专利名称：同步高精度动态信号数据采集功能卡的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集功能卡，具体涉及一种同步高精度动态信号数据采集功能卡，属于数据采集、信号分析与处理领域。
背景技术：
在测量和控制系统领域，测控总线是指以组成测量和控制系统为主要目标而开发的总线。自数字计算机问世以来，各种总线标准不断推出，如PC、ISA、PCI总线。虽然在PC、ISA、PCI总线系统上加入各种I/O功能模块板，也可以组成测控系统，但这不是这些总线标准设计的主要目的。现有的为测控系统设计的总线主要有PC1、GPIB、VXI等总线。实际运行时，数据采集功能卡连接测控总线，通过测控总线完成与计算机的信息交互。在某些测控场合，比如当需要对旋转设备的振动情况进行监测时，通常要求连接测控总线的采集功能卡能够满足下述要求:稳定性好；传输速率高，可传输大容量数据；支持热插拔；成本低，易于扩充和升级。
但是现有的总线存在下述缺陷:GPIB总线实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸，其传输速率一般低于500kB/s，只能适合对计算机数据传输速率要求不高的测量；PCI总线直接利用了标准的工业计算机总线，其稳定性差，不支持热拔插，没有仪器所需要的总线性能；VXI总线需要较大的投资强度，成本高，不容易扩充和升级。发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同步高精度动态信号数据采集功能卡。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案: 同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，包括:1个以上的模拟信号输入通道、数据采集电路、PXI接口电路；每个模拟信号输入通道包括模拟信号输入端口和信号调理电路，模拟信号输入端口连接信号调理电路，信号调理电路连接数据采集电路，数据采集电路连接PXI接口电路，PXI接口电路连接PXI总线。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述模拟信号输入端口采用BNC连接器，BNC连接器连接信号调理电路。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述信号调理电路包括轴振调理电路、瓦振调理电路、选择开关、电位器，模拟信号输入端口分别连接轴振调理电路、瓦振调理电路，轴振调理电路连接选择开关，瓦振调理电路连接选择开关，选择开关连接电位器，电位器连接数据采集电路。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述数据采集电路包括A/D转换器，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接PXI接口电路。
前述的同步高精度动态 信号数据采集功能卡，其特征在于，所述A/D转换器为AD7606。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述PXI接口电路包括FPGA模块、PCI桥接芯片，所述数据采集电路连接所述FPGA模块，所述FPGA模块连接所述PCI桥接芯片，所述FPGA模块、PCI桥接芯片分别连接所述PXI总线。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述FPGA模块包括数据缓冲器、数据存储控制器、中央控制单元、通道控制单元、触发单元，所述数据采集电路连接所述数据缓冲器，数据缓冲器连接数据存储控制器，数据存储控制器连接中央控制单元，中央控制单元分别连接通道控制单元和PCI桥接芯片，触发单元分别连接数据缓冲器和数据存储控制器，通道控制单元与选择开关相连。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述触发单元连接地址拨码开关。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述FPGA模块采用EP3C5E144。
前述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述PCI桥接芯片采用 PCI9054。
本发明的有益之处在于:本发明的同步高精度动态信号数据采集功能卡稳定性好，传输速率高，可传输大容量数据，支持热插拔，成本低，易于扩充和升级。
图1是本发明同步高精度动态信号数据采集功能卡的原理结构框图； 图2是本发明同步高精度动态信号数据采集功能卡的一种具体优选实施图。
图中附图标记的含义: 1、模拟信号输入端口，2、信号调理电路，3、数据采集电路，4、PXI接口电路，5、模拟信号输入通道，6、轴振调理电路，7、瓦振调理电路，8、选择开关，9、电位器，10、A/D转换器，11、数据缓冲器，12、数据存储控制器，13、中央控制单元，14、通道控制单元，15、地址拨码开关，16、触发单元，17、PCI桥接芯片，18、数据存储器，19、PXI总线，20、PXI触发线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，同步高精度动态信号数据采集功能卡，包括:1个以上的模拟信号输入通道5、数据采集电路3、PXI接口电路4 ;每个模拟信号输入通道5包括模拟信号输入端口 I和信号调理电路2，模拟信号输入端口 I连接信号调理电路2，信号调理电路2连接数据采集电路3，数据采集电路3连接PXI接口电路4，PXI接口电路4连接PXI总线19。
本发明采用了 PXI总线19，PXI总线19是PCI总线在仪器领域的扩展，其将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。PXI总线19技术不仅保留了 PCI总线较高的数据吞吐能力，而且采用了坚固的欧洲插卡组装技术。为了适应测试仪器的需要，还扩展了与VXI总线类似的仪器总线，如触发总线、本地总线、系统参考时钟以及只有D尺寸的VXI总线才有的星型触发总线。其产品成本低，易于扩充和升级。本发明的数据采集功能卡是一种基于PXI总线19标准的同步采集功能卡,可直接插在PXI机箱插槽中，能够用于测试旋转机械振动等信号。
本发明不限制模拟信号输入通道5的数量，因此本发明可以支持多路模拟信号的采集。作为一种优选方式，如图2所示输入的是四路模拟信号。实际工作时，模拟信号从模拟信号输入通道5进入，即模拟信号进入模拟信号输入端口 I后，信号调理电路2对模拟信号进行信号调理，然后数据采集电路3对经过调理的信号进行采集、A/D转换，从数据采集电路3输出的信号就成为数字信号，PXI接口电路4的作用是负责对数据采集电路3传输过来的数字信号进行存储，并将存储的信号数据传输给PXI总线19。由此完成基于PXI总线19的数据采集。
进一步，本发明的模拟信号输入端口 I采用BNC连接器，BNC连接器连接信号调理电路2。BNC连接器由一根中心针、一个外套和卡座组成。它包括BNC连接器基座、外套和探针三部分。实际测试表明，采用BNC连接器能够有效保证信号的输入，BNC连接器具有较好的稳定性。
进一步，作为本发明的一个重大创新，本发明的信号调理电路2包括轴振调理电路6、瓦振调理电路7、选择开关8、电位器9，模拟信号输入端口 I分别连接轴振调理电路6、瓦振调理电路7，轴振调理电路6连接选择开关8，瓦振调理电路7连接选择开关8，选择开关8连接电位器9，电位器9连接数据采集电路3。这里，轴振调理电路6的作用是用于对轴振信号的调理，瓦振调理电路7的作用是用于对瓦振信号的调理，轴振信号可以由检测现场的电涡流传感器检测而得，瓦振信号可以由检测现场的磁电式速度传感器检测而得。此外，本发明的轴振调理 电路6和瓦振调理电路7均能够对增益和偏置进行校准，通过校准增益和偏置来补偿数据采集电路3中A/D转换器10的转化精度，把模拟信号输入通道5的失真减为最小。本发明不进一步限制轴振调理电路6、瓦振调理电路7的具体结构，本领域技术人员可以根据现有进行进一步选择。
实际运行时，可以根据检测现场的情况拨动选择开关8来选择不同的调理电路。比如，如果是磁电式速度传感器，则拨动选择开关8，使得信号经过瓦振调理电路7进行调理。如果是电涡流传感器，则拨动选择开关8，使得信号经过轴振调理电路6进行调理。本发明中电位器9能够调节各路模拟信号调理电路2的最终输出电位，通过电位器9的调节，使得数据采集电路3得以识别不同路的模拟信号调理电路2输出，进而实现同步采集。
由于本发明的每一个模拟信号输入通道5均包括信号调理电路2，因此每一个模拟信号输入通道5均可以接受来自现场的不同信号，比如电涡流传感器或磁电式速度传感器的信号，并对其进行信号调理。
进一步，本发明的数据采集电路3包括A/D转换器10，信号调理电路2连接A/D转换器10，A/D转换器10连接PXI接口电路4。如图2所示，A/D转换器10作用在于对从信号调理电路2输入的信号进行采集、A/D转换。本发明不进一步限制A/D转换器10的具体结构，也不限制数据采集电路3中除了 A/D转换器10外还可以包括其他器件。本领域技术人员可以根据实际加以选择。但作为一种优选，A/D转换器10为AD7606。AD7606采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。实际检测证明，其具有较佳的数据采集、A/D转换能力。
作为本发明的另一个重大的优选创造，本发明的PXI接口电路4包括FPGA模块、PCI桥接芯片17，数据采集电路3连接FPGA模块，FPGA模块连接PCI桥接芯片17，FPGA模块、PCI桥接芯片17分别连接PXI总线19。FPGA模块、PCI桥接芯片17相互配合，能够完成对数据的存储、并将存储的数据传输给PXI总线19。
这里，PCI桥接芯片17起到了信号桥接的作用，作为一种优选，PCI桥接芯片17采用PCI9054。实际测试表明，PCI9054可以很容易的实现从本发明数据采集功能卡到PXI机箱的PXI总线19的PCI通讯。
进一步的，图2所示给出了 FPGA模块的一种具体实施连接图。FPGA模块包括数据缓冲器11、数据存储控制器12、中央控制单元13、通道控制单元14、触发单元16，数据采集电路3连接数据缓冲器11，数据缓冲器11连接数据存储控制器12，数据存储控制器12连接中央控制单元13，中央控制单元13分别连接通道控制单元14和PCI桥接芯片17，触发单元16分别连接数据缓冲器11和数据存储控制器12，通道控制单元14与选择开关相连。
数据存储控制器12还可以连接数据存储器18，本发明不限制数据存储器18类型，t匕如，其可以是512 MB的SDRAM数据存储器18。本发明的各通道独立并行采样。从外部传感器送来的模拟信号经过信号调理、程控滤波后送入A/D转换器10中进行模数转换，转换后的数据送入FPGA模块内部的数据缓冲器11，在数据存储控制器12控制下再写入到数据存储器18中。当数据存储器18中存储的采样数据达到一定的存储长度时，FPGA模块的中央控制单元13就通过PCI桥接芯片17向PXI总线发送读取采样数据中断信号，PXI总线在接收到中断信号以后，就通过PXI总线来读取数据存储器18中的采样数据。进一步，本发明中的数据存储器18中存储的采样数据达到一定的存储长度时，读取采样数据中断信号才发送，这个存储长度可以由用户在软件中进行调整和设置，从而使得存储过程更加灵活，能够适应不同的数据存储器18，易于扩充和升级。
本发明的中央控制单元13连接通道控制单元14，通道控制单元14与选择开关相连，用于控制选择开关的切换操作。采用通道控制单元14的好处是可以通过通道控制单元14对轴振调理电路6和瓦振调理电路7进行切换，从而使得本发明的数据采集功能卡的使用更加简便。
FPGA模块中设置有触发单元16，触发单元16可以如图2所示与PXI总线19经过PXI触发线20相连，然后接受来自PXI总线19的触发信号，也可以接受来自其他地方的触发信号，比如其可以通过外部数字进行触发，也可以接受模拟信号通道、星型触发等触发信号，保证触发通道之间的同步采集。
作为进一步改进，本发明的触发单元连接地址拨码开关。这样，就可以通过拨码开关来切换输入触发单元的触发信号的类型。比如，将本发明的数据采集功能卡插在PXI机箱上，通过拨码开关确定数据采集功能卡的槽位地址，当模块槽位地址设为0时，模块可插在PXI机箱的星型槽位作为PXI机箱中星型控制器使用。此时，星型槽位的同步高精度动态信号数据采集功能卡发出触发采集信号，同步PXI机箱内其他槽位的同步高精度动态信号数据采集功能卡，从而实现整个PXI机箱内所有同步高精度动态信号数据采集功能卡能够同步采集振动信号。当然，本发明也可以通过拨码开关，实现例如通过外部数字进行触发的功能。
实际中，作为优选，本发明中的FPGA模块可以采用EP3C5E144。
本发明的同步高精度动态信号数据采集功能卡由于采用了 PXI总线19，其稳定性好，传输速率高，可传输大容量数据，支持热插拔，成本低，易于扩充和升级。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明 的保护范围内。
权利要求
1.同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，包括:1个以上的模拟信号输入通道、数据采集电路、PXI接口电路；每个模拟信号输入通道包括模拟信号输入端口和信号调理电路，模拟信号输入端口连接信号调理电路，信号调理电路连接数据采集电路，数据采集电路连接PXI接口电路，PXI接口电路连接PXI总线。
2.根据权利要求1所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述模拟信号输入端口采用BNC连接器，BNC连接器连接信号调理电路。
3.根据权利要求1所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述信号调理电路包括轴振调理电路、瓦振调理电路、选择开关、电位器，模拟信号输入端口分别连接轴振调理电路、瓦振调理电路，轴振调理电路连接选择开关，瓦振调理电路连接选择开关，选择开关连接电位器，电位器连接数据采集电路。
4.根据权利要求1所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述数据采集电路包括A/D转换器，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接PXI接口电路。
5.根据权利要求4所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述A/D转换器为AD7606。
6.根据权利要求3所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述PXI接口电路包括FPGA模块、PCI桥接芯片，所述数据采集电路连接所述FPGA模块，所述FPGA模块连接所述PCI桥接芯片，所述FPGA模块、PCI桥接芯片分别连接所述PXI总线。
7.根据权利要求6所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述FPGA模块包括数据缓冲器、数据存储控制器、中央控制单元、通道控制单元、触发单元；所述数据采集电路连接所述数据缓冲器，数据缓冲器连接数据存储控制器，数据存储控制器连接中央控制单元，中央控制单元分别连接通道控制单元和PCI桥接芯片，触发单元分别连接数据缓冲器和数据存储控制器，通道控制单元与选择开关相连。
8.根据权利要求7所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述触发单元连接地址拨码开关。
9.根据权利要求6所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述FPGA 模块采用 EP3C5E144。
10.根据权利要 求6所述的同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，所述PCI桥接芯片采用PCI9054。
全文摘要
本发明公开了一种同步高精度动态信号数据采集功能卡，其特征在于，包括1个以上的模拟信号输入通道、数据采集电路、PXI接口电路；每个模拟信号输入通道包括模拟信号输入端口和信号调理电路，模拟信号输入端口连接信号调理电路，信号调理电路连接数据采集电路，数据采集电路连接PXI接口电路，PXI接口电路连接PXI总线。本发明的同步高精度动态信号数据采集功能卡稳定性好，传输速率高，可传输大容量数据，支持热插拔，成本低，易于扩充和升级。
文档编号G05B19/042GK103235537SQ20131013373
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者卢修连, 刘晓锋, 秦惠敏, 卢承斌, 司徒有功, 黄磊, 孙和泰 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏方天电力技术有限公司, 大唐南京发电厂