CN215599682U - 基于平台架构形式的在线监测采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于平台架构形式的在线监测采集仪，包括机箱、通讯控制卡、模拟量采集通道卡、转速通道卡、数字通道卡、振弦采集通道卡、电源模块及接插件，模拟量采集通道卡包括信号输入模块、前置放大器、抗混滤波器、A/D转换器、FPGA以及DSP，转速通道卡包括整形电路、FPGA以及DSP，数字通道卡包括输入接口、单片机以及串口通讯RS485协议转换模块，振弦采集通道卡包括通道扫频电路、拾振电路、温度模拟转换电路、激振电路以及FPGA，通讯控制卡包括通讯模块、SOC以及FPGA，电源模块包括DC/DC电源和电源滤波器，模拟量采集通道卡、转速通道卡、振弦采集通道卡、通讯控制卡以及电源模块通过数据采集系统总线连接，增加整个监测系统的稳定性。

Description

基于平台架构形式的在线监测采集仪

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，具体涉及一种基于平台架构形式的在线监测采集仪。

背景技术

近年来，智能结构监测正在朝着智能结构发展。智能结构监测，可以保证数据的真实性，有效性，减少人工干预和误差。然而市面上传感器多种多样，有电流输出型、电压输出型、电荷输出型、数字信号、振弦信号、光信号等；一般的客户会采用多套控制器来满足采集要求，这种方式虽然能达到监测目的，却大大增加了软件集成的工作量，也降低了整体系统的稳定性。基于以上分析，为满足现场多样化的结构健康监测，增加整个监测系统的稳定性，针对结构在线研发平台架构形式的在线监测系统，采用无限扩展的设计，完全满足大型结构多测点的监测。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型采用19英寸标准机箱结构形式的数据在线监测采集仪，模块化设计，由控制层（通讯控制卡）、采集层（各个通道卡）和电源层（电源模块）组合而成，支持选配各类型模拟量、数字量采集板卡灵活组合，单台仪器最多可支持128通道同步采样，多台仪器可无限拓展并通过NTP（网络时间协议Network Time Protocol）进行同步，为了实现系统平台化，通过搭配应变采集板卡、振弦采集板卡、电压采集板卡、温度采集板卡、电流采集板卡、总线采集板卡，根据监测需求灵活搭配，可实现力、压力、位移、速度、加速度等物理量的精确测量，具备系统自检功能，可现场对磁电式、振弦、应变等传感器进行传感器自检，并在使用过程中定期检测传感器工作是否正常，硬件兼容以太网或4G(5G)与计算机通讯，可长时间实时、无间断记录多通道信号，多台仪器可进行NTP同步，最高连续采样速率单通道可达200Hz，网络连接部分利用TCP自带的keep-alive，通过使用keep-alive机制，可以减少TCP连接建立次数，也意味着可以减少TIME_WAIT状态连接，以此提高性能和稳定性，为符合在线监测复杂环境的要求，先进的隔离技术和合理的接地，使系统具有极强的抗干扰能力，可用于各种工程现场的长期监测，所述采集仪包括机箱、通讯控制卡、模拟量采集通道卡、转速通道卡、数字通道卡、振弦采集通道卡、电源模块及接插件，所述模拟量采集通道卡包括信号输入模块、前置放大器、抗混滤波器、A/D转换器、FPGA（DSP、AD与总线间的数字信号）、以及DSP（数字滤波），所述转速通道卡包括整形电路、FPGA以及DSP，所述数字通道卡包括输入接口、单片机以及串口通讯RS485协议转换模块，所述振弦采集通道卡包括通道扫频电路、拾振电路、温度模拟转换电路、激振电路以及FPGA，所述通讯控制卡包括通讯模块、SOC以及FPGA，所述电源模块包括DC/DC电源和电源滤波器，所述模拟量采集通道卡、转速通道卡、振弦采集通道卡、通讯控制卡以及电源模块通过数据采集系统总线连接。

作为本实用新型的一种改进，信号输入模块通过前置放大器对外部模拟信号进行调理放大，调理后的信号经过抗混滤波器滤波后通过A/D转换器转换，将原先的模拟信号转换为数字信号，通过FPGA进行数字逻辑处理，需要进行相关计算的传至DSP进行处理。

作为本实用新型的一种改进，转速信号接入所述转速通道卡后通过整形电路后，由FPGA和DSP信号处理后进入总线。

作为本实用新型的一种改进，信号接入所述数字通道后，由单片机预先处理，处理后经过串口通讯RS485协议转换模块转换后进入总线。

作为本实用新型的一种改进，振弦信号接入通道扫频电路，将频率信号传至拾振电路与频率转换电路放大整形处理，FPGA将频率信号转换成数字离散型信号，振弦传感器中的热敏电阻将温度信号通过温度模拟转换电路至FPGA，通过运算转换至所需的信号，再接入总线。

作为本实用新型的一种改进，每台信息采集装置机箱配置一张通讯控制卡,所有通道由控制卡的SOC（片上系统，system on chip）和FPGA（Field-Programmable GateArray）负责数据管理以及各种参数的控制交互，数据输出和通讯通过标准以太网或光纤，保证通讯稳定性及异常恢复，采集仪与计算机之间通过网络协议实现物理层通讯，多台扩展时，以太网通讯经交换机组建局域网后接入控制计算机，4G通讯可通过多网口的4G模块接入控制计算机，多台之间通过NTP（网络时钟）同步实现同步。

作为本实用新型的一种改进，电源部分虽然从原理上看很简单,但是一款高性能的数据采集系统,决定了系统的可靠性和稳定性,最关键的是会严重影响采集通道的信噪比和测量误差,本系统的供电,外部电源由电源滤波器处理后，先由AC/DC电源管理模块转换成适用的直流电源，再由DC/DC电源转换成多组直流电源用于各部分电路使用。

本实用新型中，所述模拟电路用于将外部的模拟信号进行放大和滤波,所述单片机用于设置模拟电路的参数,如放大倍数、滤波截止频率等，A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号，通讯控制卡用于上传采样数据和下传命令。

作为本实用新型的一种改进，对于所述系统的抗干扰部分包括辐射干扰的抑制和传导干扰性的抑制，其中辐射干扰的抑制：所述系统的抗干扰模块用于消除或抑制噪声源，破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施，常见的抗干扰措施有屏蔽、隔离、接地、滤波、信号线的扭绞等，包括以下3个方面：一是对于电场耦合干扰，系统采用铜材料等良导体(采集器内部接地线选用尽可能粗的铜导线，部分采用电感量很小的铜板条，作为地线来降低阻抗)，构成完整的屏蔽体，良好接地（零电位的金属体）即可有效抑制；二是对于磁场耦合干扰，线路板外部主要依靠导磁材料（如马口铁）所具有的低磁阻，对干扰磁场进行磁场分路，大大降低屏蔽体内的磁场，输入端的差动输入，抑制了磁场在输入回路形成的干扰；三是对于电磁场耦合的干扰，利用金属材料（机箱外壳及采集通道面板）对电磁波的吸收和反射，实现对电磁波的屏蔽，传到干扰性的抑制，对于传导干扰，可以等效为作用于输入、输出地之间的共模电压UC，因为UC（Z1）=Z1UC/(Z1+Z2)，而Z2＞＞Z1，则测试系统输入端共模电压UCZ1经隔离后，电压很小，可通过差动放大器来有效抑制，所以，系统经过隔离，对于±500V（DC或AC峰值）范围内的共模电压，共模抑制（CMR）大于120dB。

本实用新型的有益效果是:本实用新型的采集仪可满足连接市面上多种多样的传感器，达到在线监测的目的同时，保证了整体系统的稳定性，采用无限扩展的设计，完全满足大型结构多测点的监测。

附图说明

图1为本实用新型所述的检测系统连接示意图。

图2为图1的第一局部放大图。

图3为图1的第二局部放大图。

图4为图1的第三局部放大图。

图5为图1的第四局部放大图。

图6为说明书所述的抗干扰模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

实施例：根据图1所示，所述采集仪包括机箱、通讯控制卡、模拟量采集通道卡、转速通道卡、数字通道卡、振弦采集通道卡、电源模块及接插件，所述模拟量采集通道卡包括信号输入模块、前置放大器、抗混滤波器、A/D转换器、FPGA（DSP、AD与总线间的数字信号）、以及DSP（数字滤波），所述转速通道卡包括整形电路、FPGA以及DSP，所述数字通道卡包括输入接口、单片机以及串口通讯RS485协议转换模块，所述振弦采集通道卡包括通道扫频电路、拾振电路、温度模拟转换电路、激振电路以及FPGA，所述通讯控制卡包括通讯模块、SOC以及FPGA，所述电源模块包括DC/DC电源、AC/DC电源和电源滤波器，所述模拟量采集通道卡、转速通道卡、振弦采集通道卡、通讯控制卡以及电源模块通过数据采集系统总线连接，信号输入模块通过前置放大器对外部模拟信号进行调理放大，调理后的信号经过抗混滤波器滤波后通过A/D转换器转换，将原先的模拟信号转换为数字信号，通过FPGA进行数字逻辑处理，需要进行相关计算的传至DSP进行处理，转速信号接入所述转速通道卡后通过整形电路后，由FPGA和DSP信号处理后进入总线，信号接入所述数字通道后，由单片机预先处理，处理后经过串口通讯RS485协议转换模块转换后进入总线，振弦信号接入通道扫频电路，将频率信号传至拾振电路与频率转换电路进行放大整形处理，FPGA将频率信号转换成数字离散型信号，振弦传感器中的热敏电阻将温度信号通过温度模拟转换电路至FPGA，通过运算转换至所需的信号，每台信息采集装置机箱配置一张控制卡,所有通道由控制卡的SOC和FPGA负责数据管理以及各种参数的控制交互，数据输出和通讯通过经改造的特殊以太网/光纤模块控制, 采集仪与计算机之间通过网络协议实现物理层通讯，多台扩展时，以太网通讯经交换机组建局域网后接入控制计算机，4G通讯可通过多网口的4G模块接入控制计算机，多台之间通过NTP实现同步，电源部分虽然从原理上看很简单,但是一款高性能的数据采集系统,电源部分肯定是最经典最依赖于经验的,不但决定了系统的可靠性和稳定性,最关键的是会严重影响采集通道的信噪比和测量误差,本系统的供电,外部电源由电源滤波器处理后，先由AC/DC电源管理模块转换成适用的直流电源，再由DC/DC电源转换成多组直流电源用于各部分电路使用。

本实用新型中，所述模拟电路用于将外部的模拟信号进行放大和滤波,所述单片机用于设置模拟电路的参数,如放大倍数、滤波截止频率等，A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号，通讯控制卡用于上传采样数据和下传命令。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“ 安装”、“ 相连”、“ 连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，所述采集仪包括机箱、通讯控制卡、模拟量采集通道卡、转速通道卡、数字通道卡、振弦采集通道卡、电源模块及接插件，所述模拟量采集通道卡包括信号输入模块、前置放大器、抗混滤波器、A/D转换器、FPGA以及DSP，所述转速通道卡包括整形电路、FPGA以及DSP，所述数字通道卡包括输入接口、单片机以及串口通讯RS485协议转换模块，所述振弦采集通道卡包括通道扫频电路、拾振电路、温度模拟转换电路、激振电路以及FPGA，所述通讯控制卡包括通讯模块、SOC以及FPGA，所述电源模块包括DC/DC电源和电源滤波器，所述模拟量采集通道卡、转速通道卡、振弦采集通道卡、通讯控制卡以及电源模块通过数据采集系统总线连接。

2.根据权利要求1所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，信号输入模块通过前置放大器对外部模拟信号进行调理放大，调理后的信号经过抗混滤波器滤波后通过A/D转换器转换，将原先的模拟信号转换为数字信号，通过FPGA进行数字逻辑处理，再经过DSP进行处理。

3.根据权利要求1所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，转速信号接入所述转速通道卡后通过整形电路后，由FPGA和DSP信号处理后进入总线。

4.根据权利要求1所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，信号接入所述数字通道后，由单片机预先处理，处理后经过串口通讯RS485协议转换模块转换后进入总线。

5.根据权利要求1所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，振弦信号接入通道扫频电路，将频率信号传至拾振电路与频率转换电路进行放大整形处理，FPGA将频率信号转换成数字离散型信号，振弦传感器中的热敏电阻将温度信号通过温度模拟转换电路至FPGA，通过运算转换至所需的信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，所有通道由控制卡的SOC和FPGA负责数据管理以及各种参数的控制交互，数据输出和通讯通过经改造的以太网/光纤模块控制。

7.根据权利要求6所述的基于平台架构形式的在线监测采集仪，其特征在于，外部电源由电源滤波器处理后，先由AC/DC电源管理模块转换成适用的直流电源，再由DC/DC电源转换成多组直流电源用于各部分电路使用。

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