Многоканальный цифровой регистратор сигналов

Многоканальный цифровой регистратор сигналов относится к информационно-измерительной технике и может быть использован для сбора и обработки сигналов, преимущественно акустических сигналов многоэлементных приемных антенн, состоящих из обратимых преобразователей и/или приемников колебательной скорости с использованием, в том числе многоканальных систем сбора и регистрации гидроакустических данных. Регистратор включает микроконтроллерный блок, оснащенный высокостабильным генератором тактовой частоты, приемным трактом, состоящим из последовательно соединенных блока многоканальных коммутаторов, согласующих усилителей и аналого-цифрового преобразователя, а также модуль самотестирования, который включает последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь микроконтроллерного блока, формирующий фильтр, усилитель мощности, датчик тока потребления, соединенный также с АЦП микроконтроллера через согласующий усилитель, и многоканальный аналоговый коммутатор, соединенный с блоком коммутаторов приемного тракта и микроконтроллером. Технический результат - повышение достоверности регистрации входных данных за счет тестирования всего приемного тракта регистратора, включая первичные преобразователи, с вычислением таких параметров приемного тракта, как сквозной коэффициент передачи приемного тракта и аналого- и фазочастотных характеристик приемного тракта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для сбора и обработки сигналов, преимущественно акустических сигналов многоэлементных приемных антенн, состоящих из обратимых преобразователей и/или приемников колебательной скорости с использованием, в том числе многоканальных систем сбора и регистрации гидроакустических данных.

Известны различные регистраторы сигналов, например «Автономный регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга шахтных сооружений» (Приборы и техника эксперимента, 2013, №1, с. 141-143), «Регистратор сейсмических сигналов» (патент РФ 2205428) и другие.

Основной недостаток подобных систем состоит в отсутствии средств самоконтроля, что при использовании в полевых условиях может привести к снижению достоверности получаемых результатов за счет влияния факторов среды как на характеристики преобразователей, так и на работу электронных компонентов устройств в целом.

Из существующего уровня техники наиболее близким по решаемым задачам и технической реализации является регистратор, представленный в патенте РФ №2331087, МПК G01V 1/24. Прибор основан на использовании микроконтроллера, под управлением которого происходит опрос первичного преобразователя, усиление принятого сигнала, последующее аналого-цифровое преобразование сигнала и сохранение результатов на энергонезависимую память данных. Коммутатор, согласующий усилитель и последующий модуль АЦП с цифровым фильтром образуют приемный тракт регистратора. Для проверки работоспособности автономного регистратора в полевых условиях регистратор снабжен встроенным модулем самотестирования, включающим генератор тестового сигнала и коммутатор приемного тракта, который под управлением микроконтроллера подает на вход приемного тракта тестовый сигнал. Заявляемая схема регистратора позволяет проводить тестирование только приемного тракта регистратора. Результат самотестирования отображается в виде световой индикации.

Недостатком данного решения является, во-первых, то, что модуль самотестирования не обеспечивает тестирование первичного преобразователя, исключает измерения таких параметров тракта аналогово-цифрового преобразователя, как коэффициент преобразования, аналого- и фазочастотных характеристик. Результат самотестирования ограничен лишь световой сигнализацией и не позволяет проводить автоматическую коррекцию параметров приемного тракта по результатам самотестирования.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение достоверности регистрации входных данных

Технический результат - тестирование всего приемного тракта регистратора, включая первичные преобразователи, с вычислением таких параметров приемного тракта, как сквозной коэффициент передачи приемного тракта и аналого- и фазочастотных характеристик приемного тракта

Поставленная задача решается многоканальным цифровым регистратором сигналов, который включает микроконтроллерный блок, управляющий высокостабильным генератором тактовой частоты, модулем самотестирования и приемным трактом, состоящим из последовательно соединенных блока многоканальных коммутаторов, согласующих усилителей и аналого-цифрового преобразователя, при этом приемный тракт дополнительно снабжен соединенным с аналого-цифровым преобразователем многоканальным масштабирующим усилителем с программируемыми коэффициентами усиления, а модуль самотестирования включает последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь микроконтроллерного блока, формирующий фильтр, усилитель мощности, датчик тока потребления, соединенный также с АЦП микроконтроллера через согласующий усилитель, и многоканальный аналоговый коммутатор, соединенный с блоком коммутаторов приемного тракта и микроконтроллером.

На чертеже представлена структурная схема заявляемого многоканального цифрового регистратора сигналов, где 1 - многоканальный входной коммутатор; 2 - многоканальный аналоговый коммутатор модуля самотестирования; 3 - согласующие усилители; 4 - многоканальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления; 5 - многоканальный низкочастотный фильтр с регулируемой частотой пропускания; 6 - многоканальный АЦП; 7 - датчик тока; 8 - усилитель мощности; 9 - формирующий фильтр; 10 - согласующий усилитель, 11 - микроконтроллерный блок управления; 12 - модуль энергонезависимой памяти; 13 - порт несинхронной передачи данных; 14 - блок питания; 15 - генератор тактовой частоты; 16 - блок АЦП; 17 - компаратор; 18 - блок ЦАП в составе микроконтроллера, 19 - вход внешний синхронизации.

Заявляемый многоканальный регистратор сигналов включает приемный тракт, состоящий из соединенных последовательно входного многоканального коммутатора (1.n), согласующего усилителя (3.n), многоканального усилителя с программируемым коэффициентом усиления 4, многоканального аналогового НЧ фильтра (5) с регулируемой частотой пропускания и многоканального АЦП (6). При этом каждый канал регистратора содержит индивидуальный входной коммутатор (1.1 до 1.n) и индивидуальный согласующий усилитель (3.1 до 3.n), подключаемые ко входу многоканального усилителя с программируемым коэффициентом усиления (4). Выход u1 АЦП (6) связан интерфейсом передачи данных с микроконтроллерным блоком управления (11). Управление и конфигурация тракта аналого-цифрового преобразования осуществляется через единую шину управления.

Модуль самотестирования предлагаемого многоканального регистратора сигналов состоит из последовательно соединенных ЦАП (18) микроконтроллера (11), формирующего фильтра (9), усилителя мощности (8), датчика тока (7) и аналогового коммутатора (2). Датчик тока (7) через согласующий усилитель (10) соединен с блоком АЦЦ (16) микроконтроллера (11), а многоканальный аналоговый коммутатор (2) модуля самотестирования соединен с микроконтроллером (11). Термостатированный генератор тактовой частоты (15) подсоединяется к специальным вводам микроконтроллера, обеспечивает регистратор высокостабильным сигналом синхронизации. Внешняя синхронизация обеспечивается наличием входа (19) микроконтроллерного блока управления. При работе в автономном режиме регистратор снабжается модулем энергонезависимой памяти (12). Управление блоком питания (14) с помощью компаратора (17) осуществляет микроконтроллерный блок управления. Внешнее управление и конфигурирование регистратора осуществляется модулем передачи данных (13).

Регистратор сигналов работает следующим образом: микроконтроллерный блок управления (11) через модуль передачи данных (13) программируют в соответствие с требованием к проведению измерений: устанавливают время начала запуска программы измерения, длительность непрерывных измерений, частоту дискретизации АЦП (6), граничную частоту фильтра НЧ (5), количество (n) доступных каналов измерения, коэффициент усиления масштабирующего усилителя (4) по каждому каналу. Выбранные параметры конфигурации сохраняются во внутренней энергонезависимой памяти микроконтроллерного блока управления (11). По внешнему сигналу синхронизации, поступающему на вход (19) внешней синхронизации микроконтроллерного блока управления, регистратор через заданный промежуток времени приступает к выполнению программы тестирования первичных преобразователей методом взаимности. Для этого через коммутатор (2) и соединенный с ним входной коммутатор (1.1) переводят один из первичных преобразователей в активный режим излучения, а остальные преобразователи - в режим приема. Выход ЦАП (18) микроконтроллерного блока управления генерирует сигнал заданной частоты, который через НЧ фильтр (9) и усилитель мощности (8) подается через коммутатор (2) на выбранный активный первичный преобразователь.

Сигнал, пропорциональный току возбуждения активного преобразователя, поступает на вход АЦП (16) микроконтроллерного блока управления. Остальные первичные преобразователи работают в режиме приема и регистрируют сигнал, излучаемый активным преобразователем. Сигналы с первичных преобразователей поступают на индивидуальные входы АЦП (6) через индивидуальные тракты, состоящие из последовательно соединенных согласующих усилителей (3), многоканального масштабирующего усилителя (4), многоканального НЧ фильтра (5). Преобразованный цифровой сигнал от АЦП 6 поступает на вход микроконтроллерного блока управления (11), где формируются пакеты данных, содержащие отсчеты сигнала тока возбуждения активного преобразователя и отсчеты сигнала приемных преобразователей. Программа градуировки последовательно выполняется в зависимости от количества тестируемых приемных преобразователей, переводя каждый следующий преобразователь в активный режим, а остальные преобразователи - в режим приема и регистрируя сигналы тока возбуждения активного преобразователя и сигналы напряжения приемных преобразователей.

В результате тестирования формируются коэффициенты чувствительности приемных трактов и коэффициент усиления многоканального масштабирующего усилителя (4). По окончанию выполнения программы тестирования микроконтроллерный блок управления выполняет основную программу измерения и регистрации данных. Коммутаторы (1) и (2) подключают выходы приемных преобразователей на соответствующие входы индивидуальных согласующих усилителей (3), последовательно соединенных с многоканальным масштабирующим усилителем (4) с программируемым коэффициентом усиления, многоканальным НЧ фильтром (5) и АЦП (6). Преобразованные цифровые данные с выхода АЦП (6) поступают на вход микроконтроллерного блока управления, где из них формируются пакеты данных и сохраняются на внешний модуль (12) энергонезависимой памяти. Параллельно выполнению процесса сбора данных микроконтроллерный блок управления регистрирует посредством компаратора (17) напряжение на выходе блока питания (14). При изменении напряжения на выходе блока питания ниже заданного порога процесс регистрации данных останавливается.

Регистратор изготовляется из стандартных элементов. Например, в качестве многоканального АЦП может быть использована микросхема 24-разрядного дельта-сигма АЦП ADS1274. Многоканальный масштабирующий усилитель может быть реализован на микросхеме PGA5807, в качестве генератора тактовой частоты возможно использование термостатированного кварцевого генератора ГК193-ТС производства ООО «БМГ-Кварц», обеспечивающего температурную стабильность не хуже 10^-8. Блок энергонезависимой памяти стандартен и может быть выполнен на базе твердотельных карт памяти стандарт SD емкостью до 64 ГБ. Микроконтроллерный блок управления может быть выполнен на базе 32 разрядных микроконтроллеров семейства PIC32, имеющего в своем составе модуль ЦАП, АЦП, цифровые порты передачи данных - стандарта SPI.

Таким образом заявляемый многоканальный цифровой регистратор сигналов позволяет решить поставленную задачу и получить заявленный технический результат, а именно повысить достоверность регистрации сигналов за счет проведения тестирования всего приемного тракта регистратора, включая первичные преобразователи сигнала, и последующей настройки параметров тракта аналого-цифрового преобразования, включая коэффициент усиления масштабирующего усилителя и граничную частоту фильтра. За счет наличия датчика тока (7) в составе модуля самотестирования регистратор позволяет измерить уровень излучаемого сигнала, что дает возможность осуществить индивидуальную настройку коэффициентов усиления приемных трактов с учетом коэффициента передачи первичных преобразователей, а значит и устранить разброс сквозных коэффициентов передачи приемных трактов, возникающий из-за технологического разброса параметров элементов, входящих в состав регистратора, что в конечном итоге улучшает работу заявляемой приемной системы.

Помимо контроля работоспособности регистратора за счет своевременного выявления возможных отказов первичных преобразователей, что возможно и в прототипе, регистратор позволяет осуществлять оперативную настройку коэффициентов усиления приемных трактов с целью устранения разброса сквозных коэффициентов передачи приемных трактов, возникающий в процессе эксплуатации за счет, например, различных температурных условий или в процессе старения входящих в состав элементов. Кроме этого, в случае отказа и последующей замены, например, первичного преобразователя имеется возможность продолжить работу регистратора без проведения калибровочных работ, связанных, как правило, со снятием системы с позиции, а сам заменяемый первичный преобразователь может быть и некалиброванным. Наличие датчика тока в составе устройства позволяет поддерживать стабильный уровень контрольного сигнала независимо от внешних факторов, что также положительно сказывается на достоверности результатов самотестирования, то есть в конечном итоге и достоверности регистрации.

1. Многоканальный цифровой регистратор сигналов, включающий микроконтроллерный блок, оснащенный высокостабильным генератором тактовой частоты, модулем самотестирования и приемным трактом, состоящим из последовательно соединенных блока многоканальных коммутаторов, согласующих усилителей и аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что приемный тракт дополнительно снабжен соединенным с аналого-цифровым преобразователем многоканальным масштабирующим усилителем с программируемыми коэффициентами усиления, а модуль самотестирования включает последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь микроконтроллерного блока, формирующий фильтр, усилитель мощности, датчик тока потребления, соединенный также с АЦП микроконтроллера через согласующий усилитель, и многоканальный аналоговый коммутатор, соединенный с блоком коммутаторов приемного тракта и микроконтроллером.

2. Многоканальный цифровой регистратор сигналов по п. 1, отличающийся тем, что он оборудован модулем энергонезависимой памяти.