CN104199342A - 数据采集方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据采集方法、系统和装置，包括：光模块，其具体包括：激光驱动器，用于进行电光调制；限幅放大器，用于对微弱电信号进行放大解调处理；休眠控制器，具有休眠控制脚，用于通过微控制器进行控制，实现该光模块的采样、协议转换、对限幅放大器和激光驱动器的协调控制；其中，对该休眠控制脚输入逻辑电平唤醒该光模块进入正常工作状态；数据上传完毕，对该休眠控制脚输入相反逻辑电平触发光模块进入休眠省电模式。本发明提供了一种高速率、低功耗、耐高温的数据采集方法、系统和装置。

Description

数据采集方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及电力应用及工业自动化控制系统领域，尤其涉及一种数据采集方法、系统和装置。

背景技术

目前，电力控制以光纤通信为主，各种终端采集的控制量、开关信号、监控信号上传到控制中心单元基本是光传输。光电转换模块，以下简称光模块的用量越来越大，系统生产厂家对光模块的传输信号速率、工作功耗及工业级-40～85度全温下的工作可靠性有了更高的要求。对于光模块的高速率、低功耗、耐高温的要求越来越高。

图1为现有技术中电力应用系统工作拓扑图。如图1所示，大量的光模块密集安装在合并单元。由于电力设备对安全性及可靠性的严格要求，行业标准对合并单元的机箱有严格规定：不能加散热风扇主动排热，机箱密封要求整机缝隙小于1毫米。大量的光模块及板卡上的CPU集中装配在一个密闭的小空间，散热问题比较严重。常温下测试，工作稳定后机箱内外的温差就超过40度。在工业级-40～85度的严苛环境下工作，合并单元的工作窗口和长期可靠性成为行业难题。

为了解决合并单元的散热，现有技术中主要采用适当降低功耗、增加散热材料、改进机箱内部结构设计增大传导及辐射散热路径、自行设计光模块金属外壳替换原装的塑胶外壳等一系列措施。但是，这些措施仅仅针对散热进行改善，都不能大幅降低功耗减少发热量的源头上根本解决问题。

另外，电力控制的合并单元主要是终端采样功能，是通过以太网协议格式以一种轮询发送数据模式工作。大部分的光模块在等待状态不发送数据，但待机光模块的发光及功耗维持不变。整个系统来看，大部分待机模块的功耗是一种浪费，同时产生了对工作不利的热量。现有技术中，也有考虑对合并单元内的光模块进行智能化管理，对等待状态的光模块关闭电源，到工作状态再打开电源达到降低功耗减少发热的目的。但是，数据传输的以太网协议格式要求光模块启动时间必须满足小于300纳秒才能实现正常通信工作。光模块内部的上电延时时间及光模块本身的上电初始化时间已超过几十微秒，远远不能满足设计的需要。

本发明提供一种数据采集方法、系统和装置，可以使合并单元的整体工作功耗大幅度降低，可降低70％的功耗，从源头上降低功耗减少发热量以提高整个合并单元工作的可靠性，同时达到节能降耗，绿色环保的目的。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中的不足，本发明提供了一种数据采集方法、系统和装置，通过设置休眠控制器，对该休眠控制脚输入逻辑电平唤醒该光模块进入正常工作状态；数据上传完毕，对该休眠控制脚输入相反逻辑电平触发光模块进入休眠省电模式，实现本发明降低功耗减少发热量以提高整个合并单元工作的可靠性，同时达到节能降耗，绿色环保的目的。

为解决高功耗的问题，本发明一实施例提供了一种数据采集装置，其包括：光模块，其具体包括：激光驱动器，用于进行电光调制；限幅放大器，用于对微弱电信号进行放大解调处理；休眠控制器，具有休眠控制脚，用于通过微控制器进行控制，实现该光模块的采样、协议转换、对限幅放大器和激光驱动器的协调控制；其中，对该休眠控制脚输入逻辑电平唤醒该光模块进入正常工作状态；数据上传完毕，对该休眠控制脚输入相反逻辑电平触发光模块进入休眠省电模式。

作为进一步改进，还包括激光发射器、激光接收器和光伏处理电路。

作为进一步改进，该激光发射器还包括激光二级管、光隔离器和聚焦金属结构，该激光发射器用于接收该激光驱动器进行电光调制处理后的信号并发射激光信号。

作为进一步改进，该激光接收器还包括光敏二级管、跨阻放大器及聚焦金属结构，该激光接收器用于将接收的激光信号转化为该微弱电信号后输入到该限幅放大器。

作为进一步改进，该光伏处理电路通过信号放大器放大光伏电压、整形处理后输出高电平到光模块休眠唤醒脚，唤醒模块进入正常工作状态。

为解决高功耗的问题，本发明还提供了一种数据采集系统，其包括合并单元，该合并单元包括多个上述实施例中所述装置。

作为进一步改进，该合并单元采集的信息发送给该光模块数据输入接口，同时发送唤醒逻辑到对应的该光模块的该休眠控制脚唤醒光模块进入正常工作状态；

该光模块接收到的数据通过该光模块的该激光驱动电路和该激光发射器把电信号调制为激光信号传入光纤传输到远端的数据中心，数据发送完成后，该微控制器接收触发逻辑到光模块的该休眠控制脚，使该光模块进入休眠省电模式。

作为进一步改进，接收的激光信号通过光纤传输进入该激光接收器，该激光接收器产生光伏电压，该光伏电压通过该光伏处理电路处理产生唤醒逻辑并输入到该光模块的该休眠控制脚，用于唤醒该光模块进入正常工作状态；

该激光接收器转换的电信号输入该限幅放大器，由该限幅放大器输出的电信号通过模块接口送入系统板微处理器，完成光信号的接收，信号接收完毕，通过系统板微处理器的判断发送触发逻辑到该光模块的该休眠控制脚，使光模块进入休眠省电模式。

为了解决本发明高功耗的问题，本发明一实施例还提供了一种数据采集方法，其包括以下步骤：

合并单元控制采样点，对选中的采样点光模块唤醒脚输入高电平唤醒光模块进入正常工作状态；

数据上传完毕，合并单元对光模块的唤醒脚输入低电平触发光模块进入休眠省电模式；

同时匹配该采样点的地址，唤醒下一个采样点对应的光模块进行采样。

作为进一步改进，该唤醒时间小于300纳秒。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

降低电力合并单元的整机功耗70％以上，根本性解决整个单元的散热问题；

降低机箱内外温差，扩大光模块及板卡CPU单元的高温工作窗口，提高合并单元长期工作可靠性；

休眠省电模式唤醒时间小于300纳秒，满足数据无失真传输；

缩短激光发射器连续工作时间，延长激光发射器的工作寿命，提升系统无故障工作时间；

实现节能降耗，节省运营成本。

附图说明

图1为现有技术中电力应用系统工作拓扑图；

图2为本发明数据采集装置模块框架示意图；

图3为本发明数据采集系统模块框架示意图；

图4为本发明数据采集方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

图2为本发明一实施例数据采集装置模块框架示意图。如图2所示，本发明一实施例提供了一种数据采集装置，其包括限幅放大器、激光驱动器、休眠控制器选用三合一集中芯片，其中，激光驱动器，用于进行电光调制；限幅放大器，用于对微弱电信号进行放大解调处理；休眠控制器，是在原有微控制器基本功能的基础上扩展了休眠控制功能。该控制器具有休眠控制脚，用于响应系统控制器及光伏处理单元发送的控制逻辑，实现光模块的休眠模式、工作模式间切换控制功能；同时，实现该光模块的采样、协议转换、对限幅放大器和激光驱动器的协调控制；其中，对该休眠控制脚输入逻辑电平唤醒该光模块进入正常工作状态；数据上传完毕，对该休眠控制脚输入相反逻辑电平触发光模块进入休眠省电模式。

该集中芯片的引脚及工作逻辑说明如下：

1).LAIP、LAIN引脚：为激光接收单元接收光信号后转换输出的差分电信号进入限幅放大器接口；

2).IROP引脚：为限幅放大器接收到的电信号幅度和设定值比较的结果状态；

3).SDA_E、SCL_E引脚：为串行从I2C通信数据和时钟接口，该通信口是和一个外挂的电可搽除存储器芯片(EEPROM)交换数据，该存储器主要保存光模块的工作配置信息及厂商信息；

4).SDA、SCL引脚：为串行主I2C通信数据和时钟接口，该通信接口是和系统板间进行数据交换，主要完成系统板对光模块的数字监控功能实现所需的数据传输交换；

5).DAO/APD_CTRL引脚：为数字模拟信号转换输出口，主要完成激光接收器雪崩二极管(APD)器件所需要的直流高压提供自动控制；

6).MD引脚：是激光发射器发光大小的监控输出脚，输入到激光驱动器由激光驱动器进行自动功率回环控制；

7).IBENOFF引脚：是激光驱动器控制激光发射器是否发光的控制脚；

8).LDIP、LDIN引脚：是系统板发给激光驱动器的电信号入口，用于系统板对激光驱动器发送调制的数据信号；

9).TX_FAULT引脚：是激光发射器及激光驱动器工作异常状态输出口，用于系统对光模块工作状态的确认及监测；

10).TX_DISABLE/SLEEP引脚：是光模块进入休眠模式和唤醒模块进入正常工作模式的控制输入脚，主要完成休眠唤醒控制功能。

图3为本发明又一实施例数据采集系统模块框架示意图，如图3所示，该实施例的附图结构中，对应于上一实施例的相同结构省略其详细说明，对应于该实施例的结构中，本发明还提供了一种数据采集系统，其包括多个光模块组成的合并单元，其中，每一光模块包括限幅放大器、激光驱动器、休眠控制器选用三合一集中芯片，还包括激光发射器、激光接收器和光伏处理电路。

其中，该激光发射器还包括激光二级管、光隔离器和聚焦金属结构，该激光发射器用于接收该激光驱动器进行电光调制处理后的信号并发射激光信号。

其中，该激光接收器还包括光敏二级管、跨阻放大器及聚焦金属结构，根据传输速率不同可以选择对应的器件，该激光接收器用于将接收的激光信号转化为该微弱电信号后输入到该限幅放大器。

其中，该光伏处理电路通过信号放大器放大光伏电压、整形处理后输出高电平到光模块休眠唤醒脚，唤醒模块进入正常工作状态。

工作过程说明：合并单元采集的信息通过板卡CPU编码处理，按以太网协议打包数据发送给光模块数据输入接口，同时发送唤醒逻辑到对应的光模块的休眠控制脚在300纳秒内唤醒光模块进入正常工作状态。光模块接收到的数据通过光模块的激光驱动电路和激光发射器把电信号调制为激光信号传入光纤传输到远端的数据中心。数据发送完成后，板卡CPU发送触发逻辑到光模块的休眠控制脚，使光模块进入休眠省电模式。

远端发送来的激光信号通过光纤传输进入激光接收器，激光接收器内的光敏二级管的光伏效应在二级管两端产生光伏电压，光伏电压通过光伏处理电路处理产生一个唤醒逻辑输入到光模块的休眠控制脚，在300纳秒内唤醒光模块进入正常工作状态并开始接收激光转换的电信号输入接收限幅放大器，由限幅放大器输出的电信号通过模块接口送人板卡的CPU，完成光信号的接收。信号接收完毕，通过板卡CPU的判断发送触发逻辑到光模块的休眠控制脚，使光模块进入休眠省电模式。

实施例1

普通光模块的功耗主要由以下几大部分组成：

1).激光发射器(激光二级管)耗电：

常温下激光发射器的工作电流大概在30mA左右，随温度升高及激光器发光效率的降低，需要补偿增加激光器的工作电流才能保持光模块发射光功率稳定，所以高温下的工作电流大概在50～60mA左右；

2).激光接收器(光敏二级管和跨阻放大器放大工作)耗电：

常温下有接收光信号的状态下激光接收器的工作电流大概在40～50mA左右，随温度升高电流会增加大概5mA。无接收光信号的状态下激光接收器的工作电流大概在25mA左右；

3).激光驱动器耗电：

激光驱动器主要功能是电光调制作用，运算的主要是数据信号，耗电比较小，大概在10mA左右；

4).限幅放大器耗电：

限幅放大器主要功能是对激光接收器输出的微弱电信号进行放大解调处理，耗电比较小，大概在10mA左右；

5).休眠控制器耗电：

协调控制单员主要用微控制器编程进行控制，主要实现模块的采样、协议转换、对限幅放大器和激光驱动器协调工作等功能，耗电大概在60～80 mA左右。

本发明的带休眠省电模式的光模块功耗具体如下：

1).激光驱动器+限幅放大器+休眠控制器耗电：

本发明选用集成了休眠控制器、限幅放大器和激光驱动器的集成芯片，光模块在正常工作模式下总的工作电流大约100mA；

光模块在休眠模式下总的工作电流小于10mA；

2).激光发射器耗电：

光模块在正常工作模式下常温工作电流大概40mA，因为光模块不用连续长时间工作，所以高温补偿电流几乎没有，整个工作模式下的工作电流和常温接近；

光模块在休眠省电模式整个电路的偏置和调制信号全部关闭，耗电流几乎为0mA；

3).激光接收器耗电：

光模块是由系统轮询控制工作，但激光接收器必须待机工作，满足接收到光信号后能在

300纳秒内唤醒光模块进入正常工作状态。

所以，正常工作模式激光接收器的工作电流大概40mA；

休眠省电模式激光接收器的工作电流大概为25mA。

4).光伏处理电路耗电：

光模块的光付处理电路必须工作在待机状态，所以正常工作模式、休眠省电模式的耗电流一致，均为大约2～5mA；

综合分析计算，

光模块正常工作模式总电流＝100+5+40+40＝185mA，

光模块休眠省电模式总电流＝10+5+25＝40mA，

计算可知休眠省电模式比正常工作模式省电大概70％以上，可以达到设计指标。

休眠唤醒时间：

休眠唤醒时间要满足小于300纳秒的唤醒时间，必须具备可以带休眠省电功能的微控制器，并切可以在小于300纳秒的时间内被快速唤醒。微控制器满足了设计时间要求，还需要激光驱动器、限幅放大器能在300纳秒内启动到正常工作状态。

本发明综和评估后选用一颗专用微控制器芯片，集成控制限幅放大器和激光驱动器电路。在休眠省电模式下微控制器关闭所有输出负载，并切微控制器自身进入休眠省电模式，微控制器的低频时钟一直待机。系统板通过控制唤醒脚的逻辑电平：高电平唤醒休眠省电状态的光模块进入正常工作状态，低电平使待机光模块从工作状态进入休眠省电模式。因为光模块的休眠状态实际上是微控制器在休眠模式工作，所以可以满足唤醒时间小于300纳秒，完全满足以太网传输信号的需要。

本发明一实施例还提供了一种数据采集方法，其包括以下步骤：

合并单元控制采样点，对选中的采样点光模块唤醒脚输入高电平唤醒光模块进入正常工作状态；

数据上传完毕，合并单元对光模块的唤醒脚输入低电平触发光模块进入休眠省电模式；

同时匹配该采样点的地址，唤醒下一个采样点对应的光模块进行采样。

软件设计流程说明：合并单元采用轮询方式采样并发射数据到控制单元，整个工作过程中通过软件控制：如果是分配的采样点，板卡CPU就立即唤醒该对应的光模块，因为整个系统的通信是以太网协议，每个数据包前段有512纳秒的前导码，丢失一部分前导码不影响通信。所以，我们设计的带休眠省电模式工业级光模块可以满足在300纳秒内唤醒进入正常传输，不影响正常的数据采集。数据传输完毕，板卡CPU立即触发该点的光模块进入休眠省电模式，同时匹配新采样点地址，唤醒下一个采样点对应的光模块进行采样。依次循环工作，在满足正常通信的同时降低了整机的工作功耗。

根据电力合并单元的数据采集流程和以太网工作协议特点，本发明激光发射端采用软硬件同步配合设计方式实现对休眠省电模式下的光模块唤醒和对待机光模块触发进入休眠省电模式控制；接收数据通过激光接收端光敏元件的光伏特性实现对工作光模块的唤醒。在系统正常工作的过程中，整个合并单元降低功耗接近70％，根本实现减少发热的效果。

本发明提供的数据采集方法、系统和装置在电力合并单元上的应用可以实现光模块的整体功耗降低70％以上，彻底实现系统单元的温升降低，解决电力合并单元内外温差大问题。光模块在工业级85度环境下甚至更高温度下工作，对系统板的热积累效应降低70％以上。使系统板的CPU避免高温影响导致的工作异常，从而提高设备的高温工作窗口，提升系统可靠性。同时，光模块休眠交替工作也延缓了激光器的老化，延长了光模块使用寿命，提高整机使用年限。比现有技术在工业级环境下特别是高温方面的指标有普遍提高，在节能减排方面更有优势。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数据采集装置，其包括：

光模块，其具体包括：

激光驱动器，用于进行电光调制；

限幅放大器，用于对微弱电信号进行放大解调处理；

休眠控制器，具有休眠控制脚，用于通过微控制器进行控制，实现该光模块的采样、协议转换、对限幅放大器和激光驱动器的协调控制；

其中，对该休眠控制脚输入逻辑电平唤醒该光模块进入正常工作状态；数据上传完毕，对该休眠控制脚输入相反逻辑电平触发光模块进入休眠省电模式。

2.如权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于：还包括激光发射器、激光接收器和光伏处理电路。

3.如权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于：该激光发射器还包括激光二级管、光隔离器和聚焦金属结构，该激光发射器用于接收该激光驱动器进行电光调制处理后的信号并发射激光信号。

4.如权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于：该激光接收器还包括光敏二级管、跨阻放大器及聚焦金属结构，该激光接收器用于将接收的激光信号转化为该微弱电信号后输入到该限幅放大器。

5.如权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于：该光伏处理电路通过信号放大器放大光伏电压、整形处理后输出高电平到光模块休眠唤醒脚，唤醒模块进入正常工作状态。

6.一种数据采集系统，其包括合并单元，该合并单元包括多个如权利要求1-4之一所述装置。

7.如权利要求6所述的数据采集系统，其特征在于：

该合并单元采集的信息发送给该光模块数据输入接口，同时发送唤醒逻辑到对应的该光模块的该休眠控制脚唤醒光模块进入正常工作状态；

该光模块接收到的数据通过该光模块的该激光驱动电路和该激光发射器把电信号调制为激光信号传入光纤传输到远端的数据中心，数据发送完成后，该微控制器发送触发逻辑到光模块的该休眠控制脚，使该光模块进入休眠省电模式。

8.如权利要求6所述的数据采集系统，其特征在于：

接收的激光信号通过光纤传输进入该激光接收器，该激光接收器产生光伏电压，该光伏电压通过该光伏处理电路处理产生唤醒逻辑并输入到该光模块的该休眠控制脚，用于唤醒该光模块进入正常工作状态；

该激光接收器转换的电信号输入该限幅放大器，由该限幅放大器输出的电信号通过模块接口送入该微处理器，完成光信号的接收，信号接收完毕，通过该微处理器的判断发送触发逻辑到该光模块的该休眠控制脚，使光模块进入休眠省电模式。

9.一种数据采集方法，其包括以下步骤：

合并单元控制采样点，对选中的采样点光模块唤醒脚输入高电平唤醒光模块进入正常工作状态；

数据上传完毕，合并单元对光模块的唤醒脚输入低电平触发光模块进入休眠省电模式；

同时匹配该采样点的地址，唤醒下一个采样点对应的光模块进行采样。

10.如权利要求9所述的数据采集方法，其特征在于：该唤醒时间小于300纳秒。