专利名称：高精度智能增益多路数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号采集系统领域，具体为一种高精度智能增益多路数据采集系统。
背景技术：
随着工业自动控制和计算机技术的发展，数据采集在现代工业生产和科技研究中的地位日益突出，特别是近年来对数据采集的要求与日俱增，使得数据采集系统有着广阔的应用前景。但是随着信号处理技术的发展，待处理的信号变得愈加复杂，如动态范围大，带宽增加等，这对数据采集系统的性能提出了特别的要求。当待处理的信号动态范围很大时，要求A/D前端的放大器有很大的动态范围或者A/D芯片本身具有很高的分辨率。具有增益控制的放大器是放大器设计的重要方面，能够在一定程度上增大放大器的动态范围，但是宽带高增益精密程控放大器的设计本身是一个难点。另一方面，在实际应用中，对数据采集系统的主要要求是速度和精度，若采用高分辨率的A/D芯片，采集精度虽有所提高，但 却要以牺牲采集速度作为代价，而较低的采集速度有时又无法满足要求，因此往往需要在采集精度和速度之间做出权衡，这给数据采集带来很大的局限性。传统的数据采集方法之一是在A/D转换之前先把信号放大到A/D芯片所要求的动态范围之内，其放大倍数是固定的或者可以手动调节，这种方法对待采集信号的要求较高，必须是满足采集系统要求的信号才能被正确采集，对于动态范围很大的信号则无能为力；另一种方法只在A/D转换之前进行增益自动控制，而未将增益调节与A/D采集之间进行很好的配合，且电路结构较为复杂，因此可靠性不高，并不能实现智能化的高速自动采集过程。
发明内容
本发明目的是提供一种高精度智能增益多路数据采集系统，以解决现有技术信号采集系统对信号采集具有局限性的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于包括通过串行通信接口通信连接的计算机、型号为ATmega64的单片机,所述单片机的I/O端口通过光电稱合器件与一个模数转换器的控制端、时钟端和数字信号输出端连接，单片机的I/O端口还与一个型号为CD4094的八路串入并出寄存器的时钟输入端、串行输入端连接，所述八路串入并出寄存器的并行输出端口分别与一个型号为4051的八通道模拟多路选择器的编码输入端连接，八路串入并出寄存器的并行输出端口还与一个程控放大电路的放大倍数控制端电连接，所述程控放大电路输入端与八通道模拟多路选择器的输出端连接，程控放大电路模拟信号输出端与模数转换器模拟信号输入端连接，由八通道模拟多路选择器、程控放大器、模数转换器、单片机、串行通信接口构成信号输入、放大、采集以及输出的完整通路，其中单片机作为整个采集系统的控制核心，在内部驻留程序的引导下，负责控制每个部件各自工作之间的相互配合，所述计算机中安装有采集系统控制软件，控制信号采集的开始停止以及选择采集通道。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述单片机的I/O端口PB^P PB5分别电连接八路串入并出寄存器的时钟输入端3脚和串行输入端2脚，单片机的PB4 口输出时钟信号驱动八路串入并出寄存器，PB5 口输出串行控制信号，经八路串入并出寄存器转化为并行控制信号后分别用于选择信号通道和放大倍数；所述模数转换器采用型号为ADS7818的12位AD转换芯片，单片机的I/O端口 PB0、PB1和PB2分别电连接模数转换器的控制端5脚、时钟端口 7脚和数字信号输出端口 6脚，PBO和PBl 口控制模数转换器的模数转换，PB2 口接收由模数转换器输出的数字化信号；单片机的串行通信端口与所述串行通信接口电连接，作为最终的信号输出接口和命令接收接口连接到计算机的RS232串口上。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述八通道模拟多路选择器的八个输入通道端口 XO到X8分别外接出八个信号输入接口构成八通道信号输入插口，通过八通道信号输入插口采集信号，八通道模拟多路选择器三个编码输入端口 A0、Al、A2分别通过光电耦合器件一一对应连接到八路串入并出寄存器的并行输出端的第0、1、2位上，通过编码选择所要采集的通道，八通道模拟多路选择器的输出端口连接至程控放大电路的输入端，将所选通的通道中的信号进行放大采集。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述程控放大电路由型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器信号输出端和型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器信号输入端电连接构成，其中型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器共有1、2、5、10倍四种放大倍数，而型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器有1、10和100倍共三种放大倍数，通过两者组合后共有1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000倍10种放大倍数，以型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器的两位放大倍数编程端口为高两位，以型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器的两位放大倍数编程端口为低两位，通过对两个高速增益可编程仪表放大器的共四位放大倍数编程端口输入不同的控制信号编码值即可设置成所述的10种放大倍数，将程控放大电路10种放大倍数制成一个10行2列的数组表格存储在单片机的ROM中，其中第一列存放放大倍数，第二列存放放大倍数对应的八路串入并出寄存器的输出编码，单片机程序通过查表即可实现将数组表格的行序号每加或减I，进而控制程控放大电路将放大倍数增加或降低一档。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述八路串入并出寄存器的时钟输入端3脚和串行输入端2脚分别与单片机I/O端口 PB4和PB5电连接，将单片机的串行输出控制信号转变为并行输出，八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中第O、1、2位与所述八通道模拟多路选择器的三个编码输入端口 A0、A1、A2电连接，以编码选通所要采集的信号通道；八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中第3、4、5、6位分别与所述程控放大电路的四位放大倍数程控端电连接，以编码控制程控放大电路的放大倍数；八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中空闲的第7位悬空。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述串行通信接口选用RS-232串行口，由与单片机连接的的串行通信总线和电平转换芯片MAX232构成，作为信号经放大、采集后的最终输出接口，串行通信接口可与计算机的RS-232串行通信口直接相连 以将最终的信号传输给计算机。
所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于整个系统上电工作并接收到计算机中安装的采集系统控制软件下发的信号采集命令以及所要采集的通道号后，单片机在内部驻留程序的引导下，先预设放大倍数为50倍进行采集，之后判断采集到的信号值是否在10毫伏到5伏范围内，如果小于此范围，则将放大倍数增加一档，反之则减小一档，重复以上过程直到采集到的信号满足范围要求为止，之后将采集到的信号值再除以此时的放大倍数即为原始的信号值，最后将数值输出到串行口供计算机接收保存。所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述光电耦合器件选用型号为HCPL-4503的高速光隔离器，用于将整个系统的模拟信号和数字信号隔离以消除数字电路部分对信号采集的干扰。本发明的优点是
I、由于采用了增益实时在线自动调整的方法，使得仅用12位分辨率的A/D转换芯片即可实现测量精度为I U V、数据采集动态范围从I U V到5伏的高精度大动态范围数据采集要 求，降低了对A/D转换芯片分辨率的要求，从而很好的解决了由于对A/D转换芯片分辨率的高要求而牺牲采集速度的问题。2、由于将程控放大电路的放大倍数和对应控制编码值制表并固化于单片机的ROM中，并通过单片机内部驻留程序查表的方法来实现放大倍数的自动调节，使得增益自动控制易于实现，硬件结构变得简单且集成度提高，从而降低了电路的故障率，提高了整个采集系统的可靠性和智能化程度。3、八路串入并出寄存器的使用使得单片机只用两根口线即可实现同时对八通道多路选择器和程控放大电路的控制，从而节约了单片机的I/o端口，这在单片机I/O端口数量紧张时显得尤为重要。4、通过使用光电耦合器件以及模拟、数字部分的独立供电来实现整个数据采集系统的模拟部分和数字部分完全隔离，使得模拟信号的传输不会受到数字电路中噪音的干扰，从而增加了系统的抗干扰能力，尤其是在对微弱信号采集时。
图I是本发明电路原理框图。图2是本发明单片机中驻留的数据采集程序流程图。
具体实施例方式如图I所示。高精度智能增益多路数据采集系统，包括八通道信号输入插口 I、型号为4051的八通道模拟多路选择器2、程控放大电路3、采用型号为ADS7818的12为AD转换芯片的模数转换器4、型号为⑶4094的八路串入并出寄存器5、型号为ATmega64的单片机6、串行通信接口 7、安装有采集系统控制软件的计算机8、光电耦合器9。采集系统控制软件用于控制信号采集的开始停止以及选择采集通道。单片机6作为整个系统的控制核心，在内部驻留程序的引导下，负责控制每个部件各自工作之间的相互配合，其I/O端口 PB4和PB5通过光电耦合器9分别电连接八路串入并出寄存器5的时钟输入端3脚和串行输入端2脚。PB4 口输出时钟信号驱动八路串入并出寄存器5，PB5 口输出串行控制信号，经八路串入并出寄存器5转化为八位并行控制信号用于控制八通道模拟多路选择器2和程控放大电路3，其中第0、1、2位与八通道模拟多路选择器2的三个编码输入端口 A0、Al、A2电连接，用于编码选通所要采集的信号通道；第3、4、5、6位与程控放大电路3中PGA207和PGA103的各两位放大倍数程控端电连接，高两位连接PGA207，低两位连接PGA103，用于编码控制程控放大电路的放大倍数；剩下空闲的第7位悬空。单片机6的I/O端口 PBO、PBl和PB2通过光电耦合器9分别电连接模数转换器4的控制端5脚，时钟端7脚和数字信号输出端6脚，PBO和PBl 口用于ADS7818的模数转换控制，PB2 口用于接收由模数转换器4输出的数字化信号。单片机6的串行通信端口与串行通信接口 7电连接，用于作为最终的信号输出接口和命令接收接口连接到计算机8的串口上。此 外，为了提高数据采集的精度和抗干扰能力，整个系统用光电耦合器9将模拟部分和数字部分电隔离，两大部分单独供电。图I中虚线框所示为数据采集系统的全部数字部分，框外为系统的全部模拟部分，其中粗黑线所示为加了屏蔽的模拟信号传输通道，所有模数连接的通道均用光电耦合器9隔离开，这样就实现了整个系统中模拟通路和数字部分的完全隔离，消除了数字电路部分对模拟信号的干扰，提闻了系统的稳定性。程控放大电路3由高速增益可编程仪表放大器PGA207的信号输出端和PGA103的信号输入端电连接组成，其中高速增益可编程仪表放大器PGA207共有I、2、5、10倍四种放大倍数，而高速增益可编程仪表放大器PGA103有I、10和100倍共三种放大倍数，因此两者组合后共有1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000倍10种放大倍数，以高速增益可编程仪表放大器PGA103的两位放大倍数编程端口为高两位，以高速增益可编程仪表放大器PGA207的两位放大倍数编程端口为低两位，通过对两个高速增益可编程仪表放大器的共四位放大倍数编程端口输入不同的控制信号编码值即可设置成上述的各种放大倍数，例如输入0000，则设置为放大I倍，输入0101则是设置为放大20倍，而输入1011即设置为放大1000倍等等，将程控放大电路3的10种放大倍数制成一个10行2列的数组表格存储在单片机6的ROM中，其中第一列存放放大倍数，第二列存放放大倍数对应的八路串入并出寄存器5的输出编码，这样单片机6通过查表即可实现将数组表格的行序号每加或减1，就控制程控放大电路将放大倍数增加或降低一档。将控制程控放大电路3放大倍数的4位编码值作为高位与控制八通道模拟多路选择器2采集通道的3位编码值作为低位组合成一个八位(只使用其低七位)的二进制编码控制数据，作为单片机6的串行控制数据，即可实现对采集通道和放大倍数的控制。如图2所示。高精度智能增益多路数据采集系统的数据采集工作流程如下系统上电工作接收到采集电脑中安装的采集控制电脑软件下发的信号采集命令以及所要采集的通道号后，单片机6在内部驻留程序的引导下，查看所要采集的通道号并将对应编码值保存在一个八位二进制数据的低三位中，预设放大倍数为50倍并将对应编码值保存在上述八位二进制数据的第3、4、5、6位中，将这个二进制数作为串行控制信号传给八路串入并出寄存器5设定采集通道和放大倍数，并控制模数转换器4进行采集，之后判断采集到的信号值是否在10毫伏到5伏范围内，如果小于此范围，则通过上述的查表方法将放大倍数增加一档，反之则减小一档，重复以上过程直到采集到的信号满足上述的范围要求为止，之后将采集到的信号值再除以此时的放大倍数即为原始的信号值，最后将数值输出到串行通信接口 7供计算机8接收保存。
权利要求
1.高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于包括通过串行通信接口通信连接的计算机、型号为ATmega64的单片机,所述单片机的I/O端口通过光电稱合器件与一个模数转换器的控制端、时钟端和数字信号输出端连接，单片机的I/O端口还与一个型号为CD4094的八路串入并出寄存器的时钟输入端、串行输入端连接，所述八路串入并出寄存器的并行输出端口分别与一个型号为4051的八通道模拟多路选择器的编码输入端连接，八路串入并出寄存器的并行输出端口还与一个程控放大电路的放大倍数控制端电连接，所述程控放大电路输入端与八通道模拟多路选择器的输出端连接，程控放大电路模拟信号输出端与模数转换器模拟信号输入端连接，由八通道模拟多路选择器、程控放大器、模数转换器、单片机、串行通信接口构成信号输入、放大、采集以及输出的完整通路，其中单片机作为整个采集系统的控制核心，在内部驻留程序的引导下，负责控制每个部件各自工作之间的相互配合，所述计算机中安装有采集系统控制软件，控制信号采集的开始停止以及选择采集通道。
2.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述单片机的I/O端口 PB4和PB5分别电连接八路串入并出寄存器的时钟输入端3脚和串行输入端2脚，单片机的PB4 口输出时钟信号驱动八路串入并出寄存器，PB5 口输出串行控制信号，经八路串入并出寄存器转化为并行控制信号后分别用于选择信号通道和放大倍数；所述模数转换器采用型号为ADS7818的12位AD转换芯片，单片机的I/O端口 PB0、PB1和PB2分别电连接模数转换器的控制端5脚、时钟端口 7脚和数字信号输出端口 6脚，PBO和PBl 口控制模数转换器的模数转换，PB2 口接收由模数转换器输出的数字化信号；单片机的串行通信端口与所述串行通信接口电连接，作为最终的信号输出接口和命令接收接口连接到计算机的RS232串口上。
3.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述八通道模拟多路选择器的八个输入通道端口 XO到X8分别外接出八个信号输入接口构成八通道信号输入插口，通过八通道信号输入插口采集信号，八通道模拟多路选择器三个编码输入端口 A0、A1、A2分别通过光电耦合器件一一对应连接到八路串入并出寄存器的并行输出端的第0、1、2位上，通过编码选择所要采集的通道，八通道模拟多路选择器的输出端口连接至程控放大电路的输入端，将所选通的通道中的信号进行放大采集。
4.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述程控放大电路由型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器信号输出端和型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器信号输入端电连接构成，其中型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器共有1、2、5、10倍四种放大倍数，而型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器有I、10和100倍共三种放大倍数，通过两者组合后共有1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000倍10种放大倍数，以型号为PGA103的高速增益可编程仪表放大器的两位放大倍数编程端口为高两位，以型号为PGA207的高速增益可编程仪表放大器的两位放大倍数编程端口为低两位，通过对两个高速增益可编程仪表放大器的共四位放大倍数编程端口输入不同的控制信号编码值即可设置成所述的10种放大倍数，将程控放大电路10种放大倍数制成一个10行2列的数组表格存储在单片机的ROM中，其中第一列存放放大倍数，第二列存放放大倍数对应的八路串入并出寄存器的输出编码，单片机程序通过查表即可实现将数组表格的行序号每加或减I，进而控制程控放大电路将放大倍数增加或降低一档。
5.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述八路串入并出寄存器的时钟输入端3脚和串行输入端2脚分别与单片机I/O端口 PB4和PB5电连接，将单片机的串行输出控制信号转变为并行输出，八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中第0、1、2位与所述八通道模拟多路选择器的三个编码输入端口 A0、A1、A2电连接，以编码选通所要采集的信号通道；八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中第3、4、5、6位分别与所述程控放大电路的四位放大倍数程控端电连接，以编码控制程控放大电路的放大倍数；八路串入并出寄存器的八位并行输出端口中空闲的第7位悬空。
6.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述串行通信接口选用RS-232串行口，由与单片机连接的的串行通信总线和电平转换芯片MAX232构成，作为信号经放大、采集后的最终输出接口，串行通信接口可与计算机的RS-232串行通信口直接相连以将最终的信号传输给计算机。
7.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于整个系统上电工作并接收到计算机中安装的采集系统控制软件下发的信号采集命令以及所要采集的通道号后，单片机在内部驻留程序的引导下，先预设放大倍数为50倍进行采集，之后判断采集到的信号值是否在10毫伏到5伏范围内，如果小于此范围，则将放大倍数增加一档，反之则减小一档，重复以上过程直到采集到的信号满足范围要求为止，之后将采集到的信号值再除以此时的放大倍数即为原始的信号值，最后将数值输出到串行口供计算机接收保存。
8.根据权利要求I所述的高精度智能增益多路数据采集系统，其特征在于所述光电耦合器件选用型号为HCPL-4503的高速光隔离器，用于将整个系统的模拟信号和数字信号隔离以消除数字电路部分对信号采集的干扰。
全文摘要
本发明公开了一种高精度智能增益多路数据采集系统，包括通过串行通信接口通信连接的计算机、单片机，单片机与模数转换器连接，单片机还与八路串入并出寄存器连接，八路串入并出寄存器与八通道模拟多路选择器连接，八路串入并出寄存器还与程控放大电路连接，程控放大电路与八通道模拟多路选择器、模数转换器连接，由八通道模拟多路选择器、程控放大器、模数转换器、单片机、串行通信接口构成信号输入、放大、采集以及输出的完整通路。本发明能大大提高信号采集速度，提高了信号采集的可靠性和智能化程度，增强了系统抗干扰的能力。
文档编号H03G3/20GK102707653SQ201210186398
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者徐文清, 徐青山, 詹杰, 贺巧妙, 高亦桥 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所