CN205193523U - 一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路 - Google Patents

一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路 Download PDF

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朱星
许强
亓星
彭大雷
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Abstract

本实用新型公开了一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路，包括传感器、低通滤波器、电压跟随器、模数转换器、第一比较器、第二比较器、第一数模转换器、第二数模转换器和核心控制器；本实用新型能依据灾变情况对采样频率进行自动调整，对地质体灾变过程，能对其前期缓慢变化以及诱发因素情况进行监测，便于研究地质灾害长期灾变响应；也能够及时对灾变时刻的动态情况进行有效监测，有利于研究灾变瞬态动态特性，便于灾害的监测预警。能通过自适应的采样率调整最大化降低系统功耗，最大化系统的续航能力，更适应野外现场复杂的环境的实际应用。

Description

一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路
技术领域
本实用新型涉及一种地质采集电路，尤其涉及一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路。
背景技术
智能化监测仪器在野外地质灾害监测过程中普遍存在的如下问题：(1)在恶劣气候条件，如长期降雨、阴霾天等情况下，监测仪器会随着太阳能和电池供电不足出现停止运行；(2)对于很多地质灾害信息自动监测过程中，因采集电路的采样率设置过低，导致如滑坡加速滑变阶段这类紧急事件出现时刻不能即时完整抓取地质灾害急剧变化过程，对灾害的监测预警和科学研究均造成大量有用信息的丢失；或因采样率设置过高，造成数据量巨大，正常情况下地质体没有灾变或者灾变极小时候的无价值数据冗长，对数据分析和提取造成不必要的麻烦，同时会消耗系统更多的资源，增加系统成本和功耗，仪器的续航能力急剧下降。对地质体灾变过程，我们一方面需要关注前期缓慢变化以及诱发因素情况，便于研究地质灾害长期灾变响应；另一方面更关注灾变时刻的动态情况，有利于研究灾变瞬态动态特性，便于灾害的监测预警。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于提供一种解决上述问题，能够通过依据灾变情况对采样频率的自动调整，减少重复冗长的数据且不丢失快速变化阶段的加密采样数据，便于分析和实时预警，通过自适应的采样率调整最大化降低系统功耗，最大化系统的续航能力，更适应野外现场复杂的环境的实际应用的一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路，包括低通滤波器、电压跟随器、模数转换器、第一比较器、第二比较器、第一数模转换器、第二数模转换器和核心控制器；
所述低通滤波器输入端连接一传感器，输出端分为三路，分别与电压跟随器正端、第一比较器正端、第二比较器负端连接，所述传感器为位移传感器或压力传感器；
所述核心控制器的两个输出端分别通过第一数模转换器、第二数模转换器连接第一比较器的负端和第二比较器的正端，
第一比较器、第二比较器的输出端连接一或逻辑运算器，或逻辑运算器的输出端和电压跟随器的输出端分别与模数转换器的触发输入端和信号输入端连接；
所述模数转换器的输出端分为两路，分别通过中断线和数据线与核心控制器相连，所述核心控制器还设有一状态控制输出端，通过状态控制器与模数转换器的输入端相连；
所述核心控制器还连接有时钟电路、RS232通讯接口电路和数据存储单元。
作为优选：所述核心控制器为微控制器、ARM处理器或FPGA。
一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集方法，包括以下步骤：
(1)搭建一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路；
(2)传感器采样一次，送入核心控制器中，由核心控制器按照此采样值预设第一比较器、第二比较器的阈值，并馈入第一比较器、第二比较器中；
(3)传感器采样，经低通滤波器滤波后分为三路，其中一路经电压跟随器送入模数转换器中，另外两路送入第一比较器、第二比较器中与预设阈值进行比较，
若未超过阈值，则按照预设采样间隔，定时采样并记录存储；
若任意一个比较器中监测到的采样值超过预设阈值，则进行如下操作：
(a)触发或逻辑运算器输出高电平；
(b)所述高电平控制模数转换器启动转换功能，将经电压跟随器送入模数转换器中的采样值进行模数转换，转换结束后输出中断唤醒核心控制器，读取模数转换器的转换后的采样值，并记录存储；
(c)核心控制器根据公式来计算修正阈值，其中，ΔVi为修正阈值，Vi和Vi-1分别是当前采样值和上次采样值，k为根据试验调试数据获得的控制系数，Δti是当前采样时刻与上一次采样时刻的差值；
(4)将修正阈值馈入第一比较器、第二比较器中，并重复上述步骤(3)。
作为优选：步骤(2)中，传感器采样一次的值为Vi，则第一比较器、第二比较器中预设的阈值分别为Vi+ΔV、Vi-ΔVi。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型是针对野外地质灾害监测仪器工作特点及存在的问题提出的一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路和采集方法，能依据灾变情况对采样频率进行自动调整，对地质体灾变过程，能对其前期缓慢变化以及诱发因素情况进行监测，便于研究地质灾害长期灾变响应；也能够及时对灾变时刻的动态情况进行有效监测，有利于研究灾变瞬态动态特性，便于灾害的监测预警。
本实用新型根据公式计算修正阈值，从公式中可以看出，核心控制器的嵌入式控制程序需要根据每一次采样值与上次采样值的变化速率比例修正ΔVi的值，增速越快，ΔVi越小，采样密度越大，越能捕获急速变化的完整过程。且由于采用了自适应的采样率调整方法，最大化降低系统功耗，最大化系统的续航能力，更适应野外现场复杂的环境的实际应用。
附图说明
图1为本实用新型功能框图；
图2为本实用新型触发采样示意图；
图3为现有技术采样图；
图4为本实用新型采样图。
图中：1、电压跟随器；2、第一比较器；3、第二比较器；4、模数转换器；5、第一数模转换器；6、第二数模转换器；7、或逻辑运算器；8、时钟电路；9、RS232通讯接口电路；10、数据存储单元；11、低通滤波器。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
实施例1：参见图1和图2，一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路，包括低通滤波器11、电压跟随器1、模数转换器4、第一比较器2、第二比较器3、第一数模转换器5、第二数模转换器6和核心控制器；所述低通滤波器11输入端连接一传感器，输出端分为三路，分别与电压跟随器1正端、第一比较器2正端、第二比较器3负端连接，所述传感器为位移传感器或压力传感器；所述核心控制器的两个输出端分别通过第一数模转换器5、第二数模转换器6连接第一比较器2的负端和第二比较器3的正端，第一比较器2、第二比较器3的输出端连接一或逻辑运算器7，或逻辑运算器7的输出端和电压跟随器1的输出端分别与模数转换器4的触发输入端和信号输入端连接；所述模数转换器4的输出端分为两路，分别通过中断线和数据线与核心控制器相连，所述核心控制器还设有一状态控制输出端，通过状态控制器与模数转换器4的输入端相连；所述核心控制器还连接有时钟电路8、RS232通讯接口电路9和数据存储单元10，本实用新型中，所述核心控制器为微控制器、ARM处理器或FPGA。
一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路的采集方法为：
(1)搭建一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路；
(2)传感器采样一次，经低通滤波器11去除高频噪声后，经电压跟随器1、模数转换器4转换成数字信号后，送入核心控制器中，这次核心控制器获取的采样值为Vi，同时，核心控制器设置两个阈值Vi+ΔV、Vi-ΔVi，分别经第一数模转换器5、第二数模转换器6转换成模拟信号后，馈入第一比较器2、第二比较器3中；
(3)传感器再次采样，经低通滤波器11滤波后分为三路，其中一路经电压跟随器1送入模数转换器4中，另外两路送入第一比较器2、第二比较器3中与预设阈值进行比较，由于两个阈值为Vi+ΔV、Vi-ΔV，也就是说，Vi的变化达到了ΔV的时候，不论是减小ΔV还是增大ΔV，都会被对应的比较器监测出来，此时变化分为两种情况：
若未超过阈值，则按照预设采样间隔，定时采样并记录存储；例如，每天定时采样一次或每一小时采样一次，根据具体情况而定，这样做的目的一方面降低数据量便于存储、传输和分析，另一方面便于本实用新型的健康运行状态；
若任意一个比较器中监测到的采样值超过预设阈值，则进行如下操作：
(a)触发或逻辑运算器7输出高电平；
(b)所述高电平控制模数转换器4启动转换功能，将经电压跟随器1送入模数转换器4中的采样值进行模数转换，转换结束后输出中断唤醒核心控制器，读取模数转换器4的转换后的采样值，并记录存储；
(c)核心控制器根据公式来计算修正阈值，其中，ΔVi为修正阈值，Vi和Vi-1分别是当前采样值和上次采样值，k为根据试验调试数据获得的控制系数，Δti是当前采样时刻与上一次采样时刻的差值；
(4)将修正阈值馈入第一比较器2、第二比较器3中，并重复上述步骤(3)。
由上述方案我们可以看出：
本实用新型中为了节约资源和降低模数转换器4时钟连续采样转换所产生的系统功耗，不启动模数转换器4的时钟，采用外部触发模式启动模数转换器4的单次转换。在图2中，假设某一次的采样值为Vi，在下一个时刻的模拟电压值可能大于或者小于这个采样值Vi，我们假设大于Vi的下一个采样值为Vi+1，小于Vi的下一个采样值为Vi+1’，那么核心控制器分别通过第一、第二数模转换器6分别反馈输出Vi+ΔV、Vi-ΔV的值供第一、第二比较器3进行比较，无论增大还是降低只要超出Vi±ΔV的范围，就会使得或逻辑运算器7输出逻辑高电平，触发模数转换器4启动转换。核心控制器的嵌入式控制程序需要根据每一次采样值与上次采样值的变化速率比例修正ΔVi的值，增速越快，ΔVi越小，采样密度越大，越能捕获急速变化的完整过程。而在平时没有大变化或者极微小变化时期，微控制器会根据时钟电路8的输出定时启动模数转换器4的采样，例如每天定时采样一次或每一小时采样一次，根据具体情况而定，一方面降低数据量便于存储、传输和分析，另一方面便于侦测系统的健康运行状态。
参见图3、图4，图3是正常采集电路数据结果和本专利采样结果的对比图。常规时钟驱动采样100Hz采样频率下数据为533380个采样点，而本实用新型事件触发方法仅为296点，且能抓取到位移突变的全部过程。可见，本实用新型可在野外黄土滑坡变形参数监测中得到良好应用。

Claims (2)

1.一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路，其特征在于：
包括低通滤波器、电压跟随器、模数转换器、第一比较器、第二比较器、第一数模转换器、第二数模转换器和核心控制器；
所述低通滤波器输入端连接一传感器，输出端分为三路，分别与电压跟随器正端、第一比较器正端、第二比较器负端连接，所述传感器为位移传感器或压力传感器；
所述核心控制器的两个输出端分别通过第一数模转换器、第二数模转换器连接第一比较器的负端和第二比较器的正端，
第一比较器、第二比较器的输出端连接一或逻辑运算器，或逻辑运算器的输出端和电压跟随器的输出端分别与模数转换器的触发输入端和信号输入端连接；
所述模数转换器的输出端分为两路，分别通过中断线和数据线与核心控制器相连，所述核心控制器还设有一状态控制输出端，通过状态控制器与模数转换器的输入端相连；
所述核心控制器还连接有时钟电路、RS232通讯接口电路和数据存储单元。
2.根据权利要求1所述的一种反馈型事件驱动式模拟信号变频采集电路，其特征在于：所述核心控制器为微控制器、ARM处理器或FPGA。
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