CN106383472B

CN106383472B - 一种集成化高可靠高精度长期监测系统

Info

Publication number: CN106383472B
Application number: CN201610959821.7A
Authority: CN
Inventors: 王�锋; 李皓伟; 冯敏洁; 章思严; 万端华; 厉力; 连彦泽; 韩洁; 耿胜男; 张青学; 王晓君; 龙骁; 王颖; 王宁; 李薇; 李铎; 王丹; 关咏梅; 辛海华; 李亚群
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN106383472A

Abstract

本发明涉及一种集成化高可靠高精度长期监测系统，包括两个换流采编单元、两个综合控制器、交换机、两个监控计算机、若干第一传感器和若干第二传感器，本发明通过对传统数据采集、编码、传输、解调处理方法的改进和创新，基于串行通信接口和工业以太网，解决了系统设备组成复杂、精度低、长期可靠性不足的问题，实现了系统高可靠、高精度以及长期监测的功能，本发明在集成化方面，对系统关键设备进行集成化设计，减少设备组成，降低系统复杂度；在传输实时性方面，基于串行总线+以太网完成数据的传输，确保传输延迟时间不影响实际使用；在长期可靠性方面，通过对关键设备采取冗余设计和其他可靠性设计措施，提高产品连续工作时间。

Description

一种集成化高可靠高精度长期监测系统

技术领域

本发明涉及一种集成化高可靠高精度长期监测系统，属于监测监控技术领域，应用于工业领域实时监测与报警。

背景技术

现场总线为生产过程现场级设备、环境信息与控制管理层设备提供了有效的信息通道，是工业数据通信网络的重要组成。国际上常用的现场总线标准多达数十种，根据应用领域的特点不同，每一种总线并不适用于所有工业现场的应用。然而，对于需要实现现场设备工况和环境数据长期监测的工业领域(如水利、矿井监测等)，在每台终端设备(包括传感器)内均配置支持工业级现场总线的协议芯片不仅会带来生产成本的提高，还可能会造成系统长期工作可靠性的下降。此外还存在对工业长期监测领域数据获取精度低、可靠性差、智能化水平低等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种集成化高可靠高精度长期监测系统，通过对传统数据采集、编码、传输、解调处理方法的改进和创新，基于串行通信接口和工业以太网，解决了系统设备组成复杂、精度低、长期可靠性不足的问题，实现了系统高可靠、高精度以及长期监测的功能。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种集成化高可靠高精度长期监测系统，包括第一换流采编单元、第二换流采编单元、第一综合控制器、第二综合控制器、交换机、第一监控计算机、第二监控计算机、若干第一传感器和若干第二传感器，其中：

第一换流采编单元：接收若干第一传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第一换流采编单元内部的总线，并将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，以串口数据形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器；

第二换流采编单元：接收若干第二传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第二换流采编单元内部的总线，并将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，以串口数据形式输出至第二综合控制器和第一综合控制器；

第一综合控制器：将外部交流电源转换为直流电源，接收交换机发送的来自第一监控计算机的供电控制指令，为第一综合控制器、第一换流采编单元和第二换流采编单元供电；接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据，将所述串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机；

第二综合控制器：将外部交流电源转换为直流电源，接收交换机发送的来自第二监控计算机的供电控制指令，为第二综合控制器、第二换流采编单元和第一换流采编单元供电；接收第二换流采编单元和第一换流采编单元发送的串口数据，将所述串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机；

交换机：将从第一综合控制器接收的网络数据包发送给第一监控计算机，并将第一监控计算机发出的供电控制指令发送给第一综合控制器；将从第二综合控制器接收的网络数据包发送给第二监控计算机，并将第二监控计算机输发出的供电控制指令发送给第二综合控制器；

第一监控计算机：接收交换机发送的网络数据进行显示，并向交换机发送对第一综合控制器的供电控制指令；

第二监控计算机：接收交换机发送的网络数据进行显示，并向交换机发送对第二综合控制器的供电控制指令；

若干第一传感器：将从外部采集的数据转换为电压信号，并输出给第一换流采编单元；

若干第二传感器：将从外部采集的数据转换为电压信号，并输出给第二换流采编单元。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，第一换流采编单元包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将来自第一综合控制器和第二综合控制器的直流电源进行转换后为第一换流采编单元以及若干第一传感器供电；信号采集模块接收若干第一传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第一换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于抑制消除外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第一传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，并为若干第一传感器提供供电电源。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间，两组电容用于降低电源模块相互间的干扰，降低输出电压的纹杂波。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述第一综合控制器包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第一综合控制器、第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，或者断开为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述供配电接口单元包括上电复位电路、驱动电路、控制继电器及消反峰电路、供电继电器及消反峰电路，其中上电复位电路用于对控制继电器和供电继电器的初始状态进行复位，驱动电路用于将控制指令转换为驱动控制继电器的供配电命令，控制继电器接收供配电命令接通或断开供电继电器，消反峰电路用于保护继电器在电源接通瞬间承受的过压。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述网络接口单元包括时钟、数据接口、FPGA和物理层接口芯片，其中时钟用于FPGA以固定的时间间隔完成数据的转换，数据接口用于从RS422差分接口单元接收串口数据，FPGA用于将串口数据转换为要求格式的网络数据包，物理接口芯片用于将网络数据包向外发送。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述第二换流采编单元均包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将来自第二综合控制器和第一综合控制器的直流电源进行转换后为第二换流采编单元和若干第二传感器供电；信号采集模块接收若干第二传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第二换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口形式输出至第二综合控制器和第一综合控制器。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于消除抑制外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第二传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，并为若干第二传感器提供供电电源。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间；两组电容用于降低电源模块相互间的干扰，降低输出电压的纹杂波。

在上述集成化高可靠高精度长期监测系统中，所述第二综合控制器包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第二综合控制器、第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，或者断开为第二换流采编单元供电和第一换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第二换流采编单元和第一换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明针对工业长期监测领域数据获取精度低、可靠性差、智能化水平低等不足，对传统数据采集、编码、传输、解调处理方法加以改进，基于串行通信接口和工业以太网，采用一种集成化高可靠、高精度长期监测系统设计技术，解决系统设备组成复杂、精度低、长期可靠性不足的问题；

(2)、本发明在集成化方面，对系统关键设备进行集成化设计，减少设备组成，降低系统复杂度；在传输实时性方面，基于串行总线+以太网完成数据的传输，确保传输延迟时间不影响实际使用；在长期可靠性方面，通过对关键设备采取冗余设计和其他可靠性设计措施，提高产品连续工作时间；

(3)、本发明对换流采编单元中电源模块的电源滤波电路进行优化设计，解决供电电源纹波对信号采集的干扰，将干扰抑制到最低水平，显著提高信号采集精度；

(4)、本发明对综合控制器中网络接口单元进行优化设计，将数据转换系数直接在综合控制器中迭代计算，以浮点数格式直接以网络数据包的形式输出，不需要在后端进行数据的二次处理。

(5)、测试表明，本发明监测系统中模拟信号采集精度达到千分之一，信号采集频率可调；系统在1Mbps传输码率条件下，传输距离不小于100米；数据采集、传输、处理显示的时间不超过1s，满足长期监测的需求；

(6)、本发明可根据实际需求对监测系统进行二次拓展扩容；基于串行通信接口和工业以太网技术，降低产品实现成本和复杂度；

(7)、本发明系统关键设备采用双冗余设计，任何一条传输通道故障，均不会造成监测功能的失校；并且系统具有一定的智能化水平，对出现的监测异常、设备异常情况能够报警提醒。

(8)、本发明对传统数据采集、编码传输和解调处理方法进行改进，通过优化电源滤波、提高传感器的供电品质，从而实现传感器输出信号测量精度的提升，系统冗余设计确保在任何一条信号传输通路失效的情况下仍可获取到被测数据，同时该系统具有良好的可拓展性，可根据实际需要新增若干传感器或若干换流采编单元。

附图说明

图1为本发明集成化高可靠高精度长期监测系统结构框图；

图2为本发明换流采编单元结构框图；

图3为本发明换流采编单元中电源模块框图；

图4为本发明电源模块中电源滤波电路图；

图5为本发明换流采编单元中信号采集电路框图；

图6为本发明换流采编单元中通信模块结构框图；

图7为本发明综合控制器结构框图；

图8为本发明综合控制器供配电接口电路结构框图；

图9为本发明综合控制器RS422接口电路结构框图；

图10为本发明综合控制器中网络接口电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明集成化高可靠高精度长期监测系统结构框图，由图可知本发明监测系统包括第一换流采编单元、第二换流采编单元、第一综合控制器、第二综合控制器、交换机、第一监控计算机、第二监控计算机、若干第一传感器和若干第二传感器。

其中传感器负责将被测环境的温度、压力、浓度、流量等物理量转化为0～5V模拟电压信号，并将其输出至换流采编单元，其中若干第一传感器输出给第一换流采编单元；若干第二传感器输出给第二换流采编单元。

如图2所示为本发明换流采编单元结构框图，第一换流采编单元均包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将第一综合控制器和第二综合控制器的直流电源进行转换后为第一换流采编单元和若干第一传感器供电；信号采集模块接收若干第一传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第一换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口数据形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器。

如图3所示为本发明换流采编单元中电源模块框图；电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于抑制消除外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第一传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，为若干第一传感器提供高品质的供电电源。

如图4所示为本发明电源模块中电源滤波器电路图；所述电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间，在DC/DC模块28V、+15V、-15V、+5V输出接口对壳分别短接一定容值的电容，有效降低电源模块相互间的干扰和输出电压的纹杂波。

如图5所示为本发明换流采编单元中信号采集电路框图；由图可知，输入的电压信号经过运算放大器OP07调理后，由AD转换，在CPLD控制下将数据发送至内部总线。

如图6所示为本发明换流采编单元中通信模块结构框图，由图可知内部总线数据按照要求的帧格式进行编排，之后经过多路选择器和并串转换电路，以串口形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器，由晶振控制帧格式的编排。

第二换流采编单元与第一换流采编单元结构功能一致，具体包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将来自第二综合控制器和第一综合控制器的直流电源进行转换后为第二换流采编单元和若干第二传感器供电；信号采集模块接收若干第二传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第二换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口形式输出至第二综合控制器和第一综合控制器。

如图3所示，电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于消除抑制外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第二传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，为若干第二传感器提供高品质的供电电源。

如图4所示，电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间，在DC/DC模块28V、+15V、-15V、+5V输出接口对壳分别短接一定容值的电容，有效降低电源模块相互间的干扰和输出电压的纹杂波。

如图5所示，输入的电压信号经过运算放大器OP07调理后，由AD转换，在CPLD控制下将数据发送至内部总线。

如图6所示，内部总线数据按照要求的帧格式进行编排，之后经过多路选择器和并串转换电路，以串口形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器，由晶振控制帧格式的编排。

如图7所示为本发明综合控制器结构框图，由图可知，第一综合控制器包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第一综合控制器、第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，或断开为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

如图10所示为本发明综合控制器中网络接口电路结构框图，由图可知，综合控制器中网络接口单元包括时钟、数据接口、FPGA和物理层接口芯片，其中时钟用于FPGA以固定的时间间隔完成数据的转换，数据接口用于从RS422差分接口单元接收串口数据，FPGA用于将串口数据转换为要求格式的网络数据包，物理接口芯片用于将网络数据包向外发送，采用自带以太网MAC层接口的FPGA加物理层接口芯片的形式完成网络数据包的发送。

其中FPGA将串口数据转换为要求格式的网络数据包，例如可以首先将固定数据格式串口数据中的有效字节挑出，再将该有效数据迭代若干第一传感器和若干第二传感器的数据处理系数，以浮点数形式得出若干第一传感器和若干第二传感器的测量结果，作为网络数据包，采用自带以太网MAC层接口的FPGA加物理层接口芯片的形式完成网络数据包的发送。

如图8所示为本发明综合控制器供配电接口电路结构框图，由图可知，供配电接口单元包括上电复位电路、驱动电路、控制继电器及消反峰电路、供电继电器及消反峰电路，其中上电复位电路用于对控制继电器和供电继电器的初始状态进行复位，驱动电路用于将控制指令转换为驱动控制继电器的供配电命令，控制继电器接收供配电命令接通或断开供电继电器，消反峰电路用于保护继电器在电源接通瞬间承受的过压。

如图9所示为本发明综合控制器RS422接口电路结构框图，由图可知RS422串行接口接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据(包括时钟数据)，发送给网络接口单元中的FPGA，进行处理。

第二综合控制器与第一综合控制器结构功能一致，具体包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第二综合控制器、第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，或断开为第二换流采编单元和第一换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第二换流采编单元和第一换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

如图10所示，综合控制器中网络接口单元包括时钟、数据接口、FPGA和物理层接口芯片，其中时钟用于FPGA以固定的时间间隔完成数据的转换，数据接口用于从RS422差分接口单元接收串口数据，FPGA用于将串口数据转换为要求格式的网络数据包，物理接口芯片用于将网络数据包向外发送，采用自带以太网MAC层接口的FPGA加物理层接口芯片的形式完成网络数据包的发送。

其中FPGA将串口数据转换为要求格式的网络数据包，首先将固定数据格式串口数据中的有效字节挑出，再将该有效数据迭代若干第一传感器和若干第二传感器的数据处理系数，以浮点数形式得出若干第一传感器和若干第二传感器的测量结果，作为网络数据包，采用自带以太网MAC层接口的FPGA加物理层接口芯片的形式完成网络数据包的发送。

如图8所示，供配电接口单元包括上电复位电路、驱动电路、控制继电器及消反峰电路、供电继电器及消反峰电路，其中上电复位电路用于对控制继电器和供电继电器的初始状态进行复位，驱动电路用于将控制指令转换为驱动控制继电器的供配电命令，控制继电器接收供配电命令接通或断开供电继电器，消反峰电路用于保护继电器在电源接通瞬间承受的过压。

如图9所示，RS422串行接口接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据(包括时钟数据)，发送给网络接口单元中的FPGA，进行处理。

如图1所示，交换机将从第一综合控制器接收的网络数据发送给第一监控计算机，并将第一监控计算机输出的供电控制指令发送给第一综合控制器；将从第二综合控制器接收的网络数据发送给第二监控计算机，并将第二监控计算机输出的供电控制指令发送给第二综合控制器。

第一监控计算机接收交换机发送的网络数据进行显示，并向交换机发送对第一综合控制器的供电控制指令。

第二监控计算机接收交换机发送的网络数据进行显示，并向交换机发送对第二综合控制器的供电控制指令。

实施例1

1、系统拓扑结构设计

长期监测系统主要由传感器/变换器、换流采编单元、综合控制器、远程监控计算机和交换机等设备组成，图1给出了技术应用框图。

传感器负责将被测环境的温度、压力、浓度、流量等物理量转化为0～5V模拟电压信号，并将其输出至采集终端。

换流采编单元提供±15V和+5V电源，负责传感器的供电、采集传感器输出的模拟电压转换为数字信号，并接收其他现场设备的串行数据，将所有获取的数据信息打包形成特定的帧格式，以双冗余串行通信接口发送至两个综合控制器。

综合控制器执行远程测控计算机的命令，完成换流采编单元的加断电操作。同时，综合控制器接收换流采编单元的串行数据，缓存打包后，通过网络接口采用UDP/IP协议，发送给远程控制机处理显示。

远程监控计算机对所有采集到的数据进行处理显示，并对超出阈值的参数进行报警提醒。

为提高系统可靠性，对系统进行冗余设计。每个换流采编单元输出两路独立的串行数据，分别进入两台综合控制器。两台综合控制器通过网络接口将数据分别下发至远程测控计算机处理和显示。因此，在换流采编单元环节之后某一设备出现异常时，都不会影响系统监测任务的失败。

2、换流采编单元设计

换流采编单元主要由电源(换流)模块、信号采集模块和通信模块组成。换流采编单元结构框图见图2。

电源模块接收外部输入的28V电压，并通过设备内两个电源模块转换为±15V和+5V电压。由于电源地和信号采集地在设备内部为等电位点，需要进一步提高电源品质，从而保证采集精度不受电源纹波的影响。在电路设计时，除在输入接口增加二极管、EMI滤波器之外，还对二次电源部分增加滤波电路，将输出电压纹波控制在50mV内。电源滤波电路框图见图4。

信号采集模块由低噪声高精度运算放大器、24位高精度A/D转换器、CPLD和缓冲电路组成，其电路原理图见图2。控制总线发送控制信息给CPLD，CPLD根据控制信息产生配置数据对24位高精度A/D转换器进行配置，同时接受A/D转换器回传的数据进行处理，转换成三个字节的有效数据，通过缓冲器依次送个数据总线上。如图5所示。

2、综合控制器设计

综合控制器主要由AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元、10/100M网络接口单元组成。综合控制器结构框图见图7。

AC/DC电源为设备提供+5V和+28V电源，其中+5V为印制电路板供电，+28V为对外输出供电，28V供电输出带载能力不小于2A。

供配电接口单元能够通过对继电器的控制实现28V输出电压的闭合或断开。设备需要长期加电，故采用磁保持继电器，并进行继电器上电复位设计，供电支路采用双继电器双触点冗余设计，对于同一供电负载支路，冗余接点间进行短接。供配电接口单元通过FPGA将网络命令解析为本机控制信号完成28V电压的输出或断开。供配电接口单元电路框图见图8。

RS422串行接口单元的功能是接收换流采编单元传来的串口数据，缓存打包后通过网络接口传出。为了保证传输的可靠性，RS422差分接口电路芯片与换流采编器相同。RS422串行接口单元电路框图见图9。

10/100M网络接口单元采用自带以太网MAC层接口的FPGA加物理层接口芯片的形式完成网络数据的收发功能。将远程测控计算机发出的网络命令解析为本机控制命令，并将RS422总线信号转换为以太网信号，上传至远程测控计算机处理和显示，以太网通信协议采用UDP/IP协议。网络接口单元框图见图10。

3、通信协议设计

集成化高可靠、高精度期监测系统基于串行通信接口和工业以太网完成通信。

现场设备与换流采编单元的异步串行接口通信速率为115200bps，1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，1位停止位。帧头为AA55,帧尾为BB22，有效数据不大于256字节，通信周期0.1s～1s可调。

换流采编单元将各现场设备传输的有效数据解析后，与采集编码后的环境信息，形成换流采编单元的帧格式，以RS422串口发送至综合控制器。换流采编单元每间隔一段时间(可设置)按表1所列帧格式发送一组数据包，直至全部监测信息发送完毕，再切换到下一个周期发送。

表1换流采编单元帧格式

帧头	帧标识	有效数据	帧计数	帧尾
					A545		256字节	4字节	B32C

帧格式说明如下：

帧头：2字节,固定为A545H。

帧标识对应数据来源，A1为环境数据，B2为现场设备1工况数据，C3为现场设备2工况数据，以此类推，最多支持8个现场设备。

有效数据：256字节，不足256字节使用55H填充。

帧计数按所对应的帧标识逐1递增。

帧头：2字节,固定为B32C。

综合控制器接收到422接口数据后，缓存打包转换为以太网信号，采用UDP协议发送至远程测控计算机，通信周期可根据数据传输率可调。

表2数据帧格式

帧头	帧标识	帧计数	有效数据
				EB90	4字节(综合控制器代码)	2字节	N字节

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：包括第一换流采编单元、第二换流采编单元、第一综合控制器、第二综合控制器、交换机、第一监控计算机、第二监控计算机、若干第一传感器和若干第二传感器，其中：

2.根据权利要求1所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述第一换流采编单元包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将来自第一综合控制器和第二综合控制器的直流电源进行转换后为第一换流采编单元以及若干第一传感器供电；信号采集模块接收若干第一传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第一换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口形式输出至第一综合控制器和第二综合控制器。

3.根据权利要求2所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除或抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于抑制或消除外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第一传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，并为若干第一传感器提供供电电源。

4.根据权利要求3所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间，两组电容用于降低电源模块相互间的干扰，降低输出电压的纹杂波。

5.根据权利要求1所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述第一综合控制器包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第一综合控制器、第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电，或者断开为第一换流采编单元和第二换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第一换流采编单元和第二换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

6.根据权利要求5所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述供配电接口单元包括上电复位电路、驱动电路、控制继电器及消反峰电路、供电继电器及消反峰电路，其中上电复位电路用于对控制继电器和供电继电器的初始状态进行复位，驱动电路用于将控制指令转换为驱动控制继电器的供配电命令，控制继电器接收供配电命令接通或断开供电继电器，消反峰电路用于保护继电器在电源接通瞬间承受的过压。

7.根据权利要求5所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述网络接口单元包括时钟、数据接口、FPGA和物理层接口芯片，其中时钟用于FPGA以固定的时间间隔完成数据的转换，数据接口用于从RS422差分接口单元接收串口数据，FPGA用于将串口数据转换为要求格式的网络数据包，物理接口芯片用于将网络数据包向外发送。

8.根据权利要求1所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述第二换流采编单元均包括电源模块、信号采集模块和通信模块，其中电源模块将来自第二综合控制器和第一综合控制器的直流电源进行转换后为第二换流采编单元和若干第二传感器供电；信号采集模块接收若干第二传感器输出的多路电压信号，将多路电压信号由模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号按照时序写入第二换流采编单元内部的总线；通信模块将所述数字信号按照要求的帧格式进行编排，并以串口形式输出至第二综合控制器和第一综合控制器。

9.根据权利要求8所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述电源模块包括瞬态抑制二极管、电源滤波器、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和二次电源滤波电路，其中瞬态抑制二极管用于消除或抑制电源启动瞬间产生的尖峰浪涌，电源滤波器用于消除或抑制外部提供的直流信号上叠加的纹波信号，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块用于将外部提供的直流电源转换为本机电路使用的直流电源和若干第二传感器需要的供电电源，二次电源滤波电路用于对外部提供的直流电源进行滤波，并为若干第二传感器提供供电电源。

10.根据权利要求9所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述电源滤波器包括两组电容，其中一组电容连接于第一DC/DC模块供电输出接口对壳之间，另一组电容连接于第二DC/DC模块供电输出接口对壳之间；两组电容用于降低电源模块相互间的干扰，降低输出电压的纹杂波。

11.根据权利要求1所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述第二综合控制器包括AC/DC电源、供配电接口单元、RS422差分接口单元和网络接口单元，其中：AC/DC电源将外部交流电源转换为直流电源，为第二综合控制器、第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，供配电接口单元控制AC/DC电源为第二换流采编单元和第一换流采编单元供电，或者断开为第二换流采编单元供电和第一换流采编单元供电；RS422差分接口单元接收第二换流采编单元和第一换流采编单元发送的串口数据，并转发给网络接口单元；所述网络接口单元接收所述串口数据，将串口数据转换为要求格式的网络数据包，并将所述网络数据包通过以太网发送给交换机。

12.根据权利要求11所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述供配电接口单元包括上电复位电路、驱动电路、控制继电器及消反峰电路、供电继电器及消反峰电路，其中上电复位电路用于对控制继电器和供电继电器的初始状态进行复位，驱动电路用于将控制指令转换为驱动控制继电器的供配电命令，控制继电器接收供配电命令接通或断开供电继电器，消反峰电路用于保护继电器在电源接通瞬间承受的过压。

13.根据权利要求11所述的一种集成化高可靠高精度长期监测系统，其特征在于：所述网络接口单元包括时钟、数据接口、FPGA和物理层接口芯片，其中时钟用于FPGA以固定的时间间隔完成数据的转换，数据接口用于从RS422差分接口单元接收串口数据，FPGA用于将串口数据转换为要求格式的网络数据包，物理接口芯片用于将网络数据包向外发送。