有利于提高信号传输抗干扰性能的传感器数据采集系统

1.本发明涉及一种传感器数据采集系统，属于工业自动化技术领域。


背景技术：

2.传感器数据采集系统的主要功能是把工业现场传感器输出的模拟信号转变为数字信号，并通过计算机进行分析、处理、存储和显示。
3.传感器数据采集系统通常以计算机为核心，主要包括信号调理模块、数据采集模块和数据实时处理模块等。
4.其中信号调理模块主要是完成测试信号的放大、滤波和阻抗匹配等工作把从传感器获得的信号调理到数据采集卡所允许的范围之内。数据采集模块则完成对调理后的输入信号的处理，进行ad转换，将转换结果通过pci总线传人计算机内，再由计算机上做后续的数据处理工作。
5.现有技术中，通常传感器输出信号经过信号调理模块处理后送入ad转换模块，然后送入微控制器进行采集和传输(微控制器与上位机进行通信)，由上位机进行数据处理。
6.但是，其存在以下缺陷：(1)微控制器内部硬件资源往往有限，且必须依赖软件，在数据采集、存储过程中必须的的控制电路实现方面无论灵活性还是稳定性并无优势；(2)微控制器通常需要将采集得到的数据存入片外的存储器，然后再将外部存储器内的数据上传给上位机，供上位机分析，这也将降低数据采集速度。(3)增设的外部存储器芯片等其他元件，使得系统复杂化。例如公开号为cn115297451a的中国专利申请本发明“一种基于lora通信的姿态传感器数据采集系统”提出的一种传感器数据采集系统，包括lora通信面板、电源、信号发送面板与单片机，所述lora通信面板包括蓝牙模块、信号收集模块、分析模块、数据处理模块、数据对比模块、通讯反馈模块与报警模块，且蓝牙模块、信号收集模块、分析模块、数据处理模块、数据对比模块、通讯反馈模块与报警模块依次电连接，所述报警模块还与所述信号收集模块电连接，所述lora通信面板分别与电源、信号发送面板和单片机电连接，lora通信面板的底部设有固定机构。显然该专利申请也是采用了传统的微控制器(单片机)为控制核心单元。
7.此外，采集信号处理模块需要完成的信号处理任务通常包括将传感器输出的微弱电信号进行放大和滤波。传感器测量测量各类非电物理量输出微弱的不够“干净”的模拟电压信号——采集信号处理模块将传感器输出信号进行放大和滤波——传输至模数转换信号放大电路和滤波电路通常采用专用器件或者使用运算放大器搭建，此外经过放大和滤波的模拟电压信号还需要传输至下级电路(模数转换单元和微控制器单元)，也即是信号采集与处理过程是：单元处理得到数字信号——微控制器单元将数字信号用于显示或者控制——进一步上传给上位机。现有技术中，在以上过程中采集信号处理模块将设置在工业现场的传感器输出信号进行放大和滤波后如果要将信号传输至几十米、数百米甚至更远的ad转换模块(模数转换模块)和微控制器单元所在的控制中心时传感器信号通常会受到各种干扰而出现信号畸变影响测量精度，例如，若传感器输出信号较为微弱，并且传输线路较
长，各种高频电磁干扰将耦合到电路各个器件的管脚和传输线中。


技术实现要素：

8.针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种抗干扰能力强、采样效率高、稳定性强且有利于降低系统硬件复杂度的数据采集系统。
9.为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案：
10.种传感器数据采集系统，其特征在于：主要包括：采集信号处理模块、模数转换模块和处理器模块；
11.采集信号处理模块主要用于完成传感器信号的放大和滤波，并将处理后的信号传输至下级电路；模数转换模块用于将采集信号处理模块输出信号转换为数字信号发送给处理器模块；
12.所述处理器模块为fpga处理单元，fpga处理单元内部设置有微控制器、存储控制子单元、数据存储子单元和数据发送子单元；
13.所述微控制器为内部集成单元，微控制器与模数转换模块的数字输出端相连接；存储控制子单元与微控制器相通信，微控制器还与数据存储子单元相通信，基于存储控制子单元发送的控制信号微控制器接收的数字信号能够被存入数据存储子单元；存储控制子单元和数据存储子单元均与数据发送子单元相连接，基于存储控制子单元发送的控制信号存储子单元内的数据能够被取出送往数据发送子单元。
14.其中，所述数据发送子单元与上位机相通信。
15.进一步，所述采集信号处理模块包括信号放大子单元、信号滤波子单元和运算放大器op；所述运算放大器op的正输入端与信号滤波子单元的输出单端相连接，运算放大器op的输出端和负输入端之间存在一个负反馈环路；负反馈环路中的电流is沿传输线进入采样电路rs，采样电阻rs采集得到的电压信号is
·
rs是所述采集信号处理模块的输出信号。
16.其中，反馈环路中至少包括一个晶体管q，负反馈环路中的电流is为晶体管q的集电极电流。
17.作为一种可能的设计，所述反馈环路为：运放op的输出端与晶体管q的基极相连接，晶体管q的集电极与运放op负输入端相连接。
18.进一步，晶体管q的集电极还通过电阻r3接vcc，晶体管q的发射极通过传输线与电阻rs的一端相连接，电阻rs的另一端接地，电阻rs上的电压为其输出电压，也是ad转换模块所采集的电压信号。
19.更进一步，运放op1与晶体管q1组成另一个反馈环路，晶体管q1的集电极还与运放op的正输入端相连接。
20.作为另一种可能的设计，所述反馈环路为：运放op的输出端与晶体管q的基极相连接，晶体管q的发射极与运放op负输入端相连接。
21.进一步的，信号滤波子单元的输出端通过电阻r4与电阻r5的一端相连接，连接节点记为电节点a，电节点a通过电阻r5接vcc；电节点a通过电阻r6与电阻r7的一端相连接，连接节点记为电节点b，电阻r7的另一端与运放op的负输入端相连接；电节点a与运放的正输入端相连接；电节点b与采样电阻rs的一端相连接，采样电阻rs的另一端接地。
22.本发明具有如下有益效果：
23.采集信号处理模块设置在工业现场时，对传感器输出信号进行放大和滤波后需要将信号传输至几十米、数百米甚至更远的ad转换模块(模数转换模块)和微控制器单元所在的控制中心时传感器信号通常会受到各种干扰而出现信号畸变影响测量精度，本发明将反馈环路电流is通过传输线送入采样电阻rs后，通过引入电路结构合理设置环路电流is与传感器输出电压之间的函数关系，使得传感器输出电压与采样电阻rs输出电压(送给ad的电压信号)之间的函数关系得到确定，从而实现将传感器输出信号传递给ad并且提高了信号传输过程中的抗干扰性能。
24.此外，现有技术中以微控制器为核心的数据采集系统通常会配置独立的sdram储器芯片用于暂存采集得到的数据，并统一上传到上位机中，供上位机分析，这必然会降低微控制器采样速度，本发明fpga内部可以设置存储器ip核，并且存储控制是由内设的存储控制子单元完成的，不耗费cup核资源，cpu核只负责采集传感器数据不承担存储控制功能，采集存储速度得到提高，采集效率有所提升，并且显然避免了增设的外部存储器芯片等其他元件，使得系统复杂化。
附图说明
25.图1为本发明数据采集系统示意图
26.图2为本发明采集信号处理模块原理示意图
27.图3为本发明采集信号处理模块实施例1电路结构图
28.图4为本发明采集信号处理模块实施例2电路结构图
具体实施方式
29.本发明系统结构如图2所示，一种传感器数据采集系统，其主要包括：采集信号处理模块1、模数转换模块2和处理器模块3；以下就各个模块的具体实现方式和工作原理进行详细阐述。
30.一、处理器模块
31.如图1所示，本发明采用fpga处理器代替微控制器单元，fpga处理器内部通常集成有微控制器cpu核，在配置内置存储器单元后便可以代替独立的微控制器芯片，利用内设微控制器单元实现数据采集；当然也可以不使用内置的cpu核(利用内置cpu核的方法相当于将独立的为控制器芯片集成在fpga处理器中，还是需要对其进行软件程序开发)，利用硬件描述语言开发独立的数据采集模块(利用fpga内部资源实现的纯硬件单元，不需要运行软件程序)。
32.由于fpga处理器内部数字逻辑资源丰富，因此还可以设置专门的存储控制子单元，存储控制子单元采用硬件描述语言独立开发并封装为独立的纯硬件子模块，不必将存储控制功能由微控制器cpu核处理，这将进一步降低对软件程序的依赖，并且显然纯硬件电路稳定性较高，也没有降低开发开发灵活性(通过修改硬件描述语言设计代码也可以重新综合生成新的硬件电路模块，不必全部推翻原设计)
33.现有技术中以微控制器为核心的数据采集系统通常会配置独立的sdram储器芯片用于暂存采集得到的数据，并统一上传到上位机中，供上位机分析，这必然会降低微控制器采样速度，本发明fpga内部可以设置存储器ip核，并且存储控制是由内设的存储控制子单
元完成的，不比耗费cup核资源，cpu核只负责采集传感器数据不承担存储控制功能，采集存储速度得到提高，并且显然避免了增设的外部存储器芯片等其他元件，使得系统复杂化。
34.模数转换模块2为成熟模块，采用常规技术手段实现即可，此处不赘述。
35.二、采集信号处理模块
36.工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、流量等，这就需要将传感器输出信号(通常是模拟信号)进行采集处理后传输至模数转换模块，模数转换模块输出数字信号数据后供微控制器等智能单元处理或者用于显示，此外，通常还需要上传至上位机。
37.如背景技术所述，采集信号处理模块将设置在工业现场的传感器输出信号进行放大和滤波后如果要将信号传输至几十米、数百米甚至更远的ad转换模块(模数转换模块)和微控制器单元所在的控制中心时传感器信号通常会受到各种干扰而出现信号畸变影响测量精度。
38.如图2所示，采集信号处理模块1除包括信号放大子单元、信号滤波子单元外还包括一个运算放大器op；运算放大器op的正输入端与信号滤波子单元的输出单端相连接，运算放大器op的输出端和负输入端之间存在一个负反馈环路；负反馈环路中的电流is沿传输线进入采样电路rs，采样电阻rs采集得到的电压信号is
·
rs是所述采集信号处理模块1的输出信号。根据负反馈电路工作原理，运放op的正输入端和负输入端之间电压相等，运放op的正输入端信号来源于传感器输出的电压信号(经放大和滤波处理)，那么负反馈环路中的电流is将成为传感器输出电压信号的函数，负反馈环路中的电流is，采样电阻rs采集得到的电压信号is
·
rs也将是传感器输出电压信号的函数。那么只要将采样电阻rs设置在模数转换单元和微控制器单元所在的控制中心一端，传输过程中携带传感器输出物理量信息的就是电流信号is(电流信号的抗干扰能力由于电压信号)，而在ad转换模块(模数转换模块)需要采样电压信号时将采样电阻rs对地电压信号送入ad转换模块即可。
39.为了实现将反馈环路的电流is取出送入传输线的目的，在反馈回路中至少包括一个晶体管q，由于运放具有高输入阻抗特点电流将几乎全部不能流入输入端，并且晶体管集电极电流与发射极电流数值相近，使得负反馈环路中的电流is与晶体管q的集电极电流数值接近(负反馈环路中的电流几乎全部从晶体管q的发射极流出通过传输线送往采样电阻rs)。将反馈环路电流is通过传输线送入采样电阻rs后，如果能够通过具体电路结构合理设置环路电流is与传感器输出电压之间的函数关系，则传感器输出电压与采样电阻rs输出电压(送给ad的电压信号)之间的函数关系也能得到确定，从而实现将传感器输出信号传递给ad并且提高了信号传输过程中的抗干扰性能。
40.实施例1：
41.如图3所示，运放op和晶体管q组成一个反馈环路，由于运算放大器天然的高阻输入，流入运放负输入端的电流几乎为零，因此，从电源经过电阻r3流出的电流几乎全部经过晶体管q流出，也即是负反馈环路中的电流is为晶体管q的集电极电流。
42.为合理设置间的函环路电流is与传感器输出电压之数关系可以采用以下具体电路结构：
43.增设一个运放op1，运放op1的正输入端与信号滤波子单元的输出端相连接，运放op1的输出端与晶体管q1的基极相连接，晶体管q1的集电极通过电阻r1与vcc相连接，运放
op1的负输入端与晶体管q1的发射极相连接，运放op1的负输入端还通过电阻r2接地。
44.也即是运放op1与晶体管q1组成另一个反馈环路，晶体管q1的集电极还与运放op的正输入端相连接。
45.设信号滤波子单元输出信号电压为vin，则由于运放op1正负输入端电压相等，vin＝vop1+＝vop1-流过晶体管q1的电流is1几乎全部流入电阻r2；
46.因此有：
47.is1＝vin/r2
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
48.运放op的正输入端电压为：
49.vop+＝vop-＝vcc-is1
·
r1＝vcc-vin
·
r1/r2
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
50.显然，运放op的负输入端电压为：
51.vop-＝vcc-is
·
r3
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
52.联立式2和式3即可得出电流is与vin之间的关系：
53.is＝vin
·
r1/r2
·
r3
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
54.电流is通过传输线传递至ad转换模块所在的控制中心，采样电阻rs采集得到的电压信号is
·
rs也将是传感器输出电压信号的函数，从而实现了传感器信号的传输，并且提高了信号抗干扰性能。
55.实施例2：
56.如图4所示，与实施例类似的，运放op和晶体管q组成一个反馈环路，由于运算放大器天然的高阻输入，流入运放负输入端的电流几乎为零，因此，从电源经过晶体管q流出的电流几乎全部流经电阻r7；负反馈环路中的电流is为晶体管q的集电极电流。
57.为合理设置间的函环路电流is与传感器输出电压之数关系可以采用以下具体电路结构：
58.信号滤波子单元的输出端通过电阻r4与电阻r5的一端相连接，连接节点记为电节点a，电节点a通过电阻r5接vcc；电节点a通过电阻r6与电阻r7的一端相连接，连接节点记为电节点b，电阻r7的另一端与运放op的负输入端相连接；电节点a与运放的正输入端相连接；电节点b与采样电阻rs的一端相连接，采样电阻rs的另一端接地。
59.其工作原理如下：
60.为运放op的正输入端提供电压的来源有二，一是来自信号滤波子单元的输出端电压，二是来自电源vcc；基于叠加原理可知：当只考虑电源电压对运放op正输入端的贡献时，如果将r5的阻值设置为远远大于r6则流过r6的电流约等于vcc与r5的比值则有：
61.v'+≈vcc
·
r6/r5(5)
62.由于运放op工作在负反馈状态下，因此其正输入端电压和负输入端电压几乎相等，运放高阻输入流入运放内部电流可以忽略，因此流过r7的电流可以表示为：
63.is'≈v'+/r7≈vcc
·
r6/r5
·
r7
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
64.当考虑自信号滤波子单元的输出端电压vin对运放op正输入端贡献时，电阻r4的值远大于r6的值，同理有：
65.v”+≈vin
·
r6/r4
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
66.由于运放op工作在负反馈状态下，因此其正输入端电压和负输入端电压几乎相等，运放高阻输入流入运放内部电流可以忽略，因此流过r7的电流可以表示为：
67.is”≈v”+/r7≈vin
·
r6/r4
·
r7
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
68.由此可知，is＝is'+is”≈vin
·
r6/r4
·
r7+vcc
·
r6/r5
·
r7
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
69.通过设置电源vcc流出的经过运放左侧电阻网络电流值远远小于经过运放右侧元件的电流值则可以使得通过传输线流入采样电阻的电流几乎全部为电流is(通过设置各个电阻大小实现)。
70.需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种传感器数据采集系统，其特征在于：主要包括：采集信号处理模块(1)、模数转换模块(2)和处理器模块(3)；采集信号处理模块(1)主要用于完成传感器信号的放大和滤波，并将处理后的信号传输至下级电路；模数转换模块(2)用于将采集信号处理模块(1)输出信号转换为数字信号发送给处理器模块(3)；所述处理器模块(3)为fpga处理单元，fpga处理单元内部设置有微控制器、存储控制子单元、数据存储子单元和数据发送子单元；所述微控制器为内部集成单元，微控制器与模数转换模块(2)的数字输出端相连接；存储控制子单元与微控制器相通信，微控制器还与数据存储子单元相通信，基于存储控制子单元发送的控制信号微控制器接收的数字信号能够被存入数据存储子单元；存储控制子单元和数据存储子单元均与数据发送子单元相连接，基于存储控制子单元发送的控制信号存储子单元内的数据能够被取出送往数据发送子单元。2.根据权利要求1所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：所述数据发送子单元与上位机相通信。3.根据权利要求1或者2所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：所述采集信号处理模块(1)包括信号放大子单元、信号滤波子单元和运算放大器op；所述运算放大器op的正输入端与信号滤波子单元的输出单端相连接，运算放大器op的输出端和负输入端之间存在一个负反馈环路；负反馈环路中的
电流
is沿传输线进入采样电路rs
，
采样电阻rs采集得到的电压信号is
·
rs是所述采集信号处理模块(1)的输出信号。4.根据权利要求3所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：反馈环路中至少包括一个晶体管q，负反馈环路中的电流is为晶体管q的集电极电流。5.根据权利要求4所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：所述反馈环路为：运放op的输出端与晶体管q的基极相连接，晶体管q的集电极与运放op负输入端相连接。6.根据权利要求5所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：晶体管q的集电极还通过电阻r3接vcc，晶体管q的发射极通过传输线与电阻rs的一端相连接，电阻rs的另一端接地，电阻rs上的电压为其输出电压，也是ad转换模块所采集的电压信号。7.根据权利要求6所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：运放op1与晶体管q1组成另一个反馈环路，晶体管q1的集电极还与运放op的正输入端相连接。8.根据权利要求4所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：所述反馈环路为：运放op的输出端与晶体管q的基极相连接，晶体管q的发射极与运放op负输入端相连接。9.根据权利要求8所述的一种传感器数据采集系统，其特征在于：信号滤波子单元的输出端通过电阻r4与电阻r5的一端相连接，连接节点记为电节点a，电节点a通过电阻r5接vcc；电节点a通过电阻r6与电阻r7的一端相连接，连接节点记为电节点b，电阻r7的另一端与运放op的负输入端相连接；电节点a与运放的正输入端相连接；电节点b与采样电阻rs的一端相连接，采样电阻rs的另一端接地。

技术总结
本发明公开了一种有利于提高信号传输抗干扰性能的传感器数据采集系统，主要包括：采集信号处理模块、模数转换模块和处理器模块；采集信号处理模块主要用于完成传感器信号的放大和滤波，并将处理后的信号传输至下级电路；模数转换模块用于将采集信号处理模块输出信号转换为数字信号发送给处理器模块。本发明具有抗干扰能力强、采样效率高、稳定性强且有利于降低系统硬件复杂度的有益效果。利于降低系统硬件复杂度的有益效果。利于降低系统硬件复杂度的有益效果。


技术研发人员：杨斐 黄红艳 刘浩源
受保护的技术使用者：石家庄邮电职业技术学院
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/25