一种新型高速高精度动态数据采集装置及方法与流程

本发明涉及数据采集技术，尤其涉及一种新型高速高精度动态数据采集装置及方法。

背景技术：

传统的数据采集系统由传感器、信号调理模块、AD转换器、控制器和处理器组成。控制器通常采用8位/16位单片机，功能弱，工作模式简单，灵活性差，采样精度低，功耗高，信号调理模块和ADC的噪声性能、处理速度和精度不能满足日益增长的工业需求。

本发明所述的高速高精度动态数据采集卡采用了先进的信号调理、采集和控制硬件，适用于超便携式动态信号测试系统。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种新型高速高精度动态数据采集装置及方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种新型高速高精度动态数据采集装置，包括：增益可编程信号调理模块、AD转换模块、可编程逻辑器件和主控制器模块，其中：所述增益可编程信号调理模块，与所述AD转换模块耦接，用于把输入模拟信号的电压进行调理后发送至所述AD转换模块；所述AD转换模块，与所述增益可编程信号调理模块和所述可编程逻辑器件，用于将调理后的模拟信号转变成差分信号，差分信号经过采样、量化并经过数字滤波输出数字信号；所述可编程逻辑器件，与所述AD转换模块和所述主控制器模块耦接，用于通过I2S总线把数字信号输出至所述主控制器模块，以及通过I2C总线接收所述主控制器模块的控制指令，对所述增益可编程信号调理模块的增益进行控制；以及所述主控制器模块，与所述可编程逻辑器件耦接，用于发出控制指令；其中，所述增益可编程信号调理模块由四通道单刀单掷开关ADG431BRU和双通道JFET运算放大器AD8512ARM组成。

可选的，所述AD转换模块为24位Δ-∑模数转换器ADS1274，所述可编程逻辑器件为FPGA XC6SLX42CSG225C，所述主控制器模块为SAMA5D27微控制器。

可选的，所述主控制器模块通过控制四通道单刀单掷开关ADG431BRU的通断切换运算放大器AD8512ARM的反馈电阻来改变放大器增益以改变输入信号的输出电压。

可选的，对输入模拟信号的电压进行调理为将+/-40V的模拟电压信号调理成+/-10V的信号。

可选的，所述增益可编程信号调理模块为8个调理模块，所述AD转换模块为2个AD转换模块，所述8个调理模块分别接收来自8个传感器的模拟信号，并经调理后，输出到2个AD转换模块。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种新型高速高精度动态数据采集方法，包括：增益可编程信号调理模块把输入模拟信号的电压进行调理后发送至AD转换模块；调理后的模拟信号经过所述AD转换模块的基本差分电路后变成差分信号，差分信号经过采样、量化并经过数字滤波输出数字信号；可编程逻辑器件通过I2S总线把数字信号输出至主控制器模块；以及可编程逻辑器件通过I2C总线接收所述主控制器模块的控制指令，对所述增益可编程信号调理模块的增益进行控制；其中，所述增益可编程信号调理模块由四通道单刀单掷开关ADG431BRU和双通道JFET运算放大器AD8512ARM组成。

可选的，所述AD转换模块为24位Δ-Σ模数转换器ADS1274，所述可编程逻辑器件为FPGA XC6SLX42CSG225C，所述主控制器模块为SAMA5D27微控制器。

可选的，所述主控制器模块通过控制四通道单刀单掷开关ADG431BRU的通断切换运算放大器AD8512ARM的反馈电阻来改变放大器增益以改变输入信号的输出电压。

可选的，对输入模拟信号的电压进行调理为将+/-40V的模拟电压信号调理成+/-10V的信号。

可选的，所述增益可编程信号调理模块为8个调理模块，所述AD转换模块为2个AD转换模块，所述8个调理模块分别接收来自8个传感器的模拟信号，并经调理后，输出到2个AD转换模块。

本发明具有如下有益效果：

本发明的新型高速高精度动态数据采集装置及方法，采用先进的信号调理、采集和控制硬件，适用于超便携式动态信号测试系统，解决了国内传统数据采集设备不能满足现代工业数据采集需求的问题。

附图说明

图1为本发明的所述一种新型高速高精度动态数据采集装置的示意图；

图2为本发明的所述一种新型高速高精度动态数据采集装置的示意图；

图3为本发明的所述一种新型高速高精度动态数据采集方法的流程图；

图4为本发明的所述增益可编程信号调理模块的示意图；

图5为本发明的所述AD转换器内部结构的示意图；

图6为本发明的所述AD转换器示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

实施例1

本实施例提供了一种新型高速高精度动态数据采集装置。图1为一种新型高速高精度动态数据采集装置的示意图，包括：增益可编程信号调理模块101、AD转换模块102、可编程逻辑器件103和主控制器模块104，其中：

增益可编程信号调理模块101，与AD转换模块102耦接，用于把输入模拟信号的电压进行调理后发送至AD转换模块102；

AD转换模块102，与增益可编程信号调理模块101和可编程逻辑器件103，用于将调理后的模拟信号转变成差分信号，差分信号经过采样、量化并经过数字滤波输出数字信号，并通过帧同步接口或SPI接口传给可编程逻辑器件103；

可编程逻辑器件103，与AD转换模块102和主控制器模块104耦接，用于通过I2S总线把数字信号输出至主控制器模块104，以及通过I2C总线接收主控制器模块104的控制指令，对增益可编程信号调理模块101的增益进行控制；以及

主控制器模块104，与可编程逻辑器件103耦接，用于发出控制指令；

其中，增益可编程信号调理模块101由四通道单刀单掷开关ADG431BRU和双通道JFET运算放大器AD8512ARM组成。

四通道单刀单掷开关ADG431BRU是美国AD公司采用LC2MOS工艺生产的精密四通道SPST开关，最大额定电源电压44V，模拟输入信号范围/-15V可扩展至电源电压。ADG431BRU采用单片CMOS结构，功耗低至3.9μW。极低的泄露，超低功耗，快速切换时间，低通道阻抗使ADG431BRU成为设计精密数据采集、音视频切换、自动测试设备、采样保持系统和通信系统的理想元件。ADG431BRU本身具有低电荷注入特性，当切换数字输入时，可实现最小的瞬变。

AD8512ARM是一款AD公司生产的精密、极低噪声、低输入偏置电流、带宽宽广的双通道JEFT运算放大器。低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，使这些放大器特别适合高阻抗传感器信号放大以及采用分流法的精密电流测量应用。直流精度、低噪声和快速建立时间特性的相结合，则使AD8512ARM成为音频应用的绝佳选择；片上线性相位数字滤波器。

其中，AD转换模块102为24位Δ-∑模数转换器ADS1274，可编程逻辑器件103为FPGA XC6SLX42CSG225C，主控制器模块104为SAMA5D27微控制器。

ADS1274是德州仪器(TI)生产的高性能24位Δ-∑模数转换器，结合了传统工业ADC极佳的偏移和漂移性能和音频ADC大带宽的优点，实现最佳AC与DC规范的高精度工业测量。其主要特点：支持4通道同步采样，采样率高达128kS/s，分析带宽宽至62kHz；支持四种工作模式：高精度、高速度、低速、低功耗；AC性能，工作在高精度模式下，分析带宽62kHz，信噪比为111dB，总谐波失真为-108dB；DC性能：极低的失调漂移和增益漂移；其数据输出可选择SPI或帧同步接口，便于连接FPGA或微控制器；工作温度范围-40℃～+125℃，可满足严格的多通道数据采集应用，如振动分析、医疗监控、声学\动态应力应变测量和压力测量等。

SAMA5D27微控制器负责数据的本地存储，也负责发出指令控制信号调理模块和模数转换器，并通过RJ45网络接口和WIFI接口和外界进行数据交互。

其中，主控制器模块104通过控制四通道单刀单掷开关ADG431BRU的通断切换运算放大器AD8512ARM的反馈电阻来改变放大器增益以改变输入信号的输出电压。

其中，对输入模拟信号的电压进行调理为将+/-40V的模拟电压信号调理成+/-10V的信号。

实施例2

为使本发明描述更为清楚，本实施例还提供了一种新型高速高精度动态数据采集装置。

图2为一种新型高速高精度动态数据采集装置的示意图，包括：其中，8个增益可编程信号调理模块、2个AD转换模块、可编程逻辑器件和主控制器模块，其中8个增益可编程信号调理模块分别接收来自8个传感器的模拟信号，并经调理后，输出到2个AD转换模块102。

主控制器模块自带WLAN接口和WIFI接口，可以通过有线方式(RJ45网络接)和无线方式(WIFI)的传输数据给上位机。

实施例3

本实施例提供了一种新型高速高精度动态数据采集装置。图3为一种新型高速高精度动态数据采集方法的流程图，包括：

步骤301：增益可编程信号调理模块101把输入模拟信号的电压进行调理后发送至AD转换模块102；

步骤302：调理后的模拟信号经过AD转换模块102的基本差分电路后变成差分信号，差分信号经过采样、量化并经过数字滤波输出数字信号；

步骤303：可编程逻辑器件103通过I2S总线把数字信号输出至主控制器模块104；以及

步骤304：可编程逻辑器件103通过I2C总线接收主控制器模块104的控制指令，对增益可编程信号调理模块101的增益进行控制；

其中，增益可编程信号调理模块101由四通道单刀单掷开关ADG431BRU和双通道JFET运算放大器AD8512ARM组成。

其中，AD转换模块102为24位Δ-∑模数转换器ADS1274，可编程逻辑器件103为FPGA XC6SLX42CSG225C，主控制器模块104为SAMA5D27微控制器。

其中，主控制器模块104通过控制四通道单刀单掷开关ADG431BRU的通断切换运算放大器AD8512ARM的反馈电阻来改变放大器增益以改变输入信号的输出电压。

其中，对输入模拟信号的电压进行调理为将+/-40V的模拟电压信号调理成+/-10V的信号。

其中，增益可编程信号调理模块101为8个调理模块，AD转换模块102为2个AD转换模块102，8个调理模块分别接收来自8个传感器的模拟信号，并经调理后，输出到2个AD转换模块102。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。