CN210721062U - 一种高速低噪声的多通道数据采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速低噪声的多通道数据采集设备，包括模拟前端、模数转换电路、STM32F103ZET6主控制器单元、W5100网络数据传输单元、电源管理电路和上位机，其特征在于，所述模拟前端、模数转换电路、STM32F103ZET6主控制器单元、W5100网络数据传输单元均与电源管理电路电性连接，发明可以用于工业电信号的采集和分析，科研院所可以将其用于生物电信号的采集和分析，采集电信号时可以根据实际需求任意选择1～8个通道，配合可以实时显示信号波形和保存采集数据的上位机，可以广泛应用于工业数据采集及生物电信号的采集。

Description

一种高速低噪声的多通道数据采集设备

技术领域

本实用新型涉及计算机处理方法、电子设计、数字信号处理、软件编程方法领域，尤其是涉及一种高速低噪声的多通道数据采集设备。

背景技术

数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析、处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集系统是计算机测控系统中不可或缺的组成部分，是影响测控系统的精度等性能指标的关键因素之一。电子技术中模数转换即将连续的电压、电流模拟量转换成为计算机可识别分析的离散数字信号，即可运用数字信号处理工具对其进行快速分析。工业生产中常见的温度、位移、压力、声音、图像等为了更容易的采集存储、分析处理等都需要将其转换为计算机可读写的数字信号。可以认为模数转换器是模拟信号转换为数字信号不可或缺的工具。通常该转换过程由专用的模数转换芯片实现。

目前国内的多通道数据采集设备，普遍存在的问题有：1.输入噪声较高，一般都大于几百微伏，不适用于微弱信号检测领域；2.采样率低，不能采集更多的信号细节；3.抗干扰能力差，很容易因为外界的电磁干扰，等降低采集信号的质量；4.没有实时的算法处理能力；5.没有专用的数据采集、数据储存、数据处理软件，不利于操作使用。Smacq公司的USB-400系列同步数据采集卡、USB-200系列数据采集卡、USB-4000-BNC系列数据采集卡、USB-2000-BNC系列数据采集卡、USB-1252A数据采集卡等大多存在着采样精度不足，不适合微弱信号检测的问题；并且价格昂贵，性价比低；同时没有专用的数据采集、分析、处理的软件，不利于操作。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种高速低噪声的多通道数据采集设备，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高速低噪声的多通道数据采集设备，包括模拟前端、模数转换电路、STM32F103ZET6主控制器单元、W5100网络数据传输单元、电源管理电路和上位机，其特征在于，所述模拟前端、模数转换电路、STM32F103ZET6主控制器单元、W5100网络数据传输单元均与电源管理电路电性连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述模拟前端的作用包括阻抗变化和提供尽可能大的前端增益。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述模数转换电路模数转换芯片使用的是AD7606芯片，8个16位ADC采集通道，所有通道同步采样模拟量，可以应用于±10V范围内的电压信号采集，如果输入为电流信号可以并联50R的电阻转换为电压信号，用电压值除电阻值获得电流值。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述STM32F103ZET6主控制器单元系统主控制器采用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片，其内部集成了ADC、DAC、DMA、FMSC、定时器等资源。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述W5100网络数据传输单元电路板通信功能支持以太网通信方式，以太网的速度最快可以满足最高100KHz实时数据采集和传输。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电源管理电路系统的供电电源由锂离子充电电池提供。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述上位机使用QT5.11.2作为编程环境，C++作为编程语言，设计出可以实时显示8通道数据波形及其频谱的上位机，并添加数据保存功能，可以待数据实时采集结束后进行离线分析。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述模拟前端、STM32F103ZET6主控制器单元、W5100网络数据传输单元和上位机为采集设备，数据信号通过模拟前端采集后，经过W5100网络数据传输单元传输到电脑端的上位机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该种高速低噪声的多通道数据采集设备，具有低噪声，高采样率，无失真，抗干扰能力强等优点，本发明可以用于工业电信号的采集和分析，科研院所可以将其用于生物电信号的采集和分析，采集电信号时可以根据实际需求任意选择1～8个通道，配合可以实时显示信号波形和保存采集数据的上位机，可以广泛应用于工业数据采集及生物电信号的采集，结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型所述一种高速低噪声的多通道数据采集设备原理结构示意图；

图中：1、模拟前端；2、模数转换电路；3、STM32F103ZET6主控制器单元；4、W5100网络数据传输单元；5、电源管理电路；6、上位机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种高速低噪声的多通道数据采集设备，包括模拟前端1、模数转换电路2、STM32F103ZET6主控制器单元3、W5100网络数据传输单元4、电源管理电路5和上位机6，模拟前端1、模数转换电路2、STM32F103ZET6主控制器单元3、W5100网络数据传输单元4均与电源管理电路5电性连接。

本实用新型，优选的，模拟前端1的作用包括阻抗变化和提供尽可能大的前端增益。

本实用新型，优选的，模数转换电路2模数转换芯片使用的是AD7606芯片，8个16位ADC采集通道，所有通道同步采样模拟量，可以应用于±10V范围内的电压信号采集，如果输入为电流信号可以并联50R的电阻转换为电压信号，用电压值除电阻值获得电流值。

本实用新型，优选的，STM32F103ZET6主控制器单元3系统主控制器采用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片，其内部集成了ADC、DAC、DMA、FMSC、定时器等资源。

本实用新型，优选的，W5100网络数据传输单元4电路板通信功能支持以太网通信方式，以太网的速度最快可以满足最高100KHz实时数据采集和传输。

本实用新型，优选的，电源管理电路5系统的供电电源由锂离子充电电池提供。

本实用新型，优选的，上位机6使用QT5.11.2作为编程环境，C++作为编程语言，设计出可以实时显示8通道数据波形及其频谱的上位机，并添加数据保存功能，可以待数据实时采集结束后进行离线分析。

本实用新型，优选的，模拟前端1、STM32F103ZET6主控制器单元3、W5100网络数据传输单元4和上位机6为采集设备，数据信号通过模拟前端1采集后，经过W5100网络数据传输单元4传输到电脑端的上位机6。

具体原理：使用时，整个设备中，模拟前端1的作用包括阻抗变化和提供尽可能大的前端增益。由于模拟前端1所处理的有用信号最为微弱，为了保证采集得到信号的信噪比，需要电路引入的噪声做严格的控制。所以采用了仪表放大电路作为第一级放大，仪表放大电路最大的特点是输入阻抗大，这样能够完全把有用的信号进行采集和放大，同时该仪表放大电路由三个独立的差分低噪声轨到轨运算放大器搭建而成，其外围电阻使用1‰的小电阻匹配，整个仪表放大电路的输出噪声为357.6nV，远远小于被测信号。同时最大程度的提高了共模抑制比，在0-100hz内，共模抑制比大于118dB。

信号通过仪表放大后进入第二级放大电路，通过模拟前端1的信号已经被放大，但是对于模数转换单元0～Vref的输入范围,ADC的大部分动态采样范围还是被浪费,因此需要对第一级的输出信号作进一步放大处理,为了实现较大的增益的同时引入较小的噪声,本系统采用较小的反馈电阻,同时为了避免有用信号衰减,第二级采用同相放大电路。

整个系统电路中使用了多种手段来避免工频噪声的引入，包括增加模拟前端1放大器的共模抑制比，对采集到的共模信号作负反馈激励回数据源，采用屏蔽线传输等多种措施，但工频信号还是被不可避免的引入电路中，其原因是接触端信号的抖动，以及接触阻抗的不同使得共模信号变为了差模信号，以及在测试和使用过程中引入的工频噪声等，所以在电路中加入了抗工频电路。该电路采用双T型陷波器实现，利用高精度电阻电容的匹配，可以使得50/60Hz的工频信号有一个较大幅度的衰减。

在电信号采集过程中，由于电极之间的接触电势差，以及电阻不能完全匹配，以及运算放大器本身的失调电压，会在输入端形成一定幅值的失调电压，这个失调电压会混合在被测信号之中，经过第一和第二级放大后，该微弱的直流信号会被放大到一个较大得值，如果不将其去除，将会使信号发生较大的基线漂移，使得信号在进入ADC之前无法采集或者不能完全采集，所以采用高通滤波器去滤出直流成分，将高通滤波器的截止频率设定在0.5Hz，可以有效的去除直流成分。

模数转换电路2内模数转换芯片使用的是AD7606芯片，8个16位ADC采集通道，所有通道同步采样模拟量，可以应用于±10V范围内的电压信号采集，如果输入为电流信号可以并联50R的电阻转换为电压信号，用电压值除电阻值获得电流值。

STM32F103ZET6主控制器单元3内系统主控制器采用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片，其内部集成了ADC、DAC、DMA、FMSC、定时器等资源，大大降低了系统硬件电路的设计复杂性及软件编程难度，并且其价格低廉、低功耗优势突出，又有着较强的数据处理能力，是进行嵌入式数字采集系统设计的优秀载体。

电路板控制器使用STM32F103ZET6，支持RS232串口和JLINK下载和仿真运行，源代码使用标准库函数。

模数转换芯片AD7606和STM32之间使用FSMC总线通信，这样可以极大的提高采样频率到200KHz，为了提高抗干扰能力，AD7606支持过采样功能，通俗讲就是采集多个值然后取平均值输出，这个功能是降低了采样频率获得的，所以在应用中要结合模拟信号的频率选择合适的过采样值和采样频率从而达到最好的使用效果；

模数转换芯片AD7606启动采样的信号是脉冲信号，STM32可以使用任意I/O口的输出脉冲启动一次采样，由于某些数据处理算法需要准确的采样频率，所以例程使用STM32定时器的PWM功能输出周期性脉冲信号，买家只需要根据自己的需要在程序初始化的时候配置好PWM的频率即可；

模数转换芯片AD7606每采集完一次数据就会拉低某个I/O口，并通知STM32进入中断服务程序，随后将结果读出；

W5100网络数据传输单元4内电路板通信功能支持以太网通信方式，以太网的速度最快可以满足最高100KHz实时数据采集和传输；

W5100S芯片是一款集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，为单片机提供了更加简单、快速、稳定、安全的以太网接入方案。全硬件TCP/IP协议栈简化传统的软件TCP/IP协议栈，卸载了MCU用于处理TCP/IP这部分的线程，节约MCU内部ROM等硬件资源，工程师只需进行简单的套接字编程和少量的寄存器操作即可方便地进行嵌入式以太网上层应用开发，减少产品开发周期，降低开发成本。

W5100S支持间接并行总线和高速SPI接口这两种方式与主机进行通信。其内部还集成了以太网数据链路层（MAC）和10Base-T/100Base-T以太网物理层（PHY），支持自动协商（10/100-基于全双工/半双工）。与传统软件协议栈不同，W5100S内嵌的4个独立硬件套接字可以进行4路独立通信，该4路socket的通信效率互不影响，可以通过W5100S芯片上16K字节的收/发缓存灵活定义各个socket的收发缓存大小。

W5100S还提供WOL（局域网唤醒）和掉电模式，便于对功耗有要求的客户使用。

电源管理电路5内的系统的供电电源由锂离子充电电池提供，电源质量的好坏对系统性能有着重要的影响，电源管理电路的设计不但要考虑其功能性更要注意电路的鲁棒性。系统采用MC34063芯片设计12V升压式DC-DC转换应用电路为信号处理模块和触发电路供电，采用AMS1117芯片设计+3.3V稳压电路为主控制器和TFT显示屏模块供电。

CPU控制电路进行了隔离措施，最大程度上减小了电源的噪声。电源电路主要提供以下3种电源：

1）±15V，用于给模拟采集电路的运算放大器提供电压，使其正常工作；

2）+5V，用于给模数转换器（ADC）提供基准电压，使其保证转换精度；

3）+5V，用于给ZYNQ和ADC正常工作提供电源电压。

本电源电路由一个12V/5A的电源适配器提供源电压，通过独立的Buck和Boost电路产生3种不同的电源电压。由于采用独立的电源电路，使得提供的ADC基准电压非常稳定，并且通过多重滤波去耦电路，将电源噪声降至最低。

整个设备中模拟采集电路和CPU控制电路将集成在一张电路板上，同时两者的电源在同一张电路板上做了隔离措施，将由于PCB的制作而引入的噪声降至最低。而电源电路、模拟电路、控制电路相互隔离，通过具有屏蔽作用的电源线将其连接。

上位机6使用QT5.11.2作为编程环境，C++作为编程语言，设计出可以实时显示8通道数据波形及其频谱的上位机6，并添加数据保存功能，可以待数据实时采集结束后进行离线分析。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，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 (7)

1.一种高速低噪声的多通道数据采集设备，包括模拟前端（1）、模数转换电路（2）、STM32F103ZET6主控制器单元（3）、W5100网络数据传输单元（4）、电源管理电路（5）和上位机（6），其特征在于，所述模拟前端（1）、模数转换电路（2）、STM32F103ZET6主控制器单元（3）、W5100网络数据传输单元（4）均与电源管理电路（5）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述模拟前端（1）的作用包括阻抗变化和提供尽可能大的前端增益。

3.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述模数转换电路（2）模数转换芯片使用的是AD7606芯片，8个16位ADC采集通道，所有通道同步采样模拟量，可以应用于±10V范围内的电压信号采集，如果输入为电流信号可以并联50R的电阻转换为电压信号，用电压值除电阻值获得电流值。

4.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述STM32F103ZET6主控制器单元（3）系统主控制器采用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片，其内部集成了ADC、DAC、DMA、FMSC、定时器等资源。

5.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述W5100网络数据传输单元（4）电路板通信功能支持以太网通信方式，以太网的速度最快可以满足最高100KHz实时数据采集和传输。

6.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述电源管理电路（5）系统的供电电源由锂离子充电电池提供。

7.根据权利要求1所述的一种高速低噪声的多通道数据采集设备，其特征在于，所述模拟前端（1）、STM32F103ZET6主控制器单元（3）、W5100网络数据传输单元（4）和上位机（6）为采集设备，数据信号通过模拟前端（1）采集后，经过W5100网络数据传输单元（4）传输到电脑端的上位机（6）。

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