专利名称：一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于数据采集领域，具体涉及一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统。
背景技术：
在现代工业生产和科学研究过程中，常常需要记录生产和研究过程中一些模拟量信号，要求具有高精度幅值采集。由于受各种因素影响，在采集模拟信号时存在“零漂”和“幅值缩放”等现象，这常常要求用户在采集数据后进行相应的数据处理才能得到比较精确的信号幅值信息。同时在一些应用中需要对某些模拟量信号设置门限值，在工作过程中精确记录模拟量信号超过门限值(包括从低到高的过程超过门限值和从高到低超过门限值两种情况)时间点，然后根据记录的超过门限值的时间点信息以及信号的自身特征信息，对生产过程或科学研究过程中的影响因素、异常因素等信息进行分析和判定。目前市面的一些数据采集卡可以实现基本的模拟量信号测量需求，但一般不具有幅值自动补偿功能、门限值设置和超门限值时精确计时功能。特别是在现代工业生产中或科学研究过程中，需要高精度幅值采集、同时记录多路的模拟量信号并进行超门限值精确计时，并要求各路模拟量信号彼此隔离、与后端处理电路完全隔离时，目前未见有解决方案。

发明内容
为了解决多路模拟量信号的高精度幅值实时采集与超门限值时的精确计时问题，本发明提供一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统。为实现上述发明目 的，本发明所采用的技术方案是:
该系统采用自动幅值校正电路和补偿系数自动计算存储功能。在实际信号采集过程中，利用存储的补偿系数对采集数据进行自动补偿，提高幅值采集的精度，同时实现超门限值精确计时。该板卡可以采用PCI接口与现有的计算机构成多路的模拟量信号采集与检测系统，也可以采用PC104P1US接口与单板计算机共同构成便携式多路模拟量信号采集与检测系统，该系统最多可以支持4块板卡同时工作，合计可以同时采集近百路模拟量信号，具体方案如下所述。本发明的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，根据具有将自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统的需求，采用至少一块具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡，根据PCI长卡规范和PC104P1US接口板卡接入计算机PCI总线，所述具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡包括:
O多路模拟信号输入模块:采用隔离电源对各路进行隔离；
2)信号调理模块:采用高精度电路实现信号的调理，包括至少两个调理模块，其中一个调理模块主要进行调理输入模拟信号符合信号隔离电路的输入动态范围，一个信号调理模块使其符合AD输入的动态范围；
3)信号隔离电路模块:在前端信号调理的基础上，采用信号隔离模块实现前后端的隔离，对模拟信号的隔离可采用线性光耦隔离器件实现，对输入信号进行线性变换；
4)标定电压产生模块:采用标准电路产生一系列的如10mV、100mV、500mV、lV的这些标准电平，通过多路选择开关的通断控制，将其作为采集模拟信号的输入，用于自动校正线性光耦的变换系数，并将该系数存储于系统中，在采集模拟信号时进行自动补偿，实现模拟量信号幅值的高精度采集；
5)系统控制和信号处理模块:主要由主处理器及应用程序构成。其中主
处理器模块可以选择DSP或者FPGA，在其上编写应用程序可以实现整个系统的功能参数配置、模拟信号采集、门限值设定和超门限值检测与精确计时功能；
6)PCI协议实现电路:采用PCI桥芯片实现PCI协议通信，其中PC104Plus接口也选择PCI协议进行通信。

优选的，优选的优选的优选的所述信号采集板卡可根据板卡的设计面积进行模拟量信号采集的路数确定。优选的，采用单块具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡，根据PCI长卡规范和PC104P1US接口板卡便携式要求，一般选择24路模拟量信号进行并行处理；在采用PCI接口的具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，可协同工作的板卡数目主要受其载体计算机主板PCI插槽数限制，而采用PC104P1US接口的便携式具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，受PC104P1US接口限制，最多只能堆叠4块板卡，即可以实现96路具有自动补偿功能的模拟量信号采集与超门限值精确计时处理。优选的，对模拟信号的隔离可采用线性光耦隔离器件实现，对输入信号进行线性变换；线性光耦器件选择时应考虑其隔离度、输入阻抗、响应速度和带宽等性能指标，另外要求对信号的延时应在IOus以下。优选的，多路模拟信号输入模块:根据信号安全要求必须对输入的各路模拟信号彼此之间进行隔离，采用隔离电源对各路进行隔离。该电路主要采用变压器隔离的方法进行隔离。优选的，在使用时需要用开关通知系统控制和信号处理模块开始或结束光耦线性变换参数校正模块功能。在正常工作过程中，选择外部模拟信号作为系统的输入来选择该路开关的闭合。优选的，主处理器模块主要包括以下四个模块:
O系统配置模块:该模块主要实现系统的功能配置，主要包括系统初始参数的设置、采样频率设置、采样各路模拟信号设置、各路模拟信号门限值设置、采样的使能和停止这些功能；
2)信号采集模块:主要实现对具有自动补偿功能的多路模拟量信号的采
集和处理；首先对线性光耦输出的信号进行Α/D数字化转换，然后输出给主处理器，主处理器高速采集信号，并利用存储的自动补偿系数对采集数据进行自动补偿，提高采集信号的幅值精度，最终数据可以通过PCI总线实现采集数据的存储；
3)信号检测模块:实现具有自动补偿够功能多路模拟信号的超门限值检
测的精确计时，主处理器在采集模拟信号时，同时将与系统设定的各路自己的门限值进行比对检测，当发生包括从低到高的过程超过门限值和从高到低超过门限值两种情况的超门限值时，记录该时间点，并通过驱动通知上层应用程序，主要采用硬件中断的方式处理；
4)光耦线性变换参数自动校正模块:当用户启动标定电压产生模块时，系统将进入线性光耦变换参数的自动校正功能模块，根据输入的标定电压和采集的信号，进行自动校正计算，用于对采集信号进行补偿，从而提高系统采集模拟信号的幅度值精度。相对于现有技术，本发明的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，具有以下有益的技术效果:
O实现了各个输入模拟信号的隔离，防止输入信号的互扰；同时实现了各个输入模拟信号与后端处理电路的隔离，可以保护后端处理电路。2)实现对输入模拟信号的高共模抑制，满足“虚地”信号采集。3)采用档位开关调整前端调理电路，支持宽动态范围，并适用于微弱信号采集。4)为保证输入信号幅度采集的精度，支持对采用的线性光耦器件变换参数的自动校正功能，提取的校正系数用于板卡采集数据时幅值的自动补偿，该功能可以提高采集信号的幅值精度。5)实现具有自动补偿功能的多路模拟信号的并行采集与超门限值检测功能，具有可配置的信号幅度实时检测功能和幅值自动补偿功能，并且对检测到的超门限值信息进行精确计时，可用于工业生产或科学研究中影响因素与异常因素分析。6)板卡支持PCI接口和PC104Plus接口两种模式，其中采用PC104接口模式可以和单板机配合构成便携式的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统。7)多块板卡协同工 作能力，近百路模拟信号采集和超门限值检测领域。其中采用PC104P1US接口便携模式下，最多可扩展到4块板卡，而采用PCI接口的板卡一般来说仅受PCI机主板可用的PCI插槽限制。


图1为本发明的一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统的总体设计方案示意图。图2为本发明的一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统的单板硬件原理框图。
具体实施例方式以下结合附图详细描述本发明的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统的体系结构，但不构成对本发明的限制。本发明的一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统的设计方案:
根据具有将自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统的需求，可以采用图1所示的设计方案。如图1所示，单块“具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡”可以根据板卡的设计面积进行模拟量信号采集的路数确定，根据PCI长卡规范和PC104P1US接口板卡便携式要求，一般选择24路模拟量信号进行并行处理。若需要同时进行近百路模拟量信号的采集和超门限值检测和精确计时，可以采用多块板卡协同工作的模式进行系统扩展。一般来说，在采用PCI接口的具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，可协同工作的板卡数目主要受其载体计算机主板PCI插槽数限制，而采用PC104P1US接口的便携式具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，受PC104P1US接口限制，最多只能堆叠4块板卡，即可以实现96路具有自动补偿功能的模拟量信号采集与超门限值精确计时处理。I)多路模拟信号输入模块
该模块选择标准接口接入多路模拟信号，根据信号安全要求必须对输入的各路模拟信号彼此之间进行隔离，采用隔离电源对各路进行隔离。该电路主要采用变压器隔离的方法进行隔离。由于前端电路的O电平是直接参考输入信号的一端的，即不等同于我们测量后端的O电平，也不等同于被测量信号部分的O电平，产生“虚地”效应。在前端电路处理中采用高共模抑制方法，满足“虚地”信号的采集。2)信号调理模块
本系统要求高精度的进行模拟信号的采集和超门限值检测，主要采用高精度电路实现信号的调理。整个系统主要包括两个调理模块，其中前一个调理模块主要进行调理输入模拟信号符合信号隔离电路(线性光耦隔离器件)的输入动态范围，而后一个信号调理电路使其符合AD输入的动态范围。由于在模拟信号输入后采用信号调理电路进行处理，使系统具有较大的信号处理范围，特别是使该系统“适用于微弱信号采集”，主要方法是通过“档位选择开关”在运放的比例放大部分的接入不同电阻，使其符合不同的量程要求。3)信号隔离电路模块
为保护后端电路以及整个系统，要求前端电路(输入信号)与后端处理电路进行隔离，因此在前端信号调理的基础上，采用信号隔离模块实现前后端的隔离。由于系统输入信号为模拟量信号，对模拟信号的隔离可采用业界常用的线性光耦隔离器件实现，对输入信号进行线性变换。线性光耦器件选择时应考虑其隔离度、输入阻抗、响应速度和带宽等性能指标，另外要求对信号的延时应在IOus以下。4 )标定电压产生模块
采用线性光耦隔离器件时，由于受器件本身和外围调理电路元器件精度影响，其线性变化的基本公式中，a和b的值将发生变化。为提高该模拟信号采集系统的幅度精度，系统配置线性光耦其变换公式自动校正功能。主要采用标准电路产生一系列标准电平(如10mV、100mV、500mV、IV等)，通过多路选择开关的通断控制，将其作为采集模拟信号的输入，用于自动校正线性光耦的变换系数，并将该系数存储于系统中，在采集模拟信号时进行自动补偿，实现模拟量信号幅值的高精度采集。注意:在使用时需要用开关通知系统控制和信号处理模块开始或结束光耦线性变换参数校正模块功能。在正常工作过程中，选择外部模拟信号作为系统的输入(选择该路开关闭合)。5)系统控制和信号处理模块 系统控制和信号处理模块主要由主处理器+应用程序构成。其中主处理器模块可以选择DSP或者FPGA，在其上编写应用程序可以实现整个系统的功能参数配置、模拟信号采集、门限值设定和超门限值检测与精确计时功能。其中主要包括以下四个模块: a)系统配置模块
该模块主要实现系统的功能配置，主要包括系统初始参数的设置、采样频率设置、采样各路模拟信号设置(根据需要使能采样通道)、各路模拟信号门限值设置、采样的使能和停止等功能。b)信号采集模块
该系统单板主要实现对具有自动补偿功能的多路模拟量信号的采集和处理。本系统设计中首先对线性光耦输出的信号进行Α/D数字化转换，然后输出给主处理器，主处理器高速采集信号，并利用存储的自动补偿系数对采集数据进行自动补偿，提高采集信号的幅值精度，最终数据可以通过PCI总线实现采集数据的存储。c )信号检测模块
本系统单板需实现具有自动补偿够功能多路模拟信号的超门限值检测的精确计时，主处理器在采集模拟信号时，同时将与系统设定的各路自己的门限值进行比对检测，当发生超门限值时(从低到高的过程超过门限值和从高到低超过门限值两种情况)时，记录该时间点，并通过驱动通知上层应用程序，主要采用硬件中断的方式处理。d)光耦线性变换参数自动校正模块
当用户启动标定电压产 生模块时(接通相关的模拟开关)，系统将进入线性光耦变换参数的自动校正功能模块，根据输入的标定电压和采集的信号，进行自动校正计算，用于对采集信号进行补偿，从而提高系统采集模拟信号的幅度值精度。6 ) PCI协议实现电路
该板卡采用PCI桥芯片实现PCI协议通信，其中PC104P1US接口也选择PCI协议进行通信。本系统所设计的PCI或PC104P1US板卡将实现对模拟信号的采集和超门限值检测精确计时，具体硬件结构框图如图2所示。前端电路包括信号输入电路、信号调理电路、信号隔离电路和标准电压产生电路，其中信号输入电路支持高共模抑制，可以解决信号“虚地”问题；信号调理模块主要使输入信号符合其后端相接电路模块的输入信号动态范围，通过可调电阻设计，可以实现较大的信号处理范围，特别是可以使该系统“适用于微弱信号采集”；信号隔离电路包括两个部分，最前端隔离电路主要用于各个输入模拟信号的隔离，防止输入信号的相互干扰；标准电压产生电路通过模拟开关的通、断选择为采集系统提供一个标准电压信号，同时在启用时会通过中断通知主处理模块的线性光耦线性变换参数自动校正功能模块，用于校正整个系统前端采集模拟信号的幅度精度。而AD前的前端线性隔离电路主要实现输入信号和后端处理信号处理电路的隔离，主要采用线性光耦隔离器件实现。由于需要对多路输入模拟信号进行采集，需要一个或多个AD构成AD阵列将其转化为数字信号，而主处理器通过总线接口获取AD采集的输入的各路模拟信号。此外，主处理器需要对采集后的信号自动补偿后进行缓存和是否超过门限值的检测，若超过门限值则记录时间点，并向板卡驱动发送硬件中断。为完成本系统任务，主处理器还需实现配置模块、计时模块、测试模块和I2C模块等。系统中的FLASH用于基本配置信息的固化。
电源管理模块负责产生板子所需的各级电源，时钟模块为系统提供时钟信号。同时单板也支持外部时钟输入接口，以便于协调多块板卡工作。测试系统的软件设计以模块化设计为基础，分为板卡具有自动补偿功能的模拟量信号采集与超门限值精确计时程序、驱动程序、测试软件三个组成部分，三者之间协同工作。板卡采集多路模拟信号，进行自动补偿，暂存后进行超门限值状态判决，然后将处理结果通知驱动程序。驱动程序监视板卡信息，并实时的通知测试程序。测试程序检测驱动的采集数据的通知，读取采集的模拟信号数据，若接到发生超门限值中断时，测试程序将读取超门限值的状态信息和精确计时信息。因此，软件的总体设计过程可划分为信号采集与超门限值精确计时程序设计、驱动程序设计、测试程序设计三个部分。注意:系统支持多板卡协同工作方式，可以同时对近百路模拟量信号进行采集和检测。1.模拟信号采集与超门限值检测精确计时程序设计方案
板卡的软件处理方案，多路模拟量信号经隔离电路和调理电路处理后，被AD进行数字转化后，由主处理模块采集并自动补偿后进行超过门限值判断并计时。如果有超过门限值事件发生，将存储跳变信息并向驱动发送中断。系统同时通过PCI总线协议与主机进行命令和信息交互，系统实时监听主机的命令。系统监听的主机命令如下:
O门限值设置命令，用于设置各路的门限值；
2)是否存储采集数据命令，如果选择将通过驱动通知上层应用程序存取采集的数据，否则上层应用程序不存储采集数据；
3)开始检测命令，用于启动板卡上的应用程序进行采集和超门限值判断；
4)停止检测命令，用于停止把卡上的应用程序进行采集和超门限值判断。此外软件监测“线性光耦变换参数自动校正”功能的中断，当接收到该中断后，系统进入线性光耦变换参数自动校正功能模块，进行其变换参数的自动校正，提高系统采集模拟信号的幅度精度。该功能一般在使用前进行一次校正即可，校正参数固化存储于系统中，可用于下次测量时采集信号幅度的自动补偿。2.板卡驱动程序设计方案
板卡的Windows驱动程序基于WDM模型进行开发，实现对板卡的加载、初始化、板卡的控制、中断响应、数据获取等功能。驱动主要实现的是PCI总线通信。驱动工作后，检测板卡中断，如果有板卡中断发生时，则根据中断的种类不同，发送不同事件中断通知上层测试程序。3.测试程序设计方案
上层应用程序主要有以下功能:
I)枚举板卡功能，当系统中有多块板卡协同工作时，该应用程序需要对板卡进行枚举，获取所有板卡的操作句柄。2)板卡配置功能，用于配置板卡的工作条件，包括各路模拟信号的门限值，使能和禁用各路模拟信号采集的功能、是否存储采集数据的功能(如果否，则仅做超门限值检测，不存储采集的数据)等。3)信号显示功能，可以回放各路采集的模拟信号。4)启动板卡 检测功能，使能板卡的数据采集和超门限值检测功能。
5)停止板卡检测的功能。上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作·出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，根据具有将自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统的需求，采用至少一块具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡，根据PCI长卡规范和PC104P1US接口板卡接入计算机PCI总线，所述具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡包括: O多路模拟信号输入模块:采用隔离电源对各路进行隔离； 2)信号调理模块:采用高精度电路实现信号的调理，包括至少两个调理模块，其中一个调理模块主要进行调理输入模拟信号符合信号隔离电路的输入动态范围，一个信号调理模块使其符合AD输入的动态范围； 3)信号隔离电路模块:在前端信号调理的基础上，采用信号隔离模块实现前后端的隔离，对模拟信号的隔离可采用线性光耦隔离器件实现，对输入信号进行线性变换； 4)标定电压产生模块:采用标准电路产生一系列的如10mV、100mV、500mV、lV的这些标准电平，通过多路选择开关的通断控制，将其作为采集模拟信号的输入，用于自动校正线性光耦的变换系数，并将该系数存储于系统中，在采集模拟信号时进行自动补偿，实现模拟量信号幅值的高精度采集； 5)系统控制和信号处理模块:主要由主处理器及应用程序构成，其中主处理器模块可以选择DSP或者FPGA，在其上编写应用程序可以实现整个系统的功能参数配置、模拟信号采集、门限值设定和超门限值检测与精确计时功能； 6)PCI协议实现电路:采用专用芯片实现PCI协议通信，其中PC104Plus接口也选择PCI协议进行通信。
2.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统， 其特征在于，所述信号采集板卡 可根据板卡的设计面积进行模拟量信号采集的路数确定。
3.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，采用单块具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡，根据PCI长卡规范和PC104P1US接口板卡便携式要求，一般选择24路模拟量信号进行并行处理；在采用PCI接口的具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，可协同工作的板卡数目主要受其载体计算机主板PCI插槽数限制，而采用PC104P1US接口的便携式具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集系统中，受PC104P1US接口限制，最多只能堆叠4块板卡，即可以实现96路具有自动补偿功能的模拟量信号采集与超门限值精确计时处理。
4.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，对模拟信号的隔离可采用线性光耦隔离器件实现，对输入信号进行线性变换；线性光耦器件选择时应考虑其隔离度、输入阻抗、响应速度和带宽等性能指标，另外要求对信号的延时应在IOus以下。
5.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，多路模拟信号输入模块:根据信号安全要求必须对输入的各路模拟信号彼此之间进行隔离，采用隔离电源对各路进行隔离，该电路主要采用变压器隔离的方法进行隔离。
6.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，可以利用开关选择启动标准电压产生模块，并通知系统开始光耦线性变换参数校正模块功能，在正常工作过程中，选择外部模拟信号作为系统的输入，启动信号采集和监测功能。
7.根据权利要求1所述的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，其特征在于，主处理器模块主要包括以下四个模块: 1)系统配置模块:该模块主要实现系统的功能配置，主要包括系统初始 参数的设置、采样频率设置、采样各路模拟信号设置、各路模拟信号门限值设置、采样的使能和停止这些功能； 2)信号采集模块:主要实现对具有自动补偿功能的多路模拟量信号的采 集和处理；首先对线性光耦输出的信号进行Α/D数字化转换，然后输出给主处理器，主处理器高速采集信号，并利用存储的自动补偿系数对采集数据进行自动补偿，提高采集信号的幅值精度，最终数据可以通过PCI总线实现采集数据的存储； 3)信号检测模块:实现具有 自动补偿够功能多路模拟信号的超门限值检 测的精确计时，主处理器在采集模拟信号时，同时将与系统设定的各路自己的门限值进行比对检测，当发生包括从低到高的过程超过门限值和从高到低超过门限值两种情况的超门限值时，记录该时间点，并通过驱动通知上层应用程序，主要采用硬件中断的方式处理； 4)光耦线性变换参数自动校正模块:当用户启动标定电压产生模块时， 系统将进入线性光耦变换参数的自动校正功能模块，根据输入的标定电压和采集的信号，进行自动校正计算，用于对采集信号进行补偿，从而提高系统采集模拟信号的幅度值精度。
全文摘要
本发明提出了一种具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，采用至少一块具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡，根据PCI长卡规范和PC104Plus接口板卡接入计算机PCI总线，所述具有自动补偿功能的多路模拟量信号采集板卡包括多路模拟信号输入模块，信号调理模块，信号隔离电路，标定电压产生模块，系统控制和信号处理模块，PCI协议实现电路。本发明的具有自动补偿功能的多路模拟信号采集系统，实现具有自动补偿功能的多路模拟信号的并行采集与超门限值检测功能，具有可配置的信号幅度实时检测功能和幅值自动补偿功能，并且对检测到的超门限值信息进行精确计时，可用于工业生产或科学研究中影响因素与异常因素分析。
文档编号G01R31/00GK103235202SQ201210294888
公开日2013年8月7日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者胡剑凌, 邵雷, 郑攀 申请人:苏州大学