CN2862193Y - 数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数据采集系统，包括主机、数据采集器和一个或多个传感器，所述主机发送控制指令至数据采集器，所述传感器产生模拟的感应信号并将其转化成数字采集信号，所述数据采集器获取来自所述传感器的数字采集信号，并将该数字采集信号发送到主机。相对现有技术，本实用新型具有结构简单合理、抗干扰能力强、通讯方式灵活、数据采集和显示的数据量大且实时性强、使用方便耐用等特点。

Description

数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种数据采集系统。

技术背景

目前公知的数据采集系统一般都采用传感器与数据采集器模拟连接方式。这样在技术设计的困难度上较小，产品的成本上有一定优势，但同时又存在传感器不易扩展、系统测量时数据易被干扰等缺点。在传感器与数据采集器的连接上一般采用九针插件，这种插件对本身的制作工艺要求高，在反复多次插拔后易出现接触不良等现象。另外，公知的数据采集系统中，主机获取数据采集器的数据时采用普通串行通讯方式，即数据采集器不停的获得来自传感器的模拟量，并转换成数字量后存储，直到将数据缓冲区填满。当主机中的上层软件问讯时，数据采集器一边将缓冲区的数据发往上层软件，一边继续接收数据直至另一个数据缓冲区填满为止。因此其一方面通讯速度不够，不能满足主机进行数据分析处理，实时显示的需求，另一方面其发送的数据量又不能满足主机在绘制采集数据图像时足够多的数据点的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对现有技术的不足，提供一种结构合理、抗干扰性能好的数据采集系统。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种数据采集系统，包括主机、数据采集器和一个或多个传感器，所述主机发送控制指令至数据采集器，所述传感器产生模拟的感应信号并将其转化成数字采集信号，所述数据采集器获取来自所述传感器的数字采集信号，并将该数字采集信号发送到主机。

进一步的，所述传感器的模拟信号输出端可以连接有控制电路，该控制电路由单片机和通讯接口构成，所述单片机内部具有A/D转换电路和通讯电路，所述通讯电路通过通讯接口接收来自数据采集器的主机控制指令，所述A/D转换电路将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并通过通讯电路以高速通讯方式或普通通讯方式发送到数据采集器。

进一步的，所述单片机还可以具有通道选择模块、通路切换模块和切换量程模块，所述通道选择模块接收来自传感器的各个量程的信号，所述切换量程模块接收来自数据采集器的多量程选择指令，从而通过通路切换模块控制所述通道选择模块输出其中某一个量程的信号；

所述单片机还可以具有采集速率控制模块，用于接收来自数据采集器的采集速率控制指令，从而调整A/D转换模块的转换速率；

所述单片机还可以具有缓存器及数据存储器，所述通道选择模块输出的数字信号经缓存器存储至所述数据存储器内，所述采集速率控制模块根据采集速率控制指令控制缓存器的数据采样间隔。

优选的，所述数据采集器可以由通讯电路、CPU电路、主逻辑控制电路以及前端接口电路构成，其中，所述CPU电路通过所述通讯电路接收来自主机的控制指令，从而控制所述主逻辑控制电路获取连接于前端接口电路上的传感器采集的数字采集信号，并转发该数字采集信号至主机。

进一步的，所述主逻辑控制电路可以为高速硬件控制切换器，其一组通讯端口通过通讯电路连接所述主机，其另一组通讯端口连接所述CPU电路，其还具有用于通过前端接口电路对应连接所述传感器的一组或多组通讯端口，所述CPU电路控制所述高速硬件控制切换器的内部切换动作，从而切换与主机通讯的传感器。

优选的，所述高速硬件控制切换器可以采用具有多档位切换功能的可编程门阵列实现，所述CPU电路采用单片机实现。

进一步的，所述前端接口电路可以由接收接口模块、发射接口模块和通讯接口构成，由外部传感器传来的数字信号经由所述通讯接口、所述接收接口模块发送给所述主逻辑控制电路，所述发射接口模块接收由所述主逻辑控制电路发来的指令，并将该指令通过所述通讯接口发送给传感器。

进一步的，所述数据采集器还可以包括一开关电源电路，用于提供数据采集器内各部分电路的工作电源。

进一步的，所述主机内可以设置有专用控制软件，用于接收用户操作指令、发出硬件初始化检查、传感器量程控制、传感器采集速率调节、采集方式切换的控制指令，并控制接收传感器采集的数字采集信号，并通过与主机连接的显示装置显示。

进一步的，所述数据采集器与传感器之间可以为串行通讯，它们的通讯接口均为USB接口，连接数据采集器与传感器的连线的两端均为USB插座。

在上述技术方案中，本发明由于使传感器具有模数转换能力，可输出数字采集信号至数据采集器，因此，从技术上看，在前端测量信号取得后马上进行数字化处理，避免了外界干扰和模拟信号在电路处理时的进一步畸变，保证了测量量最大限度的还原，提高了测量精度；由于电路的数字化，使传感器得以不再受物理条件限制，可以最大限度的灵活增加，从可以增加的数量和种类上看都大大超过了模拟方式。另外，由于在传感器与数据采集器的连接上采用的USB线，其设计充分考虑到USB插头、插座的电原理(USB设备一般为USB插座供电)和市场使用时的使用特点，连线的两端均采用USB插座(USB母头)。这样，避免了由于用户错插连线而可能导致的意外损坏事故(因为本系统的工作电源为12伏以上，远远高于USB的标准电源5伏)。在传感器与采集器的连接上采用的USB插件结构简单，适合多次插拔。

进一步的，在传感器通过数据采集器与主机进行通讯时，利用其硬件中单片机的速度高于串行通讯的速度的特点将单片机与软件的通讯分为高速通讯方式和普通通讯方式，从而可充分利用串行通讯资源，打破串行通讯的速度不足瓶颈，即保证了采集、显示的实时性，又满足了显示上描点数量需要足够多的实际需要。

因此，相对现有技术，本实用新型具有结构简单合理、抗干扰能力强、通讯方式灵活、数据采集和显示的数据量大且实时性强、使用方便耐用等特点。

附图说明

附图1为本实用新型数据采集系统的结构原理方框图；

附图2为图1中传感器的控制电路的电路原理方框图；

附图3为图2中控制电路的电路原理图；

附图4为图1中数据采集器的电路原理方框图；

附图5为图4中不含前端接口电路的电路原理图；

附图6为图4中前端接口电路的电路原理方框图；

附图7为图6中前端接口电路的电路原理图；

附图8为图4中主逻辑控制电路的功能示意图；

附图9为图1中主机内专用控制软件的功能示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参考图1，本实用新型提供的一种数据采集系统，包括主机、数据采集器和一个或多个传感器，其中，所述主机发送控制指令至数据采集器，所述传感器产生模拟的感应信号并将其转化成数字采集信号，所述数据采集器获取来自所述传感器的数字采集信号，并将该数字采集信号发送到主机。

作为本实用新型的一种优选方案，所述数据采集器与传感器之间采用串行通讯的方式进行数字信号的交互，它们的通讯接口均为USB接口，连接数据采集器与传感器的连线的两端均为USB插座。

为了实现传感器与数据采集器之间的数字信号通讯，如图2所示，本实用新型虽然采用目前普通的传感器，但在所采用的传感器上均设置有控制电路，用于连接普通传感器的模拟信号输出端。该控制电路由单片机和通讯接口构成，所述单片机内部具有A/D转换电路和通讯电路，所述通讯电路通过通讯接口接收来自数据采集器的主机控制指令，所述A/D转换电路将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并通过通讯电路以高速通讯方式或普通通讯方式发送到数据采集器。

所述的高速通讯方式和普通通讯方式均由所述单片机内部的软件实现。其中，

高速方式是单片机为了解决在串行通讯方式下通讯速度不足而采用的一种特殊方式。这种方式只有在要求实时性、高速数据传输同时要求时才采用。一般的，需要用到这种方式的地方只有声音传感器在进行较高频率测量时，为得到较好的显示波形才采用。

高速通讯模式的实质是由顶层的专用软件占主导地位，采用上层软件问一次下层传感器单片机回答一次，不问不答，问一答一的方式。这样即可以保证采集、显示的实时性，又可以满足显示上描点数量需要足够多的实际需要。具体而言，在高速通讯方式时，单片机在接到软件的测量指令后工作一个预定的周期后发出一个完整的通讯包，这个完整的通讯包包括通过约定的头字符、应包含的工作信息、测量数据、尾字符等。这是在远程通讯时的一种标准形式。然后停止工作等待软件的下一个指令，即工作在断续工作状态。

而普通通讯方式是单片机最常用的通讯方式。该通讯方式采用下层单片机不停的采集数据直到将数据缓冲区填满。当上层软件(即主机内的专用软件)问讯时，下层单片机一边将缓冲区的数据发往上层软件，一边继续采集数据直至另一个数据缓冲区填满为止。

所述单片机内部还具有通道选择模块、通路切换模块和切换量程模块，所述通道选择模块接收来自传感器的各个量程的信号，所述切换量程模块接收来自数据采集器的多量程选择指令，从而通过通路切换模块控制所述通道选择模块输出其中某一个量程的信号；

所述单片机内部还具有采集速率控制模块，用于接收来自数据采集器的采集速率控制指令，从而调整A/D转换模块的转换速率；

所述单片机内部还具有缓存器及数据存储器，所述通道选择模块输出的数字信号经缓存器存储至所述数据存储器内，所述采集速率控制模块根据采集速率控制指令控制缓存器的数据采样间隔。

如图3所示，作为本实用新型的一种优选方案，所述单片机可以采用型号为PIC16F873的单片机U1。图中所述单片机U1的端口RA0～RA2分别输入传感器的三路量程的模拟信号A1～A3，其RX端和TX端与外部进行串行数据通讯。所述单片机U1的RX端和TX端连接一通讯接口，即USB接口J1。当本装置设置于传感器内时，该USB接口即为传感器前端USB接口。

PIC16F873A内带A/D转换器，传感器前端模拟电路完成信号处理后直接送入PIC16F873A进行A/D转换，再由PIC16F873A的串行通讯管脚与USB接口，从而通过专用连线与采集器前端接口相连来完成数字数据传输工作。

所述的控制电路的工作原理是：

外部设备，如与传感器进行通讯的上位机或远程主机，通过传感器前端USB口先传送要求身份汇报指令，通讯模块通过收到指令后发此指令给身份码产生模块，再经通讯模块和硬件串行通讯电路、传感器前端USB口将身份码发给外部设备。

外部设备在获得传感器的身份码后，根据用户选择发送如改变采集速率、切换量程等命令。

传感器中的通讯模块在收到外部发来的命令后，分别将这些命令转送相关的模块，再由它们具体执行相关命令。

量程的切换是通过切换AD转换后的多对一选通器的通路来实现的。

采集速率的切换是通过控制AD转换器和缓存器的采样周期来实现。

经过选择的信号从模拟电路通过AD转换、通路选择模块、缓存器、数据存储器、通讯模块、硬件串行通讯电路、USB接口发送给外部设备，以使外部设备处理后能进行如显示、分析等后续的处理。

如图4所示，所述数据采集器由通讯电路、CPU电路、主逻辑控制电路、前端接口电路以及开关电源电路构成。

其中，CPU电路起着主要的控制功能，它既可以和主机直接通讯(通过通讯电路)，也可以和图中给出的4个端口直接通讯(通过主逻辑控制电路)。负担这主要的控制命令的解释和控制信息的产生，控制信息又通过主逻辑控制电路得以执行。从而实现了智能化通讯控制技术。

所述的开关电源电路用于提供其他各电路的工作电源。作为一种优选方案，本实用新型采用的开关电源，其高—低压端的隔离电压设计为1000V。各端口间的隔离电压设计为400V。实际测试结果：高低压端的隔离电压为＞3000V。各端口间的隔离电压为＞1000V。同时，该开关电源电路提供接地端，与应用环境中(如实验室内)的安全接地相连。因此，可以达到相当高的安全性和可靠性。

如图6、7所示，所述前端接口电路包括接收接口模块、发射接口模块和通讯接口构成，由外部传感器传来的数字信号经由所述通讯接口、所述接收接口模块发送给所述主逻辑控制电路，所述发射接口模块接收由所述主逻辑控制电路发来的指令，并将该指令通过所述通讯接口发送给传感器。

所述前端接口电路还可包括一电源模块，所述电源模块用于向各个电路部件提供电源。

所述发射接口模块接收由所述主逻辑控制电路发来的指令，并将该指令通过所述通讯接口发送给传感器的单片机，从而与所述接收接口模块实现两线一收一发功能。

所述前端接口电路还可包括一即插即显(PNP)模块，其一输入端连接到所述通讯接口的正电源引脚上，输出端连接到采集器中的单片机，当所述通讯接口成功插接上或拔除传感器后，所述即插即显模块通过其输入端电压的变化，从而向采集器中的单片机发出分别的电信号，用于确定是否有传感器连接在所述通讯接口上。

优选的是，所述电源模块包括三端稳压电源，用于向所述接收接口模块、发射接口模块及即插即显模块提供稳定的工作电源。优选的是，所述通讯接口为USB接口。

图7为图6的一种优选实施方案。图中由数据采集器开关电源提供一组独立隔离电源(正极V1，地为G1)，V1向通讯接口提供电源以向外接传感器供电。同时，V1向三端稳压电源模块U7提供电源，由三端稳压电源模块产生+5V电源向接收接口模块、发射接口模块和即插即显接口模块提供工作电源，所述稳压电源模块的正电源输出(第3引脚)通过滤波电容E14接地。光电耦合器U8、U9分别作为接收接口模块和发射接口模块使用，光电耦合器U10作为即插即显模块使用，光电耦合器U8的第6引脚和U9的第2引脚分别通过引出接头TXD0和RXD0连接到采集器内的主逻辑控制电路。光电耦合器U8的第2引脚通过限流电阻R9连接到通讯接口的第3引脚，所述第3引脚作为传感器输入引脚使用。光电耦合器U9的第6引脚连接到所述通讯接口的第2引脚，所述第2引脚作为采集器输出引脚使用。即插即显模块U10的第2引脚连接到所述通讯接口的第4引脚，所述第4引脚为电源正极引脚，U10的第1引脚通过限流电阻R14连接到正电源V1，U10的第3引脚通过限流电阻R15接地，所述U10的第3引脚与限流电阻R15之间的引出接头PNP0连接到采集器中的单片机上。

其具体工作过程如下：

当所述通讯接口外接传感器后，稳压二极管D15上产生压降，这时负责检测接口上是否接有传感器的即插即显模块(PNP)U10输入端K+和K-有电压输入，内部发光二极管发光，输出端C、E导通，PNP0由低电平跳变为高电平，向采集器中的单片机发送外送传感器信号。

当通讯接口有传感器被控制电路检测到后，传感器内控制电路通过通讯接口J4的第3引脚将光电耦合器U8第2引脚电平翻转，这样光电耦合器U8的第6引脚上接的TXD0也将随之翻转，以此原理将数字信号送入采集器内主控制电路，实现接收功能。

当通讯接口有传感器被控制电路检测到后，计算机内安装的专用软件可通过采集器上通讯芯片向主逻辑控制电路发送指令，将RXD0电平翻转，这样通讯接口J4上的第2引脚也将随之翻转，以此原理将数字信号发出传感器单片机中，当外接多个不同的传感器时，此信号可以用来对传感器类型做出，此外，所述信号也可对传感器的量程、采样频率等进行控制。

通过图7的具体实施例，实现了单电源供电、两线一线收一线发、光电隔离，电路结构简单、工作速度高且稳定可靠。在上述实施例中，通讯接口采用的是USB接口，光电耦合器U8、U9采用的是6N137芯片，光电耦合器U10采用的是TLP521芯片，稳压电源U7采用的是78L05芯片，此外，在本实施例中，所述三端稳压电源模块提供的是+5V工作电源，在其它实施例中，也可根据需要采用其它芯片提供其它幅值的电压，如3.3V等。

如图4和图8所示，所述主逻辑控制电路为高速硬件控制切换器，其一组通讯端口通过通讯电路连接所述主机，其另一组通讯端口连接所述CPU电路，其还具有用于通过前端接口电路对应连接所述传感器的一组或多组通讯端口，所述CPU电路控制所述高速硬件控制切换器的内部切换动作，从而切换与主机通讯的传感器。

所述高速硬件控制切换器可采用具有多档位切换功能的可编程门阵列实现。如图5和图8所示的优选方案中，采用可编程逻辑门阵列GAL22V10D，实现了计算机——采集器——传感器三者之间的数据循环。利用短指令的短时间，可以多次解释。长时间的数据传输仅仅引用一次。从而实现了数据的高速切换与传输。利用相同CPU相同主频相同代码的等时性。实现了4路传感器的数据采集的高精度同步。

参考图5，所述CPU电路采用单片机实现，可以是程序存储器大于4K、管脚与89C52兼容的51系列单片机中的任何一款单片机，图5所给出的优选方案中采用的是ATMEL的AT89C52，也可以用华邦的77E58、78E58等单片机。通讯电路可采用通用的串行通讯电路实现，如本方案中采用的是MAX202，这里用可替换MAX202的通讯集成电路如MAX232等均可。

参考图1，所述主机可以为上位机、PC机等可进行人机交互的设备。如图9所示，所述主机内设置有专用控制软件，用于接收用户操作指令、发出硬件初始化检查、传感器量程控制、传感器采集速率调节、采集方式切换的控制指令，并控制接收传感器采集的数字采集信号，并通过与主机连接的显示装置显示。

本实用新型的工作时，以专用控制软件(以下简称软件)为主动的测量、显示体系。先由软件通过通讯接口向数据采集器查寻硬件系统情况(如数据采集器是否工作正常、硬件准备工作是否已经完成；各个前端接口是否正常；各个前端接口中哪几个口连接了传感器、连接的是什么传感器；传感器工作是否正常等等)；数据采集器向软件汇报当前情况。一切准备就绪后，软件选择特定的数据采集器前端接口并向数据采集器下达测量指令，数据采集器负责利用内部的主逻辑控制电路实现通讯切换，将专用控制软件需要的端口与主机相连。这时，被选中的数据采集器接口上连接的传感器开始与主机专用控制软件通讯，并根据该软件的设定传输测量到的信息。这时，软件可以随时控制切换数据采集器的各个前端接口或改变与它正在通讯的传感器的量程、采集数率等控制参量。

本系统可以用于物理实验的数据采集和数据处理系统(数字化实验室系统)，通过各种传感器在计算机的控制下自动采集实验中的物理数据，这些传感器的感应信号在传感器中的转化为电信号，然后经过数据采集器的处理和传递，以数字信号方式进入计算机，由计算机处理后产生各种实验结果(数据、曲线、图表等)。

本领域技术人员应当理解，本实用新型所披露的具体实施例并非意在对本实用新型进行任何限制，而是为了使所属领域的技术人员更清楚地了解本实用新型，本实用新型的保护范围仅由所附权利要求书来界定。

Claims (8)

1、一种数据采集系统，包括主机、数据采集器和一个或多个传感器，其特征在于：所述主机发送控制指令至数据采集器，所述传感器产生模拟的感应信号并将其转化成数字采集信号，所述数据采集器获取来自所述传感器的数字采集信号，并将该数字采集信号发送到主机，所述传感器的模拟信号输出端连接有控制电路，该控制电路由单片机和通讯接口构成，所述单片机内部具有A/D转换电路和通讯电路，所述通讯电路通过通讯接口接收来自数据采集器的主机控制指令，所述A/D转换电路将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并通过通讯电路以高速通讯方式或普通通讯方式发送到数据采集器。

2、如权利要求2所述数据采集系统，其特征在于：所述单片机还具有通道选择模块、通路切换模块和切换量程模块，所述通道选择模块接收来自传感器的各个量程的信号，所述切换量程模块接收来自数据采集器的多量程选择指令，所述通道选择模块在所述切换量程模块通过通路切换模块实施的控制下输出其中某一个量程的信号；

所述单片机还具有采集速率控制模块，用于接收来自数据采集器的采集速率控制指令；

所述单片机还具有缓存器及数据存储器，所述通道选择模块输出的数字信号经缓存器存储至所述数据存储器内。

3、如权利要求1或2所述数据采集系统，其特征在于：所述数据采集器由通讯电路、CPU电路、主逻辑控制电路以及前端接口电路构成，其中，所述CPU电路通过所述通讯电路接收来自主机的控制指令，所述主逻辑控制电路在该控制指令的控制下获取连接于前端接口电路上的传感器采集的数字采集信号，并转发该数字采集信号至主机。

4、如权利要求3所述数据采集系统，其特征在于：所述主逻辑控制电路为高速硬件控制切换器，其一组通讯端口通过通讯电路连接所述主机，其另一组通讯端口连接所述CPU电路，其还具有用于通过前端接口电路对应连接所述传感器的一组或多组通讯端口。

5、如权利要求4所述数据采集系统，其特征在于：所述高速硬件控制切换器采用具有多档位切换功能的可编程门阵列，所述CPU电路采用单片机。

6、如权利要求5所述数据采集系统，其特征在于：所述前端接口电路由接收接口模块、发射接口模块和通讯接口构成，由外部传感器传来的数字信号经由所述通讯接口、所述接收接口模块发送给所述主逻辑控制电路，所述发射接口模块接收由所述主逻辑控制电路发来的指令，并将该指令通过所述通讯接口发送给传感器。

7、如权利要求6所述数据采集系统，其特征在于：所述数据采集器还包括一开关电源电路，用于提供数据采集器内各部分电路的工作电源。

8、如权利要求1所述数据采集系统，其特征在于：所述数据采集器与传感器之间为串行通讯，它们的通讯接口均为USB接口，连接数据采集器与传感器的连线的两端均为USB插座。

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