一种动态信号嵌入式采集仪论文和设计-徐驰

全文摘要

本实用新型提供了一种动态信号嵌入式采集仪，由嵌入式采集仪和上位机组成，所述上位机通过以太网连接一个或多个嵌入式采集仪；嵌入式采集仪包括NI集成式控制器和机箱，机箱中设有8个插入位移传感器卡或加速度计\/麦克风传感器卡的卡槽，所述嵌入式采集仪通过上位机控制进行配置、调试与测试，或在上位机上配置采集任务后自动完成数据采集记录工作；所述上位机上设有操作模块和显示模块，嵌入式采集仪上设有采集模块、保存模块、传输模块和处理模块。本实用新型稳定性好，同步精度高，可通过以太网组网自行增加从属嵌入式采集仪，增加了测试容量；而且是多通道联合触发控制数据记录，准确度高。

设计方案

1.一种动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，由嵌入式采集仪和上位机组成，所述上位机通过以太网连接一个或多个嵌入式采集仪；所述嵌入式采集仪包括NI集成式控制器和机箱，所述机箱中设有8个卡槽，所述卡槽中插入位移传感器卡或加速度计\/麦克风传感器卡，所述位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡均设有4路通道；所述嵌入式采集仪包括第一嵌入式采集仪和第二嵌入式采集仪；所述第一嵌入式采集仪的8个卡槽中同时插有位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡；所述第二嵌入式采集仪的8个卡槽中只插有加速度计\/麦克风传感器卡；所述上位机通过以太网组网连接多个嵌入式采集仪，并在上位机上设置主从关系，所述主从嵌入式采集仪的卡槽中均插入同步卡实现采集数据同步；所述嵌入式采集仪通过上位机控制进行配置、调试与测试，或在上位机上配置采集任务后，自动完成数据采集记录工作；所述上位机上设有操作模块和显示模块，所述嵌入式采集仪上设有采集模块、保存模块、传输模块和处理模块。

2.根据权利要求1所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述操作模块用于设置采集任务的参数，所述参数包括测点的位置信息、测点编号、测量信号类型、传感器信息、测量通道、量程、频率范围、采样频率、参与触发的通道、触发条件、数据记录时段；所述显示模块用于查看和处理数据。

3.根据权利要求2所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述数据记录时段的设置包括日期、开始时间、结束时间，并支持多时段设置和分时段数据记录设置，所述分时段数据记录为：当系统时间在设置的记录时段内时，系统进入测试状态，开始记录数据，在其它时段，系统处于待机状态，不记录数据。

4.根据权利要求3所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，当系统进入测试状态时，通过比较触发条件与背景噪声的量级而确定数据记录的开始与停止，设置当前信号的量级超过背景噪声的n倍时开始记录数据，且包括记录触发前数秒的数据；设置当前信号的量级与背景噪声相当时，延迟2秒停止记录数据。

5.根据权利要求4所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述采集模块接收到操作模块设置的采集任务参数后，开始数据采集，当参与触发的通道中的几个通道的信号同时达到触发条件时，系统开始记录数据；

--所述保存模块设置在嵌入式采集仪内置的Flash上，自动记录保存测试数据，以及此次测试的日期、时间、序号和采集任务配置信息；

--所述处理模块用于将保存的工况测试数据自动进行实时分析，分析完成后自动保存分析结果，并将分析结果回放与导出；

--所述传输模块包含对测试数据和分析结果进行回放与导出的工具，将测试数据和分析结果从嵌入式采集仪传输到上位机中。

6.根据权利要求1所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述嵌入式采集仪连接上位机工作时，通过上位机上显示界面的按钮控制嵌入式采集仪采集工作的启停；所述嵌入式采集仪独立工作时，通过拨动嵌入式采集仪上的控制器开关控制嵌入式采集仪采集工作的启停。

7.根据权利要求6所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述采集工作的启停还支持阈值触发，包括单通道电平触发和多通道联合判断触发。

8.根据权利要求1所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述同步卡中设有锁相环和重采样对采样数据进行同步时钟处理，在FPGA芯片上实现数据对齐。

9.根据权利要求1所述的动态信号嵌入式采集仪，其特征在于，所述上位机单独连接第一嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有3块位移传感器卡和5块加速度计\/麦克风传感器卡；所述上位机单独连接第二嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有8块加速度计\/麦克风传感器卡；所述上位机和三台嵌入式采集仪通过以太网组网连接时，主嵌入式采集仪的8个卡槽中设有6块加速度计\/麦克风传感器卡，1块位移传感器卡和1块同步卡，第一从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块加速度计\/麦克风传感器卡和1块同步卡，第二从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块加速度计\/麦克风传感器卡和1块同步卡。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及振动信号监测技术领域，具体地，涉及一种动态信号嵌入式采集仪。

背景技术

近年来，由于我国城市化进程发展迅速，城市轨道交通正逐渐成为人们市区出行的主要方式。在享受其快捷、舒适、运量大、污染少等一系列优点的同时，因地地铁振动引起的一系列问题亦不容忽视，如过大的振动加速度会造成轨道部件，尤其是钢轨和道床的提前损伤，甚至破坏；过大的振动会影响贴近地铁隧道或直接建在地铁隧道上面的建筑物的使用，轻微的会出现墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝，严重则导致基础变形或下沉；振动可能使隧道周围的软弱地层(如饱和砂土或粉土)产生液化，严重的地方可能威胁到地铁列车的运行安全，乃至人们的生命安全；因此对于地铁的振动必须进行监测，并控制在一个合适的范围内。

振动测量系统，利用传感器将物体振动的物理信号转化成数字信号或者模拟信号，由控制系统对转化过的信号进行处理，再根据需要实现一系列的动作。

目前，振动测量系统主要采用电学类加速度传感器，这类传感器虽具有动态范围大和工作频带宽等优点，但在地铁振动监测领域具有一定的局限性，如信号传输距离短，组网能力差，无法实现长距离的传感监测网络；长期稳定性差，无法实现长期在线或无线监测。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种动态信号嵌入式采集仪。本实用新型在上位机上配置采集任务后，可自动完成数据采集和记录保存工作，且数据可进行本地储存，再导出至上位机，可实现长期在线或无线的长距离监测；同时本实用新型可根据需要通过以太网组网自行增加从属嵌入式采集仪，增加了测试容量，可采集更多数据，能自由灵活组合，模块化设计丰富了采集功能；而且是多通道联合触发控制数据记录，误差小，采集数据准确度高，稳定性好；还实现了高同步精度，在跨机箱的嵌入式采集仪中也能保证高精度数据采集。

根据本实用新型的一个方面，提供一种动态信号嵌入式采集仪，由嵌入式采集仪和上位机组成，所述上位机通过以太网连接一个或多个嵌入式采集仪；所述嵌入式采集仪包括NI集成式控制器和机箱，所述机箱中设有8个卡槽，所述卡槽中插入位移传感器卡或加速度计\/麦克风传感器卡，所述位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡均设有4路通道；所述嵌入式采集仪包括第一嵌入式采集仪和第二嵌入式采集仪；所述第一嵌入式采集仪的8个卡槽中同时插有位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡；所述第二嵌入式采集仪的8个卡槽中只插有加速度计\/麦克风传感器卡；所述上位机通过以太网组网连接多个嵌入式采集仪，并在上位机上设置主从关系，所述主从嵌入式采集仪的卡槽中均插入同步卡实现采集数据同步；所述嵌入式采集仪通过上位机控制进行配置、调试与测试，或在上位机上配置采集任务后，自动完成数据采集记录工作；所述上位机上设有操作模块和显示模块，所述嵌入式采集仪上设有采集模块、保存模块、传输模块和处理模块。

优选的，所述操作模块用于设置采集任务的参数，所述参数包括测点的位置信息、测点编号、测量信号类型(加速度\/变形\/噪声)、传感器信息、测量通道、量程、频率范围、采样频率、参与触发的通道、触发条件、数据记录时段；所述显示模块用于查看和处理数据，可以查看的波形路数和流畅程度由硬件性能制约，包括采样率、采样通道数和计算机性能等因素。

优选的，所述数据记录时段的设置包括日期、开始时间、结束时间，并支持多时段设置和分时段数据记录设置，所述分时段数据记录为：当系统时间在设置的记录时段内时，系统进入测试状态，开始记录数据，在其它时段，系统处于待机状态，不记录数据。

优选的，当系统进入测试状态时，通过比较触发条件与背景噪声的量级而确定数据记录的开始与停止，设置当前信号的量级超过背景噪声的n倍时开始记录数据，且包括记录触发前数秒的数据，即数据记录具有预触发功能；设置当前信号的量级与背景噪声相当时，延迟2秒停止记录数据；触发条件由用户在配置界面上进行设定。

优选的，所述采集模块接收到操作模块设置的采集任务参数后，开始数据采集，当参与触发的通道中的几个通道的信号同时达到触发条件时，系统开始记录数据；例如，从所有20个测量通道中选择4个通道参与触发，当这4个通道中的任意3个通道的信号同时达到触发条件时，系统开始记录数据，允许用户在所有测量通道中选择若干个通道参与触发；

--所述保存模块设置在嵌入式采集仪内置的Flash上，自动记录保存测试数据，以及此次测试的日期、时间、序号和采集任务配置信息；测试系统每自动记录完一组数据，保存完毕后，将此次记录的日期、时间、序号等相关信息保存于软件界面中(或者EXCEL表格等文件形式)，以供测试人员在检查数据的有效性之前提前了解记录的数据与之前设置的时间段是否符合；

--所述处理模块用于将保存的工况测试数据自动进行实时分析，分析完成后自动保存分析结果，并将分析结果回放与导出；即系统具备实时分析功能，所谓实时分析是：测量工况的数据分析是在该工况时域数据保存完毕后自动开始，完成后自动保存分析结果，并具有分析结果回放与导出功能，数据分析暂时仅开发频谱分析(线谱)和1\/3倍频程谱分析功能；

--所述传输模块包含对测试数据和分析结果进行回放与导出的工具，将测试数据和分析结果从嵌入式采集仪传输到上位机中；由于试验数据是在无人值守的情况下由系统自动记录的，因而为了验证试验数据的有效性，需在试验现场对记录的信号进行检查，测试人员能实时回放检查测试数据的有效性，以及将测试数据和分析结果导出至上位机。

优选的，所述嵌入式采集仪连接上位机工作时，通过上位机上显示界面的按钮控制嵌入式采集仪采集工作的启停；所述嵌入式采集仪独立工作时，通过拨动嵌入式采集仪上的控制器开关控制嵌入式采集仪采集工作的启停。

优选的，所述采集工作的启停还支持阈值触发，包括单通道电平触发和多通道联合判断触发。

优选的，所述同步卡中设有锁相环和重采样对采样数据进行同步时钟处理，在FPGA芯片上实现数据对齐。时钟以主嵌入式采集仪为标准，主嵌入式采集仪承担时钟源功能。由于使用了一样的嵌入式采集仪硬件，因此同步系统的AD性能、工作环境指标、隧道检测系统、便携系统都一样。在使用同步卡同步多机箱时，同步卡的内部晶振会取代位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡的内部晶振，由于晶振的指标一样，因此级联机箱中的模块能够保证和独立使用一样的同步性能。

优选的，所述上位机单独连接第一嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有3块位移传感器卡(共12路通道)和5块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共20路通道)；所述上位机单独连接第二嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有8块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共32路通道)；所述上位机和三台嵌入式采集仪通过以太网组网连接时，主嵌入式采集仪的8个卡槽中设有6块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共24路通道)，1块位移传感器卡(共4路通道)和1块同步卡，第一从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共28路通道)和1块同步卡，第二从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共28路通道)和1块同步卡。使用普通网线在上位机设置嵌入式采集仪的主从关系，用户在上位机上配置三台嵌入式采集仪的采集任务，通过人机交互控制嵌入式采集仪开始\/停止采集，实时查看数据的波形，采集时数据存储在嵌入式采集仪的Flash上，测试完毕后取回数据，上位机可以回放\/导出波形。采集系统可以设置为1个主嵌入式采集仪、1个主嵌入式采集仪和一个从嵌入式采集仪、或1个主嵌入式采集仪和2个从嵌入式采集仪等多种组网连接形式，主嵌入式采集仪和从嵌入式采集仪可以是第一嵌入式采集仪或第二嵌入式采集仪。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种动态信号嵌入式采集仪的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，将上位机与嵌入式采集仪连接，在上位机的操作模块中设置采集任务的参数，且进行调试；

步骤二，将配置好的采集任务的参数信息传输给嵌入式采集仪，确保嵌入式采集仪进入自动运行模式，再断开与上位机的连接；

步骤三，嵌入式采集仪根据采集任务的参数配置自动完成试验测试，开始数据采集，并自动记录保存测试数据；

步骤四，设定的测试时间结束后，将嵌入式采集仪与上位机连接，回放检查试验数据，并下载导出至上位机；

步骤五，若数据完整有效，则拆除测试系统，完成采集任务；反之，重新调整配置采集任务的参数，重复步骤一至步骤四的操作。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

(1)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，可根据需要通过以太网组网自行增加从属嵌入式采集仪，增加了测试容量，可采集更多数据，能自由灵活组合，模块化设计丰富了采集功能；

(2)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，同步精度高，可达纳米级同步，各通道相位差小于1微秒，同步采样信号偏差小，尤其是在跨机箱的嵌入式采集仪中也能保证高精度数据采集；

(3)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，多通道联合触发控制数据记录，根据历史记录数据分析处理，结合各采集通道的分配系数，进行联合判决确定数据记录的开始与停止，误差小，采集数据准确度高；

(4)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，分时段记录，避免了嵌入式采集仪长时间持续处于数据记录状态，保证了存储空间的有效利用，以及存储有效的数据，数据存储容量为30GB；

(5)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，支持IEPE传感器、抗混叠滤波和交\/直流耦合等，最高采样率达51.2kS\/s，最低采样率为1.652kS\/s；

(6)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，系统结构简单，设计巧妙，效果显著；

(7)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，在上位机上配置采集任务后，可自动完成数据采集和记录保存工作，且数据可进行本地储存，再导出至上位机，可实现长期在线或无线的长距离监测；

(8)本实用新型涉及的动态信号嵌入式采集仪，运行安全可靠，稳定性好，应用范围广，可用于高速采集加速度、声音、应变和力等，适合大范围推广应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为动态信号嵌入式采集仪的模块示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

实施例

本实施例涉及一种动态信号嵌入式采集仪，其模块示意图如附图1所示：由嵌入式采集仪和上位机组成，所述上位机通过以太网连接一个或多个嵌入式采集仪；所述嵌入式采集仪包括NI集成式控制器和机箱，所述机箱中设有8个卡槽，所述卡槽中插入位移传感器卡或加速度计\/麦克风传感器卡，所述位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡均设有4路通道；所述嵌入式采集仪包括第一嵌入式采集仪和第二嵌入式采集仪；所述第一嵌入式采集仪的8个卡槽中同时插有位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡；所述第二嵌入式采集仪的8个卡槽中只插有加速度计\/麦克风传感器卡；所述上位机通过以太网组网连接多个嵌入式采集仪，并在上位机上设置主从关系，所述主从嵌入式采集仪的卡槽中均插入同步卡实现采集数据同步；所述嵌入式采集仪通过上位机控制进行配置、调试与测试，或在上位机上配置采集任务后，自动完成数据采集记录工作；所述上位机上设有操作模块和显示模块，所述嵌入式采集仪上设有采集模块、保存模块、传输模块和处理模块。

进一步的，所述操作模块用于设置采集任务的参数，所述参数包括测点的位置信息、测点编号、测量信号类型(加速度\/变形\/噪声)、传感器信息、测量通道、量程、频率范围、采样频率、参与触发的通道、触发条件、数据记录时段；所述显示模块用于查看和处理数据，可以查看的波形路数和流畅程度由硬件性能制约，包括采样率、采样通道数和计算机性能等因素。

进一步的，所述数据记录时段的设置包括日期、开始时间、结束时间，并支持多时段设置和分时段数据记录设置，所述分时段数据记录为：当系统时间在设置的记录时段内时，系统进入测试状态，开始记录数据，在其它时段，系统处于待机状态，不记录数据。

进一步的，当系统进入测试状态时，通过比较触发条件与背景噪声的量级而确定数据记录的开始与停止，设置当前信号的量级超过背景噪声的n倍时开始记录数据，且包括记录触发前数秒的数据，即数据记录具有预触发功能；设置当前信号的量级与背景噪声相当时，延迟2秒停止记录数据；触发条件由用户在配置界面上进行设定。

进一步的，所述采集模块接收到操作模块设置的采集任务参数后，开始数据采集，当参与触发的通道中的几个通道的信号同时达到触发条件时，系统开始记录数据；例如，从所有20个测量通道中选择4个通道参与触发，当这4个通道中的任意3个通道的信号同时达到触发条件时，系统开始记录数据，允许用户在所有测量通道中选择若干个通道参与触发；

进一步的，所述嵌入式采集仪连接上位机工作时，通过上位机上显示界面的按钮控制嵌入式采集仪采集工作的启停；所述嵌入式采集仪独立工作时，通过拨动嵌入式采集仪上的控制器开关控制嵌入式采集仪采集工作的启停。

进一步的，所述采集工作的启停还支持阈值触发，包括单通道电平触发和多通道联合判断触发。

进一步的，所述同步卡中设有锁相环和重采样对采样数据进行同步时钟处理，在FPGA芯片上实现数据对齐。时钟以主嵌入式采集仪为标准，主嵌入式采集仪承担时钟源功能。由于使用了一样的嵌入式采集仪硬件，因此同步系统的AD性能、工作环境指标、隧道检测系统、便携系统都一样。在使用同步卡同步多机箱时，同步卡的内部晶振会取代位移传感器卡和加速度计\/麦克风传感器卡的内部晶振，由于晶振的指标一样，因此级联机箱中的模块能够保证和独立使用一样的同步性能。

进一步的，所述上位机单独连接第一嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有3块位移传感器卡(共12路通道)和5块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共20路通道)；所述上位机单独连接第二嵌入式采集仪时，其8个卡槽中设有8块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共32路通道)；所述上位机和三台嵌入式采集仪通过以太网组网连接时，主嵌入式采集仪的8个卡槽中设有6块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共24路通道)，1块位移传感器卡(共4路通道)和1块同步卡，第一从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共28路通道)和1块同步卡，第二从嵌入式采集仪的8个卡槽中设有7块IEPE的加速度计\/麦克风传感器卡(共28路通道)和1块同步卡。使用普通网线在上位机设置嵌入式采集仪的主从关系，用户在上位机上配置三台嵌入式采集仪的采集任务，通过人机交互控制嵌入式采集仪开始\/停止采集，实时查看数据的波形，采集时数据存储在嵌入式采集仪的Flash上，测试完毕后取回数据，上位机可以回放\/导出波形。采集系统可以设置为1个主嵌入式采集仪、1个主嵌入式采集仪和一个从嵌入式采集仪、或1个主嵌入式采集仪和2个从嵌入式采集仪等多种组网连接形式，主嵌入式采集仪和从嵌入式采集仪可以是第一嵌入式采集仪或第二嵌入式采集仪。

为实现上述目的，本实施例还提供了一种动态信号嵌入式采集仪的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，将上位机与嵌入式采集仪连接，在上位机的操作模块中设置采集任务的参数，且进行调试；

步骤二，将配置好的采集任务的参数信息传输给嵌入式采集仪，确保嵌入式采集仪进入自动运行模式，再断开与上位机的连接；

步骤三，嵌入式采集仪根据采集任务的参数配置自动完成试验测试，开始数据采集，并自动记录保存测试数据；

步骤四，设定的测试时间结束后，将嵌入式采集仪与上位机连接，回放检查试验数据，并下载导出至上位机；

步骤五，若数据完整有效，则拆除测试系统，完成采集任务；反之，重新调整配置采集任务的参数，重复步骤一至步骤四的操作。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

设计图

一种动态信号嵌入式采集仪论文和设计

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设计方案

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