一种数据采集装置的制作方法

本实用新型涉及弱电流探测技术领域，尤其涉及一种数据采集装置。

背景技术：

微弱电流测试技术广泛应用于X射线探测领域。在弱电流信号数据采集应用中，当测量物理量具有统计涨落特性时，一般通过时间积分的处理方法来获得弱电流信号精确的测量值。

发明人在实现本实用新型的过程中发现，当前通用的弱电流信号数据采集系统的基本架构是由X射线探测器获取信号输出微弱电流信号，经弱电流放大器放大后输出电压信号，再经由电压频率转换器变换，多路计数器处理后输入上位计算机。然而，上述的各组成部分都是分立的专用仪器，成本昂贵，且其组成的数据采集系统复杂庞大，运行维护都需要耗费大量的成本。此外，当弱电流放大器的放大倍数与输入的弱电流量级不匹配时，还存在着测量错误的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种数据采集装置，用以解决上述现有技术中存在的问题，特别是同步辐射X射线吸收谱实验系统的数据采集。

本实用新型由如下技术方案实施：

本实用新型提供了一种数据采集装置，包括：机箱、设置在所述机箱前面板的显示交互单元、设置在所述机箱后面板的通讯接口和设置在所述机箱外部的计算机，其特征在于：

所述机箱内部设置有N个弱电流信号放大单元、N个电压频率转换单元和中心控制单元，所述显示交互单元包括N个电压显示表和交互子单元，其中，N为大于1的正整数，N个所述弱电流信号放大单元、N个所述电压频率转换单元和N个所述电压显示表之间存在一一对应的关系；所述弱电流信号放大单元的输出端分别连接与其对应的所述电压频率转换单元、与其对应的所述电压显示表，N个所述电压频率转换单元的输出端均与所述中心控制单元相连接；所述中心控制单元通过内部总线分别与N个所述弱电流信号放大单元相连接，通过内部信号连线与所述交互子单元相连接；所述中心控制单元通过所述通讯接口与所述计算机相连接。

进一步地，所述交互子单元包括切换按钮和控制模式显示灯，所述切换按钮包括控制模式切换按钮和放大倍数切换按钮。

进一步地，所述中心控制单元设置有监测模块，N个所述电压频率转换单元的输出端均与所述监测模块相连接，所述监测模块用于将监测到的数据传输至所述计算机。

进一步地，所述中心控制单元设置有编码设置模块和编码输出模块，所述编码设置模块分别与所述控制模式切换按钮的输出端和所述放大倍数切换按钮的输出端相连接，所述编码设置模块分别与所述控制模式显示灯的输入端和所述编码输出模块相连接，所述编码输出模块的输出端分别与N个所述弱电流信号放大单元相连接。

进一步地，所述中心控制单元还设置有N个计数模块、N个数据缓存模块和通讯模块，N个所述数据缓存模块、N个所述计数模块与N个所述电压频率转换单元之间存在一一对应关系，所述电压频率转换单元连接与其对应的所述计数模块，所述计数模块连接与其对应的所述数据缓存模块的，所述数据缓存模块与所述通讯模块相连接，所述通讯模块与所述通讯接口相连接。

进一步地，所述通讯模块与所述编码设置模块相连接。

进一步地，所述监测模块与所述通讯模块相连接，使所述数据通过所述通讯模块传输至所述计算机。

进一步地，N个所述弱电流信号放大单元和N个所述电压频率转换单元固定于所述机箱的底板，所述中心控制单元垂直固定于所述机箱内侧的后面板。

进一步地，所述弱电流信号放大单元的输入端与X射线探测器相连接。

由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的数据采集装置，将现有技术中弱电流信号数据采集系统中各分立的专用设备功能集成于同一机箱中，使得数据采集装置的集成度高、维护简单；同时，该装置中包括多路数据采集通道，提高了数据采集效率以及装置运行的速度、可靠性和稳定性；此外，该装置可以通过显示面板和计算机同时进行放大倍数的控制和监测，避免出现放大倍数与输入的弱电流量级不匹配的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例所提供的数据采集装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的数据采集装置具体结构示意图；

图3为本实用新型实施例所提供的数据采集装置的布局图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

下面详细介绍本实用新型实施例的技术方案。

图1、图2为本实用新型实施例提供的数据采集装置结构示意图。如图1、图2所示，所述数据采集装置包括：机箱1、设置在机箱1前面板的显示交互单元10、设置在机箱1后面板的通讯接口60和设置在机箱1外部的计算机50。机箱1内部设置有N个弱电流信号放大单元20、N个电压频率转换单元30和中心控制单元40，显示交互单元10包括N个电压显示表110和交互子单元120，其中，N为大于1的正整数，N个弱电流信号放大单元20、N个电压频率转换单元30和N个电压显示表110之间存在一一对应的关系。优选地，在实际应用中，N可以为2或3。

弱电流信号放大单元20的输出端分别连接与其对应的电压频率转换单元30和电压显示表110，N个数据采集通道中的电压频率转换单元30的输出端均与中心控制单元40相连接。

中心控制单元40通过内部总线分别与每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20相连接，通过内部信号连线与交互子单元120相连接。中心控制单元40通过通讯接口60与计算机50相连接，通讯接口60可以是USB接口，也可以是无线接口，通过通讯接口60使得该数据采集装置能够与计算机50连接进行通讯。

具体地，弱电流信号放大单元20由跨阻放大器，增益放大器及增益控制电路组成，用于将微弱电流信号进行放大，并转换成电压信号，避免受到空间电磁波的干扰。可选地，弱电流信号放大单元20的输入端与X射线探测器相连接，接入其测量得到的弱电流信号。在本实施例中，弱电流信号放大单元20的探测量程可以达到100pA-1mA，不同量级的输入弱电流对应不同的放大倍数，从而使得输出的电压信号控制在0-10V，探测灵敏度可以达到1pA。此外，弱电流信号放大单元20的整体电路可以置于预设尺寸的屏蔽铝壳中，以屏蔽空间电磁波干扰，铝壳尺寸的大小可以根据实际进行设定。

弱电流信号放大单元20输出的电压信号传输至与其对应的电压频率转换单元30的输入端。电压频率转换单元30把该输入电压转换成相应的频率信号，其输出的频率信号值与输入的电压信号值成比例。举例来说，当输入的电压信号为0～10V，输出的频率信号为0～5MHz，即脉冲频率正比于电压值。电压频率转换单元30可以集成于预设尺寸的印刷电路板上，电路板尺寸的大小可以预先根据实际进行设定。

也就是说，每个弱电流信号放大单元20与其对应的电压频率转换单元30构成了单独一路数据采集通道，该通道采集到的弱电流对应的电压值可以显示在对应的电压显示表110上。在每个数据采集通道中，本装置中集成了N路独立的数据采集通道，从而实现了同步多路弱电流数据的并行采集。

中心控制单元40以控制芯片现场可编程门阵列为核心，采用VHDL语言编写而成，其电路可以集成于预设尺寸的印刷电路板上。中心控制单元40用于控制各路数据采集通道、各个功能单元的协调运行，以及通过通讯接口与计算机进行通讯。每路数据采集通道中的电压频率转换单元30输出的频率信号均传输至中心控制单元40。

由于数据采集装置可能会涉及X射线同步辐射相关实验，为了人身健康，可以通过计算机50进行远程控制。也就是说，本装置可以通过计算机50或交互子单元120任一种方式进行弱电流放大单元20的放大倍数的设定。

进一步地，交互子单元120包括切换按钮1210和控制模式显示灯1220，切换按钮1210包括控制模式切换按钮和放大倍数切换按钮，所述放大倍数切换按钮可以是8位拨轮波段开关，也可以是其他鞥能够实现放大倍数切换的开关，本实用新型在此不做限定。所述控制模式切换按钮的输出端和所述放大倍数切换按钮的输出端分别与中心控制单元40相连接，所述控制模式显示灯1220的输入端与中心控制单元40相连接。所述控制模式切换按钮用于进行控制模式的切换，即进行计算机控制(遥控控制)和交互子单元控制(手动控制)的切换，切换信号经中心控制单元40传输至控制模式显示灯1220，使得控制模式显示灯1220能够显示当前的控制模式。所述放大倍数切换按钮用于在手动模式下进行电流放大倍数的切换。

下面对两种控制模式进行具体的介绍。

具体地，实验人员可以通过电压表110进行电压值的观测。若发现电压表的电压一直在0.1V左右，说明相对于输入的弱电流，当前的放大倍数过小，应适当调高放大倍数；发现电压表的电压一直在10V左右，说明相对于输入的弱电流，当前的放大倍数过大，应适当调低放大倍数。此时，可利用所述放大倍数切换按钮进行放大倍数的设定。由于所述放大倍数切换按钮输出端与中心控制单元40相连接，可通过该连接将将放大倍数的控制指令传输至中心控制单元40，中心控制单元40通过内部总线将该控制指令分别传输至与其连接的每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20，从而完成手动控制模式下，弱电流放大单元20的放大倍数的设定。

由于N个数据采集通道中的电压频率转换单元30的输出端均与中心控制单元40，即中心控制单元40可以实时监控电压频率转换单元30输出的频率值，并将该频率值传输至计算机上进行显示。可选地，中心控制单元40设置有监测模块460，N个电压频率转换单元30的输出端均与监测模块460相连接，监测模块460用于对电压频率转换单元30输出的频率进行监测，并将监测到的频率数据传输至计算机50。

由于脉冲频率正比于电压值，实验人员可以通过该频率值确定当前的放大倍数是否和输入的弱电流量级相匹配。例如，当不匹配时，可以利用计算机50进行放大倍数的设定。计算机50通过通讯接口60将放大倍数的控制指令传输至中心控制单元40，中心控制单元40通过内部总线将该控制指令分别传输至与其连接的每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20，从而完成遥控控制模式下，弱电流放大单元20的放大倍数的设定。

进一步地，在同步辐射实验中，测量的信号一般不是固定值，是随着时间实时变化的。因此需要对电压频率转换单元30输出的频率进行积分，通过积分得到确定的频率值。因此，中心控制单元40设置有N个计数模块410，N个计数模块410与N个数据采集通道中的电压频率转换单元30之间存在一一对应关系。在此基础上，每路数据采集通道中包括弱电流信号放大单元20、及与其对应的电压频率转换单元30、计数模块410。每路数据采集通道中的电压信号转换单元30输出的脉冲频率信号传输至与其相对应的计数模块410中进行积分，积分的时间(即多少个脉冲进行一次积分)可以由实验人员通过计算机50设定。

综上，弱电流放大器20，电压频率转换器30，计数模块410构成了一路完整的数据采集通道。在数据采集过程中，每路数据采集通道由X射线探测器获取弱电流并输出微弱电流信号，经弱电流放大器20放大转换后输出电压信号，再经由电压频率转换器30转换得到频率信号，最后通过计数模块410对该频率信号进行积分处理，获得设定时间内每一通道X射线强度的积分值，该积分值更精确的代表了X射线强度，得到确定的频率信号值，并通过通讯接口60将该频率信号值传输至计算机50，在计算机50上对该频率信号进行处理分析，实现了弱电流多路数据并行采集的需求。此外，每路数据采集通道中、弱电流放大器20输出的电压信号可以直接显示在显示交互单元10中与其对应的电压显示表上，每路数据采集通道中、电压频率转换单元30输出的频率信号通过监测模块460，可以直接显示在计算机上，便于用户实时对数据进行观测。

进一步地，中心控制单元40还设置有N个数据缓存模块420和通讯模块430，N个数据缓存模块420与N个计数模块410之间存在一一对应关系。也就是说，每个数据采集通道中还可以包括数据缓存模块420。每个计数模块410连接与其对应的数据缓存模块420，将其积分处理好的确定的频率计数值存储在该数据缓存模块420中。通讯模块430连接设置在箱体1外部的通讯接口60，当中心控制单元40通过通讯接口60与计算机50连接时，通讯模块430调取每个数据通道的缓存模块420中的频率信号数据，通过通讯接口60传输至计算机50。

进一步地，中心控制单元40还设置有编码设置模块440和编码输出模块450，编码设置模块440分别与所述控制模式切换按钮的输出端、所述放大倍数切换按钮的输出端相连接，编码设置模块440分别与控制模式显示灯1220的输入端和编码输出模块450相连接，编码输出单元450分别与每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20相连接。

具体地，当通过所述控制模式切换按钮进行手动模式和遥控模式切换时，切换信号经编码设置模块440传输至控制模式显示灯1220，使得控制模式显示灯1220能够显示当前的控制模式。

具体地，可以采用3路编码8进制来进行放大倍数的设定。实验人员通过所述放大倍数切换按钮进行放大倍数的设定操作，编码设置模块440响应于该设定操作，生成对应的8进制3路编码，每种3路编码对应于一个放大倍数，即共有8个档位的放大倍数。编码设置模块440将该3路编码传输至编码输出模块450，经编码输出模块450发送给与其连接的每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20，从而完成放大倍数的设定。

实验人员通过计算机50进行放大倍数的设定操作时，该操作指令通过通讯接口60、通讯模块430传输至编码设置模块440、编码设置模块440响应于该设定操作，生成对应的8进制3路编码，每种3路编码对应于一个放大倍数，即共有8个档位的放大倍数。编码设置模块440将该3路编码传输至编码输出模块450，经编码输出模块450发送给与其连接的每个数据采集通道中的弱电流信号放大单元20，从而完成放大倍数的设定。

可选地，通讯模块430与编码设置模块440相连接。当通过计算机50进行手动模式和遥控模式切换时，切换信号经通讯接口60传输至中心控制单元40的通讯模块430中，再通过编码设置模块440传输至控制模式显示灯1220，使得控制模式显示灯1220能够显示当前的控制模式。

可选地，监测模块460与通讯模块430相连接，使频率信号通过通讯模块430和通讯接口60输至计算机50。

本领域技术人员应该理解的是，在中心控制单元40中的各个模块之间的连接是虚拟连接。

图3为本实用新型实施例提供的数据采集装置的布局图，如图3所示，N个弱电流信号放大单元20和N个电压频率转换单元30固定于机箱1的底板，中心控制单元40垂直固定于机箱1内侧的后面板，N个电压显示表110和交互子单元120固定于机箱1外侧的前面板，通讯接口60固定于机箱1外侧的后面板。整个机箱外形设计结构简单紧凑，便于进行操作。

本实用新型实施例提供的数据采集装置，将现有技术中弱电流信号数据采集系统中各分立的专用设备功能集成于同一机箱中，使得数据采集装置的集成度高、维护简单；同时，该装置中包括多路数据采集通道，提高了数据采集效率以及装置运行的速度、可靠性和稳定性；此外，该装置可以通过显示面板和计算机同时进行放大倍数的控制和监测，避免出现放大倍数与输入的弱电流量级不匹配的情况。通过外设接口与计算机进行通讯，实现了数据采集全流程的完全自动化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。