專利名稱：信號采集系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及信號處理系統，并且特別涉及用于模擬信號采集和校準的系統。
背景技術：
為適應制造企業生產線狀態的監控等應用，往往需要在現場采集、存儲及處理大規模數據，例如各生產環節的溫度、濕度、流量、壓力等參數、對生產任務的下達、生產線設備的運行狀態、生產產量的達成狀況、產品品質的狀況、生產線人員狀況等等的監控。目前， 大多采用人工監控，人工記錄生產線的各種數據，因數據量大(通常多于1000路)、廠區面積大、生產工廠車間/多、產品種類復雜、生產設備類型差異等諸多因素，導致對生產線的監控處于一個無序監控狀態，監控工作量大、成本高、人員多、環節多，生產數據準確率低， 各個環節溝通不暢，生產效率低下，生產的安全性低，自動化設備得不到充分利用，使得工廠的管理者不能實時了解到生產線的狀態，不能及時得到準確的生產數據。為了達到對生產線的實時監控，提高生產效率、生產的安全性，提高產品的性能與成品合格率，需要對生產線實施數據采集與遠程自動化監控。

發明內容
根據本發明的一個實施例，提供了一種信號采集系統，包括傳感器模塊，開關模塊，模數轉換模塊和控制模塊，其特征在于，所述傳感器模塊包括多個傳感器，用于采集多個模擬信號；所述開關模塊用于接收來自所述控制模塊的控制信號，并根據所述控制信號選通所述多個傳感器采集的多個模擬信號的一個、相對應的信號地的電壓、以及基準電壓； 所述模擬數字轉換模塊用于將所述開關模塊選通的所述多個模擬信號的一個、所述相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓分別轉換為第一數字信號、相對應的第二數字信號、以及第三數字信號；所述控制模塊用于接收所述模擬數字轉換模塊產生的數字信號，并生成校準的所述第一數字信號。其中，根據一個例子的所述生成校準的所述第一數字信號包括將所述第一數字信號減去相對應的第二數字信號，再減去所述第三數字信號的偏移量，其中，所述第三數字信號的偏移量為所述第三數字信號與標準基準電壓的差值。通過上述校準方法，環境噪聲以及環境噪聲對基準電路的影響造成的采集到的模擬信號的誤差得以消除。可選的，所述生成校準的第一數字信號包括對所述第一數字信號、所述相對應的第二數字信號、所述第三數字信號的N次采樣值分別求平均值，并且將所述第一數字信號的平均值減去相對應的第二數字信號的平均值，再減去所述第三數字信號的平均值的偏移量，其中，所述第三數字信號的平均值的偏移量為所述第三數字信號的平均值與標準基準電壓的差值，所述N為大于1的任意整數。通過上述校準方法，對所述第一數字信號、所述相對應的第二數字信號、所述第三數字信號的N次采樣值分別求平均值，得到的是環境噪聲以及環境噪聲對基準電路的影響的統計結果，因此能夠得到模擬信號的精確校準結果。根據一個例子的開關模塊包括多個級聯的模擬開關。可選的，所述開關模塊包括多個m通道模擬開關組成s級地址選通模塊，所述開關模塊用于接收所述控制模塊的控制信號，并根據所述控制信號選通ms個傳感器采集的ms個模擬信號的一個，其中所述m為大于2的任意整數，s為任意正整數。通過s級選通，可以對輸入信號的采集驚醒靈活組合。 可以根據實際需要，擴展輸入的信號路數，有選擇的選通需要進行監控的信號。優選的，所述模擬開關模塊包括多個16通道的模擬開關組成的三級開關模塊。根據本發明的另一個實施例，所述信號采集系統還包括跟隨器模塊，用于接收所述開關模塊選通的所述多個模擬信號的一個、所述相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓，并傳輸給所述模數轉換模塊。上述跟隨器模塊的作用是彌補開關模塊帶來的電阻誤差，起到阻抗變換與隔離的作用，給通過開關模塊選通的信號提供一個高輸入阻抗低輸出阻抗的電路環境，減小對后級的模擬數字轉換模塊內核的電容網絡的影響。上文已經概括而非寬泛地給出了本公開內容的特征。本公開內容的附加特征將在此后描述，其形成了本發明權利要求的主題。本領域技術人員應當理解，可以容易地使用所公開的構思和具體實施方式
，作為修改和設計其他結構或者過程的基礎，以便執行與本發明相同的目的。本領域技術人員還應當理解，這些等同結構沒有脫離所附權利要求書中記載的本發明的主旨和范圍。


為了更完整地理解本公開以及其優點，現在結合附圖參考以下描述，其中圖1示出了根據一個實施例的信號采集系統100的結構圖；圖2示出了根據一個實施例的信號采集的流程圖；圖3示出了根據另一個實施例的信號采集系統300的結構圖；圖4示出了根據又一個實施例的信號采集系統400的結構圖；圖5示出了根據一個實施例的開關模塊502的結構圖；圖6示出了根據一個實施例的模擬開關6021的結構圖，除非指明，否則不同附圖中的相應標記和符號一般表示相應的部分。繪制附圖是為了清晰地示出本公開內容的實施方式的有關方面，而未必是按照比例繪制的。為了更為清晰地示出某些實施方式，在附圖標記之后可能跟隨有字母，其指示相同結構、材料或者過程步驟的變形。
具體實施例方式下面詳細討論實施例的實施和使用。然而，應當理解，所討論的具體實施例僅僅示范性地說明實施和使用本發明的特定方式，而非限制本發明的范圍。圖1示出了根據一個實施例的信號采集系統100的結構圖。信號采集系統100包括傳感器模塊101，開關模塊102，模數轉換模塊103和控制模塊104。以下結合圖2所示的信號采集流程圖詳細描述信號采集系統100的運作。在步驟S201中，傳感器模塊101采集多個模擬信號。
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本領域的普通技術人員可以理解，所述傳感器模塊101可以包括多個傳感器，所述多個模擬信號可以是溫度、濕度、壓力、電池電壓、供料信息以及裝配監測信號等參數中的至少一種。例如，電池通常用來在異常情況下，例如掉電，對系統進行保護，并提供對生產線的監控所需的電壓，對電池電壓進行監測可以在電池電壓較低的時候對電池充電；裝配監測信號一般的用于統計生產線上各個工位的裝配完成情況，并根據此統計結果采取相應的措施，例如，對一些工位補給原料等。接著，在步驟S202中，開關模塊102接收來自所述控制模塊104的控制信號，并根
據所述控制信號選通所述傳感器模塊101采集的模擬信號1、模擬信號2......模擬信號η
的一個即模擬信號m，相對應的信號地電壓m，以及基準電壓。其中，開關模塊102可以包括多個模擬開關，該開關模塊102的組成和控制方法將在之后詳細描述。優選的，開關模塊102采用抗靜電損傷裝置，例如對地接有IM電阻等措施，能夠有效防止靜電對系統的損傷。然后，在步驟S203中，模擬數字轉換模塊103將開關模塊102選通的所述多個模擬信號的一個即模擬信號m，相對應的信號地電壓m，以及基準電壓分別轉換為第一數字信
號m，相對應的第二數字信號m，以及第三數字信號。最后，在步驟S204中，控制模塊104接收所述模擬數字轉換模塊103產生的數字信號，并生成校準的第一數字信號m。因此，圖1所示的信號采集系統具有對采集到的信號自動校準的優點。通過上述信號采集過程，環境噪聲以及環境噪聲對基準電路的影響造成的采集到的模擬信號的誤差得以消除。本領域的普通技術人員可以理解，根據一個實施例的信號采集系統100還可以包括信號放大電路和濾波電路，對采集到的模擬信號進行不失真的放大，從而使得模擬信號的幅度適于模擬數字轉換模塊103的輸入范圍。優選的，控制模塊104對第一數字信號m，相對應的第二數字信號m，第三數字信號的N次，例如5次，采樣值分別求平均值，并且將所述第一數字信號的平均值減去相對應的第二數字信號的平均值，再減去所述第三數字信號的平均值的偏移量，其中，所述第三數字信號的平均值的偏移量為所述第三數字信號的平均值與標準基準電壓的差值。通過上述校準方法，對所述第一數字信號、所述相對應的第二數字信號、所述第三數字信號的N次采樣值分別求平均值，得到的是環境噪聲以及環境噪聲對基準電路的影響的統計結果，因此能夠得到模擬信號的精確校準結果。一般的，對所述第一數字信號、所述相對應的第二數字信號、所述第三數字信號的 N次采樣的采樣間隔為微秒量級，較合理的采樣次數為5-20次，采樣次數越多，得到的校準越精確。本領域的普通技術人員可以理解，根據本發明的另一個實施例的信號采集模塊 300還包括監控模塊301，用于監控控制模塊104傳輸的經過校準的第一數字信號m，從而對生產現場出現的狀況進行及時處理。其中，控制模塊104與監控模塊301之間的遠程通訊可以采用例如RS422串口通訊電路來實現。本領域的普通技術人員理解，傳感器模塊101可以采用本領域公知的通過硬件設
5置屏蔽噪聲的方法提高采集的信號的準確度，例如，使信號地線與功率地線和機殼地線相絕緣。但是通過硬件設置屏蔽噪聲的程度的是有限的，根據本發明的一個實施例的信號采集系統100、300通過軟硬件結合的方式，即控制模塊104控制開關模塊102選通一個模擬信號以及對應的信號地電壓和基準電壓，經過模數轉換后，對得到的第一數字信號、第二數字信號、第三數字信號進行運算，最終得到經過校準的第一數字信號，從而消除了環境噪聲對采集到的信號的準確度的影響。根據本發明的又一個實施例，如圖4所示的信號采集系統400還包括跟隨器模塊 401，用于接收所述開關模塊102選通的多個模擬信號的一個、相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓，并傳輸給所述模數轉換模塊103進行模數轉換處理。一般的，開關模塊102的導通阻抗容易對后級的模數轉換模塊103的內核網絡產生影響。跟隨器模塊401通常具有高輸入阻抗低輸出阻抗的特點，跟隨器模塊401提供一定的增益和緩沖作用，通過增加跟隨器模塊401，模數轉換器103的轉換誤差能夠大大減小。跟隨器模塊401可以具有不同的電路構成。例如，跟隨器模塊401可以為雙極型射極跟隨器，也可以是MOS源極跟隨器。優選的，跟隨器模塊401由高輸入阻抗低輸出阻抗的運算放大器構成。以上對信號采集系統的構成和運作進行了說明，下面詳細說明開關模塊102的構成。根據本發明的一個實施例的開關模塊包括多個級聯的模擬開關。可根據用戶需求和實際需要，對不同的信號輸入路數與輸出控制通道數進行靈活組合。一個示例性的開關模塊包括多個m通道模擬開關組成s級地址選通模塊，該開關模塊用于接收控制模塊104 的控制信號，并根據所述控制信號選通例如ms個傳感器采集的ms個模擬信號的一個，其中 m為大于2的任意整數，s為任意正整數。根據需求可靈活擴展輸入采集的路數。圖5示出了根據一個實施例的開關模塊502的結構圖。如圖所示，開關模塊502 采用三級級聯的16通道模擬開關，可對1 約4000路輸入信號的采集進行靈活組合。圖6示出了根據一個實施例的開關模塊502中的一個模擬開關6021的結構圖。如圖所示，模擬開關6021為16通道模擬開關，通過對四位地址碼的設置實現對通道的選通。采用根據本發明的一個實施例的信號采集系統后，每條生產線的待料時間降低 15% ；每條生產線的生產效率提高10%以上；生產線自動化率提升20% ；生產數據即時率提升100% ；生產數據準確率提升15% ；工時利用率提升25%左右；產品報廢率降低15%。 與傳統生產線監控方式相比，其優越性為1、可以任意長時間的連續記錄、顯示生產線狀態、數據，任意通道顯示，多種時間尺度顯示，無需人員操作監控。2、可在WINDOWS平臺下運行，具有全中文畫面顯示、實時采集、自動控制、參數設定、圖表生成、報表打印等諸多功能， 從而能夠方便、直觀、及時地監控現場。3、可實現生產全過程自動監控，極大地提高生產管理水平，為企業科學決策提供了依據，也為快速組織生產創造了條件。4、可實施遠程采集與監控，遠程傳輸部分可選的采用國際工業標準的RS422全雙工差分總線方式，其協議簡單， 用線少，抗干擾強，適合于千米級別的遠程通信；PC機接口部分采用RS232轉RS422接口。本領域技術人員還將容易地理解的是，材料和方法可以變化，同時仍然處于本發明的范圍之內。還將理解的是，除了用來示出實施方式的具體上下文之外，本發明提供了多種可應用的創造性構思。因此，所附權利要求意在將這些過程、機器、制品、組合物、裝置、方法或者步驟包括在其范圍之內。
權利要求
1.一種信號采集系統，包括傳感器模塊，開關模塊，模數轉換模塊和控制模塊，其特征在于，所述傳感器模塊包括多個傳感器，用于采集多個模擬信號；所述開關模塊用于接收來自所述控制模塊的控制信號，并根據所述控制信號依次選通所述多個傳感器采集的多個模擬信號的一個、相對應的信號地的電壓、以及基準電壓；所述模擬數字轉換模塊用于將所述開關模塊選通的所述多個模擬信號的一個、所述相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓分別轉換為第一數字信號、相對應的第二數字信號、以及第三數字信號；所述控制模塊用于接收所述模擬數字轉換模塊產生的數字信號，并生成校準的所述第一數字信號。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述多個模擬信號包括溫度、濕度、壓力、電池電壓、 供料信息以及裝配監測信號中的至少一種。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述生成校準的所述第一數字信號包括將所述第一數字信號減去相對應的第二數字信號，再減去所述第三數字信號的偏移量，其中，所述第三數字信號的偏移量為所述第三數字信號與標準基準電壓的差值。
4.如權利要求1所述的系統，其中所述生成校準的所述第一數字信號包括對所述第一數字信號、所述相對應的第二數字信號、所述第三數字信號的N次采樣值分別求平均值， 并且將所述第一數字信號的平均值減去相對應的第二數字信號的平均值，再減去所述第三數字信號的平均值的偏移量，其中，所述第三數字信號的平均值的偏移量為所述第三數字信號的平均值與標準基準電壓的差值，所述N為大于1的任意整數。
5.如權利要求1所述的系統，其中所述開關模塊包括多個級聯的模擬開關。
6.如權利要求5所述的系統，其中所述開關模塊包括多個m通道模擬開關組成s級地址選通模塊，所述開關模塊用于接收所述控制模塊的控制信號，并根據所述控制信號選通 ms個傳感器采集的ms個模擬信號的一個，其中所述m為大于2的任意整數，s為任意正整數。
7.如權利要求6所述的系統，其中，m為16，s為3。
8.如權利要求1所述的系統，還包括跟隨器模塊，用于接收所述開關模塊選通的所述多個模擬信號的一個、所述相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓，并傳輸給所述模數轉換模塊。
9.如權利要求8所述的系統，其中所述跟隨器模塊包括集成運算放大器。
10.如權利要求1所述的系統，所述開關模塊采用抗靜電損傷裝置。
11.如權利要求1所述的系統，還包括監控模塊，用于監控所述校準的第一數字信號。
全文摘要
提供了一種信號采集系統，包括傳感器模塊，開關模塊，模數轉換模塊和控制模塊，其特征在于，所述傳感器模塊包括多個傳感器，用于采集多個模擬信號；所述開關模塊用于接收來自所述控制模塊的控制信號，并根據所述控制信號選通所述多個傳感器采集的多個模擬信號的一個、相對應的信號地的電壓、以及基準電壓；所述模擬數字轉換模塊用于將所述開關模塊選通的所述多個模擬信號的一個、所述相對應的信號地的電壓、以及所述基準電壓分別轉換為第一數字信號、相對應的第二數字信號、以及第三數字信號；所述控制模塊用于接收所述模擬數字轉換模塊產生的數字信號，并生成校準的所述第一數字信號。
文檔編號G05B19/418GK102213956SQ20101013879
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月1日 優先權日2010年4月1日
發明者王志強 申請人:上海飛機客戶服務有限公司, 中國商用飛機有限責任公司