CN211293690U - 一种基于差动桥电路的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于差动桥电路的数据采集系统，涉及信息采集技术领域，包含FPGA控制器模块、温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、机载终端、SM5852气压采集模块、调理电路模块、IO端口控制模块、外部晶振模块、功率驱动模块、阀门电机、阀门、通信模块、光电耦合器、电流电压检测模块、DC/DC变换模块和电源模块。本实用新型能够可靠稳定地采集到传感器数据，并能长时间稳定地与北斗定位模块和机载终端通信，能够通过地面控制系统发送指令控制数据采集系统，另外本实用新型差动桥电路不改变外部负载原有的对地共模电压，不使用隔离电源，能够避免共模噪声问题。

Description

一种基于差动桥电路的数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及信息采集技术领域，更具体地说，本实用涉及一种基于差动桥电路的数据采集系统。

背景技术

目前已经有多种成熟的数据采集系统，主要用于工业生产、环境监测、航空航天和科学研究领域中。大部分实时数据采集系统选用DSP(Digital Signal Processing)控制器和微控制器作为控制核心，比较容易实现复杂的算法，但是它们受到信息吞吐量和带宽的限制，不能实现并行化处理，在高速大批量数据采集时有些乏力。而有极强并行处理数据能力的现场可编程门阵列器件(Field Programmable Gate Array，FPGA)备受青睐，以FPGA为控制核心的数据采集系统也日渐兴盛。FPGA具有灵活性高、可扩展性强和资源丰富的特点，而且能够应对各种形式的接口协议，使其在数据采集系统中得到广泛应用。有些FPGA是反熔丝的，可靠性能和稳定性能非常高，这类FPGA 在特定宇航应用中是必选项。

地球临近空间低温、低压、高辐射，环境极端恶劣，数据采集系统的传感器和控制部件很容易受到影响而工作异常，甚至出现系统崩溃的现象。此环境下设计数据采集系统需要考虑稳定性。FPGA能够实现复杂电路，能减小电路板上因布线产生的电磁干扰。与DSP控制器和其他CPU微控制器相比，FPGA 生成硬件电路的特性更具有抗干扰性。前人进行可靠性处理的方法有冗余结构设计和配置存储器的回读校验与重配置。同时数据采集系统可靠性也有合理的评估指标，例如运行环境、系统集成、人机耦合、方案成熟性及安全性。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的实施例提供一种基于差动桥电路的数据采集系统，其能够可靠稳定地采集到传感器数据，并能长时间稳定地与北斗定位模块和机载终端通信，能够通过地面控制系统发送指令控制数据采集系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于差动桥电路的数据采集系统，包含FPGA控制器模块、温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、机载终端、SM5852气压采集模块、调理电路模块、IO端口控制模块、外部晶振模块、功率驱动模块、阀门电机、阀门、通信模块、光电耦合器、电流电压检测模块、DC/DC变换模块和电源模块；所述温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、IO端口控制模块、机载终端、外部晶振模块和通信模块分别与FPGA控制器模块连接；所述SM5852气压采集模块通过调理电路模块连接FPGA控制器模块，所述阀门通过光电耦合器连接FPGA控制器模块，所述FPGA控制器模块通过功率驱动模块连接阀门电机；所述电源模块分别通过电流电压检测模块、DC/DC变换模块连接FPGA控制器模块，所述温度传感器与FPGA控制器模块之间设有差动桥电路、放大滤波电路、AD转换模块；所述温度传感器依次通过差动桥电路、放大滤波电路、AD 转换模块连接FPGA控制器模块；

所述差动桥电路包括第一恒流源、第二恒流源、第一电流检测模块、第二电流检测模块和误差放大器；所述第一恒流源与正电源连接；所述第一电流检测模块分别与所述第一恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述误差放大器与所述第一恒流源连接；所述第二恒流源与负电源连接；所述第二电流检测模块分别与所述第二恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一恒流源包括三极管和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述正电源，所述三极管的集电极与所述第一电流检测模块连接，所述三极管的基极与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的正输入端与所述三极管的集电极连接，所述仪表放大器的负输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述误差放大器由两级运算放大器组成，并联有一电容的第一级运算放大器的输出端串联一个电阻连接到并联有一电阻的第二级运算放大器的负输入端，所述第一级运算放大器的负输入端串联一个电阻连接到所述仪表放大器的输出端，所述第一级运算放大器的正输入端与所述第二电流检测模块连接，所述第二级运算放大器的正输入端接地，所述第二级运算放大器的输出端与所述三极管的基极连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的负输入端与所述第二恒流源连接，所述仪表放大器的正输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述第一级运算放大器的正输入端连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二恒流源包括三极管、运算放大器和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述负电源，所述三极管的集电极与所述仪表放大器的负输入端连接，所述三极管的基极与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的正输入端连接到设定输出电流的控制电压，所述运算放大器的负输入端连接到所述三极管的发射极与所述分压电阻之间；所述差动输出恒流源电路中，所述外部负载包括被测CAN设备和CAN一致性测量设备；所述被测CAN设备有CAN_H、 CAN_L和CAN_GND三个端子，CAN_GND接地，CAN_H和CAN_L间连接有终端电阻；所述CAN一致性测量设备的两个输入端分别连接CAN_H、CAN_L，其一个参考端接地，所述CAN一致性测量设备内包括一个产生共模电压的共模电源连接一个测试电阻到其中一个输入端，所述共模电源另一端接地。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述电源模块包含主电源和电池。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述FPGA控制器模块选用Altera公司的Cyclone IV E系列的 EP4CE22F1717作为采集系统的控制器。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述温度传感器采用PT100温度传感器。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述FPGA控制器模块通过两个RS422接口与机载终端相连。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述FPGA控制器模块通过两个RS232接口连接北斗定位模块。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述RS422接口的芯片选用ADI公司ADM2587E。

作为本实用新型一种基于差动桥电路的数据采集系统的进一步优选方案，所述RS232接口的芯片采用ADI公司的ADM3251E。

本实用新型的技术效果和优点：

1、本实用新型能够可靠稳定地采集到传感器数据，并能长时间稳定地与北斗定位模块和机载终端通信，能够通过地面控制系统发送指令控制数据采集系统；

2、本实用新型差动桥电路不改变外部负载原有的对地共模电压，不使用隔离电源，能够避免共模噪声问题；

3、本实用新型临空数据采集系统主要包括了以FPGA为控制器的最小系统模块、传感器模块、UART串口通信模块和控制模块，最小系统是维持FPGA 控制器正常运行的外围电路；传感器模块涉及温度、角度、电流电压等信号的采集与调理，因为硬件的冗余，信号被分为主板信号和从板信号；UART串口通信模块包括2个RS232串口与北斗定位模块相连、2个RS422串口与临空机载终端连接；控制模块主要包括阀门控制模块和温度控制模块，温度控制模块用于控制加热电阻，来维持电路板上的元器件正常运行。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图；

图2为本实用新型差动桥电路的电路图；

图3是本实用新型差动桥电路工作原理电路图。

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。

一种基于差动桥电路的数据采集系统，如图1所示，包含FPGA控制器模块、温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、机载终端、SM5852气压采集模块、调理电路模块、IO端口控制模块、外部晶振模块、功率驱动模块、阀门电机、阀门、通信模块、光电耦合器、电流电压检测模块、DC/DC变换模块和电源模块；所述温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、IO端口控制模块、机载终端、外部晶振模块和通信模块分别与FPGA控制器模块连接；所述SM5852气压采集模块通过调理电路模块连接FPGA控制器模块，所述阀门通过光电耦合器连接FPGA控制器模块，所述FPGA控制器模块通过功率驱动模块连接阀门电机；所述电源模块分别通过电流电压检测模块、DC/DC变换模块连接FPGA控制器模块。

本实用新型临空数据采集系统主要包括了以FPGA为控制器的最小系统模块、传感器模块、UART串口通信模块和控制模块。如图1所示，最小系统是维持FPGA控制器正常运行的外围电路；传感器模块涉及温度、角度、电流电压等信号的采集与调理，因为硬件的冗余，信号被分为主板信号和从板信号；UART串口通信模块包括2个RS232串口(与北斗定位模块相连)、2个RS422 串口(与临空机载终端连接)；控制模块主要包括阀门控制模块和温度控制模块，温度控制模块用于控制加热电阻，来维持电路板上的元器件正常运行。

如图2-3所示，所述差动桥电路包括第一恒流源、第二恒流源、第一电流检测模块、第二电流检测模块和误差放大器；所述第一恒流源与正电源连接；所述第一电流检测模块分别与所述第一恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述误差放大器与所述第一恒流源连接；所述第二恒流源与负电源连接；所述第二电流检测模块分别与所述第二恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一恒流源包括三极管和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述正电源，所述三极管的集电极与所述第一电流检测模块连接，所述三极管的基极与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的正输入端与所述三极管的集电极连接，所述仪表放大器的负输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述误差放大器由两级运算放大器组成，并联有一电容的第一级运算放大器的输出端串联一个电阻连接到并联有一电阻的第二级运算放大器的负输入端，所述第一级运算放大器的负输入端串联一个电阻连接到所述仪表放大器的输出端，所述第一级运算放大器的正输入端与所述第二电流检测模块连接，所述第二级运算放大器的正输入端接地，所述第二级运算放大器的输出端与所述三极管的基极连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的负输入端与所述第二恒流源连接，所述仪表放大器的正输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述第一级运算放大器的正输入端连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二恒流源包括三极管、运算放大器和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述负电源，所述三极管的集电极与所述仪表放大器的负输入端连接，所述三极管的基极与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的正输入端连接到设定输出电流的控制电压，所述运算放大器的负输入端连接到所述三极管的发射极与所述分压电阻之间；所述差动输出恒流源电路中，所述外部负载包括被测CAN设备和CAN一致性测量设备；所述被测CAN 设备有CAN_H、CAN_L和CAN_GND三个端子，CAN_GND接地，CAN_H和CAN_L 间连接有终端电阻；所述CAN一致性测量设备的两个输入端分别连接CAN_H、 CAN_L，其一个参考端接地，所述CAN一致性测量设备内包括一个产生共模电压的共模电源连接一个测试电阻到其中一个输入端，所述共模电源另一端接地。

以图3举的实施例说明工作原理。A41、Q2、R4构成一个恒流源，A41是一个运放。Vc是对负电源Vee参考的控制电压，通过运放的负反馈作用，是 R4上的压降等于控制电压Vc，对于给定的Vc可得到所需的流过R4的电流，因为三极管的共射极电流放大系数hfe远大于1，因此流进10脚的电流可认为等于流过R4的电流。Q2产生的电流流过R3，仪表放大器A31放大R3上的压降，A31在8脚输出对地参考的电压信号，该电压正比于流过R3的电流，8 脚电压

输入到运放A51的同相输入端。Q1在2脚电压控制下在3脚输出一个电流，该电流流过R2，A21放大R2的压降，在5脚输出一个正比于流过R2电流的电压信号，该电压信号对地参考，这个电压信号经过电阻R5连接到A51 反向输入端。

A51、A52、C1、R5、R6、R7构成误差放大器。以同相端14脚的电压为参考，若流过R2的电流下降，则A21输出电压下降，13脚电压低于14脚电压，则该差值被A51的开环增益放大，此时A51输出电压上升，通过A52反相器在15脚输出变为下降，使Q1的基极(2脚)电压下降，Q1基极电流增大，所以Q1集电极电流增大，R2压降上升，A21输出上升，13脚输出电压上升，从而抑制流过R2的电流下降，这是一个负反馈过程。

若流过R2的电流上升，则A21输出电压上升，13脚电压高于14脚电压，则该差值被A51的开环增益放大，此时A51输出电压下降，通过A52反相器在15脚输出变为上升，使Q1的基极(2脚)电压上升，Q1基极电流减少，所以Q1集电极电流减少，R2压降下降，A21输出下降，13脚输出电压下降，从而抑制流过R2的电流上升，这是一个负反馈过程。

作为本实用优选的实施例：所述温度传感器与FPGA控制器模块之间设有差动桥电路、放大滤波电路、AD转换模块；所述温度传感器依次通过差动桥电路、放大滤波电路、AD转换模块连接FPGA控制器模块。

作为本实用优选的实施例：所述温度传感器采用PT100温度传感器来测量10路温度。PT100温度传感器将温度变量转换成可以传送的标准化电信号。此传感器精度高，稳定性好，测温范围在-200℃～650℃之间，符合临空测温范围要求。将PT100传感器连接到差动电路中，测量差分电压，将此电压信号进行整形调理，经过模数转换芯片得到数字值暂存到FPGA中的内存中。滤波电路采用阻容滤波。仪表放大器采用TI公司的仪表放大器INA333，该放大器具有低功耗、高精度的特性。AD转换芯片应用5V供电电压的TLC2543IN，允许11路外部模拟信号并行输入，串口输出转换数据，具有12位的分辨率。

作为本实用优选的实施例：所述电源模块包含主电源和电池。

作为本实用优选的实施例：所述FPGA控制器模块选用Altera公司的 CycloneIVE系列的EP4CE22F1717作为采集系统的控制器。

作为本实用优选的实施例：气压采集模块选用SMI公司的SM5852系列气压传感器来采集气压信号。SM5852传感器的工作温度为-40℃～125℃，能够满足临空的恶劣环境，芯片内部有温度补偿算法，实现气压的精准测量。本文选用SM5852-003传感器，其可测压力范围是0～0.3PSI(Pounds per Square Inch)。气压传感器既可以输出数字信号，又可以输出模拟信号。为了使系统设计简单而且信号获取精确高，这里直接采集传感器的数字信号。数字信号是通过IIC协议传输的，并利用74LVC4245电平转换芯片将电压的控制器与传感器连接在一起，将5V的数字信号转换为3.3V数字信号，同时对控制模块起到保护作用。

作为本实用优选的实施例：本实用新型的FPGA控制器模块放置在数据采集系统的平台上，与地面指挥站通信交互信息主要有两类：一类是下发采集器收集到的数据信息，另一类接收地面指挥系统的指令信息。为了保证数据安全和采集系统的可靠性，对通信模块冗余设计。通过两个RS422接口与机载终端相连，机载终端再通过无线通信与地面指挥站交互信息。另外，还通过两个RS232接口与北斗定位模块相连，通过北斗定位卫星服务与地面指挥站联系。同时，采集器的定位信息一同下发到地面。RS422接口芯片选用ADI 公司ADM2587E，RS232接口芯片采用ADI公司的ADM3251E。两个RS422接口分为主板串口、从板串口，主板串口处理的是与主板相关的数据信息，从板串口处理与从板相关的数据信息所述FPGA控制器模块通过两个RS422接口与机载终端相连。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。上面对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：包含FPGA控制器模块、温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、机载终端、SM5852气压采集模块、调理电路模块、IO端口控制模块、外部晶振模块、功率驱动模块、阀门电机、阀门、通信模块、光电耦合器、电流电压检测模块、DC/DC变换模块和电源模块；所述温度传感器、角度传感器、北斗定位模块、IO端口控制模块、机载终端、外部晶振模块和通信模块分别与FPGA控制器模块连接；所述SM5852气压采集模块通过调理电路模块连接FPGA控制器模块，所述阀门通过光电耦合器连接FPGA控制器模块，所述FPGA控制器模块通过功率驱动模块连接阀门电机；所述电源模块分别通过电流电压检测模块、DC/DC变换模块连接FPGA控制器模块；所述温度传感器与FPGA控制器模块之间设有差动桥电路、放大滤波电路、AD转换模块；所述温度传感器依次通过差动桥电路、放大滤波电路、AD转换模块连接FPGA控制器模块；

所述差动桥电路包括第一恒流源、第二恒流源、第一电流检测模块、第二电流检测模块和误差放大器；所述第一恒流源与正电源连接；所述第一电流检测模块分别与所述第一恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述误差放大器与所述第一恒流源连接；所述第二恒流源与负电源连接；所述第二电流检测模块分别与所述第二恒流源、误差放大器和外部负载连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一恒流源包括三极管和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述正电源，所述三极管的集电极与所述第一电流检测模块连接，所述三极管的基极与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第一电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的正输入端与所述三极管的集电极连接，所述仪表放大器的负输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述误差放大器连接；所述差动输出恒流源电路中，所述误差放大器由两级运算放大器组成，并联有一电容的第一级运算放大器的输出端串联一个电阻连接到并联有一电阻的第二级运算放大器的负输入端，所述第一级运算放大器的负输入端串联一个电阻连接到所述仪表放大器的输出端，所述第一级运算放大器的正输入端与所述第二电流检测模块连接，所述第二级运算放大器的正输入端接地，所述第二级运算放大器的输出端与所述三极管的基极连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二电流检测模块包括仪表放大器和电流检测电阻，所述电流检测电阻与所述仪表放大器并联，所述仪表放大器的负输入端与所述第二恒流源连接，所述仪表放大器的正输入端与外部负载连接，所述仪表放大器的输出端与所述第一级运算放大器的正输入端连接；所述差动输出恒流源电路中，所述第二恒流源包括三极管、运算放大器和分压电阻，所述三极管的发射极串联所述分压电阻连接到所述负电源，所述三极管的集电极与所述仪表放大器的负输入端连接，所述三极管的基极与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的正输入端连接到设定输出电流的控制电压，所述运算放大器的负输入端连接到所述三极管的发射极与所述分压电阻之间；所述差动输出恒流源电路中，所述外部负载包括被测CAN设备和CAN一致性测量设备；所述被测CAN设备有CAN_H、CAN_L和CAN_GND三个端子，CAN_GND接地，CAN_H和CAN_L间连接有终端电阻；所述CAN一致性测量设备的两个输入端分别连接CAN_H、CAN_L，其一个参考端接地，所述CAN一致性测量设备内包括一个产生共模电压的共模电源连接一个测试电阻到其中一个输入端，所述共模电源另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述电源模块包含主电源和电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述FPGA控制器模块选用Altera公司的Cyclone IV E系列的EP4CE22F1717作为采集系统的控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述温度传感器采用PT100温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述FPGA控制器模块通过两个RS422接口与机载终端相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述FPGA控制器模块通过两个RS232接口连接北斗定位模块。

7.根据权利要求6所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述RS422接口的芯片选用ADI公司ADM2587E。

8.根据权利要求7所述的一种基于差动桥电路的数据采集系统，其特征在于：所述RS232接口的芯片采用ADI公司的ADM3251E。

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