專利名稱：用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置。
數據采集(DataAcquisition)的基本意思是指，通過模數(A/D)轉換實現數據的數字化， 并對數字進行存儲。很多儀器設備，都包含了數據采集環節，它們都可以看成一個數據采集 設備。比如， 一個手持式的聲發射探傷儀，只要外掛相應的探頭就可以使用，它是包含了聲 發射信號采集模塊的嵌入式儀器，可以看成是一個數據采集設備。再如，經常看到的更為通 用的數據采集設備是 一臺通用計算機，其機內擴展總線(如PCI插槽等)上插上數據采集 板卡，或者其外部擴展接口 (如RS232 口、 USB 口等)上外掛一個數據采集模塊，來實現數 據采集。這里，將以上這些直接連上傳感器(或者傳感器之變送器)便可以實現數據采集的 設備，稱為基本數據采集設備。
某些基本數據采集設備的成本很高。原因是，這些設備可能是成熟的高度集成化的數采 設備，其包括傳感器電源、程控放大、程控濾波、AD轉換、實時處理等完備的功能模塊， 開發不易。例如，美國NI公司的一塊4通道的振動加速度信號釆集卡(或模塊)約2萬元人 民幣，美國PAC公司一塊8通道的聲發射信號采集卡約10萬元人民幣，美國PAC公司一臺 手持式的2通道聲發射檢測儀達15萬元人民幣。然而，實際中，有時需要采集的信號通道數 遠遠超過基本數據采集設備提供的通道數，如果這時靠增加昂貴的采集板卡或采集模塊或者 嵌入式采集儀器的數量來解決問題，則在經濟上難以承受。
不過，對實際中雖然要采集很多路信號但這些路信號采集的同步性要求不高的場合，可 以利用一個多通道分組切換(Switch)裝置來切換，通過多通道分時分組輸入來共享一臺基 本數據采集設備，從而達到大大節省數據采集成本的目的。即，將待測的所有通道按基本數 采設備通道數進行分組，在計算機的控制下分時地實現各組通道信號與基本數采設備的導通， 起到擴展基本數據采集設備通道數的作用。
背景技術：
在中國專利局網站上，以Data acquisition和Switch為主題詞，搜索國外的相關專利， 未找到關于多通道分組切換裝置的發明案例；同樣，以Data acquisition和Switch為主題詞， 在國際權威文獻數據庫中也沒有發現關于多通道分組切換裝置的文獻。
在國內部分，査到一件己公開的涉及多通道分組切換裝置的發明專利申請。發明人為"伍 敏"和"伍德常"，發明名稱為"多通道切換卡"，申請號為200610132471.3。該多通道切換 卡，解決的技術問題，實質是如何擴展單通道的嵌入式儀表以實現多通道信號的采集和顯示。 該多通道切換卡采取的技術方案是輸出通道為1個通道——接儀表，輸入通道為多個通道
——接多路傳感器，中間為執行多進單出選通切換的模塊，由二級繼電器或模擬開關來實現， 切換模塊由主控芯片(下位機)控制，主控芯片還可通過RS232連至上位機，接受上位機的 最終控制。
在國內部分，査到的涉及多通道分組切換裝置的文獻是"超聲檢測中單通道變多通道信 號切換控制"(作者為"寧彩林"、"張吉堂"、"王彪"，期刊名稱為"微計算機信息"，刊出時 間2007年，V23(3-l)， p61-62)。該文獻提出的方案，解決的技術問題實質上也是如何擴展 單通道的嵌入式儀器來實現多通道傳感器信號的采集，方案中也采用了上位機、下位機，執 行器件為固態繼電器。
現有發明和文獻涉及的多通道分組切換裝置，都旨在共享一個單通道的基本數據采集設 備，共同的特點是只有一個輸出通道。但是，實際中，有的嵌入式儀器是多個通道，如前面 提到的PAC公司的手持式的2通道聲發射檢測設備；對于基于通用計算機和采集板卡(或模 塊)的基本數據采集設備，往往提供的通道數更多，如前面提到的NI公司4通道板卡(或模 塊)，PAC公司8通道板卡等。目前，尚沒有發現用于擴展多通道基本數據采集設備通道數的 多通道分組切換裝置方案。
需要說明的是，很多文獻和專利資料提到的數據采集裝置，雖然其內部有通道切換的部 分，但是它們在裝置內都包含了模數(AD)轉換部分，它們不屬于本發明所涉及的多通道分組 切換裝置，而是屬于上面提到的基本數據采集設備的范疇。比如，專利申請"姜秀杰，汪大 星，陳小敏，孫輝先 一種適用于微重力流體實驗的多通道溫度采集系統，發明專利說明書 (申請號200410103546.6)"，文獻"張慶榮，張鵬波，李成貴高精度氣敏傳感器測試系統 的研制，微計算機信息(測控自動化)，2006年，V22(9-l)， pl52-153"，等。
發明內容
要解決的技術問題。現有的多通道分組切換裝置的方案，都是擴展單通道基本數據采集 設備通道數的方案，本發明旨在提出可用于擴展多通道基本數據采集設備通道數的多通道分 組切換裝置方案。
技術方案。
提出的第1種多通道分組切換裝置的方案是，它包括輸出端口、輸入端口、單元切換器 件陣列、控制端口、譯碼器。輸出端口是使用時與基本數據采集設備輸入通道相連的端口， 輸入端口是使用時與傳感器組(或其變送器組)相連的端口，控制端口是使用時與提供數字 I/O控制信號的外部控制設備相連的端口 。該切換裝置控制端口接收的數字I/O控制信號經譯 碼器譯碼后送給單元切換器件陣列，控制單元切換器件陣列選通相應若干單元，從而實現一
組輸入通道與輸出通道的導通。見附圖1。輸出端口可有多個通道，其通道數al,由與其相
連的基本數據采集設備的輸入通道數決定，輸入端口的通道數w,"由輸出端口通道數w。w、選 取的單元切換器件邏輯功能、輸入的傳感器信號通道數三因素共同決定。
提出的第2種多通道分組切換裝置的方案是，它包括輸出端口、輸入端口、單元切換器
件陣列、通信接口電路、下位機、譯碼器。與上面第一種方案比較，該方案輸出端口、輸入 端口、單元切換器件陣列及譯碼器的作用與第一種方案相同；不同點有，該方案在切換裝置 內納入了下位機，下位機通過譯碼器對單元切換器件陣列進行直接控制，而不是由外部控制 設備提供的數字I/O控制信號經譯碼器后進行相應的控制；另外，下位機通過通信接口電路 從上位機獲取最源頭的切換控制命令。見附圖2。同樣，輸出端口可有多個通道，其通道數JV。w 由與其相連的基本數據采集設備的輸入通道數決定，輸入端口的通道數iV,"由輸出端口通道數 A^,、選取的單元切換器件邏輯功能、輸入的傳感器信號通道數三因素共同決定。
關于提出的以上兩種切換裝置方案中的輸出端口的通道數。不管哪種切換裝置方案，切 換裝置輸出端口提供的通道數iV。w取與之相連的外部基本數據采集設備的輸入通道數。
關于提出的以上兩種切換裝置方案中的單元切換器件。單元切換器件，是一個執行電路 切換的基本開關單元。單元切換器件從實現上說可分為兩類 一類是繼電器單元， 一類是模 擬開關單元。繼電器單元一般支持大工作電流和工作電壓，但它支持的通道數一般只有兩個， 是一個可控的雙擲開關，實現2選1的邏輯；模擬開關單元一般不支持大工作電壓和電流，
但支持的通道數可較多，如4選1、 8選1、 16選1的模擬開關等。對大規模的通道切換裝置
宜盡量選用通道數多的單元切換器件以簡化陣列電路，而對較小規模的通道切換裝置宜盡量 選用通道數少的單元切換器件以方便整個切換邏輯的實現。
關于提出的以上兩種切換裝置方案中的輸入端口的通道數。不管哪種切換裝置方案，輸
入端口提供的通道數A^"都由各自待接入傳感器(或其變送器)的通道數、輸出端口的通道數 及其單元切換器件的切換邏輯共同決定。不管哪種切換裝置方案，輸入端口提供的通道數A^
都應不小于其待接入傳感器(或其變送器)的通道數；同時，由于是多通道分時分組導通的 緣故，輸入端口所提供通道數A^應該為輸出端口通道數iV。u,的整數倍；基于這兩條先給出一
個輸入端口通道數的最小值作為初始值，記作7V:。此時，裝置選定的單元切換器件若是一個
M選l的邏輯，則整個單元切換器件陣列的級數(層數)取為log^(《/JV。J向上取整，記
作iV,，即取M - Ceil(logw(《/W。 ,));再最終將輸入端口通道數修j下確定為iV, = JV。a( 'M 。
關于提出的以上兩種切換裝置方案中的單元切換器件陣列。由于切換裝置的切換邏輯往 往要多個單元切換器件配合、逐級完成，故把這些單元切換器件的排列組合稱為陣列。單元 切換器件陣列的級數^取logM(JV,"/A^) (M指單元切換器件為M選1邏輯，A^為確定的
最終輸入通道數)，單元切換器件陣列從第1級到第W,級的單元器件個數依次確定為
T^/M'i^/MV..,]^,以單元切換器件采用"雙刀雙擲"的開關邏輯器件為例，假如各個
信號通道都是差分通道，即一個單元切換器件剛好實現兩差分通道中選出一個差分通道的"2 選1"邏輯，再假如切換陣列的目標是從16個差分通道中選出2個差分通道，則計算可知， 切換單元陣列共需3層，第i層8個切換單元，第2層4個切換單元，第3層2個切換單元， 見附圖3。
關于提出的以上兩種切換裝置方案中的譯碼器。譯碼器的作甩是將來自下位機或外部控 制設備的切換控制信號翻譯成各具體切換單元的選通信號，根據需要的譯碼邏輯選用。在切 換單元陣列的單元器件個數較少時，譯碼器不必要。
關于提出的切換裝置方案2中的下位機和通信接口電路。下位機根據上位機傳來的選通 信息產生選通控制信號，下位機可用普通的單片機來實現；接口電路是為了上位機與下位機 之間正常通信的實現而設立，比如實現電平轉換等。切換裝置方案2的最源頭控制者為外部 的上位機，上位機根據具體應用系統的實際需要發出控制信息。
有益效果。
現有的多通道分組切換裝置方案只能用于擴展單通道基本數據采集設備的通道數，不能 用于擴展多通道基本數據采集設備的通道數。而本發明提出的兩種方案，可以用于擴展多通 道基本數據采集設備的通道數。在兩種方案中，不僅指出了輸出端口通道數的確定方案，而 且提出了與此相關的輸入端口、單元切換器件陣列、譯碼器、控制端口或下位機及通信接口 電路的方案，這些方案或子方案比現有的多通道切換裝置的方案或子方案，要詳細、通用， 可操作性強。
就本發明提出的兩種方案而言，第1種方案中切換裝置沒有下位機，控制信號由外部控 制設備提供，因此，切換裝置更易實現，但外部控制設備要復雜一些，比如，若由PC機加 一塊控制板卡來實現外部控制設備，則要有一塊控制板卡；在第2種方案中，切換裝置內有 下位機，實現稍麻煩一些，但從上位機獲取控制信息，可以利用上位機現成的RS232 口、USB 口等通信接口來通信，不需要另外的控制板卡。兩種方案各有千秋。
附圖l，第1種多通道分組切換裝置方案。 附圖2，第2種多通道分組切換裝置方案。
附圖3， 16個通道選2個通道切換單元陣列示意圖(差分通道)。 附圖4，按發明方案l實現的一多通道分組切換裝置示意圖。 附圖5，按發明方案2實現的一多通道分組切換裝置示意圖。
具體實施方式
實施例l。
某機器設備需要監測14路振動加速度信號。現有一塊4差分通道NI-PCI-4474振動加速 度信號采集卡，插入工控機PCI槽，形成了一個4輸入通道基本數據采集設備。欲開發一個 多通道分組切換裝置對采集卡的4個差分通道進行擴展，以實現對14路加速度通道的分時分 組采樣。按發明方案1實現之，如下。
多通道分組切換裝置輸出端口的通道數取采集卡的通'道數4。
選用"雙刀雙擲"的信號繼電器TF2-4.5(ATF206)作為一個單元切換器件，實現從2個差 分通道中選出其中1個的邏輯。
切換裝置輸入端口的通道數，根據輸出端口通道數為4、選定的單元切換器件為"2選1"、 傳感器通道數為14，將之確定為16。計算依據W。w=4， iV,:應該取16，修正的 W加.M =4.22=16。
切換裝置的切換陣列。計算的W, =2,即將切換陣列設兩級，第1級、第2級經計算分別 為8個切換單元和4個切換單元。
選用兩個74237型3線-8線譯碼器。其中一個譯碼器用于第1級8個繼電器的選通，另 一個譯碼器用于第2級4個繼電器的選通。
譯碼器通過控制端口從外部控制設備接受控制信號。在具體實施中，外部控制信號由插 入工控機PCI槽的一多功能卡NI-PCI-6220產生；B卩，這里外部控制設備和基本數據采集設 備共用了一個工控機。
實施例2。
同樣的問題，某機器設備需要監測14路振動加速度信號。現有一塊4差分通道 Nl-Pd4474振動加速度信號采集卡，插入工控機PCI槽，形成了一個4輸入通道基本數據采 集設備。欲開發一個多通道分組切換裝置對采集卡的4個差分通道進行擴展，以實現對14路 加速度通道的分時分組采樣。按發明方案2實現之，如下。
多通道分組切換裝置輸出端口的通道數取采集卡的通道數4。
選用"雙刀四擲"的模擬開關CD4052作為單元切換器件。實現從4個差分通道中選出 其中1個的邏輯。
切換裝置輸入端口的通道數，根據輸出端口通道數為4、選定的單元切換器件為4選1、 傳感器通道數為14，將之確定為16。計算依據iV。 ,=4， 7V:應該取16，修正的 M,U ="=16。
切換裝置的切換陣列。計算的^=1,即將切換陣列設1級，這1級共4個切換單元。
每個單元切換器件內含了2線4線譯碼器。由于單元切換器件共只有4個，相應的選通 信號線數總共只有8根，因此不必再設置另外的譯碼器，由下位機直接控制切換單元即可。
選用AT89C51單片機作為下位機。下位機與上位機的通信采用了 RS232接口協議，接口 電路選用MAX232器件來實現。
用工控PC機作為上位機，PC通過MAX232向單片機發出控制切換的指令，請求中斷， 單片機執行中斷服務程序，根據上位機命令控制四個模擬開關動作。這里，工控機中不需要 插入一塊控制卡用來提供外部控制。
權利要求
1.一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置，包括輸出端口、輸入端口、單元切換器件陣列、控制端口、譯碼器，其特征在于，輸出端口可有多個通道，其通道數Nout由與其相連的基本數據采集設備的輸入通道數決定，輸入端口在使用時與傳感器組(或變送器組)相連，其通道數Nm由輸出端口通道數Nout、選取的單元切換器件邏輯功能、輸入的傳感器信號通道數三因素共同決定，控制端口從外部控制設備處獲取控制信息，通過譯碼器對單元切換器件陣列進行控制，從而在多輸入通道中選通一組輸入通道與輸出通道導通。
2、 一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置，包括輸出端口、輸入端口、 單元切換器件陣列、通信接口電路、下位機、譯碼器，其特征在于，輸出端口可有多個通 道，其通道數JV。w由與其相連的基本數據采集設備的輸入通道數決定，輸入端口在使用時 與傳感器組(或變送器組)相連，其通道數由輸出端口通道數、選取的單元切換器件邏輯 功能、傳感器信號通道數三因素共同決定，下位機通過通信接口電路從外部上位機獲取控 制指令，再通過譯碼器對單元切換器件陣列的切換進行控制，從而在多輸入通道中選通一 組輸入通道與輸出通道導通。
3、 根據以上權利要求1或權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道 分組切換裝置，其特征在于，切換裝置輸出端口提供的通道數A^,取與之相連的外部基本數據采集設備的輸入通道數。
4、 根據以上權利要求1或權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道 分組切換裝置，其特征在于，單元切換器件，是一個執行電路切換的基本開關單元，采用 繼電器單元或者模擬開關單元來實現，在大工作電流或工作電壓環境中，宜優先采用繼電 器單元，在切換裝置輸入通道數多、切換規模大的場合，宜優先選用通道數較多的切換單 元以簡化陣列電路，在切換裝置的輸入通道數不多、切換規模不大的場合，宜優先選用通 道數少的單元切換器件以方便整個切換邏輯的實現。
5、 根據以上權利要求1或權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道 分組切換裝置，其特征在于，輸入端口提供的通道數A^，應不小于其待接入傳感器(或 變送器)的通道數，同時應該為輸出端口通道數iV^的整數倍，基于這兩條先給出一個輸 入端口通道數的最小值作為初始值，記作iV:，計算整個單元切換器件陣列的級數(層數) M，令其取log^(AC/^加)向上取整(M指選定的單元切換器件為M選1邏輯)，即取 X = Ceil(logw (《/7V。w》，最終將輸入端口通道數修正確定為1 = W。 , M 。
6、 根據以上權利要求1或權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道 分組切換裝置，其特征在于，單元切換器件陣列的級數A^取log^(A^/A^) (M指單元切換器件為M選1邏輯，乂 為確定的最終輸入通道數)，單元切換器件陣列從第1級到第^ 級的單元器件個數依次確定為A^/M,A^/M2, — ,iV。w 。
7、 根據以上權利要求1或權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道 分組切換裝置，其特征在于，譯碼器的作用是將來自下位機或外部控制設備的切換控制信 號翻譯成各具體切換單元的選通信號，它根據實際需要的譯碼邏輯進行選用，在單元切換 器件陣列的切換單元個數較少時，譯碼器可不必要。
8、 根據權利要求2所述的一種用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置，其 特征在于，下位機根據上位機傳來的源頭控制信息產生選通控制信號，通信接口電路是上 位機與下位機之間通信的接口電路。
全文摘要
本發明涉及用于擴展基本數據采集設備通道數時多通道分組切換裝置，提出了該多通道分組切換裝置的兩種技術方案。在兩種方案中，切換裝置都包括輸入端口、輸出端口、單元切換器件陣列、譯碼器；在第1種方案中，還包括有控制端口，以連接外部控制設備，接受外部控制設備發出的切換控制指令；在第2種方案中，切換裝置包含有下位機，其通過通信接口電路從外部上位機接收源頭切換控制指令；都根據控制指令選通相應的切換單元以實現一組輸入通道與輸出通道的導通。現有的用于擴展基本數據采集設備通道數的多通道分組切換裝置方案，都是針對單通道基本數據采集設備的擴展方案，而本發明兩種方案都是主要針對多通道基本數據采集設備的擴展方案。
文檔編號H03K17/00GK101373963SQ20081015709
公開日2009年2月25日 申請日期2008年9月24日 優先權日2008年9月24日
發明者劉紅星, 潛 王, 瑩 肇, 威 鄭, 陳晗霄 申請人:南京大學