[发明专利]隔离型高速数据采集卡

说明书

技术领域：

本发明基于FPGA和LAN通信技术以及数字信号隔离技术，实现了对模拟信号高速采集、数字信号的隔离、噪声和干扰信号消除并将所采集的数据快速稳定的传送到PC机的功能，属于嵌入式测量技术领域，实现具有隔离型的高速数据采集装置。适用于数据采集对象与采集设备在电气连接上需要进行隔离的高速数据采集场合。

背景技术：

数据采集卡是一种从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中采集电量或者非电量信号，送到上位机进行分析、处理的设备。高性能的信号采集系统具有造价昂贵、灵活性差的特性，使其实用范围受到限制。数据采集设备在我国研制生产的种类繁多，但与实际需求相比相差很多。对于某些场合，如在输入输出设备不是共地的情况下，不能因测试设备的接入而导致与输入量共地，改变了设备原有的工作状态，此时需要将被测对象与测试设备之间进行隔离。

发明内容：

针对目前存在的数据采集卡价格昂贵，通用性和抗干扰性差等缺点，本发明提出了一种隔离型的高速数据采集卡设计方法，以解决常规的数据采集系统中被测对象与测试设备共地连接的问题。

本发明采用如下技术方案：

隔离型高速数据采集卡，其包括有控制芯片FPGA107，系统供电电源101，DC/DC电源模块102，差分驱动电路104，增益控制电路103，ADC模数转换电路105，信号隔离电路106，网络接口电路108，电脑主机终端109；待测信号输入接口与增益控制电路103连接，增益控制电路103的输出端连接至差分驱动电路104，差分驱动电路104的输出端连接至ADC模数转换电路105，ADC模数转换电路105的输出端连接至信号隔离电路106，信号隔离电路106的输出端连接至FPGA107，FPGA107内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器，该处理器控制将数据先缓存至FIFO后经DMA传输至SDRAM，数据从SDRAM经过网络接口电路108传送至主机终端109；系统供电电源101一部分通过DC/DC电源模块102后分别给差分驱动电路104、增益控制电路103、ADC模数转换电路105、信号隔离电路106的输入级供电，一部分给信号隔离电路106的输出级和网络接口电路108供电，所选用的FPGA107型号为EP2C20F484C8。

ADC模数转换电路105芯片选用用ADC14L040芯片，14位，LQFP32封装。

增益控制电路103应用了欧姆龙继电器作为控制开关，可以控制信号按倍数衰减和放大。

供电电源101通过DC/DC电源模块102隔离后给差分驱动电路104、增益控制电路103、ADC模数转换电路105和信号隔离电路106的输入级供电。

信号隔离电路106采用了电磁隔离技术，选用ADUM1400/2芯片对时钟信号和经过AD转换的数字信号进行了电气上的隔离。

网络接口电路108选用DM9000A芯片作为网络控制芯片，使用了带网络变压器的RJ45网线接头，采集卡和主机的通信支持TCP/IP通讯协议，相互之间通过网线连接。

FPGA107作为控制芯片，可在片上进行编程，系统可根据需要进行升级和优化。

本发明中的隔离型高速数据采集卡采用FPGA作为主控芯片，搭载数字信号隔离模块，实现电气隔离，并通过网络与上位机进行数据交换，具有很好的工作稳定性。隔离型高速数据采集卡能够实现高速信号采集的网络控制，实现信号隔离，单端信号的差分驱动，被测信号增益控制等。且隔离型高速数据采集卡能够实现数据处理电路的片上编程控制，可根据实际应用需要对电路进行功能扩展、在线调试和升级，丰富了隔离型高速数据采集卡的功能，应用范围更加广阔。

附图说明

图1：本发明的隔离型高速数据采集卡的系统结构示意图；

图2：本发明的隔离型高速数据采集卡电路的电气连接关系结构示意图；

图3：本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的数字隔离电路结构示意图；

图4：本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的下位机软件流程示意图；

图5：本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的差分驱动电路结构示意图，该电路直接与AD芯片的信号输入端相连接；

图6：本发明的隔离型高速数据采集卡电路中的FPGA控制电路结构示意图；

图中：101、系统供电电源，102、DC/DC电源模块，103、增益控制电路，104、差分驱动电路，105、AD模数转换电路，106、信号隔离电路，107、FPGA，108、网络接口电路，109、主机终端。