本发明涉及仪器仪表领域，特别是涉及传感器数字采集量获取方法、装置及系统。
背景技术：
传感器是一种检测设备，它将检测到的被测量信息按一定规律转化为电信号或其他形式的信号输出。要在数字运算设备中运用传感器检测的数字采集量，就要先把传感器输出的测量信号数字化处理转化为数字信号，再经识别处理设备识别处理才能得到传感器的数字采集量。
传统的传感器数字采集量获取方法根据数字信号和标度因子，得到数字采集数据。但是发明人发现应用传统方法得到的数字采集量在采集精度和采集范围之间存在矛盾，不能同时达到高精度和大范围的采集。当需要采集大的测量信号时采集范围达不到，当需要采集小的测量信号时采集精度又不理想。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统方法无法兼顾对小测量信号的高采集精度和对大测量信号的大采集范围的问题，提供一种传感器数字采集量获取方法、装置及系统。
为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种传感器数字采集量获取方法，包括步骤：
获取第一数字信号和第二数字信号；第一数字信号是由传感器输出的测量信号经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由测量信号经过缩小和模数转换得到的数字信号；
根据第一数字信号和预设的第一标度因子，得到第一数字采集量；
根据第二数字信号和预设的第二标度因子，得到第二数字采集量；
根据第一数字采集量、第二数字采集量以及预设的采集阈值区间，得到最终数字采集量。
在其中一个实施例中，上述根据第一数字采集量、第二数字采集量以及预设的采集阈值区间，得到最终数字采集量的过程包括：
若第一数字采集量在采集阈值区间以内，则确认第一数字采集量为最终数字采集量；
若第一数字采集量等于采集阈值区间的边界值，则确认第二数字采集量为最终数字采集量。
另一方面，本发明实施例还提供了一种传感器数字采集量获取装置，包括：
数字信号获取模块，用于获取第一数字信号和第二数字信号；第一数字信号是由传感器输出的测量信号经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由测量信号经过缩小和模数转换得到的数字信号；
第一数字采集量获取模块，用于根据第一数字信号和预设的第一标度因子，得到第一数字采集量；
第二数字采集量获取模块，用于根据第二数字信号和预设的第二标度因子，得到第二数字采集量；
最终数字采集量确定模块，用于根据第一数字采集量、第二数字采集量以及预设的采集阈值区间，得到最终数字采集量。
再一方面，本发明实施例提供了一种传感器数字采集系统，包括：
调理电路，与传感器连接，用于分别对传感器输出的测量信号进行放大和缩小，输出放大的测量信号和缩小的测量信号；
a/d转换电路，与调理电路连接，用于对放大的测量信号进行模数转换输出第一数字信号，对缩小的测量信号进行模数转换输出第二数字信号；
处理单元，与a/d转换电路连接，用于上述传感器数字采集量获取方法。
在其中一个实施例中，调理电路还对测量信号进行电压平移；
调理电路包括信号平移放大电路和信号平移缩小电路；
信号平移放大电路一端与传感器输出端连接，另一端与a/d转换电路连接；信号平移缩小电路一端与传感器输出端连接，另一端与a/d转换电路连接。
在其中一个实施例中，信号平移放大电路包括：第一运算放大器、电阻r1、电阻r2、电阻r3以及电阻r4；
第一放大器的反向输入端通过电阻r1与传感器连接，第一放大器的输出端连接a/d转换电路；电阻r2一端连接第一放大器的反向输入端，另一端连接第一放大器的输出端；电阻r3一端连接基准电压，另一端连接第一放大器的正向输入端；电阻r4一端连接第一放大器的同相输入端，另一端接地。
在其中一个实施例中，信号平移缩小电路包括：第二运算放大器、电阻r5、电阻r6、电阻r7以及电阻r8；
第二放大器的反向输入端通过电阻r5与传感器连接，第一放大器的输出端连接a/d转换电路；电阻r6一端连接第二放大器的反向输入端，另一端连接第二放大器的输出端；电阻r7一端连接基准电压，另一端连接第二放大器的正向输入端；电阻r8一端连接第二放大器的同相输入端，另一端接地。
在其中一个实施例中，a/d转换电路包括：第一采样保持电路、第二采样保持电路、多路开关以及a/d转换器；
第一采样保持电路一端与信号平移放大电路连接，另一端通过多路开关和a/d转换器的输入端连接；第二采样保持电路一端与信号平移缩小电路连接，另一端通过多路开关和a/d转换器的输入端连接；a/d转换器的输出端与处理单元连接；
多路开关的控制端连接处理单元，多路开关用于根据处理单元的控制接通第一采样保持电路和a/d转换器，或者根据处理单元的控制接通第二采样保持电路和a/d转换器。
在其中一个实施例中，a/d转换电路为多路a/d转换芯片。
在其中一个实施例中，还包括滤波单元；
滤波单元一端连接调理电路，另一端连接a/d转换电路。
上述传感器数字采集量获取方法，获取传感器输出的测量信号经放大和模数转换后的第一数字信号，以及获取同一测量信号经缩小和模数转换后的第二数字信号。将第一数字信号与预设的第一标度因子计算得到第一数字采集量，将第二数字信号与预设的第二标度因子计算得到第二数字采集量，再通过第一数字采集量、第二数字采集量和采集阈值区间，得出最终数字采集量。因为第一数字采集量是将测量信号放大后经过模数转换和第一标度因子换算得到的，当测量信号较小时第一数字采集量采集精度更高。因为第二数字采集量是将测量信号缩小后再经数模转换和第二标度因子换算得到的，当测量信号超出模数转换范围时，第二数字采集量依然能够代表当前测量信号的数字采集量，使采集范围更大。根据判断第一数字采集量是否在预设的采集阈值区间内，得到最终数字采集量，在测量信号较小时使最终数字采集量精度更高，在测量信号很大时使最终数字采集量能达到超出原有采集范围的值。
附图说明
图1为一实施例的传感器数字采集量获取方法流程图；
图2为一实施例的传感器数字采集量获取装置模块结构示意图；
图3为一实施例的传感器数字采集系统的结构示意图；
图4为另一实施例的传感器数字采集系统的结构示意图；
图5为图4实施例的传感器数字采集系统的信号平移放大电路图；
图6为图4实施例的传感器数字采集系统的信号平移缩小电路图；
图7为另一实施例的传感器数字采集系统的结构示意图；
图8为另一实施例的传感器数字采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供一种传感器数字采集量获取方法，如图1所示，可以包括以下步骤：
步骤s110，获取第一数字信号和第二数字信号；第一数字信号是由传感器输出的测量信号经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由测量信号经过缩小和模数转换得到的数字信号；
具体而言，当测量信号是电压信号时，第一数字信号是由电压信号经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由电压信号经过缩小和模数转换得到的数字信号。当测量信号是其他信号时，第一数字信号是由其他信号经转换装置转换为电压信号后，再经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由其他信号经转换装置转换为电压信号后，再经过缩小和模数转换得到的数字信号。
步骤s120，根据第一数字信号和预设的第一标度因子，得到第一数字采集量；
步骤s130，根据第二数字信号和预设的第二标度因子，得到第二数字采集量；
具体而言，标度因子是将数字信号换算为数字采集量的一个预设定值，与测量信号的放大比例、缩小比例相关。因为第一数字信号和第二数字信号分别是通过放大和缩小之后经数模转换得到，对第一数字信号和第二数字信号设定不同的第一标度因子和第二标度因子。将第一数字信号除以第一标度因子，得到第一数字采集量。将第二数字信号除以第二标度因子，得到第二数字采集量。步骤s120和步骤s130没有先后顺序，可以并行执行或随机先后执行。
步骤s140，根据第一数字采集量、第二数字采集量以及预设的采集阈值区间，得到最终数字采集量。
具体而言，采集阈值区间是第一数字采集量能达到的最小值与最大值之间的区间范围。
传感器数字采集量获取方法实施例，通过获取传感器输出的测量信号经放大和模数转换后的第一数字信号，和同一测量信号经缩小和模数转换后的第二数字信号。将第一数字信号除以第一标度因子，得到第一数字采集量，将第二数字信号除以第二标度因子，得到第二数字采集量；通过对第一数字采集量、第二数字采集量和采集阈值区间的相关判别，得到最终数字采集量。基于此，通过设定采集阈值区间和相关判别实现，当测量信号较小时提高最终数字采集量的采集精度，当测量信号很大时扩大最终数字采集量达到的采集范围。
在一个实施例中，根据第一数字采集量、第二数字采集量以及预设的采集阈值区间的过程包括：
若第一数字采集量在采集阈值区间以内，则确认第一数字采集量为最终数字采集量；
若第一数字采集量等于采集阈值区间的边界值，则确认第二数字采集量为最终数字采集量。
具体而言，第一数字采集量在采集阈值区间以内，也就是说第一数字采集量在采集阈值区间内且不等于采集阈值区间的边界值。
根据判断第一数字采集量是否在采集阈值区间以内，确认最终数字采集量选用第一数字采集量还是第二数字采集量。
当第一数字采集量在采集阈值区间以内时，说明当前的测量信号较小，第一数字采集量是由当前的测量信号经放大模数转换和第一标度因子换算得到的提高了采集精度的数字采集量，这时第一数字采集量有更高的采集精度。
当第一数字采集量等于采集阈值区间边界时，说明当前的测量信号较大，根据当前的测量信号放大后的信号超出了模数转换的模拟量转换范围，第一数字采集量不能代表当前测量信号的最终数字采集量；但根据当前的测量信号缩小后的信号还在模数转换的模拟量转换范围内，这时第二数字采集量能达到的采集范围大于原采集范围，选用第二数字采集量能够获得更大的采集范围。
因此，通过上述实施例的传感器数字采集量获取方法，在传感器测量较小的测量信号时，选用第一数字采集量；在传感器测量较大的测量信号时，选用第二数字采集量。实现兼顾对较小的测量信号的高采集精度和对较大的测量信号的大采集范围。
本发明实施例还提供一种传感器数字采集量获取装置，如图2所示，包括：
数字信号获取模块210，用于获取第一数字信号和第二数字信号；第一数字信号是由传感器输出的测量信号经过放大和模数转换得到的数字信号；第二数字信号是由测量信号经过缩小和模数转换得到的数字信号；
第一数字采集量获取模块220，用于根据第一数字信号和预设的第一标度因子，得到第一数字采集量；
第二数字采集量获取模块230，用于根据第二数字信号和预设的第二标度因子，得到第二数字采集量；
最终数字采集量确定模块240，用于根据第一数字采集量、第二数字采集量以及采集阈值区间，得到最终数字采集量。
本实施例所提供的传感器数字采集量获取装置，数字信号获取模块210获取传感器输出的测量信号经放大和模数转换后的第一数字信号，和同一测量信号经缩小和模数转换后的第二数字信号；第一数字采集量获取模块220将第一数字信号除以第一标度因子，得到第一数字采集量；第二数字采集量获取模块230将第二数字信号除以第二标度因子，得到第二数字采集量；最终数字采集量确定模块240通过对第一数字采集量、第二数字采集量和采集阈值区间的相关判别，得到最终数字采集量。基于此，通过设定采集阈值区间和相关判别实现，当测量信号较小时提高最终数字采集量的采集精度，当测量信号很大时扩大最终数字采集量达到的采集范围。
在一个实施例中，最终数字采集量确定模块240包括：第一确定模块241和第二确定模块242；
第一确定模块241，用于当第一数字采集量在采集阈值区间以内，确认第一数字采集量为最终数字采集量；
第二确定模块242，用于当第一数字采集量等于采集阈值区间的边界值，确认第二数字采集量为最终数字采集量。
本发明实施例还提供一种传感器数字采集系统，如图3所示，包括：调理电路310、a/d转换电路320以及处理单元330。
调理电路310，与传感器连接，用于分别对传感器输出的测量信号进行放大和缩小，输出放大的测量信号和缩小的测量信号；
具体而言，当传感器的测量信号是电压信号时，调理电路与传感器连接；当传感器的测量信号是其他信号时，调理电路通过转换装置与传感器连接，转换装置将其他信号转换为电压信号。
a/d转换电路320，与调理电路310连接，用于对放大的测量信号进行模数转换输出第一数字信号，对缩小的测量信号进行模数转换输出第二数字信号；
处理单元330，与a/d转换电路320连接，用于执行上述传感器数字采集量获取方法。
本实施例提供的传感器数字采集系统，通过对传感器输出的测量信号分别进行放大和缩小，经a/d转换电路320进行模数转换之后得到第一数字信号和第二数字信号并输出至处理单元330进行上述传感器数字采集量获取方法得到最终数字采集量。当测量信号较小时，通过将测量信号放大和模数转换，能够得到精度更高的第一数字信号，从而经处理单元330处理后得到精度更高的第一数字采集量，使系统在测量信号较小时能进行高精度的采集；当测量信号超出a/d转换范围时，通过将测量信号缩小，使其能够被模数转换得到第二数字信号，经处理单元330处理后得到超出模数转换范围的第二数字采集量，使系统拥有更大的采集范围。
需要说明的是，进入调理电路的电压信号的电压范围可以分为两种：由负电压到正电压和由0电压到正电压。a/d转换电路320的输入电压范围也可以分为两种：由负电压到正电压和由0电压到正电压。
在一个实施例中，调理电路310包括信号放大电路和信号缩小电路；信号放大电路将进入调理电路的电压信号放大后，输出至a/d转换电路320；信号缩小电路将进入调理电路的电压信号缩小后，输出至a/d转换电路320。
当传感器输出的测量信号为电压信号，电压信号的电压范围为由负电压到正电压，且a/d转换电路320的输入电压范围为由0电压到正电压时，调理电路310要对测量信号分别进行电压平移放大、电压平移缩小。
因此，如图4所示，在一个实施例中，调理电路310还对测量信号进行平移；
调理电路310包括信号平移放大电路311和信号平移缩小电路312；
信号平移放大电路311一端与传感器输出端连接，另一端与a/d转换电路320连接；信号平移缩小电路312一端与传感器输出端连接，另一端与a/d转换电路320连接。
通过上述实施例的传感器数字采集系统，当传感器的输出电压范围从负值到正值，而a/d转换电路320的输入电压范围在零到正值时，先对传感器输出的测量信号进行平移，再进行放大和缩小，使传感器能够与a/d转换电路320相配合。
在一个实施例中，如图5所示，信号平移放大电路311包括：第一运算放大器、电阻r1、电阻r2、电阻r3以及电阻r4；
第一放大器的反向输入端通过电阻r1与传感器连接，第一放大器的输出端连接a/d转换电路320；电阻r2一端连接第一放大器的反向输入端，另一端连接第一放大器的输出端；电阻r3一端连接基准电压vr，另一端连接第一放大器的正向输入端；电阻r4一端连接第一放大器的同相输入端，另一端接地。
具体而言，传感器输出电压，即第一放大器反向输入端的输入电压vin的范围在-v1～+v1。a/d转换电路320的输入电压，即第一放大器的输出电压vout范围在0～+v2。因此，由图5的电路得到，电阻r1和电阻r2的阻值比例为：
r2/r1＝v2/(2·v1)(1)
电阻r3和电阻r4的阻值比例为：
r4/(r3+r4)＝v2/[vr(v2/v1+2)](2)
在一个实施例中，信号平移放大电路311中，v1为0.5v、v2为5v、vr为5v，由式(1)和式(2)可得到r2/r1＝5/1，r4/(r3+r4)＝1/12。这时可以设置电阻r1阻值为2kω、电阻r2阻值为10kω、电阻r3阻值为33kω、电阻r4阻值为3kω。
在一个实施例中，如图6所示，信号平移缩小电路312包括：第二运算放大器、电阻r5、电阻r6、电阻r7以及电阻r8；
第二放大器的反向输入端通过电阻r5与传感器连接，第一放大器的输出端连接a/d转换电路320；电阻r6一端连接第二放大器的反向输入端，另一端连接第二放大器的输出端；电阻r7一端连接基准电压vr，另一端连接第二放大器的正向输入端；电阻r8一端连接第二放大器的同相输入端，另一端接地。
具体而言，信号平移缩小电路312与信号平移放大电路311的电路连接关系相同，因此同样的，传感器输出电压，即第二放大器反向输入端的输入电压vin输入范围在-v1～+v1。a/d转换电路320的输入电压，即第二放大器的输出电压vout范围在0～+v2。可以得到如下阻值比例关系：
r6/r5＝v2/(2·v1)(3)
r8/(r7+r8)＝v2/[vr(v2/v1+2)](4)
在一个实施例中，信号平移缩小电路312中，v1为10v、v2为5v、vr为5v，由式(3)和式(4)可得到r6/r5＝1/4，r8/(r7+r8)＝2/5。这时可以设置电阻r5阻值为12kω、电阻r6阻值为3kω、电阻r7阻值为2kω、电阻r8阻值为3kω。
在一个实施例中，a/d转换电路320包括：第一a/d转换器和第二a/d转换器；第一a/d转换器将平移放大后的测量信号模数转换为第一数字信号并输出至处理单元330；第二a/d转换器将平移缩小后的测量信号模数转换为第二数字信号并输出至处理单元330。
在一个实施例中，如图7所示，a/d转换电路320包括：第一采样保持电路321、第二采样保持电路322、多路开关323以及a/d转换器324；
第一采样保持电路321一端连接信号平移放大电路311，另一端通过多路开关323和a/d转换器324的输入端连接；第二采样保持电路322一端连接信号平移缩小电路312，另一端通过多路开关323和a/d转换器324的输入端连接；a/d转换器324的输出端与处理单元330连接；
多路开关323的控制端连接处理单元330，多路开关323用于根据处理单元330的控制接通第一采样保持电路321和a/d转换器324，或者根据处理单元330的控制接通第二采样保持电路322和a/d转换器324。
具体而言，处理单元330控制多路开关323先后导通第一保持电路和a/d转换器324、或者第二保持电路和a/d转换器324，使放大后的测量信号和缩小后的测量信号先后在a/d转换器324中转换并输出到处理单元330。当a/d转换电路320对一路测量信号进行转换时，另一路的采样保持电路对另一路测量信号进行保持，待前一路测量信号转换完成后，再对被保持的另一路测量信号进行转换。
在一个实施例中，a/d转换电路320包括多路a/d转换芯片。
具体而言，多路a/d转换芯片中按照芯片内部的控制时序先后对放大后的测量信号和缩小后的测量信号进行模数转换。在转换前对测量信号进行二级滤波和采样保持，还对转换后的数字信号进行数字滤波。采用多路a/d转换芯片作为a/d转换电路320可以减小本实施例提供的传感器数字采集系统的体积，还能够降低成本。
在一个实施例中，还包括滤波单元340；
滤波单元340一端连接调理电路310，另一端连接a/d转换电路320。
滤波单元340滤除系统中的干扰电压信号，使调理电路310输送给a/d转换电路320的电压信号更稳定。
进一步的，当调理电路310包括信号平移放大电路311和信号平移缩小电路312时，滤波单元340包括第一滤波电路和第二滤波电路；第一滤波电路一端连接信号平移放大电路311，另一端连接a/d转换电路320；第二滤波电路一端连接信号平移缩小电路312，另一端连接a/d转换电路320。
更进一步的，第一滤波电路和第二滤波电路可以为无源滤波器。
优选的，无源滤波器为低通无源滤波器。
在一个实施例中，如图8所示，传感器为电压输出型三轴加速度计，三轴加速度计包括x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计。调理电路310包括三路信号平移放大电路311和三路信号平移缩小电路312。滤波单元340采用六个低通滤波的无源滤波器。a/d转换电路320采用多路a/d转换芯片，处理单元330采用fpga。
本实施例的传感器数字采集系统分别对x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计输出的测量信号进行平移放大和平移缩小，之后分别将平移放大、平移缩小后的测量信号滤波后送入多路a/d转换芯片，模数转换后将转换后的数字信号送入fpga进行最终采集量的获取。
下面以x轴加速度计为例，说明本实施例的传感器数字采集系统和传感器数字采集量获取过程：
为提高本实施例对加速度信号在-2g～+2g范围内的小测量信号(对应测量信号在-0.5v～+0.5v)的采集精度，信号平移放大电路311设定输入电压范围在-0.5v～+0.5v，输出电压范围为0～5v，基准电压为5v，放大比例为r2/r1＝5/1。
为使本实施例对加速度信号的采集范围达到-40g～+40g(对应测量信号在-10v～+10v)，信号平移缩小电路312设定输入电压范围在-10v～+10v，输出电压范围为0～5v，基准电压为5v，缩小比例为r6/r5＝1/4。
多路a/d转换芯片的输入电压范围为0～5v。
采集阈值区间是第一数字采集量能达到的最小值与最大值之间的区间范围。多路a/d转换芯片的输入电压范围在0v～5v，对应的测量信号大于等于-0.5v小于等于0.5v。因此第一数字采集量能达到的最小值为-2g，最大值为2g，采集阈值区间预设为-2g～2g。
当测量信号在-0.5v～+0.5v内时(不包括端点值)：
信号平移放大电路311将测量信号平移放大，平移放大后的测量信号通过a/d转换为第一数字信号，平移放大使小测量信号得到更高精度的转换。fpga将第一数字信号除以对应放大比例而设置的第一标度因子，得到高采集精度的第一数字采集量。这时的第一数字采集量小于2g，确认第一数字采集量为最终采集量。
信号平移缩小电路312将测量信号平移缩小并a/d转换得到的第二数字信号，但因为测量信号已经很小，进一步缩小将使其转换精度更低。fpga将第二数字信号除以对应缩小比例而设置的第二标度因子得到第二数字采集量，此时的第二数字采集量的精度远不如第一数字采集量，不采用它做最终采集量。
当测量信号在-10v～-0.5v或0.5v～10v范围内时：
信号平移放大电路311将测量信号平移放大，但这时信号平移放大电路311的输出电压将饱和在0v或5v，平移放大后的测量信号经a/d转换为第一数字信号，再进入fpga进行相关计算得到的第一数字采集量为+2g或-2g，等于采集阈值区间的边界值，所以确认第二数字采集量为最终数字采集量。
此时，平移放大后的测量信号不能代表测量信号5/1倍的放大值，因此第一数字采样信号也不能代表传感器的数字采集量。
信号平移缩小电路312将测量信号平移缩小，平移缩小后的测量信号在多路a/d转换芯片的输入电压范围内，扩大了多路a/d转换芯片能转换的测量信号范围。平移缩小后的测量信号a/d转换为第二数字信号，第二数字信号在fpga中除以对应的第二标度因子，得到第二数字采集量。通过平移缩小和fpga中的相关计算使系统能够采集到更大范围的测量信号。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。