[發(fā)明專利]一種低功耗弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310381606.X
• 申請(qǐng)日: 2013-08-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103458535A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周紅敏;屈永華;路欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W84/18
• 分類號(hào): H04W84/18;G08C17/02
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

1.一種低功耗弱信號(hào)數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊，其特征在于：它包括兩個(gè)部分：一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括主控MCU模塊、鋰電池充電及電源管理模塊、電壓及電流信號(hào)多通道采集模塊、電流及電壓信號(hào)放大自動(dòng)增益控制模塊、高精度微弱信號(hào)采集模塊、無(wú)線和有線傳輸模塊和數(shù)據(jù)同步采集、傳輸和存儲(chǔ)單元；二是接口模塊，由接線端子組成；整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)封裝在一個(gè)屏蔽殼中，接口模塊通過(guò)4組接插件與其連接，它們整體再封裝在金屬外殼內(nèi)；

所述主控MCU模塊是基于ARM‐CORTEX?M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103RBT6；鋰電池充電及電源管理模塊為其提供3.3V數(shù)字電源和3.3V模擬電源；通過(guò)IO口連接電壓及電流信號(hào)多通道采集模塊，完成通道選擇；通過(guò)IO口連接電流及電壓信號(hào)放大自動(dòng)增益控制模塊完成增益控制；通過(guò)SPI接口連接高精度微弱信號(hào)采集模塊；通過(guò)USART連接無(wú)線和有線傳輸模塊；通過(guò)SPI接口連接由鐵電和Flash組成的數(shù)據(jù)同步采集、傳輸和存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)單元；

所述鋰電池充電及電源管理模塊分別由穩(wěn)壓電路、充電管理芯片、3.7V鋰電池和電子式開(kāi)關(guān)構(gòu)成；充電電壓為5‐12V，它們彼此相互連接；該穩(wěn)壓電路是使用SP6205‐3.3，為系統(tǒng)數(shù)字部分提供3.3V電源，使用NCP500SN3為系統(tǒng)模擬部分提供3.3V電源，使用TPS60400為系統(tǒng)模擬部分提供‐3.3V電源；該充電管理芯片使用MCP73831‐2AI鋰電池充電管理芯片完成鋰電池充電和紅、綠LED指示燈指示充電狀態(tài)；該3.7V鋰電池為兩塊3.7伏4000毫安時(shí)鋰電池并聯(lián)而成，與充電保護(hù)集成在系統(tǒng)電路中；該電子式開(kāi)關(guān)使用NCP500SN3的使能端，通過(guò)主控MCU模塊的IO來(lái)控制系統(tǒng)模擬電源的開(kāi)、斷；

所述電壓及電流信號(hào)多通道采集模塊，其前端由接線端子、信號(hào)保護(hù)電路、信號(hào)選擇電路、信號(hào)切換電路組成；信號(hào)經(jīng)過(guò)8路電壓、8路電流接線端子后由信號(hào)保護(hù)電路對(duì)信號(hào)加以保護(hù)，由信號(hào)切換電路選擇采集電壓信號(hào)或電流信號(hào)，選擇電路選擇8路電壓或8路電流中的一路信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集電路；該接線端子是5.0mm間距3pin斜式接線端子；該信號(hào)保護(hù)電路是采用信號(hào)線磁環(huán)以消除、降低電磁干擾；該信號(hào)選擇電路是采用CD4052BM4通道模擬開(kāi)關(guān)選擇單端電壓信號(hào)、差分電壓信號(hào)和電流信號(hào)中的一路；該信號(hào)切換電路是對(duì)于電壓信號(hào)采用2片CD4052BM4通道模擬開(kāi)關(guān)對(duì)8路差分電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)選擇，對(duì)于電流信號(hào)采用CD4051BM8選1模擬開(kāi)關(guān)對(duì)8路電流信號(hào)選擇；

所述電流及電壓信號(hào)放大自動(dòng)增益控制模塊由精密運(yùn)放、模擬開(kāi)關(guān)和精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇設(shè)計(jì)好參數(shù)的精密電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)改變精密運(yùn)放的輸入與反饋電阻，從而改變運(yùn)放的增益；該精密運(yùn)放是LT1050高精度零漂移放大器；該模擬開(kāi)關(guān)是CD4052多通道模擬開(kāi)關(guān)；該精密電阻網(wǎng)絡(luò)是由0.1%精度的電路組成作為精密運(yùn)放的輸入和反饋電阻，它通過(guò)主控MCU模塊的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制；

所述高精度微弱信號(hào)采集模塊包括微弱電流調(diào)理電路、微弱電壓調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；由于電流、電壓信號(hào)均為微弱信號(hào)，需經(jīng)過(guò)微弱電流、電壓調(diào)理電路后才能進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中微弱電流調(diào)理電路和微弱電壓調(diào)理電路主要組件分別為濾波電路、精密電阻和高精密儀表運(yùn)放；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用24bits斬波穩(wěn)零放大器；在該系統(tǒng)中，獲取的信號(hào)是極其微弱的，系統(tǒng)噪聲很可能淹沒(méi)要采集的實(shí)際信號(hào)；系統(tǒng)使用斬波穩(wěn)零放大器，將失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化對(duì)運(yùn)算放大器的影響降低到了最小值；使用的高精密儀表運(yùn)放是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元，其兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻止很高，輸入偏置電流典型值為1nA‐50nA，輸出阻抗在低頻段通常只有幾個(gè)毫歐；

所述無(wú)線和有線傳輸模塊是ZigBee無(wú)線通信模塊，使用該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可靠性好,安全性高；它集合了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，高性能的微控制器，可編程的I/O和遠(yuǎn)距離的通信特點(diǎn)的全能型產(chǎn)品；

所述數(shù)據(jù)同步采集、傳輸和存儲(chǔ)單元包括USB接口與RS232接口兩種采集與傳輸模式；存儲(chǔ)單元由鐵電和FLASH存儲(chǔ)器組成，用于保存配置參數(shù)和采集的數(shù)據(jù)。