CN112291025B - 一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法。本发明中的旋转信号采集与其它数据采集***很方便地实现了方位脉冲同步触发；本发明中的方位触发脉冲信号能够无损地传输至前置旋转信号采集器；本发明中的前置旋转信号采集器采集数据准确、大容量、高采样率、实时无损传输。保证前置数据采集信号与本地采集***数据同相位，从而真正提高了旋转信号采集的精度。

Description

一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法
技术领域
本发明涉及旋转信号等方位触发采集技术领域，具体涉及一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法。
背景技术
目前对于旋转信号采集所采取的常用方法是将旋转在信号源附近进行信号放大，再经电滑环传输至地面数据采集***，将与旋转轴装配在一起的旋转编码器输出的零方位信号及方位触发信号作为数据采集***的外触发信号，从而完成旋转信号的等方位采集。
由于滑环接触电阻波动的影响，致使旋转信号经过滑环传输会产生很多毛刺，从而影响旋转信号的测量精度，特别是很多旋转信号的变化很小，即使通过高精度放大再经滑环传输，其测量精度受到严重影响。
现在采用的另一种方法是通过前置数据采集***对旋转信号在信号源附近进行采集后，通过网络滑环或无线的方式传输至地面，通过触发脉冲再采样的方式进行同步采集，这种实际是一种超采样方式。该方式存在缺陷主要体现在：
1)网络滑环传输数字信号不可靠，且传输速率一般(100兆以内)，从而限制了信号通道数和数据采样率；
2)无线采集存在时延，导致等方位触发实时性等方面缺陷。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法解决了测量精度不高、信号通道数和数据采样率被限制、数据实时性存在时延等问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，包括以下步骤：
S1、旋转编码器输出的编码器信号通过分频计数器输出零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号；
S2、将零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号中的一路信号输入至地面数据采集***，另一路信号经第一波分复用器，再经光纤滑环上传至旋转信号前置数据采集器，再经第二波分复用器分解出网络信号、零方位脉冲和触发方位脉冲；
S3、通过网络信号完成数据采集器的通道设置，并通过零方位脉冲和触发方位脉冲触发前置数据采集器完成对旋转信号的等方位同步采集。
进一步地：所述分频计数器与采集控制计算机之间通过RS485协议进行通讯，以确定旋转编码器脉冲的分频数。
进一步地：所述前置数据采集器包括第二波分复用器和分别与第二波分复用器连接的光转TTL模块和光转网口模块，所述光纤滑环输出的多模光纤直接接入第二波分复用器，并输出4路不同频段光信号，其中2路接至光转TTL模块，转为TTL1信号和TTL2信号，分别接至采集控制器上的外触发端和外时钟端。
进一步地：所述第一波分复用器分别与TTL转光模块和网口转光模块连接，所述网口转光模块与计算机连接。
进一步地：所述前置数据采集器的控制架构主要由FPGA芯片和ARM芯片实现，所述FPGA芯片包括触发控制模块、转速测量模块、采样控制模块、ARM接口和数据缓存模块，所述ARM芯片包括通信模块和数据处理模块。
进一步地：所述零方位脉冲为TTL1信号，经过触发模块控制触发采样；当检测其上升沿时启动外触发时钟的一圈采样。
所述触发方位脉冲为TTL2信号，经过转速模块得到实时转速，将实时转速传输到采样控制模块里，根据设定的触发阈值1和触发阈值2进行判断，若当前转速值低于触发阈值1时，则采用***时钟采样；若当前转速值高于触发阈值2，且当TTL1为上升沿时则以外部时钟TTL2进行旋转信号采样，此时若转速有跳动，只要不低于触发阈值1，均采用外部时钟TTL2采样；
所述采样控制模块综合上机位设置的采样时钟和实时转速，时钟脉冲控制AD采样模块工作；
所述各个通道的AD采集模块得到数据后先存入到缓存模块中，再通过ARM接口传给ARM模块，ARM模块通过网口将数据传给上位机。
进一步地：所述前置采集器的外部数据采用光纤通讯方式进行传输。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中的旋转信号采集与其它地面数据采集***能够很方便地实现相同的方位脉冲同步触发采集；
(2)本发明中的方位触发脉冲信号能够无损地传输至前置旋转信号采集器；
(3)本发明中的前置旋转信号采集器采集数据准确、大容量、高采样率、实时无损传输。保证前置数据采集信号与本地采集***数据同相位，从而真正提高了旋转信号采集的精度。
附图说明
图1为本发明中基于光纤滑环的旋转信号方位脉冲同步触发采集原理框图；
图2为本发明中基于光纤滑环的数据通讯及方位触发脉冲连接方式示意图；
图3为本发明中前置数据采集核心控制架构图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，包括以下步骤：
S1、旋转编码器输出的编码器信号通过分频计数器输出零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号；
S2、将零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号中的一路信号输入至地面数据采集***，另一路信号经第一波分复用器，再经光纤滑环上传至旋转信号前置数据采集器，再经第二波分复用器分解出网络信号、零方位脉冲和触发方位脉冲；
S3、通过网络信号完成数据采集器的通道设置，并通过零方位脉冲和触发方位脉冲触发前置数据采集器完成对旋转信号的等方位同步采集。
传感器供电电源实时值读取，采集数据传送、采集命令下达等通过网络通信实现。分频计数器与采集控制计算机之间通过RS485协议进行通讯，以确定编码器脉冲的分频数。
本发明高速数据通讯与方位脉冲信号连接示意图如图2所示。传感器的±5V供电电源由地面经光纤滑环的线缆，再由DH5953I前置采集器进行电源滤波后输出给传感器。DH5953I前置采集器内置一分四波分复用器(收)+光转TTL模块+光转网口模块。光纤滑环输出的多模光纤直接接入一分四波分复用器(收)，然后输出4路不同频段的光信号。其中2路接至光转TTL模块，转为TTL1和TTL2分别接至采集控制器的外触发端口和外时钟端口。另外2路接至光转网口模块，网口与通讯控制卡上的网口互连，实现高速通讯的收发。通过合理内部走线实现采集卡的双触发同步采集。
波分复用技术，实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道(channel)，能够在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波分复用***分为发射端的波长分波调制器(wavelength division multiplexer)以及在接收端的波长分波解调器(wavelengthdivision demultiplexer)，最常用于波分复用的元件是阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Gratings,AWG)。而目前市面上已经有商用的波长分波调制器/解调器，最多可将光纤通讯***划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。
光纤通常用于高带宽以及长距离的应用，因为其具有低损耗、高容量，以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一项重要的优点是即使跨越长距离的数条光纤并列，光纤与光纤之间也不会产生串讯(cross-talk)的干扰，这和传输电讯号的传输线(transmissionline)正好相反。
由于前置数据采集数据采集***同步采集通道64通道。为了完成多通道高速数据等方位触发同步采集，其核心控制架构如图3所示。ARM主要功能是网络通讯、通道控制、通道信息处理、数据处理。
FPGA主要功能：
(1)TTL1为零方位脉冲，经过触发模块，当检测其为上升沿时启动旋转信号一圈的数据采集；
(2)TTL2为触发方位脉冲，经过转速模块来得到实时转速，将实时转速传到采样控制模块里，根据设定的触发阈值1和触发阈值2进行判断(阈值2＞阈值1，间隔大于30rpm)。若当前转速值低于触发阈值2，则采用***时钟采样。若当前转速值超过触发阈值2，当检测TTL1为上升沿时则以外部时钟TTL2触发旋转信号采样，此时若转速有跳动，只要不低于触发阈值1，均采用外时钟(TTL2)采集；
(3)采样控制模块综合上位机设置的采样时钟和实时转速，时钟脉冲来控制AD采样模块工作；
(4)各个通道的AD采集模块得到数据后先存到缓存中，然后通过ARM接口传给ARM模块，ARM再通过网口将数据传给上位机。
由于前置采集器外部数据传输采用光纤通讯方式，其通讯速率可以达到TB/s等级，因此限制***数据传输速率的设计主要集中在前置信号器内部，本项目前置采集器内部调协通讯主要设计如下：
1)采集***控制部分采用大规模FPGA和片上***(SOC)，实时与上位机交互数据；
2)直接将数据传输存储到上位机服务器中；
3)采用FPGA降低了***功耗、***成本，减少了大量的元器件，提高了***性能及可靠性；
4)背板设计：背板主要提供所有采集通道、转速通道与控制卡的互联，为了提高仪器的可维修性，背板上除匹配电阻外，不放置其它有源器件。在高速时钟线的周围，采用敷铜将高速时钟包围起来，有效抑制了辐射干扰。
控制部分均采用Altera公司的第五代高性能、大规模FPGA和片上***(SOC)，FPGA产生A/D采样时钟至底板，然后分配至每个通道上，通过底板高速总线读取每个通道的实时采样数据，再通过光口及光纤网络与上位机交互数据，直接将数据存储到计算机中。所有通道并行采集，最高采样率25.6kHz/通道。
高速通讯数据传输技术的应用，保障了多通道高速数据的长时间连续采集、实时传输、实时存储，为上位机的数据分析提供了技术保障，确保所采集的数据结果准确、实时，避免数据滞后导致与本地采集***数据不同步的问题。

Claims (7)

1.一种基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、旋转编码器输出的编码器信号通过分频计数器输出零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号；
S2、将零方位脉冲信号及触发方位脉冲信号中的各自一路信号输入至地面数据采集***，另一路信号经第一波分复用器，再经光纤滑环上传至旋转信号前置数据采集器，再经第二波分复用器分解出网络信号、零方位脉冲和触发方位脉冲；
S3、通过网络信号完成数据采集器的通道设置，并通过零方位脉冲和触发方位脉冲触发前置数据采集器完成对旋转信号的等方位同步采集。
2.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述分频计数器与采集控制计算机之间通过RS485协议进行通讯，以确定旋转编码器脉冲的分频数。
3.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述前置数据采集器包括第二波分复用器和分别与第二波分复用器连接的光转TTL模块和光转网口模块，所述光纤滑环输出的多模光纤直接接入第二波分复用器，并输出4路不同频段光信号，其中2路接至光转TTL模块，转为TTL1信号和TTL2信号，分别接至采集控制器上的外触发端和外时钟端。
4.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述第一波分复用器分别与TTL转光模块和网口转光模块连接，所述网口转光模块与计算机连接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述前置数据采集器的控制架构主要由FPGA芯片和ARM芯片实现，所述FPGA芯片包括触发控制模块、转速测量模块、采样控制模块、ARM接口和数据缓存模块，所述ARM芯片包括通信模块和数据处理模块。
6.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述零方位脉冲为TTL1信号，经过触发模块控制触发采样；当检测其上升沿时启动外触发时钟的一圈采样；
所述触发方位脉冲为TTL2信号，经过转速模块得到实时转速，将实时转速传输到采样控制模块里，根据设定的触发阈值1和触发阈值2进行判断，若当前转速值低于触发阈值1时，则采用前置采集器内时钟采样；若当前转速值高于触发阈值2，且当TTL1为上升沿时则以外部时钟TTL2进行旋转信号采样，此时若转速有跳动，只要不低于触发阈值1，均采用外部时钟TTL2采样；
所述采样控制模块综合上机位设置的采样时钟和实时转速，时钟脉冲控制AD采样模块工作；
各个通道的AD采样模块得到数据后先存入到缓存模块中，再通过ARM接口传给ARM模块，ARM模块通过网口将数据传给上位机。
7.根据权利要求1所述的基于光纤滑环的旋转信号等方位同步触发采集方法，其特征在于，所述前置数据采集器的外部数据采用光纤通讯方式进行传输。
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