專利名稱：基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，具體涉及高動態(tài)數(shù)值輸入范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 及其數(shù)據(jù)采集方法。
背景技術(shù)：
輸入量程的設(shè)置是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)設(shè)置之一。例如， 一個測 試分析系統(tǒng)可能需要對每一個輸入通道設(shè)置一系列不同的電壓輸入量程。輸入 范圍設(shè)置的正確與否可直接影響測量的質(zhì)量，通常以信噪比或動態(tài)范圍來描述。 由于被測信號的不確定性或無法知道其幅值范圍，用戶要設(shè)置最優(yōu)的輸入量程 往往是非常困難的。對于一個多通道及多輸入范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要把所有 通道的輸入量程設(shè)置合適，就更加困難。為了解決這一問題，許多測量儀器設(shè) 計了一種稱為"自動量程"的功能。"自動量程"技術(shù)實(shí)際上是在實(shí)際測量開始 之前，通過一些預(yù)測量比較來設(shè)置最優(yōu)量程。自動量程技術(shù)只對穩(wěn)態(tài)信號或周 期信號有效，因?yàn)檫@些信號的幅值變化要么不會太大，要么是有規(guī)律的。但對 于非穩(wěn)態(tài)信號如瞬態(tài)電子信號，自動量程技術(shù)無法適用，因?yàn)槊恳粋€電子脈沖 其幅值可能差異極大。同樣對于一個需要長時間測量，并且幅值變化范圍極大 的信號，自動量程技術(shù)也不適用，因?yàn)闇y量過程中是不允許改變量程設(shè)置，及 放大器放大倍數(shù)的。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種可以自動調(diào)整最佳 測量量程，且測量結(jié)果更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)，包括測量通道、連接在測量通道上的至少兩個測量路徑和與個路徑相 連的測量數(shù)據(jù)控制單元測量通道，用于接收輸入信號；每個測量路徑包含一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個設(shè)置有不同與其他路徑放大系數(shù)的放大器，每個測量
路徑具有大小不同的測量量程；測量數(shù)據(jù)控制單元包括輸入緩存器、輸出緩存 器以及由數(shù)字邏輯電路和數(shù)字信號處理器組成的交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊。
本發(fā)明一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量通道后面 還可設(shè)置一個校準(zhǔn)和正常工作狀態(tài)切換電路和標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路，與測量數(shù)據(jù) 控制單元相連；標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生基準(zhǔn)信號。
本發(fā)明一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各測量路徑上 還可設(shè)置有單一時鐘源，用于控制所有路徑的工作時序，以減少信號測量在時 間上的抖動問題。
一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，第一 步， 一個基準(zhǔn)信號輸入該系統(tǒng)，該基準(zhǔn)信號屬于各路徑中的最小測量量程范圍 內(nèi)；基準(zhǔn)信號經(jīng)過各測量路徑后，分別將得到的各路徑測量值輸入測量數(shù)據(jù)控 制單元內(nèi)的交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊經(jīng)運(yùn)算后得到校準(zhǔn)參數(shù)，校準(zhǔn)參數(shù)保存在測量數(shù) 據(jù)控制單元內(nèi)；第二步，輸入欲測量的未知信號，進(jìn)入測量數(shù)據(jù)控制單元內(nèi)， 運(yùn)用第一步所得的校準(zhǔn)參數(shù)在交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊內(nèi)運(yùn)算后得到測量數(shù)據(jù)流，經(jīng) 過測量數(shù)據(jù)控制單元進(jìn)一步融合后生成最終結(jié)果。
一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法中，在 測量值不飽和的情況下，使用來自于小量程路徑的測量值對來自于大量程路徑 的相關(guān)的測量值進(jìn)行修正校準(zhǔn)。
一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法中的第 一步中的基準(zhǔn)信號可以是外部輸入的一個已知信號。
一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法的第一 步中的基準(zhǔn)信號還可以是由標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號。
一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法中，其 最終校準(zhǔn)過的測量輸出數(shù)據(jù)流從至少兩個路徑產(chǎn)生；生成時，系統(tǒng)從多個路徑 的測量點(diǎn)中選取測量值，選擇原則為當(dāng)測量值處于小量程路徑的量程范圍內(nèi)
時，選取小量程路徑輸出的數(shù)字量，當(dāng)小量程路徑的測量值飽和時，選取經(jīng)過 校準(zhǔn)的大量程路徑輸出的數(shù)字量。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)1、通過應(yīng)用本系統(tǒng)，可以減少甚至取消那些從一系列 輸入量程中進(jìn)行選擇的自動或人工的方法。也就是說，本發(fā)明可以顯著地減少 或完全取消測量系統(tǒng)量程設(shè)置操作。2、本發(fā)明采用了一種特殊的交叉路徑校準(zhǔn) 技術(shù)來解決校準(zhǔn)問題。交叉路徑校準(zhǔn)技術(shù)不需要去除或減少測量路徑的絕對測 量誤差。相反這一校準(zhǔn)技術(shù)的設(shè)計是用來匹配不同路徑間的誤差，使得這些路 徑的測量結(jié)果盡可能的接近。這樣使得在"融合"過程中，信號值從一個區(qū)間 向另一個區(qū)間過渡時能夠非常的光滑，在測量中能夠產(chǎn)生連續(xù)的動態(tài)的時間序 列而不僅僅是某個讀值。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是圖1中數(shù)據(jù)控制單元的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是圖1中測量路徑的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5按本發(fā)明實(shí)施例3測量路徑的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖進(jìn)行具體的說明。
實(shí)施例1:如圖1所示，本發(fā)明包括測量通道、連接在測量通道上的兩個測 量路徑和與各路徑相連的測量數(shù)據(jù)控制單元。兩個測量路徑分別設(shè)為路徑A和 路徑B，設(shè)路徑A的測量量程為10V,路徑B的測量量程為0. IV，如圖3所示。 每個路徑包含一個模擬放大器和模擬數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器。其中每個路徑中的模擬 放大器的放大倍數(shù)不同，如圖，A路徑放大系數(shù)較小，設(shè)為K4，B路徑放大系數(shù) 較大，設(shè)為K=1024。除放大器外，還可以根據(jù)實(shí)際測量需要，為一個或多個路 徑選擇衰減器，即放大倍率小于1.0的。測量數(shù)據(jù)控制單元包括輸入緩存器、 輸出緩存器以及由FPGA現(xiàn)場可編程陣列數(shù)字邏輯電路和DSP數(shù)字信號處理器組 成的交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊，如圖2所示。交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊中的數(shù)字邏輯電路還 可以是CPLD或ASIC。用戶接口與測量數(shù)據(jù)控制單元相連。各測量路徑上還設(shè)置 有單一時鐘源，用于控制所有路徑的工作時序，以減少信號測量在時間上的抖 動問題。
實(shí)施例2:如圖4所示，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上還包括設(shè)置在測量通道后面的 一個校準(zhǔn)和正常工作狀態(tài)切換電路和標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路。兩者與測量數(shù)據(jù)控制 單元相連，標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生基準(zhǔn)信號。
實(shí)施例3:在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，還可以將測量路徑設(shè)置成多于兩個的設(shè)置 有不同放大系數(shù)的更多路徑的測量系統(tǒng)。其測量路徑的結(jié)構(gòu)見圖5。
在實(shí)際測量時，例如，我們選用一個動態(tài)電壓值來測量，當(dāng)利用實(shí)施例1 的系統(tǒng)來測量時，先將一個已知的基準(zhǔn)電壓輸入測量通道，該已知的基準(zhǔn)電壓 處于小量程路徑B的測量范圍，故路徑B產(chǎn)生的測量值，若設(shè)為一系列的動態(tài) 值YB，則可以認(rèn)為測量值YB是真實(shí)值的"最佳估值"。該一系列的測量值經(jīng)過 交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊運(yùn)算，就可以得出校準(zhǔn)參數(shù)，若設(shè)為ka和Ba。其具體算法如 下當(dāng)給定一系列測量值Yb和Ya時，如何估計系數(shù)Ka和Ba Ysi = fe氺Yb +Ba
理論上，只要給定兩組已知測量值，就可以求出Ka和Ba。只要確定了 Ka和Ba， 就可以說路徑A通過路徑B進(jìn)行了校準(zhǔn)。設(shè)兩組已知測量值為Yal， Ya2， Ybl，
Yb2，則Ka和Ba如下求解
Yal = Ka氺Ybl +Ba
Ya2 = fe氺Yb2 +Ba 可導(dǎo)出
Ka = (Yal - Ya2)/(Ybl - Yb2)
Ba ^ Yal - Ybl*(Yal - Ya2)/(Ybl - Yb2)
一旦求得了 Ka和Ba，則可利用他們回求測量值，這將使測量值非常接近真實(shí)
值。這一計算如下式
校準(zhǔn)值(Yb): (Ya - Ba)/Ka (1)
完成這一計算后，稱路徑A的數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過了交叉路徑校準(zhǔn)。這時再輸入想要測 量的未知信號，就可以得到準(zhǔn)確的測量值。
利用實(shí)施例2所示的系統(tǒng)進(jìn)行測量時，用戶對測量數(shù)據(jù)控制單元輸入一個 校準(zhǔn)請求，測量數(shù)據(jù)控制單元控制標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號源輸 出X。例如基準(zhǔn)信號類型為周期信號正弦和三角波。同時又控制標(biāo)準(zhǔn)和正常工作 狀態(tài)切換電路把各測量路徑與標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路接通，而斷開與外輸入的連接。 然后測量數(shù)據(jù)控制單元啟動路徑A和路徑B進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，對每種波形采 樣幾百點(diǎn)，供校準(zhǔn)計算。路徑A， B的采樣結(jié)果輸入到圖2的測量數(shù)據(jù)控制單元 的輸入緩沖器，交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊從緩沖器取得路徑A， B的采樣結(jié)果后，采用 最小二乘法，求取最佳的Ka和Ba。
完成根據(jù)以上原理進(jìn)行的校準(zhǔn)過程后，圖1測量數(shù)據(jù)控制單元控制標(biāo)準(zhǔn)和 正常狀態(tài)切換電路把個測量路徑電路與標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路斷開，而接通外輸入，
即系統(tǒng)切換到正常測量模式下，并完成以下運(yùn)算功能圖3中輸入信號Xi經(jīng)過路徑A和B進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后后變成相位相同、 幅值不等的兩個信號Xia、 Xib進(jìn)入測量數(shù)據(jù)控制單元，在測量數(shù)據(jù)控制單元內(nèi) 部做如下的計算其中
K: A，B路徑的量程比值；
offset : A，B路徑的偏移；
gain—error (A， B路徑的增益誤差)
(Xia - offset—a ) 氺 gain—error 二 output—a (2) (由K = (Xia - offset—a ) / (Xib - offset—b)) (Xib 一 offset—b) 氺 K 氺 gain—error 二 output一b (3) 這樣就把路徑B匹配到路徑A上了，然后通道判斷output—b的大小，當(dāng) 其值大于路徑B的量程時對應(yīng)的數(shù)字量就切換到路徑A ，那么測量通道的輸出 由式(l)可得:
最終校準(zhǔn)值 =(output—a - Ba)/ Ka ，
當(dāng)其值小于路徑B的量程對應(yīng)的輸出值就切換到路徑B，測量通道輸出 最終校準(zhǔn)值=output—b 。
權(quán)利要求
1、一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于包括測量通道、連接在測量通道上的至少兩個測量路徑和與個路徑相連的測量數(shù)據(jù)控制單元測量通道，用于接收輸入信號；每個測量路徑包含一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個設(shè)置有不同與其他路徑放大系數(shù)的放大器，每個測量路徑具有大小不同的測量量程；測量數(shù)據(jù)控制單元包括輸入緩存器、輸出緩存器以及由數(shù)字邏輯電路和數(shù)字信號處理器組成的交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)，其特征在于測量通道后面還可設(shè)置一個校準(zhǔn)和正常工作狀 態(tài)切換電路和標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路，與測量數(shù)據(jù)控制單元相連；標(biāo)準(zhǔn)信 號產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生基準(zhǔn)信號。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于各測量路徑上還可設(shè)置有單一時鐘源，用于控制所有路徑的工作時序，以減少信號測量在時間上的抖動問題。
4、 一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于第一步， 一個基準(zhǔn)信號輸入該系統(tǒng)，該基準(zhǔn)信號屬于各路徑中的最小測量量程范圍內(nèi)；基準(zhǔn)信號經(jīng)過各測量路徑后，分別將得到的各路徑測量值輸入測量數(shù)據(jù)控制單元內(nèi)的交叉校準(zhǔn) 運(yùn)算模塊經(jīng)運(yùn)算后得到校準(zhǔn)參數(shù)，校準(zhǔn)參數(shù)保存在測量數(shù)據(jù)控制單元內(nèi)；第二步，輸入欲測量的未知信號，進(jìn)入測量數(shù)據(jù)控制單元內(nèi)，運(yùn) 用第一步所得的校準(zhǔn)參數(shù)在交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊內(nèi)運(yùn)算后得到測量數(shù) 據(jù)流，經(jīng)過測量數(shù)據(jù)控制單元進(jìn)一步融合后生成最終結(jié)果。
5、 如權(quán)利要求4所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于在測量值不飽和的情況下，使用來自于小量程路徑的測量值對來自于大量程路徑的相關(guān)的測量值 進(jìn)行修正校準(zhǔn)。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于第一步中的基準(zhǔn)信號可以 是外部輸入的一個已知信號。
7、 如權(quán)利要求4或5所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于第一步中的基準(zhǔn)信號可以 是由標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號。
8、 如權(quán)利要求4或5所述的基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于最終校準(zhǔn)過的測量輸出數(shù) 據(jù)流從至少兩個路徑產(chǎn)生；生成時，系統(tǒng)從多個路徑的測量點(diǎn)中選取測量值，選擇原則為當(dāng)測量值處于小量程路徑的量程范圍內(nèi)時，選取小量程路徑輸出的數(shù)字量，當(dāng)小量程路徑的測量值飽和時，選取經(jīng) 過校準(zhǔn)的大量程路徑輸出的數(shù)字量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多個數(shù)字路徑和交叉校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法。本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括測量通道、連接在測量通道上的至少兩個測量路徑和與個路徑相連的測量數(shù)據(jù)控制單元測量通道，用于接收輸入信號；每個測量路徑包含一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個設(shè)置有不同與其他路徑放大系數(shù)的放大器，每個測量路徑具有大小不同的測量量程；測量數(shù)據(jù)控制單元包括輸入緩存器、輸出緩存器以及由數(shù)字邏輯電路和數(shù)字信號處理器組成的交叉校準(zhǔn)運(yùn)算模塊。本發(fā)明具有自動調(diào)整最佳測量量程，且測量結(jié)果更加準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G08C19/00GK101188058SQ20071015639
公開日2008年5月28日 申請日期2007年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者宏 潘, 諸葛起 申請人:杭州銳達(dá)數(shù)字技術(shù)有限公司