多道记录仪对低频信号:示波器的应用作为一个智能手机集成移动服务

文摘

数据采集和处理是众所周知的一段时间。许多应用程序使用强大的硬件获取、处理和可视化信号波形。但也有一些应用程序不需要进行高分辨率的信号采集和处理大量的数据,例如,低频率的应用嵌入式设计和应用程序的远程电网监控。本文描述特殊系统低频信号数据样本采集、处理和可视化实现为一个服务基于android系统的智能设备。服务使智能设备功能作为一个示波器或任意波形发生器可以通过蓝牙进行远程访问。设计方面低功耗要求,简单起见,在应用程序设计和用户友好。应用程序场景作为无线数据采集系统实现了电网监控。

1。介绍

利用强大的硬件信号数据采集、处理,只在某些情况下和可视化是有利的。硅工业的进步,特别是芯片生产商,因为仍然越挖越深,对有效解决方案的需求。这样的解决方案可以提供足够的性能与能耗的比例。特殊应用,如嵌入式系统的低频应用,要求这些结果。它不是有效的服务更高的采样率在这些情况下,由于更高的频率是伴随着强噪声的影响。也计算索赔和功耗较高时,虽然可靠,健壮的系统使用。

我们的目标是目标领域的测试和测量设备,目前的解决方案大多是建立在大功率、高性能、高分辨率高质量的解决方案,这是非常普遍的,而且非常昂贵。我们试图探讨解决方案,这将不是那么强劲但可能也很普遍为不提供足够的质量和可靠性要求测量。这种低成本的解决方案可以分配给其他用户,所以测量乘法可以达成。

选择控制单元在系统架构中扮演的关键角色规范。实现的智能设备,例如,智能手机,平板电脑,或者观看,可以相对强大的和可靠的技术的目的。由于相对大规模的传播这类设备在普通民众中,金融问题可以忽略。

现在的智能设备在一个设备组合多个模块,感知、通信、计算、和GUI,所以他们额外预计将被用于不同的目的,而不是现在传统的用法。

我们的系统是实现多道记录仪在示波器的应用设备设计收集、显示、并生成连续任意波形与可视化的目的服务的智能设备单元。两个设备通过蓝牙无线通信。本标准允许连接几乎任何现代智能设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑等)因为他们都已经把蓝牙连接。与此同时,无线通信提供电隔离测量系统(连接到示波器)和可视化单元,智能设备。无线连接的优点还在于用户的移动性。块系统测量方案的示意图如图1。

市场上不同的系统已经发布,包括业余的解决方案:(我)Xminilab [1),一个混合信号示波器基于ATXmega32 2模拟输入和最大采样频率2议员。(2)Oscillophone [2),一个可视化单元信号从150赫兹到15 kHz随着嵌入式信号发生器输出。(3)Xprotolab [3),和任意波形发生器基于混合信号示波器ATXmega单片机8位分辨率和2议员。

专业解决方案(4,5]能够取样至少在100 MHz频率在每个通道。这些解决方案是基于FPGA处理单元。

我们的目标是针对电力计量应用领域,利用这样的系统可以为更多的用户是有益的。这些不同的尝试已经检查;例如,在[6- - - - - -10),各种无线室内电力数据采集系统。几种方法和实现方案是利用;然而所有提到的解决方案实施只是一个特定的应用程序。系统通用性失踪了。

在[11- - - - - -14),类似的解决方案,我们的设计进行了描述;然而,他们主要用于教育目的实现的。WPANs利用率的劣势和优势远程计量研究的目的在15- - - - - -19]。解决方案兼容的真正定义一个便携式示波器可以在找到20.- - - - - -22]。

2。技术实现

示波器端设备有八个模拟差分输入通道(IN1 IN8)与可编程的敏感性。所有的输入都路由到终端。任意波形发生器的功能的一个模拟输出通道是路由到终端连接器。与用户沟通可视化设备,智能手机或平板电脑,使用BTM112蓝牙模块实现。为了保存测量数据MicroSD卡槽机上实现。

模拟的一部分直接由一个电池驱动的设备设计与能力为680 mAh锂电池。这部分包括预处理电路由一个小型网络,高精度、低静态电流运算放大器OPA2333。这些赞助方提供的电压至+ 1.8 V (±0.9 V)和+ 5.5 V (±2.75 V)。关于低压的优化设计,单电源运行应用程序,它们代表理想选择示波器的设计。网络接口OPA2333运算放大器连接到可编程增益运算放大器PGA117。可编程增益放大器(PGA)可以设置通过SPI接口。它有10个模拟输入,8作为模拟输入和两个作为参考线。PGA的增益范围可以通过编程从1 - 200倍的输入信号。

数字部分的设计是通过低压供电,低功耗线性调节器TPS71701。数字部分的主要元素以及整个示波器设备是MSP430F6638单片机。这个设备是超低功耗单片机组成的几个设备具有不同的外围设备针对各种应用程序。架构,结合五低功耗模式,优化达到延长电池寿命在便携式测量的应用。MSP430F6638与高性能单片机配置12位模数转换器(ADC),比较器,两个通用串行通信接口(USCI), USB 2.0,硬件乘法器,和许多更多。因为这个设备的典型应用包括模拟和数字传感器系统,数字电机控制,远程控制,恒温器,数字计时器,和手持米,这个设备的选择示波器应用程序是显而易见的。示波器实现的框图如图2。

用户的设备参数受限于使用示波器设备电子组件和模块:(我)智能设备之间的传输速度和示波器设备仅限于460.8 kbps。(2)二班蓝牙模块的通信距离,BTM112,仅限于10 m。(3)示波器的采样频率设备300增殖(使用单通道有其他渠道nonutilized)。(iv)电池操作时间至少8小时连续数据传输模式。

所描述的技术手段使设备工作在三种基本模式。用户可以选择以下操作模式之一:(我)摘要介绍示波器;(2)1通道任意波形发生器;(3)1-8-channel获得样本的数据记录器。

应该注意的是,软件以及硬件实现的设备正在不断发展中。

在摘要介绍示波器模式(见图3),该设备能够同时显示四个频道。限制输入信号影响的输入接口的限制网络运算放大器OPA2333。还活跃渠道中扮演重要角色的数量的限制输入信号(频率)的属性。关键限制代表300增殖最大的采样频率设置(单通道利用率)。在这种模式下,垂直距离、振幅比例可以调整的步骤10 mV /段。时间轴可以设置为10毫秒每段的变化。垂直和水平光标可以启用。简单的功能,比如检查信号的快速傅里叶变换,不同的测量信号,并添加两个测量信号可以通过选择适当的按钮。触发函数允许上升沿或者下降沿触发的测量。所有的输出都可以实时检查或可以保持稳定,直到用户干预。

的1通道任意波形发生器使用DAC主要单片机MSP430F6638的转换器。的极限输出电压范围从0 V AVCC等于3.3 V。时间更改设置FSR是在10 - 100之间μ年代。

图4显示了数据记录仪的功能。测量值被记录到嵌入式的MicroSD卡选择通道1到8。用户可以选择输出文件。根据选定的采样周期(频率)4 100 msμ年代。随着采样信号的频道数量的增加,采样周期随所选通道的数量。

在这种模式下,通道指定的字母“A”到“H”可以启用数据日志记录。分辨率的采样值可以选择从三个options-8位,十位,12位。采样频率可以调整从100赫兹到300赫兹。显然,类似限制申请数据记录仪模式以及示波器模式。这些限制与数据记录仪的功能示例值接近上限300 kHz只使用单通道。更多的频道是用于数据采集,采样频率越低。例如,使用所有8通道,每个单一通道的最大可行的采样频率为30 Hz。

在测试应用程序场景中,一个频道措施上的电网电压分压器用于它的输入范围。第二通道测量电压在电流互感器从制造商“ax - 1000 Talema。“电源导线穿过变压器设备连接到插座适配器。因此,变压器的电压与电流成正比的设备(当前还包括自己的消费)。的最大操作电流可以单片机转换器测量是10。输出电流流经功率闭锁继电器由制造商“JSL-D5N-K富士通。“使用继电器控制输出的两个线圈,激活的5 V的电压。可以加载组件的最大功率是厂家设定的2000 W (23]。

插座适配器电子驱动从开关电源“Myrra”生产商。开关电源变化稳定的交流电源工作电压3.3 V最大电流消耗750 mA。制造商保证开关电源效率是65%。我们没有观察到任何故障在其工作。插座适配器包括一个电荷泵TPS60401德州仪器。电荷泵连接电压逆变器和作为电源的双稳态继电器(23]。

改变电压使用电荷泵是有利的对于这个应用程序。主要原因是其高效率、低电路的复杂性。低输出电流可能看起来像一个缺点,因为更高的电流必须改变继电器的状态。然而意味着使用双稳态继电器的控制电流线圈可能不会保持保护继电器。它只需要短脉冲切换。由于继电器是唯一的组件,该组件使用一个负电位,这并不重要,如果这个张力波动。切换继电器足以有负电压的容量足够大的短脉冲会通过(23]。

解决方案是基于MSP430F6638单片机执行的基本处理和通信的智能设备的蓝牙通信模块。模拟部分由网络OPA2333运算放大器输入信号进行预处理,可编程增益放大器PGA117网络接口的单片机MSP430F6638 OPA2333放大器。数字部分的设计是提供的低压差线性稳压器TPS71701。

3所示。用例在智能电网计量

使用示波器观察一个电信号的变化随着时间的推移,这样电压和时间描述的形状不断画刻度尺。观察到的波形分析等属性振幅,频率、上升时间,时间间隔,扭曲等。现代数字仪器可以直接计算和显示这些属性(22]。

许多应用程序对数据采集和处理使用强大的硬件获取、过程,可视化信号波形。但有应用程序不需要进行高分辨率的信号采集和处理大量的数据,例如,低频率的应用嵌入式设计在教育和应用程序的远程电网监控。这贡献关注的一个示波器作为远程电网监控的集成移动服务。这需要低频信号数据样本采集、处理和可视化智能设备上。描述解决方案方面低功耗的设计要求,简单性和用户友好的控制应用程序的设计。这种解决方案的理念和核心设计作为案例研究背景为一位不愿透露姓名的私人公司在斯洛伐克便携式和无线数据采集系统对电网监测和便携式示波器和任意波形发生器装置。

智能电网计量是电力系统领域的近期发展援助的使用非传统能源与常规来源(并行23]。

实现效用之间的双向通信和智能电表的房屋,智能电网可以通过刺激居民分时电价降低高峰负荷采用更高效的使用家用电器(24- - - - - -27]。此外,这是有利于电网的技术人员。建议的解决方案旨在帮助检查电网和电动米。

智能设备示波器的目的是收集和显示(生成)连续任意波形。无线通信是通过蓝牙模块来执行的。这种通信技术允许连接几乎任何现代智能设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑等)因为他们把蓝牙连接。与此同时,无线通信提供了测量系统和可视化单元之间的电隔离,智能设备。

电网监控系统在电网能耗监测。它由一个测量装置的形式(内置)电网适配器和显示设备。电网适配器的任务是电网的电压和电流的测量。测量数据无线传输发送至可视化设备。电网适配器消耗不超过30 mW在测量。插座适配器能够打开或关闭输出,它允许远程控制设备或整个电网分支。此外,切换时间的基础上可以自动化,电力消耗,或适配器的温度。这个特性允许使用电网适配器作为电子保险丝(21]。

开发设备的应用领域包括远程电网监控、嵌入式系统教育,教育和测量。核心职责是评价交通拥堵和电网稳定,监测设备卫生、能源盗窃预防和控制战略的支持。今天,还电磁信号测量/分析是很重要的;时段和实时定价工具得到普及和先进开关和电缆。

该设备适用于智能建筑。它使电网服务工人继续更好的维护、检查、偏差,在电网和噪音。直接控制电源的设备是可能的。

这个想法和核心设计作为案例研究背景为一位不愿透露姓名的私人公司在斯洛伐克便携式和无线数据采集系统对电网监测和便携式示波器和任意波形发生器装置。

功率流控制设备,如电网适配器设计,夹在现有输电线路控制流内部的权力。输电线路使这些设备支持更多地使用(不仅可再生能源通过提供更加一致,实时地控制能量网格内的路由。这一技术使网格更有效地分配精力和可能间歇性可再生能源存储起来,供以后使用。特定的系统示意图如图5和6。

4所示。结论

本文描述了一个系统的移动示波器由几个模块组成。感觉设备用于模拟数据采集,示波器数据处理设备,移动设备的连续波形数据可视化。无线通信是通过蓝牙实现标准。无线通信提供电测量系统和可视化智能设备之间的隔离。简单的设计和系统的超低功耗需求是关键特性的。利用该装置可以在诊断设备和系统等需要隔离的测量装置和可视化单元。该设备可以以简单的可视化布局,简单的维护,低成本,低功耗。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

欧洲区域发展基金支持的研究项目和斯洛伐克国家预算”Electrotechnic研究基础设施的现代化,在Elektrotechnic材料,和信息技术”,itm 26210120021。

引用

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