CN218446423U - 一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，系统包括：数据处理芯片FPGA、缓冲存储装置、ADC采样芯片、串口通信芯片和信号调理模块。本申请能够应用于基于罗兰圆的油料直读光谱仪中，作为光信号采集处理系统，对光电倍增管输出的数据信号进行采集处理并传输到上位机软件。相较于传统的数据采集系统，本申请具有操作性强，可多通道同步传输等特点。

Description

一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统

技术领域

本申请涉及油料直读光谱仪领域，尤其是一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统。

背景技术

随着工业化生产的不断发展，机器越来越大型化、复杂化、连续化，对机器的维修要求越来越高，通过直读光谱仪的油液监测手段，能够有效地评价机械设备的工况和预测故障，确定故障原因、类型和零件。传统的直读光谱仪主要通过步进电机对波长进行扫描的方法来获得波长信号的参数，这种数据采集方式缺乏时效性和科学性。因此，用户对光谱仪的数据采集系统提出了一些新的更高的要求。

目前油料直读光谱仪采用的是通过步进电机对波长进行扫描的方法来获得波长信号的参数，如此做法无法保证数据的实时性和科学性。而基于FPGA的数据采集系统，可以直接采用原本传统的数据处理模块，并通过FPGA的多任务同步进行功能实现数据的同步采集处理。相关的油料直读光谱仪的多通道数据采集不同步问题以及采集过程中数据丢失问题。

因此，相关技术存在的上述技术问题亟待解决。

实用新型内容

本申请旨在解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请实施例提供一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，能够对油料直读光谱仪的多通道数据进行高效采集。

根据本申请实施例一方面，提供一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，所述系统包括：数据处理芯片FPGA、缓冲存储装置、ADC采样芯片、串口通信芯片和信号调理模块；

所述信号调理模块与油料直读光谱仪的光电倍增管建立有若干个连接通道，对所述多通道数据进行微弱信号放大处理，通过数字滤波器对所述多通道数据进行二次滤波，所述信号调理模块与ADC采样芯片连接，并将采集并二次滤波的所述多通道数据输出至所述ADC采样芯片；

所述ADC采样芯片包括多路并行ADC采样芯片，所述多路并行ADC采样芯片对油料直读光谱仪的多通道数据进行同步采集；

所述缓冲存储装置由数据缓存芯片SDRAM和FIFO构成，所述缓冲存储装置对经过二次滤波后的所述多通道数据进行完整保存，并通过所述串口通信芯片输出至上位机；

所述串口通信芯片分别与所述缓冲存储装置和上位机连接；

所述数据处理芯片FPGA分别与所述缓冲存储装置和所述信号调理模块连接，用于控制所述缓冲存储装置和所述信号调理模块运行。

其中，所述系统还包括：

ADC对所述多通道数据进行数模转换，所述数据处理芯片FPGA实时接收ADC传输的数据，经处理后存放到外部存储区已划分好的区域中。

其中，所述信号调理模块包括I/V转换电路、可程控增益放大电路、低通滤波器电路；

所述多通道数据的微弱信号通过端口输入所述I/V转换电路进行线性放大，并转为电压信号；

所述电压信号进入所述可程控增益放大电路，进行二次放大，针对输入信号的量级自动调整增益，使输出信号始终在ADC采集范围之内；

低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声部分。

其中，所述数据缓存模块由SDRAM控制器和FIFO数据缓冲模块组成；

所述SDRAM控制器用于实现SDRAM的各种工作时序及给系统实时提供当前的工作状态，以进行数据的储存和读取；

FIFO数据缓存模块用于实现数据输入输出的异步通信。

其中，所述系统还包括电源模块，所述电源模块包括TPS54331、ICL7660A、SPX1117以及HCES1-24S15集成电源模块。

本申请实施例提供的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统的有益效果为：本申请能够应用于基于罗兰圆的油料直读光谱仪中，作为光信号采集处理系统，对光电倍增管输出的数据信号进行采集处理并传输到上位机软件。相较于传统的数据采集系统，本申请具有操作性强，可多通道同步传输等特点。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统的架构示意图；

图2为本申请实施例提供的多通道数据采集系统中的FPGA各功能模块划分；

图3为本申请实施例提供的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统的数据流通示意图；

图4为本申请实施例提供的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统的供电示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

随着工业化生产的不断发展，机器越来越大型化、复杂化、连续化，对机器的维修要求越来越高，通过直读光谱仪的油液监测手段，能够有效地评价机械设备的工况和预测故障，确定故障原因、类型和零件。传统的直读光谱仪主要通过步进电机对波长进行扫描的方法来获得波长信号的参数，这种数据采集方式缺乏时效性和科学性。因此，用户对光谱仪的数据采集系统提出了一些新的更高的要求。

目前油料直读光谱仪采用的是通过步进电机对波长进行扫描的方法来获得波长信号的参数，如此做法无法保证数据的实时性和科学性。而基于FPGA的数据采集系统，可以直接采用原本传统的数据处理模块，并通过FPGA的多任务同步进行功能实现数据的同步采集处理。相关的油料直读光谱仪的多通道数据采集不同步问题以及采集过程中数据丢失问题。

为了解决上述问题，本申请提出了一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统。本申请的思路为：对于光谱仪的信号采集系统的两个关键技术指标是微弱光电信号的处理和多通道数据的同步采集和传输。因此既要满足将微弱信号放大到有效的采集范围内，并且滤除噪声，提取有用信号，并且要实现多个通道的微弱信号同步采集，而基于FPGA的数据采集系统就可以完美的解决以上的相关问题。本发明的多通道采集系统主要是通过信号调理模块、数据采集模块、数据传输模块等构成的系统来实现目标信号的完整采集并处理，围绕FPGA搭建系统框架，针对光电倍增管输出的微弱电流信号设计增益可控的信号调理模块，设计高衰减率的低通滤波器进行噪声滤波，为保证数据的不丢失，搭建以SDRAM为主芯片的数据存储模块，通过UART与上位机软件进行数据交互，从而实现用于油料直读光谱仪的多通道数据采集系统。

图1的图例为：1-系统整体、2-信号调理模块、3-ADC采样芯片、4-数据处理芯片FPGA、 5-缓冲存储装置、6-串口通信芯片、7-上位机、8-油料直读光谱仪、9-电源模块。

基于此，如图1所示，本申请提出的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统包括：数据处理芯片FPGA、缓冲存储装置、ADC采样芯片、串口通信芯片和信号调理模块；所述信号调理模块与油料直读光谱仪的光电倍增管建立有若干个连接通道，对所述多通道数据进行微弱信号放大处理，通过数字滤波器对所述多通道数据进行二次滤波，所述所述信号调理模块与ADC采样芯片连接，并将采集并二次滤波的所述多通道数据输出至所述ADC采样芯片；所述ADC采样芯片包括多路并行ADC采样芯片，所述多路并行ADC采样芯片对油料直读光谱仪的多通道数据进行同步采集；所述缓冲存储装置由数据缓存芯片SDRAM和FIFO 构成，所述缓冲存储装置对经过二次滤波后的所述多通道数据进行完整保存，并通过所述串口通信芯片输出至上位机；所述串口通信芯片分别与所述缓冲存储装置和上位机连接；所述数据处理芯片FPGA分别与所述缓冲存储装置和所述信号调理模块连接，用于控制所述缓冲存储装置和所述信号调理模块运行。

如图2所示，数据采集系统中的FPGA各功能模块划分包括：1是信号调理模块，6是参数控制模块，7是数据控制模块，这三个模块组成信号调理模块中的多级增益控制功能；2是 ADC采集控制模块，控制ADC的模数转换启动和停止；4是FIFO(First In First Out)缓冲模块，7是SDRAM存储模块，二者组成SDRAM数据缓存模块；8是USB串口控制模块，控制串口通信的接收和发送；9是时钟管理模块，由FPGA芯片内集成的PLL(Phase Locked Loop，锁相环)组成。

具体地，所述系统还包括：ADC对所述多通道数据进行数模转换，所述数据处理芯片 FPGA实时接收ADC传输的数据，经处理后存放到外部存储区已划分好的区域中。

具体地，所述信号调理模块包括I/V转换电路、可程控增益放大电路、低通滤波器电路；所述多通道数据的微弱信号通过端口输入所述I/V转换电路进行线性放大，并转为电压信号；所述电压信号进入所述可程控增益放大电路，进行二次放大，针对输入信号的量级自动调整增益，使输出信号始终在ADC采集范围之内；低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声部分。

具体地，所述数据缓存模块由SDRAM控制器和FIFO数据缓冲模块组成；所述SDRAM控制器用于实现SDRAM的各种工作时序及给系统实时提供当前的工作状态，以进行数据的储存和读取；FIFO数据缓存模块用于实现数据输入输出的异步通信。

由图3可知，数据采集系统工作时，信号调理模块对输入微弱电流信号进行放大滤波处理，由ADC进行数模转换，FPGA实时接收ADC传输的数据，经处理后存放到外部存储区已划分好的区域中，然后由串口通信模块对存储区中的数据进行读取，传输给上位机虚拟仪器。

首先光电倍增管输出的微弱电流信号通过信号调理模块进行放大滤波，主要通过以下三个硬件电路实现：I/V转换电路，可程控增益放大电路，低通滤波器电路。微弱电流信号通过端口输入I/V转换电路进行线性放大，并转为电压信号。电压信号进入可程控增益放大电路，进行二次放大，针对输入信号的量级自动调整增益，使输出信号始终在ADC采集范围之内。低通滤波电路滤除输入信号中的高频噪声部分。

ADC控制采集模块主要是采集信号调理模块的输出信号，并传输到FPGA处理器。

数据缓存模块由SDRAM控制器以及FIFO数据缓冲模块组成，如下图所示。SDRAM控制器实现SDRAM的各种工作时序及给系统实时提供自己的工作状态，以实现数据的储存和读取。FIFO数据缓存模块实现数据输入输出的异步通信。

通信接口模块搭建UART串口输出，实现系统与上位机软件的数据通信。

此外，所述系统还包括电源模块，所述电源模块包括TPS54331、ICL7660A、SPX1117以及HCES1-24S15集成电源模块。其中TPS54331用于+24V电压转+12V、+5V；ICL7660A 是电压极性转换芯片，将+12V转换为-12V，为AD8253提供12V电压；SPX1117用于+5V 转+4V和+3.3V；HCES1-24S15集成电源模块主要是用于产生+15V为CC238光电倍增管高压电源模块供电，电路原理图如下图所示。

如图4所示，本系统电源设计方案如下，通过DCDC直流稳压开关电源产生+24V输入电压，系统不同芯片需要不同的供电电压，主要有：+15V、12V、+5V、+4V、+3.3V，系统供电电源由多级电源电路组成，由开关电源输入+24V电压转换为+15V、+12V、+5V，然后由+12V转换为-12V，+5V转换为+4V、+3.3V。

本申请能够应用于基于罗兰圆的油料直读光谱仪中，作为光信号采集处理系统，对光电倍增管输出的数据信号进行采集处理并传输到上位机软件。相较于传统的数据采集系统，本申请具有操作性强，可多通道同步传输等特点，主要是通过采用FPGA作为系统架构处理器得到以上优点。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：数据处理芯片FPGA、缓冲存储装置、ADC采样芯片、串口通信芯片和信号调理模块；

所述信号调理模块与油料直读光谱仪的光电倍增管建立有若干个连接通道，对所述多通道数据进行微弱信号放大处理，通过数字滤波器对所述多通道数据进行二次滤波，所述信号调理模块与ADC采样芯片连接，并将采集并二次滤波的所述多通道数据输出至所述ADC采样芯片；

所述ADC采样芯片包括多路并行ADC采样芯片，所述多路并行ADC采样芯片对油料直读光谱仪的多通道数据进行同步采集；

所述缓冲存储装置由数据缓存芯片SDRAM和FIFO构成，所述缓冲存储装置对经过二次滤波后的所述多通道数据进行完整保存，并通过所述串口通信芯片输出至上位机；

所述串口通信芯片分别与所述缓冲存储装置和上位机连接；

所述数据处理芯片FPGA分别与所述缓冲存储装置和所述信号调理模块连接，用于控制所述缓冲存储装置和所述信号调理模块运行。

2.根据权利要求1所述的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

ADC对所述多通道数据进行数模转换，所述数据处理芯片FPGA实时接收ADC传输的数据，经处理后存放到外部存储区已划分好的区域中。

3.根据权利要求1所述的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，其特征在于，所述信号调理模块包括I/V转换电路、可程控增益放大电路、低通滤波器电路；

所述多通道数据的微弱信号通过端口输入所述I/V转换电路进行线性放大，并转为电压信号；

所述电压信号进入所述可程控增益放大电路，进行二次放大，针对输入信号的量级自动调整增益，使输出信号始终在ADC采集范围之内；

低通滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声部分。

4.根据权利要求1所述的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，其特征在于，所述数据缓存模块由SDRAM控制器和FIFO数据缓冲模块组成；

所述SDRAM控制器用于实现SDRAM的工作时序及给系统实时提供当前的工作状态，以进行数据的储存和读取；

FIFO数据缓存模块用于实现数据输入输出的异步通信。

5.根据权利要求1所述的一种油料直读光谱仪的多通道数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，所述电源模块包括TPS54331、ICL7660A、SPX1117以及HCES1-24S15集成电源模块。

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