一种多通道同步信号采集系统的制作方法

本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种多通道同步信号采集系统。

背景技术：

通信技术的发展使得电子、电气设备得到了广泛的应用，伴随的电磁环境发生巨大改变引起人们对EMC(Electromagnetic Compatibility的关注：电磁兼容性)的关注。对于轨道交通来讲，随着高速铁路技术的迅速发展，动车组车辆的电磁环境越来越复杂，而测量动车组车辆的辐射特性是研究其电磁兼容性的基本措施。为了保证人体健康以及设备、系统的正常运行，国际、国家均制定了关于轨道交通的电磁兼容标准。在此大前提下，与驱动系统、通信系统以及控制系统的高度发展相对应，如何测量和评价高速动车组车辆的电磁辐射，也成为关注的焦点。

整车的外形尺寸及运行时轨道系统和外部环境的复杂性使得其电磁兼容测试并不易在相关实验室中进行，而在一般场地进行测试电磁兼容时又存在电磁环境复杂、测试方法不易实现以及测试结果易受干扰等不足。上述两方面的限制使得目前对于高速动车组车辆整车的电磁辐射测量存在较大的难度。目前普通接收机在现场环境下进行测试测量的结果，由于受环境噪声影响存在较大误差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种多通道同步信号采集系统，旨在当整车运行在实际电磁环境下时采集其辐射发射测量信号。

本发明采用的技术方案具体为：

一种多通道同步信号采集系统，包括模拟电路模块、数据采集模块和系统控制模块；其中：

射频前端接收的电磁信号数据经若干个通道传送至所述模拟电路模块；

所述模拟电路模块用于将电磁信号数据放大后，传送至数据采集模块；

所述数据采集模块用于采集、存储放大后的电磁信号数据，并进一步将放大后的电磁信号数据传送至系统控制模块；

所述系统控制模块用于系统的初始化、控制通道信号在各个模块之间的数据传输以及所述数据采集模块中数据采集、存储的启停。

在上述多通道同步信号采集系统中，还包括上位机，一方面，在所述上位机的命令控制下所述系统控制模块读取所述数据采集模块存储的放大后的电磁信号数据，另一方面所述系统控制模块通过串口将放大后的电磁信号数据送入所述上位机，通过所述上位机的应用软件完成数据的查看和显示。

在上述多通道同步信号采集系统中，还包括电源模块，用于向系统的各芯片分别提供直流供电电压。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述模拟电路模块包括电压基准芯片、数模转换器、至少一个可调信号放大电路(VGA)以及若干个低通滤波器(LPF)；其中：

射频前端传送的电磁信号数据依次经所述可调信号放大电路、所述低通滤波器进行放大、滤波的信号调理，信号调理完成后的信号送入所述数据采集模块；

所述数模转换器根据接收到的所述系统控制模块的指令，输出相应增益的控制电压，控制可调信号放大电路将信号放大到相应的程度；

所述电压基准芯片用于给所述数模转换器提供基准电压。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述模拟电路模块包括两个可调信号放大电路，所述可调信号放大电路为双通道可调增益放大器芯片。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述模拟电路模块包括四片低通滤波器。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述数据采集模块包括现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、多个模数转换器(ADC)、时钟分配芯片和静态存储器(SRAM)芯片和配置芯片；其中：

所述模数转换器用于对所述低通滤波器输出的数据进行采样，采样数据存储在现场可编程逻辑门阵列内部的先入先出(FIFO)芯片和外部的静态存储器芯片中，以及根据命令读取静态存储器芯片中的数据并将数据上传至所述系统控制模块；

所述时钟分配芯片用于将所述现场可编程逻辑门阵列的时钟输出分成与模数转换器个数对应的同步时钟同时供给各路所述模数转换器，保证所述模数转换器采集数据的同步性。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述系统控制模块包括单片机和复杂可编程逻辑器件(CPLD)；其中：

所述单片机解析所述上位机的指令，分别控制所述现场可编程逻辑门阵列和复杂可编程逻辑器件分别执行各自的功能，以及读取所述现场可编程逻辑门阵列的数据，传输给所述上位机；其中：

所述复杂可编程逻辑器件的功能为：在接收机系统工作过程中，控制信号采集系统的数模转换器，通过编程给出数模转换器数字输入码。

在上述多通道同步信号采集系统中，所述电源模块包括若干个稳压器芯片，至少两个所述稳压器芯片的输出电压值不同，

在上述多通道同步信号采集系统中，所述稳压器芯片为线性稳压器芯片。

本发明产生的有益效果是：

本发明的多通道同步信号采集系统为大型系统的电磁辐射特性和电磁兼容性研究提供有效的研究方法和实验技术手段。解决了动车组整车电磁辐射测量的测试场地要求，实现了动车组整车电磁辐射信号的现场实时提取。该系统对多路信号的同步采集，保证了通道间的相位一致，便于对数据进行算法处理。从而对于后续研制基于盲信号处理理论分离动车组辐射信号和环境噪声的盲信号测量接收机具有重要的意义。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种多通道同步信号采集系统的结构框图；

图2为本发明一种多通道同步信号采集系统的结构示意图；

图3为本发明一种多通道同步信号采集系统中数据采集模块的FPGA内部功能模块的结构示意图；

图4a为本发明一种多通道同步信号采集系统中系统控制模块的CPLD的简化程序原理框图；

图4b为本发明一种多通道同步信号采集系统中系统控制模块的CPLD的程序原理框图；

图5为本发明一种多通道同步信号采集系统中数据采集模块的FPGA程序的简化原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明提供一套基于FPGA、CPLD和单片机的多通道信号采集系统，如图1所示，主要包括模拟电路模块(1)、数据采集模块(2)、系统控制模块(3)和电源模块(4)；其中：

模拟电路模块1的结构具体如图2所示，主要包括2片双通道可调增益放大器芯片(VGA)、1片数模转换器(DAC)、1片电压基准芯片以及4片低通滤波器(LPF)，较之于一片四通道VGA芯片，本发明中采用两片双通道VGA，不仅避免了射频前端两个天线接收的两通道信号间的相互干扰，而且保证了每一个通道IQ两路放大的一致性。DAC根据系统控制模块中的CPLD编程给出的数字输入码，输出相应增益的控制电压，VGA将信号放大到适当的程度根据程序控制切换量程，将输入的电信号放大到与模数转换器(ADC)芯片的量程相当的程度，使ADC的有效精度得到提高；而滤波电路则直接用在数据采集模块的ADC前，抑制了待采集信号频带外的高频噪声。

进一步如图2所示，数据采集模块能实现4个通道的同步采集，FPGA根据系统控制模块的单片机发送的指令控制采集、存储、传输数据，并将数据传送给系统控制模块后上传到上位机，

开始采集任务后，ADC对4路时域输出的信号进行高速(50MSps)采样，采样数据存储在FPGA内部的先入先出模块(FIFO)以及静态存储器(SRAM)芯片中，并根据命令读取SRAM中的数据并上传到上位机。

电压基准芯片给DAC提供基准电压，输出电压为2.5V，具有0.05％的电压精度，该芯片的精度决定了DAC输出电压的精度，同时也决定了VGA的增益精度。

FPGA的编程信息掉电丢失，因此需要在系统每次上电时重新下载配置数据，配置芯片负责存储FPGA的配置数据，断电后数据保持，上电自动加载。

4个通道数据采集的FPGA结构框图如图3所示：

FPGA主要包括以下五大部分：时钟分频模块(altpll0)、指令解析模块(decode)、ADC数据采集模块(write)、SRAM控制模块(ram)和数据读取模块(mcuread)；其中：

时钟分频模块将外部100MHz时钟分成一路差分形式的50MHz时钟输出，通过FPGA外部的时钟分配芯片将其分成两路差分的同步的50MHz时钟，同时供给两路ADC，从而保证两路ADC采集的同步性；

指令解析模块接收单片机发来的指令并对其进行译码，控制ADC数据采集模块进行数据采集，并在上位机的控制下完成对已存储数据的回读；

ADC数据采集模块负责对两片双通道ADC所转化的数字信号进行并行同步采集和暂存，并将四路数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块；

SRAM控制模块负责完成对SRAM芯片的通信工作。根据前级所提供的地址将当前的数字信号存入SRAM芯片中，或读回该地址内的数据；

数据读取模块负责控制SRAM芯片中数据的读取工作，它根据指令解析模块的指令，将所需SRAM芯片中数据的地址传达给SRAM芯片。FPGA的内部程序如图5所示。

进一步如图2所示，系统控制模块3包括单片机和CPLD，单片机作为系统的主控制器，主要功能是解析上位机的指令，控制FPGA和CPLD分别执行各自的功能，读取采集数据然后传输给上位机；其中：

在接收机系统工作过程中，CPLD的控制信号采集系统的DAC和射频前端的PLL等器件正常工作；CPLD和FPGA程序图进一步如图4a-4b和图5所示，在图4a和4b中，clk，clkmcu，encpld，addr，data等输入引脚连接单片机，由单片机发出相应指令控制PLL和DAC，而在图5中，指令解析模块负责单片机指令译码，用于控制数据采集模块和数据读取模块工作，SRAM控制模块分别负责数据写入SRAM中以及从SRAM中读取数据的相关接口正确匹配。可以看出系统的初始化、信号调理、采集存储启停以及数据传输都在系统控制模块的控制下进行。

电源模块包括5个输出不同电压值的线性稳压器芯片，在本实施例中，本系统的各芯片分别需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V的直流供电电压。通过外置的直流源或电源适配器将220V交流电转换为9V直流电后，由线性稳压器芯片转换为5V输出，再由5V分别转换为3.3V、2.5V、1.8V、1.2V。作为一种较佳实施例，本发明中的线性稳压器芯片采用LDO芯片，5个芯片分别选用输出电流3A的LT1085-5芯片，输出电流3A的LT1085-3.3芯片，输出电流1.5A的LT1963-1.8芯片，输出电流800mA的LP3891-1.2芯片以及LM4132A-2.5电压基准芯片。通过5个输出不同电压值的线性稳压器芯片，保证了电源模块输出稳定而准确的电压。

本发明的信号采集系统采用2个双通道可调增益放大器芯片完成对4组通道信号的可调放大，即保证了组内信号放大的一致性，又可以灵活地分别控制两组信号的放大倍数。

结合实际应用中盲信号处理算法的需要，接收机系统的射频前端对两路30MHz-1GHz的电磁信号进行接收，以10MHz步进将每10MHz带宽的高频信号下变频到基带并变换为IQ两路。本发明的多通道信号采集系统充分利用了FPGA的丰富的I/O引脚和灵活的逻辑单元，完成了对4通道基带信号的数据采集工作。系统控制模块解析上位机指令，并控制模拟电路模块对输入的模拟信号放大滤波，通过控制数据采集模块中ADC模数转换器对模拟信号进行采样，FPGA将转换后的数字信号实时存储在SRAM中。系统控制模块在上位机命令的控制下读取FPGA存储的数据，并通过串口将数据送入上位机中，通过上位机软件完成数据的查看和显示等功能。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。