CN108305352B - 数据处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数据处理装置，具体涉及千兆网通信、模拟量输入输出的传输及存储以及无线数据交换的数据处理装置。包括CPU插件、交换机插件、存储插件、模拟量采集插件、背板模块、WiFi插件、电源插件、保留槽位以及电源转换电路，通过背板模块上板载的VPX插座将上述各插件之间互联。本发明能够实现多路高清数据、模拟量、数字量输入的存储，模拟量、数字量的自定义输出，以及数据的有线和无线传输等功能；本发明能够对CPU插件的健康进行监测，电源插件通过CPU插件输出的IO信号状态完成健康状况的监测，当出现异常时可进行电源重启恢复。

Description

数据处理装置
技术领域
本发明涉及轨道交通控制技术领域，具体涉及一种数据处理装置。
背景技术
随着高速轨道交通的飞速发展，对列车在运行过程中的各项数据状态保存变得越来越重要。
在高速轨道交通控制系统中，数据处理装置能对列车多项状态进行监测并存储。该装置能够实现对多路千兆网摄像头观测的高清数据进行存储，多路模拟量的输入采集存储，数据可有线或无线传输等功能。系统管理员可以根据保存的视频及列车状态数据，判断出在特定时刻的列车运行状态，并采取相应措施。
数据处理装置需要满足的多路高清数据、模拟量、数字量输入的存储，模拟量数字量的自定义输出，另外温度范围为-40℃～+70℃，现有技术中的数据处理装置适用温度范围有限，需要进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种数据处理装置，能够实现多路高清数据、模拟量、数字量输入的存储，模拟量、数字量的自定义输出，以及数据的有线和无线传输等功能。
本专利解决上述技术问题的技术方案如下：一种数据处理装置，包括CPU插件、交换机插件、存储插件、模拟量采集插件、背板模块、WiFi插件、电源插件、保留槽位以及电源转换电路；
所述交换机插件，通过所述背板模块与CPU插件电连接，且设置有千兆网接口；
所述存储插件，通过所述背板模块与所述CPU插件电连接，用于存储所述CPU处理的数据；
所述模拟量采集插件，通过所述背板模块与所述CPU插件电连接，实现模拟量信号的采集；
所述WiFi插件，通过所述背板模块与CPU插件电连接，实现与外部设备的无线数据交互；
所述背板模块，通过板载的VPX插座将上述各插件之间互联；
所述电源插件，通过所述背板模块对各个插件供电，并设置有监控电路接收CPU插件的健康信号，控制整机复位；
所述电源转换电路，通过所述背板模块与连接所述电源插件电连接，用于将可控主电源转换成各插件所需要的直流电，且所述电源转换电路与所述CPU插件、所述交换机插件、所述存储插件、模拟量采集插件以及WiFi插件均连接，并提供所需要的直流电；
进一步地，所述电源插件包括顺次连接的过压保护电路和开关电路，所述开关电路分别连接可控主电源和散热供电模块，所述散热供电模块连接电源散热模块，所述过压保护电路连接监测电路，且检测电路与CUP插件电连接。
进一步地，所述电源插件还包括有用于检测所述电源插件自身温度的温度检测电路和用于检测散热供电模块供电回路的电流检测电路。
进一步地，所述温度检测电路由热敏电阻、电压比较器及MOS管组成。
进一步地，所述电源散热模块包括两个上下设置的风扇，设置在下方的风扇向内吹风，设置在上方的风扇向外吸风。
进一步地，所述CPU插件包括COME模块，所述COME模块分别连接有VGA保护电路、USB保护电路、千兆网扩展及保护电路、串口扩展电路、IO接口、千兆网接口、SATA接口、PCIE接口、mSATA接口以及CPU散热模块。
进一步地，所述电源转换电路与CPU插件之间设置有CPU插件温度检测模块，用于监测所述CPU插件的环境温度。
进一步地，所述CPU插件温度检测模块采用STM32F031ARM芯片，在系统启动时进行温度的测量，若当前环境温度超过+60℃，ARM芯片根据写入的延时参数控制所述IO接口的信号电平，控制给CPU插件供电的对应开关通断，错开不同CPU插件的操作系统启动过程中要大电流的时刻，实现错峰启动的过程。
进一步地，所述模拟量采集插件包括顺次连接的调理电路、隔离变换电路、采集电路以及FPGA处理电路。
本专利的有益效果是：
1.本发明能够实现多路高清数据、模拟量、数字量输入的存储，模拟量、数字量的自定义输出，以及数据的有线和无线传输等功能；
2.对CPU插件的健康监测，电源插件通过CPU插件输出的IO信号状态完成健康状况的监测，当出现异常时可进行电源重启恢复；
3.本发明所述电源散热模块包括两个上下设置的风扇，设置在下方的风扇向内吹风，设置在上方的风扇向外吸风，可保证内部产生的热量能及时交换出去，不在内部产生聚温的现象，可在恶劣环境下工作，特别是高温环境下，采取提高效率、改善散热、错峰启动等多个方面完善，保证了设备的可靠运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例所述的数据处理装置的结构示意图；
图2为本发明一具体实施例所述的数据处理装置的原理框图；
图3为图2中模拟量采集插件的原理框图；
附图标记：
1-CPU插件；11-COME模块；12-VGA保护电路；13-USB保护电路；14-千兆网扩展及保护电路；15-串口扩展电路；16-IO接口；17-千兆网接口；18-SATA接口；19-PCIE接口；10-mSATA接口；101-CPU散热模块；2-交换机插件；3-存储插件；4-模拟量采集插件；41-调理电路；42-隔离变换电路；43-采集电路；44-FPGA处理电路；5-WiFi插件；6-电源转换电路；7-背板模块；8-电源插件；81-过压保护电路；82-开关电路；83-可控主电源；84-监测电路；85-散热供电模块；86-电源散热模块；9-保留槽位。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，其中一实施例的数据处理装置，包括CPU插件1、交换机插件2、存储插件3、模拟量采集插件4、WiFi插件5、背板模块7、电源插件8以及电源转换电路6；
CPU插件1，通过背板模块7实现与各插件的数据交互；
交换机插件2，通过背板模块7实现与CPU插件1的互联，同时对外提供千兆网接口；
存储插件3，完成视频数据和分析后的报表文件的存储，通过背板模块7连接完成CPU插件1的外置硬盘扩展；
模拟量采集插件4，通过背板模块7实现与CPU插件1的互联，实现模拟量信号的采集；
WiFi插件5，通过背板模块7实现与CPU插件1的互联，实现与外部的无线数据的交互；
背板模块7，通过板载的VPX插座将上述各插件之间互联；
电源插件8，通过与背板模块7的连接实现对各个插件供电，同时通过背板模块7对CPU插件1的健康信号进行监测，实现整机的自动复位；
电源插件8通过背板模块7连接电源转换电路6，电源转换电路6与CPU插件1、交换机插件2、存储插件3、模拟量采集插件4以及WiFi插件5均连接。
进一步地，所述电源插件8包括顺次连接的过压保护电路81和开关电路82，所述开关电路82分别连接可控主电源83和散热供电模块85，所述散热供电模块85连接电源散热模块86，所述过压保护电路81还连接有监测电路84。
进一步地，所述CPU插件1包括COME模块11，所述COME模块11分别连接有VGA保护电路12、USB保护电路13、千兆网扩展及保护电路14、串口扩展电路15、IO接口16、千兆网接口17、SATA接口18、PCIE接口19、mSATA接口10以及CPU散热模块101。
进一步地，所述电源散热模块86包括两个上下设置的风扇，设置在下方的风扇向内吹风，设置在上方的风扇向外吸风。
进一步地，所述模拟量采集插件4包括顺次连接的调理电路41、隔离变换电路42、采集电路43以及FPGA处理电路44。
进一步地，所述CPU插件1通过所述IO接口16连接所述监测电路85，通过所述千兆网接口17连接所述交换机插件2，通过所述SATA接口18连接所述存储插件3，通过所述PCIE接口19连接所述模拟量采集插件4以及WiFi插件5。
进一步地，所述电源转换电路6与CPU插件1之间设置有CPU插件温度检测模块，用于监测所述CPU插件的环境温度。
进一步地，所述CPU插件温度检测模块采用STM32F031ARM芯片，在系统启动时进行温度的测量，若当前环境温度超过+60℃，ARM芯片根据写入的延时参数控制所述IO接口的信号电平，控制给CPU插件供电的对应开关通断，错开不同CPU插件的操作系统启动过程中要大电流的时刻，实现错峰启动的过程。
本发明还包括两个保留槽位9，当将来本装置需要实现其他的功能时，用于扩展。
本发明是提供了一种数据处理装置，能对列车多项状态进行监测并存储。该终端能够实现对多路千兆网摄像头观测的高清数据进行存储，多路模拟量的输入采集存储，数据可有线或无线传输等功能。另外具备可扩展的标准槽位，能够插入其他的功能模块，快速实现不同的业务功能，从而提高开发速度，降低开发成本。
本发明的面板功能分布如图1所示，包括：电源插件、3个CPU插件、交换机插件、3个存储插件、WiFi插件、模拟量采集插件，各个插件通过背板模块的标准接口进行互联互通。
由于设备需要在高温+85℃下工作不小于2小时，那么需要整机具有优良的散热措施。针对发热量较高的电源插件和CPU插件在其主要发热器件上装有散热模块，在上下盖板的相应位置均有风扇组件，其中下盖板风扇向内吹风，上盖板风扇向外吸风，可保证内部产生的热量能及时交换出去，不在内部产生聚温的现象。
电源插件的实现原理框图如图2所示，外部电源输入后首先经过过压保护电路，包含有TVS管(JK30)进行的防浪涌设计，由MOS管(SUD50P04)构成的防反接电路以及为考虑电磁兼容设计而增加的直流滤波器；从过压保护电路输出后分为两路分别输入可控主电源DC/DC模块和散热供电模块，其中散热供电模块型号为FED60-24S12，在其输出端增加了温度检测电路，包括热敏电阻、电压比较器(MAX931)及MOS管(SI4497)电路，当环境温度到达0℃左右时，关闭电压输出，避免风扇在低温下工作发生损坏；可控主电源模块为HAE200-48S12，可输出200W功率，在可控主电源模块的后方增加了可控开关电路，其控制信号根据系统的监测电路生成，包含CPLD电路(MAXV5M16)、MOS管开关电路(SI4497)、驱动电路(SN741G08)及电源转换电路等。由于设备可能安装在人员无法直接接触到的位置，对于易损风扇组件的好坏无法直接判断，所以在电源插件上设计了风扇供电回路的电流检测电路，用户可通过提供的API函数实时读取数据，通过此可判断设备的风扇组件是否都处于正常状态；为了便于用户调试，监测电路根据CPU插件送出的信号来打开和关闭监测功能，在打开监测情况下，将实时判断CPU插件的信号输出状态，当条件不满足时，对设备可控主电源进行自动复位操作。
CPU插件的实现框图如图2所示，由COME模块及多路接口扩展和保护电路组成，本插件是整个设备的核心处理模块，设备中的3个CPU插件可通过PCIE、千兆网、SATA等接口实现与设备其它所有模块的通信，其中COME模块采用Intel Core i7E4700EQ，芯片组采用Intel DH82QM87；采用2根8G DDR3实现内存的扩展；通过mSATA口实现板载存储的扩展；串口扩展电路采用Super IO W83627DHG，通过LPC总线扩展出两个UART串口，用于实现RS485和电流环通信接口；千兆网扩展及保护电路采用Intel 82574L，通过PCIE总线扩展出3个千兆以太网口；VGA保护电路的视频输出单元用VGA接口，采用CM2009进行保护电路设计；USB保护电路采用RCLMP0504对USB的数据进行接口保护。可控主电源通过背板模块输送至各插件后通过电源转换电路转换成系统需要的5V、3.3V等各路直流电源；SATA接口与存储插件连接完成高速大容量存储的实现；PCIE接口与模拟量采集插件、WiFi插件等功能插件连接，用于业务功能的快速扩展；千兆网接口与交换机插件连接可实现控制器与外部及内部其他CPU插件的数据通信；IO接口输出CPU插件的健康信号，与电源插件连接实现系统状态监测功能；由于在高温环境下电源的效率会下降，为了能够让设备在高温下能够顺利启动，在CPU插件与电源转换电路之间增加了CPU插件温度检测模块，采用ARM芯片(STM32F031)在系统启动时进行温度的测量，若当前环境温度超过+60℃，那么ARM芯片根据写入的延时参数控制IO接口信号电平，从而控制给CPU插件供电的相应MOS管(SI4497)开关通断，错开不同CPU插件的操作系统启动过程中要大电流的时刻，实现了错峰启动的过程。
交换机插件主要由网络扩展芯片及保护电路组成，要求实现背板3路前兆以太网接口和前面板6路以太网接口。本模块设计中选用了Marvell公司的88E6176芯片作为实现多路千兆以太网接口功能，88E6176芯片是Marvell公司的一款7端口的千兆以太网交换机，支持-40～85℃工作温度范围，本插件中使用了2片88E6176芯片，通过SGMII接口互联实现最多12路以太网接口功能。每个以太网接口通过HX5400NL变压器实现隔离和驱动，并且每个以太网接口全部使用了保护器件进行静电保护和耐压防护，考虑到以太网接口容易受到雷击浪涌以及陶瓷放电管一级保护之后的残压影响，因此采用GDT在变压器前端做共模浪涌防护，并选择结电容低、反应时间快、兼顾防护静电功能的TVS管吸收差模能量。
存储插件由可打开硬盘盒、1T容量的2.5寸SSD硬盘构成，通过SATA接口与背板模块连接完成CPU插件的外置硬盘扩展。
WiFi插件由mPCIE接口的WiFi模块(EWM-W157H)及天线构成，通过与PCIE接口完成与CPU插件的连接，外部设备除了可通过交换机插件与各个CPU插件进行数据外，还可通过该WiFi模块完成数据交互，且操作更便捷，但考虑到温度特性，其通信速率只能达到25MB/S左右，影响了一部分需要数据高速传输的用户体验，在研制过程中也采用商业级PCE-AC88网卡进行了测试，速率可达到78MB/S，能够满足大部分用户的需求。
模拟量采集插件的原理框图如图3所示，主要有调理电路、隔离变换电路、采集电路及FPGA处理电路组成，可完成电流信号的采集，采集精度达到千分之一。调理电路由TVS管(P6SMB13A)和共模滤波器构成，进行输入端的防浪涌设计和共模干扰的抑制；隔离变换电路主要由电流隔离模块(ISO-EM-A3-P3)、高精度电阻及电压跟随模块构成，用来将输入的0～20mA电流信号转换为电压信号，并进入电压跟随电路进行设计的阻抗匹配；采集电路主要由AD采集构成，采用的AD7091进行模数转换后送入后级FPGA进行处理；FPGA处理电路采用ALTERA公司的EP4CGX30CF23I7N芯片，实现AD数据的时序读取及PCIE接口通讯，该接口用来与CPU插件进行数据通讯；另外为了确保系统不会发生温度过高而导致设备损坏的情况，在插件上也设计了温度检测，用户可以通过CPU插件读取到模拟采集板卡监测部位的温度，从而实现该区域的温度记录，高精度模拟量采集，通过对输入信号的隔离及调理处理，能对0～20mA的电流信号进行千分之一精度的采集。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种数据处理装置，其特征在于：包括CPU插件、交换机插件、存储插件、模拟量采集插件、背板模块、WiFi插件、电源插件以及电源转换电路；
所述交换机插件，通过所述背板模块与所述CPU插件电连接，且设置有千兆网接口；
所述存储插件，通过所述背板模块与所述CPU插件电连接，用于存储所述CPU处理的数据；所述模拟量采集插件，通过所述背板模块与所述CPU插件电连接，实现模拟量信号的采集；所述WiFi插件，通过所述背板模块与CPU插件电连接，实现与外部设备的无线数据交互；所述背板模块，通过板载的VPX插座将上述各插件之间互联；
所述电源插件，通过所述背板模块对各个插件供电，并设置有监控电路接收CPU插件的健康信号，控制整机复位，所述电源插件包括顺次连接的过压保护电路和开关电路，所述开关电路分别连接可控主电源和散热供电模块，所述散热供电模块连接电源散热模块，所述过压保护电路连接监测电路，且检测电路与CUP插件电连接，所述电源插件还包括有用于检测所述电源插件自身温度的温度检测电路和用于检测散热供电模块供电回路的电流检测电路，所述温度检测电路由热敏电阻、电压比较器及MOS管组成，所述电源散热模块包括两个上下设置的风扇，设置在下方的风扇向内吹风，设置在上方的风扇向外吸风；
所述电源转换电路，通过所述背板模块与连接所述电源插件电连接，用于将可控主电源转换成各插件所需要的直流电，且所述电源转换电路与所述CPU插件、所述交换机插件、所述存储插件、模拟量采集插件以及WiFi插件均连接，并提供所需要的直流电；
其中，所述CPU插件包括COME模块，所述COME模块分别连接有VGA保护电路、USB保护电路、千兆网扩展及保护电路、串口扩展电路、IO接口、千兆网接口、SATA接口、PCIE接口、mSATA接口以及CPU散热模块，所述CPU插件通过所述IO接口连接所述监测电路，通过所述千兆网接口连接所述交换机插件，通过所述SATA接口连接所述存储插件，通过所述PCIE接口连接所述模拟量采集插件以及WiFi插件，所述电源转换电路与CPU插件之间设置有CPU插件温度检测模块，用于监测所述CPU插件的环境温度，所述CPU插件温度检测模块采用STM32F031ARM芯片，在系统启动时进行温度的测量，若当前环境温度超过+60℃，ARM芯片根据写入的延时参数控制所述IO接口的信号电平，控制给CPU插件供电的对应开关通断，错开不同CPU插件的操作系统启动过程中要大电流的时刻，实现错峰启动的过程。
2.根据权利要求1所述的一种数据处理装置，其特征在于：所述模拟量采集插件包括顺次连接的调理电路、隔离变换电路、采集电路以及FPGA处理电路。
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