CN102288877B - 基于pci-e技术的矿用电缆网在线故障定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统，所述系统包括多个信息采集节点和一个数据处理中心，信息采集节点用于采集待测电缆的故障行波信号，并通过PCI-E端口输出至数据处理中心；信息采集节点采用PCI-E架构，包括高速模数转换芯片、可编程增益放大器和FPGA芯片，数据处理中心包括PCI-E交换机和微处理器，本发明的系统采用先进的PCI-E高速互联技术、PCI-E交换技术以及光纤通信技术，所有板卡之间的通信采用全PCI-E结构，前端数据采集设备内部存储空间可由采集接收卡统一管理，由于去掉了CPU的转发干预以及负载的网络协议，使得数据传输速率更高，软件开销更小，进而使真个系统结构清晰明了，高效率地实现煤矿井下的电缆网的故障在线定位。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，特别涉及一种基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统。
背景技术
煤矿井下全部采用电缆供电，由于井下特殊的环境条件和移动供电设备较多的特点，导致井下供电电缆事故率高，严重地影响了煤矿的安全、正常运行。
由于井下供电电缆较短，电缆在线故障定位一般采用基于双端行波信息，而该技术的关键点是如何实现双端信息的同步采集。GPS信息同步采集法是地面电缆故障定位的常用方法，该方法的同步采样原理为：由高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足采样率要求的时钟信号，每隔1s被GPS的秒脉冲（PPS）信号同步一次，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿与GPS时钟同步，各装置都以振荡器输出的经过同步的时钟信号作为采用脉冲输出控制各自的数据采集，因此采样是同步的，GPS接收机经过标准串口将时间信息传递给数据采集装置，用于给采样数据以“时间标签”，以用于数据传送和处理。但是这一方法由于GPS本身精度还是存在不足，加上由于煤矿井下往往深达几十米甚至上百米，GPS无法定位，因此GPS信息同步采集法难以使用。
同时，常用的电缆故障定位都是针对单条电缆，每一个信息采集端都需要配置高性能的信息采集、处理，而井下电缆供电网如果都按照这种模式进行配置，成本很高。因此有必要提出一种具有集成化优势、适用于井下环境的电缆故障定位系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统，通过一种基于光纤通道、由一个信息处理节点、多个独立的信息采集节点构成的同步信息采集系统，可以高效率地实现煤矿井下的电缆网的故障在线定位。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该种基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统，包括多个信息采集节点和数据处理中心，所述信息采集节点用于采集待测电缆的电压信号，并通过PCI-E端口输出至数据处理中心；
所述信息采集节点采用PCI-E架构，包括高速模数转换芯片、可编程增益放大器和FPGA芯片，待测电缆的电压模拟信号经可编程增益放大器放大后，通过高速模数转换芯片转换为数字信号，并输入至FPGA芯片的FIFO缓存器，经由FPGA内在逻辑实现内存控制器接口于板载内存的采集数据的缓存，并通过DMA方式实现远程MCU对本地DDR3内存数据的直接读写，将采集后数据通过PCI-E输出接口经由光纤模块上传至数据处理中心；
所述数据处理中心包括PCI-E交换机和微处理器，通过PCI-E交换机与分布式采集节点实现互联，将采集数据发送到微处理器进行处理后，通过光纤以太网接口发送到上位机，所述数据处理中心提供PCI-E系统参考时钟和AD采集同步时钟到分布式信息采集节点，任一信息采集节点的数据采集均由数据处理中心统一控制管理。
进一步，所述FPGA芯片的PCI-E输出接口与光纤模块之间设置有用于提高PCI-E传输信号质量的驱动芯片；
进一步，所述数据处理中心还包括外部存储硬盘，所述外部存储硬盘与微处理器的大容量存储设备接口相联接，所述数据处理中心将采集数据缓存至硬盘中，实现大数据量采集时采样数据的可靠存储；
进一步，所述外部存储硬盘为SATA接口的SSD固态硬盘；
进一步，所述信息采集节点由数据处理中心统一供电，每一信息采集节点的供电线缆与光纤设置在一根同轴电缆内。
本发明的有益效果是：
1.本发明根据井下电缆铺建的特点，基于光纤传输通道，由一个信息处理节点、多个独立的信息采集节点共同构成同步信息采集系统，本发明的系统采用先进的PCI-E高速互联技术、PCI-E交换技术以及光纤通信技术，所有板卡之间的通信采用全PCI-E结构，前端数据采集设备内部存储空间可由采集接收卡统一管理，由于去掉了CPU的转发干预以及负载的网络协议，使得数据传输速率更高，软件开销更小，进而使真个系统结构清晰明了，高效率地实现煤矿井下的电缆网的故障在线定位；
2.本发明的整个采集管理体系尽可能由硬件实现，数据的搬运过程采用DMA方式，从最大程度上减少了MCU的参与，保证系统带宽和系统的实时性，方便数据处理中心对采集数据的读取搬移；
3.本系统的信息采集节点可以根据井下需要进行扩展，其设备调试简单，适合推广使用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为信息采集节点的硬件连接示意图；
图2为数据处理中心的硬件连接示意图；
图3为带有4个信息采集节点的系统连接示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
PCI Express总线（即PCI-E总线）是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范，与PCI总线共享并行架构相比，PCI Express总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，点对点意味着每一个PCI Express设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响，而对于过去PCI那种共享总线方式，PCI总线上只能有一个设备进行通信，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。而PCI Express以点对点的方式处理通信，每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道，对于其他设备这个通道是封闭的，这样的操作保证了通道的专有性，避免其他设备的干扰。
在传输速率方面，PCI Express总线利用串行的连接特点将能轻松将数据传输速度提到一个很高的频率，达到远超出PCI总线的传输速率。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括x1、x4、x8以及x16(x2模式将用于内部接口而非插槽模式)，其中X1的传输速度为250MB/s，而X16就是等于16倍于X1的速度，即是4GB/s。与此同时，PCI Express总线支持双向传输模式，还可以运行全双工模式，它的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。因此连接的每个装置都可以使用最大带宽，PCI Express接口设备将有着比PCI设备优越的多的资源可用。
本发明的基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统，包括多个信息采集节点和数据处理中心，其中，信息采集节点用于采集待测电缆的电压信号，并通过PCI-E端口输出至数据处理中心；
如图1所示，信息采集节点采用PCI-E架构，包括高速模数转换芯片、可编程增益放大器和FPGA芯片，待测电缆的电压模拟信号经可编程增益放大器放大后，通过高速模数转换芯片转换为数字信号，并输入至FPGA芯片的FIFO缓存器，经由FPGA内在逻辑实现内存控制器接口于板载内存的采集数据的缓存，并通过DMA方式实现远程MCU对本地DDR3内存数据的直接读写，将采集后数据通过PCI-E输出接口经由光纤模块上传至数据处理中心；本实施例中，为增加PCI Express信号的驱动能力，FPGA芯片的PCI-E输出接口与光纤模块之间设置有驱动芯片，用于提高PCI-E传输信号质量。
如图2所示，数据处理中心包括PCI-E交换机和微处理器（MPC83XX系列），通过PCI-E交换机与分布式采集节点实现互联，将采集数据发送到微处理器进行处理后，通过光纤以太网接口发送到上位机，所述数据处理中心提供PCI-E系统参考时钟和AD采集同步时钟到分布式信息采集节点，任一信息采集节点的数据采集均由数据处理中心统一控制管理。
数据处理中心还包括外部存储硬盘，所述外部存储硬盘与微处理器的大容量存储设备接口相联接，所述数据处理中心将采集数据缓存至硬盘中，实现大数据量采集时采样数据的可靠存储。本实施例中，外部存储硬盘为SATA接口的SSD固态硬盘，从而充分利用固态硬盘启动快、读取延迟小、写入速度快、发热小、无噪音、工作范围大、不会发生机械故障等优点，使之满足井下工作的需要。
作为进一步的改进，为了整个系统实施的可靠性和维修方便性，远程采集节点由数据处理中心统一供电，供电线与4根光纤捆绑在一根同轴电缆内，从而便于系统维护。如图3所示，本发明的信息采集节点和数据处理中心都采用了集成板卡的结构，其中信息采集节点的PCI-E输出接口包括PCI-E信号输出端口、PCI-E信号接收端口和PCI-E系统参考时钟端口，每一路FPGA芯片的PCI-E输出接口、PCI-E信号接收端口和PCI-E系统参考时钟端口分别对应数据处理中心板卡结构上的PCI-E信号接收端口、PCI-E信号输出端口和PCI-E系统参考时钟端口；
通过由数据处理中心提供统一的PCI Express参考时钟，确保系统PCI-E统一工作在一个时钟下，同时，信息采集节点具有AD采集同步时钟，同步时钟均由数据处理中心提供（两者对应的接口即图中的ADC Start Reference Clock），确保整个系统工作在一个统一的时钟下。
根据系统需要，本系统通过选用PCI-E交换芯片型号，可以形成特定数量采集节点的扩展。其扩展非常方便。
需要说明的是，图1、图2、图3为本领域的通用架构图，其图中的英文名称为本领域的公知名称，引用图1-图3的目的是说明本发明的可行性。在本发明中，针对井下的具体特点做出了具有创造性的应用，而并非是现有技术的简单堆砌和拼凑。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.基于PCI-E技术的矿用电缆网在线故障定位系统，其特征在于：所述系统包括多个信息采集节点和数据处理中心，所述信息采集节点用于采集待测电缆的电压信号，并通过PCI-E端口输出至数据处理中心；
所述信息采集节点采用PCI-E架构，包括高速模数转换芯片、可编程增益放大器和FPGA芯片，待测电缆的电压模拟信号经可编程增益放大器放大后，通过高速模数转换芯片转换为数字信号，并输入至FPGA芯片的FIFO缓存器，经由FPGA内在逻辑实现内存控制器接口于板载内存的采集数据的缓存，并通过DMA方式实现远程MCU对本地DDR3内存数据的直接读写，将采集后数据通过PCI-E输出接口经由光纤模块上传至数据处理中心；
所述数据处理中心包括PCI-E交换机和微处理器，通过PCI-E交换机与信息采集节点实现互联，将采集数据发送到微处理器进行处理后，通过光纤以太网接口发送到上位机，所述数据处理中心提供PCI-E系统参考时钟和AD采集同步时钟到信息采集节点，任一信息采集节点的数据采集均由数据处理中心统一控制管理；
所述FPGA芯片的PCI-E输出接口与光纤模块之间设置有用于提高PCI-E传输信号质量的驱动芯片；
所述数据处理中心还包括外部存储硬盘，所述外部存储硬盘与微处理器的大容量存储设备接口相联接，所述数据处理中心将采集数据缓存至硬盘中，实现大数据量采集时采样数据的可靠存储；
所述外部存储硬盘为SATA接口的SSD固态硬盘；
所述信息采集节点由数据处理中心统一供电，每一信息采集节点的供电线缆与光纤设置在一根同轴电缆内。
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