CN210774588U - 一种数据高速采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数据高速采集设备，属于模拟现实工作状态下的振动环境的采集设备技术领域。包括传感器信号输入模块、模拟控制信号输出模块、高精度模拟/数字信号转换模块、高精度数字/模拟信号转换模块、主控模块、数据存储模块和外部通讯接口电路；所述传感器信号输入模块通过高精度模拟/数字信号转换模块与主控模块连接；所述模拟控制信号输出模块通过高精度数字/模拟信号转换模块与主控模块连接；所述主控模块分别与数据存储模块、外部通讯接口电路、传感器信号输入模块和模拟控制信号输出模块连接；所述模拟控制信号输出模块与传感器信号输入模块连接。本实用新型实现通道的自校准功能，提高采集精度。

Description

一种数据高速采集设备

技术领域

本实用新型涉及模拟现实工作状态下的振动环境的采集设备技术领域，具体涉及一种数据高速采集设备。

背景技术

随着社会的进步和科技的发展，作为采集振动环境下产品的可靠性、环境适应性等相关数据的数据采集设备的应用也越来越广泛。作为振动数据采集试验系统中的核心-数据采集设备的结构在长期实践应用中有很大的改进。目前，振动数据采集试验系统的数据采集设备有下面几种：基于现成的数据采集卡和计算机构成的一个数据采集设备。这类数据采集设备一般只有一到两个传感器信号输入模块和一个高精度模拟/数字信号转换模块，输入数据的采集很慢；此外，模拟控制信号输出模块并不会输出信号给传感器信号输入模块，没有设备通道校准功能。为了提高数据采集设备的高效性和可靠性，现有技术中提出了一种高数采自校准的数据采集设备。2007年10月3日公布的中国专利公开号为CN101046685A的专利中公开了一种采用USB接口的便携式振动数据采集器，它包括双通道数据输入模块、信号处理模块、数据存储模块、信号输出模块、逻辑控制模块、USB通信模块。该振动数据采集器采用两片浮点DSP和24位ADC/DAC的高性能硬件架构进行振动信号的处理。虽然该振动数据采集器能独立于PC，由控制器独立完成闭环控制的任务，减少了闭环控制时间，增强了系统实时性，但是由于该设备的双通道数据输入模块共用一块ADC芯片，使得采集的模拟信号转换成数字信号速率并不高，输出模块并不输出信号给输入模块，设备没有校准通道的功能，设备数据采集可靠性低。而且该振动数据采集器信号处理模块、逻辑控制模块和通讯模块都是独立的模块，通讯模块是易脱落的USB通信模块，使得振动数据采集器结构复杂、制造成本高，通讯性能不稳定。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种数据高速采集设备，结构设计合理，系统资源利用率高，数据采集速率高，制造成本低；同时通讯性能稳定，能够实现自校准模式和采集模式之间的切换，实现设备本身的自校准功能，提高了采集精度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种数据高速采集设备，包括传感器信号输入模块、模拟控制信号输出模块、高精度模拟/数字信号转换模块、高精度数字/模拟信号转换模块、主控模块、数据存储模块和外部通讯接口电路；所述传感器信号输入模块通过高精度模拟/数字信号转换模块与主控模块连接；所述模拟控制信号输出模块通过高精度数字/模拟信号转换模块与主控模块连接；所述主控模块分别与数据存储模块、外部通讯接口电路、传感器信号输入模块和模拟控制信号输出模块连接；所述模拟控制信号输出模块与传感器信号输入模块连接。

通过主控模块的控制，模拟控制信号输出模块能够输出标准信号，并将输出信号输入给传感器信号输入模块，经高精度模拟/数字信号转换模块采集返回主控模块，能够实现通道的自校准，提高了信号采集的精准度。

进一步的，所述传感器信号输入模块包括输入接口插座、多接口选择电路、AC/DC耦合选择电路、增益调整电路，所述输入接口插座通过多接口选择电路与AC/DC耦合选择电路连接，所述AC/DC耦合选择电路通过增益调整电路与高精度模拟/数字信号转换模块连接，所述多接口选择电路和AC/DC耦合选择电路都与主控模块连接，所述输入接口插座与模拟控制信号输出模块连接。

传感器信号输入模块包括多接口选择电路和AC/DC耦合选择电路，能够选择采集不同的传感器信号，增加该数据采集设备的适应范围，实现多个传感器采用一条采集通道，节省了硬件资源和空间，从而应对多种传感器的使用条件，方便使用；增益调整电路可以根据现场环境的需要，对信号进行滤波放大处理，有助于提高信号的采集精度。

进一步的，所述传感器信号输入模块为多个，所述高精度模拟/数字信号转换模块也为多个，两者数量一致。

多个传感器信号输入模块和多个高精度模拟/数字信号转换模块实现了设备的数据采集高速率。

进一步的，所述传感器信号输入模块包括输入接口插座、多接口选择电路、AC/DC耦合选择电路、增益调整电路，所述输入接口插座通过多接口选择电路与增益调整电路连接，所述增益调整电路通过AC/DC耦合选择电路与高精度模拟/数字信号转换模块连接，所述多接口选择电路和AC/DC耦合选择电路都与主控模块连接，所述输入接口插座与模拟控制信号输出模块连接。

进一步的，所述数据高速采集模块外部安装有金属屏蔽盒。

降低外界对该数据采集设备的干扰，还在一定程度上减少了数据采集设备的噪声。

进一步的，所述的多接口选择电路包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第一放大器U1，输入接口插座11连接第一开关K1，第一开关K1的两个连接端分别与第一电阻R1和第二开关K2连接，并且所述第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4依次连接；所述第一电阻R1通过第一电容C1接地，第一电容C1的一端与第一放大器U1的负端连接，并通过第三电阻R3和第三电容C3与第一放大器U1的输出端相连，所述第一放大器U1的正端通过第四电阻R4接地；所述第一放大器U1的输出端接第四开关K4；第二开关K2的一端与恒流源连接，并通过串联的第二电容C2和第二电阻R2接地，第二电容C2和第二电阻R2的公共端与第三开关K3连接。

进一步的，所述的AC/DC耦合选择电路包括第五开关K5、第四电容C4、第五电阻R5和第二放大器U2，第五开关K5的一端通过第四电容C4与第二放大器U2的正端连接，第五开关K5的另一端直接与第二放大器U2的正端连接，并通过第五电阻R5接地，所述第二放大器U2的负端与输出端连接。

进一步的，所述的增益调整电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第三放大器U3，第六电阻R6接第三放大器U3的负端，第三放大器U3的正端通过第七电阻R7接地；第三放大器的负端通过多选一开关K6接第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3，第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3的另一端接第三放大器U3的输出端。

进一步的，所述的模拟控制信号输出模块包括第七开关K7和第九电阻R9，高精度数字/模拟信号转换模块通过第七开关K7分别与第一电荷校准通道、第二电荷校准通道及电压校准通道连接，第七开关K7与电压校准通道之间串联第九电阻R9。

进一步的，所述的外部通讯接口电路包括以太网通讯电路和隔离输入/输出接口电路，所述以太网通讯电路包括以太网驱动芯片和网络隔离变压器，主控模块通过以太网驱动芯与网络隔离变压器连接，并通过RJ-45接口连接到网络上；所述隔离输入/输出接口电路采用隔离光耦，主控模块通过隔离光耦与外部设备进行通讯。

本实用新型采用上述技术方案，数据采集设备具有简单的结构，在保持高性能的同时降低了系统的成本；通过内部功能整合，利用一块高性能主控芯片，将外部通讯接口、内部通讯接口、逻辑控制部分、信号处理部分结合一体，即节约软件资源又提升了工作性能，还使硬件成本大大降低，系统工作效率提高；多个传感器信号输入模块和多个高精度模拟/数字信号转换模块，能够同步采集、转换多个信号，实现了设备的高数采性能；模拟控制信号输出模块能够将输出信号输入给信号输入模块，从而实现通道的自校准功能。

附图说明

图1为本实用新型电路模块图；

图2为本实用新型主控模块电路原理图；

图3为本实用新型以太网通讯电路模块图；

图4为本实用新型隔离输入/输出接口电路模块图；

图5为本实用新型传感器信号输入模块的电路模块图；

图6为本实用新型传感器信号输入模块的另一实施方式模块；

图7为本实用新型多接口选择电路图；

图8为本实用新型AC/DC耦合选择电路图；

图9为本实用新型增益调整电路图；

图10为本实用新型模拟控制信号输出模块电路图；

其中：1-传感器信号输入模块；2-模拟控制信号输出模块；3-高精度模拟/数字信号转换模块；4-高精度数字/模拟信号转换模块；5-主控模块；6-数据存储模块；7-外部通讯接口电路；8-以太网通讯电路；9-隔离输入/输出接口电路； 10-输入接口插座；11-多接口选择电路；12-增益调整电路；13-AC/DC耦合选择电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如图1所示，数据采集设备的电路主要包括了传感器信号输入模块1、模拟控制信号输出模块2、高精度模拟/数字信号转换模块3、高精度数字/模拟信号转换模块4、主控模块5、数据存储模块6、外部通讯接口电路7。

如图2所示，主控模块5采用ZYNQ7010，包括PL部分和ARM1部分、ARM0部分。主控模块5与数据存储模块6连接，进行内部数据通讯，所述数据存储模块6采用DDR3芯片，将主控模块5的运行程序、数据存储在DDR3芯片中。所述主控模块5通过外部通讯接口电路7与以太网和外部设备连接。

主控模块5的ARM0作为操作系统Linux实现与外部通讯接口电路7通讯，并实现通过局域网与电脑端进行通讯。主控模块5的PL部分进行逻辑控制，ARM1部分进行裸奔程序，并且PL部分和ARM1部分通过外部通讯接口电路7实现与外部的通讯，并实现自校准模式和采集模式之间的切换。主控模块5通过高精度模拟/数字信号转换模块3与传感器信号输入模块1连接。

所述PL部分和ARM1部分分别能够实现逻辑控制和裸奔程序的作用，并且能够控制自校准模式和采集模式之间的切换；所述ARM0部分作为操作系统：Linux，能够实现与网络通讯模块的连接。主控模块5功能强大，简化了外围硬件结构，降低生产成本；即能实现逻辑控制、信号处理、通讯功能，又能保证可靠稳定的连接。

外部通讯接口电路7包括以太网通讯电路8和隔离输入/输出接口电路9，所述以太网通讯电路8包括以太网驱动芯片和网络隔离变压器。所述以太网通讯电路8如图3所示，主控模块5通过以太网驱动芯片，与网络隔离变压器连接，最后通过RJ-45接口连接到网络上，实现通过局域网与电脑端进行通讯。

所述隔离输入/输出接口电路9如图4所示，主控模块5通过隔离光耦和DB9接口与外部设备进行通讯。主控模块5处理完成的信号通过以太网通讯电路8，经过交换机到达电脑端，这样就实现了数据采集设备与PC通讯以及数据交换，通过PC进行参数的设置、目标谱的编辑、信号的实时显示、试验进程的控制和报表的生成。

传感器信号输入模块1接收外部实际冲击信号和来自于模拟控制信号输出模块2的信号；传感器信号输入模块1与高精度模拟/数字信号转换模块3连接，高精度模拟/数字信号转换模块3与主控模块5连接，传感器信号输入模块1还与主控模块5连接，从而主控模块5控制着信号的采集、滤波；传感器信号输入模块1与模拟控制信号输出模块2连接实现通道校准。主控模块5与高精度数字/模拟信号转换模块4连接，经过模拟控制信号输出模块2将信号传输给传感器信号输入模块1；主控模块5还与模拟控制信号输出模块2连接。

如图6所示，传感器信号输入模块1设有四个，传感器信号输入模块1包括输入接口插座10、多接口选择电路11、增益调整电路12、AC/DC耦合选择电路13。输入接口插座10通过多接口选择电路11与AC/DC耦合选择电路13连接，多接口选择电路11包括电荷传感器信号接口、ICP传感器信号接口和电压输入接口，多接口选择电路11和主控模块5连接，主控模块5控制多接口选择电路11连接对象，采用继电器控制的方式，由主控模块5控制继电器的导通或者关闭，从而选择不同的接口。

AC/DC耦合选择电路13与增益调整电路12连接，AC/DC耦合选择电路13和多接口选择电路11、增益调整电路12均与主控模块5连接，主控模块5通过控制AC/DC耦合选择电路13，从而控制交流信号还是带直流偏置的交流信号。增益调整电路12与高精度模拟/数字信号转换模块3连接。

如图5所示，多接口选择电路11也可以与增益调整电路12连接，增益调整电路12再通过AC/DC耦合选择电路13与高精度模拟/数字信号转换模块3连接，与图2实施方式的效果相同。

因为高精度模拟/数字信号转换模块3和主控模块5连接，所以传感器信号输入模块1最终通过高精度模拟/数字信号转换模块3与主控模块5连接。同时，多接口选择电路11和AC/DC耦合选择电路13都与主控模块5连接，这样主控模块5还控制着数字信号的采集、滤波，所以主控模块5完成整个振动试验的闭环控制。

该高精度模拟/数字信号转换模块3包括二十四位精度AD芯片：采样率为：125K,250K,500K,1M,2M,4M；芯片动态范围：111dB @125KHZ，103dB @4M，能够精准地完成模拟信号到数字信号的转换，并将转换后的信号传递给主控模块5。

多接口选择电路11如图7所示，输入接口插座10连接第一开关K1，第一开关K1的两个连接端分别与第一电阻R1和第二开关K2连接，并且所述第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4依次连接。所述第一电阻R1通过第一电容C1接地，第一电容C1的一端与第一放大器U1的负端连接，并通过第三电阻R3和第三电容C3与第一放大器U1的输出端相连，所述第一放大器U1的正端通过第四电阻R4接地。所述第一放大器U1的输出端接第四开关K4。第二开关K2的一端与恒流源连接，并通过串联的第二电容C2和第二电阻R2接地，第二电容C2和第二电阻R2的公共端与第三开关K3连接。所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4均与主控模块5连接，由主控模块5控制其连接。

AC/DC耦合选择电路13如图8所示，第五开关K5的一端通过第四电容C4与第二放大器U2的正端连接，第五开关K5的另一端直接与第二放大器U2的正端连接，并通过第五电阻R5接地，所述第二放大器U2的负端与输出端连接。所述第五开关K5与主控模块5连接，由主控模块5控制第五开关K5的关闭，从而能够控制是否被采信号是否包含直流偏置，从而根据需要进行控制采集。

所述增益调整电路12如图9所示，待调整信号通过第六电阻R6接第三放大器U3的负端，第三放大器U3的正端通过第七电阻R7接地。第三放大器的负端通过多选一开关K6接第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3，通过多选一开关选择不同大放大电阻，从而输入信号放大不同的倍数，第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3的另一端接第三放大器U3的输出端。所述多选一开关K6与主控模块5连接，由主控模块5控制。

主控模块5将处理完的信息传给高精度数字/模拟信号转换模块4，高精度数字/模拟信号转换模块4再通过模拟控制信号输出模块2发送给传感器信号输入模块1，再通过高精度模拟/数字信号转换模块3采集传输给主控模块5，然后主控模块5进行校准。高精度数字/模拟信号转换模块4具有十二位精度的D/A转换芯片，完成数字信号到模拟信号的转换。校准方式为主控模块5发送标准信号至模拟控制信号输出模块2，模拟控制信号输出模块2与传感器信号输入模块1连接。

模拟控制信号输出模块2如图10所示，模拟控制信号输出模块2包括第七开关K7和第九电阻R9，高精度数字/模拟信号转换模块4通过第七开关K7分别与第一电荷校准通道、第二电荷校准通道及电压校准通道连接，第七开关K7与电压校准通道之间串联第九电阻R9，电压校准通道通过二极管D1接地。所述第七开关K7与主控模块5连接，并由主控模块5控制。

工作时，4路模拟信号分别从四个传感器信号输入模块1进入数据采集设备，经多接口选择电路11的信号选择和调理后再由AC/DC耦合选择电路13、增益调整电路12处理进入四通道的高精度模拟/数字信号转换模块3。高精度模拟/数字信号转换模块3输出的数字信号经主控模块5处理，完成信号的采样。控制时，主控模块5发送控制信号经高精度数字/模拟信号转换模块4进行数字/模拟转换，通过模拟控制信号输出模块2直接输送给传感器信号输入模块1，进行通道校准，标准信号为V1，实际采集信号为V2，则计算比例系数k=V1/V2，之后采集的数据均乘以比例系数。例如标准信号为1.1V，而实际采集信号为1.2V，则计算比例系数k=1.1/1.2，之后采集的数据均乘以比例系数k。

为了增强数据采集设备的抗干扰能力，降低噪音，在数据采集设备外部安装有一个金属屏蔽盒。

Claims (9)

1.一种数据高速采集设备，包括传感器信号输入模块（1）、模拟控制信号输出模块（2）、高精度模拟/数字信号转换模块（3）、高精度数字/模拟信号转换模块（4）、主控模块（5）、数据存储模块（6）和外部通讯接口电路（7）；其特征在于所述传感器信号输入模块（1）通过高精度模拟/数字信号转换模块（3）与主控模块（5）连接；所述模拟控制信号输出模块（2）通过高精度数字/模拟信号转换模块（4）与主控模块（5）连接；所述主控模块（5）分别与数据存储模块（6）、外部通讯接口电路（7）、传感器信号输入模块（1）和模拟控制信号输出模块（2）连接；所述模拟控制信号输出模块（2）与传感器信号输入模块（1）连接；所述传感器信号输入模块（1）为多个，所述高精度模拟/数字信号转换模块（3）也为多个，两者数量一致，传感器信号输入模块（1）与高精度模拟/数字信号转换模块（3）对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述传感器信号输入模块（1）包括输入接口插座（10）、多接口选择电路（11）、AC/DC耦合选择电路（13）、增益调整电路（12），所述输入接口插座（10）通过多接口选择电路（11）与AC/DC耦合选择电路（13）连接，所述AC/DC耦合选择电路（13）通过增益调整电路（12）与高精度模拟/数字信号转换模块（3）连接，所述多接口选择电路（11）和AC/DC耦合选择电路（13）都与主控模块（5）连接，所述输入接口插座（10）与模拟控制信号输出模块（2）连接。

3.根据权利要求1所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述传感器信号输入模块（1）包括输入接口插座（10）、多接口选择电路（11）、AC/DC耦合选择电路（13）、增益调整电路（12），所述输入接口插座（10）通过多接口选择电路（11）与增益调整电路（12）连接，所述增益调整电路（12）通过AC/DC耦合选择电路（13）与高精度模拟/数字信号转换模块（3）连接，所述多接口选择电路（11）和AC/DC耦合选择电路（13）都与主控模块（5）连接，所述输入接口插座（10）与模拟控制信号输出模块（2）连接。

4.根据权利要求1所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述数据高速采集模块外部安装有金属屏蔽盒。

5.根据权利要求2或3所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述的多接口选择电路（11）包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第一放大器U1，输入接口插座（10）连接第一开关K1，第一开关K1的两个连接端分别与第一电阻R1和第二开关K2连接，并且所述第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4依次连接；所述第一电阻R1通过第一电容C1接地，第一电容C1的一端与第一放大器U1的负端连接，并通过第三电阻R3和第三电容C3与第一放大器U1的输出端相连，所述第一放大器U1的正端通过第四电阻R4接地；所述第一放大器U1的输出端接第四开关K4；第二开关K2的一端与恒流源连接，并通过串联的第二电容C2和第二电阻R2接地，第二电容C2和第二电阻R2的公共端与第三开关K3连接。

6.根据权利要求2或3所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述的AC/DC耦合选择电路（13）包括第五开关K5、第四电容C4、第五电阻R5和第二放大器U2，第五开关K5的一端通过第四电容C4与第二放大器U2的正端连接，第五开关K5的另一端直接与第二放大器U2的正端连接，并通过第五电阻R5接地，所述第二放大器U2的负端与输出端连接。

7.根据权利要求2或3所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述的增益调整电路（12）包括第六电阻R6、第七电阻R7、第三放大器U3，第六电阻R6接第三放大器U3的负端，第三放大器U3的正端通过第七电阻R7接地；第三放大器的负端通过多选一开关K6接第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3，第一放大电阻R8-1、第二放大电阻R8-2、第三放大电阻R8-3的另一端接第三放大器U3的输出端。

8.根据权利要求1所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述的模拟控制信号输出模块（2）包括第七开关K7和第九电阻R9，高精度数字/模拟信号转换模块（4）通过第七开关K7分别与第一电荷校准通道、第二电荷校准通道及电压校准通道连接，第七开关K7与电压校准通道之间串联第九电阻R9。

9.根据权利要求1所述的一种数据高速采集设备，其特征在于所述的外部通讯接口电路（7）包括以太网通讯电路（8）和隔离输入/输出接口电路（9），所述以太网通讯电路（8）包括以太网驱动芯片和网络隔离变压器，主控模块（5）通过以太网驱动芯片，与网络隔离变压器连接，并通过RJ-45 接口连接到网络上；所述隔离输入/输出接口电路（9）采用隔离光耦，主控模块（5）通过隔离光耦与外部设备进行通讯。

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