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专利名称：振弦式数据采集系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器采集装置，尤其是涉及一种振弦式数据采集系统及方法。
背景技术：
随着各种道路、桥梁、水利等各种工程建设的不断发展，工程安全的引起了人们越来越多的关注和重视，而安全监测与预警无疑在其中有着举足轻重的地位，传统的数据采集装置所采用的激振方式一般为高压拨弦激振和低压扫频激振两种方式，但这两种拨弦激振方式都有很大的局限性。高压拨弦激振方式具有传感器钢弦振动持续时间短，信号不易拾取，测量精度差，且易使传感器钢弦老化而使传感器失效的缺点。而低压扫频激振方式虽然保护了钢弦，但其一般都是由频率下限扫到频率上限的连续脉冲去激振，因而激振周期和测试周期都比较长。

发明内容
本发明的目的是提供一种采用低压寻频激振方式的振弦式数据采集器，即采集器施加接近振弦式传感器的低压频率到传感器上，从而使传感器刚弦产生振荡；
本发明的另一目的是提供一种采用低压寻频激振方式的振弦式数据采集方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种振弦式数据采集系统，包括振弦式传感器、 通道选择电路、激振电路、拾振电路、电源管理电路和处理器，所述振弦式传感器将振荡信号发送给所述通道选择电路，所述通道选择电路将振弦式传感器的振荡信号传递给拾振电路，所述激振电路产生脉冲信号通过通道选择电路激振振弦式传感器的钢弦，所述拾振电路对振荡频率值进行放大整形处理，所述处理器产生初试激振频率控制字，所述处理器接收并计算输出频率值，所述振弦式数据采集系统还包括FPGA(Field — Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)电路，处理器产生并发送初试激振频率控制字给FPGA电路，FPGA 电路将该初试激振频率控制字转换成其对应的数字离散信号，所述FPGA电路产生的数字离散信号经过激振电路转换成正弦模拟信号后通过所述激振电路的滤波器回到所述FPGA 电路，所述FPGA电路对该正弦模拟信号整形后控制所述激振电路产生脉冲信号；所述FPGA 电路采样拾振电路的输出频率值并传递给处理器。所述振弦式数据采集器还包括电阻型温度传感器，所述电阻型温度传感器用于监测振弦式传感器的温度，所述振弦式传感器传送信号给电阻型温度传感器，所述电阻型温度传感器将差分信号传送给通道选择电路，能够有效的监测振弦式传感器的告警。所述振弦式数据采集器在所述通道选择电路与FPGA电路之间设置有电阻-频率转换电路，所述通道选择电路将电阻型温度传感器发出的差分信号传送给电阻一频率转换电路，所述电阻一频率转换电路将产生的波形送入FPGA电路，所述FPGA电路产生该波形的输出频率值并将输出频率值送入处理器。所述振弦式数据采集器还包括内置温度传感电路，还包括内置温度传感电路，所述内置温度传感电路用于监测所述振弦式数据采集器的温度，并将监测数据传送给处理器，能够有效的监测本\发明自身的告警。所述振弦式数据采集器还包括电源电压告警电路，当设备的电源电压低于预设值时，所述电源电压告警电路发送电平信号给处理器，能够有效的监测本发明自身的告警。所述振弦式数据采集器在振弦式传感器与通道选择电路之间设置有防雷保护电路，所述防雷保护电路主要由放电管、压敏电阻和防瞬态电压抑制器组成，所述防雷保护电路用于保护所述振弦式数据采集器不被雷电击坏，使得本发明更加安全。本发明还提供一种基于振弦式数据采集系统的数据采集方法，所述激振电路产生脉冲信号激振振弦式传感器的刚弦，振弦式传感器产生的振荡信号通过所述通道选择电路传送到拾振电路，处理器读出频率值，还包括以下步骤
Al、所述处理器产生初试频率控制字并发送给FPGA电路；
A2、所述FPGA电路把初试频率控制字转换成该初试频率控制字所对应的数字离散信
号；
A3、所述激振电路将FPGA电路产生的数字离散信号转换成正弦模拟信号； A4、所述激振电路对正弦模拟信号进行滤波处理后发送给FPGA电路； A5、所述FPGA电路对滤波后的正弦模拟信号进行整形，然后发送给激振电路； A6、所述拾振电路将该振荡信号进行放大、整形后传送给FPGA电路； A7、所述FPGA电路发送输出频率值给处理器；
A8、根据处理器读出的频率值，处理器生成相应的频率控制字并将该频率控制字发送给FPGA电路；
A9、处理器判断是否需要再次激振的步骤。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是使用低压寻频激振方式，采集器只需要3-5次就能够读出传感器的频率值，提高了振弦式数据采集系统的效率， 由于所述振弦式数据采集系统设置有防雷保护电路、内置温度传感电路、电阻型温度传感器和电源电压告警电路，使得本发明更加安全。


本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中 图1是振弦式数据采集器电路原理图2是振弦式数据采集器流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式
仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。如图1所示，一种振弦式数据采集系统，包括振弦式传感器1、通道选择电路2、激振电路3、拾振电路4、电源管理电路5和处理器6，所述通道选择电路2主要由芯片型号为 ADG1608的8选1复选器、芯片型号为ADG1609的4选1复选器、G3VM-2光电继电器组成， 所述激振电路3主要由芯片型号为AD5330的数字模拟信号转换器、芯片AD827、G3VM-2光电继电器组成，所述拾振电路4主要由芯片型号为AD827的带通滤波器、芯片型号为AD827的二级放大器和芯片型号为AD970的比较整形器组成，电源管理电路5主要由25W开关电源、芯片型号为LM2596-5. 0的电源转换器、芯片型号为AM1117-3. 3的电源转换器和芯片型号为ADP3338-1. 5的电源转换器组成，处理器6选用C8051F340单片机；
所述振弦式传感器1将振荡信号发送给所述通道选择电路2，所述通道选择电路2将振弦式传感器1的振荡信号传递给拾振电路4，所述激振电路3产生脉冲信号通过通道选择电路2激振振弦式传感器1的钢弦，所述拾振电路4对振荡频率值进行放大整形处理，所述处理器6产生初试激振频率控制字，所述处理器6接收并计算输出频率值，所述振弦式数据采集系统还包括FPGA电路7，所述FPGA电路选用ALTERA公司生产的EP1C3T144C8芯片，激振电路3、拾振电路4和处理器6均与FPGA电路7连接，处理器6发送初试激振频率控制字给FPGA电路7，FPGA电路7将该初试激振频率控制字转换成其对应的数字离散信号，所述 FPGA电路7产生的数字离散信号经过激振电路3转换成正弦模拟信号后通过所述激振电路 3的滤波器回到所述FPGA电路7，所述FPGA电路7对该正弦模拟信号整形后控制所述激振电路3产生脉冲信号，所述激振电路3产生脉冲信号通过通道选择电路2激振振弦式传感器1的钢弦；所述FPGA电路7采样拾振电路4的输出频率值并传递给处理器6。所述振弦式数据采集系统还包括电阻型温度传感器8，所述电阻型温度传感器8 用于监测振弦式传感器的温度，所述振弦式传感器传送信号给电阻型温度传感器8，所述电阻型温度传感器8将差分信号传送给通道选择电路2，所述振弦式数据采集系统在所述通道选择电路2与FPGA电路7之间设置有电阻-频率转换电路9，所述电阻-频率转换电路 9主要由NE555D定时器组成，所述通道选择电路2将电阻型温度传感器8发出的差分信号传送给电阻一频率转换电路9，所述电阻一频率转换电路9将产生的波形送入FPGA电路7， 所述FPGA电路7产生该波形的输出频率值并将输出频率值送入处理器6 ；
电阻型温度传感器8产生的差分信号通过所述通道选择电路2传送到电阻一频率转换器9，电阻一频率转换器9将产生的波形发送给FPGA电路7，FPGA电路7产生该波形的输出频率值并将该输出频率值发送给处理器6，处理器6计算得出电阻型温度传感器8的阻值， 处理器6根据电阻型温度传感器8提供的电阻一温度对应公式得出振弦式传感器1的温度值。所述振弦式数据采集系统还包括内置温度传感电路10，所述内置温度传感电路 10选用DS18B20数字温度传感器，所述内置温度传感电路10监测所述振弦式数据采集系统的温度并将监测数据传送给处理器6。所述振弦式数据采集系统还包括电源电压告警电路11，所述电源电压告警电路 11采用CE8808N27M低电压检测电路，当设备的电源电压低于2. 7V时，所述电源电压告警电路11发送电平信号给处理器6。所述振弦式数据采集器在振弦式传感器1与通道选择电路2之间设置有防雷保护电路12，所述防雷保护电路12主要由气体放电管、压敏电阻和防瞬态电压抑制器组成，所述防雷保护电路为成熟的现有技术，在此不再赘述，所述防雷保护电路用于保护所述振弦式数据采集器不被雷电击坏。所述处理器6还可选用ARM公司生产的STM32F107单片机。如图2所示，一种基于振弦式数据采集系统的数据采集方法，所述处理器6与FPGA 电路7连接，处理器6产生初试频率控制字并发送给FPGA电路7。
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所述FPGA电路7把初试频率控制字转换成该初试频率控制字所对应的数字离散信号，所述FPGA电路7将数字离散信号发送给激振电路3，所述激振电路3的数字模拟信号转换器将数字离散信号转换成正弦模拟信号，所述正弦模拟信号经过芯片AD827进行滤波处理后发送给FPGA电路7，所述FPGA电路7对滤波后的正弦模拟信号进行整形，然后发送给激振电路3的G3VM-2光电继电器，从而使所述激振电路3产生脉冲信号激振振弦式传感器的刚弦。所述振弦式传感器1产生的振荡信号通过所述通道选择电路2传送到拾振电路 4的带通滤波器，进行滤波处理后送入二级放大器进行放大，二级放大器将该信号传送给 AD970比较器进行整形处理，整形完成后AD970发送输出频率值给FPGA电路7，所述FPGA 电路7对拾振电路4的输出频率值进行采样，所述FPGA电路7发送输出频率值给处理器6， 处理器6读出频率值；处理器6判断是否需要多次激振，当需要多次激振的时候，根据读出的频率值，处理器6生成相应的频率控制字并将该频率控制字发送给FPGA电路。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
1.一种振弦式数据采集器，包括振弦式传感器(1)、通道选择电路(2)、激振电路(3)、 拾振电路(4)、电源管理电路(5)和处理器(6)，所述振弦式传感器(1)将振荡信号发送给所述通道选择电路(2 )，所述通道选择电路(2 )将振弦式传感器(1)的振荡信号传递给拾振电路(4 )，所述激振电路(3 )产生脉冲信号通过通道选择电路(2 )激振振弦式传感器(1)的钢弦，所述拾振电路(4)对振荡频率值进行放大整形处理，所述处理器(6)产生初试激振频率控制字，所述处理器(6)接收并计算输出频率值，其特征在于还包括FPGA电路(7)，处理器 (6)产生并发送初试激振频率控制字给FPGA电路(7)，FPGA电路(7)将该初试激振频率控制字转换成其对应的数字离散信号，所述FPGA电路(7)产生的数字离散信号经过激振电路 (3 )的数字模拟信号转换器转换成正弦模拟信号，该正弦模拟信号通过所述激振电路(3 )的滤波器回到所述FPGA电路(7)，所述FPGA电路(7)对该正弦模拟信号整形后控制所述激振电路(3)产生脉冲信号；所述FPGA电路(7)采样拾振电路(4)的输出频率值并传递给处理器(6)。
2.根据权利要求1所述的振弦式数据采集器，其特征在于还包括电阻型温度传感器 (8)，所述电阻型温度传感器(8)用于监测振弦式传感器(1)的温度，所述振弦式传感器传送信号给电阻型温度传感器(8)，所述电阻型温度传感器(8)将差分信号传送给通道选择电路(2)。
3.根据权利要求1或2所述的振弦式数据采集器，其特征在于在所述通道选择电路 (2 )与FPGA电路(7 )之间设置有电阻-频率转换电路(9 )，所述通道选择电路(2 )将电阻型温度传感器(8)发出的差分信号传送给电阻一频率转换电路(9)，所述电阻一频率转换电路(9)将产生的波形送入FPGA电路(7)，所述FPGA电路(7)产生该波形的输出频率值并将输出频率值送入处理器(6)。
4.根据权利要求1所述的振弦式数据采集器，其特征在于还包括内置温度传感电路(10)，所述内置温度传感电路(10)用于监测所述振弦式数据采集器的温度，并将监测数据传送给处理器(6)。
5.根据权利要求1所述的振弦式数据采集器，其特征在于还包括电源电压告警电路(11)，当设备的电源电压低于预设值时，所述电源电压告警电路(11)发送电平信号给处理器(6)。
6.根据权利要求1所述的振弦式数据采集器，其特征在于在振弦式传感器(1)与通道选择电路(2 )之间设置有防雷保护电路(12 )。
7.一种基于振弦式数据采集系统的数据采集方法，所述激振电路(3)产生脉冲信号激振振弦式传感器的刚弦，振弦式传感器产生的振荡信号通过所述通道选择电路(2)传送到拾振电路(4)，处理器(6)读出频率值，其特征在于还包括以下步骤Al、所述处理器(6)产生初试频率控制字并发送给FPGA电路(7)；A2、所述FPGA电路(7)把初试频率控制字转换成该初试频率控制字所对应的数字离散信号；A3、所述激振电路(3)将FPGA电路(7)产生的数字离散信号转换成正弦模拟信号；A4、所述激振电路(3)对正弦模拟信号进行滤波处理后发送给FPGA电路(7)；A5、所述FPGA电路(7)对滤波后的正弦模拟信号进行整形，然后发送给激振电路(3)；A6、所述拾振电路(4)将该振荡信号进行放大、整形后传送给FPGA电路(7)；A7、所述FPGA电路(7)发送输出频率值给处理器(6)；A8、根据处理器(6)读出的频率值，处理器(6)生成相应的频率控制字并将该频率控制字发送给FPGA电路；A9、处理器判断是否需要再次激振的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种振弦式数据采集系统及方法，本发明包括振弦式传感器、通道选择电路、激振电路、拾振电路、电源管理电路和处理器，还包括FPGA电路，处理器产生并发送初试激振频率控制字给FPGA电路，所述FPGA电路对该正弦模拟信号整形后控制所述激振电路产生脉冲信号去激振振弦式传感器，所述FPGA电路采样拾振电路的输出频率值并传递给处理器，本发明使用低压寻频激振方式，采集器只需要3-5次就能够读出传感器的频率值，提高了振弦式数据采集系统的效率，由于所述振弦式数据采集系统设置有防雷保护电路、内置温度传感电路、电阻型温度传感器和电源电压告警电路，使得本发明更加安全。
文档编号G01H11/06GK102426052SQ20111027434
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者彭堂, 徐闯, 雷辉 申请人:重庆恩菲斯软件有限公司