一种AI采集系统及其AI采集装置

摘要

本发明公开了一种AI采集装置，通过差分放大器对差分电压采集电路转换得到的差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，从而满足模数转换器的输入要求，以便模数转换器对差分电压信号进行模数转换得到数字信号，从而完成AI的采集。另外，本申请中的抗混叠匹配电路一方面作为低通滤波器可以滤除高频干扰，提高采集精度，另一方面可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，提高模数转换器的采样频率，即提高了AI的采集速度。本发明还公开了一种AI采集系统，具有如上AI采集装置相同的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及信号采集领域，特别是涉及一种AI采集装置，本发明还涉及一种AI采集系统。

背景技术

模拟信号是一种常见的可用于数据传输的信号形式，很多设备(例如多数传感器)在传输数据时通常都会使用模拟信号，模拟信号通常都会被采集到控制器内进行使用，模拟信号的实时性以及精度是两个重要指标，现有技术中缺少一种成熟的AI(AnalogyInput，模拟量输入)采集装置，难以同时保证较高的采集速度以及采集精度。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种AI采集装置，抗混叠电路一方面可以进行低通滤波滤除高频干扰，提高了AI的采集精度，另一方面还可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，从而提高模数转换器的采样速度；本发明的另一目的是提供一种包括上述AI采集装置的AI采集系统，抗混叠电路一方面可以进行低通滤波滤除高频干扰，提高了AI的采集精度，另一方面还可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，从而提高模数转换器的采样速度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种AI采集装置，包括：

输入端与目标设备的输出端连接的差分电压采集电路，用于将所述目标设备输出的模拟输入AI信号转换为差分电压信号；

输入端与所述差分电压采集电路的输出端连接的差分放大器，用于对所述差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，以便满足模数转换器的输入要求；

输入端与所述差分放大器的输出端连接的抗混叠电路，用于对所述差分放大器输出的所述差分电压信号进行低通滤波，并通过自身的电能存储抬升所述差分放大器输入端的电势；

输入端与所述抗混叠电路连接，输出端与控制器连接的所述模数转换器，用于对经过低通滤波的所述差分电压信号进行模数转换。

优选地，所述目标设备为两线制传感器或四线制传感器；

所述差分电压采集电路包括：

电源，用于提供所述两线制传感器的供电电压；

第一端与所述电源连接，第二端用于与所述两线制传感器的供电端连接的电压输出端子；

第一端用于与所述目标设备的正端电流信号输出端连接，第二端与差分电压转换电路的第一端连接的正端信号连接端子，用于接收所述目标设备的正端电流信号；

第一端用于与所述四线制传感器的负端电流信号输出端连接，第二端与所述差分电压转换电路的第一端连接的负端信号连接端子，用于接收所述四线制传感器的负端电流信号；

第二端作为所述差分电压采集电路的输出端，接地端接地的所述差分电压转换电路，用于将所述正端信号连接端子以及所述负端信号连接端子输出的电流信号转换为差分电压信号。

优选地，所述差分电压转换电路包括第一电阻以及第二电阻；

所述第一电阻的第一端分别与所述正端信号连接端子第二端以及所述差分放大器的输入端连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第一端以及所述差分放大器的输入端连接，所述第二电阻的第二端接地。

优选地，该AI采集装置还包括：

设置于所述差分电压采集电路与所述差分放大器之间的低通滤波电路，用于对所述差分电压采集电路输出的差分电压信号进行低通滤波。

优选地，该AI采集装置还包括：

串接于所述差分电压采集电路以及所述差分放大器之间的限流电阻，用于提升自身所在回路中的电阻。

优选地，所述抗混叠电路以及所述低通滤波电路均为电阻电容RC滤波电路。

优选地，所述模数转换器还用于为所述差分放大器提供基准电压，以便其基于所述基准电压进行共模电压的调整。

优选地，该AI采集装置还包括：

设置于所述模数转换器与所述控制器之间的可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议HART信号过滤电路，用于滤除所述模数转换器输出的数字信号中耦合的HART信号。

优选地，所述模数转换器以及所述HART信号过滤电路组成的整体为Σ-△型ADC。

为解决上述技术问题，本发明海提供了一种AI采集系统，包括多个如上所述的AI采集装置，还包括所述控制器。

本发明提供了一种AI采集装置，通过差分放大器对差分电压采集电路转换得到的差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，从而满足模数转换器的输入要求，以便模数转换器对差分电压信号进行模数转换得到数字信号，从而完成AI的采集。另外，本申请中的抗混叠匹配电路一方面作为低通滤波器可以滤除高频干扰，提高采集精度，另一方面可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，提高模数转换器的采样频率，即提高了AI的采集速度。

本发明还提供了一种AI采集系统，具有如上AI采集装置相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种AI采集装置的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种AI采集装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种AI采集装置，抗混叠电路一方面可以进行低通滤波滤除高频干扰，提高了AI的采集精度，另一方面还可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，从而提高模数转换器的采样速度；本发明的另一核心是提供一种包括上述AI采集装置的AI采集系统，抗混叠电路一方面可以进行低通滤波滤除高频干扰，提高了AI的采集精度，另一方面还可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，从而提高模数转换器的采样速度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明提供的一种AI采集装置的结构示意图，该AI采集装置包括：

输入端与目标设备的输出端连接的差分电压采集电路11，用于将目标设备输出的模拟输入AI信号转换为差分电压信号；

输入端与差分电压采集电路11的输出端连接的差分放大器12，用于对差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，以便满足模数转换器14的输入要求；

输入端与差分放大器12的输出端连接的抗混叠电路13，用于对差分放大器12输出的差分电压信号进行低通滤波，并通过自身的电能存储抬升差分放大器12输入端的电势；

输入端与抗混叠电路13连接，输出端与控制器连接的模数转换器14，用于对经过低通滤波的差分电压信号进行模数转换。

具体的，考虑到如上背景技术中的技术问题，本申请中欲同时提升AI的采集速度以及采集精度，其中，考虑到模数转换器14的采样频率与其输入端的电势高低相关，如果可以抬升模数转换器14输入端的电势，那么便可以显著提升模数转换器14的采样频率，从而提升AI的采样速度，又考虑到抗混叠电路13本身除了可以通过自身的电能存储抬升自身输出端的电势外，还可以进行低通滤波滤除信号中的高频干扰，因此本申请在模数转换器14的输入端设置了抗混叠电路13，同时提升了采样频率以及采样精度。

具体的，本申请可以通过差分电压采集电路11可以将目标设备输出的模拟输入AI信号转换为差分电压信号，由于差分信号本身具有较强的抗干扰能力，因此能够进一步提升AI的采集精度。

其中，为了降低噪声产生的高频扰动信号，本发明实施例中通过抗混叠电路13防止这些扰动耦合到后级的模数转换器14的采集电路，同时抗混叠电路13还可用于隔离或解耦后级模数转换器14的输入电荷开关脉冲。另外考虑到模数转换器14对于输入的差分电压具有差模电压以及共模电压的要求，而差分电压采集电路11输出的差分电压信号可能并不符合要求，因此本申请中可以通过差分放大器12对差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，以便满足模数转换器14的输入要求。

其中，控制器可以为多种类型，例如可以为FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)等，本发明实施例在此不做限定。

本发明提供了一种AI采集装置，通过差分放大器对差分电压采集电路转换得到的差分电压信号进行共模电压调整以及差模增益调整，从而满足模数转换器的输入要求，以便模数转换器对差分电压信号进行模数转换得到数字信号，从而完成AI的采集。另外，本申请中的抗混叠匹配电路一方面作为低通滤波器可以滤除高频干扰，提高采集精度，另一方面可以通过自身的电能存储抬升差分放大器输入端的电势，提高模数转换器的采样频率，即提高了AI的采集速度。

为了更好地对本发明实施例进行说明，请参考图2，图2为本发明提供的另一种AI采集装置的结构示意图，在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，目标设备为两线制传感器或四线制传感器；

差分电压采集电路11包括：

电源，用于提供两线制传感器的供电电压；

第一端与电源连接，第二端用于与两线制传感器的供电端连接的电压输出端子；

第一端用于与目标设备的正端电流信号输出端连接，第二端与差分电压转换电路的第一端连接的正端信号连接端子，用于接收目标设备的正端电流信号；

第一端用于与四线制传感器的负端电流信号输出端连接，第二端与差分电压转换电路的第一端连接的负端信号连接端子，用于接收四线制传感器的负端电流信号；

第二端作为差分电压采集电路11的输出端，接地端接地的差分电压转换电路，用于将正端信号连接端子以及负端信号连接端子输出的电流信号转换为差分电压信号。

具体的，在图2中，F_24V为电源，24Vn+为电压输出端子，AIn+为正端信号连接端子，AIn-为负端信号连接端子，第一电阻R1以及第二电阻R2组成差分电压转换电路，R6、R7以及C1组成低通滤波电路，R4以及R5均为限流电阻，N1为差分放大器12，R8、R9以及C2组成抗混叠电路，U1为模数转换器14，C4、R12、MUX以及HART(Highway Addressable RemoteTransducer，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)芯片共同组成HART信号处理电路，其可以接通32个通道中任一指定通道中的AI信号，首先可以将该通道中的AI信号过滤掉，并且对过滤掉AI信号的HART信号进行解码，相应的，控制器也可以通过该HART信号处理电路将HART信号发送至指定通道所在的目标设备，从而完成HART通讯。

具体的，本发明实施例中的差分电压采集电路11可以针对输出电流信号的两线制或四线制传感器进行AI接收，不过也可以通过将差分电压转换电路去掉来接收直接输出差分电压的传感器输出的AI，本发明实施例在此不做限定。

具体的，对于两线制传感器来说，可以将其正端电流信号输出端连接至正端信号连接端子的第一端，将其供电端连接至电压输出端子的第二端，对于四线制传感器来说，可以将其正端电流信号输出端连接至正端信号连接端子的第一端，将其负端电流信号输出端连接至负端信号连接端子的第一端，从而便可以实现对于AI的采集。

其中，上述的各个端子可以共同设置在一块端子板上，便于固定各端子。

具体的，本发明实施例中的差分电压采集电路11具有结构简单且成本低的优点。

当然，除了该构造外，差分电压采集电路11的具体构造还可以为其他形式，本发明实施例在此不做限定。

作为一种优选的实施例，差分电压转换电路包括第一电阻以及第二电阻；

第一电阻的第一端分别与正端信号连接端子第二端以及差分放大器12的输入端连接，第一电阻的第二端分别与第二电阻的第一端以及差分放大器12的输入端连接，第二电阻的第二端接地。

具体的，本发明实施例中的差分电压转换电路具有结构简单、成本低以及寿命长等优点。

当然，除了该具体构造外，差分电压转换电路还可以为其他形式，本发明实施例在此不做限定。

作为一种优选的实施例，该AI采集装置还包括：

设置于差分电压采集电路11与差分放大器12之间的低通滤波电路，用于对差分电压采集电路11输出的差分电压信号进行低通滤波。

具体的，本发明实施例中还额外添加了低通滤波电路进行低通滤波，能够进一步地滤除AI中的高频干扰，进一步地提升了AI采集的精度。

作为一种优选的实施例，该AI采集装置还包括：

串接于差分电压采集电路11以及差分放大器12之间的限流电阻，用于提升自身所在回路中的电阻。

具体的，考虑到回路中若产生较大的电流便会对回路中的器件造成损坏，本发明实施例中还在差分电压采集电路11以及差分放大器12之间串接了限流电阻，从而限制了回路中产生较大的电流，保护了相关器件不会被损坏，降低了维修成本。

作为一种优选的实施例，抗混叠电路13以及低通滤波电路均为电阻电容RC滤波电路。

具体的，RC滤波电路具有结构简单以及成本低的优点。

当然，除了RC滤波电路外，抗混叠电路13以及低通滤波电路还可以为其他形式，本发明实施例在此不做限定。

作为一种优选的实施例，模数转换器14还用于为差分放大器12提供基准电压，以便其基于基准电压进行共模电压的调整。

具体的，考虑到若为差分放大器12额外设置电压源来提供基准电压，便会增加成本，因此本申请中可以利用模数转换器14直接为差分放大器12提供基准电压，以便其基于基准电压进行共模电压的调整，从而降低了成本。

作为一种优选的实施例，该AI采集装置还包括：

设置于模数转换器14与控制器之间的可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议HART信号过滤电路，用于滤除模数转换器14输出的数字信号中耦合的HART信号。

具体的，考虑到某些场景下，例如在DCS(Distributed Control System，分散控制系统)或者SIS(Safety instrumentation System，安全仪表系统)中传感器的AI经常还会耦合有HART信号，因此为了将此种耦合信号中的AI提取出来，本发明实施例中还在模数转换器14与控制器之间设置了HART信号过滤电路，通过其可以滤除模数转换器14输出的数字信号中耦合的HART信号。

作为一种优选的实施例，模数转换器14以及HART信号过滤电路组成的整体为Σ-△型ADC。

具体的，考虑到Σ-△型ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器14)中本身就包含可以进行HART信号过滤的HART信号过滤电路，因此利用Σ-△型ADC可以简化AI采集装置的结构，并且Σ-△型ADC还可以在内部进行低通滤波，有利于进一步地提升AI采集精度。

具体的，在本发明实施例中，可以创新的采用8通道同步采样ADC，片内可以集成8个完整的Σ-Δ型ADC，每个输入通道都有一个增益为1、2、4和8的可编程增益级，可将低幅度传感器输出映射到满量程ADC输入范围，从而使信号链的动态范围最大，其参考基准源电压范围为1V至3.6V，模拟输入接受单极性(0V至VREF)或真双极性(±VREF/2V)模拟输入信号，模拟电源电压分别为3.3V或±1.65V，模拟输入可配置为接受真差分或单端信号以匹配不同的传感器输出配置。其中每个通道包含一个ADC调制器和一个sinc3低延迟数字滤波器，且可通过SRC寄存器位来对ODR(Output Data Register，输出数据寄存器)进行精细分辨率控制，这种控制可用于线频率变化为0.01Hz时，ODR分辨率需要维持相干性的应用，SRC可通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)编程，通过SPI接口还可以对该ADC芯片进行配置，以及控制和读取SAR ADC(逐次逼近式模拟数字转换器)，SPI接口还可配置为输出Σ-Δ型ADC的转换数据。

当然，除了Σ-△型ADC外，模数转换器14还可以为其他类型，本发明实施例在此不做限定。

具体的，考虑到在目标设备输出的AI中若耦合有HART信号，那么ADC的采样频率需要进行相适应减低，以便稳定的进行模数转换并进行HART信号的滤除，而若未耦合有HART信号，那么便可以使ADC工作在较高的采样频率下，具体的可以通过人机交互装置告知控制器AI采样装置的输入信号是否耦合有HART信号，如果耦合有HART信号，那么控制器便可以将ADC的采样频率调整为第一预设采样频率，如果未耦合有HART信号，那么控制器便可以将ADC的采样频率调整为高于第一预设采样频率的第二预设采样频率。

其中，上述的第一预设采样频率可以为1.2kHz，可以同时兼顾AI采样精度以及采样速度，本发明实施例在此不做限定。

为解决上述技术问题，本发明海提供了一种AI采集系统，包括多个如前述实施例的AI采集装置，还包括控制器。

具体的，在本发明实施例中，为了保证现场信号采集的实时性，图2中的U1处可以创新性的选用8通道并行Σ-△型ADC，这样在保证采集精度的同时可以极大的提升信号采集转换的时间。

对于本发明实施例提供的AI采集系统的介绍请参照前述AI采集装置的实施例，本发明实施例在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。