專利名稱：多通道同步信號(hào)采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種信號(hào)采集器，特別是一種同步信號(hào)采集器。
背景技術(shù)：
目前，公知的數(shù)據(jù)采集器通常是通道數(shù)較少，A/D轉(zhuǎn)換精度較低，觸發(fā)形式單一的工業(yè) 用采集器居多。常規(guī)的地震數(shù)據(jù)采集器是24通道、48通道居多，由于數(shù)據(jù)采集器通道少，致 使三維地震監(jiān)測(cè)的發(fā)展受到了限制和制約。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種多通道同步信號(hào)采集器，要解決現(xiàn)有信號(hào)采集器通道數(shù) 少、精度低、各通道難以同步的技術(shù)問題。
為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案
一種多通道同步信號(hào)采集器，其特征是由系統(tǒng)母板和16個(gè)采集子板插卡連接而成，采 集子板通過連接插座與系統(tǒng)母板連通取電；
系統(tǒng)母板上有單片機(jī)總控電路、電源、電源指示燈、串口、 USB接口和無線接口，單片 機(jī)總控電路通過控制/數(shù)據(jù)總線與16個(gè)與卡座連接，單片機(jī)總控電路與一個(gè)USB控制器信號(hào)連 接，USB控制器與連接計(jì)算機(jī)的串口和USB接口連接；
每塊采集子板有一個(gè)與系統(tǒng)母板連接的連接插座，還有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA (Field Programmable Gate Array)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA通過并行總線與一個(gè)同 步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存耳又存儲(chǔ)器SDRAM (Synchronous Dynami crandomaccess memory)信號(hào)連接， 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA有一個(gè)信號(hào)輸入口 ，通過該信號(hào)輸入口經(jīng)SPI總線與16個(gè)獨(dú)立的 A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接，16個(gè)采集子板上形成256個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器均有一 個(gè)與傳感器連接的接口；
上述系統(tǒng)母板和采集子板可采用具有單獨(dú)的電源層和地線層的四層印刷電路板。
上述單片機(jī)總控電路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD (Complex Programmable Logic Device)。
上述電源可以是電池。
上述系統(tǒng)母板上還有可與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接的無線接口 。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)和有益效果本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)多通道、高精度、高速同步信號(hào)采集的目的，彌補(bǔ)了現(xiàn)有采集系統(tǒng) 通道數(shù)少、精度低、各通道難以同步的不足。另外本采集器與數(shù)據(jù)采集軟件MHHC-O軟件配合 使用可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)、顯示測(cè)試數(shù)據(jù)并繪制曲線等。
本實(shí)用新型克服了傳統(tǒng)采集器通道數(shù)較少，A/D轉(zhuǎn)換精度較低，觸發(fā)形式單一的缺點(diǎn)， 解決了采集器多通道高精度高速同步采集信號(hào)并處理數(shù)據(jù)的技術(shù)問題。
本實(shí)用新型采用插卡式結(jié)構(gòu)，采集器由系統(tǒng)母板和采集子板構(gòu)成，系統(tǒng)母板上有16個(gè)卡 座，可分別插一塊采集子板，每塊采集子板上有16路A/D轉(zhuǎn)換通道，從而使本采集器可達(dá)到 256個(gè)通道，且便于擴(kuò)展和維護(hù)。系統(tǒng)母板上采用單片機(jī)進(jìn)行總控，并采用CPLD對(duì)信號(hào)進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)，從而保證信號(hào)能正確傳輸?shù)讲杉影迳细麟娐穯卧?。為了達(dá)到高精度要求，不僅選用 了24位的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，還采取了以下措施選用極低噪聲的電源芯片以減小系統(tǒng)噪聲 ，選用極高精度和極小溫漂的電壓參考源作為A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，選用低ESR的高品質(zhì)鉭電容來濾 除噪聲，對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行程控放大和濾波，PCB設(shè)計(jì)中模擬部分和數(shù)字部分分隔并分別 鋪地，采用具有單獨(dú)地線層和電源層的四層PCB以減小地線和電源線阻抗。本采集器各通道 均采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，并用FPGA控制采集，充分利用了FPGA高速、并行的特點(diǎn)，從而實(shí) 現(xiàn)了所有通道高速同步地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用電池供電，電池通過系統(tǒng)母板接入，采集子板 通過連接插座從系統(tǒng)母板上取電。輸入模擬信號(hào)通過機(jī)箱上的航空插頭接入，到內(nèi)部通過排 線接入到各個(gè)采集子板，在采集子板中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過連接插座將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)母板 ，并通過系統(tǒng)母板上的串口、 USB或ZigBee無線接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型通過FPGA控制多通道24位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，其特征是有一個(gè) 系統(tǒng)母板和多個(gè)采集子板，系統(tǒng)母板和采集子板通過插座連接，系統(tǒng)母板上有一個(gè)CPLD實(shí)現(xiàn) 信號(hào)驅(qū)動(dòng)，采集子板上有一個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)并行控制，每塊采集子板上有多個(gè)獨(dú)立的24位A/D轉(zhuǎn) 換通道。
本實(shí)用新型采用電池供電，電池通過系統(tǒng)母板接入，采集子板通過連接插座從系統(tǒng)母板 上取電；輸入模擬信號(hào)通過機(jī)箱上的航空插頭接入，到內(nèi)部通過排線接入到各個(gè)采集子板， 在采集子板中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過連接插座將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)母板，并通過系統(tǒng)母板上的串 口、 USB或ZigBee無線接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
系統(tǒng)母板和采集子板PCB采用四層板，具有單獨(dú)的電源層和地線層。
本采集器可與數(shù)據(jù)采集軟件腿HC-O相配合使用。這樣，根據(jù)用戶需要直接連接所需傳感 器、電腦實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，同時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件腿HC-0軟件通過RS232接口可以將儀器的設(shè)置傳 至計(jì)算機(jī)，測(cè)試的同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)起來。也可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。腿HC-O軟件還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)采集器的遙控，通過軟件對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù) 記錄等操作，可以做到實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)或曲線繪制等。
本實(shí)用新型可作為各種儀器研發(fā)的平臺(tái)，它具有一次或多次觸發(fā)多通道(具有256個(gè)通 道并可擴(kuò)展)同步接收的特點(diǎn)，具有時(shí)間、閾值、外界、手動(dòng)等多種觸發(fā)形式，具備多通 道、高精度、高速同步接收的特點(diǎn)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)力求標(biāo)準(zhǔn)化、通用性，因此可用于其它 科學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。
本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于天然地震記錄；礦山震動(dòng)、水工大壩結(jié)構(gòu)振動(dòng)的測(cè)試；路橋結(jié) 構(gòu)振動(dòng)和大地脈動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)測(cè)試；精密溫度、濕度測(cè)量、結(jié)構(gòu)舒適度測(cè)試；地質(zhì)、聲納等 小信號(hào)采集分析；電力信號(hào)采集，諧波分析；物探測(cè)井、測(cè)樁、聲波及超聲波、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、 電磁探測(cè)、地震法探測(cè)以及各種工業(yè)用的信號(hào)檢測(cè)采集。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是系統(tǒng)母板模塊結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是采集子板模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例參見圖l所示， 一種多通道同步信號(hào)采集器，由系統(tǒng)母板和16個(gè)采集子板插卡連 接而成，采集子板通過連接插座與系統(tǒng)母板連通取電。系統(tǒng)母板和采集子板采用具有單獨(dú)的 電源層和地線層的四層印刷電路板。采集子板正面有8個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換通道，背面也有8個(gè) 獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換通道。有一個(gè)FPGA、 一個(gè)SDRAM、 一個(gè)傳感器接口和一個(gè)與系統(tǒng)母板連接的插 座。輸入模擬信號(hào)從傳感器接口接入，在FPGA的控制下通過各個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中，當(dāng)收到數(shù)據(jù)傳輸命令時(shí)將數(shù)據(jù)通過插座傳輸?shù)较到y(tǒng)母板。
系統(tǒng)母板上有單片機(jī)總控電路、電源、電源指示燈、串口、 USB接口和無線接口，單片 機(jī)總控電路通過控制/數(shù)據(jù)總線與16個(gè)與卡座連接，單片機(jī)總控電路與一個(gè)USB控制器信號(hào)連 接，USB控制器與連接計(jì)算機(jī)的串口和USB接口連接。上述單片機(jī)總控電路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū) 動(dòng)的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。上述電源是電池或。
參見圖2所示，系統(tǒng)母板有一個(gè)單片機(jī)， 一個(gè)CPLD， 一個(gè)晶振， 一個(gè)串口、 USB和ZigBee 接口。計(jì)算機(jī)通過串口、 USB或ZigBee接口將命令發(fā)送到系統(tǒng)母板，系統(tǒng)母板通過串口、 USB 或ZigBee接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
每塊采集子板有一個(gè)與系統(tǒng)母板連接的連接插座，還有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路 FPGA，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA通過并行總線與一個(gè)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SDRAM信號(hào)連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA有一個(gè)信號(hào)輸入口，通過該信號(hào)輸入口經(jīng)SPI總線與16個(gè) 獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接，16個(gè)采集子板上形成256個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器 均有一個(gè)與傳感器連接的接口。 A/D轉(zhuǎn)換器可采用TI公司生產(chǎn)的24位高精度、低功耗A/D轉(zhuǎn)換 芯片ADS1255，上述系統(tǒng)母板上還有可與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接的無線接口 。
本實(shí)用新型的主要性能指標(biāo)
采樣率2. 5HZ 30KHZ;
A / D分辨率24Bit高精度、低功耗A/D;
輸入電壓范圍0 5V、 0 10V、 士5V、 士10V可軟件設(shè)置；
模擬輸入通道16 256通道可以任意組合，并可擴(kuò)展，最大可達(dá)1024通道；
輸入阻抗〉1MQ; 采樣精度〈1UV; 緩存容量1MB/通道；
程控增益1、 2、 4、 8、 16、 32、 64倍； 工作溫度-20 40°C;
工作電壓6 12V;
標(biāo)準(zhǔn)的輸出數(shù)據(jù)接口 Segy格式文件；
觸發(fā)方式；無線觸發(fā)、閾值觸發(fā)、STA/LTA觸發(fā)、STA-LTA觸、時(shí)間觸發(fā)、程序觸發(fā)(即 時(shí)采集)；
通訊接口串口、 USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口、 ZigBee無線接口；
儀器箱體300X280X250mm;高速通道數(shù)量可以選擇，機(jī)箱可以定制。
采集子板、儀器系統(tǒng)母板和電池可封裝在機(jī)箱中，機(jī)箱上有傳感器接口和計(jì)算機(jī)接口，
與傳感器和計(jì)算機(jī)連接。數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，可通過配套的采集軟件顯示各通道波形，還
可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。
權(quán)利要求權(quán)利要求1一種多通道同步信號(hào)采集器，其特征是由系統(tǒng)母板和16個(gè)采集子板插卡連接而成，采集子板通過連接插座與系統(tǒng)母板連通取電；系統(tǒng)母板上有單片機(jī)總控電路、電源、電源指示燈、串口、USB接口和無線接口，單片機(jī)總控電路通過控制/數(shù)據(jù)總線與16個(gè)卡座連接，單片機(jī)總控電路與一個(gè)USB控制器信號(hào)連接，USB控制器與連接計(jì)算機(jī)的串口和USB接口連接；每塊采集子板有一個(gè)與系統(tǒng)母板連接的連接插座，還有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA通過并行總線與一個(gè)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SDRAM信號(hào)連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路FPGA有一個(gè)信號(hào)輸入口，通過該信號(hào)輸入口經(jīng)SPI總線與16個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接，16個(gè)采集子板上形成256個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器均有一個(gè)與傳感器連接的接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的多通道同步信號(hào)采集器，其特征是系統(tǒng)母 板和采集子板采用具有單獨(dú)的電源層和地線層的四層印刷電路板。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的多通道同步信號(hào)采集器，其特征是上述單 片機(jī)總控電路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的多通道同步信號(hào)采集器，其特征是上述電源是電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的多通道同步信號(hào)采集器，其特征是上述系統(tǒng)母板上有可與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接的無線接口 。
專利摘要一種多通道同步信號(hào)采集器，采集子板通過連接插座與系統(tǒng)母板連通取電；系統(tǒng)母板上的單片機(jī)總控電路通過控制/數(shù)據(jù)總線與16個(gè)與卡座連接，單片機(jī)總控電路與一個(gè)USB控制器信號(hào)連接，USB控制器與連接計(jì)算機(jī)的串口和USB接口連接；每塊采集子板有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路通過并行總線與一個(gè)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器信號(hào)連接，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路經(jīng)SPI總線與16個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器均有一個(gè)與傳感器連接的接口。本采集器可達(dá)到256個(gè)通道，解決了信號(hào)采集器通道數(shù)少、精度低、各通道難以同步的技術(shù)問題，適合各種數(shù)據(jù)信號(hào)的同步檢測(cè)采集。
文檔編號(hào)G01H17/00GK201247061SQ20082030198
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者劉祥平, 英 葉, 崔玉萍, 毋運(yùn)龍, 王貫明, 鵬 許 申請(qǐng)人:北京市市政工程研究院;北京索通紫蜂通訊工程技術(shù)有限公司