CN114362754A - 一种多通道模拟量信号采集处理*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道模拟量信号采集处理***，本发明涉及信号采集领域，其包括依次连接的信号采集器、通道选择切换电路、滤波限幅保护电路、模拟‑数字转换电路和FPGA电路；FPGA电路与温度采集电路的输出端相连。本发明针对电子设备输入的各类模拟量电信号，在固定周期内完成64个通道的模拟量信号的依次快速切换和采集；不需要增加多个A/D转换器和滤波限幅保护电路，只需在模拟‑数字转换电路前使用1路滤波限幅保护电路，可以有效减少模块的重量和体积，避免传统采集模块使用元器件数量多、成本偏高以及体积大、故障机会多的缺点。还可以滤除共模干扰，输出的信号再通过有源滤波滤除差模干扰，整体提高采集信号的精度，具备高抗干扰能力。

Description

一种多通道模拟量信号采集处理***

技术领域

本发明涉及信号采集领域，具体涉及一种多通道模拟量信号采集处理***。

背景技术

飞机的仪表和电子装置，在飞机飞行的各个阶段，都需要实时采集各种被测参数来实现控制、显示、指导飞行员驾驶、保障飞行安全等功能，其测量参数包括如：温度、流量、压力、液位、距离等，通过传感器转化为电压、电流、电阻、电感、电荷等模拟量信号，其被测量参数的精度和数据的稳定性将极大提高电子装置的安全性和可靠性。

传统的模拟量信号采集装置，信号经过调理、滤波、处理转化为电压信号传入模拟-数字转换器进行模拟量转为数字量，模拟-数字转换器（A/D转换器）的输入通道常为单通道和双通道，采集模拟量数量就会受到限制。传统的采集电路，需要扩展多个模拟-数字转换器对模拟量信号进行采集，该方式存在两个弊端，首先由于模拟量为电气信号，需要对信号进行限幅抑制处理，避免外部耦合的高压信号损坏模拟-数字转换器、微处理器等低压芯片，每个通道到低压芯片都需要配置限幅保护电路，增加电子元器件的数量和电路，在同一大小的模块可实现采集的模拟量的通道数量减少，受限制；其次模拟-数字转换器的时序控制，主要由单片机、数字信号处理器DSP完成，数据交互采用并行总线，模拟-数字转换器启动转换，以及数据的读取都要占用微处理器的程序周期时间，单片机、数字信号处理器DSP的嵌入式软件为串行工作模式，只有等模拟量信号转换数字信号完成，且数字量数据依次读入到微处理器的内部存储器，才能进行数据的处理，计算。如果采集的模拟量信号的通道数较多，就需扩展模拟-数字转换器，同时会极大延长程序周期，对于高动态响应的控制***或设备就无法满足，器件的种类和数量多，极大降低产品的可靠性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种通道模拟量信号采集处理***解决了传统采集模块使用元器件数量多、成本偏高以及体积大、故障机会多的缺点的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种多通道模拟量信号采集处理***，其包括依次连接的信号采集器、通道选择切换电路、滤波限幅保护电路、模拟-数字转换电路和FPGA电路；FPGA电路与温度采集电路的输出端相连；

信号采集器，用于采集目标的信号，并将采集得到的模拟信号发送至通道选择切换电路；

通道选择切换电路，用于根据FPGA电路的控制信号选择对应的信号采集器采集得到的模拟信号输入到滤波限幅保护电路；

滤波限幅保护电路，对输入的模拟信号和地进行滤波，并将滤波后的信号钳压为±15V，输入到模拟-数字转换电路；

模拟-数字转换电路，用于将模拟量转化为数字量，得到数字信号，并通过并行数据总线将数字信号发送到FPGA电路；

温度采集电路，用于获取目标对象工作时的环境温度；

FPGA电路，用于根据目标对象工作时的环境温度获取修正系数对各个数字信号进行修正，将修正后的数据进行存储和/或展示；用于产生通道选择切换电路的控制信号。

进一步地，通道选择切换电路包括至少一级切换开关，每级切换开关至少包括一个8通道模拟开关，第n级8通道模拟开关的输出端与第n-1级8通道模拟开关的输入端相连；第1级8通道模拟开关的输出端连接滤波限幅保护电路；最后1级8通道模拟开关的输入端连接信号采集器；每个8通道模拟开关的控制端分别与FPGA电路相连。

进一步地，8通道模拟开关的型号为HI-548-2。

进一步地，滤波限幅保护电路包括第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、差分模块、+15V限幅模块和-15V限幅模块；第一低通滤波模块的输入端与通道选择切换电路的输出端相连；第二低通滤波模块的输入端与模拟地相连；第一低通滤波模块的输出端和第二低通滤波模块的输出端分别连接差分模块的反相输入端和同相输入端；+15V限幅模块的输入端与10V参考电压相连；-15V限幅模块的输入端与-10V参考电压相连；差分模块的输出端分别连接+15V限幅模块的输出端和-15V限幅模块的输出端，并作为滤波限幅保护电路的输出端。

进一步地，第一低通滤波模块包括运算放大器N1，运算放大器N1的同相输入端通过电阻R4与通道选择切换电路的输出端相连；运算放大器N1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电阻R2的另一端分别连接电容C1的另一端、运算放大器N1的输出端和电阻R3的一端；电阻R3的另一端作为第一低通滤波模块的输出端。

进一步地，第二低通滤波模块包括运算放大器N2，运算放大器N2的同相输入端通过电阻R3分别与模拟地、接地电阻R6和接地电容C4相连；运算放大器N2的反相输入端分别连接电阻R5的一端和电容C3的一端，电阻R5的另一端分别连接电容C3的另一端、运算放大器N2的输出端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端作为第二低通滤波模块的输出端。

进一步地，差分模块包括运算放大器N3，运算放大器N3的反相输入端分别与第一低通滤波模块的输出端、电容C2的一端和电阻R1的一端相连；运算放大器N3的同相输入端与第二低通滤波模块的输出端相连；电容C2的另一端分别连接电阻R1的另一端和运算放大器N3的输出端；运算放大器N3的输出端为差分模块的输出端。

进一步地，+15V限幅模块包括运算放大器N4C，运算放大器N4C的同相输入端与10V参考电压相连；运算放大器N4C的反相输入端连接开关二极管V1的正极并作为+15V限幅模块的输出端；开关二极管V1的负极连接运算放大器N4C的输出端。

进一步地，-15V限幅模块包括运算放大器N4D，运算放大器N4D的同相输入端与-10V参考电压相连；运算放大器N4D的同相输入端作为-15V限幅模块的输出端；运算放大器N4D的反相输入端连接开关二极管V2的负极，开关二极管V2的正极连接运算放大器N4D的输出端。

进一步地，模拟-数字转换电路包括型号为AD1674的A/D转换器D1，A/D转换器D1的数字地与模拟地通过0欧姆电阻短接。

进一步地，温度采集电路包括型号为AD590的温度传感器N5，温度传感器N5的引脚1分别连接15V电源和接地电容C8；温度传感器N5的引脚3接地；温度传感器N5的引脚2分别连接电阻R15的一端和接地电阻R16；电阻R15的另一端分别连接接地电阻R14和运算放大器N6的同相输入端；运算放大器N6的反相输入端分别连接电阻R18的一端和接地电阻R17；运算放大器N6的输出端连接电阻R18的另一端并作为温度采集电路的输出端。

进一步地，FPGA电路包括型号为A3P1000-PQ208M的FPGA芯片和型号为X5323S8IZ-2.7A的存储器。

本发明的有益效果为：

1、本***针对电子设备输入的各类模拟量电信号，通过模拟开关的扩展，在固定周期内完成64个通道的模拟量信号的依次快速切换和采集；不需要增加多个A/D转换器和滤波限幅保护电路，只需在模拟-数字转换电路前使用1路滤波限幅保护电路，可以有效减少模块的重量和体积，避免传统采集模块使用元器件数量多、成本偏高以及体积大、故障机会多的缺点。

2、通道选择切换电路通过模拟开关构成两级架构的通道选择切换电路，可以同时扩展采集64个模拟量信号，比传统的采集模块采集的信号数量多，也可以根据实际电子装置模拟量的数目，增加模拟开关，形成3级架构，扩展更多的模拟量采集通道。

3、滤波限幅保护电路对模拟地和模拟开关输出的采集信号同时进行RC一阶滤波处理，通过放大器构成的差分模块，采集信号与处理过的模拟地信号进行相减，滤除共模干扰，输出的信号再通过有源滤波滤除差模干扰，整体提高采集信号的精度，具备高抗干扰能力。

4、将数字信号实时通过并行的数据总线发给FPGA电路，FPGA电路根据产品环境温度值读取EEPROM存储器中对应的修正系数，对模拟量进行温度补偿修正、数字滤波，处理结果存储在FPGA的RAM区。上位机或CPU处理器根据任务需求，通过并行数据总线或者串行总线高速读取处理后数据，进行相关的计算、任务处理，不占用程序周期，动态响应好。

附图说明

图1为本***的结构框图；

图2为通道选择切换电路的结构示意图；

图3为单个8通道模拟开关的电路图；

图4为滤波限幅保护电路的电路图；

图5为A/D转换器D1的电路图；

图6为温度采集电路的电路图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该多通道模拟量信号采集处理***包括依次连接的信号采集器、通道选择切换电路、滤波限幅保护电路、模拟-数字转换电路和FPGA电路；FPGA电路与温度采集电路的输出端相连；

信号采集器，用于采集目标的信号，并将采集得到的模拟信号发送至通道选择切换电路；

通道选择切换电路，用于根据FPGA电路的控制信号选择对应的信号采集器采集得到的模拟信号输入到滤波限幅保护电路；

滤波限幅保护电路，对输入的模拟信号和地进行滤波，并将滤波后的信号钳压为±15V，输入到模拟-数字转换电路；

模拟-数字转换电路，用于将模拟量转化为数字量，得到数字信号，并通过并行数据总线将数字信号发送到FPGA电路；

温度采集电路，用于获取目标对象工作时的环境温度；

FPGA电路，用于根据目标对象工作时的环境温度获取修正系数对各个数字信号进行修正，将修正后的数据进行存储和/或展示；用于产生通道选择切换电路的控制信号。

如图2和图3所示，通道选择切换电路包括至少一级切换开关，每级切换开关至少包括一个8通道模拟开关，第n级8通道模拟开关的输出端与第n-1级8通道模拟开关的输入端相连；第1级8通道模拟开关的输出端连接滤波限幅保护电路；最后1级8通道模拟开关的输入端连接信号采集器；每个8通道模拟开关的控制端分别与FPGA电路相连。

8通道模拟开关的型号为HI-548-2。该模拟开关自带过电压保护功能，能持续承受70V的峰峰值电压，防止外部输入的模拟量信号在过电压时损坏模拟开关，提高采集模块的安全性，且开通接通时间不超过1uS，信号输入范围±15V，可以满***流信号和直流信号的切换。模拟开关的使能信号和通道切换的地址信号由FPGA电路控制输出，依次将输入信号Analog_IN1，Analog_IN2到Analog_IN8与输出通道Analog_MUX1_OUT1接通，输出到后级模拟开关。

如图4所示，滤波限幅保护电路包括第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、差分模块、+15V限幅模块和-15V限幅模块；第一低通滤波模块的输入端与通道选择切换电路的输出端相连；第二低通滤波模块的输入端与模拟地相连；第一低通滤波模块的输出端和第二低通滤波模块的输出端分别连接差分模块的反相输入端和同相输入端；+15V限幅模块的输入端与10V参考电压相连；-15V限幅模块的输入端与-10V参考电压相连；差分模块的输出端分别连接+15V限幅模块的输出端和-15V限幅模块的输出端，并作为滤波限幅保护电路的输出端。±15V限幅模块可以避免电压信号损坏A/D转换器，提高采集模块的安全性能。滤波处理的单通道高速运算放大器选用LM118，通过连接低偏置电压和偏置电流可以降低器件本身特性导致输出电压信号的偏差，提高采集精度。

第一低通滤波模块包括运算放大器N1，运算放大器N1的同相输入端通过电阻R4与通道选择切换电路的输出端相连；运算放大器N1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电阻R2的另一端分别连接电容C1的另一端、运算放大器N1的输出端和电阻R3的一端；电阻R3的另一端作为第一低通滤波模块的输出端。

第二低通滤波模块包括运算放大器N2，运算放大器N2的同相输入端通过电阻R3分别与模拟地、接地电阻R6和接地电容C4相连；运算放大器N2的反相输入端分别连接电阻R5的一端和电容C3的一端，电阻R5的另一端分别连接电容C3的另一端、运算放大器N2的输出端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端作为第二低通滤波模块的输出端。

差分模块包括运算放大器N3，运算放大器N3的反相输入端分别与第一低通滤波模块的输出端、电容C2的一端和电阻R1的一端相连；运算放大器N3的同相输入端与第二低通滤波模块的输出端相连；电容C2的另一端分别连接电阻R1的另一端和运算放大器N3的输出端；运算放大器N3的输出端为差分模块的输出端。

+15V限幅模块包括运算放大器N4C，运算放大器N4C的同相输入端与10V参考电压相连；运算放大器N4C的反相输入端连接开关二极管V1的正极并作为+15V限幅模块的输出端；开关二极管V1的负极连接运算放大器N4C的输出端。

-15V限幅模块包括运算放大器N4D，运算放大器N4D的同相输入端与-10V参考电压相连；运算放大器N4D的同相输入端作为-15V限幅模块的输出端；运算放大器N4D的反相输入端连接开关二极管V2的负极，开关二极管V2的正极连接运算放大器N4D的输出端。

如图5所示，模拟-数字转换电路包括型号为AD1674的A/D转换器D1，A/D转换器D1的数字地与模拟地通过0欧姆电阻短接。AD1674内置基准电压源10V，采集速率100KSPS，采集模拟量信号的输入电压范围±10V。A/D转换器并联10uF和0.1uF旁路电容，滤除低频和高频干扰。A/D转换器的数字地与模拟地，在靠近芯片最近处用0欧姆电阻（图5中电阻R3）短接，形成等电位。

由于电子元器件在高低温时，特性变化和参数漂移，导致采集精度的降低，本***采用温度传感器对目标电子装置的温度进行采集监控。如图6所示，温度采集电路包括型号为AD590的温度传感器N5，温度传感器N5的引脚1分别连接15V电源和接地电容C8；温度传感器N5的引脚3接地；温度传感器N5的引脚2分别连接电阻R15的一端和接地电阻R16；电阻R15的另一端分别连接接地电阻R14和运算放大器N6的同相输入端；运算放大器N6的反相输入端分别连接电阻R18的一端和接地电阻R17；运算放大器N6的输出端连接电阻R18的另一端并作为温度采集电路的输出端。温度采集电路的输出可以通过A/D转换之后再输入FPGA电路。

FPGA电路包括型号为A3P1000-PQ208M的FPGA芯片和型号为X5323S8IZ-2.7A的存储器。在高低温时，基于当前目标电子装置的温度值，对采集数据进行高低温修正，补偿温度对硬件电路的影响。具体工作时，FPGA电路控制模拟开关的使能信号和地址控制信号，依次将输入信号选择接通，输入到A/D转换器的模拟采集接口；控制A/D转换器按照设定的周期T（T可通过现有软件编程设置）执行模数转换，并将转换的数字量存储；修正系数存储器可以采用EEPROM存储器，存储数据的修正系数，FPGA通过SPI总线读取存储器的修正系数，基于预先设定的优化拟合算法进行数字量数据的温度修正。

综上所述，本发明针对电子设备输入的各类模拟量电信号，通过模拟开关的扩展，在固定周期内完成64个通道的模拟量信号的依次快速切换和采集；不需要增加多个A/D转换器和滤波限幅保护电路，只需在模拟-数字转换电路前使用1路滤波限幅保护电路，可以有效减少模块的重量和体积，避免传统采集模块使用元器件数量多、成本偏高以及体积大、故障机会多的缺点。还可以滤除共模干扰，输出的信号再通过有源滤波滤除差模干扰，整体提高采集信号的精度，具备高抗干扰能力。

Claims (12)

1.一种多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，包括依次连接的信号采集器、通道选择切换电路、滤波限幅保护电路、模拟-数字转换电路和FPGA电路；FPGA电路与温度采集电路的输出端相连；

所述信号采集器，用于采集目标的信号，并将采集得到的模拟信号发送至通道选择切换电路；

所述通道选择切换电路，用于根据FPGA电路的控制信号选择对应的信号采集器采集得到的模拟信号输入到滤波限幅保护电路；

所述滤波限幅保护电路，对输入的模拟信号和地进行滤波，并将滤波后的信号钳压为±15V，输入到模拟-数字转换电路；

所述模拟-数字转换电路，用于将模拟量转化为数字量，得到数字信号，并通过并行数据总线将数字信号发送到FPGA电路；

所述温度采集电路，用于获取目标对象工作时的环境温度；

所述FPGA电路，用于根据目标对象工作时的环境温度获取修正系数对各个数字信号进行修正，将修正后的数据进行存储和/或展示；用于产生通道选择切换电路的控制信号。

2.根据权利要求1所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，通道选择切换电路包括至少一级切换开关，每级切换开关至少包括一个8通道模拟开关，第n级8通道模拟开关的输出端与第n-1级8通道模拟开关的输入端相连；第1级8通道模拟开关的输出端连接滤波限幅保护电路；最后1级8通道模拟开关的输入端连接信号采集器；每个8通道模拟开关的控制端分别与FPGA电路相连。

3.根据权利要求2所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，8通道模拟开关的型号为HI-548-2。

4.根据权利要求1所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，滤波限幅保护电路包括第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、差分模块、+15V限幅模块和-15V限幅模块；第一低通滤波模块的输入端与通道选择切换电路的输出端相连；第二低通滤波模块的输入端与模拟地相连；第一低通滤波模块的输出端和第二低通滤波模块的输出端分别连接差分模块的反相输入端和同相输入端；+15V限幅模块的输入端与10V参考电压相连；-15V限幅模块的输入端与-10V参考电压相连；差分模块的输出端分别连接+15V限幅模块的输出端和-15V限幅模块的输出端，并作为滤波限幅保护电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，第一低通滤波模块包括运算放大器N1，运算放大器N1的同相输入端通过电阻R4与通道选择切换电路的输出端相连；运算放大器N1的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电阻R2的另一端分别连接电容C1的另一端、运算放大器N1的输出端和电阻R3的一端；电阻R3的另一端作为第一低通滤波模块的输出端。

6.根据权利要求4所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，第二低通滤波模块包括运算放大器N2，运算放大器N2的同相输入端通过电阻R3分别与模拟地、接地电阻R6和接地电容C4相连；运算放大器N2的反相输入端分别连接电阻R5的一端和电容C3的一端，电阻R5的另一端分别连接电容C3的另一端、运算放大器N2的输出端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端作为第二低通滤波模块的输出端。

7.根据权利要求4所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，差分模块包括运算放大器N3，运算放大器N3的反相输入端分别与第一低通滤波模块的输出端、电容C2的一端和电阻R1的一端相连；运算放大器N3的同相输入端与第二低通滤波模块的输出端相连；电容C2的另一端分别连接电阻R1的另一端和运算放大器N3的输出端；运算放大器N3的输出端为差分模块的输出端。

8.根据权利要求4所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，+15V限幅模块包括运算放大器N4C，运算放大器N4C的同相输入端与10V参考电压相连；运算放大器N4C的反相输入端连接开关二极管V1的正极并作为+15V限幅模块的输出端；开关二极管V1的负极连接运算放大器N4C的输出端。

9.根据权利要求4所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，-15V限幅模块包括运算放大器N4D，运算放大器N4D的同相输入端与-10V参考电压相连；运算放大器N4D的同相输入端作为-15V限幅模块的输出端；运算放大器N4D的反相输入端连接开关二极管V2的负极，开关二极管V2的正极连接运算放大器N4D的输出端。

10.根据权利要求1所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，模拟-数字转换电路包括型号为AD1674的A/D转换器D1，A/D转换器D1的数字地与模拟地通过0欧姆电阻短接。

11.根据权利要求1所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，温度采集电路包括型号为AD590的温度传感器N5，温度传感器N5的引脚1分别连接15V电源和接地电容C8；温度传感器N5的引脚3接地；温度传感器N5的引脚2分别连接电阻R15的一端和接地电阻R16；电阻R15的另一端分别连接接地电阻R14和运算放大器N6的同相输入端；运算放大器N6的反相输入端分别连接电阻R18的一端和接地电阻R17；运算放大器N6的输出端连接电阻R18的另一端并作为温度采集电路的输出端。

12.根据权利要求1所述的多通道模拟量信号采集处理***，其特征在于，FPGA电路包括型号为A3P1000-PQ208M的FPGA芯片和型号为X5323S8IZ-2.7A的存储器。

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