一种层叠式大容量信号采集传输系统及其设计方法

1.本发明属于传感器信号采集、传输和控制技术领域，具体涉及一种层叠式大容量信号采集传输系统及其设计方法，可以应用于恶劣环境下的大容量信号同步采集与传输。


背景技术：

2.在信息高速流转的现代信息社会中，应用于各领域信息系统中数据的高速传输成为衡量系统性能的标准，信息传输由串行接口发展为并行接口，信息传输带宽也不断扩展，但对于大容量的信号采集系统来说，多通道采集信号引线多，串扰大，传输结构复杂，在特定环境和安装尺寸下，系统架构设计困难，现有的大容量信号采集传输都是基于静态模式下运行，而对于高速旋转环境，动平衡设计对于设备的安全性、信号传输稳定性具有重要的意义，因此，需要提供一种可以应用于高速旋转环境的信号采集传输系统。


技术实现要素：

3.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种层叠式大容量信号采集传输系统及其设计方法，以实现旋转条件下的大容量数据信号的采集，并降低电路设计的难度，提高电路的平衡性能以及传输效率。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种层叠式大容量信号采集传输系统，包括：依次层叠式设置的转接板、n个采集板、中控板和通信板；各个所述采集板的电路结构相同；所述转接板上设置有电路板接口和n个第一板级连接器；所述转接板中，所述电路板接口用于连接外部信号输入接口，电路板接口与各个第一板级连接器连接；第m个所述采集板上设置有信号采集调理模块、至少n-m+1个第二板级连接器和至少m个第三板级连接器；所述采集板中，信号采集调理模块的输入端和输出端分别与其中一个第二板级连接器和第三板级连接器连接；其中m，n为整数，且1≤m≤n；所述中控板上设置有信号转换模块、至少一个第四板级连接器和至少一个第五板级连接器；所述信号转换模块的输入端和输出端分别与所述第四板级连接器和第五板级连接器连接；所述通信板上设置有通信模块和第六板级连接器；所述通信板用于通信连接上位机；所述转接板与第一个采集板通过第一板级连接器与第二板级连接器的拼插实现连接；各个采集板之间通过第二板级连接器和第三板级连接器的分别拼插实现连接；最后一个采集板与中控板之间通过第三板级连接器与第四板级连接器的拼插实现连接；所述中控板与通信板通过第五板级连接器与第六板级连接器的拼插实现连接；且各个采集板连接时，与信号采集调理模块的输入端和输出端分别连接的第二板级连接器和第三板级连接器位于不同的投影位置。
5.所述第一板级连接器、第二板级连接器、第三板级连接器、第四板级连接器和第五
板级连接器为esqt系列板级连接器。
6.第一个采集板中，各个第二板级连接器均匀分布在采集板外周，最后一个采集板中，各个第三板级连接器均匀分布在采集板外周。
7.所述第三板级连接器设置在第二板级连接器外侧，且同一采集板上，与所述信号采集调理模块的输出端连接的第三板级连接器设置在与信号采集调理模块的输出端连接的第二板级连接器的最远端。
8.所述采集板有4个。
9.所述中控板有多个，各个中控板上，与信号转换模块的输入端连接的第四板级连接器依次通过上一级中控板上对应的第四板级连接器与对应的第三板级连接器连接，与信号采集调理模块的输出端连接的第五板级连接器依次通过下一级中控板上对应的第五板级连接器与通信板连接。
10.相邻两个中控板中，信号的传递方向相互垂直。
11.所述通信板上还设置有电源模块，所述第六板级连接器的输出端与所述通信模块连接，所述电源模块用于供电。
12.此外，本发明还提供了一种层叠式大容量信号采集传输系统的设计方法，包括以下步骤：s1.确定系统的尺寸、最大采样通道数和采样率；s2.确定每个采集板的采样通道数，通过每个采集板的采样通道数和最大采样通道数确定采集板的数量；s3.根据采集板的数量，确定各个采集板中第二板级连接器和第三板级连接器的数量和排布位置；s4.根据第二板级连接器和第三板级连接器排布位置对采集板进行电路设计，同时，根据第三板级连接器排布方式对中控板进行电路设计。
13.所述s2还包括以下步骤：根据中控板的采样通道数和最大采样通道数，确定中控板的数量；所述s3还包括以下步骤：根据中控板的数量，确定中控板中的第五板级连接器的数量和排布位置，并根据第三板级连接器的排布位置确定第四板级连接器的数量和排布位置；所述s4中，根据第四板级连接器和第五板级连接器的数量和排布位置对中控板进行电路设计。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种低阻抗，层叠式、轴对称、物理隔离的层叠式大容量信号采集传输系统及其设计方法，通过将电路设置为转接板、采集板、中控板和通信板多个pcb电路板，各个pcb电路板依次呈层叠式叠放，通过在各个pcb电路板上设置板级连接器实现信号由上至下的依次传输和处理，可以避免信号的串扰，提高了系统的信号承载能力，以每个采集板采集32路信号为例，通过四个采集板即可以实现128路的大容量数据的采集，而且，电路易于扩展，电路结构对称，稳定可靠，兼容性好，抗干扰能力强，可以应用于高速旋转环境，本发明可用于大容量信号采集传输的扩展。
附图说明
15.图1为本发明实施例一提供的一种层叠式大容量信号采集传输系统的电路原理示意图；图2为本发明实施例一的结构示意图；图3为本发明实施例一中转接板的电路设计示意图；图4为本发明实施例一中采集板2的电路设计示意图；图5为本发明实施例一中中控板的电路设计示意图；图6为本发明实施例二提供的一种层叠式大容量信号采集传输系统的电路原理示意图；图7为本发明实施例二的结构示意图；图8为本发明实施例二提供的一种层叠式大容量信号采集传输系统的剖视图；图中：1为转接板，2为采集板，3为中控板，4为通信板，5为壳体，11为电路板接口，12为第一板级连接器，21为第二板级连接器，22为第三板级连接器，23为信号采集调理模块，31为第四板级连接器，32为第五板级连接器，33为信号转换模块，41为第六板级连接器，42为接线端子，51为信号接入端子，52为信号输出端子。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.实施例一如图1~2所示，本发明实施例一提供了一种层叠式大容量信号采集传输系统，包括：依次层叠式设置的转接板1、4个采集板2、中控板3和通信板4；转接板1、4个采集板2、中控板3和通信板4均为电路板，所述各个采集板2的电路结构相同。
18.所述转接板1上设置有四个电路板接口11和四个第一板级连接器12；所述转接板1中，所述电路板接口11用于连接外部信号输入接口，电路板接口11与各个第一板级连接器12连接；所述采集板2上设置有信号采集调理模块23、至少一个第二板级连接器21和至少一个第三板级连接器22；所述采集板2中，信号采集调理模块23的输入端与其中一个第二板级连接器21连接，信号采集调理模块23的输出端与其中一个第三板级连接器22连接；所述中控板3上设置有信号转换模块33、四个第四板级连接器31和四个第五板级连接器32；每个中控板中，信号转换模块33的输入端和输出端分别与其中一个第四板级连接器31和第五板级连接器32连接。所述通信板4上设置有通信模块和第六板级连接器41；所述通信板4用于通信连接上位机，同时接受外部供电并转换为其他板卡所需二次电源，通过第六板级连接器41向下传递电源信号，第四板级连接器31和第二板级连接器21也包含着接收的电源信号。
19.所述转接板1与第一个采集板2通过第一板级连接器12与第二板级连接器21的拼插实现连接；各个采集板2之间通过第二板级连接器21和第三板级连接器22的分别拼插实现连接；最后一个采集板2与中控板3之间通过第三板级连接器22与第四板级连接器31的拼插实现连接；所述中控板3与通信板4通过第五板级连接器32与第六板级连接器41的拼插实
现连接；且各个采集板2中，与信号采集调理模块23的输入端和输出端分别连接的第二板级连接器21和第三板级连接器22位于不同的投影位置。则采集板2的上述排布方式，可以使得第一个采集板2上的各个第二板级连接器21输入的信号都能通过其中一个采集板2上的信号采集调理模块进行信号采集。本实施例中，各个采集板2上，与信号采集调理模块23的输入端连接的第二板级连接器21依次通过上一级采集板2上对应的第二板级连接器21与对应的第一板级连接器12连接，与信号采集调理模块23的输出端连接的第三板级连接器22依次通过下一级采集板2上对应的第三板级连接器22与中控板3上对应的第四板级连接器31连接。
20.具体地，本实施例中，第一个采集板2上设置有4个第二板级连接器21，2个第三板级连接器22，4个第二板级连接器21用于接收从转接板输送的四路传感信号，其中一路传感信号经其中一个第二板级连接器21接收后，被第一个采集板2上的信号采集调理模块23进行隔离、滤波、放大等处理后，通过对应的第三板级连接器22传输到下一个采集板2，并依次通过第二个、第三个、第四个采集板2上的第三板级连接器22传输到中控板3上的第四板级连接器31上，另外三路传感信号直接通过另外3个第二板级连接器21传输到下一个采集板2；第二个采集板2上设置有4个第二板级连接器21，2个第三板级连接器22，其中3个第二板级连接器21用于接收未经信号采集调理模块23处理的三路信号，另一个第二板级连接器21用于平衡配重，使其旋转动平衡。其中一路信号经第二个采集板2上的信号采集调理模块23进行隔离、滤波、放大等处理后，通过对应连接的第三板级连接器22传输到下一个采集板2，并依次通过第三个、第四个采集板2上的第三板级连接器22传输到中控板3上的第四板级连接器31上，剩下两路未经处理的信号经另外2个板级连接器21传输到下一个采集板2，依此类推，到第四个采集板2时，所有的四路信号经4个第三板级连接器22传输到中控板3上的4个第四板级连接器31，所述中控板3上的第五板级连接器32与所述通信板4连接，则传输到中控板3上的四路信号经信号转换模块33进行信号转换后，发送至通信板4进行数据打包发送至上位机。所述通信板4上设置有通信模块和电源模块。
21.其中，信号采集调理模块23用于对对应的信号进行隔离、滤波、放大等处理，信号转换模块33用于对各个通道的信号进行ad转换，通信模块用于对各个通道采集的信号进行通信转发。通信板4用于通过有线\无线方式实现采集系统的数字通信。无线通信方式具体可以为射频、蓝牙、4g\5g或空间光通信等方式，有线通信方式具体可以为lvds、usb、1000base-t或光纤通信等。此外，通信板4还用于对中控板3供电，外部对通信板4供电方式可以为无线供电或有线供电。有线供电按照系统供电要求进行相应的电源供给，无线供电包含电磁供电、空间光供电等。通信板4上设置有接线端子42，用于有线供电与通信。
22.具体地，本实施例中，所述第一板级连接器11、第二板级连接器21、第三板级连接器22、第四板级连接器31和第五板级连接器32为esqt系列板级连接器。本实施例中，各个板级连接器的信号输入和输出均为32通道，信号输入选择引脚为25*3排2.0mm间距的板级连接器，信号输出选择16*3排2.0mm间距的板级连接器。
23.具体地，本实施例中，第一个采集板2中，所述第二板级连接器21均匀分布在采集板2外周，最后一个采集板2中，第三板级连接器22均匀分布在采集板2外周。各个采集板2中的电路布置相同，预留的第二板级连接器21和第三板级连接器22的安装位置也相同，不同
的是，各个采集板2中均有一些第二板级连接器21和/或第三板级连接器22的位置为空置状态，上一级采集板2中连入电路的第二板级连接器21数量大于下一级，上一级采集板2中连入电路的第三板级连接器22数量小于下一级。
24.优选地，为了保持电路的轴对称和旋转动平衡，采集板2上的第二板级连接器21和第三板级连接器22均为板级安装接插件，可以将其配置成偶数并对称安装，预留的第二板级连接器21和第三板级连接器22不接入电路，如图2中阴影部分所示。对电路进行组装时，只需将第二个采集板2的角度相对与第一个采集板2旋转180
°
，第三个采集板2的角度相对与第二个采集板2旋转90
°
，第四个采集板2的角度相对与第三个采集板2旋转180
°
即可，无需对各个采集板2的电路进行单独设计。
25.此外，本实施例中，各个采集板2的结构也可以完全相同，均包括四个均匀分布在采集板2上第二板级连接器21和四个均匀分布在采集板2上的第三板级连接器22，且其中仅仅只有一个第二板级连接器21和一个第三板级连接器22与对应的信号采集调理模块23的输入端和输出端连接，安装时，各个相邻采集板2的相对角度均为90度。上述设置可以进一步实现电路板的旋转动平衡。
26.具体地，如图1所示，本实施例中，所述第三板级连接器22设置在第二板级连接器21外侧，且同一采集板2上，与所述信号采集调理模块23的输出端连接的第三板级连接器22设置在与信号采集调理模块23的输出端连接的第二板级连接器21的对端，同组信号21和22连接器中间为信号采集调理模块23。具体地，本实施例中，相邻两个采集板2中，信号的传递方向相互对称，可确保信号的轴对称与平衡。
27.如图3~5所示，本实施例中，转接板1上的四个第一板级连接器12设置在对应的电路板接口11外侧，则四路信号ai-1~ai-4经电路板接口11进入转接板1后，经第一板级连接器12输入至采集板2上的第二板级连接器21，然后经各个采集板2的处理后，成为信号ao-1~ao-4，从最后一个采集板2上的各个第三板级连接器22输出。信号ao-1~ao-4通过中控板3上的第四板级连接器31进入中控板3，记为信号bi-1~ bi-4，这些信号经中控板3上的信号转换模块33进行信号转换后，成为信号bo-1~ bo-4，并通过中控板3上的第四板级连接器31输出至通信板4。
28.具体地，本实施例中，采集板2的数量也可以为5个或者更多，此时，只需增加第二板级连接器21和第三板级连接器22的数量即可。假设采集板2的数量为n个，则第m个所述采集板2上设置有至少n-m+1个第二板级连接器21和至少m个第三板级连接器22；其中m，n为整数，且1≤m≤n。
29.具体地，本实施例中，所述通信板4上设置有电源模块和用于与所述中控板3上的第五板级连接器32连接的第六板级连接器41，所述第六板级连接器41的输出端与所述通信模块和电源模块连接，所述电源模块用于对中控板3进行供电，第五板级连接器32和第六板级连接器41的连接，一方面实现信号采集调理模块23与通信模块的双向通信，另一方面可以对信号采集调理模块23进行供电。
30.实施例二如图5~6所示，本发明实施例二提供了一种层叠式大容量信号采集传输系统，包括：依次层叠式设置的转接板1、4个采集板2、中控板3和通信板4；所述各个采集板2的电路结构相同。
31.与实施例一不同的是，本实施例中，所述中控板3有2个，与采集板2类似的是，两个中控板3通过层叠式级联的方式实现信号的ad转换，具体的，第一个中控板3上设置有4个第四板级连接器31和2个第五板级连接器32，第二个中控板3上设置有2个第四板级连接器31和4个第五板级连接器32。第一个中控板3中的四个第四板级连接器31接收bi-1~ bi-4四路信号，将其中bi-1~ bi-2进行信号转换成为bo-1~bo-2，另外两路bi-3~ bi-4发送至下一个中控板转换为bo-3~bo-4，然后经下一个中控板的4个第五板级连接器32输出。以每个中控板3可以处理64通道信号为例，则本发明实施例中，通过设置2个中控板3，可以实现128通道采集数据的ad转换。
32.优选地，本实施例中，如图7所示，相邻两个中控板3中，信号的传递方向相互垂直。
33.进一步地，本实施例中，所述中控板3也可有为3个或者更多个，中控板的数量可以根据要采集的总通道数和每个中控板能处理的通道数进行确定。与采集板2的层叠式级联类似的是，各个中控板3上，与信号转换模块33的输入端连接的第四板级连接器31依次通过上一级中控板3上对应的第四板级连接器31与对应的第三板级连接器22连接，与信号采集调理模块23的输出端连接的第五板级连接器32依次通过下一级中控板3上对应的第五板级连接器32与通信板4连接。
34.进一步地，如图8所示，本实施例中，还可以包括壳体5，所述转接板1、多个采集板2、中控板3和通信板4均设置在壳体内，壳体上靠近转接板1的一侧设置有信号接入端子51，靠近通信板的一端设置有信号输出端子52。所述壳体5可以为圆柱形，各个电路板也为圆柱形。
35.实施例三本发明实施例三提供了一种层叠式大容量信号采集传输系统的设计方法，包括以下步骤：s1、确定系统的尺寸、最大采样通道数和采样率；s2、确定每个采集板2的采样通道数，通过每个采集板2的采样通道数和最大采样通道数确定采集板2的数量；s3、根据采集板2的数量，确定各个采集板2中第二板级连接器21和第三板级连接器22的数量和排布位置；s4、根据第二板级连接器21和第三板级连接器22排布位置对采集板2进行电路设计，同时，根据第三板级连接器22排布方式对中控板3进行电路设计。
36.具体地，本实施例中，所述步骤s2还包括以下步骤：根据中控板3的采样通道数和最大采样通道数，确定中控板3的数量；所述步骤s3还包括以下步骤：根据中控板3的数量，确定中控板3中的第五板级连接器32的数量和排布位置，并根据第三板级连接器22的排布位置确定第四板级连接器31的数量和排布位置；所述步骤s4中，根据第四板级连接器31和第五板级连接器32的数量和排布位置对中控板3进行电路设计。
37.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，包括：依次层叠式设置的转接板（1）、n个采集板（2）、中控板（3）和通信板（4）；各个所述采集板（2）的电路结构相同；所述转接板（1）上设置有电路板接口（11）和n个第一板级连接器（12）；所述转接板（1）中，所述电路板接口（11）用于连接外部信号输入接口，电路板接口（11）与各个第一板级连接器（12）连接；第m个所述采集板（2）上设置有信号采集调理模块（23）、至少n-m+1个第二板级连接器（21）和至少m个第三板级连接器（22）；所述采集板（2）中，信号采集调理模块（23）的输入端和输出端分别与其中一个第二板级连接器（21）和第三板级连接器（22）连接；其中m，n为整数，且1≤m≤n；所述中控板（3）上设置有信号转换模块（33）、至少一个第四板级连接器（31）和至少一个第五板级连接器（32）；所述信号转换模块（33）的输入端和输出端分别与所述第四板级连接器（31）和第五板级连接器（32）连接；所述通信板（4）上设置有通信模块和第六板级连接器（41）；所述通信板（4）用于通信连接上位机；所述转接板（1）与第一个采集板（2）通过第一板级连接器（12）与第二板级连接器（21）的拼插实现连接；各个采集板（2）之间通过第二板级连接器（21）和第三板级连接器（22）的分别拼插实现连接；最后一个采集板（2）与中控板（3）之间通过第三板级连接器（22）与第四板级连接器（31）的拼插实现连接；所述中控板（3）与通信板（4）通过第五板级连接器（32）与第六板级连接器（41）的拼插实现连接；且各个采集板（2）连接时，与信号采集调理模块（23）的输入端和输出端分别连接的第二板级连接器（21）和第三板级连接器（22）位于不同的投影位置。2.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，所述第一板级连接器（12）、第二板级连接器（21）、第三板级连接器（22）、第四板级连接器（31）和第五板级连接器（32）为esqt系列板级连接器。3.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，第一个采集板（2）中，各个第二板级连接器（21）均匀分布在采集板（2）外周，最后一个采集板（2）中，各个第三板级连接器（22）均匀分布在采集板（2）外周。4.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，所述第三板级连接器（22）设置在第二板级连接器（21）外侧，且同一采集板（2）上，与所述信号采集调理模块的输出端连接的第三板级连接器（22）设置在与信号采集调理模块的输出端连接的第二板级连接器（21）的最远端。5.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，所述采集板（2）有4个。6.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，所述中控板（3）有多个，各个中控板（3）上，与信号转换模块（33）的输入端连接的第四板级连接器（31）依次通过上一级中控板（3）上对应的第四板级连接器（31）与对应的第三板级连接器（22）连接，与信号采集调理模块的输出端连接的第五板级连接器（32）依次通过下一级中控板（3）上对应的第五板级连接器（32）与通信板（4）连接。7.根据权利要求6所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，相邻两个
中控板（3）中，信号的传递方向相互垂直。8.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统，其特征在于，所述通信板（4）上还设置有电源模块，所述第六板级连接器（41）的输出端与所述通信模块连接，所述电源模块用于供电。9.根据权利要求1所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.确定系统的尺寸、最大采样通道数和采样率；s2.确定每个采集板（2）的采样通道数，通过每个采集板（2）的采样通道数和最大采样通道数确定采集板的数量；s3.根据采集板（2）的数量，确定各个采集板（2）中第二板级连接器（21）和第三板级连接器（22）的数量和排布位置；s4.根据第二板级连接器（21）和第三板级连接器（22）排布位置对采集板（2）进行电路设计，同时，根据第三板级连接器（22）排布方式对中控板进行电路设计。10.根据权利要求9所述的一种层叠式大容量信号采集传输系统的设计方法，其特征在于，所述s2还包括以下步骤：根据中控板的采样通道数和最大采样通道数，确定中控板的数量；所述s3还包括以下步骤：根据中控板的数量，确定中控板（3）中的第五板级连接器（32）的数量和排布位置，并根据第三板级连接器（22）的排布位置确定第四板级连接器（31）的数量和排布位置；所述s4中，根据第四板级连接器（31）和第五板级连接器（32）的数量和排布位置对中控板（3）进行电路设计。

技术总结
本发明属于信号采集技术领域，公开了一种层叠式大容量信号采集传输系统，包括：依次层叠式设置的转接板、n个采集板、中控板和通信板；各个采集板的电路结构相同；转接板上设置有电路板接口和多个第一板级连接器；第m个采集板上设置有信号采集调理模块、至少n-m+1第二板级连接器和至少m个第三板级连接器；中控板上设置有信号转换模块、至少一个第四板级连接器和至少一个第五板级连接器；本发明通过板级连接器连接各个电路板，将信号分为多路通过不同的采集板进行处理，提高了系统的信号承载能力和动平衡性能，而且电路设计简单，抗干扰能力强。能力强。能力强。


技术研发人员：庞俊奇 谭秋林 赵晓玲 于君 董和磊 张磊
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/1