CN107171978A - 千兆以太网的多通道数据循环采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种千兆以太网传输的多通道图像数据循环采集系统及采集方法。该系统包括N路数据源、数据处理单元、千兆以太网网口以及上位机；数据处理单元包括FPGA芯片、N路信号输入接口、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块；每一路数据源通过信号输入接口将图像数据发送至其对应的网络功能模块中；网络功能模块用于将图像数据进行缓存并且合成符合UDP协议的广播数据包；多通道控制模块通过握手通讯机制实现多路数据控制模块循环对每一个网络功能模块进行响应，并且将每一路网络功能模块中的图像数据均依次通过网络发送模块、千兆以太网网口发送至上位机。本发明不仅成本低，并且避免了数据传输出现错误和延迟问题。

Description

千兆以太网的多通道数据循环采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种千兆以太网传输的多通道图像数据循环采集系统及采集方法。

背景技术

数据采集系统广泛的应用于航空航天，通讯，雷达，电子测量，工业等各个领域，而多通道数据采集系统日益发展成为一种趋势。

传统多路数据采集并传输到上位机只关注前端数据采集的参数，例如高速，高精度，而多路数据进入处理器后，如何确保多路数据缓存，数据处理和传输正确性研究很少。

目前很多工业现场很多采集系统都是通过RS-232或者RS-422/RS-485总线与上位机PC机进行通讯，很难保证数据传输的正确性，稳定性，大容数据传输和远距离通信。而采用光纤进行数据传输，又增加了系统设计的复杂性和研发成本。

例如中国专利，公告号为CN102930713A，公开了一种“光纤以太网通信的多通道数据同步采集系统”，其通过光纤以太网模块将数据发送到上位机生成CVS格式进行保存，后续再进行分析。这种通过光纤传输的存在着缺陷，对于一些图像数据要求实时传输和显示，采用光纤传输数据需要保存和后处理，这样画面会有一定的延时，又增加了设计的难度和成本。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，，本发明提供了一种制造成本低，并且能够避免数据传输出现错误和延迟问题的千兆以太网的多通道数据循环采集系统及采集方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用同步RS422总线+FPGA+千兆以太网的硬件平台，通过RS422总线接收图像数据，同时采用FPGA可以利用其并行性利用其丰富的资源来增加其吞吐量，相比单纯的提高速度来提高吞吐量具有更低的功耗并且也降低了系统的不稳定性，使得出错的可能性大大降低；另一方面，如果在传输数据时对数据进行了压缩，则系统所能传输的数据量将大幅提高，用系统复杂度换取大的数据吞吐量在数据量巨大的情况下是有效的。因此，采用基于FPGA的千兆以太网数据传输系统对高速相机的海量数据进行传输是一个比较好的选择。利用千兆以太网吞吐量大、配置灵活的特点对图像数据进行实时传输。

千兆以太网的多通道数据循环采集系统，包括N路数据源以及数据处理单元、千兆以太网网口以及上位机；

所述N路数据源为N台用于采集图像数据的相机；

所述数据处理单元包括FPGA芯片、N路信号输入接口、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块；N≥1；

N路信号输入接口、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块全部集成在FPGA芯片上；

N路信号输入接口、N个网络功能模块以及N路数据源一一对应；

每一路数据源通过信号输入接口将图像数据发送至其对应的网络功能模块中；网络功能模块用于将图像数据进行缓存并且合成符合UDP协议的广播数据包；

多通道控制模块通过握手通讯机制实现多通道控制模块循环对每一个网络功能模块进行响应，并且将每一路网络功能模块中的图像数据依次发送给网络发送模块；

网络发送模块通过千兆以太网网口与上位机通讯。

上述网络功能模块设置有FIFO缓存区；所述广播数据包包括MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码。

上述广播数据包还包括每一个数据源的通道标记号和每一包数据的网络包计数。

上述信号输入接口为RS422接口或RS485接口或LVDS接口或USB接口。

根据对本发明采集系统的介绍，现对本发明的采集方法进行阐述：

一种千兆以太网的多通道数据循环采集系统，包括以下步骤：

1)N路数据源分别通过信号输入接口向网络功能模块发送数据图像；

2)每一个网络功能模块将每一个数据源提供的图像数据存入FIFO缓存区等待调度；同时，每一个网络功能模块对每一个数据源提供的图像数据添加MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码合成一个符合UDP协议的广播数据包；

3)每一个网络功能模块通过提前预设的FIFO缓存区的缓存阈值，判断是否向多通道控制模块发送数据传输请求信号；

若只有一个网络模块达到阈值要求，则网络功能模块向多通道控制模块发送数据传输请求信号，进行步骤4)；

若未达到阈值要求，则网络功能模块继续接收图像数据；

4)多通道控制模块进行循环响应应答，当循环到发出数据传输请求信号的网络模块时，实现握手通讯，多通道控制模块将该路图像数据发送给网络发送模块；

5)网络发送模块将该路图像数据通过千兆以太网网口发送给上位机。

本发明的有益效果是：

本发明通过FPGA灵活的配置和强大的并行处理功能循环采集多通道控制模块，采用分时循环握手通讯机制循环采集每一路数据，不仅较现有的采集系统制造成本大大降低(本发明采用千兆以太网作为传输介质较现有技术采用光纤作为传输介质，在成本上每米价格降低了80％)，并且还能防止多路数据之间的冲突和通道数错乱，采用UDP网络传输协议，通过千兆以太网实时将大容量数据高速准确的传输到上位机。

附图说明

图1为本发明采集系统的框图；

图2为网络功能模块的框图

图3为两个网络功能模块与多通道控制模块握手通讯示意图。

具体实施方式

参见图1，千兆以太网的多通道数据采集系统由N路数据源以及数据处理单元，千兆以太网网口和上位机组成。当N路数据源同时进入数据处理单元，数据处理单元接收每一路图像数据进行数据缓存和等待调度，最后再通过千兆以太网口发送给上位机显示每一路图像数据。

参见图2，数据处理单元包括FPGA芯片、N路信号输入接口(本示例中采用的是RS422接口，也可采用RS485接口或LVDS接口或USB接口)、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块；N≥1；

数据处理单元主要通过FPGA芯片实现，网络功能模块主要通过FIFO缓存区将每一路图像数据进行缓存，并且通过对每一通道数据添加MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码，目的是合成符合UDP协议的广播数据包，便于数据采集系统通过千兆以太网口发送给上位机接收图像数据。并且对每一通道数据添加通道标记号和每一通道网络包计数，这样便于数据发送到上位机检查每一通道数据是否存在丢数据现象。

多通道控制模块通过握手通讯机制实现多通道控制模块循环对每一个网络功能模块进行响应，并且将每一路网络功能模块中的图像数据依次发送给网络发送模块；

网络发送模块通过千兆以太网网口与上位机通讯。

该系统的采集方法具体步骤是：

步骤1)N路数据源分别通过RS422接口向网络功能模块发送数据图像；

步骤2)每一个网络功能模块将每一个数据源提供的图像数据存入FIFO缓存区等待调度；同时，每一个网络功能模块对每一个数据源提供的图像数据添加MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码合成一个符合UDP协议的广播数据包；

步骤3)每一个网络功能模块通过提前预设的FIFO缓存区的缓存阈值，判断是否向多通道控制模块发送数据传输请求信号；

若只有一个网络模块达到阈值要求，则网络功能模块向多通道控制模块发送数据传输请求信号，进行步骤4)；

若未达到阈值要求，则网络功能模块继续接收图像数据；

步骤4)多通道控制模块进行循环响应应答，当循环到发出数据传输请求信号的网络模块时，实现握手通讯，多通道控制模块将该路图像数据发送给网络发送模块；

步骤5)网络发送模块将该路图像数据通过千兆以太网网口发送给上位机。

多通道控制模块参见图3，以通道1和通道2相机图像数据和多通道控制模块进行通讯为例，当通道1图像数据进入fifo缓存，达到fifo设定阈值后，会向多通道控制模块发送一个高电平数据请求信号CH1_tx_image_busy_o，当多通道控制模块响应通道1发送的数据请求信号后，会将CH1_tx_image_busy_o信号拉低，并且会回复通道1一个拉低数据响应信号CH1_tx_busy_i，这样在数据发送端(网络功能模块)和数据接收端(多通道控制模块)实现了一次数据通讯握手机制，然后通道1将fifo缓存的数据发送给多通道控制模块，实现通道1数据选通和发送。

假如在多通道控制模块和通道1进行数据通讯握手的时候，此刻通道2的图像数据fifo缓存也达到阈值，向多通道控制模块发送数据发送请求信号CH2_tx_image_busy_o，但是多通道控制模块并没有循环到响应通道2处，也就没有接收到的响应通道2的数据发送请求，通道2响应信号CH2_tx_busy_i信号持续拉高，未被响应，所以通道2数据发送请求信号CH2_tx_image_busy_o一直拉高，等待多通道控制模块的响应。只有当通道1数据发送完成以后，多通道控制模块采响应通道2数据发送请求信号。这样有效的循环调度每一路相机缓存的数据，防止每一路相机数据冲突，保证每一路数据传输可靠，正确。

Claims (5)

1.一种千兆以太网的多通道数据循环采集系统，其特征在于：包括N路数据源、数据处理单元、千兆以太网网口以及上位机；

所述N路数据源为N台用于采集图像数据的相机；

所述数据处理单元包括FPGA芯片、N路信号输入接口、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块；N≥1；

N路信号输入接口、N个网络功能模块、多通道控制模块以及网络发送模块全部集成在FPGA芯片上；

N路信号输入接口、N个网络功能模块以及N路数据源一一对应；

每一路数据源通过信号输入接口将图像数据发送至其对应的网络功能模块中；网络功能模块用于将图像数据进行缓存并且合成符合UDP协议的广播数据包；

多通道控制模块通过握手通讯机制实现多通道控制模块循环对每一个网络功能模块进行响应，并且将每一路网络功能模块中的图像数据依次发送给网络发送模块；

网络发送模块通过千兆以太网网口与上位机通讯。

2.根据权利要求1所述的千兆以太网的多通道数据循环采集系统，其特征在于：所述网络功能模块设置有FIFO缓存区；所述广播数据包包括MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码。

3.根据权利要求1或2所述的千兆以太网的多通道数据循环采集系统，其特征在于：上述广播数据包还包括每一个数据源的通道标记号和每一包数据的网络包计数。

4.根据权利要求3所述的千兆以太网的多通道数据循环采集系统，其特征在于：所述信号输入接口为RS422接口或RS485接口或LVDS接口或USB接口。

5.基于权利要求1-4任一权利要求所述的千兆以太网的多通道数据循环采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)N路数据源分别通过信号输入接口向网络功能模块发送数据图像；

2)每一个网络功能模块将每一个数据源提供的图像数据存入FIFO缓存区等待调度；同时，每一个网络功能模块对每一个数据源提供的图像数据添加MAC地址，IP地址和UDP网络帧头和CRC校验码合成一个符合UDP协议的广播数据包；

3)每一个网络功能模块通过提前预设的FIFO缓存区的缓存阈值，判断是否向多通道控制模块发送数据传输请求信号；

若只有一个网络模块达到阈值要求，则网络功能模块向多通道控制模块发送数据传输请求信号，进行步骤4)；

若未达到阈值要求，则网络功能模块继续接收图像数据；

4)多通道控制模块进行循环响应应答，当循环到某一通道发出数据传输请求信号的网络功能模块时，实现握手通讯，多通道控制模块将该路图像数据传递到网络发送模块；

5)网络发送模块将该路图像数据通过千兆以太网网口发送给上位机。