爆炸衝擊波高速數據採集器的製造方法
2023-05-13 21:09:11
爆炸衝擊波高速數據採集器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種爆炸衝擊波高速數據採集器，包括觸發電路和用於檢測爆炸信號的傳感器，還包括主處理器、延時電路和FIFO，所述傳感器用於將檢測到的爆炸信號分別傳遞給主處理器和觸發電路，所述主處理器用於經ADC通道接受傳感器的爆炸信號，並將接受到的爆炸信號存入FIFO中，所述觸發電路用於將接收到的爆炸信號與設定的觸發電壓閥值進行比較，輸出觸發信號控制延時電路產生脈衝信號，所述延時電路用於將產生的脈衝信號傳遞給主處理器，控制主處理器的ADC通道結束數據採樣。本爆炸衝擊波高速數據採集器能完整地採集到從爆炸或坍塌前瞬間一直延續到爆炸或坍塌結束的完整的衝擊波波形數據。
【專利說明】爆炸衝擊波高速數據採集器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及數據採集領域，特別涉及一種爆炸衝擊波高速數據採集器。
【背景技術】
[0002]爆炸衝擊波高速數據採集器是用於檢測爆炸衝擊信號波形而設計的，也適用於對房屋橋梁坍塌等瞬時劇變信號波形的監測等運用場合中。通常的爆炸衝擊波數據採集器的工作特點是:採集器平時處於空閒狀態，當爆炸或坍塌等事件發生時，採集器就及時跟進啟動採樣測量。但如何讓採集器在爆炸或坍塌發生瞬間就自動啟動採樣測量呢？這就需要外部觸發信號來有效觸發採集器。當然這觸發信號一定是伴隨爆炸或坍塌等事件的瞬間發生而產生，隨著事件的進展而逐漸增強的。因此觸發信號越早能對採樣進行有效觸發啟動，即觸發信號能產生有效觸發的信號越微弱，就越能接近完整地測得爆炸或坍塌瞬間劇變的信號波形。但是畢竟先有爆炸或坍塌發生，再有觸發信號的產生，因此無論觸發信號如何微弱，都不能獲得完整的爆炸或坍塌全過程信號波形。
[0003]傳統數據採集外觸發方式及缺點:要使能觸發信號的有效觸發，首先就要按照需求設置一定的能使觸發信號產生有效觸發的閥值電壓條件，當輸入的觸發信號波形流中某一個波段達到或超過這一閥值電壓條件時，就會產生O到1，或I到O的翻轉電平來啟動數據採集器開始採集工程參數的操作。可見靠外觸發信號啟動採集器採樣，只能採到觸發信號發生有效觸發之後的被測模擬信號波形。外觸發信號一般通過一個觸發電路來獲取，簡單的觸發電路可採用一個比較器來實現，如圖7所示，觸發電壓的閥值可由分壓電阻Rl和分壓電阻R2對供電電壓VCC的分壓來獲得，改變分壓電阻Rl和分壓電阻R2的阻值比例，就可設定所需要的觸發電壓閥值。當輸入的被測模擬信號(即外觸發信號)電壓與觸發電壓閥值進行比較，當模擬信號電壓大於觸發電壓閥值時，比較器輸出的觸發信號從「O」跳變至「1」，觸發信號發生有效觸發，也就是觸發信號啟動了採集器開始採樣。
[0004]靠外觸發信號啟動採集器採樣的方法，只能採集到模擬電壓信號大於設定的觸發電壓閥值後的波形，因此為了儘可能測得完整的爆炸或坍塌瞬間劇變模擬信號波形，需儘可能的調低觸發電壓閥值，然而當觸發電壓閥值過低時，在幹擾，熱噪聲的作用下，容易導致誤觸發。因此，傳統的爆炸瞬間外觸發啟動採樣方式存在觸發信號的觸發電壓閥值難以確定，造成衝擊波信號波形採集數據丟失等問題，難以完整採集到爆炸或坍塌瞬間的信號波形數據。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是針對現有技術存在的不足，提供一種爆炸衝擊波高速數據採集器，本爆炸衝擊波高速數據採集器能完整地採集到從爆炸或坍塌前瞬間一直延續到爆炸或坍塌結束的完整的衝擊波波形數據。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現的:一種爆炸衝擊波高速數據採集器，包括觸發電路和用於檢測爆炸信號的傳感器，還包括主處理器、延時電路和FIFO，所述傳感器用於將檢測到的爆炸信號分別傳遞給主處理器和觸發電路，所述主處理器用於經ADC通道接受傳感器的爆炸信號，並將接受到的爆炸信號存入FIFO中，所述觸發電路用於將接收到的爆炸信號與設定的觸發電壓閥值進行比較，輸出觸發信號控制延時電路產生脈衝信號，所述延時電路用於將產生的脈衝信號傳遞給主處理器，控制主處理器的ADC通道結束數據採樣。
[0007]所述FIFO由外部擴展RAM構成。
[0008]所述外部擴展RAM採用型號為CY7C1081DV33的異步SRAM。
[0009]所述主處理器與一上位機連接，用於將外部擴展RAM中的全部採樣數據順序上傳給上位機，所述上位機用於接收、處理、顯示和存儲主處理器所上傳的採樣數據。
[0010]所述主處理器的觸發電壓閥值信號輸出端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端之間設有F/ν轉換電路和低通濾波電路，所述F/V轉換電路包括運放U2A、電阻RWl、電阻RW2,電阻R5、電容CW1、電容CW2，所述運放U2A的同相輸入端分別與電阻RW2的一端、電容CW2的一端連接，電容CW2的另一端接地，電阻RW2的另一端分別與電阻RWl的一端、電容Cffl的一端連接，電容CWl的另一端接地，電阻RWl的另一端與主處理器的PWM輸出端連接，所述運放U2A的反相輸入端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端與運放U2A的輸出端連接，所述低通濾波電路包括運放U2B、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C12、電容C13，運放U2B的同相輸入端分別與電阻R7的一端、電容C12的一端連接，電容C12的另一端接地，電阻R7的另一端分別與電阻R6的一端、電容C13的一端連接，電阻R6的另一端與運放U2A的輸出端連接，電容C13的另一端分別與運放U2B的反相輸入端、運放U2B的輸出端連接，運放U2B的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端分別與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。
[0011]所述主處理器採用型號為STM32F103R6T7的MCU模塊。
[0012]所述觸發電路採用型號為LM193的比較器U1A。
[0013]所述延時電路包括型號為74LS121的單穩態觸發器Ul以及電阻R1、電阻R4、電容Cl、電容C2，所述單穩態觸發器Ul的第5個引腳與觸發電路的輸出端連接，所述單穩態觸發器Ul的第10個引腳與電容Cl的一端連接，電容Cl的另一端分別與電阻Rl的一端、單穩態觸發器Ul的第11個引腳連接，電阻Rl的另一端與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第14個引腳與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第3、4個引腳接地，所述單穩態觸發器Ul的第6個引腳與電容C2的一端、電阻R4的一端連接，電容C2的另一端接地，電阻R4的另一端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。
[0014]採用了上述方案，使本實用新型具有以下優點:由於本爆炸衝擊波高速數據採集器是用由被測爆炸信號經比較器而產生的觸發信號，不是去觸發啟動採集器開始進行採樣操作，而是去觸發採集器停止採樣操作。因此這種觸發採集方式能夠記錄觸發之前到觸發以後整個過程的波形，從而可以完整地採集到從爆炸或坍塌前瞬間一直延續到爆炸或坍塌結束的完整的衝擊波波形數據，且不存在觸發信號的觸發電壓閥值難以確定的問題，觸發電壓閥值的設定不影響採集到的衝擊波波形數據的完整性。
[0015]本採集器接口電路簡單，採集精度高，操作方便，能完整記錄衝擊波波形，非常適合爆炸過程測量的場合。
[0016]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的原理框圖；
[0018]圖2為本實用新型的主處理器的電路圖；
[0019]圖3為本實用新型的外部擴展RAM的電路圖；
[0020]圖4為本實用新型的F/V轉換電路、低通濾波電路的電路圖；
[0021]圖5為本實用新型的觸發電路、延時電路的電路圖；
[0022]圖6為本實用新型通過外觸發信號觸發採樣結束的高速數據採樣時序圖；
[0023]圖7為傳統數據採集觸發示意圖。
【具體實施方式】
[0024]參見圖1，一種爆炸衝擊波高速數據採集器，包括觸發電路和用於檢測爆炸信號的傳感器，所述傳感器的輸出端配置有信號調理電路。所述信號調理電路的主要功能就是對傳感器的輸出信號進行放大處理。傳感器一般使用探測衝擊波的傳感器，由於傳感器的輸出信號比較弱，所以後續應配置放大電路對傳感器的輸出信號進行放大。放大電路所使用的運算放大器的可選品種很多，如低功耗、高精度儀表放大器AD620。該採集器還包括主處理器、延時電路和FIFO。FIFO設置成環形。所述FIFO由外部擴展RAM構成。所述傳感器用於將檢測到的爆炸信號分別傳遞給主處理器和觸發電路，所述主處理器用於經ADC通道接受傳感器的爆炸信號，並將接受到的爆炸信號按時間順序存入外部擴展RAM的FIFO中，所述觸發電路用於將接收到的爆炸信號與設定的觸發電壓閥值進行比較，輸出控制信號控制延時電路產生脈衝信號，所述延時電路用於將產生的脈衝信號傳遞給主處理器，控制主處理器的ADC通道結束數據採樣。
[0025]所述主處理器與一上位機連接，用於將FIFO中的全部採樣數據順序上傳給上位機，所述上位機用於接收、處理、顯示和存儲主處理器所上傳的FIFO中的全部採樣數據。上位機可由一臺PC機來實現，在上位機上需開發一個軟體以完成對數據數據採集器採集行為進行控制以及通訊、數據採集、存檔、顯示、回放等功能。控制功能描述如下:1.可對採集器的外部採樣觸發信號的比較閥值進行配置，使得外部觸發信號在達到自己希望的電壓閥值時進行有效觸發處理器。2.可對採集器在外部觸發信號發生有效觸發後的延時採樣定時時間Λ t進行設置，使得處理器內置的ADC能在外部觸發信號有效觸發後預定的採樣時間段後停止。3.採樣結束後，上位機可向採集器發送上傳採樣數據的指令，使得採集器將外部SRAM中採樣數據全部上傳給上位機。
[0026]參見圖2和圖3，所述主處理器採用型號為STM32F103R6T7的MCU模塊。該處理器為增強型MCU，使用了高性能的ARM Cortex-M3的32位RISC內核，64個管腳，工作頻率為72M，內置高速32K字節的快閃記憶體和20K字節的SRAM。具有豐富的1/0埠和功能。包括3個12bit精度的A/D轉換器，5個USART/UART接口等等。STM32F103R6T7通過數據/地址/控制總線實現外部擴展RAM的擴展。由於外部擴展RAM存儲器容量直接決定FIFO的大小和有效數據採集的持續時間ΛΤ。因此需儘可能的使用大容量的靜態外部RAM。本實用新型的外部擴展RAM選用Cypress公司的兩片32MX 16位異步SRAM CY7C1081DV33。
[0027]所述主處理器用於輸出觸發電壓閥值給觸發電路。所述主處理器的觸發電壓閥值信號輸出端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端之間設有F/V轉換電路和低通濾波電路，參見圖4，所述F/V轉換電路包括運放U2A、電阻RWl、電阻RW2、電阻R5、電容CWl、電容CW2，所述運放U2A的同相輸入端分別與電阻RW2的一端、電容CW2的一端連接，電容CW2的另一端接地，電阻RW2的另一端分別與電阻RWl的一端、電容CWl的一端連接，電容CWl的另一端接地，電阻RWl的另一端與主處理器的PWM輸出端連接，所述運放U2A的反相輸入端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端與運放U2A的輸出端連接，所述低通濾波電路包括運放U2B、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C12、電容C13，運放U2B的同相輸入端分別與電阻R7的一端、電容C12的一端連接，電容C12的另一端接地，電阻R7的另一端分別與電阻R6的一端、電容C13的一端連接，電阻R6的另一端與運放U2A的輸出端連接，電容C13的另一端分別與運放U2B的反相輸入端、運放U2B的輸出端連接，運放U2B的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端分別與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。所述運放U2A、運放U2B的型號為LM358。
[0028]參見圖5，所述觸發電路採用型號為LM193的比較器U1A。所述延時電路為單穩延時電路。該單穩延時電路包括型號為74LS121的單穩態觸發器Ul以及電阻R1、電阻R4、電容Cl、電容C2，所述單穩態觸發器Ul的第5個引腳與觸發電路的輸出端連接，所述單穩態觸發器Ul的第10個引腳與電容Cl的一端連接，電容Cl的另一端分別與電阻Rl的一端、單穩態觸發器Ul的第11個引腳連接，電阻Rl的另一端與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第14個引腳與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第3、4個引腳接地，所述單穩態觸發器Ul的第6個引腳與電容C2的一端、電阻R4的一端連接，電容C2的另一端接地，電阻R4的另一端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。
[0029]本實用新型的工作原理為:被測爆炸模擬信號經過信號調理電路一定增益的放大後，分離出均等的兩路信號，一路信號輸入比較器，由比較器後續的單穩延時電路產生寬度為At的正脈衝信號，正脈衝信號的下降沿(後沿)結束採集器的數據採樣進程；另一路可直接輸入主處理器(STM32F103R6T7)的模擬採樣通道進行A/D轉換。主處理器(STM32F103R6T7)通過其PWM功能，產生一路PWM信號，輸入由U2A構成F/V轉換電路和後續的由U2B構成的低通濾波電路。低通濾波電路的輸出電壓Vbj與PWM的佔空成正比。在比較器UlA上，被測爆炸信號電壓AN_in與Vbj比較，當AN_in大於Vbj時，比較器UlA就輸出的一個正信號進入後續由74LS121構成單穩延時電路，單穩延時電路被「正信號」的上升沿觸發後就產生一個寬度為At的正脈衝信號，At由時間常數R1*C1決定。正脈衝信號的下降沿將結束採集器的數據採集進程。
[0030]在常態下採集器一般是正常工作著，時時刻刻監測著輸入的被測模擬信號和外觸發信號。即採集器一上電就進入正常的工作狀態，對被測模擬信號進行持續的高速採樣，並將採集的數據存入採集器中由內存RAM構成的FIFO中。經過AT的採樣時間之後，新存入FIFO中採樣數據就會自動地覆蓋AT時間之前的採樣數據。因此有效數據採集的持續時間ΔΤ就是採集器將採樣數據存滿整個FIFO的全部內存容量(即從啟動採樣到數據覆蓋以前)所能持續的採樣時間。可見AT與FIFO的容量成正比。只要採集器每次啟動高速數據採樣進程時，能進行有效數據採集的持續時間△ T大於被測爆炸或坍塌過程所持續的時間bt時，那麼就能發揮出後觸發高速數據採集的最大優點:即能夠完整地採集到從爆炸或坍塌前瞬間一致延續到爆炸或坍塌結束的完整的衝擊波波形數據，因為採集器一旦啟動高速數據採樣進程後，它就將採樣數據連續地存入在它的內存RAM中開闢的環形FIFO中。當FIFO存滿採樣數據後，新的採樣數據就會自動覆蓋以前的採樣數據。本實用新型採用同樣的外觸發信號去啟動一個時間常數為At的延時電路，延時電路在經過At的延時之後，產生一個負跳變信號去結束採集器的高速數據採樣操作。令被測爆炸或坍塌過程所持續的時間為bt，令被測爆炸或坍塌信號從零上升到觸發電壓閥值所用的時間為btl。如圖6所示，只要At彡bt - btl, ΔΤ彡At+btl，FIFO中所存放的完整的爆炸或坍塌採樣數據就不會被覆蓋掉，採集器就能毫無遺漏地採集到爆炸或坍塌結髮生劇變的完整過程。
[0031]當然，本實用新型不僅僅局限於上述實施例，在實際設計中本實用新型還可省去專門的延時電路，可將外觸發信號直接接入採集器中主處理器的某個引腳，由該外觸發信號去啟動處理器的某個定時器，定時器的定時時間就設定為At。那麼在外觸發信號有效啟動定時器後，定時器就能在經過At的延時後發生中斷，請求採集器的主處理器去終止採集器的高速採樣操作。
[0032]為了提高採集器進行高速數據採集的採樣速度時，採樣器在進行數據採集時不進行採樣數據的實時傳輸給上位機(即一臺PC機)，而邊採樣邊將採樣數據按時間順序地存入在外部RAM開闢的FIFO中。直到採樣結束後，就可通過UART將採集的數據發送給上位機。由於STM32F103R6T7自身有20K的內部SRAM給程序運行用，所以可將外部的64MX16位SRAM全部設置成一個FIFO。
[0033]本實用新型使用一款ARM7內核的MCU開發了一種「後觸發瞬時劇變信號的高速採集器」。該採集器將觸發信號進行延時後觸髮結束採樣進程的工作模式，克服了爆炸時刻不確定性困難，實現了及時有效完整記錄爆炸過程的功能。其接口電路簡單，採集精度高，非常適合爆炸過程測量的場合，有著廣泛的運用前景。
【權利要求】
1.一種爆炸衝擊波高速數據採集器，包括觸發電路和用於檢測爆炸信號的傳感器，其特徵在於:還包括主處理器、延時電路和FIFO，所述傳感器用於將檢測到的爆炸信號分別傳遞給主處理器和觸發電路，所述主處理器用於經ADC通道接受傳感器的爆炸信號，並將接受到的爆炸信號存入FIFO中，所述觸發電路用於將接收到的爆炸信號與設定的觸發電壓閥值進行比較，輸出觸發信號控制延時電路產生脈衝信號，所述延時電路用於將產生的脈衝信號傳遞給主處理器，控制主處理器的ADC通道結束數據採樣。
2.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述FIFO由外部擴展RAM構成。
3.根據權利要求2所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述外部擴展RAM採用型號為CY7C1081DV33的異步SRAM。
4.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述主處理器與一上位機連接,用於將外部擴展RAM中的全部採樣數據順序上傳給上位機，所述上位機用於接收、處理、顯示和存儲主處理器所上傳的採樣數據。
5.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:主處理器的觸發電壓閥值信號輸出端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端之間設有F/V轉換電路和低通濾波電路，所述F/V轉換電路包括運放U2A、電阻RWl、電阻RW2、電阻R5、電容CWl、電容CW2，所述運放U2A的同相輸入端分別與電阻RW2的一端、電容CW2的一端連接，電容CW2的另一端接地，電阻RW2的另一端分別與電阻RWl的一端、電容CWl的一端連接，電容CWl的另一端接地，電阻RWl的另一端與主處理器的PWM輸出端連接，所述運放U2A的反相輸入端與電阻R5的一端連接，電阻R5的另一端與運放U2A的輸出端連接，所述低通濾波電路包括運放U2B、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C12、電容C13，運放U2B的同相輸入端分別與電阻R7的一端、電容C12的一端連接，電容C12的另一端接地，電阻R7的另一端分別與電阻R6的一端、電容C13的一端連接，電阻R6的另一端與運放U2A的輸出端連接，電容C13的另一端分別與運放U2B的反相輸入端、運放U2B的輸出端連接，運放U2B的輸出端與電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端分別與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。
6.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述主處理器採用型號為STM32F103R6T7的MCU模塊。
7.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述觸發電路採用型號為LM193的比較器U1A。
8.根據權利要求1所述的爆炸衝擊波高速數據採集器，其特徵在於:所述延時電路包括型號為74LS121的單穩態觸發器Ul以及電阻R1、電阻R4、電容Cl、電容C2，所述單穩態觸發器Ul的第5個引腳與觸發電路的輸出端連接，所述單穩態觸發器Ul的第10個引腳與電容Cl的一端連接，電容Cl的另一端分別與電阻Rl的一端、單穩態觸發器Ul的第11個引腳連接，電阻Rl的另一端與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第14個引腳與電源VCC連接，所述單穩態觸發器Ul的第3、4個引腳接地，所述單穩態觸發器Ul的第6個引腳與電容C2的一端、電阻R4的一端連接，電容C2的另一端接地，電阻R4的另一端與觸發電路的觸發電壓閥值信號輸入端連接。
【文檔編號】G05B19/042GK204028622SQ201420480711
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月25日 優先權日:2014年8月25日
【發明者】尹軍, 湯碧紅, 何慶華, 顏樂先, 任新生, 徐力, 萇飛霸, 潘克新 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學第三附屬醫院