式集成电荷放大测量仪，包括触摸液晶显示屏连接ARM9嵌入式处理器，ARM9处理器内有U盘存储接口、网络接口和SDHC卡接口；ARM9处理器通过ASB总线连接处理器通信接口并通过AVALON总线连接SDHC卡管理器、NIOS处理器和采集控制逻辑电路；采集控制逻辑电路连接带电荷放大调理功能的信号采集单元，电荷放大调理控制单元分别连接SDHC卡管理器和带电荷放大调理功能的信号采集单元，带电荷放大调理功能的信号采集单元连接电荷传感器。本实用新型测量仪高度集成、结构紧凑，使得现场实施和设备维护工作极大的减少。同时，采用智能嵌入式处理器，完成对整个系统进行控制、测试结果的自动换算等工作，无需人工干预，提高了系统的易操作性和可靠性。

Description

便携式集成电荷放大测量仪

技术领域

本实用新型属于电子测量检测装置设计制造领域，尤其属于对电荷信号的测量、记录和分析测量检测装置，特别涉及对加速度、冲击波等电荷信号进行测量检测的便携式集成电荷放大测量仪。

背景技术

压电加速度传感器、压电式压力计等电荷输出传感器，广泛的应用于现代工业与科研的各个领域。它们输出电荷信号，都需要通过电荷放大模块进行调理后，才能完成采集、记录。

电荷放大模块将压电式传感器产生的电荷输出转换成比例的电压。电荷放大器主要由一个高开环增益和电容负反馈组成。它依赖于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或面结型场效应晶体管(JFET)作为输入来获得高绝缘电阻和泄漏电流最小化。如果开环增益足够高，电缆和传感器电容可以忽略不计，输出电压只由电荷放大器输入和量程电容决定。

电荷放大器可看成是积分器，它总是以大小相等、极向相反的电荷补偿传感器产生的电荷。通过电容的电压同传感器产生的电荷和被测量成正比。实际上，电荷放大器是将输入的电荷Q转换为可处理的成比例输出电压Uo。

除此之外，电荷放大模块还包括适调级、低通滤波器、高通滤波器、程控放大、增益补偿，系统调零等功能模块。

目前，国内外的测控系统，绝大多数还是采用的信号调理、设备控制与数据采集之间多个功能模块分离实现的方案。这种方案类似于搭积木的方式，各个功能模块采用独立的设备实现，实现各功能的设备可能是一个厂家提供，也可能是多个厂家提供。这种方式，虽然有着较大的灵活性，但是在系统实施过程中，无法避免布线工程量大、各设备间接口难以统一以及由此带来的系统整体可靠性和稳定性差等弊端，也成为测控系统长期工作的一大隐患。虽然业内已经逐渐认识到分离设备组成的测控系统带来的这些不足，但是，目前纵观市场，特别是国内市场，还鲜有高可靠的集成式测控产品推出。究其原因，其一，国内厂家对该项主要是测控系统涉及的技术范围较广，从信号调理、工业现场控制、数据采集、计算机接口技术，到专业测控软件、虚拟仪器技术等诸多方面。目前，国内大多数设备厂家都在某一个或者两个方面进行研究，能够提供完整技术解决方案的厂家并不多。能解决这一问题的产品，往往体积非常庞大。在很多测量点不固定的应用场合，需要测试人员来回搬动设备，非常不方便，影响工作效率。

发明内容

本实用新型根据现有技术的不足公开了一种便携式集成电荷放大测量仪，本实用新型要解决的问题是提供一种“便携式、智能化、集成式的电荷信号测量”解决方案——便携式集成电荷放大测量仪。

本实用新型通过以下技术方案实现：

便携式集成电荷放大测量仪，包括触摸液晶显示屏、ARM9嵌入式处理器、处理器通信接口、SDHC卡存储管理器、SDHC卡、NIOS嵌入式处理器内核、采集控制逻辑电路、电荷放大调理控制单元、带电荷放大调理功能的信号采集单元和电荷传感器；

触摸液晶显示屏连接ARM9嵌入式处理器，ARM9嵌入式处理器内有U盘存储接口、网络接口和SDHC卡读数接口，U盘存储接口用于连接导出数据的外接U盘；

ARM9嵌入式处理器通过ASB总线连接处理器通信接口，处理器通信接口通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器、NIOS嵌入式处理器内核和采集控制逻辑电路；

采集控制逻辑电路连接带电荷放大调理功能的信号采集单元，电荷放大调理控制单元分别连接SDHC卡存储管理器和带电荷放大调理功能的信号采集单元，SDHC卡存储管理器连接SDHC卡，带电荷放大调理功能的信号采集单元连接电荷传感器。

进一步所述带电荷放大调理功能的信号采集单元包括电荷-电压适调单元、程控放大单元、带通滤波单元、增益补偿单元和系统调零单元。

本实用新型的仪器具有以下优点：(一)可应用于动静态应变信号测试，(二)更好的便携性和操作便利性。(三)具备超大容量存储能力。(四)具备强大的实时处理能力与高可靠性。(五)先进的数据通信接口。(六)可以应用于专业化的软件支持和二次开发。

本实用新型测量仪高度集成、结构紧凑，使得现场实施和设备维护工作极大的减少。同时，采用智能嵌入式处理器，完成对整个系统进行控制、测试结果的自动换算等工作，无需人工干预，提高了系统的易操作性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型原理框图；

图2是本实用新型带电荷放大调理功能的信号采集单元构成原理框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式和附图对本实用新型进一步说明。实施例用于说明本实用新型，不以任何方式限制本实用新型。

结合图1，如图所示，便携式集成电荷放大测量仪，包括触摸液晶显示屏1、ARM9嵌入式处理器2、处理器通信接口7、SDHC卡存储管理器8、SDHC卡9、NIOS嵌入式处理器内核10、采集控制逻辑电路11、电荷放大调理控制单元12、带电荷放大调理功能的信号采集单元13和电荷传感器14；

触摸液晶显示屏1连接ARM9嵌入式处理器2，ARM9嵌入式处理器2内有U盘存储接口3、网络接口5和SDHC卡读数接口6，U盘存储接口3连接用于导出数据的外接U盘4；

ARM9嵌入式处理器2通过ASB总线连接处理器通信接口7，处理器通信接口7通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器8，NIOS嵌入式处理器内核10和采集控制逻辑电路11；

采集控制逻辑电路11连接带电荷放大调理功能的信号采集单元13，电荷放大调理控制单元12分别连接SDHC卡存储管理器8和带电荷放大调理功能的信号采集单元13，SDHC卡存储管理器8连接SDHC卡9，带电荷放大调理功能的信号采集单元13连接电荷传感器14。

结合图2，如图所示，带电荷放大调理功能的信号采集单元13包括电荷-电压适调单元、程控放大单元、带通滤波单元、增益补偿单元和系统调零单元。电荷-电压适调单元进行电压转化控制，程控放大单元进行程控放大控制，带通滤波单元进行带通滤波控制，增益补偿单元进行增益补偿控制，系统调零单元进行系统调零控制。电荷放大调理控制单元12分别控制带电荷放大调理功能的信号采集单元13之中的电荷-电压适调单元、程控放大单元、带通滤波单元、增益补偿单元、系统调零单元，完成一系列的信号调理工作，最后将调理完毕的待测信号进行数据采集、记录。

下面对上述技术方案目的、要点做进一步说明：

一、目的：

首先，针对目前现场测控系统中存在的系统组成复杂、现场工程量大、设备维护难度高、系统稳定性与可靠性较差等问题，我们提供一种“便携式、智能式、集成式的电荷信号测量”解决方案——便携式集成电荷放大测量仪。该新型设备高度集成、结构简单，使得现场实施和设备维护工作极大的减少。

其次，更好的便携性和操作便利性。触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。相比以往的操作方式，触摸屏具有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，本实用新型是国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。该技术的采用，极大的简化了仪器的使用，即使是对此类专用仪器一无所知的人，也能进行操作，解决了传统仪器设备所无法解决的问题。

再者，具备超大容量存储能力。本实用新型采用最新的SDHC卡作为存储介质，其容量最大支持32GB，段数支持最多2048段，单段的存储容量和总段数等指标都远领先于国内外其他同类产品。而且，采用该存储器，数据在电源切断的情况下，可以仍然完好保存而不丢失。

还具备强大的实时处理能力与高可靠性。传统的仪器设备，通常只有一个处理器作为整个设备的控制核心。这样的单处理器系统，由于嵌入式处理器的处理能力有限，在执行多任务操作的时候，其实时性还无法满足要求，尤其是在对SD卡数据的存储速度上，目前尚无任何嵌入式处理器能达到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能达到的存储速度。本实用新型采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作。同时，嵌入式处理器系统的设计均采用了硬件看门狗与软件看门狗结合的设计，及时软件跑飞，设备也能自动恢复正常工作状态，使得系统的可靠性得到很大的提高。

先进的数据通信接口。目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，本实用新型采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。进而，通过INTERNET，可以在世界的任何一个地方对其进行有效的控制，真正的做到物联世界。物联网的提出，也使得支持LAN接口的新型智能振动监测仪在未来发展中，有着更广阔的应用前景。

本实用新型可以实现专业化的软件支持。设备内置嵌入式系统，专业化的应变测量分析软件，可在测试现场方便的进行采集参数设置、波形显示以及数据分析处理，实现真正的脱机工作。同时，仪器可与计算机联机，使用基于计算机的专用软件或根据配套提供的二次开发程序接口，完成各种专业软件的开发应用。

二、发明要点：

集成式应变调理设计。

将电荷信号的调理单元、设备控制单元与数据采集单元均集成在一个很小的机箱中，避免了传统测控系统中布线工程量大、稳定性和可靠性差等问题。由设备内部的总线连接，代替了传统测控系统中多个设备之间的电缆连接，使得整个测控系统稳定、可靠。

触摸式彩色液晶界面

在当今嵌入式处理器的应用中，以ARM9系列最为常用。ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。其主要特点如下：

(1)32bit定点RISC处理器，改进型ARM/Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时(real-time)调试；

(2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调；

(3)片内指令和数据高速缓冲器(cache)容量从4K字节到1M字节；

(4)设置保护单元(protcction unit)，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护；

(5)采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；

(6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；

(7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST(built-in-self-test)；

(8)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

ARM9的新特性能够满足各种新需求的同时减少产品研发时间并降低研发费用。

本实用新型采用了ARM9内核嵌入式处理器，实现了触摸式彩色液晶界面的功能，使其成为国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。

超大容量存储

SDHC是″Secure Digital High Capacity“的缩写，即“高容量SD存储卡”。相比SD卡，SDHC最大得到特点就是高容量(2GB-32GB)。作为SD卡的继任者，SDHC主要特征在于文件格式从以前的FAT12、FAT16提升到了FAT32，而且最高支持32GB。同时传输速度被重新定义为Class2(2MB/sec)、Class4(4MB/sec)、Class6(6MB/sec)等级别，高速的SD卡可以支持高分辨视频录制的实时存储。

本实用新型采用符合SD2.0标准的SDHC卡，满足了测量仪对存储介质高速度、大容量的要求。因此，我们积极的采用了该技术，使得本实用新型测量仪在目前国内外同类产品中，拥有最大的存储容量。

双嵌入式处理系统设计

传统的仪器设备，通常只有一个处理器作为整个设备的控制核心。这样的单处理器系统，其设计相对简单，只需要设计一个嵌入式处理器和外围硬件电路，依靠嵌入式处理器自带的IO等外围功能实现采集的控制与SD卡存储数据等操作，再配以一套嵌入式软件即可实现采集系统。但是由于嵌入式处理器的处理能力有限，在执行多任务操作的时候，其实时性还无法满足要求，尤其是在对SD卡数据的存储速度上，目前尚无任何嵌入式处理器能达到理想的效果，通常都大大低于SD卡本身能达到的存储速度。

本实用新型采用双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作；该处理器内嵌于FPGA器件中，通过FPGA内部的AVALON总线，将FPGA内部各个功能模块进行高效的整合，形成片上SOC，从而对整个采集时序、数据存储、状态维护等过程实施更高效、精确的控制。

网络化设计

LAN是最常用的组网方式。以太网使用双绞线作为传输媒介。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10000Mb/s的速率。

目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，本实用新型采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。

专业化软件

设备内置嵌入式系统，专业化的应变测量分析软件，可在测试现场方便的进行采集参数设置、波形显示以及数据分析处理，实现真正的脱机工作。同时，仪器可与计算机联机，使用基于计算机的专用软件或根据配套提供的二次开发程序接口，完成各种专业软件的开发应用。

三、有益效果：

针对现场测控系统所面临的系统组成复杂、各设备之间接口兼容性差、现场布线工程巨大、设备之间连接不可靠、测试过程中智能化程度不高、系统稳定性与可靠性较差的问题，本项目提出了“便携式、智能式、集成式的电荷信号测量”的设计方案。该系统将信号调理、设备控制单元与数据采集单元集成在一个机箱中，形成一个完整、独立的测控系统硬件设备。

另外，本实用新型测量仪的先进性还体现在以下几个方面：

触摸式彩色液晶界面

触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。相比以往的操作方式，触摸屏具有易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，让越来越多的系统设计师认识到其的确具有相当大的优越性。

虽然众多的消费电子产品已经广泛使用了触摸式操作界面，但是在专用的测试设备上，该项技术还鲜有使用。本实用新型采用了该项技术，使其成为国内首个采用触摸式彩色液晶操作界面的智能仪器。该技术的采用，极大的简化了测量仪器的使用，即使是对此类专用仪器一无所知的人，也照样能够信手拈来，解决了传统仪器设备所无法解决的问题。

超大容量存储

实际测量环境的干扰和噪声信号往往会造成误触发，如果只有一次触发起点，误触发会使得真实的振动信号来的时候，设备已经停止记录，从而没有采集到真实信号。解决的方式可以是在采集长度内将记录分成多个段，每一个段的起点都需要满足触发条件，这样的设置可以使得在有干扰的情况下，即使被误触发了几段，剩下的记录段还是可以完整记录真实信号的波形。因此，测量仪需要有长时间不间断的采集能力，这就要求设备具有大容量的存储空间。本实用新型采用SDHC卡作为存储介质，其容量最大支持32GB，段数支持最多2048段，从单段的存储容量和总段数等指标都大大超过其他同类产品。

双嵌入式处理系统设计

本实用新型采用了双处理器系统的设计。一片基于ARM9内核的嵌入式处理器，独立完成人机操作界面、波形显示、数据分析、波形打印等功能；另外一片基于Nios II软核的嵌入式处理器完成采集控制、SDHC卡的实时写入、采集状态的维护等操作；该处理器内嵌于FPGA器件中，形成片上SOC，对整个采集时序、数据存储、状态维护等过程实施更高效、精确的控制。

这样的设计，使得对SDHC的读写控制由原来的纯软件代码执行变成了软硬件结合、以硬件执行为主的设计，大大提高了SDHC的读写速度，完全满足实时写入的要求。

网络化设计

目前，大多数同类产品都采用RS232、USB或1394接口与上位机进行联机控制，本实用新型采用LAN接口，使其不仅仅是一台只能和PC近距离连接的测试设备，LAN特性使得其在连接速度、连接距离以及组网方式等方面都处于领先。

通过目前广泛使用的以太网，可以连接至网络中的任意一台PC终端。进而，通过INTERNET，可以在世界的任何一个地方对其进行有效的控制，真正的做到物联世界。物联网的提出，也使得支持LAN接口的测量仪在未来发展中，有着更广阔的应用前景。

专业化软件支持

设备内置嵌入式系统，专业化的应变测量分析软件，可在测试现场方便的进行采集参数设置、波形显示以及数据分析处理，实现真正的脱机工作。同时，仪器可与计算机联机，使用基于计算机的专用软件或根据配套提供的二次开发程序接口，完成各种专业软件的开发应用。

Claims (2)

1.便携式集成电荷放大测量仪，其特征在于：

包括触摸液晶显示屏(1)、ARM9嵌入式处理器(2)、处理器通信接口(7)、SDHC卡存储管理器(8)、SDHC卡(9)、NIOS嵌入式处理器内核(10)、采集控制逻辑电路(11)、电荷放大调理控制单元(12)、带电荷放大调理功能的信号采集单元(13)和电荷传感器(14)；

触摸液晶显示屏(1)连接ARM9嵌入式处理器(2)，ARM9嵌入式处理器(2)内有U盘存储接口(3)、网络接口(5)和SDHC卡读数接口(6)，U盘存储接口(3)用于连接导出数据的外接U盘(4)；

ARM9嵌入式处理器(2)通过ASB总线连接处理器通信接口(7)，处理器通信接口(7)通过AVALON总线连接SDHC卡存储管理器(8)、NIOS嵌入式处理器内核(10)和采集控制逻辑电路(11)；

采集控制逻辑电路(11)连接带电荷放大调理功能的信号采集单元(13)，电荷放大调理控制单元(12)分别连接SDHC卡存储管理器(8)和带电荷放大调理功能的信号采集单元(13)，SDHC卡存储管理器(8)连接SDHC卡(9)，带电荷放大调理功能的信号采集单元(13)连接电荷传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的便携式集成电荷放大测量仪，其特征在于：所述带电荷放大调理功能的信号采集单元(13)包括电荷-电压适调单元、程控放大单元、带通滤波单元、增益补偿单元和系统调零单元。

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