CN106990738B - 一种基于硬件io的分布式数据采集同步系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，解决了现有数据采集装置无法实现分布式数据同步采集的问题。一种分布式数据同步采集,包括主控计算机、多功能板卡、I/O转换板卡分布式数据采集单元；所述I/O转换板卡包括一个I/O电转光多路输出板卡和多个I/O光电转换板卡，所述分布式数据采集单元的数目为n个，每个分布式数据采集单元均包括m块采集板卡。其中主控单元与I/O电转光多路输出板卡通过电线连接，I/O电转光多路输出板卡通过光纤与多个I/O光电转换板卡相连，I/O光电转换板卡与采集板卡通过电线连接。本发明适用于各种工业生产和科学研究领域。
Description
技术领域
本发明涉及分布式数据采集系统领域，具体是一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统。
背景技术
数据采集技术是以前端的模拟信号处理、数字化、数字信号处理和计算机等高科技为基础而形成的一门综合技术,是联系模拟世界与计算机之间的桥梁。随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速得到应用。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。
分布式数据采集系统广泛应用于各种大型系统的控制系统，它们都离不开数据采集，而数据采集的同步精度和采样精度是衡量系统的重要因素。数据采集包括分布式采集和集中式采集。数据同步是分布式数据采集系统的一个重要指标。数据采集节点采用分布式设计，由于采集设备都各自存在一套独立的计时系统，这些计时系统的精度导致整个系统内的时钟具有偏差，会产生累积时钟误差，同步就是解决时钟误差。同时触发信号的不同步会导致数据波形的零时刻不同步。因此，分布式数据采集系统中的一个关键技术就是实现数据的同步采集和传输。
发明内容 本发明的目的是为了弥补已有技术的不足，提供一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，可低成本解决以往分布式采集系统出现的零时刻和采样时钟不同步问题，确保了实验人员分析数据的准确性，降低了建立分布式同步采集系统的建设成本。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于： 包括：
主控单元，其由主板和I/O板卡构成，主板与I/O板卡控制连接；
I/O转换板卡，其由一个I/O电转光多路输出板卡，以及多个I/O光电转换板卡构成，所述I/O电转光多路输出板卡的电信号输入端与主控单元中I/O板卡输出端电连接，I/O电转光多路输出板卡的光信号输出端通过光纤分别与各个I/O光电转换板卡的光信号输入端连接；
多个分布式数据采集单元，每个分布式数据采集单元分别包括多个采集板卡，多个分布式数据采集单元中采集板卡的总数量与I/O光电转换板卡的数量对应，各个I/O光电转换板卡的电信号输出端一一对应与采集板卡输入端连接；
主控单元中，主板接收上层数据包，该数据包包含的数据有触发信号产生时刻和采样时钟频率，首先主板根据采样时钟频率控制I/O板卡产生对应的采样时钟电信号，采样时钟电信号由I/O电转光多路输出板卡转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡，由各个I/O光电转换板卡转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡，作为各个采集板卡的采样时钟信号；当触发信号预定的时刻到来时，主板控制I/O板卡产生高电平触发电信号，高电平触发电信号由I/O电转光多路输出板卡转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡，由各个I/O光电转换板卡转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡，作为各个采集板卡的采集触发信号。
所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：所述I/O电转光多路输出板卡，其具有两个电路结构相同的电光转换电路，分别对应转换采样时钟电信号和高电平触发电信号；
每个电光转换电路分别包括三极管，三极管的基极分别通过电阻与I/O板卡输出端电连接，由三极管的基极接收I/O板卡输出的对应电信号，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过多个光纤发射器构成的光纤发射器并联电路连接电源，光纤发射器并联电路的各个并联支路中的光纤发射器分别各自串联有两个电阻构成的电阻并联电路，每个电光转换电路还包括发光二极管，发光二极管的阴极通过电阻接入三极管集电极与光纤发射器并联电路之间，发光二极管的阳极接入光纤发射器并联电路与电源之间；每个电光转换电路中光纤发射器的数量与I/O光电转换板卡的数量、采集板卡的总数量对应，每个电光转换电路中光纤发射器一一对应通过光纤与I/O光电转换板卡连接。
所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：所述I/O光电转换板卡由光纤接收器构成。
所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：每个分布式数据采集单元还分别包括主板，每个分布式数据采集单元中的采集板卡分别接入各自对应的主板，每个分布式数据采集单元中主板、采集板卡集成在一个机箱中。
本发明的优点是：
1、运用此种基于硬件I/O的分布式数据采集的同步方法实现了分布式采集的数据的零时刻和采样时钟同步。通过在数据浏览器中查看和分析来自不同采集机的数据波形，发现数据波形的零时刻同步，且长时间连续采集数据后，不会出现累积频率误差。
2、运用此种基于硬件I/O的分布式数据采集的同步方法，只需在主控节点开发软件使多功能I/O板卡输出相应的采样时钟信号和触发信号，然后通过I/O转换板卡传输给每块采集板卡，简化了软件的开发难度；时钟信号和触发信号均通过光纤传播，提高了传输速度，屏蔽了现场的电磁干扰。
3、本发明的同步方法可以被应用于或借鉴于多种分布式采集中，保证了同步精度，简化了软件开发程序，降低了生产成本，提高了实验效率。
附图说明
图1是本发明的总体同步分布式数据采集结构框图。
图2 是I/O电转光多路输出板卡接收触发信号转换成多路光信号电路图。
图3是I/O光电转换板卡接收光触发信号转换成电信号电路图。
图4 同步采集逻辑图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，包括：
主控单元1，其由主板和I/O板卡2构成，主板与I/O板卡2控制连接；
I/O转换板卡，其由一个I/O电转光多路输出板卡3，以及多个I/O光电转换板卡4构成，I/O电转光多路输出板卡3的电信号输入端与主控单元1中I/O板卡2输出端电连接，I/O电转光多路输出板卡3的光信号输出端通过光纤分别与各个I/O光电转换板卡4的光信号输入端连接；
多个分布式数据采集单元5，每个分布式数据采集单元5分别包括多个采集板卡6，多个分布式数据采集单元5中采集板卡6的总数量与I/O光电转换板卡4的数量对应，各个I/O光电转换板卡4的电信号输出端一一对应与采集板卡6输入端连接；
主控单元1中，主板接收上层数据包，该数据包包含的数据有触发信号产生时刻和采样时钟频率，首先主板根据采样时钟频率控制I/O板卡2产生对应的采样时钟电信号，采样时钟电信号由I/O电转光多路输出板卡3转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡4，由各个I/O光电转换板卡4转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡6，作为各个采集板卡6的采样时钟信号；当触发信号预定的时刻到来时，主板控制I/O板卡2产生高电平触发电信号，高电平触发电信号由I/O电转光多路输出板卡3转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡4，由各个I/O光电转换板卡4转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡6，作为各个采集板卡6的采集触发信号。
本发明系统采用光纤高速传输时钟信号CLK和触发信号TRIG，同时屏蔽电磁干扰，准确可靠的实现了分布式多采集时刻同步。
I/O电转光多路输出板卡3，其具有两个电路结构相同的电光转换电路，分别对应转换采样时钟电信号和高电平触发电信号；
如图2所示，每个电光转换电路分别包括三极管Q1，三极管Q1的基极分别通过电阻R5与I/O板卡2输出端电连接，电阻R5阻值大小为100-1500欧姆，由三极管Q1的基极接收I/O板卡2输出的对应电信号，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极通过多个光纤发射器构成的光纤发射器并联电路连接5V电源，光纤发射器并联电路的各个并联支路中的光纤发射器分别各自串联有两个电阻构成的电阻并联电路，电阻并联电路的并联电阻阻值大小为50-120欧姆， 每个电光转换电路还包括发光二极管LED1，发光二极管LED1的阴极通过电阻R1接入三极管Q1集电极与光纤发射器并联电路之间，电阻R1阻值大小为1000-3000欧姆，发光二极管D1的阳极接入光纤发射器并联电路与5V电源之间。
每个电光转换电路中光纤发射器的数量与I/O光电转换板卡4的数量、采集板卡6的总数量对应，每个电光转换电路中光纤发射器一一对应通过光纤与I/O光电转换板卡4连接。如图2所示，电光转换电路中光纤发射器并联电路由三个光纤发射器V1、V2和V3并联构成，其中光纤发射器V1串联有电阻R2、R3构成的电阻并联电路，光纤发射器V2串联有电阻R6、R7构成的电阻并联电路，光纤发射器V3串联有电阻R9、R10构成的电阻并联电路。
如图3所示，每个I/O光电转换板卡分别由光纤接收器U2构成。光纤接收器U2的接收I/O电转光多路输出板卡3中光纤发射器V2的光信号，然后与电阻R2并联，电阻R2阻值大小为700-1500欧姆，光纤接收器U2将光信号转换成电信号发送给每块采集板卡6，光纤接收器U2由5伏电源为其供电。
每个分布式数据采集单元5还分别包括主板，每个分布式数据采集单元中的采集板卡6分别接入各自对应的主板，每个分布式数据采集单元5中主板、采集板卡集6成在一个机箱中。每台分布式数据采集单元运行一套采集程序，驱动采集板卡接收采样时钟信号和触发采集信号，同步采集实现过程见图4，实现了稳态同步数据采集。
Claims (4)
1.一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于： 包括：
主控单元，其由主板和I/O板卡构成，主板与I/O板卡控制连接；
I/O转换板卡，其由一个I/O电转光多路输出板卡，以及多个I/O光电转换板卡构成，所述I/O电转光多路输出板卡的电信号输入端与主控单元中I/O板卡输出端电连接，I/O电转光多路输出板卡的光信号输出端通过光纤分别与各个I/O光电转换板卡的光信号输入端连接；
多个分布式数据采集单元，每个分布式数据采集单元分别包括多个采集板卡，多个分布式数据采集单元中采集板卡的总数量与I/O光电转换板卡的数量对应，各个I/O光电转换板卡的电信号输出端一一对应与采集板卡输入端连接；
主控单元中，主板接收上层数据包，该数据包包含的数据有触发信号产生时刻和采样时钟频率，首先主板根据采样时钟频率控制I/O板卡产生对应的采样时钟电信号，采样时钟电信号由I/O电转光多路输出板卡转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡，由各个I/O光电转换板卡转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡，作为各个采集板卡的采样时钟信号；当触发信号预定的时刻到来时，主板控制I/O板卡产生高电平触发电信号，高电平触发电信号由I/O电转光多路输出板卡转换成多路光信号后再分别传送至各个I/O光电转换板卡，由各个I/O光电转换板卡转换成电信号后再一一对应传送至各个采集板卡，作为各个采集板卡的采集触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：所述I/O电转光多路输出板卡，其具有两个电路结构相同的电光转换电路，分别对应转换采样时钟电信号和高电平触发电信号；
每个电光转换电路分别包括三极管，三极管的基极分别通过电阻与I/O板卡输出端电连接，由三极管的基极接收I/O板卡输出的对应电信号，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过多个光纤发射器构成的光纤发射器并联电路连接电源，光纤发射器并联电路的各个并联支路中的光纤发射器分别各自串联有两个电阻构成的电阻并联电路，每个电光转换电路还包括发光二极管，发光二极管的阴极通过电阻接入三极管集电极与光纤发射器并联电路之间，发光二极管的阳极接入光纤发射器并联电路与电源之间；每个电光转换电路中光纤发射器的数量与I/O光电转换板卡的数量、采集板卡的总数量对应，每个电光转换电路中光纤发射器一一对应通过光纤与I/O光电转换板卡连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：所述I/O光电转换板卡由光纤接收器构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于硬件IO的分布式数据采集同步系统，其特征在于：每个分布式数据采集单元还分别包括主板，每个分布式数据采集单元中的采集板卡分别接入各自对应的主板，每个分布式数据采集单元中主板、采集板卡集成在一个机箱中。
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