CN206649649U - 一种高精度三通道同步数据采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度三通道同步数据采集器，涉及地震动信号、中低频振动信号高精度测量领域。该数据采集器包括：三路前置调理电路、三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路、GPS模块电路和电源电路，所述三路前置调理电路并行，所述三路32位模数转换电路并行，通过选用32位高精度模数转换器，使得采集器动态范围可以达到135dB；通过提供一个高精度时钟信号，并且该时钟信号可以用GPS时钟进行校准，因此提高了时钟精度，并且存储数据中具有绝对时间信息，有利于高精度振动数据的分析。

Description

一种高精度三通道同步数据采集器

技术领域

本实用新型涉及地震动信号、中低频振动信号高精度测量领域，尤其涉及一种高精度三通道同步数据采集器。

背景技术

目前，数据采集器一般为单纯的三通道或四通道同步数据采集电路板，并且采集器所使用的模数转换器多为18位或24位的。采集器的核心控制芯片为高速的单片机或者ARM芯片，并且采集器的时钟信号也是由晶振产生的。

现有的数据采集器存在如下的一些缺陷：

1)这样的三通道或四通道数据采集器不能满足高精度振动信号测量要求，采集器动态范围几乎难以能达到震动测量所要求的130dB的动态范围。

2)并且采集器记录数据没有绝对时间信息，导致多台采集器所采集数据无相同时间信息无法进行同一时间点的比对分析。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度三通道同步数据采集器，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种高精度三通道同步数据采集器，包括：三路前置调理电路、三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路、GPS模块电路和电源电路，所述三路前置调理电路并行，所述三路32位模数转换电路并行，且每路所述前置调理电路的输出端与每路所述32位模数转换电路连接，所述ARM核心电路分别与所述三路32位模数转换电路、所述晶振时钟电路和GPS模块电路连接，所述电源电路分别与所述前置调理电路、模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路和GPS模块电路连接。

优选地，所述前置调理电路包含依次连接的比例调整电路、阻容滤波电路和电压保护电路，所述比例调整电路输入-20V至+20V的差动信号，输出-2.5V至+2.5V的电压信号，所述电压保护电路输出-2.5V至+2.5V的电压信号。

优选地，所述晶振时钟电路包括：晶振和运算放大器，所述晶振的输出端与所述ARM核心电路的时钟接口连接，所述运算放大器的输入端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接，所述运算放大器的输出端与所述晶振的输入端连接。

优选地，GPS模块电路包括天线和GPS模块，所述天线与所述GPS模块的输入端连接，所述GPS模块的输出端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接。

优选地，所述电源电路包括五个线性变换器，分别为：LDO1、LDO2、LDO3、LDO4和LDO5，所述LDO1的输入端和所述LDO5的输入端分别连接外接电源；

所述LDO1的输出端通过第一滤波电路后与所述LDO3的输入端连接，所述LDO3的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V正电源；所述LDO1的输出端与所述LDO2的输入端连接，所述LDO2的输出端通过第二滤波电路后与所述LDO4的输入端连接，所述LDO4的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V负电源；

所述LDO5的输出端为所述三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路及GPS模块电路提供3.3V正电源。

优选地，所述LDO1的输入电压为+9V--+16V直流电压，输出电压为+5V直流电压，所述LDO3的输出电压为+2.5V直流电压，所述LDO4的输出电压为-2.5V直流电压。

优选地，所述LDO1的器件型号为ASM1117，所述LDO2的器件型号为TPS6735，所述LDO3的器件型号为TPS79225，所述LDO4的器件型号为TPS72325，所述LD05的器件型号为LM2675。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实施例提供的一种高精度三通道同步数据采集器，通过选用32位高精度模数转换器，使得采集器动态范围可以达到135dB；通过提供一个高精度时钟信号，并且该时钟信号可以用GPS时钟进行校准，因此提高了时钟精度，并且存储数据中具有绝对时间信息，有利于高精度振动数据的分析。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的数据采集器的电路原理示意图；

图2是前置信号调理电路原理示意图；

图3是模数转换电路原理示意图；

图4是ARM核心电路原理示意图；

图5是晶振时钟及GPS模块电路原理示意图；

图6是电源电路原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-6所示，本实用新型实施例提供了一种高精度三通道同步数据采集器，包括：三路前置调理电路、三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路、GPS模块电路和电源电路，所述三路前置调理电路并行，所述三路32位模数转换电路并行，且每路所述前置调理电路的输出端与每路所述32位模数转换电路连接，所述ARM核心电路分别与所述三路32位模数转换电路、所述晶振时钟电路和GPS模块电路连接，所述电源电路分别与所述前置调理电路、模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路和GPS模块电路连接。

上述结构的数据采集器，其工作原理为：

前置信号调理电路将外界输入的-20V至+20V差动信号调理成-2.5至+2.5范围内，并完成低通滤波、电压限值保护。实际工作中，当输入电压信号高于+2.5V，该器件能使输入电压信号固定在+2.5V；同样当输入电压信号低于-2.5V时，该器件能使输入电压信号固定在-2.5V。因此该前置调理电路具有电压限值保护，可以保护后续模数转换器不会被超范围电压信号损坏。

模数转换电路的作用是将前置调理电路送入的差动模拟电压信号转换成一定频率的数字电压信号，并可以通过端口传送到ARM芯片内存储、处理。模数转换电路的原理可参见图3。其工作过程为：前置信号调理电路中的1通道差动输入信号1经输入端输入到32位高精度模数转换器1内部，差动输入信号2经输入端输入到32位高精度模数转换器2内部，差动输入信号3经输入端输入到32位高精度模数转换器3内部，三个高精度模数转换器在一个同步控制信号作用下，同步将每路数据转换成32位数字电压信号(数字数据)，分别为1通道数字数据、2通道数字数据和3通道数字数据，这三道数字数据通过数据接口连接到ARM芯片数据接口上，可以异步读入ARM内部存储。ARM需要对各路模数转换器进行参数调整时，同样通过数据端口对模数转换器输出控制参数，这个参数调整也是异步的。

本实施例中，采用的三路并行的模数转换电路，具有如下有益效果：

三路模数转换器是各自独立的，模数转换工作是同步进行的，一组控制信号同步控制进行的，分别为时钟信号ADS_MCLK、同步控制信号ADS_SYNC、同步复位控制信号ADS_RESET。这三组信号使得三片模数转换器严格同步启动、停止模数转换工作。并且模数转换器选用的32位模数转换器，这个改进的益处是有效分辨率提高到22.5位左右。

ARM核心电路将三路模数转换数据进行滤波等处理，管理模数转换电路工作，管理晶振时钟及GPS模块电路工作，并可以将三路数字数据、时间数据通过ARM端口发送出去给电脑或手机。该部分电路的原理可参见图4。实际工作中，三个模数转换器转换完成的32位数字信号分别经过1通道、2通道、3通道接口送入ARM芯片内部存储，该数据存储过程是异步进行的。

在三个模数转换器进行模数转换工作时，其高精时钟信号由晶振时钟产生，该时钟信号通过时钟接口送入ARM芯片的同时，也同时连接三个模数转换器。

ARM芯片同时还可以通过其他数据端口读取GPS模块传送的绝对时间信息，一方面可以用这个绝对时间对晶振时钟进行校时，另一方面可以在数据中保存绝对时间信息。

ARM芯片通过一般通用接口输出一些控制信号，并经过逻辑器件驱动后生成模数转换器的同步控制信号，用以同步启动、控制三路模数转换器芯片。

ARM芯片通过一个串口与外部电脑、手机进行通信。

晶振时钟电路及GPS模块电路用于调节输出晶振信号，并可以GPS时钟对晶振进行校时。这部分电路的原理可参见图5。

电源电路为该采集电路中各个模块提供所需高精度电源。

如图2所示，本实施例中，所述前置调理电路包含依次连接的比例调整电路、阻容滤波电路和电压保护电路，所述比例调整电路输入-20V至+20V的差动信号，输出-2.5V至+2.5V的电压信号，所述电压保护电路输出-2.5V至+2.5V的电压信号。

三路前置信号调理电路是完全并行的，即各个通道前置信号电路完全独立，同步工作。分别包含比例调整电路、阻容滤波电路和电压保护电路三部分，其中比例调整电路将-20V至+20V差动信号调理成-2.5至+2.5电压信号，然后由阻容滤波电路进行噪声信号滤除工作，最后再由电压保护电路将差动信号限定在最大为+2.5V，最小为-2.5V，从而保证后续的模数转换器输入端电压为-2.5V--+2.5V范围。

如图5所示，本实施例中，所述晶振时钟电路包括：晶振和运算放大器，所述晶振的输出端与所述ARM核心电路的时钟接口连接，所述运算放大器的输入端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接，所述运算放大器的输出端与所述晶振的输入端连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，GPS模块电路包括天线和GPS模块，所述天线与所述GPS模块的输入端连接，所述GPS模块的输出端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接。

上述结构的工作原理为：

晶振输出时钟信号通过端口送入ARM内部时钟管理模块，当晶振时钟信号频率需要调整时，由ARM芯片的通用数据接口输出一个信号到运算放大器输入端，此运算放大器输出端信号用以调整晶振输出时钟信号，使该时钟信号频率保持准确。

GPS模块工作时，由GPS天线接收天空中卫星信号，GPS模块解调出电信号。当接收到卫星信号后，经过GPS模块解调后，由通用数据接口送入ARM芯片内部。

该结构的有益效果为：

一增加了绝对时钟信息。

因为ARM芯片管脚连接了GPS时钟模块，可以通过GPS模块外接天线接收卫星的时钟信息，并通过ARM对应的GPS接口读入全球同步的绝对时间信息、地理位置信息和高精度秒脉冲信号。所以该采集电路中增加了绝对时间信息，对于多台数据采集器同时使用时，具有相同时间信息，多台具有绝对同步时间的采集器数据可以用于震动数据分析

二可以用GPS秒脉冲信号对晶振时钟信号进行校时。

晶振时钟信号会随运行时间、环境温度变化而产生微小时间误差，而GPS秒脉冲信号无时间误差，因此用GPS秒脉冲校正晶振时钟信号后，可以保证实际数据采集模数转换时钟频率准确。

如图6所示，本实施例中，所述电源电路包括五个线性变换器，分别为：LDO1、LDO2、LDO3、LDO4和LDO5，所述LDO1的输入端和所述LDO5的输入端分别连接外接电源；

所述LDO1的输出端通过第一滤波电路后与所述LDO3的输入端连接，所述LDO3的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V正电源；所述LDO1的输出端与所述LDO2的输入端连接，所述LDO2的输出端通过第二滤波电路后与所述LDO4的输入端连接，所述LDO4的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V负电源；

所述LDO5的输出端为所述三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路及GPS模块电路提供3.3V正电源。

其中，所述LDO1的输入电压为+9V--+16V直流电压，输出电压为+5V直流电压，所述LDO3的输出电压为+2.5V直流电压，所述LDO4的输出电压为-2.5V直流电压。

所述LDO1的器件型号为ASM1117，所述LDO2的器件型号为TPS6735，所述LDO3的器件型号为TPS79225，所述LDO4的器件型号为TPS72325，所述LD05的器件型号为LM2675。

上述电源电路的工作过程为：

其中LDO1(器件型号为ASM1117)能够将+12V直流电压(宽范围输入，支持+9V--+16V直流电压输入)转换成数字+5V直流电压。

该数字正5V电源经过电感与电容组成的滤波电路滤波，生成模拟+5V电源(A+5V)。该模拟+5V电源经过线性变换器LDO3(器件型号为TPS79225)生+2.5V电源，该电源分别为三个通道的前置调理电路的电源保护管、3个32位模数转换器、ARM芯片提供正电源。

该数字正5V电源经过线性电源变换器LDO2(器件型号为TPS6735)产生-5V电源，该电源经过电感与电容组成的滤波电路滤波，生成模拟-5V电源。该模拟-5V电源经过线性变换器LDO4(器件型号为TPS72325)生成-2.5V电源，该电源为三个通道的前置调理电路的电源保护管、3个32位模数转换器、ARM芯片提供负电源。

外接输入的+12V直流电源，经过线性电源变换器LD05(器件型号为LM2675)生成+3.3V电源，该+3.3V电源为3片32位模数转换器、ARM芯片、晶振时钟及GPS模块供电。

本实施例采用到的上述电源电路的有益效果为：

一般电路设计中会直接采用线性电源芯片生成的A+5V进行比例分压为模数转换器参考电压源供电，这种电源还存在一定程度的波动和飘移，容易造成模数转换不稳定噪声大。

而本实施例中在生成的A+5V线性电源上，进一步采用参考电压源器件REF5050、运算放大器OP227设计生成模数转换器ADS1282的正参考电源VREFP。REF5050为高精度、低噪音、极低漂移、高效率的参考电源芯片，能够将输入的模拟正5V电源(A+5V)转换成更高精度、高稳定的+5V电源输出。然后经过电阻输入到运算放大器OP227，经过运放OP227驱动增强后由电阻比例折算后，取+2.5V输出，作为三路采集电路中的三片模数转换器的正参考电源源使用。该电路改进的益处是降低了模数转换电路噪声，从而提高了模数转换器的转换精度。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本实用新型实施例提供的一种高精度三通道同步数据采集器，通过选用32位高精度模数转换器，使得采集器动态范围可以达到135dB；通过提供一个高精度时钟信号，并且该时钟信号可以用GPS时钟进行校准，因此提高了时钟精度，并且存储数据中具有绝对时间信息，有利于高精度振动数据的分析。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，包括：三路前置调理电路、三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路、GPS模块电路和电源电路，所述三路前置调理电路并行，所述三路32位模数转换电路并行，且每路所述前置调理电路的输出端与每路所述32位模数转换电路连接，所述ARM核心电路分别与所述三路32位模数转换电路、所述晶振时钟电路和GPS模块电路连接，所述电源电路分别与所述前置调理电路、模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟电路和GPS模块电路连接。

2.根据权利要求1所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，所述前置调理电路包含依次连接的比例调整电路、阻容滤波电路和电压保护电路，所述比例调整电路输入-20V至+20V的差动信号，输出-2.5V至+2.5V的电压信号，所述电压保护电路输出-2.5V至+2.5V的电压信号。

3.根据权利要求1所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，所述晶振时钟电路包括：晶振和运算放大器，所述晶振的输出端与所述ARM核心电路的时钟接口连接，所述运算放大器的输入端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接，所述运算放大器的输出端与所述晶振的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，GPS模块电路包括天线和GPS模块，所述天线与所述GPS模块的输入端连接，所述GPS模块的输出端与所述ARM核心电路的通用数据接口连接。

5.根据权利要求1所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，所述电源电路包括五个线性变换器，分别为：LDO1、LDO2、LDO3、LDO4和LDO5，所述LDO1的输入端和所述LDO5的输入端分别连接外接电源；

所述LDO1的输出端通过第一滤波电路后与所述LDO3的输入端连接，所述LDO3的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V正电源；所述LDO1的输出端与所述LDO2的输入端连接，所述LDO2的输出端通过第二滤波电路后与所述LDO4的输入端连接，所述LDO4的输出端分别为所述三路前置调理电路、三路32位模数转换电路和ARM核心电路提供2.5V负电源；

所述LDO5的输出端为所述三路32位模数转换电路、ARM核心电路、晶振时钟 电路及GPS模块电路提供3.3V正电源。

6.根据权利要求5所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，所述LDO1的输入电压为+9V-+16V直流电压，输出电压为+5V直流电压，所述LDO3的输出电压为+2.5V直流电压，所述LDO4的输出电压为-2.5V直流电压。

7.根据权利要求5所述的高精度三通道同步数据采集器，其特征在于，所述LDO1的器件型号为ASM1117，所述LDO2的器件型号为TPS6735，所述LDO3的器件型号为TPS79225，所述LDO4的器件型号为TPS72325，所述LD05的器件型号为LM2675。