专利名称：隔离型高速数据采集卡的制作方法
技术领域：
:本发明基于FPGA和LAN通信技术以及数字信号隔离技术，实现了对模拟信号高速采集、数字信号的隔离、噪声和干扰信号消除并将所采集的数据快速稳定的传送到PC机的功能，属于嵌入式测量技术领域，实现具有隔离型的高速数据采集装置。适用于数据采集对象与采集设备在电气连接上需要进行隔离的高速数据采集场合。
背景技术：
:数据采集卡是一种从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中采集电量或者非电量信号，送到上位机进行分析、处理的设备。高性能的信号采集系统具有造价昂贵、灵活性差的特性，使其实用范围受到限制。数据采集设备在我国研制生产的种类繁多，但与实际需求相比相差很多。对于某些场合，如在输入输出设备不是共地的情况下，不能因测试设备的接入而导致与输入量共地，改变了设备原有的工作状态，此时需要将被测对象与测试设备之间进行隔离
发明内容
:针对目前存在的数据采集卡价格昂贵，通用性和抗干扰性差等缺点，本发明提出了一种隔离型的高速数据采集卡设计方法，以解决常规的数据采集系统中被测对象与测试设备共地连接的问题。本发明采用如下技术方案:
隔离型高速数据采集卡，其包括有控制芯片FPGA107，系统供电电源101，DC/DC电源模块102，差分驱动电路104，增益控制电路103，ADC模数转换电路105，信号隔离电路106，网络接口电路108，电脑主机终端109 ;待测信号输入接口与增益控制电路103连接，增益控制电路103的输出端连接至差分驱动电路104，差分驱动电路104的输出端连接至ADC模数转换电路105，ADC模数转换电路105的输出端连接至信号隔离电路106，信号隔离电路106的输出端连接至FPGA107，FPGA107内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器，该处理器控制将数据先缓存至FIFO后经DMA传输至SDRAM，数据从SDRAM经过网络接口电路108传送至主机终端109 ;系统供电电源101 —部分通过DC/DC电源模块102后分别给差分驱动电路104、增益控制电路103、ADC模数转换电路105、信号隔离电路106的输入级供电，一部分给信号隔离电路106的输出级和网络接口电路108供电，所选用的FPGA107型号为 EP2C20F484C8。ADC模数转换电路105芯片选用用ADC14L040芯片，14位，LQFP32封装。增益控制电路103应用了欧姆龙继电器作为控制开关，可以控制信号按倍数衰减和放大。供电电源101通过DC/DC电源模块102隔离后给差分驱动电路104、增益控制电路103、ADC模数转换电路105和信号隔离电路106的输入级供电。信号隔离电路106采用了电磁隔离技术，选用ADUM1400/2芯片对时钟信号和经过AD转换的数字信号进行了电气上的隔离。网络接口电路108选用DM9000A芯片作为网络控制芯片，使用了带网络变压器的RJ45网线接头，采集卡和主机的通信支持TCP/IP通讯协议，相互之间通过网线连接。FPGA107作为控制芯片，可在片上进行编程，系统可根据需要进行升级和优化。本发明中的隔离型高速数据采集卡采用FPGA作为主控芯片，搭载数字信号隔离模块，实现电气隔离，并通过网络与上位机进行数据交换，具有很好的工作稳定性。隔离型高速数据采集卡能够实现高速信号采集的网络控制，实现信号隔离，单端信号的差分驱动，被测信号增益控制等。且隔离型高速数据采集卡能够实现数据处理电路的片上编程控制，可根据实际应用需要对电路进行功能扩展、在线调试和升级，丰富了隔离型高速数据采集卡的功能，应用范围更加广阔。
图1:本发明的隔离型高速数据采集卡的系统结构示意图；图2:本发明的隔离型高速数据采集卡电路的电气连接关系结构示意图；图3:本发明的隔 离型高速数据采集卡电路中的数字隔离电路结构示意图；图4:本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的下位机软件流程示意图；图5:本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的差分驱动电路结构示意图，该电路直接与AD芯片的信号输入端相连接；图6:本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的FPGA控制电路结构示意图；图中:101、系统供电电源，102、DC\DC电源模块，103、增益控制电路，104、差分驱动电路，105、AD模数转换电路，106、信号隔离电路，107、FPGA，108、网络接口电路，109、主机终端。
具体实施例方式本发明提供的一种基于FPGA和网络通信的隔离型高速数据采集卡，如图1所示，系统供电电源101提供+12V输入电压，一部分给DC/DC电源模块102供电，一部分分别给磁藕信号隔离电路106输出级、FPGA107、网络接口电路108供电，各级电路有自身所需电压的稳压芯片。DC/DC电源模块102输出+12V电压给差分驱动电路104和增益控制电路103提供电源，并经过稳压芯片给ADC模数转换电路105和磁藕信号隔离电路106输入级供电；增益控制电路103将采集的模拟电压信号经过放大或者衰减后，经差分驱动电路104将单端信号变成差分信号后送入ADC模数转换电路105，ADC模数转换电路105选用14位高速AD芯片进行模拟信号采集并转变为数字信号，该芯片采样率最高可达40MHz，采样时钟由FPGA内部的锁相环提供；经过AD转换后的14位数字信号再通过信号隔离电路106中的磁藕芯片进行电气隔离，隔离后将该信号送入FPGA107进行处理；差分驱动电路104如图5所示，输入的单端信号经过第一级运放后产生两个反相等值的电压，再经过第二级运放后信号在原来的基础上增加了共模电压Vcom，输出的差分信号链接至AD芯片。FPGA107控制隔离型高速数据采集卡整套系统的信号采集、数据处理和数据发送部分，FPGA控制电路的原理框图如图6所示，其内部有异步FIFO数据缓存电路、包含嵌入式软核nios II处理器以及相关的IP核的SOPC以及相关处理电路等，这些电路都是由软件写入到FPGA107中。所有下位机控制软件都存储在FPGA107外部的串行FLASH存储器内；若需要改变测量信号放大倍数，FPGA107控制增益控制电路103中的继电器，切换信号输入端的分压电阻，和放大电路的反馈电阻，改变信号整体的放大倍数，FPGA107根据放大倍数的比例，将最终采集到的数据除以放大倍数就是实际电压大小，数据通过网络通讯模块108发送到主机终端109，显示在上位机软件上，FPGA控制电路的结构；采集到的模拟信号经ADC模数转换电路105转换成数字信号后，经过数字信号隔离106电路将信号隔离后再送入FPGA107进行处理，数字信号隔离电路105采用的隔离芯片是磁藕芯片ADUM1400和ADUM1402，为了达到隔离效果，数字信号隔离电路105输入级的电源由DC/DC电源模块提供，输出级电源由系统电源提供，这样能保证两端电源不共地，使输入输出两端的信号相互之间没有任何电气联系，互不干扰。数字信号隔离电路如图3所示，经过AD转换的数字信号经过磁藕芯片后再传给FPGA的输入端，FPGA提供的时钟信号和控制信号也是通过磁藕芯片后再给AD芯片，同时磁藕芯片的输入输出级是由两个不同的电源供电，这样就起到了电气 隔离的效果，整个系统的电气连接关系如图2所示。为了能够更好的控制网络的正常通讯，FPGA内嵌入了 μ COS操作系统来控制各个任务的执行，网络的通信遵循TCP/IP通讯协议，能够保证数据不丢失的传送到上位机，软件工作流程图如图4所示，系统上电后进入μ COS操作系统，并不断的侦听LAN发送的信息，当收到上位机的指令后，根据指令执行数据采集或者数据传送等任务。系统的供电接口选用普通DC直流电源接口 ；信号输入端接口采用SMB插头。
权利要求
1.隔离型高速数据采集卡，其特征在于:其包括有控制芯片FPGA(107)，系统供电电源(101)，DC/DC电源模块(102)，差分驱动电路(104)，增益控制电路(103)，ADC模数转换电路(105)，信号隔离电路(106)，网络接口电路(108)，电脑主机终端(109);待测信号输入接口与增益控制电路(103)连接，增益控制电路(103)的输出端连接至差分驱动电路(104)，差分驱动电路(104)的输出端连接至ADC模数转换电路(105)，ADC模数转换电路(105)的输出端连接至信号隔离电路(106)，信号隔离电路(106)的输出端连接至FPGA (107)，FPGA(107)内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器，该处理器控制将数据先缓存至FIFO后经DMA传输至SDRAM，数据从SDRAM经过网络接口电路(108)传送至主机终端(109);系统供电电源(101)—部分通过DC/DC电源模块(102)后分别给差分驱动电路(104)、增益控制电路(103)、ADC模数转换电路(105)、信号隔离电路(106)的输入级供电，一部分给信号隔离电路(106)的输出级和网络接口电路(108)供电，所选用的FPGA (107)型号为EP2C20F484C8。
2.根据权利要求1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:ADC模数转换电路(105)芯片选用用ADC14L040芯片，14位，LQFP32封装。
3.根据权利要求1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:增益控制电路(103)应用了欧姆龙继电器作为控制开关，可以控制信号按倍数衰减和放大。
4.根据权利要求1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:供电电源(101)通过DC/DC电源模块(102)隔离后给差分驱动电路(104)、增益控制电路(103)、ADC模数转换电路(105)和信号隔离电路(106)的输入级供电。
5.根据权利要求1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:信号隔离电路(106)采用了电磁隔离技术，选用ADUM1400/2芯片对时钟信号和经过AD转换的数字信号进行了电气上的隔尚。
6.根据权利要求1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:网络接口电路(108)选用DM9000A芯片作为网络控制芯片，使用了带网络变压器的RJ45网线接头，采集卡和主机的通信支持TCP/IP通讯协议，相互之间通过网线连接。
7.根据权利要求 1所述的隔离型高速数据采集卡，其特征在于:FPGA(107)作为控制芯片，可在片上进行编程，系统可根据需要进行升级和优化。
全文摘要
隔离型高速数据采集卡，属于嵌入式测量技术领域。待测模拟信号经输入接口连接至增益控制电路(103)，增益控制电路(103)的输出端连接至差分驱动电路(104)，差分驱动电路(104)的输出端连接至ADC模数转换电路(105)，ADC模数转换电路(105)的输出端连接至信号隔离电路(106)，信号隔离电路(106)的输出端连接至FPGA(107)，FPGA(107)内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器，该处理器控制将数据缓存至SDRAM，数据从SDRAM经过网络接口电路(108)传送至主机终端(109)；所述的内核处理器是nios处理器。本发明中信号采集可程控，被测信号与外部电路电气隔离，控制芯片内部电路可编程升级，提高了数据传输的稳定性和应用的灵活性。
文档编号G06F13/38GK103226534SQ20131010945
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者张本云, 谢雪松, 张小玲, 吕长志, 佘硕杰, 田蕴杰 申请人:北京工业大学