适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置及方法与流程

1.本发明涉及信号采集技术领域，尤其涉及一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置及方法。


背景技术：

2.动态信号分析系统可应用于应力应变、振动(加速度、速度、位移)、冲击、声学、温度(各种类型热电偶、铂电阻)、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析。
3.数据采集在动态信号接收与处理中起着重要的作用。在测试试验中，多通道信号采集器必不可少。而一个可以实现实时的、性能优越的多通道信号采集器，往往能有利于实验测试的顺利进行，从而加快项目完成的进度。
4.在数据采集过程中，用户最关心的是数据安全问题。然而，现有的数据采集装置通常存在由于掉电、死机等意外情况而丢失采集数据的情况。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置及方法，能够解决上述现有技术中采集的数据因意外情况丢失的问题。
6.本发明提供了一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置，其中，该装置包括：
7.适配器模块，用于将各个传感器输出的电信号转换为差分电信号；
8.多个数采模块，每个数采模块用于采集差分电信号并将采集的差分电信号转化为数字信号，同时存储并输出所述数字信号至实时控制模块；
9.所述实时控制模块，用于将接收的数字信号传输至上位机或将读取的数字信号传输至上位机；
10.电源模块，用于为所述适配器模块、所述多个数采模块和所述实时控制模块进行供电；
11.总线背板，用于为所述适配器模块、所述多个数采模块、所述实时控制模块和所述电源模块提供互连，实现各模块之间的通信。
12.优选地，所述适配器模块包括信号处理电路和供电电路，所述信号处理电路用于对各个传感器输出的电信号进行处理以转换为差分电信号。
13.优选地，所述信号处理电路包括前端电路、归一化电路、低通滤波器、积分电路和差分转换器，各个传感器输出的电信号依次经所述前端电路、所述归一化电路、所述低通滤波器、所述积分电路和所述差分转换器处理得到差分电信号。
14.优选地，所述信号处理电路还包括过载保护电路，设置在所述归一化电路和所述低通滤波器之间，用于对所述多个数采模块进行过载保护。
15.优选地，所述前端电路包括并联连接的icp恒流电路、电荷放大电路和电压放大电
路。
16.优选地，每个数采模块包括多个数模转换单元、fpga和flash，所述多个数模转换单元用于将采集的差分电信号转化为数字信号，所述fpga用于将数字信号存储在所述flash中。
17.优选地，每个数采模块还包括同步触发单元，用于发送同步触发信号以使所述多个数采模块同步采集差分电信号。
18.本发明还提供了一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集方法，其中，该方法包括：
19.利用适配器模块将各个传感器输出的电信号转换为差分电信号；
20.利用多个数采模块采集差分电信号并将采集的差分电信号转化为数字信号，同时存储并输出所述数字信号至实时控制模块；
21.利用实时控制模块将接收的数字信号传输至上位机或将读取的数字信号传输至上位机，其中，
22.利用电源模块为所述适配器模块、所述多个数采模块和所述实时控制模块进行供电，利用总线背板所述适配器模块、所述多个数采模块、所述实时控制模块和所述电源模块提供互连，实现各模块之间的通信。
23.通过上述技术方案，可以实现多个通道的传感器信号采集，并且能够对采集数据进行实时保存和传输，由此可为上位机提供随时查看、删除数据等操作，解决了采集数据因意外情况丢失的问题。
附图说明
24.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为根据本发明一种实施例的适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置的框图；以及
26.图2为根据本发明一种实施例的采集装置的信号处理电路的原理图；
27.图3为根据本发明一种实施例的采集装置的数采模块的原理图；
28.图4为根据本发明一种实施例的适用于实时存储数据的模块化动态信号采集方法的流程图。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
32.图1为根据本发明一种实施例的适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置的框图。
33.如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集装置，其中，该装置可以包括：适配器模块10，用于将各个传感器22输出的电信号转换为差分电信号；多个数采模块12，每个数采模块12用于采集差分电信号并将采集的差分电信号转化为数字信号，同时存储并输出所述数字信号至实时控制模块；所述实时控制模块14，用于将接收的数字信号传输至上位机16或将读取的数字信号传输至上位机16；电源模块18，用于为所述适配器模块10、所述多个数采模块12和所述实时控制模块14进行供电；总线背板20，用于为所述适配器模块10、所述多个数采模块14、所述实时控制模块16和所述电源模块18提供互连，实现各模块之间的通信。
34.其中，为了简化的目的，图1中仅示出了一个数采模块12和一个传感器22，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
35.通过上述技术方案，可以实现多个通道的传感器信号采集，并且能够对采集数据进行实时保存和传输，由此可为上位机提供随时查看、删除数据等操作，解决了采集数据因意外情况丢失的问题。
36.并且，实时控制模块14还可以运行采集装置软件，实现控制流程、网络协议、数据处理等功能。
37.举例来讲，所述适配器模块10、所述多个数采模块14、所述实时控制模块16和所述电源模块18均可以为标准的模块化板卡形式，通过插卡方式连接于总线背板20之上。其中，总线背板20可以采用正反双向i/o设计，各模块化板卡与背板直接相连，避免了线缆连接，具有传输路径短、抗干扰能力强的优点。各个模块化板卡可方便的插拔，如需增加采集通道，只需要增加插板即可。另外，针对不同的使用需求，使用不同的数采板卡和适配器板卡，可构成不同配置的数采系统，最大化的节约硬件成本，具有灵活通用的优点。
38.根据本发明一种实施例，所述适配器模块10可以包括信号处理电路100和供电电路102，所述信号处理电路100用于对各个传感器22输出的电信号进行处理以转换为差分电信号。
39.其中，适配器模块10作为一个独立的模块，可以根据不同的测试需求更换相应的
适配器模块10，而适配器模块10与数采模块12通过总线背板实现信号的连接，这样不必更换数采单元12即可满足不同传感器的接入需求，从而实现测试功能。
40.图2为根据本发明一种实施例的采集装置的信号处理电路的原理图。
41.根据本发明一种实施例，如图2所示，所述信号处理电路100可以包括前端电路1001、归一化电路1002、低通滤波器1003、积分电路1004和差分转换器1005，各个传感器22输出的电信号依次经所述前端电路1001、所述归一化电路1002、所述低通滤波器1003、所述积分电路1004和所述差分转换器1005处理得到差分电信号。
42.其中，前端电路1001用于接收各个传感器的输出信号；低通滤波器1003的作用是提供用户选择的低通滤波的频率对信号进行低通滤波。归一化电路1002是将电路中不同的增益如放大增益，滤波增益以及不同的传感器灵敏度综合在一起，将电路总体的增益归为一致，以便于计算的统一，方便处理。积分电路1004中有一次积分和二次积分，它的功能是将加速度传感器输入信号转换成振动的速度信号或位移信号，便于对被测振动物体的分析与研究。差分转换电路1005作为进入ad采样前信号的预处理(将信号转换为差分电信号)。
43.虽然上述描述了传感器输出的电信号将经过低通滤波器处理，但可替换地，也可以不经过低通滤波器处理，即，如图2所示，与低通滤波器1003并联一直通(pass)1007，信号直接经直通1007到达积分电路1004。
44.根据本发明一种实施例，所述信号处理电路100还可以包括过载保护电路1006，设置在所述归一化电路1002和所述低通滤波器1003之间，用于对所述多个数采模块12进行过载保护。
45.根据本发明一种实施例，所述前端电路1001可以包括并联连接的icp恒流电路1001a、电荷放大电路1001b和电压放大电路1001c。
46.其中，icp恒流电路1001a、电荷放大电路1001b、和电压放大电路1001c之间例如可以通过开关(参见图2)来切换，以实现不同传感器输出信号的处理。也就是，前端电路可以适用于不同的传感器，针对不同的传感器有不同的输入接收电路对传感器输出信号进行调理。
47.举例来讲，对于传感器来说输出信号一般有两种，即电压信号与电荷信号，在电信号放大电路中对于两种不同的信号需要采用不同的输入通道，例如电荷加速度传感器只能用电荷放大电路通道，将电荷信号转换成电压信号并进行相应的放大。如果传感器输入的信号是电压信号，则可以通过电压放大电路通道与后续电路(归一化电路)相连，在后续电路中对放大倍数进行归一化处理，便于信号增益统一处理。对于icp恒流源传感器，它输入的也是一种电压信号，只是在工作时必需对其施加一定电流与电压，保证其正常工作，与一般的电压传感器不同的是它输出的电压信号是直流与交流信号的叠加，因此可以通过icp恒流电路通道进行处理，其中叠加在直流上的交流信号是振动的有效信号，对于这种信号可以通过很简单的高通滤波滤除直流，得到振动的有效信号。
48.图3为根据本发明一种实施例的采集装置的数采模块的原理图。
49.根据本发明一种实施例，如图3所示，每个数采模块12可以包括多个数模转换单元120、fpga 122和flash 124，所述多个数模转换单元120用于将采集的差分电信号转化为数字信号，所述fpga 122用于将数字信号存储在所述flash 124中。
50.其中，flash 124可以为大容量的高速flash存储器，在系统向上位机传送数据时，
采集数据可实时存储于flash中，当系统出现意外中止工作时，可从flash中恢复此前的采集数据，最大程度的确保数据安全。
51.举例来讲，每个数采模块可以集成4路数模转换单元(例如，24位adc)，考虑到位数较多可以选用串行接口adc，adc的接口连接至fpga并通过fpga将串行数据转换为并行，同时经过地址译码，将数据存入flash的对应地址空间中，在系统出现掉电或其它故障时，可从flash中恢复未保存的数据，避免了采集数据的丢失。其中，flash存储可以采用块操作的方式，因此可以在fpga中对采样数据进行打包，然后再存入指定的区块中，在数据打包的间歇可以对flash进行读取操作，将数据放入缓存等待读取。fpga同时负责实现自定义总线接口功能，通过自定义总线接口接收上位机指令实现对多路adc的控制，并通过自定义总线将采集数据上传给实时控制模块。
52.根据本发明一种实施例，每个数采模块12还可以包括同步触发单元，用于发送同步触发信号以使所述多个数采模块同步采集差分电信号。
53.由此，可以实现多通道同步数据采集。
54.图4为根据本发明一种实施例的适用于实时存储数据的模块化动态信号采集方法的流程图。
55.如图4所示，本发明实施例提供了一种适用于实时存储数据的模块化动态信号采集方法，其中，该方法可以包括：
56.s400，利用适配器模块将各个传感器输出的电信号转换为差分电信号；
57.s402，利用多个数采模块采集差分电信号并将采集的差分电信号转化为数字信号，同时存储并输出所述数字信号至实时控制模块；
58.s404，利用实时控制模块将接收的数字信号传输至上位机或将读取的数字信号传输至上位机，其中，
59.利用电源模块为所述适配器模块、所述多个数采模块和所述实时控制模块进行供电，利用总线背板所述适配器模块、所述多个数采模块、所述实时控制模块和所述电源模块提供互连，实现各模块之间的通信。
60.通过上述技术方案，可以实现多个通道的传感器信号采集，并且能够对采集数据进行实时保存和传输，由此可为上位机提供随时查看、删除数据等操作，解决了采集数据因意外情况丢失的问题。
61.图4所述的方法与图1所述的装置相对应，具体的示例可以参照关于图1所述的装置的描述，在此不再赘述。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
63.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
64.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。