CN208091481U - 一种数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种数据采集装置，该数据采集装置包括用于接收采集信号的信号接收模块，以及还包括：低通滤波模块，用于对采集信号进行低通滤波操作，以得到滤波信号；信号放大模块，用于对滤波信号进行放大操作，以得到放大信号；模数转换模块，用于将放大信号进行模数转换操作，以得到初始采样数字信号；信号采样模块，用于对初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，以得到最终采样数字信号；以及输出模块，用于输出最终采样数字信号。通过本实用新型，可以满足爆破、地震监测等工程动态测试的数据采集需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及工程动态测试领域，具体地，涉及一种数据采集装置。
背景技术
目前，动态数据采集卡是工程动态测试的重要设备，电压分辨率、量程、动态范围、采样频率是动态数据采集卡的四个关键性能指标。电压分辨率越高、量程越大、动态范围越大、可设置采样频率越大，则动态数据采集卡的性能越好。当前，提高动态数据采集卡的电压分辨率、量程、动态范围性能的方法主要是通过提高A/D(analogue to digital，模/数转换)芯片的转换位来实现，但是高位数A/D芯片会由于转换数位的增加而导致其采样频率降低。例如，目前位数最高的A/D芯片为28 位，其采样频率最高只能达到100Hz，无法满足绝大部分动态信号的采集，因而极少被使用。
现有性能较高的动态数据采集卡为基于24位A/D芯片设计的动态数据采集卡，其输入信号的电压分辨率最高可达到0.000005伏、量程最高可达到5伏、动态范围最高可达到120dB，采样频率最高可达到5000Hz。
然而，在工程动态信号测试中，经常会遇到需要采集量程可能超过 5伏甚至达几十伏的信号，例如爆破、强震、冲击振动等，也会遇到需要采集非常微弱的信号，例如地震监测领域的地球脉动监测、岩石破裂和断裂带活动等微振信号。现有的基于24位A/D芯片设计的动态数据采集卡的量程、电压分辨率、动态范围还未能完全满足这些信号的动态采集。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型提供一种数据采集装置，以解决上述提及的至少一个问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种数据采集装置，该装置包括用于接收采集信号的信号接收模块，该装置还包括：低通滤波模块，用于对采集信号进行低通滤波操作，以得到滤波信号；信号放大模块，用于对滤波信号进行放大操作，以得到放大信号；模数转换模块，用于将放大信号进行模数转换操作，以得到初始采样数字信号；信号采样模块，用于对初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，以得到最终采样数字信号；以及输出模块，用于输出最终采样数字信号。
通过本实用新型提供的技术方案，能够提高动态数据采集的电压分辨率、量程、动态范围这三个关键性能指标，从而可以满足爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是根据本实用新型实施例的数据采集装置的结构框图；
图2是根据本实用新型实施例的数据采集装置的优选结构框图；
图3是根据本实用新型实施例的信号采样模块105的结构框图；
图4是根据本实用新型实施例的数据采集装置的具体结构框图；
图5是根据本实用新型实施例的数据采集方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。
由于现有的较高性能的动态数据采集卡的电压分辨率、量程等关键性能指标仍旧无法完全满足爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求，基于此，本实用新型实施例提供一种数据采集装置,该装置在保持高采样频率的同时，还能够提高电压分辨率、量程、动态范围这三个关键性能指标，从而可以满足上述爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求。
图1是根据本实用新型实施例的数据采集装置的结构框图，如图1 所示，该装置1包括：信号接收模块101、低通滤波模块102、信号放大模块103、模数转换模块104、信号采样模块105和输出模块106，其中：低通滤波模块102与信号接收模块101连接，信号放大模块103与低通滤波模块102连接，模数转换模块104与信号放大模块103连接，信号采样模块105分别与信号放大模块103和模数转换模块104连接，输出模块106与信号采样模块105连接，
信号接收模块101用于接收采集信号；
低通滤波模块102用于对采集信号进行低通滤波操作，以得到滤波信号；
信号放大模块103用于对滤波信号进行放大操作，以得到放大信号；
模数转换模块104用于将放大信号进行模数转换操作，以得到初始采样数字信号；
信号采样模块105用于对初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，以得到最终采样数字信号；以及
输出模块106，用于输出最终采样数字信号。
通过信号放大模块103对滤波后的采集信号进行放大操作，模数转换模块104对放大后的信号进行模数转换，之后再由信号采样模块对模数转换后的数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，从而得到最终采样数字信号，相比于现有技术中的基于24位A/D芯片设计的动态数据采集卡，本实用新型实施例中的数据采集装置能够提高电压分辨率、量程、动态范围这三个关键性能指标，从而可以满足爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求。
在实际操作中，如图2所示，本实用新型实施例中的数据采集装置可以包括N个信号放大模块103和N个模数转换模块104，其中，每个信号放大模块的放大系数不同，N为大于1的整数。
上述信号采样模块105具体包括图3所示的有效信号筛选执行子模块1051和最佳信噪比筛选执行子模块1052，其中：
有效信号筛选执行子模块1051用于根据预设阈值对初始采样数字信号进行有效信号筛选操作，以得到有效信号；具体地，有效信号筛选执行子模块1051将初始采样数字信号的数字量序列中的每个数值绝对值在预设阈值之外的数据设置为0，数值绝对值在预设阈值之内的数据不变；
最佳信噪比筛选执行子模块1052用于根据放大系数对有效信号进行最佳信噪比筛选操作，以得到最终采样数字信号；具体地，获取有效信号的数字量序列中的每行最大值数据；然后将每行最大值数据与对应的放大系数进行除法操作，以得到最终采样数字信号的数字量序列。
在实际操作中，数据采集装置可以包括若干个上述图1所示的结构，也就是说，数据采集装置可以包括多条通道，分别采集不同的信号。例如，如图4所示，该数据采集装置包括3条通道，分别采集3路信号，每组采集装置包括3个信号放大模块和3个模数转换模块。这里的模数转换模块可以采用24位A/D芯片，并组合若干个电阻和电容。
为了更好地理解本实用新型实施例，以下结合图4所示的数据采集装置来详细描述本实用新型实施例。如图4所示，该数据采集装置包括：
A1：第1通道输入信号滤波模块，用于对第1通道输入信号进行初步低通滤波，该模块可以是一个无源低通滤波器，可以由一个大容量电容构成。
B1：第1通道的第1路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第1通道的输入阻抗，该模块可以是1个放大1000倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
B2：第1通道的第2路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第1通道的输入阻抗，该模块可以是1个放大10倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
B3：第1通道的第3路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第1通道的输入阻抗，该模块可以是1个放大0.1倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
C1：第1通道的第1路采样模块，用于对第1通道输入信号经过A1 模块滤波和B1模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C2：第1通道的第2路采样模块，用于对第1通道输入信号经过A1 模块滤波和B2模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C3：第1通道的第3路采样模块，用于对第1通道输入信号经过A1 模块滤波和B3模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块也可以由一个24位AD芯片构成。
在实际操作中，C1、C2、C3这三个采样模块的功能和电路可以相同，都可以使用1个ADS1278IPAP芯片配套若干个电阻和电容构成。 ADS1278IPAP芯片集成了4个独立工作的24位A/D芯片、信号的抗混滤波器等封装，可以实现最多4路24位A/D高速同步采样。
A2：第2通道输入信号滤波模块，用于对第2通道输入信号进行初步低通滤波，与A1模块相似地，该A2模块也可以是一个无源低通滤波器，可以由一个大容量电容构成。
B4：第2通道的第1路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第2通道的输入阻抗，与B1模块相似地，该B4模块可以是1 个放大1000倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
B5：第2通道的第2路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第2通道的输入阻抗，与B2模块相似地，该模块可以是1个放大10倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
B6：第2通道的第3路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第2通道的输入阻抗，与B3模块相似地，该模块可以是1个放大0.1倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
C4：第2通道的第1路采样模块，用于对第2通道输入信号经过A2 模块滤波和B4模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C5：第2通道的第2路采样模块，用于对第2通道输入信号经过A2 模块滤波和B5模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C6：第2通道的第3路采样模块，用于对第2通道输入信号经过A2 模块滤波和B6模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
在实际操作中，C4、C5、C6这三个采样模块的功能和电路可以相同，都可以使用1个ADS1278IPAP芯片配套若干个电阻和电容构成。 ADS1278IPAP芯片集成了4个独立工作的24位A/D芯片、信号的抗混滤波器等封装，实现最多4路24位A/D高速同步采样。
A3：第3通道输入信号滤波模块，用于对第3通道输入信号进行初步低通滤波，与A1和A2模块相似地，A3模块可以是一个无源低通滤波器，可以由一个大容量电容构成。
在实际操作中，A1、A2、A3这三个模块的功能和电路可以相同，都可以由1个50V、2uF、0.1％精度的胆电容构成无源低通滤波器。
B7：第3通道的第1路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第3通道的输入阻抗，与B1模块相似地，该模块可以是1个放大1000倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
在实际操作中，B1、B4、B7这三个采样前置放大模块的功能和电路可以相同，都可以由1个OP07D放大芯片配套2个1M欧姆0.1％精度0603 封装的贴片电阻、2个1G欧姆0.1％精度0603封装的贴片电阻构成1个放大1000倍和输入阻抗可达到1M欧姆的前置放大电路。
B8：第3通道的第2路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第3通道的输入阻抗，与B2模块相似地，该模块可以是1个放大10倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
在实际操作中，B2、B5、B8这三个采样前置放大模块的功能和电路也可以相同，都可以由1个OP07D放大芯片配套2个1M欧姆0.1％精度 0603封装的贴片电阻、2个10M欧姆0.1％精度0603封装的贴片电阻构成1个放大10倍和输入阻抗可达到1M欧姆前置放大电路。
B9：第3通道的第3路采样前置放大模块，用于对输入信号进行放大及改善第3通道的输入阻抗，与B3模块相似地，该模块可以是1个放大0.1倍的放大电路，可以由一个放大芯片配套几个电阻构成。
在实际操作中，B3、B6、B9这三个采样前置放大模块的功能和电路也可以相同，都可以由1个OP07D放大芯片配套2个1M欧姆0.1％精度 0603封装的贴片电阻、2个100K欧姆0.1％精度0603封装的贴片电阻构成1个放大0.1倍和输入阻抗可达到1M欧姆前置放大电路。
C7：第3通道的第1路采样模块，用于对第3通道输入信号经过A3 模块滤波和B7模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C8：第3通道的第2路采样模块，用于对第3通道输入信号经过A3 模块滤波和B8模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
C9：第3通道的第3路采样模块，用于对第3通道输入信号经过A3 模块滤波和B9模块放大后的信号进行采样，使其转换为数字序列信号，该模块可以由一个24位AD芯片构成。
在实际操作中，C7、C8、C9这三个采样模块的功能和电路可以相同，都可以使用1个ADS1278IPAP芯片配套若干个电阻和电容构成。 ADS1278IPAP芯片集成了4个独立工作的24位A/D芯片、信号的抗混滤波器等封装，实现最多4路24位A/D高速同步采样。
T：各采样模块的逻辑控制模块，用于控制C1至C9模块的工作状态，该模块可以由1个PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)芯片配套预定的外围电阻和电容构成。在实际操作中，T 模块可以是使用1个LPC2378FBD144芯片配套若干外围电阻和电容构成的数字逻辑控制电路。
D：存储模块，用于缓存C1至C9模块转换后的数字序列信号和数据采集装置的初始参数值，该模块可以由1个FLASH缓存芯片配套外围电阻和电容构成。在实际操作中，D模块可以由CY7C1019DV33芯片，配套外围电容、电阻构成的1M数据缓存电路。
F：控制模块，主要用于控制T模块、D模块、E模块的工作状态。具体地，用于读取D模块存储的数据，对每个通道的三路放大信号采样后的数字序列信号的最佳信噪比判断和筛选，并将结果发送给E模块，以及用于接收来自E模块的数据及处理。F模块可以由一个ARM芯片和配套的外围电阻与电容构成。在实际操作中，F模块可以由1个 MT48LC32M16A2TG-75芯片、1个SD2505API时钟芯片配套外围电阻和电容构成。
E：通信模块，用于接收来自F模块的数据并将数据传输给上层主机，以及接收上层主机发送来的操作指令，该E模块可以由一个网络通信芯片、RJ45接口及配套外围电阻和电容构成。在实际操作中，E模块可以由1个DP83848I以太网PHY芯片和HR911105A型RJ45网口，配套外围电容、电阻构成。
V1：稳压模块，用于对数据采集装置的12V供电电源进行滤波和稳压处理，保护电源波动对装置中各芯片的冲击，该模块可以由一个线性 DC(Direct Current，直流)稳压模块及配套外围电阻和电容构成。例如，V1模块可以由LM2596S线性稳压模块配套外围电阻和电容构成。
V2：降压模块，用于对V1模块输出电压降压到5V，给C1至C9模块供电，该模块可以由一个12转5V、一个12转3.3V线性降压模块配套外围电阻和电容构成。在实际操作中，V2模块可以是由1个 LM1085IT-ADJ、1个LP3873ES-5、1个LP3873ES-3.3线性降压模块配套外围电阻和电容构成的三级降压电路。
V3：DC-DC(直流转直流)转换模块，用于对V1模块输出电压转换为正负12V电压，给B1至B9模块供电，该模块可以由1个12V转正负 12V的线性DC-DC模块配套外围电阻和电容构成。在实际操作中，V3模块可以由1个VRA1212S-3W模块配套外围电容和电阻构成。
以下详细描述F控制模块执行的最佳信噪比判断和筛选操作，为了描述方便，以下以第1通道为例，描述F控制模块对第1通道信号采样后的三路数字序列信号的最佳信噪比信号判断和筛选的技术方案。
在第1通道中，设置C1至C3模块的采样频率一致，假设采样的周期为Δt，令第1通道中输入信号X(t)经过三路前置放大后输入到三路采样模块的信号分别为：
假设经过C1、C2、C3采样模块采样后的数字量序列分别为Y1,Y2,Y3，则
具体地最佳信噪比信号判断和筛选步骤如下：
第1步：进行有效信号筛选，设置有效信号的阈值范围MAX1(最大值)和MIN1(最小值)，然后对矩阵中绝对值大于MAX1或小于MIN1的值用0替代。具体操作时，MAX1可以设置为4.99，MIN1可以设置为 0.000005。
第2步：进行最佳信噪比筛选，在第1步获得的矩阵中提取每行数据的最大值数据，各行的最大值如果是位于第1列，则除以B1模块的放大倍数1000，如果是位于第2列，则除以B2模块的放大倍数10，如果是第3列，则除以B3模块的放大倍数0.1。
经过以上两步骤后得到第1通道的最终采样数字序列Y′：
按照同样的方式可得到第2、3通道的最终采样数字序列。
通过上述采样前置放大模块对滤波后的信号进行放大操作，采样模块对放大后的信号进行模数转换，之后再由控制模块对模数转换后的数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，从而得到最终采样数字序列，相比于现有技术中的动态数据采集卡，本实用新型实施例中的数据采集装置能够提高电压分辨率、量程、动态范围三个关键性能指标，从而可以满足爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求。
基于相似的实用新型构思，本实用新型实施例还提供一种数据采集方法，可以应用于上述的数据采集装置。
图5是该数据采集方法的流程图，如图5所示，该方法包括：
步骤501，接收采集信号并对采集信号进行低通滤波操作，以得到滤波信号；
步骤502，对滤波信号进行放大操作，以得到放大信号；
步骤503，将放大信号进行模数转换操作，以得到初始采样数字信号；
步骤504，对初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，以得到最终采样数字信号；以及
步骤505，输出最终采样数字信号。
通过对滤波后的信号进行放大操作，并对放大后的信号进行模数转换，之后再对模数转换后的数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，从而得到最终采样数字信号，相比于现有技术中的基于24位A/D芯片设计的动态数据采集卡，本实用新型实施例中的数据采集方案能够提高电压分辨率、量程、动态范围三个关键性能指标，从而可以满足爆破、冲击振动、地震监测等工程动态测试的需求。
在具体实施过程中，放大操作和模数转换操作的执行数量可以分别为N次，其中，每次放大操作的放大系数不同，N为大于1的整数。
上述步骤504对初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作包括：
(1)根据预设阈值对初始采样数字信号进行有效信号筛选操作，以得到有效信号；具体地，将初始采样数字信号的数字量序列中的每个数值绝对值在预设阈值之外的数据设置为0，数值绝对值在预设阈值之内的数据不变；
(2)根据放大系数对有效信号进行最佳信噪比筛选操作，以得到最终采样数字信号；具体地，获取有效信号的数字量序列中的每行最大值数据，以及将每行最大值数据与对应的放大系数进行除法操作，以得到最终采样数字信号的数字量序列。
由于该方法解决问题的原理与数据采集装置相似，因此该方法的实施可以参见数据采集装置的实施，重复之处不再赘述。
本实用新型实施例提供的数据采集方案，通过对采集信号进行放大、模数转换、最佳信噪比信号筛选等操作，可以提高动态采集卡的多项关键指标性能，其电压信号分辨率理论上可以提高1000倍，可达到 0.000000005伏；最大量程理论上可以提高10倍，可达到50伏；动态范围理论上可以提高80dB，可达到200dB。因此，本实用新型实施例提供的数据采集方案可以应用于工程上大动态范围变化的随机信号的动态采集，特别适用于测试信号变化范围难以预测的场合，如爆破、强震等场合，也可以应用于结构脉动、地球脉动等微振动信号的采集。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数据采集装置,所述装置包括用于接收采集信号的信号接收模块，其特征在于，所述装置还包括：
低通滤波模块，与所述信号接收模块连接，用于对所述采集信号进行低通滤波操作，以得到滤波信号；
信号放大模块，与所述低通滤波模块连接，用于对所述滤波信号进行放大操作，以得到放大信号；
模数转换模块，与所述信号放大模块连接，用于将所述放大信号进行模数转换操作，以得到初始采样数字信号；
信号采样模块，分别与所述信号放大模块和所述模数转换模块连接，用于对所述初始采样数字信号进行最佳信噪比信号筛选操作，以得到最终采样数字信号；以及
输出模块，与所述信号采样模块连接，用于输出所述最终采样数字信号。
2.根据权利要求1所述的数据采集装置,其特征在于，所述装置包括N个所述信号放大模块与N个所述模数转换模块，其中，每个信号放大模块的放大系数不同，N为大于1的整数。
3.根据权利要求2所述的数据采集装置,其特征在于，所述信号采样模块包括：
有效信号筛选执行子模块，用于根据预设阈值对所述初始采样数字信号进行有效信号筛选操作，以得到有效信号；
最佳信噪比筛选执行子模块，与所述有效信号筛选执行子模块连接，用于根据放大系数对所述有效信号进行最佳信噪比筛选操作，以得到所述最终采样数字信号。
4.根据权利要求3所述的数据采集装置,其特征在于，
所述有效信号筛选执行子模块通过如下方式进行所述有效信号筛选操作：
将所述初始采样数字信号的数字量序列中的数值绝对值在所述预设阈值之外的数据设置为0；
所述最佳信噪比筛选执行子模块通过如下方式进行所述最佳信噪比筛选操作：
获取所述有效信号的数字量序列中的每行最大值数据；
将每行最大值数据与对应的放大系数进行除法操作，以得到所述最终采样数字信号的数字量序列。
5.根据权利要求2所述的数据采集装置,其特征在于，所述信号放大模块的放大系数为以下之一：1000、10、0.1。
6.根据权利要求2所述的数据采集装置,其特征在于，所述装置还包括：
逻辑控制模块，与所述N个模数转换模块分别连接，用于控制所述N个模数转换模块的工作状态。
7.根据权利要求2所述的数据采集装置,其特征在于，所述装置还包括：
通信模块，与所述输出模块连接，用于将所述输出模块输出的所述最终采样数字信号发送给上层主机。
8.根据权利要求2所述的数据采集装置,其特征在于，所述装置还包括：
存储模块，与所述模数转换模块连接，用于存储所述模数转换模块得到的初始采样数字信号。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的数据采集装置,其特征在于，所述信号采样模块包括：
ARM芯片，以及分别与所述ARM芯片连接的至少一个电阻和至少一个电容。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的数据采集装置,其特征在于，所述模数转换模块包括24位A/D芯片。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201820580048.8U CN208091481U (zh) | 2018-04-20 | 2018-04-20 | 一种数据采集装置 |
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| CN208091481U true CN208091481U (zh) | 2018-11-13 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110299899A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-10-01 | 恒大智慧充电科技有限公司 | 信号采集装置、方法、充电设备、车载控制设备及电动汽车 |
| CN108566203B (zh) * | 2018-04-20 | 2024-07-16 | 中国地震局工程力学研究所 | 一种数据采集方法及装置 |
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2018
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