CN103888311A - 一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，它包括机箱、底板，其特征在于还包括在底板上集成有电源模块、1-15个同步数据采集模块和以太网交换机，其中，电源模块输入端与外部220V交流电源连接，电源模块输出端分别与同步数据采集模块和以太网交换机连接，各同步数据采集模块共用同一个差分采样时钟信号，通过以太网交换机与远端主机进行数据通讯。本发明能够满足多达180路模拟信号的同步采集，且配置灵活、可裁剪性强，各个同步数据采集模块的同步误差极小，能够保持严格的同步相参关系，本发明满足了多通道、分布式、变采样率和同步数据采集的需要，特别适用于需要长时间、大容量、多输入、全隔离的数据采集场合。

Description

一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置

技术领域

本发明属于同步数据采集技术领域，特别是涉及一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置。 

背景技术

数据采集装置亦称数据采集***被广泛应用于信号处理、通信、自动测试以及智能仪器等领域，其中在很多场合下往往要求对一些相关信号同时测量，通过相应的分析后得到信号间的相关信息，这就要求数据采集***或装置能够进行同步采集。另外，由于上述多种场合下需要同步采集的信号数量多则上百路，少则一二路，且根据应用场合的不同，需要同步采集的信号之间各自变化频率也差异很大，既有快变信号也有慢变信号，如果所有信号均采用同一个采样频率，则由采样定理可知该采样频率只能由输入信号中频率最高的信号决定。这显然对于慢变信号来说是一种明显的资源浪费，尤其是当输入信号数量较多时，上述方案会对采集***或装置的存储容量和/或传输速度造成很大的压力，甚至会显著影响***的性能指标。由此得出解决问题的基本思路是，采用变采样率技术以及分布式、模块化的同步数据采集装置可获得更好的采集、存储和传输效率，其中，变采样率技术是指在满足无失真采样的前提下，针对快变信号采用的高采样时钟和针对慢变信号采用的低采样时钟呈整数倍关系且时间同步。分布式、模块化的设计思想可使同步数据采集装置通过良好的可裁剪性在输入信号数量较少时仍然具有很高的性价比，同时基于模块化思想也能满足输入信号数量很大时的要求。 

目前现有的分布式同步数据采集装置一般分为两种类型：一是各个同步采集模块相距较远，互相之间的同步通常需要通过GPS来实现；二是各个同步采集模块相距较近，通常通过公用的同步采集时钟信号实现互相之间同步。但根据已公开的文献或报道来看，现有分布式同步数据采集装置如采用GPS实现同步的数据采集***，存在***结构复杂、数据传输慢和价格偏高的明显不足；第二，均未采用上述变采样率技术，当输入信号数量较大时，***性能指标将受到严重影响；第三，现有分布式同步数据采集装置数据通信接口大多采用RS-485、USB或PCI等总线方式，存在传输速度慢或必须采用插卡形式等明显不足。 

中国专利申请201210592591.7提出了一种“高速同步数据采集卡”，该方案采用母板和多组子板的结构，母板采用FPGA作为主控芯片，虽具有模块化功能，但该方案中采集缓存后的数据最后需要通过PCI总线桥传输至主机，实际使用时必须要有适用于PXI机箱的主机插卡，否则***无法使用，且***中没有采取信号隔离技术，同时无变采样率功能，无法满足不同应用场合的需求。 

中国专利申请201210124366.0提出了一种“变压器振动监测***”，该***采用六路同步数据采集方案，并且采用线性光耦隔离传输振动信号，虽具有较好的抗干扰性能，但该方案最大的缺点在于模块化功能较弱，可扩展性差，无法满足不同应用场合的需求。 

中国专利申请200610045690.8提出了一种“分布式网络化数据采集装置”，该装置由多个数据采集装置与主控机组成，采用分布式数据采集网络、多卡组网操作，适用于需要在大区域内的多点数据采集。该装置虽以网络结构可采集高速信号，但无法方便地实现变速率采样、大数据量采集和同步数据采集，且采用光耦隔离方案，不具有高速数据传输性能。 

中国专利申请：200810022841.7提出了一种“多通道、高精度数据采集器”，该装置由微处理器模块、模拟测量模块、电源电路、隔离电路等构成，各数据模块与上位机通过MODBUS总线连接，虽可实现同步数据采集，各通道的测量精度可达到千分之一的测量精度，但数据采集通道很少，不能满足大多数应用场合的需要，且数据传输速率低和采集数据量少。 

综上所述，当今电子通信工程中虽然存在着大量的需要确定待测信号时序和逻辑关系、且输入通道数多、数据量大的应用场合，但未见在同一个装置中能够同时集成有分布式、模块化、变采样率、磁隔离、差分同步和网络数据传输技术的研究成果。因此，如何克服现有技术的不足已成为当今同步数据采集技术领域亟待解决的重点难题之一。 

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，本发明能够满足多通道、分布式、变采样率和同步数据采集的需要，且配置灵活、可裁剪性强，各个同步数据采集模块的同步误差极小，能够保持严格的同步相参关系。 

根据本发明提出的一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，它包括机箱、底板，在机箱后面板上分别设有电源输入接口、模拟信号输入接口、电源开关、保险丝和以太网接口，在机箱内的底部设有底板，其特征在于还包括在底板上集成有电源模块、1-15个同步数据采集模块和以太网交换机，其中，电源模块输入端与外部220V交流电源连接，电源模块输出端分别与同步数据采集模块和以太网交换机连接，各个同步数据采集模块共用同一个差分采样时钟信号，通过以太网交换机与远端主机进行数据通讯。 

本发明进一步的优选方案是：同步数据采集模块包括由信号调理电路、多路同步A/D、DC-DC电路、磁隔离电路、ARM核心电路、拨码开关、参数存储电路和以太网PHY层接口电路依次连接；每个同步数据采集模块均可输入12路模拟电压信号，每路模拟电压信号可选择四档量程输入，所有12路模拟电压信号被同步采集并分为两组，每组6路模拟电压信号共用一个模拟参考地，两组之间各自模拟参考地相互磁隔离，与同步数据采集模块的数字地之间相互磁隔离；拨码开关将同步数据采集模块设置为主卡或从卡，其中，同步数据采集模块必须且最多有一块被设置为主卡类型，主卡在同步采集时输出差分采样时钟信号，从卡在差分采样时钟信号驱动下进行同步采集工作；拨码开关为同步数据采集模块设置以太网IP地址。 

本发明的工作原理是：本发明通过电源模块将外部交流220V输入转换为同步数据采集模块和以太网交换机正常工作所需电源；通过拨码开关为同步数据采集模块配置IP地址；正常工作时，每块同步数据采集模块的IP地址互不相同，且可在预先设定的子网IP地址库中任意设定；同时，将同步数据采集模块的工作类型设置为主卡或从卡，其中主卡负责在同步采集的同时输出差分采样时钟信号，从卡在差分采样时钟信号驱动下完成同步采集工作；每个通道是否需要采集以及相应具体采样率依据参数存储电路中相应的配置信息决定。每个同步数据采集模块中包含两组DC-DC电路，可输入两组共12路模拟信号，分别产生1#～6#以及7#～12#两组模拟输入对应信号调理电路、多路同步A/D、磁隔离电路正常工作所需电源，且两组输入相应的信号调理电路、多路同步A/D、磁隔离电路部分的参考地之间相互隔离，同时与同步采集模块数字地之间也相互隔离；在同步采集工作启动后，首先将采集数据缓存在板载大容量DDR存储器中，在采集时长到达后，再通过以太网将缓存数据传输至远端主机；各个采集模块共用同一 个差分采样时钟信号，针对不同输入信号采用不同的采样率，各个采样率之间呈整数倍且由同一个高频采样时钟产生，从而能够保持严格的同步相参关系；每个通道是否需要采集以及相应具体采样率依据参数存储电路中相应的配置信息决定。 

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明采用模块化设计，可裁剪性强，配置灵活，能够满足180路模拟信号的同步采集，且各个同步数据采集模块同步误差小于200ns；二是本发明采用变采样率技术，可针对不同输入信号设置不同的采样率，各个采样率之间呈整数倍且由同一个高频采样时钟产生，从而能够保持严格的同步相参关系；特别是针对多输入中既有慢变信号又有快变信号的数据采集场合，在满足不失真采样的前提下，进一步提高了数据存储和传输效率；三是本发明的同步数据采集模块与被测信号的数字地之间采用了磁隔离，同时信号调理电路均采用高阻输入方式，因此工作过程中对被测信号无任何影响；四是本发明采用了以太网传输方式，能够长时间、快速传输大容量的数据。本发明满足了多通道、分布式、变采样率和同步数据采集的需要，特别适用于需要长时间、大容量、多输入和全隔离的数据采集场合。 

附图说明

图1是本发明提出的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置的总体结构方框示意图。 

图2是本发明提出的同步数据采集模块的硬件架构示意图。 

图3是本发明提出的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置的外形侧视示意图。 

图4是本发明提出的设置为主卡的同步数据采集流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。 

本发明提出的一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，它包括机箱（18）、底板（4），在机箱后面板（19）上分别设有电源输入接口（5）、模拟信号输入接口（6）、电源开关（7）、保险丝（8）和以太网接口（9），在机箱（18）内的底部设有底板（4），其特征在于还包括在底板（4）上集成有电源模 块（1）、1-15个同步数据采集模块（2）和以太网交换机（3），其中，电源模块（1）输入端与外部220V交流电源连接，电源模块（1）输出端分别与同步数据采集模块（2）和以太网交换机（3）连接，各个同步数据采集模块（2）共用同一个差分采样时钟信号，通过以太网交换机（3）与远端主机进行数据通讯。 

结合图1，本发明正常工作时，基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置中的1-15个同步数据采集模块（2）必须且最多有一块设置为主卡类型，其它同步数据采集模块（2）都设置为从卡类型，数量根据实际需要在0～14间选择；每个同步数据采集模块负责完成相应12路模拟输入信号的同步采集及缓存工作；在采集工作开始后，主卡负责在采集的同时输出相应的同步差分采样时钟信号，从卡则在接收到的同步差分采样时钟信号的控制下采集并缓存对应的模拟输入信号；模拟输入信号通过7个模拟信号输入接口。 

结合图2，同步数据采集模块（2）包括由信号调理电路（10）、多路同步A/D（11）、DC-DC电路（12）、磁隔离电路（13）、ARM核心电路（14）、拨码开关（15）、参数存储电路（16）和以太网PHY层接口电路（17）依次连接；其中，拨码开关（15）为同步数据采集模块（2）设置以太网IP地址；正常工作时，每块同步数据采集模块（2）的IP地址互不相同，且可在预先设定的子网IP地址库中任意设定，具体IP地址与同步数据采集模块（2）的对应关系只要与远端主机保持一致即可；参数存储电路（16）中含有每个通道是否需要采集缓存的标志以及相应采样率的设置参数。 

每个同步数据采集模块（2）均可输入12路模拟电压信号，每路模拟电压信号可选择四档量程输入，所有12路输入的模拟电压信号信号被同步采集，采用了两片6路同步A/D芯片AD7656-1，信号调理电路所用运放芯片为OP37；上述12路输入信号分为两组，每组6路模拟电压信号共用一个模拟参考地，两组之间各自模拟参考地相互磁隔离，与同步数据采集模块（2）的数字地之间也相互磁隔离，磁隔离芯片采用IL715。 

每个同步数据采集模块（2）包括两个DC-DC电路，分别产生1#～6#以及7#～12#两组模拟输入对应信号调理电路（10）、多路同步A/D（11）、磁隔离电路（13）正常工作所需电源。 

结合图3，基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置的机箱（18）采用标准化的CPCI机箱结构；在箱体正面，电源模块（1）以及各个同步数据采 集模块（2）均采用插卡方式与机箱（18）内底部的底板（4）相连，各个模拟输入、电源、差分采样时钟信号均通过信号底板传输，以太网交换机（3）安装在机箱（18）内的插槽中。 

在机箱（18）的箱体背面，设有电源输入接口（5）、7个模拟信号输入接口（6）、电源开关（7）、保险丝（8）以及以太网接口（9）；电源输入接口（5）与外部220V交流电源连接，用于电源模块（1）的供电。为了保证最多能够输入180路模拟信号，采用了7个模拟信号输入接口，每个接口均为55芯。 

结合图4，本发明的工作类型为主卡的同步数据采集模块（2）板载ARM嵌入式软件在上电后首先初始化时钟、变量等工作环境，然后基于IP地址配置信息设置主卡对应的IP地址，同时从参数存储电路（16）中读取每个通道是否需要采集缓存的标志，以及相应采样率的设置参数；在通过以太网交换机（3）和远端主机完成握手应答等工作后，等待远端主机发送采集工作启动命令；在接收到该命令后，工作类型为主卡的同步数据采集模块（2）在采集的同时输出相应的同步差分采样时钟信号，从卡则在接收到的同步差分采样时钟信号的控制下采集并缓存对应的模拟输入信号；当采集工作时长达到后，在远端主机的命令帧控制下，工作类型分别为主卡和从卡的各个同步数据采集模块（2）通过以太网交换机（3）将采集缓存的数据传输至远端主机用于后续的分析、处理、保存等工作；工作类型为从卡的同步数据采集模块（2）板载ARM嵌入式软件工作过程与上述图4所述过程相同，仅有的差别在主卡需要等待接收到远端主机发送的采集工作启动命令从而开始采集缓存工作，而从卡则是等待接收主卡在采集同时输出的同步差分采样时钟信号，并在该信号的控制下采集并缓存对应的模拟输入信号。 

本发明经过反复试验验证，取得了满意的应用效果。 

Claims (5)

1.一种基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，它包括机箱（18）、底板（4），在机箱后面板（19）上分别设有电源输入接口（5）、模拟信号输入接口（6）、电源开关（7）、保险丝（8）和以太网接口（9），在机箱（18）内的底部设有底板（4），其特征在于还包括在底板（4）上集成有电源模块（1）、1-15个同步数据采集模块（2）和以太网交换机（3），其中，电源模块（1）输入端与外部220V交流电源连接，电源模块（1）输出端分别与同步数据采集模块（2）和以太网交换机（3）连接，各个同步数据采集模块（2）共用同一个差分采样时钟信号，通过以太网交换机（3）与远端主机进行数据通讯。

2.根据权利要求1所述的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，其特征在于同步数据采集模块（2）包括由信号调理电路（10）、多路同步A/D（11）、DC-DC电路（12）、磁隔离电路（13）、ARM核心电路（14）、拨码开关（15）、参数存储电路（16）和以太网PHY层接口电路（17）依次连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，其特征在于每个同步数据采集模块（2）均可输入12路模拟电压信号，每路模拟电压信号可选择四档量程输入，所有12路模拟电压信号被同步采集并分为两组，每组6路模拟电压信号共用一个模拟参考地，两组之间各自模拟参考地相互磁隔离，与同步数据采集模块（2）的数字地之间相互磁隔离。

4.根据权利要求2所述的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，其特征在于拨码开关（15）将同步数据采集模块（2）设置为主卡或从卡，其中，同步数据采集模块（2）必须且最多有一块被设置为主卡，主卡在同步采集时输出差分采样时钟信号，从卡在差分采样时钟信号驱动下进行同步采集工作。

5.根据权利要求2或4所述的基于以太网的分布式变采样率同步数据采集装置，其特征在于拨码开关（15）为同步数据采集模块（2）设置以太网IP地址。

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