基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括多個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機和多臺數(shù)據(jù)采集工作站，每個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括：主電源站，接入外部電源并對進行抗干擾及限流處理以對外供電及實現(xiàn)每個主電源站的時鐘同步，提供以太網(wǎng)交換機接口和供電接口；從電源站接入外部電源并對進行抗干擾和限流處理及對外供電，提供以太網(wǎng)交換機接口；每個采集終端接收輸入信號并對輸入信號進行處理以生成處理后數(shù)據(jù)并保證各個采集終端的時鐘同步；工業(yè)以太網(wǎng)交換機接收處理后數(shù)據(jù)并將發(fā)送至多臺數(shù)據(jù)采集工作站；每臺數(shù)據(jù)采集工作站接收處理后數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的級聯(lián)通信和供電的同步數(shù)據(jù)采集。
【專利說明】基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信和數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在隧道監(jiān)控中，石油地震勘探信號采集系統(tǒng)通常線路非常長，因此會采用專有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如專業(yè)的令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)，或者采用以太網(wǎng)及CAN (Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線等。但是上述方式僅僅解決了通信問題，很難解決供電問題。雖然有POE (Power Over Ethernet,有源以太網(wǎng))技術(shù),但是其屬于星形布線方式,其通信和供電距離僅100m，不能滿足現(xiàn)場需要。由于其信號均為交流信號，頻率在0.001HZ?1000HZ之間，對于信噪比要求很高，要求達到90DB以上。將信號引到中心集中采集的方式，將會帶來信噪比的惡化，引入電網(wǎng)的干擾，技術(shù)上不可行。而且交流信號的采集必須同步進行，否則丟失相位息。
[0003]并且，由于現(xiàn)場條件非常惡劣，不便于安裝且布線較復雜，而且現(xiàn)有技術(shù)尚不能實現(xiàn)同步的數(shù)據(jù)采集，也不能實現(xiàn)級聯(lián)通信和供電的同步數(shù)據(jù)采集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。
[0005]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠方便安裝，布線簡單，可以實現(xiàn)同步的數(shù)據(jù)采集，并且實現(xiàn)了能夠進行級聯(lián)通信和供電的同步數(shù)據(jù)采集方案。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括:多個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機和多臺數(shù)據(jù)采集工作站，其中，所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機分別與每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和每個所述數(shù)據(jù)采集工作站進行通信，其中，每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于生成供電電流以對外供電以及采集外部的輸入信號并生成對應的處理數(shù)據(jù)，其中，每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括:主電源站，所述主電源站通過光纖通信或無線通信方式與所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行通信，其中，所述主電源站用于接入外部電源，并對所述外部電源進行抗干擾及限流處理，生成供電電流以對外供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電，以及提供IEEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個所述主電源站間的時鐘同步，以及提供以太網(wǎng)交換機接口和供電接口 ；從電源站，用于接入所述外部電源，并對所述外部電源進行抗干擾和限流處理，生成供電電流以對外供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電，以及提供用于級聯(lián)的以太網(wǎng)交換機接口 ；多個采集終端，所述多個采集終端通過連接電纜依次級聯(lián)以實現(xiàn)供電級聯(lián)且每個所述采集終端與主電源站進行通信，所述多個采集終端中的一部分通過所述連接電纜在所述主電源站輸出的所述供電電流下工作，另一部分通過所述連接電纜在所述從電源站輸出的所述供電電流下工作，其中，每個所述采集終端接收外部的輸入信號，并對所述輸入信號進行放大、濾波和分析處理以生成處理后數(shù)據(jù)，并將所述處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至所述主電源站，并且每個所述采集終端還用于接收所述主電源站發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與所述主電源站的主鐘的時間偏差和頻率偏差，并調(diào)整所述時間偏差和頻率偏差以將每個所述采集終端的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由所述采集終端的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的采樣時鐘同步；所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機用于接收來自所述主電源站的所述處理后數(shù)據(jù)，并將所述處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至所述多臺數(shù)據(jù)采集工作站；每個所述數(shù)據(jù)采集工作站用于接收所述處理后數(shù)據(jù)，并對所述處理后數(shù)據(jù)進行分析和存儲。
[0007]在本發(fā)明的一個實施例中，每個所述主電源站包括:第一電源、第一以太網(wǎng)交換芯片組、第一處理器、以太網(wǎng)交換機接口和電源接口，其中，所述第一電源用于接入外部電源，并將所述外部電源經(jīng)過直流電源變換器后生成供電電流以向所述第一以太網(wǎng)交換芯片組和所述第一處理器供電，并且所述外部電源接連接電纜中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，所述采集終端通過所述電源接口接所述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)；第一以太網(wǎng)交換芯片組的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且所述以太網(wǎng)交換機接口的另外一個與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接所述兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)；第一處理器，所述第一處理器與所述第一以太網(wǎng)交換芯片組其中一個接口相連，用于供IEEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個所述主電源站間的時鐘同步。
[0008]在本發(fā)明的一個實施例中，所述衛(wèi)星導航系統(tǒng)為北斗導航系統(tǒng)或全球定位系統(tǒng)GPS接收機。
[0009]在本發(fā)明的又一個實施例中，所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機與所述第一以太網(wǎng)交換機芯片組通過光纖或無線方式進行通信。
[0010]在本發(fā)明的另一個實施例中,所述主電源站還用于輸出秒脈沖IPPS信號。
[0011]在本發(fā)明的一個實施例中，所述從電源站包括:第二電源、第二以太網(wǎng)交換芯片組和以太網(wǎng)交換機接口，其中，所述第二電源用于接入外部電源，并將所述外部電源經(jīng)過直流電源變換器后生成供電電流以向所述第二以太網(wǎng)交換芯片組供電，并且所述外部電源接連接電纜中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，所述采集終端通過所述電源接口接所述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)；所述第二以太網(wǎng)交換芯片組的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且所述以太網(wǎng)交換機的另外一個接口與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接所述兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)。
[0012]在本發(fā)明的又一個實施例中，每個所述采集終端包括多路信號處理單元和第二處理器，其中，所述第二處理器用于接收所述主電源站發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與所述主電源站的主鐘的時間偏差和頻率偏差，并調(diào)整所述時間偏差和頻率偏差以將每個所述采集終端的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由所述采集終端的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的采樣時鐘同步；所述多路信號處理單元與所述第二處理器相連，其中，每路所述信號處理單元與通過SPI總線與所述第二中央處理單元相連，每路信號處理單元用于接入所述外部的輸入信號，并對所述輸入信號進行放大、濾波和信號采集。
[0013]在本發(fā)明的再一個實施例中，每路所述信號處理單元包括:可編程增益放大器，用于接收所述外部的輸入信號，并根據(jù)所述輸入信號的強度調(diào)整所述可編程增益放大器的放大倍數(shù)；濾波器組，所述濾波器組與所述可編程增益放大器的輸出端相連，用于對所述輸入信號進行濾波；逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述濾波器組的輸出端相連，用于對濾波后的信號進行信號采集得到采集數(shù)據(jù)，并通過所述SPI總線將所述采集數(shù)據(jù)發(fā)送到所述第二中央處理單元，其中，所述第二中央處理單元還用于對所述采集數(shù)據(jù)進行分析處理并發(fā)送至所述主電源站。
[0014]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用不同于POE方法的基于以太網(wǎng)連接電纜的級聯(lián)式電源傳輸方法，基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和IEEE1588V2的時鐘同步技術(shù)的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的新的架構(gòu)，能夠在以太網(wǎng)連接電纜上，提供級聯(lián)的通信和供電功能，解決了布線、供電和同步問題。并且，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便安裝，布線簡單，可以實現(xiàn)同步的數(shù)據(jù)采集，并且實現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的級聯(lián)通信和供電的同步數(shù)據(jù)采集方案。
[0015]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0017]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不意圖；
[0018]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的主電源站的示意圖；
[0019]圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的從電源站的示意圖；
[0020]圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的采集終端的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0023]此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0024]下面參考圖1至圖4對本發(fā)明實施例的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行描述。本發(fā)明提出基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的新的架構(gòu)，能夠在以太網(wǎng)連接電纜上，提供級聯(lián)的通信和供電功能，解決了布線、供電和同步問題。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括:多個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1、工業(yè)以太網(wǎng)交換機2和多臺數(shù)據(jù)采集工作站3。其中，工業(yè)以太網(wǎng)交換機2分別與每個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)I和每臺數(shù)據(jù)采集工作站3進行通信。
[0026]具體地，每個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)I用于生成供電電流以對外供電以及采集外部的輸入信號并生成對應的處理數(shù)據(jù)，其中，每個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括:主電源站
11、從電源站12和多個采集終端13。
[0027]其中，主電源站11可以完成對網(wǎng)路系統(tǒng)的供電和網(wǎng)絡(luò)接口，提供IEEE1588同步主鐘，接受衛(wèi)星定位系統(tǒng)授時從而保證整個系統(tǒng)的時鐘同步性。下面對主電源站11的上述功能進行詳細描述。
[0028]具體地，主電源站11可以通過光纖通信或無線通信方式與工業(yè)以太網(wǎng)交換機2進行通信。其中，主電源站11可以用于接入外部電源，并對該外部電源進行抗干擾和限流處理，然后生產(chǎn)供電電流，并輸出供電電流以對外進行供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電。此外，主電源站11還用于提供IEEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個主電源站11間的時鐘同步。并且，主電源站11還用于提供以太網(wǎng)交換機接口和供電接口。在本發(fā)明的一個實施例中，主電源站11可以提供2?4個以太網(wǎng)交換機接口。
[0029]如圖2所示，每個主電源站11包括:第一電源111、第一以太網(wǎng)交換芯片組112、第一處理器113、以太網(wǎng)交換機接口和電源接口。其中，第一電源111用于接入外部電源，并將外部電源經(jīng)過直流電源變換器(DC/DC)后生成供電電流，從而向第一以太網(wǎng)交換芯片組112和第一處理器113供電。
[0030]在本發(fā)明的一個實施例中，外部電源取48V或者60V，最大電流限流為2A，將該電源接入以太網(wǎng)線的4，5，7，8線對中，對外供電。具體地，外部電源接類線中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，采集終端13通過電源接口接所述上述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)以及主電源站11向采集終端13的供電。其中5類線的4和5為一組，7和8為一組，兩組線對通過內(nèi)部并聯(lián)實現(xiàn)電源的級聯(lián)。
[0031 ] 在本發(fā)明的實施例中，接插件選用重載連接器，從而保證惡劣現(xiàn)場的可靠連接。
[0032]在本發(fā)明的一個示例中，第一以太網(wǎng)交換芯片組112的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且以太網(wǎng)交換機的另外一個接口與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，該另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)。其中，以太網(wǎng)通信信號級聯(lián)是通過在每個單元上提供I個雙口以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)的。其中，連接電纜的兩對單向信號芯線分別為的1，2，3，6線對，即以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜的1，2，3，6線對實現(xiàn)以太網(wǎng)信號的級聯(lián)。其中，連接電纜例如為五類線。需要說明的是，五類線僅是對連接電纜出于示例的目的，而不是為了限制本發(fā)明。本發(fā)明的連接電纜還可以為其他形式，在此不再贅述。
[0033]在本發(fā)明的一個實施例中，第一以太網(wǎng)交換芯片組112可以選用DAVIC0M的DM8806C, 一共提供6個以太網(wǎng)交換口，實際使用4個。
[0034]工業(yè)以太網(wǎng)交換機與第一以太網(wǎng)交換機芯片組通過光纖或無線方式進行通信。其中，光纖通信方式采用外置式的電口光口轉(zhuǎn)換器，將來可以方便更換為3G或者4G路由器。
[0035]第一處理器113與以太網(wǎng)交換芯片組112其中一個接口相連，用于供KEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個主電源站11間的時鐘同步。
[0036]在本發(fā)明的另一個不例中，第一處理器113選用型號為STM32F417的支持M4內(nèi)核的一體化CPU，其具有支持IEEE1588V2的硬件設(shè)施，可以方便的支持IEEE1588V2時鐘同步協(xié)議，能夠保證各個采集終端的時鐘同步精度，時間相差小于2 μ S。其中，第一處理器113接收外部電池的供電、恒溫晶振的校準和RTC時鐘的定時。
[0037]在本發(fā)明的一個實施例中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)114可以為北斗導航系統(tǒng)或全球定位系統(tǒng)GPS接收機。
[0038]北斗/GPS接收機接受到衛(wèi)星的時間信號，精度最高，優(yōu)于100NS，其信號可以用于同步主電源站11的IEEE1588V2的主鐘信號。
[0039]在本發(fā)明的又一個實施例中，主電源站11還用于輸出秒脈沖IPPS信號。
[0040]北斗或者GPS通過串口給系統(tǒng)授時，產(chǎn)生年月日時分秒時間信號，其中精確的授時靠IPPS信號，能夠提供優(yōu)于100NS的時間精度，保證不同的主電源站下面的時鐘同步精度。
[0041]從電源站12主要完成以太網(wǎng)交換機功能和限流供電的功能。具體地，從電源站12可以接入外部電源，并對該外部電源進行抗干擾和限流處理，生產(chǎn)供電電流，并輸出該供電電流以對外供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電，以及提供用于級聯(lián)的以太網(wǎng)交換機接口。需要說明的是，如果通信距離不足或者供電不足，可以靠增加從電源站的方式解決。在本發(fā)明的實施例中，從電源站12可以提供2個以太網(wǎng)交換機接口。
[0042]如圖3所示，從電源站12包括第二電源121、第二以太網(wǎng)交換芯片組122和以太網(wǎng)接口。具體地，第二電源121用于接入外部電源，并將外部電源經(jīng)過直流電源變換器后生成供電電流以向第二以太網(wǎng)交換芯片組122供電。
[0043]在本發(fā)明的一個實施例中，外部電源取48V或者60V，最大電流限流為2Α，將該電源接入以太網(wǎng)線的4，5，7，8線對中，對外供電。具體地，外部電源接類線中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，采集終端13通過電源接口接所述上述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)以及主電源站11向采集終端13的供電。其中5類線的4和5為一組，7和8為一組，兩組線對通過內(nèi)部并聯(lián)實現(xiàn)電源的級聯(lián)。
[0044]在本發(fā)明的實施例中，接插件選用重載連接器，從而保證惡劣現(xiàn)場的可靠連接。第二以太網(wǎng)交換芯片組122的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且以太網(wǎng)交換機的另外一個接口與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接所述兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)。其中，以太網(wǎng)通信信號級聯(lián)是通過在每個單元上提供I個雙口以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)的。其中，連接電纜的兩對單向信號芯線分別為的1，2，3，6線對，即以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜的1，2，3，6線對實現(xiàn)以太網(wǎng)信號的級聯(lián)。
[0045]在本發(fā)明的一個示例中，第二以太網(wǎng)交換芯片組122選用型號為DAVIC0M的DM8803，一共提供3個以太網(wǎng)交換口，實際使用3個。
[0046]采集終端13為用電設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)采集、提供網(wǎng)路接口，以及為外部傳感器供電。
[0047]多個采集終端13通過連接電纜依次級聯(lián)以實現(xiàn)供電級聯(lián)，并且每個采集終端13與主電源站11進行通信。具體地，多個采集終端13中的一部分通過連接電纜在主電源站11輸出的供電電流的供電下工作，另一部分采集終端13通過連接電纜在從電源站12輸出的供電電流的供電下工作。其中，每個采集終端13接收外部的輸入信號，并對該輸入信號進行放大、濾波和分析處理以生成處理后數(shù)據(jù)，并將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至主電源站11，并且每個采集終端13還用于接收主電源站11發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與主電源站11的主鐘的時間偏差和頻率偏差，并調(diào)整時間偏差和頻率偏差以將每個采集終端13的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由采集終端13的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的采樣時鐘同步。
[0048]在本發(fā)明的一個實施例中，每個采集終端13均引出IPPS信號輸出，方便進行實驗和測量。
[0049]如圖4所示，每個采集終端13包括:第二處理器131和多路信號處理單元132。其中，第二處理器131用于接收由主電源站11發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與主電源站11的主鐘的時間偏差和頻率偏差，并調(diào)整時間偏差和頻率偏差以將每個采集終端13的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由采集終端13的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的采樣時鐘同步。即，采集終端13通過1588V2協(xié)議與主鐘同步，從而保證整個系統(tǒng)的同步性。
[0050]在本發(fā)明的一個示例中，第二處理器131采用STM32F417，這是一個32位COTEX M4的ARM處理器，其本身硬件支持IEEE1588V2協(xié)議，支持以太網(wǎng)接口。
[0051]每路信號處理單元132與通過SPI總線與第二處理器131相連，每路信號處理單元132用于接入外部的輸入信號，并對輸入信號進行放大、濾波和信號采集。
[0052]在本發(fā)明的一個實施例中，每路信號處理單元132包括:可編程增益放大器PGA1341、濾波器組和逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器1342。
[0053]具體地，可編程增益放大器1341可以接收外部的輸入信號，并根據(jù)輸入信號的強度調(diào)整所述可編程增益放大器的放大倍數(shù)。濾波器組與可編程增益放大器1341的輸出端相連，可以對輸入信號進行濾波。其中，濾波器組包括二階低通濾波器(LPF，Low PassFilter)和二階高通濾波器(HPF, High Pass Filter)。
[0054]逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC) 1342的輸入端與濾波器組的輸出端相連，用于對濾波后的信號進行信號采集得到采集數(shù)據(jù)，并通過SPI總線將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到第二處理器131。其中，第二處理器131還用于對采集數(shù)據(jù)進行分析處理并發(fā)送至主電源站11。gp，輸入信號經(jīng)過可編程增益放大器1341放大后經(jīng)過濾波器組濾波后，發(fā)送至16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC) 1342進行信號采集，通過SPI總采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙幚砥?31中，
[0055]經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進行暫存，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)采集工作站3。[0056]工業(yè)以太網(wǎng)交換機2可以接收來自主電源站11的由每個采集終端13發(fā)送的處理后數(shù)據(jù)，并將上述處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至多臺數(shù)據(jù)采集工作站3。
[0057]每臺數(shù)據(jù)采集工作站3可以接收處理后的數(shù)據(jù)，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析和存儲。
[0058]在本發(fā)明的一個實施例中，單個供電站通過級聯(lián)可以完成500米距離，最多支持25臺設(shè)備，采集終端的功率總消耗不大于50瓦，多個供電站僅解決供電功率和距離問題。
[0059]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用不同于POE方法的基于以太網(wǎng)連接電纜的級聯(lián)式電源傳輸方法，基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和IEEE1588V2的時鐘同步技術(shù)的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的新的架構(gòu)，能夠在以太網(wǎng)連接電纜上，提供級聯(lián)的通信和供電功能，解決了布線、供電和同步問題。并且，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便安裝，布線簡單，可以實現(xiàn)同步的數(shù)據(jù)采集，并且實現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的級聯(lián)通信和供電的同步數(shù)據(jù)采集方案。
[0060]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0061]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括:多個供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機和多臺數(shù)據(jù)采集工作站，其中，所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機分別與每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和每個所述數(shù)據(jù)采集工作站進行通信，其中， 每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于生成供電電流以對外供電以及采集外部的輸入信號并生成對應的處理數(shù)據(jù)，其中，每個所述供電及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括: 主電源站，所述主電源站通過光纖通信或無線通信方式與所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行通信，其中，所述主電源站用于接入外部電源，并對所述外部電源進行抗干擾及限流處理，生成供電電流以對外供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電，以及提供IEEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個所述主電源站間的時鐘同步，以及提供以太網(wǎng)交換機接口和供電接口； 從電源站，用于接入所述外部電源，并對所述外部電源進行抗干擾和限流處理，生成供電電流以對外供電，同時經(jīng)過直流電源變換器對內(nèi)供電，以及提供用于級聯(lián)的以太網(wǎng)交換機接口 ； 多個采集終端，所述多個采集終端通過連接電纜依次級聯(lián)以實現(xiàn)供電級聯(lián)且每個所述采集終端與主電源站進行通信，所述多個采集終端中的一部分通過所述連接電纜在所述主電源站輸出的所述供電電流下工作，另一部分通過所述連接電纜在所述從電源站輸出的所述供電電流下工作，其中，每個所述采集終端接收外部的輸入信號，并對所述輸入信號進行放大、濾波和分析處理以生成處理后數(shù)據(jù)，并將所述處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至所述主電源站，并且每個所述采集終端還用于接收所述主電源站發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與所述主電 終端的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由所述采集終端的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的時鐘同步；所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機用于接收來自所述主電源站的所述處理后數(shù)據(jù)，并將所述處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至所述多臺數(shù)據(jù)采集工作站； 每個所述數(shù)據(jù)采集工作站用于接收所述處理后數(shù)據(jù)，并對所述處理后數(shù)據(jù)進行分析和存儲。
2.如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，每個所述主電源站包括:第一電源、第一以太網(wǎng)交換芯片組、第一處理器、以太網(wǎng)交換機接口和電源接口，其中， 所述第一電源用于接入外部電源，并將所述外部電源經(jīng)過直流電源變換器后生成供電電流以向所述第一以太網(wǎng)交換芯片組和所述第一處理器供電，并且所述外部電源接連接電纜中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，所述采集終端通過所述電源接口接所述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)； 第一以太網(wǎng)交換芯片組的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且所述以太網(wǎng)交換機的另外一個接口與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接所述兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)； 第一處理器，所述第一處理器與所述第一以太網(wǎng)交換芯片組的其中一個接口相連，用于供IEEE1588V2同步主鐘并接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時以實現(xiàn)每個所述主電源站間的時鐘同步。
3.如權(quán)利要求2所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述衛(wèi)星導航系統(tǒng)為北斗導航系統(tǒng)或全球定位系統(tǒng)GPS接收機。
4.如權(quán)利要求2所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述工業(yè)以太網(wǎng)交換機與所述第一以太網(wǎng)交換機芯片組通過光纖或無線方式進行通信。
5.如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述主電源站還用于輸出秒脈沖IPPS信號。
6.如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述從電源站包括:第二電源、第二以太網(wǎng)交換芯片組和以太網(wǎng)交換機接口，其中， 所述第二電源用于接入外部電源，并將所述外部電源經(jīng)過直流電源變換器后生成供電電流以向所述第二以太網(wǎng)交換芯片組供電，并且所述外部電源接連接電纜中兩對并聯(lián)的芯線的一側(cè)，所述采集終端通過所述電源接口接所述兩對并聯(lián)的雙向芯線的另一側(cè)以實現(xiàn)電源級聯(lián)； 所述第二以太網(wǎng)交換芯片組的其中一個接口與以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述以太網(wǎng)變壓器的次級接連接電纜中兩對信號芯線的一側(cè)，并且所述以太網(wǎng)交換機的另外一個接口與另一個以太網(wǎng)變壓器的初級相連，所述另一個以太網(wǎng)變壓器的次級接所述兩對單向信號芯線的另一側(cè)通過以太網(wǎng)交換芯片的報文交換以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信信號的級聯(lián)。
7.如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，每個所述采集終端包括:多路信號處理單元和第二處理器，其中，` 所述第二處理器用于接收所述主電源站發(fā)送的IEEE1588V2報文，并根據(jù)IEEE1588V2協(xié)議，計算與所述主電源站的主鐘的時間偏差和頻率偏差，并調(diào)整所述時間偏差和頻率偏差以將每個所述采集終端的時鐘與主鐘的時間誤差小于預設(shè)值，再由所述采集終端的時鐘觸發(fā)采樣輸出以保證各個采集終端的采樣時鐘同步； 所述多路信號處理單元與所述第二處理器相連，其中，每路所述信號處理單元與通過SPI總線與所述第二中央處理單元相連，每路信號處理單元用于接入所述外部的輸入信號，并對所述輸入信號進行放大、濾波和信號采集。
8.如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)和分布式供電的級聯(lián)式同步大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，每路所述信號處理單元包括: 可編程增益放大器，用于接收所述外部的輸入信號，并根據(jù)所述輸入信號的幅值大小調(diào)整所述可編程增益放大器的放大倍數(shù)； 濾波器組，所述濾波器組與所述可編程增益放大器的輸出端相連，用于對所述輸入信號進行濾波； 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述濾波器組的輸出端相連，用于對濾波后的信號進行信號采集得到采集數(shù)據(jù)，并通過所述SPI總線將所述采集數(shù)據(jù)發(fā)送到所述第二中央處理單元，其中，所述第二中央處理單元還用于對所述采集數(shù)據(jù)進行分析處理并發(fā)送至所述主電源站。
【文檔編號】H04L12/10GK103825749SQ201410073276
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】王鐵鋼 申請人:北京騰控科技有限公司