一種多路模擬信號數據采集自動校正電路和校正方法
【專利摘要】本發(fā)明一種多路模擬信號數據采集自動校正電路和校正方法，涉及一種需要自動校零和校滿刻度的多路模擬信號數據采集電路，屬電子技術應用領域。由信號采集電路、A/D轉換單元和控制單元依次連接而成，信號采集電路包括信號放大單元、標準滿刻度信號端、標準零信號端和電子開關；控制單元與電子開關的控制端相連，信號放大單元、標準滿刻度信號端以及標準零信號端分別與電子開關的輸入端相連；由控制單元發(fā)送控制信息到電子開關，電子開關自動切換與傳感器信號端、標準滿刻度信號端或標準零信號端連接，并將該輸入端信號傳至信號放大單元；傳感器信號端的信號來自于傳感器；標準滿刻度信號端的信號以及標準零信號端的信號均取自電路標準電源信號。
【專利說明】
一種多路模擬信號數據采集自動校正電路和校正方法
技術領域
[0001]本發(fā)明一種多路模擬信號數據采集自動校正電路和校正方法，涉及一種需要自動校零和校滿刻度的多路模擬信號數據采集電路，屬于電子技術應用領域?！颈尘凹夹g】
[0002]在電子技術應用領域經常會涉及到有關各類傳感器信號數據采集電路的設計，這些傳感器信號通常是模擬量，幅值較小(毫伏級)，需要通過信號放大單元將信號放大，然后通過A/D轉換單元把模擬信號變?yōu)閿底至?，最后送控制單元處理。在信號放大單元部分，通常需要設置調零電位器和調滿幅值電位器，用于信號測量基準的校對。這個校對通常是在產品出廠調試的時候由人工調節(jié)調零電位器和調滿幅值電位器來完成的。然而，由于1C制造工藝和電路設計方面的原因，加上人工調節(jié)存在誤差，信號放大單元經常會隨著應用環(huán)境的不同存在基準漂移問題，對于多路傳感器信號數據的采集，還存在同類型傳感器信號采集，相同測量條件下不同信道之間采集數據不一致的問題，傳統(tǒng)的模擬信號數據采集電路見附圖1。[〇〇〇3]已有的一種改進的多路模擬信號數據采集電路(見附圖2)，通過增加電子開關，使多路傳感器共享一套信號放大單元，但這種方法只能針對上述不同信道之間采集數據不一致的問題起到一定作用，信號放大單元隨著應用環(huán)境的變化，基準漂移的問題仍然存在，并且產生新問題:(1)由人工調節(jié)的信號放大電路的調零電位器和調滿幅值電位器難以調節(jié)到某一個合適位置可以滿足多個不同的傳感器信號輸入要求；(2)電子開關頻繁切換不同信道的傳感器信號輸入，開關擾動對毫伏級的信號輸入造成極大干擾。
[0004]另一種改進的傳統(tǒng)模擬信號數據采集電路(見圖3)，采用1C制造廠商專用的傳感器測量模塊替代信號放大單元和A/D轉換單元，將原先的信號放大和A/D轉換兩項功能交由專業(yè)制造廠商的集成電路來完成，電路設計變得簡潔，穩(wěn)定性得到保證。但是也存在比如專用芯片價格較高、量程范圍較窄、不適應多路傳感信號采集、電子開關擾動對毫伏級的信號造成干擾等問題。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述不足之處提供一種多路模擬信號數據采集自動校正電路和校正方法，可以根據要求實時自動校正每一路傳感器信號的零點基準和滿刻度基準， 避免人工調節(jié)的不穩(wěn)定性，解決不同信道之間測量不一致的問題，消除不同環(huán)境下信號放大單元基準漂移帶來的影響。
[0006]本發(fā)明是采取以下技術方案實現(xiàn)的:一種多路模擬信號數據采集自動校正電路由信號采集電路、A/D轉換單元和控制單元依次連接而成;信號采集電路包括信號放大單元、標準滿刻度信號端、標準零信號端和電子開關;控制單元與電子開關的控制端相連，信號放大單元、標準滿刻度信號端以及標準零信號端分別與電子開關的輸入端相連；由控制單元發(fā)送控制信息到電子開關，電子開關自動切換與傳感器信號端、標準滿刻度信號端或標準零信號端連接，并將該輸入端信號傳至信號放大單元;傳感器信號端的信號來自于傳感器;標準滿刻度信號端的信號以及標準零信號端的信號均取自電路標準電源信號；所述A/D轉換單元用于將信號放大單元送來的模擬量信號轉換為數字化信號；所述控制單元采用微處理器和存儲器，微處理器用于收集A/D轉換單元送來的輸入信號數字化后的數值，分析計算后進行處理;存儲器用于保存各類測量及運行數據。
[0007]所述微處理器采用市售的嵌入式微處理器或單片機。
[0008]多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法包括兩種模式，即出廠調試模式和自動校正模式，通過在控制單元設置來切換，控制模式設置完成以后，由控制單元自動完成相應的校正，不需要人工調節(jié)干預；自動校正模式是控制單元的默認控制模式，在以下兩種情況下控制單元對傳感器信號采集電路進行自動校正:一是控制單元每次斷電重新上電時；二是可以由控制單元設置的時間參數決定是否執(zhí)行自動校正以及執(zhí)行自動校正的周期。
[0009]所述出廠調試模式，包括如下步驟:1-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號端相連；1-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據；1-3)步驟1-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；1-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據，此時，控制單元完成傳感器信道一的出廠調試過程；1-5)在完成傳感器信道一的出廠調試后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的出廠調試，方法同傳感器信道一的出廠調試;完成出廠調試后，分別得到傳感器信道二的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據二；1-6)以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的出廠調試后，自動控制所有信道的電子開關切換成與輸入傳感器信號端相連，開始正常的數據采集;此時控制模式自動切換為自動校正模式。
[0010]所述自動校正模式，包括如下步驟:2-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號端相連；2-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據；2-3)步驟2-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；2-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據；2-5)控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，使電子開關的輸入端與輸入信道一的傳感器信號端相連;此時，控制單元完成傳感器信道一的自動校正過程；2-6)在完成傳感器信道一的自動校正后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的自動校正，方法同傳感器信道一的自動校正;完成自動校正后，分別得到傳感器信道二的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據二；2-7)以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的自動校正后，結束本次自動校正。
[0011]本發(fā)明多路模擬信號數據采集自動校正電路的信號放大單元不再需要傳統(tǒng)的人工調零電位器和人工調滿幅值電位器電路，選擇電路元件參數時只要信號放大單元滿足傳感器信號量程范圍即可;標準滿刻度信號可取電路標準電源信號比如+5V或+3.3V作為基準;標準零信號可取電路標準電源信號比如0V作為基準。[0〇12]本發(fā)明的優(yōu)點:(1)信號放大電路設計時，不需調零電位器和調滿幅值電位器，簡化電路設計；(2)調零和調滿刻度由控制單元自動執(zhí)行，替代傳統(tǒng)手動調節(jié)電位器，消除人工參與的不穩(wěn)定性；(3)各傳感器信道的信號放大單元硬件電路不需像傳統(tǒng)電路一樣費心調節(jié)為性能參數精確一致。采用本發(fā)明的信號采集自動校正方法，每一路傳感器信道都采集并記憶各自的標準零信號基準測量數據和標準滿刻度信號基準測量數據，相當于各傳感器信道可以各自獨立調零和調滿刻度，不需要像傳統(tǒng)信號采集電路那樣用統(tǒng)一的調零和調滿刻度，有效避免同樣傳感器在不同信道之間測量不一致的問題；(4)控制單元記憶的各傳感器信道標準零信號基準測量數據和標準滿刻度信號基準測量數據為經過A/D轉換后的數字化數據，比起傳統(tǒng)的模擬電路，穩(wěn)定可靠，分辨率高；(5)“自動校正”模式的執(zhí)行，提供了各傳感器信道信號的實時調零和調滿刻度，有效避免不同應用環(huán)境條件下信號放大單元的基準漂移問題?！靖綀D說明】
[0013]以下將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明:圖1是傳統(tǒng)的模擬信號數據采集電路原理圖；圖2是改進的傳統(tǒng)模擬信號數據采集電路1原理圖；圖3是改進的傳統(tǒng)模擬信號數據采集電路2原理圖；圖4是本發(fā)明多路模擬信號數據采集自動校正電路原理圖?！揪唧w實施方式】[〇〇14]參照附圖1?4,一種多路模擬信號數據采集自動校正電路由信號采集電路、A/D轉換單元和控制單元依次連接而成;信號采集電路包括信號放大單元、標準滿刻度信號端、標準零信號端和電子開關;控制單元與電子開關的控制端相連，信號放大單元、標準滿刻度信號端以及標準零信號端分別與電子開關的輸入端相連；由控制單元發(fā)送控制信息到電子開關，電子開關自動切換與傳感器信號端、標準滿刻度信號端或標準零信號端連接，并將該輸入端信號傳至信號放大單元;傳感器信號端的信號來自于傳感器;標準滿刻度信號端的信號以及標準零信號端的信號均取自電路標準電源信號；所述A/D轉換單元用于將信號放大單元送來的模擬量信號轉換為數字化信號；所述控制單元采用微處理器和存儲器，微處理器用于收集A/D轉換單元送來的輸入信號數字化后的數值，分析計算后進行處理;存儲器用于保存各類測量及運行數據。[〇〇15] 所述微處理器采用市售的嵌入式微處理器或單片機。
[0016]多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法包括兩種模式，即出廠調試模式和自動校正模式，通過在控制單元設置來切換，控制模式設置完成以后，由控制單元自動完成相應的校正，不需要人工調節(jié)干預；自動校正模式是控制單元的默認控制模式，在以下兩種情況下控制單元對傳感器信號采集電路進行自動校正:一是控制單元每次斷電重新上電時；二是可以由控制單元設置的時間參數決定是否執(zhí)行自動校正以及執(zhí)行自動校正的周期。
[0017]所述出廠調試模式，包括如下步驟:1-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號端相連；1-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據；1-3)步驟1-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；1-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據，此時，控制單元完成傳感器信道一的出廠調試過程；1-5)在完成傳感器信道一的出廠調試后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的出廠調試，方法同傳感器信道一的出廠調試;完成出廠調試后，分別得到傳感器信道二的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據二；1-6)以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的出廠調試后，自動控制所有信道的電子開關切換成與輸入傳感器信號端相連，開始正常的數據采集;此時控制模式自動切換為自動校正模式。[〇〇18]所述自動校正模式，包括如下步驟:2-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號端相連；2-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據；2-3)步驟2-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；2-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據；2-5)控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，使電子開關的輸入端與輸入信道一的傳感器信號端相連;此時，控制單元完成傳感器信道一的自動校正過程；2-6)在完成傳感器信道一的自動校正后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的自動校正，方法同傳感器信道一的自動校正;完成自動校正后，分別得到傳感器信道二的標準零信號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量數據二；2-7)以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的自動校正后，結束本次自動校正。 [〇〇19]出廠調試模式和自動校正模式的區(qū)別在于:出廠調試模式是對電路能否正常運行、能否銷售出廠的檢驗；自動校正模式是對電路在不同運行環(huán)境條件下適應性的不斷自動調整。兩種模式分別得到了各傳感器信道的標準零信號基準測量數據REFxO和標準滿刻度信號基準測量數據REFxl，其中，x是各傳感器信道的編號，為1?n。而作為標準，零信號和滿刻度信號對應的標準計算值VT0和VT1是已知的，可以作為參數事先設置存儲在控制單元存儲器中。
[0020]控制單元在正常工作時，不斷對信道1~1!的傳感器信號進行采集，得到各傳感器信道的信號實時測量數據REFx(X為信道編號)，控制單元根據各傳感器信道的標準零信號基準測量數據REFxO和標準滿刻度信號基準測量數據REFxl以及零信號和滿刻度對應的標準計算值VT0和VT1，分別計算各傳感器信道的實時測量值VTx。從而實現(xiàn)多路模擬信號數據采集自動校正和計算。
【主權項】
1.一種多路模擬信號數據采集自動校正電路由信號采集電路、A/D轉換單元和控制單 元依次連接而成，其特征在于:信號采集電路包括信號放大單元、標準滿刻度信號端、標準 零信號端和電子開關;控制單元與電子開關的控制端相連，信號放大單元、標準滿刻度信號 端以及標準零信號端分別與電子開關的輸入端相連；由控制單元發(fā)送控制信息到電子開 關，電子開關自動切換與傳感器信號端、標準滿刻度信號端或標準零信號端連接，并將該輸 入端信號傳至信號放大單元;傳感器信號端的信號來自于傳感器;標準滿刻度信號端的信 號以及標準零信號端的信號均取自電路標準電源信號；所述A/D轉換單元用于將信號放大單元送來的模擬量信號轉換為數字化信號；所述控制單元采用微處理器和存儲器，微處理器用于收集A/D轉換單元送來的輸入信 號數字化后的數值，分析計算后進行處理;存儲器用于保存各類測量及運行數據。2.根據權利要求1所述的多路模擬信號數據采集自動校正電路，其特征在于:所述微處 理器采用嵌入式微處理器或單片機。3.權利要求1所述的多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法，其特征在于:校 正方法包括兩種模式，即出廠調試模式和自動校正模式，通過在控制單元設置來切換，控制 模式設置完成以后，由控制單元自動完成相應的校正，不需要人工調節(jié)干預。4.根據權利要求3所述的多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法，其特征在 于:自動校正模式是控制單元的默認控制模式，在控制單元每次斷電重新上電時和由控制 單元設置的時間參數決定是否執(zhí)行自動校正以及執(zhí)行自動校正的周期兩種情況下，由控制 單元對傳感器信號采集電路進行自動校正。5.根據權利要求3所述的多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法，其特征在 于，所述出廠調試模式，包括如下步驟:1-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號 端相連；1-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零 信號基準測量數據；1-3)步驟1-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道 一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；1-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存 在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量 數據，此時，控制單元完成傳感器信道一的出廠調試過程；1-5)在完成傳感器信道一的出廠調試后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的出廠調 試，方法同傳感器信道一的出廠調試;完成出廠調試后，分別得到傳感器信道二的標準零信 號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準 滿刻度信號基準測量數據二；1-6)以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的出廠調試后，自動控制所有信道的 電子開關切換成與輸入傳感器信號端相連，開始正常的數據采集;此時控制模式自動切換 為自動校正模式。6.根據權利要求3所述的多路模擬信號數據采集自動校正電路的校正方法，其特征在于，所述自動校正模式，包括如下步驟:2-1)控制單元控制傳感器信道一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準零信號 端相連；2-2)輸入標準零信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據，并將此時的 A/D轉換單元數據保存在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準零信號所對應的標準零 信號基準測量數據；2-3)步驟2-2)中標準零信號基準測量數據保存完成后，控制單元自動控制傳感器信道 一的電子開關，將電子開關的輸入端與輸入標準滿刻度信號端相連；2-4)輸入標準滿刻度信號接入穩(wěn)定后，控制單元讀取此時的A/D轉換單元數據并保存 在存儲器中，由此得到傳感器信道一的標準滿刻度信號所對應的標準滿刻度信號基準測量 數據；2-5)控制單元自動控制傳感器信道一的電子開關，使電子開關的輸入端與輸入信道一 的傳感器信號端相連;此時，控制單元完成傳感器信道一的自動校正過程；2-6)在完成傳感器信道一的自動校正后，控制單元開始執(zhí)行傳感器信道二的自動校 正，方法同傳感器信道一的自動校正;完成自動校正后，分別得到傳感器信道二的標準零信 號所對應的標準零信號基準測量數據二和傳感器信道二的標準滿刻度信號所對應的標準 滿刻度信號基準測量數據二；2-7 )以此類推，在控制單元完成所有傳感器信道的自動校正后，結束本次自動校正。
【文檔編號】G05B19/042GK106020019SQ201610325069
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】史熒中, 侯立功, 楊文珺, 劉德強, 林峰, 施元琪, 朱志翔, 王思堯
【申請人】無錫職業(yè)技術學院