專利名稱：高精度的傳感器信號(hào)采集儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種信號(hào)采集設(shè)備，特別涉及一種采集傳感器測(cè)量出來(lái)的模擬信號(hào)并將該模擬信號(hào)數(shù)字化的設(shè)備。

背景技術(shù)：
隨著汽車智能化水平越來(lái)越高，在汽車上使用傳感器也越來(lái)越多，當(dāng)前在汽車上使用的傳感器有速度傳感器、位置傳感器、加速度傳感器等汽車內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳感器，還有溫度傳感器、電流傳感器等。這些傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳送到汽車的控制中心，由控制中心根據(jù)設(shè)定確定汽車的當(dāng)前工作狀態(tài)，并進(jìn)一步的推算下一步的工作。現(xiàn)在大多數(shù)傳感器都輸出模擬信號(hào)，在控制中心對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之間需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在采集這些模擬信號(hào)的方法和設(shè)備都是采用單片機(jī)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)還使用32k的SPI波特率傳輸，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)傳輸，但是由于單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換精度多為8位或10位，所以其缺陷是數(shù)據(jù)采集的精度不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種高精度的傳感器信號(hào)采集儀。解決數(shù)據(jù)采集的精度不夠高的問題。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題的方案為一種高精度的傳感器信號(hào)采集儀，包括信號(hào)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊；所述的信號(hào)采集模塊的采集信號(hào)輸入端接傳感器的輸出端，其信號(hào)輸出端接所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入端，其數(shù)字輸出端接所述的單片機(jī)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入端；所述的單片機(jī)處理模塊通過通信模塊與上位機(jī)連接；所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊外置模塊。
本方案由于采用了外置的A/D轉(zhuǎn)換器，可以做到比單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位多，且轉(zhuǎn)換時(shí)不用耗費(fèi)單片機(jī)的時(shí)間，因此可以獲得較高的數(shù)據(jù)采集精度和較快采集速度。
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1本實(shí)用新型高精度信號(hào)采集儀的電路框圖。
圖2本實(shí)用新型實(shí)施例中信號(hào)采集電路原理圖。
圖3本實(shí)用新型實(shí)施例所用采集芯片ADA4941內(nèi)部電路圖。
圖4本實(shí)用新型實(shí)施例所用信號(hào)采集電路圖。
圖5本實(shí)用新型信號(hào)采集流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例，如圖1所示，高精度傳感器信號(hào)采集儀，包括信號(hào)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊。所述的信號(hào)采集模塊的采集信號(hào)輸入端接傳感器外部電路。信號(hào)采集模塊的采集信號(hào)輸入端接傳感器的輸出端，其信號(hào)輸出端接所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入端，所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)字輸出端接所述的單片機(jī)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入端。所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為外置模塊。本實(shí)施例中所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換位數(shù)為采用24位的，選用的型號(hào)為AD7767。本實(shí)施例中，采集到的信號(hào)在單片機(jī)里處理后，通過通信傳到上位機(jī)。一般上位機(jī)是筆記本電腦或其它能與其通信的計(jì)算機(jī)。
如圖2所示，上述信號(hào)采集模塊包括比較放大器A1、反向放大器A2、第一參考電壓模塊VREF、第二參考電壓模塊VG、偏置電阻RG、放大電阻RF、輸入電阻RIN以及第二偏置電阻R1、第二放大電阻R2和第二輸入電阻R3。本實(shí)施例中，第一參考電壓模塊VREF為2.5V的高精度的電源芯片，選用型號(hào)為的ADR421。第二參考電壓模塊VG為0V。這種電源芯片的精度都非常高，可達(dá)到0.04％到0.12％之間。偏置電阻RG和放大電阻RF為可調(diào)電阻，輸入電阻RIN的大小為偏置電阻RG和放大電阻RF的并聯(lián)值。
比較放大器A1的輸出端OUT+通過第二偏置電阻R1接反向放大器A2的反向輸入端，比較放大器A1的正向輸入端IN通過輸入電阻RIN接所述傳感器的模擬信號(hào)輸出端，反向輸入端FB通過偏置電阻RG接第二參考電壓模塊VG的正極，比較放大器A1的輸出端通過放大電阻RF與其反向輸入端FB相連；反向放大器A2的輸入端通過第二輸入電阻R3連接所述的第一參考電壓模塊VREF的正極，反向放大器A2的輸出端VON-通過第二放大電阻R2接其反向輸入端。比較放大器A1的輸出端OUT+和反向放大器A2的輸出端OUT-分別為采集電路的正負(fù)輸出端VOP、VON。其對(duì)地電壓分別為 VOP＝VIN(1+RF/RG)-VG(RF/RG) VON＝-VIN(1+RF/RG)+VG(RF/RG)+2(VREF) 通過上式可求出VOP和VON的差分和共模信號(hào)VOdm和VOcm VOdm＝VOP-VON＝2VIN(1+RF/RG)-VG(RF/RG)-2(VREF) VOcm＝(VOP+VON)/2＝VREF 當(dāng)RF為0，RG為無(wú)窮大時(shí)，VOdm＝2(VIN)-2(VREF)。
由此可見，該電路可以根據(jù)實(shí)際情況，如輸入信號(hào)的大小，需要得到的差分信號(hào)而進(jìn)行電阻和電壓的配置，使應(yīng)用更方便。
本實(shí)施例中采用集成電路ADA4941代替上述采樣電路，該芯片內(nèi)部電路圖如圖3所示，可見與圖2所示的電路圖一致。圖4為本實(shí)施例中利用集成電路ADA4941做采集電路的電路圖。比較圖4和圖2可知RF＝0，VG＝0，RIN＝0，RG斷開，為無(wú)窮大，那是因?yàn)樵诒倦娐分休斎胄盘?hào)不需要做任何處理，可滿足后續(xù)電路要求，由前面的公式 VOP＝VIN(1+RF/RG)-VG(RF/RG)＝VIN VON＝-VIN(1+RF/RG)+VG(RF/RG)+2(VREF)＝5-VIN 通過上式可求出VOP和VON的差分和共模信號(hào)VOdm和VOcm VOdm＝VOP-VON＝2VIN(1+RF/RG)-VG(RF/RG)-2(VREF)＝2VIN-5 VOcm＝(VOP+VON)/2＝VREF＝2.5V 在電路圖上保持這些位置的目的是為了根據(jù)不同的輸入信號(hào)，比如某些小信號(hào)，需要做放大處理時(shí)配置電阻。
C201是用于消除輸入信號(hào)的高頻干擾，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為C＝1/F；即消除100MHz左右的干擾信號(hào)；R203、R204和C202是為了穩(wěn)定差分信號(hào)。5V是工作電源，VREF_2.5是產(chǎn)生的高精度的2.5V參考電壓。傳感器的模擬輸出信號(hào)從電路板的IN引腳輸入后，通過C201交流接地后，通過1000歐姆的輸入電阻輸入到集成電路ADA4941的輸入端，在集成電路ADA4941內(nèi)處理后通過OUT+和OUT-輸出采集的信號(hào)。
本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊之間采用同步串行通信方式，具體采用SPI(Serial Peripheral Interface)接口。前數(shù)據(jù)采集模塊的OUT+和OUT-輸出差分后得到差分信號(hào)VOdm，在得到差分信號(hào)后，用專用芯片AD7767進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過SPI傳輸。該芯片特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換的結(jié)果為24位；傳輸頻率高，主頻達(dá)到1MHZ，數(shù)據(jù)傳輸頻率根據(jù)芯片不同可為32KHz、64KHz和128KHz；另外，為保證得到的是有效的24位數(shù)據(jù)，該芯片通過DRDY位的下降沿來(lái)提示一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，24位數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。
上述的SPI是一種同步串行外設(shè)接口，完成具有SPI接口的芯片之間的連接與通訊。該接口常用于信息量大，速度要求高的場(chǎng)合；異步通信則規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的字符數(shù)據(jù)傳輸格式，即每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。由于有冗余位，所以傳送效率不高，常用于信息量不大，速度較低的場(chǎng)合。本實(shí)施例由于數(shù)據(jù)量大，通信速度快，所以采用同步通信。完整的SPI接口共有4條線串行時(shí)鐘線SCK、MISO、MOSI和從機(jī)選擇線SS。采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省I/O口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。并行通信是指將待發(fā)送數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，串行通信則將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。并行通信雖然傳輸效率高，由于所需硬件設(shè)備復(fù)雜，不適于長(zhǎng)距離通信，所以一般只適用于要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，傳送速率較高的控制系統(tǒng)中，實(shí)用面較窄；相比之下，串行通信簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，傳輸距離較長(zhǎng)，所以已被廣泛應(yīng)用于各種工控系統(tǒng)中。
由于轉(zhuǎn)換的結(jié)果精確度高，達(dá)到了24bit，不可能用24根數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，占用過多的硬件資源，所以采用串行通信。
本實(shí)施例傳感器信號(hào)采集方法很簡(jiǎn)單，流程圖如圖5所示。主要包括以下步驟 A、利用采集電路采集傳感器輸出的模擬信號(hào)； B、利用單片機(jī)控制外加模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)步驟A采集的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換； C、單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)輸送到數(shù)字用戶。
權(quán)利要求1、一種高精度的傳感器信號(hào)采集儀，包括信號(hào)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊；所述的信號(hào)采集模塊的采集信號(hào)輸入端接傳感器的輸出端，其信號(hào)輸出端接所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入端；所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字輸出端接所述的單片機(jī)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入端；所述的單片機(jī)處理模塊通過通信模塊與上位機(jī)連接；其特征在于所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為外置模塊。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換位數(shù)為24位，型號(hào)為AD7767。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的信號(hào)采集模塊包括比較放大器(A1)、反向放大器(A2)、第一參考電壓模塊(VREF)、第二參考電壓模塊(VG)、偏置電阻(RG)、反饋電阻(RF)、輸入電阻(RIN)以及第二偏置電阻(R1)、第二反饋電阻(R2)和限流電阻(R3)；比較放大器(A1)的輸出端(OUT+)通過第二偏置電阻(R1)接反向放大器(A2)的反向輸入端，比較放大器(A1)的正向輸入端(IN)通過輸入電阻(RIN)接所述傳感器的模擬信號(hào)輸出端，反向輸入端(FB)通過偏置電阻(RG)接第二參考電壓模塊(VG)的正極，比較放大器(A1)的輸出端通過放大電阻(RF)與其反向輸入端(FB)相連；反向放大器(A2)的輸入端通過第二輸入電阻(R3)連接所述的第一參考電壓模塊(VREF)的正極，反向放大器(A2)的輸出端(VON-)通過第二放大電阻(R2)接其反向輸入端。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的輸入電阻(RIN)的阻值為偏置電阻(RG)和放大電阻(RF)的并聯(lián)值。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的偏置電阻(RG)和放大電阻(RF)為可調(diào)節(jié)電阻。
6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號(hào)采集儀，其特征在于第二偏置電阻(R1)、第二放大電阻(R2)和第二輸入電阻(R3)的阻值分別為1000歐姆、1000歐姆和500歐姆。
7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的第一參考電壓模塊(VREF)、第二參考電壓模塊(VG)分別為高精度的電源芯片。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的第一參考電壓模塊(VREF)的型號(hào)為2.5V的ADR421、第二參考電壓模塊(VG)為0V。
9、根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的信號(hào)采集儀，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊之間采用同步串行通信方式。
專利摘要本實(shí)用新型所充分公開的是一種高精度的傳感器信號(hào)采集儀。包括信號(hào)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和單片機(jī)處理模塊；所述的信號(hào)采集模塊的采集信號(hào)輸入端接傳感器的輸出端，其信號(hào)輸出端接所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入端，其數(shù)字輸出端接所述的單片機(jī)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入端；所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊外置模塊。由于采用了外置的A/D轉(zhuǎn)換器，可以做到比單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位多，且轉(zhuǎn)換時(shí)不用耗費(fèi)單片機(jī)的時(shí)間，因此可以獲得較高的數(shù)據(jù)采集精度和較快采集速度。
文檔編號(hào)G06F17/40GK201302717SQ20082021418
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者顧臻強(qiáng) 申請(qǐng)人:奇瑞汽車股份有限公司