一种数据采集卡及数据采集方法与流程

1.本发明涉及工业测试技术领域，尤其涉及一种数据采集卡及数据采集方法。


背景技术：

2.数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号，自动采集并送到上位机中进行分析、处理。
3.在工业测试技术领域中，现有的usb数据采集卡都存在以下几点问题：
4.由于中低端usb采集卡都为异步数据采集，数据采集为分时采集，无法同时采集输入信号，采样率是所有通道共享；而usb同步采集卡，采样率低，最大采样率只有500ksps，且价格昂贵；而对于同一模拟输入通道，只能配置成单端输入或差分输入，无法做到对相同信号，采集单端信号的同时采集差分信号，只能先采集单端信号，然后模拟输入通道配置为差分输入，再采集差分信号。


技术实现要素：

5.本发明提出一种数据采集卡及数据采集方法，所述数据采集卡可以同时采集单端电压与差分电压，从而提高数据检测效率，以降低检测成本。
6.本发明实施例的第一方面提供了一种数据采集卡，所述数据采集卡包括：多功能数字i/o模块、模拟采集模块、模拟输出模块、数字信号处理模块、高速传输模块和电源管理模块；
7.其中，所述数字信号处理模块分别与所述多功能数字i/o模块、模拟采集模块、模拟输出模块、高速传输模块和电源管理模块连接；
8.所述多功能数字i/o模块，用于在作为输入时，检测外部用户i/o电平状态或检测外部数据信号的周期和正脉宽宽度，或者用于在作为输出时，转换输出数字电平；
9.所述模拟采集模块，用于采集外部输入的模拟信号；
10.所述模拟输出模块，用于输出用户自定义的周期波形或直流信号；
11.所述数字信号处理模块，用于对外部输入的模拟信号或电平状态或外部数据信号周期和正脉宽宽度进行数据处理、缓存和传输；
12.所述高速传输模块，用于与外接的上位机进行数据传输；
13.所述电源管理模块，用于对所述多功能数字i/o模块、模拟采集模块、模拟输出模块、数字信号处理模块和高速传输模块提供电源。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述模拟采集模块包括：采用3片adc采集芯片，分别为adc1、adc2和adc3；
15.其中，所述adc1和所述adc3的8通道采用伪差分输入的连接方式；
16.所述adc2的8通道采用差分模拟输入的连接方式。
17.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述adc1、adc2和adc3分别与外接的模拟信号端连接，其中，所述adc1和adc3采集单端信号，所述adc2采集差分信号。
18.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述数字信号处理模块采用fpga结构。
19.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述fpga结构包括：主控制器、adc驱动、dac驱动、usb驱动、dio驱动和led驱动；
20.其中，所述主控制器分别与所述adc驱动、dac驱动、usb驱动、dio驱动和led驱动连接；
21.所述主控制器，用于指令解析，数据缓存、处理，数据传输；
22.所述adc驱动，用于与adc芯片通信，启动采集等，并对采集到的数据进行缓存，预处理。且所有的adc驱动并行运行；
23.所述dac驱动，用于与dac芯片通信，启动输出等，并对要输出的数据进行缓存，预处理。且所有的dac驱动并行运行；
24.所述usb驱动，用于与上位机数据传输；
25.所述dio驱动，用于多功能数字io的控制，实现可编程输入输出，计数器功能，占空比可调的方波输出；
26.所述led驱动，用于指示采集卡工作状态。
27.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述数字信号处理模块设有三组spi通信电路，每一组spi通信电路与一片adc采集芯片连接，所述spi通信电路为fpga结构开发的spi时序控制电路。
28.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述spi通信电路包括：相互连接的门电路与触发器。
29.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述多功能数字i/o模块的工作电平为0～3.3v；
30.所述多功能数字i/o的转换输出数字电平为占空比可调的方波。
31.本发明实施例的第二方面提供了一种数据采集方法，所述方法应用于如上所述的数据采集卡，所述方法包括：
32.读取所述数据采集卡的配置信息；
33.当所述配置信息读取成功时，设定与所述数据采集卡匹配的采集通道并采集检测数据；
34.对所述检测数据进行数据分析，并生成分析结果；
35.反馈所述分析结果至预设的连接终端。
36.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述对所述检测数据进行数据分析，包括：
37.对所述检测数据进行傅里叶变换，得到变换数据；
38.基于所述变换数据计算幅度和频率。
39.相比于现有技术，本发明实施例提供的一种数据采集卡及数据采集方法，其有益效果在于：本发明可以进行部分通道同步采集模拟信号，也可以同时采集单端信号和差分信号，可实现采集分析同一时刻的差分信号和共模信号，实现数据同步采集的效果，且采样率是所有通道共享，方便后续的数据处理，同时本发明是基于16bit的adc芯片，其价格低廉，可以进一步缩减产品成本。
附图说明
40.图1是本发明一实施例提供的一种数据采集卡的结构示意图；
41.图2是本发明一实施例提供的一种数据采集卡的连接示意图；
42.图3是本发明一实施例提供的模拟采集模块的结构示意图；
43.图4是本发明一实施例提供的模拟采集模块的数据采集示意图；
44.图5是本发明一实施例提供的数字信号处理模块的结构示意图；
45.图6是本发明一实施例提供的数字信号处理模块的电路原理图；
46.图7是本发明一实施例提供的多功能数字i/o模块的电路原理图；
47.图8是本发明一实施例提供的高速传输模块的结构示意图；
48.图9是本发明一实施例提供的电源管理模块的电路原理图；
49.图10是本发明一实施例提供的一种数据采集方法的流程示意图；
50.图11是本发明一实施例提供的数据分析的步骤示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.在工业测试技术领域中，现有的usb数据采集卡都存在以下几点问题：
53.由于中低端usb采集卡都为异步数据采集，数据采集为分时采集，无法同时采集输入信号，采样率是所有通道共享；而usb同步采集卡，采样率低，最大采样率只有500ksps，且价格昂贵；而对于同一模拟输入通道，只能配置成单端输入或差分输入，无法做到对相同信号，采集单端信号的同时采集差分信号，只能先采集单端信号，然后模拟输入通道配置为差分输入，再采集差分信号。
54.为了解决上述问题，下面将通过以下具体的实施例对本技术实施例提供的一种数据采集卡进行详细介绍和说明。
55.参见图1
‑
2，分别示出了本发明一实施例提供的一种数据采集卡的结构示意图和本发明一实施例提供的一种数据采集卡的连接示意图。
56.其中，作为示例的，所述数据采集卡可以包括：多功能数字i/o模块(dio)、模拟采集模块(adc)、模拟输出模块(dac)、数字信号处理模块(dsp)、高速传输模块(usb)和电源管理模块(power management)；
57.其中，所述数字信号处理模块分别与所述多功能数字i/o模块、模拟采集模块、模拟输出模块、高速传输模块和电源管理模块连接；
58.所述多功能数字i/o模块，用于在作为输入时，检测外部用户i/o电平状态或检测外部数据信号的周期和正脉宽宽度，或者用于在作为输出时，转换输出数字电平；
59.所述模拟采集模块，用于采集外部输入的模拟信号；
60.所述模拟输出模块，用于输出用户自定义的周期波形或直流信号；
61.所述数字信号处理模块，用于对外部输入的模拟信号或电平状态或外部数据信号周期和正脉宽宽度进行数据处理、缓存和传输；
62.所述高速传输模块，用于与外接的上位机进行数据传输；
63.所述电源管理模块，用于对所述多功能数字i/o模块、模拟采集模块、模拟输出模块、数字信号处理模块和高速传输模块提供电源。
64.参照图3，示出了本发明一实施例提供的模拟采集模块的结构示意图。在本实施例中，所述模拟采集模块包括：采用3片adc采集芯片，分别为adc1、adc2和adc3；
65.其中，所述adc1和所述adc3的8通道采用伪差分输入的连接方式(差分输入的负极端接模拟地)；
66.所述adc2的8通道采用差分模拟输入的连接方式。
67.具体地，所述adc芯片为最大采用率1msps、分辨率16bits和8通道的芯片。
68.参照图4，示出了本发明一实施例提供的模拟采集模块的数据采集示意图。
69.在实际操作中，所述adc1、adc2和adc3分别与外接的模拟信号端连接，其中，所述adc1和adc3用于采集单端信号，所述adc2用于采集差分信号。
70.具体地，3片adc芯片均设有开始转换触发引脚(cnv)，在使用时，可以同时给3片adc芯片在该开始转换触发引脚上同时产生触发信号(例如，上升沿信号)，3片adc芯片可以同时启动采集模拟信号。由于每片adc芯片均是独立连接，使得每片adc芯片可以独立工作，同时进行模拟信号采集转换。另外，参照图4，差分信号模拟输入管脚和单端信号输入管脚共用。
71.为了提高芯片的控制效率，在本实施例中，所述数字信号处理模块采用fpga结构。
72.需要说明的是，每片adc芯片的输入电压范围为max:
±
10v。
73.参照图5
‑
6，分别示出了本发明一实施例提供的数字信号处理模块的结构示意图和本发明一实施例提供的数字信号处理模块的电路原理图。在其中一种可选的实施例中，所述fpga结构包括：主控制器、adc驱动、dac驱动、usb驱动、dio驱动和led驱动；
74.其中，所述主控制器分别与所述adc驱动、dac驱动、usb驱动、dio驱动和led驱动连接；
75.所述主控制器，用于指令解析，数据缓存、处理，数据传输；
76.所述adc驱动，用于与adc芯片通信，启动采集等，并对采集到的数据进行缓存，预处理。且所有的adc驱动并行运行；
77.所述dac驱动，用于与dac芯片通信，启动输出等，并对要输出的数据进行缓存，预处理。且所有的dac驱动并行运行；
78.所述usb驱动，用于与上位机数据传输；
79.所述dio驱动，用于多功能数字io的控制，实现可编程输入输出，计数器功能，占空比可调的方波输出；
80.所述led驱动，用于指示采集卡工作状态。
81.为了方便独立控制每一片芯片独立工作，在一种可选的实施例中，所述数字信号处理模块设有三组spi通信电路，每一组spi通信电路与一片adc采集芯片连接，所述spi通信电路为fpga结构开发的spi时序控制电路。
82.具体地，所述spi通信电路包括：相互连接的门电路与触发器，spi通信电路可以相当于完全相同的3部分spi时序控制硬件电路。
83.使用3组独立的spi通信电路分别控制3片adc芯片独立工作，且互不干扰。同时由
于spi的时序控制逻辑使用fpga开发，fpga(现场可编程门阵列)开发出来的spi时序控制电路，即为门电路，触发器等组合而成，所以在启动采集后，这三部分spi电路就会独立。另外在和adc芯片进行通信的过程中，可以读取采集数据，并把采集回来的数据存储在各自独立的缓存中，方便后续的数据分析和处理。
84.为方便用户分别控制3片adc芯片独立工作，在具体实现时，可以使用3组启动时钟，通过3组启动时钟可以分别控制3片adc同时启动采样。
85.通过使用fpga结构，可以让程序并行运行，使得各模块并行工作，从而可以数据的处理效率。
86.在又一可选的实施例中，所述模拟输出模块可以采用并行的spi总线与主控制器连接，而两路ao可以独立工作，使得数据传输同时进行。
87.参照图7，示出了本发明一实施例提供的多功能数字i/o模块的电路原理图。在本实施例中，所述多功能数字i/o模块的工作电平为0～3.3v；
88.所述多功能数字i/o的转换输出数字电平为占空比可调的方波；
89.所述多功能数字i/o也可以测量外部方波的占空比，周期等。
90.参照图8，示出了本发明一实施例提供的高速传输模块的结构示意图。
91.在本实施例中，所述高速传输模块采用usb高速总线，以满足最高采样率数据传输要求。
92.参照图9，示出了本发明一实施例提供的电源管理模块的电路原理图。
93.所述电源管理模块除了可以为各个模块提供电源外，还可以为各个模块提供过流保护。
94.在本实施例中，本发明实施例提供了一种数据采集卡，其有益效果在于：本发明可以进行部分通道同步采集模拟信号，也可以同时采集单端信号和差分信号，可实现采集分析同一时刻的差分信号和共模信号，实现数据同步采集的效果，且采样率是所有通道共享，方便后续的数据处理，同时本发明是基于16bit的adc芯片，其价格低廉，可以进一步缩减产品成本。
95.本发明实施例还提供了一种数据采集方法，参照图10，示出了本发明一实施例提供的一种数据采集方法的流程示意图。
96.所述数据采集方法可以应用于如上述实施例的数据采集卡。
97.其中，作为示例的，所述数据采集方法可以包括：
98.s11、读取所述数据采集卡的配置信息。
99.其中，所述配置信息为数据采集卡的配置信息。
100.在可选的实施例中，读取的配置信息包括：数字io通道的数量，dac的通道、量程范围、采样率、缓存大小，adc的通道、量程、采样率等。
101.在读取的配置信息可以会显示在pc端软件设备信息列表中。
102.s12、当所述配置信息读取成功时，设定与所述数据采集卡匹配的采集通道并采集检测数据。
103.当配置信息读取成功后，可以获取检测数据。具体地，检测数据可以是数据采集卡所采集的数据和信号。
104.s13、对所述检测数据进行数据分析，并生成分析结果。
105.参照图11，示出了本发明一实施例提供的数据分析的步骤示意图。在其中一种可选的实施例中，所述步骤s13可以包括以下子步骤：
106.子步骤s131、对所述检测数据进行傅里叶变换，得到变换数据。
107.子步骤s132、基于所述变换数据计算幅度和频率。
108.s14、反馈所述分析结果至预设的连接终端。
109.具体地，可以将幅度和频率发送至连接的pc终端并在pc终端中显示出来，以供用户进行后续的处理。
110.进一步的，本技术实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例所述的数据采集方法。
111.进一步的，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上述实施例所述的数据采集方法。
112.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。