CN107743688A - 用于分布式传感器的可扩展同步低功率遥测系统 - Google Patents

用于分布式传感器的可扩展同步低功率遥测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于重新发送穿过耦合在网关节点和传感器之间的导线的电信号的双向中继器，所述双向中继器包括耦合到网关节点的第一输入‑输出端口、耦合到传感器的第二输入‑输出端口、配置为接收来自第一输入‑输出端口的同步信号并传送重新同步的数据信号到第一输入‑输出端口的第一收发器、配置为传送同步信号到第二输入‑输出端口并从第二输入‑输出端口接收数据信号的第二收发器、以及耦合到第一收发器和第二收发器并被配置为传送同步信号且重新同步数据信号以生成重新同步的数据信号的中继器电路。

Description

用于分布式传感器的可扩展同步低功率遥测系统
技术领域
本发明的实施例涉及遥测系统，更具体地，涉及一种具有分布式传感器的可扩展同步遥测系统。
背景技术
分布式传感器网络使用一组空间上分散的传感器，这些传感器被设计成从环境获得测量结果。连接到传感器的中央节点收集数据，所述数据用于提取与环境相关的信息。
传统的网络类型，例如RS-485网络，允许实现线性总线拓扑(例如，串联串行引入通信链路(in-line serial drop communication link))。然而，这种网络具有带宽/数据速率限制，这些会限制所使用的传感器的数量和传感器之间的物理间隔。数据速率(波特率)通常由电缆长度和物理信令协议控制。(由于内磁感应强度、电阻和电容)电缆具有固有的低通滤波特性，这导致电缆的较长跨度上为较低的数据速率。数据协议尝试优化信号完整性，并且对于给定的设计参数限制误码率。分布式传感器的扩展的长度和数量可能需要以较慢的波特率运行的额外总线或电缆。随着额外的电缆被添加以适应传感器带宽，制造可能会变得越来越昂贵，这可能导致在成本方面不实际的方案。
一些半导体制造商已经开发了具有内置电缆均衡(例如，高频增益电路)的RS-485收发器装置，这扩展了RS-485网络的范围。尽管这些装置可能会成功延长这种网络的长度，但是他们仍然具有对最大范围的限制。进一步地，这些装置不会尝试处理同步的概念。
其它网络类型例如以太网和USB具有扩展其范围的现有方法；但是，这些方法通常利用高功耗、成本甚至尺寸而使它们不适合于许多应用，例如远距离海底监视。
需要一种用于分布式传感器网络的可扩展的同步低功率遥测系统，该系统低成本、可靠且易于扩展。
发明内容
本发明的多个实施例的多个方面涉及一种用于连接大量分布式同步传感器的方法和一种实现该方法的遥测系统。本发明实施例的多个方面允许将数据传输长度乘以带宽的乘积扩展到比先前可得到的值明显更高的值，同时保持传感器之间的精确定时同步。因此，本发明的多个实施例允许传感器的物理间距和数量扩展超出标准分布式传感器网络(DSN)的通常限制并且可以随意缩放。
本发明多个实施例的多个方面涉及一种低功率、低成本的遥测系统架构，该系统架构将多个分布式传感器耦合到使用现有收发器装置的公共节点。该系统包括网关节点、多线电缆、一个或多个中继器以及每个传感器上的公共数字接口。多个传感器沿着电缆设置并接收同步信号，该同步信号允许多个传感器同时抽样它们的测量。然后，这些传感器利用时分多路复用(TDM)将它们的数据抽样传送到网关节点。中继器捕获并重新传送上行链路数据抽样到网关节点。
根据本发明的一个实施例，提供了一种双向中继器，所述双向中继器用于重新发送穿过耦合在网关节点与传感器之间的电路的电信号，该双向中继器包括：第一输入-输出端口，所述第一输入-输出端口耦合到网关节点；第二输入-输出端口，所述第二输入-输出端口耦合到传感器；第一收发器，所述第一收发器被配置为从第一输入-输出端口接收同步信号并将重新同步的数据信号传送到第一输入-输出端口；第二收发器，所述第二收发器被配置为将同步信号传送到第二输入-输出端口并从第二输入输出端口接收数据信号；和中继器电路，该中继器电路耦合到第一收发器和第二收发器，并且被配置为传送同步信号且重新同步数据信号以生成重新同步的数据信号。
在一个实施例中，中继器电路包括被配置为锁定到同步信号的相位的定时控制电路。
在一个实施例中，中继器电路被配置为通过重新计时并重新生成数据信号来重新同步数据信号。
在一个实施例中，重新计时数据信号包括及时移位数据信号在下一个时隙开始时开始。
在一个实施例中，数据信号包括串行双向的时分多路复用数据，并且被分成多个帧，每个帧都具有多个时隙。
在一个实施例中，多个时隙中的一个时隙包括数据位。
在一个实施例中，重新生成数据信号包括重建数据位以校正噪声和信号失真。
在一个实施例中，同步信号包括单脉冲。
在一个实施例中，中继器电路被配置为在不再生同步信号的情况下传送同步信号。
在一个实施例中，中继器电路进一步被配置为锁定到同步信号的相位。
在一个实施例中，中继器耦合到包括所述传感器的多个传感器，其中第一输入-输出端口通过多个传感器中的一个或多个耦合到网关节点。
根据本发明的一个实施例，提供了一种同步遥测系统，包括：电缆，所述电缆包括用于传导同步信号的一个或多个传导元件；网关节点，所述网关节点被配置为提供同步信号并接收重新同步的数据信号；中继器，所述中继器耦合到电缆并被配置为传送同步信号；传感器，所述传感器耦合到电缆，并且被配置为接收同步信号、响应于接收到同步信号来测量参数并生成与测量的参数相对应的数据信号；以及其中中继器被耦合在网关节点和传感器之间，并且进一步被配置为重新计时并重建数据信号以生成重新同步的数据信号。
在一个实施例中，一个或多个传导元件包括一对配线，并且其中同步信号、数据信号和重新同步的数据信号是通过所述一对配线传送的不同信号。
在一个实施例中，网关节点还被配置为通过电缆向传感器和中继器提供电力。
在一个实施例中，传感器和中继器中的每一个都包括本地电源。
在一个实施例中，同步遥测系统包括串联耦合的多个段，每个段都包括包含所述传感器的多个传感器以及包含所述中继器的一个或多个中继器。
在一个实施例中，多个传感器响应于接收到同步信号同时测量参数。
在一个实施例中，传感器包括声学传感器、光学传感器、温度传感器和振动传感器中的至少一个。
根据本发明的一个实施例，提供了一种重发穿过耦合在网关节点与传感器之间的传导线路的电信号的方法，该方法包括以下步骤：通过中继器在中继器的第一输入-输出端口处接收同步信号；通过该中继器在该中继器的第二输入-输出端口处传送同步信号；通过中继器在中继器的第二输入-输出端口处接收数据信号；通过中继器重新同步数据信号以生成重新同步的数据信号；和通过中继器在中继器的第一输入-输出端口处传送重新同步的数据信号。
在一个实施例中，该方法还包括通过中继器锁定到同步信号的相位。
附图说明
本发明的这些以及其它特征和优点将通过结合附图时参考下文的详细说明而被更好地理解，其中相通的元件使用相同的数字表示。这些附图不是为了限制本发明，而仅用做说明。
图1A为根据本发明一个示例性实施例的使用中继器140的同步遥测系统的方框图；
图1B为根据本发明一个示例性实施例的使用中继器的同步遥测系统的方框图；
图2A为根据本发明一个示例性实施例的中继器的示意图；
图2B为显示根据本发明一个示例性实施例的中继器的运行对电缆所运送的信号的作用的时序图；
图3A显示根据本发明一个实施例的通过网关节点传送的下行链路同步信号的帧的时序图；
图3B显示根据本发明一个实施例的同时示出通过网关节点接收的下行链路同步信号和上行链路数据信号的帧的时序图；。
图3C显示根据本发明一个实施例的通过网关节点接收的上行链路数据信号的数据抽样的时序图；
图4A为显示根据本发明一个实施例的通过多传感器同步遥测系统中的网关节点、中继器、传感器接收并传送的信号的波形的波形图；
图4B显示根据本发明一个实施例的在多传感器同步遥测系统中从多个传感器传送到网关节点的多个数据块的时序图；
图5显示根据本发明一个示例性实施例的包括控制和监控面板的处理单元的图形用户界面；以及
图6为根据本发明一个示例性实施例的通过中继器接收的重发信号的处理的方框图。
具体实施方式
以下结合附图的详细说明旨在作为对根据本发明的用于在分布式传感器网络(DSN)中重发信号的系统和方法以及使用这种系统和方法的同步遥测系统的示例性实施例的说明，并不意在表示本发明可以实施的或使用的仅有形式。该描述结合所示的实施例阐述了本发明的特征。然而，应当理解的是，相同或者等效的功能和结构可以通过不同的实施例实现，这也包括在本发明的精神和保护范围内。如本文其它地方说明的，相同的元件数字意在指示相同的元件或特征。术语“基本上”、“约”以及类似术语用作相近的术语而非程度的术语，并且不旨在说明本领域普通技术人员能够理解的测量或计算值中的固有差异。此外，当一个部件被称为“耦合”到或者“连接”到另一个部件时，所述一个部件可以直接地连接到该另一个部件，或者可以在它们之间存在中间部件。
本发明的一些实施例涉及低功率、低成本同步遥测系统构架，该构架使用现成的收发器装置(例如，RS-485收发器装置，例如8针RS-485收发器集成芯片)将多个分布式传感器连接到网关节点(例如，中心节点)。在一个实施例中，该系统包括网关节点、电缆(例如，多线电缆，例如4线电缆)、一个或多个中继器以及具有共用数字接口的一个或多个传感器。传感器可以沿着电缆放置并接收同步信号，这允许所述传感器同时抽样它们的测量结果。节点、一个或多个中继器以及一个或多个传感器通过电缆被连接在一起(例如，电学串联)。在一个实施例中，下行链路同步信号通过一个或多个中继器沿电缆向下传送到一个或多个传感器。随后，一个或多个传感器可以利用时分多路复用(TDM)将所述传感器的数据抽样传送到网关节点。一个或多个中继器捕获并重新传送上行链路数据抽样到网关节点。
本发明的多个实施例允许保持传感器之间的精确定时同步的同时将电缆的长度和带宽乘积扩展到比先前可获得的值显著高的值。例如，当电缆长度达到串联串行引入通信链路的给定段的物理限制时，中继器的集成允许另一个段被添加进来。可以添加中继器以将距离扩展到任意的长度。
图1A为根据本发明一个示例性实施例的使用中继器140的同步遥测系统100的方框图。
根据本发明的一个实施例，同步遥测系统100包括网关节点(例如，中心网关或者汇节点)110和通过电缆120连接在一起的(例如，彼此电连接)多个场节点。该场传感器包括多个传感器130和一个或多个中继器(例如，双向中继器)140，所述中继器可以沿着电缆120的长度以规则或不规则的间隔分布。传感器130测量环境中感兴趣的一个或多个参数，并且可以是声传感器、光学传感器、温度传感器、振动传感器和/或类似传感器的任意组合。传感器的测量通过同步信号(例如，下行链路同步信号)被同步，其中同步信号由网关节点110提供并由电缆120的遥测总线运载到每个传感器130。进行测量时，传感器130利用时分多路复用(TDM)将所述传感器的数据抽样写入数据信号(例如，上行链路数据信号或者多路复用数据信号)，该数据信号被传送回到网关节点110。同步信号和数据信号可以由电缆120的相同的遥测总线运载。遥测总线可以是单个电导体(例如，单个配线)，也可以是具有两个电导体的差分平衡线路(例如，双绞线电缆)，其可以提供与单个导体线相比改进的信噪比。
在一个实施例中，一个或多个中继器140接收同步信号和数据信号(例如，多路复用数据信号)，并且重新生成所述信号中的一个或多个以校正失真(例如，由于横过电缆120而产生的衰减)并且提高它们的信噪比(SNR)，并沿电缆120的遥测总线向下或者向上重新传送该信号。这样，对于给定的比特率，一系列传感器(包括段)可以被扩展到信令协议允许的范围，并且中继器140可以用于将该一系列传感器串联地连接到另一个段。在这种方式中，任意数量的段可以被串联地连接在一起以形成任意长度的链112。
在一个实施例中，网关节点110通过电缆120的电源总线向场节点提供电力。电源总线可以包括用于承载功率信号和参考(例如，地面)信号的两个电导体。在一个实施例中，部分或者全部的场节点中的每一个都可以具有本地电源(例如，电池)以向相应的节点提供电力。本地电源可以与网关节点110处的中心电源一起或者代替它操作。因此，在一些实施例中，本地电源线可以排除对电缆120处的电源总线的需求。
图1B为根据本发明一个示例性实施例的使用中继器120的同步遥测系统100-1的方框图。
同步遥测系统100-1使用多链平行串联的分布式传感器构架(也称为星型拓扑)。每个链112可以与图1A的同步遥测系统100的链基本相似。
根据一个实施例，一个或多个网关节点110和/或110-1可以连接在一起以形成具有网格拓扑的遥测系统。
尽管在此说明的很多示例和实施例可以被称为遥测系统100和/或网关节点110，但是所说明的概念不特定于拓扑而可以同样应用于例如遥测系统100-1和/或网关节点110-1。
图2A为根据本发明一个示例性实施例的中继器140的示意图。图2B为根据本发明一个实施例的显示中继器140对由电缆120运送的信号的操作效果。
根据一个实施例，中继器(例如，双向中继器)140包括用于接收和传送下行链路和上行链路信号(例如，下行链路同步信号和上行链路数据信号)的第一和第二收发器(例如，双向收发器)200a和200b以及用于重发由收发器200a/b接收的下行链路和上行链路信号的中继电路202。在一个实施例中，中继电路202包括用于锁定同步信号的周期性的同步控制器204、通过门206以及数据再生器208。
在一个实施例中，收发器200a和200b中的每一个可以用作开关(例如，三向开关)的功能，该开关被配置为将电缆遥测总线120a耦合(例如，电耦合或者电连接)到下行链路线203或者上行链路线205。第一收发器200a可以通过第一端口(例如，第一输入-输出端口)201a连接到电缆遥测总线120a，第二收发器200b可以通过第二端口(例如，第二输入-输出端口)201b连接到电缆遥测总线120a。在一个实例中，当控制信号(例如，定时信号SYNC_GATE)处于逻辑高时，收发器200a和200b将电缆遥测总线120a连接到下行链路线203，而当控制信号(例如，定时信号SYNC_GATE)处于逻辑低时，收发器200a和200b将电缆遥测总线120a连结到上行链路线205。
同步控制器204被配置为生成匹配同步信号SYNC_IN的周期性和相位的定时信号SYNG_GATE。这样，中继器140可以使用具有相位检测器和电压控制振荡器(VCO)的锁相环(PLL)。在初始通电时，定时信号SYNC_GATE处于逻辑高，从而将电缆遥测总线120a连接到下行链路线203并允许同步信号SYNC_IN到达同步控制器204。在同步信号SYNC_IN的一个或多个周期之后，同步控制器204可以锁定同步信号SYNC_IN(即，“学习”同步信号SYNC_IN的周期和相位)并生成可以稍宽于同步信号SYNC_IN的定时信号SYNC_GATE(如图2B中所示)。对于适应在同步通过门206处的任意标称延迟，期望该较宽的宽度。在一个示例中，该附加的宽度可以是几纳秒(ns)到几微妙(μs)长。在一个实施例中，定时信号SYNC_GATE的宽度扩展超出同步信号SYNC_IN以覆盖超帧位和命令位(下面将参照图3A和图3B更详细地讨论)。
在一个实施例中，中继器140传递同步信号SYNC_IN而不进行重新生成(例如，没有任何失真)，以便在同步信号的下行链路传输中降低(例如，最小化)延迟并提高遥测系统100的同步性。在一个实施例中，中继器140还传递超帧位和命令位而不进行任何重新生成。这样，通过门206对下行链路线203上的信号(可以包括同步脉冲和传感器数据)和定时信号SYNC_GATE执行逻辑AND操作，从而确保仅同步脉冲通过并在第二端口201b处从中继器140输出。
数据再生器208沿着链112向下到中继器140从传感器130重新同步，即，重新锁定并重新生成数据信号(该数据信号为一个或多个多路复用数据块形式)。当定时信号SYNC_GATE低时，收发器200a和200b将电缆遥测总线120a连接到上行链路线205，从而允许数据再生器208从传感器130接收传感器数据块DATA_IN。数据再生器208可以包括两个或更多个移位寄存器和用于控制移位寄存器的操作的数据控制器210。在一个实施例中，数据再生器208包括第一移位寄存器(例如，串行到并行或者串行/并行输出移位寄存器)212、第二移位寄存器(例如，并行到并行移位寄存器)214以及第三移位寄存器(例如，并行到串行或者并行/串行输出移位寄存器)216。数据控制器210可以提供匹配传感器数据时钟DATA_IN的比特率的时钟信号。该时钟信号可以具有为同步信号SYNC_IN(或者定时信号SYNC_GATE)检测的频率的倍数的频率。第一移位寄存器212一次一位地从传感器数据块DATA_IN对数据位进行时钟处理，同时第二移位寄存器214复制传感器数据块DATA_IN的所有位，并且第三移位寄存器216一次一位地发送位，它们一起形成重复的数据块DATA_OUT。数据控制器210控制移位寄存器的操作的计时，以使重复的数据块DATA_OUT与同步信号SYNC_IN(或者定时信号SYNC_GATE)对准。(对准将在图3A-4B的说明中更详细说明)。在移位数据位中，移位寄存器(例如，移位寄存器212、214和216)还重建位，从而校正数据位由于噪声或电缆传输特性而可能遭受的任何失真。这样，重复的数据块DATA_OUT可以是图2B中所示的传感数据块DATA_IN的延迟和重新生成的版本。
中继器140还包括用于向中继器140内的电路块提供电力的电源单元220。在一些实施例中，电源单元220可以从电缆120的电缆电源总线120b(如图2A所示)和/或本地电源(例如，电池)获取电力。
图3A示出了根据本发明一个示例性实施例的通过网关节点110传送的下行链路同步信号300的帧310的波形图。图3B示出了根据本发明一个示例性实施例的通过网关节点110接收的上行链路数据信号302的帧320的波形图。图3C示出了根据本发明一个示例性实施例的通过网关节点110接收的上行链路数据信号302的数据抽样的波形图。
根据一个实施例，通过遥测系统100运送的信号(例如，下游同步信号300或者上行链路数据信号302)的波形可以被划分为多个帧(例如，时间帧)310，帧310可以被细分为多个片段(例如，时隙)。在图3A-3B中所示的实例中，帧310包括45个相等片段(片段0-44)，其中第一个片段包括同步脉冲(例如，片段0处为SYNC脉冲)。第二个片段(片段1)可以由命令位和超帧标记部分地占用。命令位可以用于传送下行链路命令(例如，从网关节点110到传感器130的命令)，同时超帧标记对于每一个预设数量的帧(例如，每5000帧)可以被激活(例如，变高)以标记超帧(例如，5000帧)的开始。在一些实例中，下一个片段(片段2)可以被保留；然而，所述片段也可以用作数据时隙。在一个实例中，帧310可以表示时间的200μs，并且5000个帧的超帧可以具有1s的持续时间。
帧310可以包括预设数量的数据时隙(例如，37个数据时隙)，其中的每一个可以包含传感器130或者中继器140的数据特征(data imprint)。每个数据时隙可以占用片段的一部分(例如，片段的3/4)，以在数据和相邻片段之间留出足够的空间(例如，片段的1/4)。第一个数据时隙(例如，时隙3)可以携带中继器的序列号，该序列号在可能出现在同步遥测系统中的其它中继器中唯一地标识中继器140。该序列号可以允许通过网关节点110在系统初始化时唯一地编程每个中继器。编程到中继器140中的信息可以包括片段号。中继器140可以将全部的片段重新发送到编程号，然后关闭其输出以使上游场传感器(例如，位于网关节点110和中继器140之间的传感器)可以控制电缆遥测总线120a。中继器序列号可以通过中继器140重新发送。在一个以上中继器集成到电缆120上的实施例中，每个中继器可以将上一个中继器的序列号移位两个片段，以留出两个可用片段来插入它自己的序列号。帧310还可以包括预设数量的未使用片段(例如，5个未使用片段)，以适应来自传感器130的上行链路数据信号(或者返回信号)中的延迟。返回信号中的延迟将参照图4A-4B作进一步的说明。
如图3A中所示，当网关节点110传送同步信号300时，信号的帧310可以仅包括同步脉冲(例如，片段0处的同步脉冲)和命令位以及超帧标记。当信号返回时，数据时隙可以由来自传感器130的测量数据(例如，传感器数据或者数据块320)占用，如理想波形3B中所示。
如图3C所示，传感器数据(或者数据块)320包括起始位、多个数据位(例如，二进制数据位D0-D15)以及用于错误检测的一个或多个编码位(例如，奇偶校验位)。在一个实例中，起始位、数据位以及校验位中的每一个都具有占据数据时隙的3/4的传感器数据的1/24的时长。在一个实施例中，该信号在数据时隙的未占用部分(例如，数据时隙的1/4)期间处于高阻抗状态。在数据信号(例如，多路复用数据信号)302中，每个连续数据块的到达通过间歇(例如，高阻抗状态)标记，该间歇后紧跟着起始位。
图4A为根据本发明一个示例性实施例的波形图400a，波形图400a示出了由多传感器同步遥测系统100中的网关节点110、传感器130和中继器140接收和传送的信号的波形。
简单起见，这里假设该同步遥测系统100仅包括单个中继器140和N个传感器(N是大于3的偶数)，其中一半的传感器出现在中继器140的前面；但是，本发明的实施例并不限于此，这里说明的操作同样可应用于包括任意(非零)数量的中继器140和传感器130的遥测系统。
这里，距离网关节点110最远的传感器130被标记为传感器1，以表示它是N个传感器130链中的第一个传感器130，以将数据传送回到网关节点110，尽管它是该链中接收同步信号的最后一个传感器。在相同的方式中，距离网关节点110最近的传感器130被标记为传感器N以表示它是N个传感器130链中的最后一个，以将数据传送回到网关节点110。为了方便说明，假设中继器140和传感器1分别位于距离网关节点110距离L1和距离L2处(其中，L2大于L1)。
网关节点110生成同步信号并通过电缆120向场节点(例如，传感器130和中继器140)传送同步信号。该同步信号以与长度L1相对应的Δt1的延迟到达中继器140。在一个实施例中，中继器140在未重新锁定的情况下传递该同步信号(例如，SYNC脉冲)，以向下传送到传感器130。在一个实施例中，中继器140还在未重新计时的情况下传递超帧位和命令位。当该信号到达传感器2及随后到传感器1时被进一步延迟。传感器1以与长度L2-L1相对应的进一步延迟Δt2接收重发的同步信号。在L1约为250m且L2约为500m的实例中，Δt1和Δt2可以均为约1.25μs。
在一个实施例中，当传感器1-N中的每一个检测到同步信号的SYNC脉冲时执行其测量。然而，传感器1-N被配置为(例如，编程为)在预设的数据时隙期间以交错(也可以称为时分多路复用)的方式传送它们的压缩收集的数据(呈现为数据块的形式)的数据信号。例如，传感器1可以在视为片段2的期间传送，传感器2可以在视为片段3的期间传送，以此类推。然而，由于信号传送延迟，当每个传送的数据块到达中继器140时，该数据块可能不能与中继器140感知的数据时隙对齐(例如，不能相联合)。例如，如图4A所示，来自传感器1的数据信号(例如，数据块)401可能占用中继器140处的片段2的一半以及片段3的一部分。在一个实施例中，中继器140及时地重新计时通过移位数据信号接收的数据信号，从而与下一个数据时隙对齐(或者，从下一个数据时隙开始)。例如，中继器140可以重新计时来自传感器1的数据信号401，以作为数据信号401’在片段4的起始处开始。这样，来自传感器1-N/2的重发的数据信号可以通过例如两个数据时隙进行移位。重发的数据信号在进一步的传送延迟Δt1后到达网关节点110。网关节点110使用每个数据块的开始处的起始位和数据块的末尾后的间歇时期来区分数据块。
除了重新计时(例如，执行计时配列)数据信号外，中继器140还重新生成(例如，重建)数据块的组成位，以适用于补偿由于电缆120和/或环境因素造成的任何传输衰退和噪声。这样，中继器140扩展了数据信号可以传输的范围，同时保持可接受的比特误码率。根据一个实施例，中继器140还可以使用接收的数据信号中的一个或多个奇偶校验位执行奇偶校验检查。
图4B示出了根据本发明一个实施例的多传感器同步遥测系统100中从传感器130传送到网关节点110的数据块的波形图400b。
在图4B中示出的实施例中，同步遥测系统100包括沿着500m长的电缆120以规则间隔分布的36个传感器130以及位于约250m处电缆的中间的中继器140。网关节点110传送具有每一个通过SYNC脉冲标记的多个帧的同步信号。该SYNC信号提示传感器1-36几乎同时执行一个或多个环境参数的测量。中继器140在未重新计时的情况下传递SYNC脉冲以保持计时同步。检测到SYNC脉冲时，传感器1-36在预定时间(例如，连续数据时隙开始时)传送对应于它们的测量的数据信号411-446。例如，传感器1-18可以在第一时间块T1期间顺序地传送数据信号401-418，而传感器19-36可以在第二时间块T2期间顺序地传送数据信号419-436。一旦从传感器1-18接收到数据信号401-418中的每一个，则中继器140通过重新计时和重新生成(例如，重建)每个数据信号401-418来重发(例如，重新同步)接收的流Rx(Rep)，以生成数据信号401′-418′以建立传送流Tx(Rep)。可以以大于一个数据时隙且小于两个数据时隙的时间周期将传送流Tx(Rep)从接收流Rx(Rep)及时移位。传感器19的传送时间可以被设置(或者配置)成使得数据信号429占用紧接着传送流Tx(Rep)的最后一个数据信号的数据时隙的数据时隙，即，数据信号418′。传感器20-36可以顺序地传送数据信号420-436，如图4B所示。在与250m的传送延迟相对应的时间周期之后，网关节点110接收数据信号401′-418′和419-436，它们一起形成了接收流Rx(GN)。接收流Rx(GN)表示由网关节点110检测的上行链路数据信号。
网关节点110可以耦合到用于分析来自接收流Rx(GN)的传感器数据的处理单元。该处理单元还可以控制网关节点110的操作。用户可以通过图形用户界面(GUI)与处理单元交互。
图5示出了根据本发明一个实施例的包括控制和监控面板的处理单元的图形用户界面(GUI)500。
GUI 500包括用于控制同步遥测系统100的各个方面(例如，切换系统电源、以诊断模式操作等)的控制面板502。GUI还可以包括用于监控从每个传感器130接收的数据的各个方面的监控面板504。在图5的实例中，监控面板示出了从具有144个传感器130的同步遥测系统100接收的信号的功率电平。报警面板506可以提供同步遥测系统100的操作过程期间产生的报警或错误的运行记录。
图6为根据本发明一个实施例的中继器140接收的重发信号的过程600的方框图。
在方框602中，中继器400在中继器140的第一输入-输出端口602处接收同步信号。第一收发器200a将该同步信号传送到同步控制器204，同步控制器204锁定到该同步信号的周期和相位并生成用于控制中继器140的内部部件的计时操作的计时信号SYNC_GATE。
在方框604中，中继器140将同步信号传送到中继器140的第二输入-输出端口201b以下行链路传输到一个或多个传感器130。中继器140(例如，通过门206)可以在不重新生成信号的情况下传送该同步信号。
在方框606中，中继器140在中继器140的第二输入-输出端口201b处接收多路复用数据信号。由于线路延迟与同步信号可能不同步，因此第二收发器200b将该多路复用数据信号传送到数据再生器208以重新同步。
在方框608中，数据再生器208重新同步多路复用数据信号以生成重新同步的多路复用数据。数据再生器208可以使用多个移位寄存器，以通过重新计时(例如，延迟适当的量以与下一个时隙对准)和重新生成多路复用数据信号的数据位来重新同步多路复用数据信号。
在方框610中，中继器140通过第一输入-输出端口201a传送重新同步的多路复用数据信号到网关节点110。在一个实例中，重新同步的多路复用数据信号可以穿过可以耦合在中继器140和网关节点110之间的一个或多个传感器130。
本文说明的实施例已经采用高电平有效信号，但是本领域技术人员应当理解的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下，本发明的实施例还可以使用低电平有效信号操作。例如，通过对其电路做适当的改变，网关节点110、传感器130以及中继器140可以根据与图2B、图3A-3C以及图4A-4B中所示的信号相反的信号操作。
尽管参考本文示出的实施例对本发明进行了详细说明，但是这里说明的实施例并不意在穷举或者限制本发明的保护范围到所公开的确定形式。本领域技术人员将会理解，在不背离如所附的权利要求及其等同形式所示的本发明的原理、精神和保护范围的情况下可以实现对所述结构和操作方法的修改和变化。

Claims (20)

1.一种双向中继器，所述双向中继器用于重新发送穿过耦合在网关节点和传送器之间的导线的电信号，所述双向中继器包括：
第一输入-输出端口，所述第一输入-输出端口耦合到所述网关节点；
第二输入-输出端口，所述第二输入-输出端口耦合到所述传感器；
第一收发器，所述第一收发器被配置为从所述第一输入-输出端口接收同步信号并向所述第一输入-输出端口传送同步数据信号；
第二收发器，所述第二收发器被配置为将所述同步信号传送到所述第二输入-输出端口并从所述第二输入-输出端口接收数据信号；和
中继器电路，所述中继器电路耦合到所述第一收发器和所述第二收发器，并且被配置为传送所述同步信号以及重新同步所述数据信号以生成重新同步的数据信号。
2.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述中继器电路包括计时控制电路，所述计时控制电路被配置为锁定到所述同步信号的相位。
3.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述中继器电路被配置为通过重新计时和重新生成所述数据信号来重新同步所述数据信号。
4.根据权利要求3所述的双向中继器，其中，重新计时所述数据信号包括及时移位所述数据信号以在下一个时隙的开始处开始。
5.根据权利要求3所述的双向中继器，其中，所述数据信号包括串联的双向时分多路复用数据，并且被分为多个帧，每一个所述帧都具有多个时隙。
6.根据权利要求5所述的双向中继器，其中，所述多个时隙的时隙包括数据位。
7.根据权利要求6所述的双向中继器，其中，重新生成所述数据信号包括重建所述数据位以校正噪声和信号失真。
8.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述同步信号包括单个脉冲。
9.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述中继器电路被配置为传送所述同步信号而不重新生成所述同步信号。
10.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述中继电路还被配置为锁定到所述同步信号的相位。
11.根据权利要求1所述的双向中继器，其中，所述中继器被耦合到包括所述传感器的多个传感器，其中，所述第一输入-输出端口通过所述多个传感器中的一个或多个传感器耦合到所述网关节点。
12.一种同步遥测系统，包括：
电缆，所述电缆包括用于传导同步信号的一个或多个传导元件；
网关节点，所述网关节点被配置为提供所述同步信号，并且接收重新同步的数据信号；
中继器，所述中继器耦合到所述电缆，并且配置为传送所述同步信号；和
传感器，所述传感器耦合到所述电缆并且配置为接收同步信号，以响应于接收到同步信号来测量参数并生成与所述测量的参数相对应的数据信号；以及
其中，所述中继器被耦合在所述网关节点和所述传感器之间，并且还被配置为重新计时和重建所述数据信号以生成所述重新同步的数据信号。
13.根据权利要求12所述的同步遥测系统，其中，所述一个或多个传导元件包括一对配线，并且其中所述同步信号、所述数据信号和所述重新同步的数据信号为通过所述一对配线传送的不同信号。
14.根据权利要求12所述的同步遥测系统，其中，所述网关节点还被配置为通过所述电缆向所述传感器和所述中继器提供电力。
15.根据权利要求12所述的同步遥测系统，其中，所述传感器和所述中继器中的每一个都包括本地电源。
16.根据权利要求12所述的同步遥测系统，其中，所述同步遥测系统包括串联耦合的多个段，每个段都包括包含所述传感器的多个传感器以及包含所述中继器的一个或多个中继器。
17.根据权利要求16所述的同步遥测系统，其中，所述多个传感器同时响应于接收到同步信号来测量参数。
18.根据权利要求12所述的同步遥测系统，其中，所述传感器包括声学传感器、光学传感器、温度传感器以及振动传感器中的至少一个。
19.一种重新发送穿过耦合在网关节点和传感器之间的导线的电信号的方法，所述方法包括以下步骤：
通过中继器在所述中继器的第一输入-输出端口处接收同步信号；
通过所述中继器在所述中继器的第二输入-输出端口处传送所述同步信号；
通过所述中继器在所述中继器的所述第二输入-输出端口处接收数据信号；
通过所述中继器重新同步所述数据信号以生成重新同步的数据信号；和
通过所述中继器在所述中继器的所述第一输入-输出端口处传送所述重新同步的数据信号。
20.根据权利要求19所述的重新发送电信号的方法，还包括以下步骤：
通过所述中继器锁定到所述同步信号的相位。
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