技术领域
[0001] 本实用新型属于采集系统技术领域，具体涉及一种工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪。
背景技术
[0002] 在工程CT检测行业，需要检测多个点(多达64个点)的弹性波
信号，因此多通道弹性波信号同步采集器，也就是多通道
模拟信号同步采集系统实现方案非常关键。目前在工程CT检测行业内，实现多通道模拟信号
同步信号采集系统，主要通过有线方式实现，实现的
采样率最多96KSPS，具有布线复杂以及采样率低的问题。实用新型内容
[0003] 针对
现有技术存在的
缺陷，本实用新型提供一种工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，可有效解决上述问题。
[0004] 本实用新型采用的技术方案如下：
[0005] 本实用新型提供一种工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，包括：控制终端、主站、触发站和8个采集站；其中，每个所述采集站支持8路
传感器；
[0006] 沿振动波传播方向，依次布置各个所述采集站；在振动波的
震源位置布置所述触发站；
[0007] 所述主站与所述控制终端之间采用WIFI无线方式通信，所述主站与所述触发站之间、所述主站与各个所述采集站之间、所述触发站与各个所述采集站之间均采用433MHz无线方式通信。
[0008] 优选的，所述主站包括主站MCU控制单元、主站WIFI无线通信模
块、主站433MHz
无线通信模块和主站电源管理模块；所述主站MCU控制单元分别与所述主站WIFI无线通信模块、所述主站433MHz无线通信模块和所述主站电源管理模块连接。
[0009] 优选的，所述主站电源管理模块包括充
放电管理模块、电量管理模块、锂离子
聚合物电池和电量指示模块；外部DC电源依次通过所述充放电管理模块和所述电量管理模块后，连接到所述主站MCU控制单元；所述电量管理模块还与所述锂离子聚合物电池双向连接；所述主站MCU控制单元的输出端与所述电量指示模块连接。
[0010] 优选的，所述充放电管理模块采用MP2615型号充放电管理芯片；所述电量管理模块采用MAX17201型号电量管理芯片；所述主站WIFI无线通信模块采用USR-C322低功耗WIFI模块；所述主站433MHz无线通信模块采用E10-433MS1W无线模块。
[0011] 优选的，所述触发站包括触发站MCU控制单元、触发站433MHz无线通信模块、触发站电源管理模块、激发传感器、触发站信号调理
电路、触发站高亮LED驱动电路、触发站LED指示灯、触发站蜂鸣器驱动电路和触发站蜂鸣器；
[0012] 所述触发站MCU控制单元与所述触发站433MHz无线通信模块之间双向连接；所述触发站MCU控制单元与所述触发站电源管理模块之间双向连接；所述激发传感器通过所述触发站信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元的输入端；所述触发站MCU控制单元的输出端通过所述触发站高亮LED驱动电路连接到所述触发站LED指示灯；所述触发站MCU控制单元的输出端通过所述触发站蜂鸣器驱动电路连接到所述触发站蜂鸣器。
[0013] 优选的，所述触发站信号调理电路包括
串联的前置
放大器、可调增益放大器、ADC转换器、模拟看
门狗比较器和触发信号中断
接口。
[0014] 优选的，所述前置放大器采用AD8426型号放大器；所述可调增益放大器采用PGA112型号可调增益放大器。
[0015] 优选的，所述采集站包括采集站MCU控制单元、采集站433MHz无线通信模块、采集站电源管理模块、8个传感器采集通道、采集站高亮LED驱动电路、采集站LED指示灯、采集站蜂鸣器驱动电路和采集站蜂鸣器；8个传感器采集通道连接到所述采集站MCU控制单元的输入端；所述采集站MCU控制单元的输出端通过所述采集站高亮LED驱动电路连接到所述采集站LED指示灯；所述采集站MCU控制单元的输出端通过所述采集站蜂鸣器驱动电路连接到所述采集站蜂鸣器；
[0016] 其中，每个所述传感器采集通道包括
加速度传感器、采集站信号调理电路和
模数转换电路；所述加速度传感器的输出端依次通过所述采集站信号调理电路和所述模数转换电路后，连接到所述采集站MCU控制单元的输入端；
[0017] 其中，所述采集站信号调理电路包括串联的前置放大器AD8426、可编程放大器PGA112和精密运放TLV272。
[0018] 优选的，所述采集站和所述触发站均采用模拟电源；
[0019] 所述模拟电源包括3.4V～4.2V的电池
电压、DC-DC变换电路和LDO降压滤波电路；
[0020] 所述电池电压通过所述DC-DC变换电路升压到+5.5V，以及，通过所述DC-DC变换电路逆变至-5.5V；+5.5V输出接口和-5.5V输出接口均连接到所述LDO降压滤波电路的输入端，所述LDO降压滤波电路的输出端与所述采集站和所述触发站的模拟电路的用电端连接。
[0021] 本实用新型提供的工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪具有以下优点：
[0022] (1)在同行业工程CT仪类似仪器的应用，具有布线方便、容易使用、耐用等多个优点。
[0023] (2)使用该方案，由于电路方案的优化设计，该仪器使用电池可连续工作时间长，方便野外使用。
[0024] (3)由于是高速MCU配合无线433的组合方案替代现有的有线方案，作为采集器的无线网络同步，可实现同步误差小于10us的高
精度同步采集。
附图说明
[0025] 图1为本实用新型提供的工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪的原理图；
[0026] 图2为主站的结构原理图；
[0028] 图4为充放电管理模块的电路图；
[0029] 图5为电量指示模块的电路图；
[0030] 图6为触发站的原理框图；
[0031] 图7为触发站信号调理电路的基本工作原理图；
[0032] 图8为AD8426的电路原理图；
[0033] 图9为PGA112的电路原理图；
[0034] 图10为采集站的系统框图；
[0035] 图11为传感器采集通道的原理框图；
[0036] 图12为采集站信号调理电路的电路图；
[0038] 图14为采集站的传感器接口灵敏度影响因素电路图；
[0039] 图15为模拟电路的整体设计框图；
[0040] 图16为DC-DC升压及逆变原理图；
[0041] 图17为LDO电路设计原理图；
[0042] 图18为TPS72301的电路图。
具体实施方式
[0043] 为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0044] 本实用新型提供的工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，主要应用于
桥梁、道路、建筑行业的
混凝土构件CT检测。CT检测时，多通道传感器信号的采集。本实用新型可通过8个采集器加主站的方式组网，实现8×8通道无线模拟信号同步采集，该无线模拟信号采集网络具有64通道、16位采样位数、最高400Ksps采样率、同步精度达到10us、使用无线方式工作、成本低、待机时间长等优点。
[0045] 参考图1，本实用新型提供的工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，包括：控制终端、主站、触发站和8个采集站；其中，每个所述采集站支持8路传感器；
[0046] 沿振动波传播方向，依次布置各个所述采集站；在振动波的震源位置布置所述触发站；
[0047] 所述主站与所述控制终端之间采用WIFI无线方式通信，所述主站与所述触发站之间、所述主站与各个所述采集站之间、所述触发站与各个所述采集站之间均采用433MHz无线方式通信。
[0048] 实际应用中，使用加固
笔记本电脑等便携计算机设备作为控制终端。控制终端和主站采用WIFI无线方式通信，主站、触发站、采集站之间使用433MHz无线通信。因此，工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪包含1个主站、1个触发站、多个采集站，其中采集站最多可支持到8个，每个采集站支持8路传感器。系统工作时，最多支持64路传感器的同步采样。
[0049] 下面对主站、触发站和采集站分别详细介绍：
[0050] (一)主站
[0051] 主站，主要是通过WiFi与控制终端通信，主站和触发站、采集站通过433MHz无线通信。
[0052] 参考图2，为主站的结构原理图，所述主站包括主站MCU控制单元、主站WIFI无线通信模块、主站433MHz无线通信模块和主站电源管理模块；所述主站MCU控制单元分别与所述主站WIFI无线通信模块、所述主站433MHz无线通信模块和所述主站电源管理模块连接。
[0053] 因此，主站MCU控制单元通过主站WIFI无线通信模块与控制终端之间实现无线通信；同时主站通过主站433MHz无线通信模块，实现主站与触发站、采集站的无线通信。主站可通过内部电池充放电及电量管理，实现主站的电池充放电管理、电量管理、电量指示等。主站MCU控制单元采用MCU SMT32F407型号芯片。下面详细的介绍主站的相关电路设计。
[0054] (1.1)主站电源管理模块
[0055] 主站采用3.7V@2300mAh的锂离子聚合物电池作为系统的储能供电。为此针对需求设计了一个电池管理方案，如图3所示，为主站电源管理模块的原理框图。
[0056] 所述主站电源管理模块包括充放电管理模块、电量管理模块、锂离子聚合物电池和电量指示模块；如图4所示，为充放电管理模块的电路图；如图5所示，为电量指示模块的电路图；外部DC电源依次通过所述充放电管理模块和所述电量管理模块后，连接到所述主站MCU控制单元；所述电量管理模块还与所述锂离子聚合物电池双向连接；所述主站MCU控制单元的输出端与所述电量指示模块连接。
[0057] 所述充放电管理模块采用MP2615型号充放电管理芯片；所述电量管理模块采用MAX17201型号电量管理芯片；所述主站WIFI无线通信模块采用USR-C322低功耗WIFI模块；所述主站433MHz无线通信模块采用E10-433MS1W无线模块。
[0058] (1.2)主站WIFI无线通信模块
[0059] 考虑到主站需要在野外工作，又要符合低功耗要求，通过对比，设计时使用了USR-C322低功耗WIFI模块作为主站通讯功能，实现主站与控制终端的通讯。
[0060] (1.3)主站433MHz无线通信模块
[0061] 433M无线通信，使用E10-433MS1W无线模块，该模块采用基于SiliconLab公司的无线收发芯片Si4463-B01设计的，是一款高性能的433M无线收发模块，支持多种调制解调方式，使用433.92M的国际通用的ISM频段，最高波特率可达500Kbps。
[0062] (二)触发站
[0063] 触发站主要功能是接收主站下发的采样命令，亮起高亮指示灯，判断采样数据是否超出
阈值，准确的获取振动波触发事件，并发出触发采样命令；当检测到敲击
力度达到阈值，通过433MHz无线广播触发时间戳给采集站，指示灯灭，蜂鸣器响；同时也将触发
波形数据存储在触发站，等待主站读取。如图6所示，为触发站的原理框图。
[0064] 所述触发站包括触发站MCU控制单元、触发站433MHz无线通信模块、触发站电源管理模块、激发传感器、触发站信号调理电路、触发站高亮LED驱动电路、触发站LED指示灯、触发站蜂鸣器驱动电路和触发站蜂鸣器；
[0065] 触发站MCU控制单元采用SMT32F407芯片，所述触发站MCU控制单元与所述触发站433MHz无线通信模块之间双向连接；所述触发站MCU控制单元与所述触发站电源管理模块之间双向连接；所述激发传感器通过所述触发站信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元的输入端；所述触发站MCU控制单元的输出端通过所述触发站高亮LED驱动电路连接到所述触发站LED指示灯；所述触发站MCU控制单元的输出端通过所述触发站蜂鸣器驱动电路连接到所述触发站蜂鸣器。
[0066] (2.1)触发站信号调理电路
[0067] 触发站，最大的工作任务是对触发信号进行采样，判断锤子敲击产生的振动波
能量是否达到阈值，并发出同步采样时间戳，触发系统同步采样。触发站信号调理电路的基本工作原理如图7所示。
[0068] 所述触发站信号调理电路包括串联的前置放大器、可调增益放大器、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口。
[0069] (2.1.1)前置放大器
[0070] 触发站使用的加速度传感器为PE压电加速度传感器，该类传感器
输出信号为变化电荷信号。前置放大电路选用了具有高入阻抗、低噪声、高精度的
仪表放大器AD8426作为前置放大器。AD8426是一款双通道、低成本、宽
电源电压范围仪表放大器，仅需要一个外部
电阻来设置增益，增益范围为1至1000。适合各种不同的信号电压。AD8426的电路原理图如图8所示。
[0071] (2.1.2)可调增益放大器
[0072] 触发灵敏度的调节实现，是在前置放大电路之后加入一个可调增益放大器PGA112。PGA112是一款零漂移，可通过SPI接口调整放大倍数的可编程增益放大器。增益可在1～200倍之间调节，考虑到触发器传感器感应的信号幅度较大，触发站的PGA增益调节范围限制在1～20倍。PGA112的电路设计原理图9所示。经过前置放大器和PGA112调整，触发站的触发灵敏度，可以在一个比较宽的范围(1～20倍)内调整，不仅满足客户对触发灵敏度的调节需求，同时也满足不同应用场合的应用需求。
[0073] (2.2)其他电路
[0074] 触发站的433无线通信、电源管理、电池充电电路及电池选用与主站一致，在此不做重复介绍。
[0075] (三)采集站
[0076] 采集站在无线信号采集仪中，主要功能是接收主站通过433MHz无线下发的预采样命令，开始对传感器的信号进行预采样；等待接收触发站下发同步采样命令；采集8路的传感器信号，存储在采集站并等待主站通过433MHz无线读取。采集站的系统框图如图10所示。
[0077] 所述采集站包括采集站MCU控制单元、采集站433MHz无线通信模块、采集站电源管理模块、8个传感器采集通道、采集站高亮LED驱动电路、采集站LED指示灯、采集站蜂鸣器驱动电路和采集站蜂鸣器；8个传感器采集通道连接到所述采集站MCU控制单元的输入端；所述采集站MCU控制单元的输出端通过所述采集站高亮LED驱动电路连接到所述采集站LED指示灯；所述采集站MCU控制单元的输出端通过所述采集站蜂鸣器驱动电路连接到所述采集站蜂鸣器。
[0078] (3.1)传感器采集通道
[0079] 无线信号采集仪的测试效果主要取决于采集站的性能，传感器的信号
质量是决定采集站性能关键因素之一。如图11所示，为传感器采集通道的原理框图，每个所述传感器采集通道包括加速度传感器、采集站信号调理电路和模数转换电路；所述加速度传感器的输出端依次通过所述采集站信号调理电路和所述模数转换电路后，连接到所述采集站MCU控制单元的输入端。传感器的信号经过信号调理电路、ADC采样、
单片机、无线模块传到主站。
[0080] 如图12所示，为采集站信号调理电路的电路图，所述采集站信号调理电路包括串联的前置放大器AD8426、可编程放大器PGA112和精密运放TLV272。
[0081] 前置放大器、可调增益放大器分别使用了和触发站相同的AD8426、PGA112电路。ADC驱动器，采用了精密放大器TLV272作为ADC驱动器，同时也对输出的电平范围做了3倍左右的增益，调整到ADC的合适采样范围。ADC驱动器的电路图如图13所示。
[0082] 由于传感器与触发点位置的距离可从0.5m～50m甚至上百米，振动波在被测件中会有不同程度的衰减，因此采集站调理电路PGA112可调增益方位1～200倍。
[0083] (3.2)传感器接口电压灵敏度
[0084] 采集站的传感器接口灵敏度，主要指电压灵敏度，采集站的电压灵敏度关系采集站能采集到最小信号大小，间接影响该仪器可测试动态范围。假设采集站传感器接口输入电压Vi，前置放大器
输出电压Voins，PGA增益Gp的输出电压Vopga，ADC驱动电路的输出电压Voadc。采集站的传感器接口灵敏度影响因素电路如图14所示。
[0085] (3.3)ADC采样电路
[0086] 采集站信号质量除了前端模拟电路的调理外，还需要一个符合要求的ADC采样，ADC的性能决定了信号量化之后的误差。采集站的ADC，选用的德州仪器Burr-Brown产品线的ADS8568，该产品是TI推出针对工业应用、具有业界最高性能的16bits
模数转换器。ADS8568优异性能，完全满足该无线信号采集仪的0～4kHz模拟信号精密采样要求。
[0087] (3.4)模拟电源设计
[0088] 模拟电源的设计，关系到模拟电路的底噪问题，直接影响到可测试的最小传感器信号。采集站和触发站的传感器接口调理电路、ADC电路等都用到+5V、-5V的模拟电源。由于工作时采用电池供电，供电电压为3.4V～4.2V，因此需要DC-DC升压至+5.5V和反向逆变至-5.5V，再经过LDO降压滤波供给模拟电路。模拟电路的整体设计框图如图15所示。
[0089] 所述采集站和所述触发站均采用模拟电源；
[0090] 所述模拟电源包括3.4V～4.2V的电池电压、DC-DC变换电路和LDO降压滤波电路；
[0091] 所述电池电压通过所述DC-DC变换电路升压到+5.5V，以及，通过所述DC-DC变换电路逆变至-5.5V；+5.5V输出接口和-5.5V输出接口均连接到所述LDO降压滤波电路的输入端，所述LDO降压滤波电路的输出端与所述采集站和所述触发站的模拟电路的用电端连接。
[0092] DC-DC升压及逆变采用TPS65131，该IC能同时产生一路升压电源、一路反向负电压输出。其原理图如图16所示。
[0093] 5.5V转5.0V的LDO采用SPX3819，该LDO最大输出
电流500mA，输出噪声在40uVpp左右，同时具有较高的PSRR值。LDO电路设计如图17所示。
[0094] -5.5V转-5.0V的LDO采用TPS72301，该LDO是一个负电压低压差线性稳压器，其能稳定输出最大电流200mA的-5.0V电源，且具有
低电压噪声，高的PSRR。电路设计如图18所示。
[0095] 采用该种设计方式，不仅能保证具有高的电源转换效率，而且能输出稳定、低电源噪声的模拟电源，非常适合模拟采集站和触发站的模拟电源设计。
[0096] (3.5)其它电路设计
[0097] 采集站选用的433无线模块、电源管理电路、充放电电路及电池与主站相同，高亮LED、蜂鸣器选用与触发站相同，在此不再赘述。
[0098] 本实用新型提供的基于工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，应用于桥梁、道路、建筑行业的混凝土构件CT检测，具有以下创新设计：
[0099] 1)本实用新型中相关电路方案、器件选型、电路图纸设计等关键技术，属于同行业领导的创新性技术；
[0100] 2)本实用新型中，使用WIFI网络和433无线网络混合组网关键技术，属于同行业领导的创新性技术；
[0101] 3)本实用新型中，使用同步ADC+MCU的方式，作为多通道采集器低成本的设计方案，应用于同行业类似仪器的多通道采集器。
[0102] 4)本实用新型中，选用多通道高速16位同步ADC，配合MCU完成100Ksps、200Ksps、400Ksps等高速16位同步采样的关键设计方案，应用于同行业类似仪器的多通道采集器。
[0103] 因此，使用本实用新型提供的基于工程CT多通道高速同步ADC分布式无线采集仪，具有以下优点：
[0104] (1)在同行业工程CT仪类似仪器的应用，具有布线方便、容易使用、耐用等多个优点。
[0105] (2)使用该方案，由于电路方案的优化设计，该仪器使用电池可连续工作时间长，方便野外使用。
[0106] (3)由于是高速MCU配合无线433的组合方案替代现有的有线方案，作为采集器的无线网络同步，可实现同步误差小于10us的高精度同步采集。
[0107] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
