一种多通道应变信号同步采集系统与方法技术方案

本发明专利技术一种多通道应变信号同步采集系统与方法属于电子技术测量领域；该系统包括电压基准比例变换电路，程控设置模块，驱动电路，惠斯通应变电桥，放大电路，抗混叠滤波电路，A/D同步采集电路，隔离模块和微处理器系统；电压基准比例变换电路的电压通过程控设置模块提供给驱动电路，驱动电路驱动惠斯通应变电桥将应变信号通过放大电路和抗混叠滤波电路进行放大滤波，再通过A/D同步采集电路和数字隔离将模拟信号转换为数字信号，最后通过SPI接口传输给微处理器系统进行处理；本发明专利技术提出的多通道应变信号驱动电路及A/D模数同步转换构架，无需各通道之间的电气隔离，无需多个模数转换芯片，无需扩展的转换数据存储与传输电路，减少了尺寸，节约了成本。

A multi-channel strain signal synchronous acquisition system and method

【技术实现步骤摘要】
一种多通道应变信号同步采集系统与方法
本专利技术一种多通道应变信号同步采集系统与方法属于电子技术测量领域。
技术介绍
在生产生活及科学研究中，经常需要实时测量重量、压力、振动等物理参数，而且需要同步采集多点的实时信息以便进行计量或信号的时域及频域的分析，例如对大型桥梁的监测，需要同时采集多点的振动信号来分析交通流量的分布，桥梁的共振频率，楼宇的监测也是如此，要监测其振动，分析其物理特性。传统多通道应变信号同步采集装置如图1所示，从图1中能够看出，由于各惠斯通应变电桥阻值的离散性，为保证高精度测量，每个通道都需要一个独立的A/D及完整的惠斯通应变电桥信号调理电路，还需要构建专门的转换数据传输链接电路，因此电路比较复杂，成本也比较高，物理尺寸也比较大。为解决传统的多通道应变信号同步采集系统的问题，本专利技术提出了一种多通道应变信号同步采集系统。
技术实现思路
针对传统多通道应变信号同步采集装置电路复杂，成本高，物理尺寸大的问题，本专利技术公开了一种多通道应变信号同步采集系统，并公开了一种多通道应变信号同步采集方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种多通道应变信号同步采集系统，包括电压基准比例变换电路，程控设置模块，驱动电路，惠斯通应变电桥，放大电路，抗混叠滤波电路，A/D同步采集电路，隔离模块和微处理器系统；电压基准比例变换电路的电压通过程控设置模块提供给驱动电路，驱动电路驱动惠斯通应变电桥将应变信号通过放大电路和抗混叠滤波电路进行放大滤波，再通过A/D同步采集电路和数字隔离将模拟信号转换为数字信号，最后通过SPI接口传输给微处理器系统进行处理。上述多通道应变信号同步采集系统，所述电压基准比例变换电路包括电压基准，降噪滤波电路和逻辑电路；所述电压基准采用ADR02、ADR4550、REF5050或其他兼容基准芯片；所述降噪滤波电路通过对电压基准进行降噪滤波，输出5V基准电压；所述逻辑电路包括U3芯片、U4芯片、U5芯片和3×8电阻网络；所述U3芯片、U4芯片和U5芯片均为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片，U3芯片-B的同相输入端连接降噪滤波电路的输出端，U3芯片-B的反相输入端定义为VP4，连接U3芯片-B的输出端，U3芯片-B的输出端连接电阻网络第一列的左侧；U3芯片-A的同相输入端接地，U3芯片-A的反相输入端连接电阻网络第四列和第五列交界，U3芯片-A的输出端定义为VN4，连接电阻网络第八列的右侧；U4芯片-A的同相输入端连接电阻网络第三列和第四列交界，U4芯片-A的反相输入端连接U4芯片-A的输出端，定义为VP1；U4芯片-B的同相输入端连接电阻网络第二列和第三列交界，U4芯片-B的反相输入端连接U4芯片-B的输出端，定义为VP2；U5芯片-A的同相输入端连接电阻网络第六列和第七列交界，U5芯片-A的反相输入端连接U5芯片-A的输出端，定义为VN2；U5芯片-B的同相输入端连接电阻网络第五列和第六列交界，U5芯片-B的反相输入端连接U5芯片-B的输出端，定义为VN1。上述多通道应变信号同步采集系统，所述驱动电路和惠斯通应变电桥构成惠斯通应变电桥驱动电路，如下：包括双四选一模拟开关U1i芯片，所述U1i芯片的X0端口连接AGND，X1端口连接VP1，X2端口连接VP2，X3端口连接VP4，Y0端口连接AGND，Y1端口连接VN1，Y2端口连接VN2，Y3端口连接VN4，X端口连接U2i芯片-A的同相输入端，Y端口连接U2i芯片-B的同相输入端，A端口定义为SETAi，B端口定义为SETBi，所述A端口和B端口均连接微处理器系统；所述双四选一模拟开关U1i芯片为74HC4052、ADG659或ADG409，所述U2i芯片为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片；所述U2i芯片-A的反相输入端定义为SNi+，输出端通过电阻连接第一三极管的基极，第一三极管的集电极通过电阻连接+9V电源，第一三极管的发射极定义为EXi+，与SNi+连接；U2i芯片-B的反相输入端定义为SNi-，输出端通过电阻连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极通过电阻连接-9V电源，第二三极管的发射极定义为EXi-，与SNi-连接；所述U2i芯片为运算放大器芯片，U2i芯片-A和U2i芯片-B分别接成电压跟随器；所述惠斯通应变电桥由四个电阻构成，其中一个对角线分别定义为AIi+和AIi-，另一个对角线分别定义为SNi+和SNi-。上述多通道应变信号同步采集系统，所述放大电路包括Ui3芯片，所述Ui3芯片为零漂移运算放大器芯片，采用OPA2187、ADA4522-2或其他性能相近的零漂移双运放芯片；Ui3芯片-A的同相输入端定义为AIi+，Ui3芯片-A的反相输入端定义为VOPi，通过四个电阻串联构成的电阻网络Ri1连接Ui3芯片-A的输出端；Ui3芯片-B的同相输入端定义为AIi-，Ui3芯片-B的反相输入端定义为VONi，通过四个电阻串联构成的电阻网络Ri2连接Ui3芯片-B的输出端；Ui3芯片-A的反相输入端和Ui3芯片-B的反相输入端之间通过四个电阻并联构成的电阻网络Ri3连接。以上多通道应变信号同步采集系统，相同定义的引脚或端口连接在一起。一种用于多通道应变信号同步采集系统的电压基准比例变换电路，包括电压基准，降噪滤波电路和逻辑电路；所述电压基准采用ADR02、ADR4550、REF5050或其他兼容基准芯片；所述降噪滤波电路通过对电压基准进行降噪滤波，输出5V基准电压；所述逻辑电路包括U3芯片、U4芯片、U5芯片和3×8电阻网络；所述U3芯片、U4芯片和U5芯片均为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片，U3芯片-B的同相输入端连接降噪滤波电路的输出端，U3芯片-B的反相输入端定义为VP4，连接U3芯片-B的输出端，U3芯片-B的输出端连接电阻网络第一列的左侧；U3芯片-A的同相输入端接地，U3芯片-A的反相输入端连接电阻网络第四列和第五列交界，U3芯片-A的输出端定义为VN4，连接电阻网络第八列的右侧；U4芯片-A的同相输入端连接电阻网络第三列和第四列交界，U4芯片-A的反相输入端连接U4芯片-A的输出端，定义为VP1；U4芯片-B的同相输入端连接电阻网络第二列和第三列交界，U4芯片-B的反相输入端连接U4芯片-B的输出端，定义为VP2；U5芯片-A的同相输入端连接电阻网络第六列和第七列交界，U5芯片-A的反相输入端连接U5芯片-A的输出端，定义为VN2；U5芯片-B的同相输入端连接电阻网络第五列和第六列交界，U5芯片-B的反相输入端连接U5芯片-B的输出端，定义为VN1。一种用于多通道应变信号同步采集系统的惠斯通应变电桥驱动电路，包括U1i芯片，所述U1i芯片的X0端口连接AGND，X1端口连接VP1，X2端口连接VP2，X3端口连接VP4，Y0端口连接AGND，Y1端口连接VN1，Y2端口连接VN2，Y3端口连接VN4，X端口连接U2i芯片-A的同相输入端，Y端口连接U2i芯片-B的同相输入端，A端口定义为SETAi，B端口定义为SETBi，所述A端口和B端口均连接微处理器系统；所述双四选一模拟开关U1i芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，包括电压基准比例变换电路，程控设置模块，驱动电路，惠斯通应变电桥，放大电路，抗混叠滤波电路，A/D同步采集电路，隔离模块和微处理器系统；电压基准比例变换电路的电压通过程控设置模块提供给驱动电路，驱动电路驱动惠斯通应变电桥将应变信号通过放大电路和抗混叠滤波电路进行放大滤波，再通过A/D同步采集电路和数字隔离将模拟信号转换为数字信号，最后通过SPI接口传输给微处理器系统进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，包括电压基准比例变换电路，程控设置模块，驱动电路，惠斯通应变电桥，放大电路，抗混叠滤波电路，A/D同步采集电路，隔离模块和微处理器系统；电压基准比例变换电路的电压通过程控设置模块提供给驱动电路，驱动电路驱动惠斯通应变电桥将应变信号通过放大电路和抗混叠滤波电路进行放大滤波，再通过A/D同步采集电路和数字隔离将模拟信号转换为数字信号，最后通过SPI接口传输给微处理器系统进行处理。2.根据权利要求1所述的一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，所述电压基准比例变换电路包括电压基准，降噪滤波电路和逻辑电路；所述电压基准采用ADR02、ADR4550、REF5050或其他兼容基准芯片；所述降噪滤波电路通过对电压基准进行降噪滤波，输出5V基准电压；所述逻辑电路包括U3芯片、U4芯片、U5芯片和3×8电阻网络；所述U3芯片、U4芯片和U5芯片均为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片，U3芯片-B的同相输入端连接降噪滤波电路的输出端，U3芯片-B的反相输入端定义为VP4，连接U3芯片-B的输出端，U3芯片-B的输出端连接电阻网络第一列的左侧；U3芯片-A的同相输入端接地，U3芯片-A的反相输入端连接电阻网络第四列和第五列交界，U3芯片-A的输出端定义为VN4，连接电阻网络第八列的右侧；U4芯片-A的同相输入端连接电阻网络第三列和第四列交界，U4芯片-A的反相输入端连接U4芯片-A的输出端，定义为VP1；U4芯片-B的同相输入端连接电阻网络第二列和第三列交界，U4芯片-B的反相输入端连接U4芯片-B的输出端，定义为VP2；U5芯片-A的同相输入端连接电阻网络第六列和第七列交界，U5芯片-A的反相输入端连接U5芯片-A的输出端，定义为VN2；U5芯片-B的同相输入端连接电阻网络第五列和第六列交界，U5芯片-B的反相输入端连接U5芯片-B的输出端，定义为VN1。3.根据权利要求1所述的一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，所述驱动电路和惠斯通应变电桥构成惠斯通应变电桥驱动电路，如下：包括双四选一模拟开关U1i芯片，所述U1i芯片的X0端口连接AGND，X1端口连接VP1，X2端口连接VP2，X3端口连接VP4，Y0端口连接AGND，Y1端口连接VN1，Y2端口连接VN2，Y3端口连接VN4，X端口连接U2i芯片-A的同相输入端，Y端口连接U2i芯片-B的同相输入端，A端口定义为SETAi，B端口定义为SETBi，所述A端口和B端口均连接微处理器系统；所述双四选一模拟开关U1i芯片为74HC4052、ADG659或ADG409，所述U2i芯片为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片；所述U2i芯片-A的反相输入端定义为SNi+，输出端通过电阻连接第一三极管的基极，第一三极管的集电极通过电阻连接+9V电源，第一三极管的发射极定义为EXi+，与SNi+连接；U2i芯片-B的反相输入端定义为SNi-，输出端通过电阻连接第二三极管的基极，第二三极管的集电极通过电阻连接-9V电源，第二三极管的发射极定义为EXi-，与SNi-连接；所述U2i芯片为运算放大器芯片，U2i芯片-A和U2i芯片-B分别接成电压跟随器；所述惠斯通应变电桥由四个电阻构成，其中一个对角线分别定义为AIi+和AIi-，另一个对角线分别定义为SNi+和SNi-。4.根据权利要求1所述的一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，所述放大电路包括Ui3芯片，所述Ui3芯片为零漂移运算放大器芯片，采用OPA2187、ADA4522-2或其他性能相近的零漂移双运放芯片；Ui3芯片-A的同相输入端定义为AIi+，Ui3芯片-A的反相输入端定义为VOPi，通过四个电阻串联构成的电阻网络Ri1连接Ui3芯片-A的输出端；Ui3芯片-B的同相输入端定义为AIi-，Ui3芯片-B的反相输入端定义为VONi，通过四个电阻串联构成的电阻网络Ri2连接Ui3芯片-B的输出端；Ui3芯片-A的反相输入端和Ui3芯片-B的反相输入端之间通过四个电阻并联构成的电阻网络Ri3连接。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种多通道应变信号同步采集系统，其特征在于，相同定义的引脚或端口连接在一起。6.一种用于多通道应变信号同步采集系统的电压基准比例变换电路，其特征在于，包括电压基准，降噪滤波电路和逻辑电路；所述电压基准采用ADR02、ADR4550、REF5050或其他兼容基准芯片；所述降噪滤波电路通过对电压基准进行降噪滤波，输出5V基准电压；所述逻辑电路包括U3芯片、U4芯片、U5芯片和3×8电阻网络；所述U3芯片、U4芯片和U5芯片均为运算放大器芯片，选用OPA2277、AD706或其他性能相近的精密双运放芯片，U3芯片-B的同相输入端连接降噪滤波电路的输出端，U3芯片-B的反相输入端定义为VP4，连接U3芯片-B的输出端，U3芯片-B的输出端连接电阻网络第一列的左侧；...

【专利技术属性】
技术研发人员：童子权，杨青云，任丽军，纪铁军，单冬梅，余皓明，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23